第二章交流感应伺服电动机2

第2章交流感应伺服电动机2.1两相感应伺服电动机的结构特点与控制方式2.2两相感应伺服电动机的理论分析2.3两相感应伺服电动机的静态特性2.4两相感应伺服电动机的动态特性2.5两相感应伺服电动机的主要技术数据和性能指标2.6三相感应伺服电动机及其矢量控制第2章交流感应伺服电动机•概述概述传统的交流伺服电动机是指两相感应伺服电动机，由于受性能限制，主要应用于几十瓦以下的小功率场合。近年来，随着电机理论、电力电子技术、计算机控制技术及自动控制理论等学科领域的发展，三相感应电动机及永磁同步电动机的伺服性能大为改进，采用三相感应电动机及永磁同步电动机的交流伺服系统在高性能领域应用日益广泛。本章首先对传统的两相感应伺服电动机进行了较详细的讨论，最后对三相感应电动机矢量控制技术及其伺服控制系统进行了介绍。永磁同步伺服电动机将在第3章予以讨论。2.1两相感应伺服电动机的结构特点与控制方式2.1.1概述2.1.2结构特点2.1.3控制方式2.1.1概述两相感应伺服电动机的基本结构和工作原理两相感应伺服电动机的基本结构和工作原理与普通感应电动机相似。从结构上看，电机由定子和转子两大部分构成，定子铁心中安放多相交流绕组，转子绕组为自行闭合的多相对称绕组。运行时定子绕组通入交流电流，产生旋转磁场，在闭合的转子绕组中感应电动势、产生转子电流，转子电流与磁场相互作用产生电磁转矩。2.1.1概述两相感应伺服电动机与普通感应电动机的主要差别为了控制方便，定子为两相绕组，在空间相差90°电角度。其中一相为励磁绕组，运行时接至电压为Uf的交流电源上；另一相为控制绕组，施加与Uf同频率、大小或相位可调的控制电压Uc，通过Uc控制伺服电动机的起、停及运行转速。注意：由于励磁绕组电压Uf固定不变，而控制电压Uc是变化的，故通常情况下两相绕组中的电流不对称，电机中的气隙磁场也不是圆形旋转磁场，而是椭圆形旋转磁场。2.1.2结构特点对两相感应伺服电动机的基本要求：1）伺服电动机的转速能随着控制电压的变化在宽广的范围内连续调节。2）整个运行范围内的机械特性应接近线性，以保证伺服电动机运行的稳定性，并有利于提高控制系统的动态精度。3）无“自转”现象。即当控制电压为零时，伺服电动机应立即停转。4）伺服电动机的机电时间常数要小，动态响应要快。为此，要求伺服电动机的堵转转矩大，转动惯量小。2.1.2结构特点两相感应伺服电动机的转子结构：两相感应伺服电动机的转子结构形式有三种：笼型转子、非磁性空心杯转子和铁磁性空心杯转子。1．笼型转子与普通笼型感应电动机的转子相似，只是为了减少转子的转动惯量，需做的细而长。转子笼的导条和端环可以用铜（通常采用高电阻率的黄铜或青铜等）制造，也可以采用铸铝转子。2.1.2结构特点2．非磁性空心杯形转子非磁性空心杯形转子两相感应伺服电动机的结构如图2-1所示。它的定子分为外定子和内定子两部分，内外定子铁心通常均由硅钢片叠成。外定子铁心槽中放置空间相距90°电角度的两相交流绕组，内定子铁心中一般不放绕组，仅作为磁路的一部分，以减少主磁通磁路的磁阻。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子做成杯子形状，所以称为空心杯形转子。2.1.2结构特点杯形转子和笼型转子虽然外表形状看起来不一样，但实质上是一样的，因为杯形转子可以看作是导条数目非常多、条与条之间紧靠在一起、而两端自行短路的笼型转子。3．铁磁性空心杯转子由于铁磁性空心杯转子应用较少，在此不做具体介绍。2.1.2结构特点非磁性杯形转子与笼型转子的比较：非磁性杯形转子转动惯量小，轴承摩擦阻转矩小。由于转子没有齿和槽，定、转子间没有齿槽粘合现象，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。但由于它内、外定子间的气隙较大，所以励磁电流大，功率因数低，降低了电机的利用率，在相同的体积与重量下，杯形转子伺服电动机比笼型转子伺服电动机所产生的转矩和输出功率都小。