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1、第4章 交流伺服电动机及其驱动第1页，本讲稿共14页转子的转速ns与旋转磁场转速相同，称为同步转速。ns与所接交流电的频率f及电机的磁极对数p之间的关系为nsfp。在中国，电源频率为50赫，因此二极电机同步转速为3000转分，四极电机同步转速为1500转分，采用永久磁铁磁场，不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即可；也称为无刷直流伺服电动机。容易控制；转矩产生机理与直流伺服电动机相同T=CMIa。（T：转矩；CM：转矩系数；：气隙磁通；Ia：转子电流）2异步(IM)型：结构1）定子：）定子：定子铁心：由定子铁心：由0.35mm-0.5mm的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。定子绕组：按一定规律排
2、列的三相绕组。定子绕组：按一定规律排列的三相绕组。2）转子：）转子：转子铁心：由转子铁心：由0.35mm-0.5mm的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。转子绕组：转子绕组：鼠笼式；绕线式：鼠笼式；绕线式：第2页，本讲稿共14页第3页，本讲稿共14页l原理、定子绕组通入三相对称电流时产生旋转磁场；、旋转磁场的转向与三相电流的相序相同；、电气旋转磁场、旋转磁场的转速（称为同步转速）：l各种旋转磁场的相对关系：、定子电流的旋转磁场相对于定子的转速：、定子电流的旋转磁场相对于转子的转速：(3)转子电流的旋转磁场相对于转子的转速：(4)转子电流的旋转磁场相对于定子的转速：第4页，本讲稿共14页动画演示第5页，本
3、讲稿共14页(5)转子电流的旋转磁场相对于定子电流的旋转磁场的转速：l所以转子电流的旋转磁场和定子电流的旋转磁场相对静止，合成共同的旋转主磁通0 l异步电机转子的转速则总是低于或高于旋转磁场的转速，两者之差（称为转差）通常在10以内。l交流电机（不管是同步还是异步）的转速受电源频率的制约，因而调速较为困难。l气隙磁场难于直接检验，可以用转子的位置和速度的等效控制（矢量控制）来代替lT=CMI2 cos（T：转矩；CM：转矩系数；：气隙磁通；I2：转子电流；cos：转子功率因数）l，I2，cos 都是转差率S的函数，难以直接控制第6页，本讲稿共14页总结：总结：交交流流电电机机主主要要包包括括异
4、异步步电电机机和和同同步步电电机机两两大大类类；两两类类电电机机在在结结构构上上既既具具有有共共同之处，又各有其自身特点。同之处，又各有其自身特点。共同之处在于定子铁心和绕组，不同之处在于转子结构和绕组。共同之处在于定子铁心和绕组，不同之处在于转子结构和绕组。旋旋转转磁磁场场：交交流流电电机机工工作作的的基基础础；是是电电能能和和机机械械能能之之间间互互相相转转换换的的基基本本条条件件；在交流电机理论中有两种旋转磁场：在交流电机理论中有两种旋转磁场：1 1）机械旋转磁场：机械旋转磁场：通过原动机拖动磁极旋转产生。通过原动机拖动磁极旋转产生。2 2）电电气气旋旋转转磁磁场场：三三相相对对称称的的
5、交交流流绕绕组组通通入入三三相相对对称称的的交交流流电电流流时时会会在在电电机机的的气气隙隙空空间间产产生生。两两种种旋旋转转磁磁场场尽尽管管产产生生的的机机理理不不相相同同，但但在在交交流流绕绕组组中中形成的电磁感应效果是一样的。形成的电磁感应效果是一样的。交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。通常三相交流电机的定子都有对称的三相绕组。任意一相绕组通以交流电流时产生的是脉振磁场。但若以平衡的三相电流通入三相对称绕组，就会产生一个在空间旋转的磁场。磁场的对称轴线随时间而转动，其转速（n）由电流频率（f）和磁极对数（p）决定：
6、n60fp。一般说来，旋转磁场的转向总是从电流超前的相移向滞后的相。如果通入三相绕组的电流相序相反，旋转磁场的转向也相反。第7页，本讲稿共14页二、矢量控制原理二、矢量控制原理l交流电动机作为执行元件：实现精密的位置控制，并能在较宽的调速范围内产生理想的扭矩，提高生产率l关键是解决对交流电动机的控制和驱动l气隙磁场难于直接检验，可以用转子的位置和速度的等效控制（矢量控制）来代替l矢量控制是交流伺服系统的关键，可以利用微处理器和微型计算机数控对交流电动机作磁场的矢量控制，从而获得对交流电动机的最佳控制。l矢量控制原理：矢量控制：同时控制电动机输入电流I1的幅值和相位以得到交流电动机的最佳控制。第
7、8页，本讲稿共14页第9页，本讲稿共14页r1，X1为定子绕组的电阻和漏抗；r2，X2为转子绕组的电阻和漏抗；rm为与定子铁心相对应的等效电阻；Xm为与主磁通相对应的铁心电路的电抗；S为滑差率。Im为励磁电流，在整个负载范围保持不变；I2为转子电流，电磁转矩T与I2成正比。I1为输入电流。矢量控制：同时控制电动机输入电流I1的幅值和相位以得到交流电动机的最佳控制。三、异步电动机的特点三、异步电动机的特点(1)全封闭无刷构造，无需定期检查和维修；(2)定子无铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻；(3)定子铁芯开槽多且深，绝缘可靠，磁场均匀；(4)可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，提高系统可靠性；(
8、5)转子采用精密磁极形状的永久磁铁，可实现高扭矩/惯量比，动态响应好，运行平稳；(6)应用矢量控制技术，具备调速范围宽、稳速精度高、动态响应快等良好的技术性能。第10页，本讲稿共14页四、交流调速系统1、调速：改变电动机的转速；2、调速方法：1）机械调速：靠机械的传动改变电动机的转速；2）电气调速；用电气的方法改变电动机的转速；3、电气调速方法：由式 式中，n：电动机转速；f：外加电源频率；P：电动机极对数；S：转差率l可知，调速方法有变极调速、变频调速、改变转差率调速。4、变极调速1)概念：改变磁极对数的调速方法；2)方法：一相绕组的两个线圈由串联改为并联，3)原理：极对数由P变为P/2，旋
9、转磁场的转速由n0变为2n0；4)应用：专用的多速电动机，有级调速。第11页，本讲稿共14页第12页，本讲稿共14页5、变频调速1）概念：改变电源频率的调速方法；2）方法：通过变频技术改变电源的频率f1；3）原理：4）应用：专用的变频技术，无级调速。为了保持调速时电动机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定：需调节定子供电电压，即要求对交流电动机供电的变频器(VFD)具有调压调频两种功能。晶闸管和大功率晶体管（它们具有接近理想开关元件的性能）的运用，使变频器VFD迅速发展。改变定子电压U和定子供电频率f之间的不同比例关系，得到不同的变频调速方式。5)变频调速器装置(VFD)可分为电压型和电流型两大类大功率晶体管组成的电压型变频调速装置使用广泛第13页，本讲稿共14页6、改变转差率调速（适用于绕线式转子）7、三相异步电动机的反转 对调任意两根电源线即可。六、选用六、选用同直流伺服电动机的选用第14页，本讲稿共14页