第二章交流感应伺服电动机ppt课件.ppt

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sm1，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。,2.1.2 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。,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2-3 a）所示，在电机作为电动机运行的转差范围内（即0T2，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2-3 c）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。,2.1.3 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。,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,（2-2）,（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,式中，p为极对数。,励磁绕组每极每相基波磁动势为,（2-4）,（2-5）,式中，kcf为控制绕组和励磁绕组的有效匝数比， 为励磁绕组电流归算值，有,。,式中， 、 分别为控制绕组电流的正序分量和负序分量； 分别为励磁绕组电流正序分量和负序分量的归算值。,2.2.1 两相感应伺服电动机的对称分量法,将式（2-4）和式（2-5）代入式（2-1）（2-3），可得,（2-6）,（2-7）,（2-8）,2.2.2 等效电路,两相感应伺服电动机原理电路图 应用对称分量法对电动机性能进行分析，为了计算两相绕组外施电压一定时的绕组电流及其正、负序分量，必须分别建立正、负序磁场单独作用时的等效电路。为了使所得结果具有普遍意义，下面以图2-8所示的励磁绕组串联电容器Ca的幅值-相位控制电路为例进行讨论，若令电容器的容抗XCa=0，即为幅值控制或相位控制时的电路。,图2-8 两相感应伺服电动机原理电路图,2.2.2 等效电路,正序等效电路 由电机学中讲过的感应电动机原理可知，当正序分量单独作用时控制绕组和励磁绕组的等效电路分别如图2-9a）和b）所示。图中励磁绕组各量均已归算到控制绕组，并且为了简化分析，励磁支路上只有励磁电抗Xmc，略去了代表铁心损耗的电阻，即忽略铁心损耗的影响。,b）励磁绕组正序等效电路,图2-9 正、负序等效电路,a）控制绕组正序等效电路,2.2.2 等效电路,负序等效电路 电机学中分析多相电机时，由于多相绕组对称，在圆形旋转磁场作用下各相绕组的电压、电流等也是对称的，故只需一相的等效电路即可。而对于两相感应伺服电动机，由于两相绕组不对称，故需分别建立其等效电路。 负序分量单独作用时，转子相对反向旋转磁场的转差率s-=2-s，控制绕组和励磁绕组的负序等效电路分别如图2-9c）和d）所示。,图2-9 正、负序等效电路,c）控制绕组负序等效电路,d）励磁绕组负序等效电路,2.2.2 等效电路,等效电路参数说明 图2-9中Rsc、Xsc分别为控制绕组的电阻和漏抗；rr、Xr为转子绕组电阻和漏抗归算到控制绕组的归算值；Rsf、Xsf为励磁绕组电阻和漏抗归算到控制绕组的归算值，Rsf=kcf2Rsf，Xsf=kcf2Xsf。XCa为电容器容抗的归算值，XCa=kcf2XCa 。 通常电动机的励磁绕组和控制绕组所占的槽数及绕组型式完全相同，且两绕组在槽中的铜线面积基本相等，所以归算后两绕组的电阻和漏抗分别近似相等，即有,（2-9）,2.2.2 等效电路,励磁支路与转子支路并联后的等效电路,图2-10 励磁支路与转子支路并联后的等效电路,2.2.2 等效电路,其中,（2-10）,注意：Rrm1、Xrm1、Rrm2、Xrm2均为转差率s的函数，即这些参数均随电机转速的变化而变化。,2.2.2 等效电路,各绕组电压方程及正、负序阻抗 控制绕组,（2-11）,（2-12）,Zc1和Zc2分别为控制绕组的正序阻抗和负序阻抗，有,（2-13）,（2-14）,其中,2.2.2 等效电路,励磁绕组 考虑到式（2-9），对于励磁绕组有,（2-16）,Zf1和Zf2分别为励磁绕组回路的正、负序阻抗，有,（2-15）,（2-17）,式中,式中， 为归算到控制绕组的外施电压。,2.2.3 控制绕组和励磁绕组中的电流,根据电压平衡关系，在控制绕组回路中有,（2-18）,同理，在励磁绕组回路中有,（2-19）,由式（2-18）和式（2-19）并结合式（2-7），可得,（2-20）,则,（2-21）,2.2.4 电磁转矩,由感应电动机工作原理知，感应电动机的电磁转矩可以由电磁功率除以电机的同步机械角速度求得，而电磁功率对应于转子电流在等效电路中转子等效电阻rr/s上所产生的功率。对于两相感应伺服电动机，由于经常工作在不对称运行状态，电机中既有正序磁动势产生的正向旋转磁场，又有负序磁动势产生的反向旋转磁场，正向旋转磁场将使电机工作在电动机状态，产生正向电磁转矩T1，而反向旋转磁场则使电机工作在电磁制动状态，产生反向电磁转矩T2（参见图2-3），伺服电动机的电磁转矩应为T1-T2。