另外，杯形转子伺服电动机的结构与制造工艺都较复杂。目前广泛采用的是笼型转子伺服电动机，只有在要求转动惯量小、反应快，以及要求转动非常平稳的某些特殊场合下，才采用非磁性空心杯形转子伺服电动机。2.1.2结构特点两相感应伺服电动机转子电阻必须足够大的这是其与普通感应电动机相比的另外一个重要特点。原因：1）扩大转速范围并使机械特性尽可能接近线性；2）实现无“自转”现象图2-2不同转子电阻时的感应电动机机械特性不同转子电阻时感应电动机的机械特性如图2-2所示，随着转子电阻的增大，稳定运行转速范围增加。2.1.2结构特点若转子电阻足够大，可使sm≥1，如图2-2曲线3、4所示，在0s1的范围内呈现出下垂的机械特性，相应地电动机从零到同步转速的整个范围内均能稳定运转。此外，由图2-2还可以看到，随着转子电阻的增大，机械特性也更接近于线性关系。图2-2不同转子电阻时的感应电动机机械特性曲线1、2、3、4分别是转子电阻为rr1′、rr2′、rr3′、rr4′的机械特性rr4′rr3′rr2′rr1′2.1.2结构特点自转现象与转子电阻的关系对于两相感应伺服电动机，取消控制电压后，即Uc=0时，只有励磁绕组通电，成为单相感应电动机运行。励磁绕组产生的气隙磁场为脉振磁场，该脉振磁场可以分解为大小相等、转速相同、而转向相反的两个圆形旋转磁场（分别称为正向旋转磁场和反向旋转磁场），如果转子转速为n，则转子相对于正向旋转磁场的转差率为正向旋转磁场与转子感应电流相互作用产生的电磁转矩T1=f（s+）如图2-3中T1所示。snnnsss2.1.2结构特点相应地，反向旋转磁场产生的电磁转矩T2=f（s-）如图2-3中的T2所示。电动机的总电磁转矩为这两个转矩之差，即Te=T1-T2，Te与转差率s的关系如图2-3中实线所示，这便是单相脉振磁场作用下的机械特性。由于每一圆形旋转磁场所产生的机械特性的形状与转子电阻大小有关，显然，由正向和反向圆形旋转磁场合成的单相脉振磁场作用下的机械特性，其形状也必然与转子电阻大小有关。ssnnnnnnns22)(2sssss而转子相对于反向旋转磁场的转差率为2.1.2结构特点转子电阻较小时：单相运行的机械特性如图2-3a）所示，在电机作为电动机运行的转差范围内（即0s1时），T1T2，合成转矩Te=T1-T20（转速接近同步转速ns时除外）。当突然切除控制电压，即令Uc=0时，电动机不能停止转动，而是以转差率s1稳定运行于B点。可见，当转子电阻较小，无控制信号时，电机也可能继续旋转，造成失控，这种现象就是所谓的“自转”现象。a）转子电阻较小时图2-3自转现象与转子电阻的关系2.1.2结构特点增大转子电阻但sm+1时：增大转子电阻，正、反向旋转磁场产生最大转矩所对应的临界转差率将增大，相应的T1、T2及合成转矩Te如图2-3b）所示，可见电机的合成转矩随之减少。但由于在0s1的范围内，Te仍大部分为正值，若最大转矩Tem仍大于TL，电机将稳定运行于C点，仍存在自转现象，只是转速较低。b）增大转子电阻但sm+1时图2-3自转现象与转子电阻的关系2.1.2结构特点增大转子电阻至sm+1时：如果转子电阻足够大，致使正向旋转磁场产生最大转矩对应的转差率sm+1，则可使单相运行时电机的合成电磁转矩在电动机运行范围内均为负值，即Te0，如图2-3c）所示。当控制电压消失后，由于电磁转矩为制动性转矩，使电机迅速停止旋转。可见，在这种条件下，电动机不会产生自转现象。因此，增大转子电阻是克服两相感应伺服电动机“自转”现象的有效措施。c）增大转子电阻至sm+1图2-3自转现象与转子电阻的关系2.1.3控制方式两相感应伺服电动机运行时，其励磁绕组接到电压为Uf的交流电源上，通过改变控制绕组电压Uc的大小或相位控制伺服电动机的起、停及运行转速。因此两相感应伺服电动机的控制方式有三种：（1）幅值控制；（2）相位控制；（3）幅值-相位控制。1．幅值控制采用幅值控制时，励磁绕组电压始终为额定励磁电压UfN，通过调节控制绕组电压的大小来改变电机的转速，而控制电压与励磁电压之间的相位角始终保持90°电角度。当控制电压=0时，电机停转。原理电路和电压相量图如图2-4所示。2.1.3控制方式2．相位控制采用相位控制时，控制绕组和励磁绕组的电压大小均保持额定值不变，通过调节控制电压的相位，即改变控制电压与励磁电压之间的相位角，实现对电机的控制。当=0°时，两相绕组产生的气隙合成磁场为脉振磁场，电机停转。原理电路和电压相量图如图2-5所示。2.1.3控制方式3．幅值-相位控制（电容控制）这种控制方式是将励磁绕组串联电容Ca以后，接到交流电源上，而控制绕组电压的相位始终与相同，通过调节控制电压的幅值来改变电动机的转速。原理电路和电压相量图如图2-6所示。采用幅值-相位控制时，励磁绕组电压当调节控制绕组电压的幅值改变电动机的转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组电流会发生变化，使励磁绕组电压及串联电容上的电压也随之改变，因此控制绕组电压和励磁绕组电压的大小及它们之间的相位角都随之改变，故称为幅值-相位控制，也称为电容控制。1UcU1UCa1fUUUfIfUCaUcUfU2.1.3控制方式幅值-相位控制方式不需要复杂的移相装置，利用串联电容就能在单相交流电源上获得控制电压和励磁电压的分相，所以设备简单、成本较低，是实际应用中最常见的一种控制方式。2.2两相感应伺服电动机的理论分析2.2.1两相感应伺服电动机的对称分量法2.2.2等效电路2.2.3控制绕组和励磁绕组中的电流2.2.4电磁转矩2.2两相感应伺服电动机的理论分析•概述两相感应伺服电动机定子绕组不一定是两相对称绕组，电机运行时，所施加控制电压的大小或相位又是变化的，因此两相感应伺服电动机通常工作在不对称运行状态下。对不对称运行的两相感应电动机进行分析时，可以采用正、反转磁场法，也可以采用对称分量法。本教材将采用后者。对称分量法是把电机两相绕组的不对称磁动势分解为两组对称的磁动势来研究。其中一组对称磁动势的相序与外施电压的相序一致，称为正序分量；另一组对称磁动势的相序与外施电压相序相反，称为负序分量。利用电机学中讲过的感应电动机原理，可以方便地得到正、负序分量分别作用时的等效电路，进而导出有关计算公式。2.2.1两相感应伺服电动机的对称分量法设电动机控制绕组电流为，产生磁动势为；而励磁绕组电流为，产生磁动势为，则磁动势和组成一个两相不对称系统，如图2-7所示。采用对称分量法时，我们将分解成两个分量和，将分解成和，且与大小相等，相位上滞后90°电角度，两者构成磁动势的正序分量；而和大小相等，相位上领先90°电角度，为磁动势的负序分量。cIcFfIfFcFfFfFf1Ff2FcFc1Fc2Ff1Fc1Ff1Fc1Ff2Fc2Fc2Ff2F磁动势、及其各个分量之间有如下关系根据式（2-1）和式（2-2），由和可求得其各分量如下2.2.1两相感应伺服电动机的对称分量法fFcFcFfF（2-2）c2c1cf2f1fFFFFFFc2f2c1f1jjFFFF)j(21)j(21)j(21)j(21cfc2cfc1cff2cff1FFFFFFFFFFFF（2-1）（2-3）2.2.1两相感应伺服电动机的对称分量法磁动势的正序分量在电机气隙中形成正向旋转的圆形旋转磁场，负序分量形成反向旋转的圆形旋转磁场，通过分别分析它们的作用结果，叠加后即可得到不对称运行条件下两相感应伺服电动机的运行特性。考虑到两相感应伺服电动机的两相绕组有效匝数可能不等，给分析、计算带来不便，为便于分析，常将励磁绕组各量归算到控制绕组。设控制绕组有效匝数为Nckwc，励磁绕组有效匝数为Nfkwf，则控制绕组每极每相基波磁动势为2.2.1两相感应伺服电动机的对称分量法cwccc9.0Ip