而T1和T2可分别由正序旋转磁场和负序旋转磁场产生的电磁功率求得。,2.2.4 电磁转矩,正序旋转磁场产生的电磁功率等于图2-9控制绕组和励磁绕组正序等效电路中转子电流在转子等效电阻rr/s上所产生的功率，不难证明，这个功率与图2-10中定子电流正序分量流过不计铁耗时励磁支路与转子支路并联后的等效电阻Rrm1所消耗的电功率相等，因此正向旋转磁场的电磁功率为,（2-22）,相应的电磁转矩为,（2-23）,式中，s为同步机械角速度，单位为rad/s；ns为同步转速，单位为r/min。,2.2.4 电磁转矩,同理，反向旋转磁场产生的电磁功率对应于图2-9中负序等效电路中转子等效电阻rr/（2-s）上的功率，也等于图2-10中定子电流负序分量在等效电阻Rrm2上消耗的功率，故有,（2-24）,（2-25）,则电机的电磁转矩为,（2-26）,2.3.1 幅值控制时的特性2.3.2 相位控制时的特性2.3.3 幅值-相位控制,2.3 两相感应伺服电动机的静态特性,2.3 两相感应伺服电动机的静态特性概述,两相感应伺服电动机的静态特性主要是指其机械特性和调节特性，随着控制方式不同，其静态特性也有所不同，下面分别进行讨论。,2.3.1 幅值控制时的特性,有效信号系数及获得圆形旋转磁场的条件 幅值控制时励磁绕组直接接在电压为 的交流电源上，即 = ，控制绕组电压 在相位上滞后 90电角度，而其大小Uc是可调的，若取电源电压U1为电压基值，则控制电压Uc的标幺值称为电压的信号系数，常用表示，有,（2-27）,而将控制电压Uc与归算到控制绕组的电源电压U1之比e称为幅值控制时的有效信号系数，即有,（2-28）,2.3.1 幅值控制时的特性,则,（2-29）,为使两相感应伺服电动机获得圆形旋转磁场，应使负序电流等于0，即 由式（2-20）可知，为此应有,将式（2-29）和式（2-31）代入式（2-30），可得,（2-30）,幅值控制时，由于XCa=0，由式（2-16）,（2-31）,（2-32）,即：幅值控制时，两相感应伺服电动机获得圆形旋转磁场的条件是有效信号系数等于1，此时控制电压Uc=U1=kcfU1。,将式（2-29）和式（2-31）代入式（2-20），可得幅值控制时控制绕组电流的正序分量 和负序分量 为,2.3.1 幅值控制时的特性,机械特性幅值控制时的转矩公式,（2-33）,再将式（2-33）代入式（2-26），便可得到电磁转矩,（2-34）,2.3.1 幅值控制时的特性,电磁转矩的标幺值 为了便于分析，常将转矩公式化成标幺值形式。选取圆形旋转磁场时的堵转转矩作为转矩基值，考虑到获得圆形旋转磁场的条件是 ，而堵转时s=1，由式（2-10）、式（2-13）和式（2-14）可得堵转时的阻抗为,（2-35）,式中,（2-36）,2.3.1 幅值控制时的特性,将式（2-35）代入式（2-34），得幅值控制时的转矩基值为,（2-37）,则电磁转矩的标幺值为,（2-38）,式（2-38）中，阻抗Zc1、Zc2、Rrm1、Rrm2都是转速的函数，所以当控制电压不变，即e=常数时，它表示了电动机转矩和转速的关系，故式（2-38）就是两相感应伺服电动机幅值控制时的机械特性。,2.3.1 幅值控制时的特性,幅值控制时的机械特性 式（2-38）中的转矩Te*与转速的关系十分复杂，实际应用中常常根据电机的参数，由式（2-38）计算出不同e时的转矩-转速关系，进而作出不同有效信号系数时的机械特性曲线。一台两相感应伺服电动机，当e=1、0.75、0.5、0.25时的一组机械特性曲线如图2-11所示。电机参数为：kcf=0.5，Rsc=75，Xsc=75，Xmc=150，rr=300，Xr=4.5。图中转速也采用了标幺值表示，转速基值取为同步转速ns，则转速标幺值n*=n/ns 显然，幅值控制时两相感应伺服电动机的机械特性是非线性的。,2.3.1 幅值控制时的特性,由图2-11可以看出，只有当有效信号系数e=1 时电动机的理想空载转速才等于同步转速，而e1时电动机的理想空载转速均低于同步转速。这是因为只有e=1时电机中产生的是圆形旋转磁场，当e1时则为椭圆形旋转磁场，此时由于反向旋转磁场的存在，会产生一个制动转矩T2（参见图2-3），当某转速下正向转矩T1与反向转矩T2正好相等时，合成转矩Te=T1-T2=0，这一转速即为该e下的理想空载转速。有效信号系数e越小，磁场椭圆度越大，反向转矩越大，理想空载转速就越低。,2.3.1 幅值控制时的特性,调节特性 两相感应伺服电动机的调节特性是指电磁转矩一定时转速与控制电压的关系，对幅值控制来说，就是Te*=常数时，n*= f（e）的关系曲线。 从两相感应伺服电动机的转矩表达式直接推导出其调节特性是相当繁杂的，所以各种控制方式下的调节特性曲线都是根据相应的机械特性曲线用作图法求得。绘制某一转矩值下的调节特性曲线时，可由机械特性曲线找出该转矩值下与不同转速相对应的有效信号系数，并据此绘成曲线。幅值控制时与图2-11机械特性相对应的调节特性如图2-12所示。,由图2-12可见，若负载阻转矩不变，随着控制电压提高，有效信号系数e增大，电动机转速升高，但调节特性的线性度很差，只在转速标幺值很小时近似于线性关系。 为了使伺服电动机能运行在调节特性的线性范围，应使其始终在较小的转速标幺值下运行，这样，为了提高电机的实际运行转速，就需提高伺服电动机的工作频率。,2.3.1 幅值控制时的特性,例如：一台两极伺服电动机，要求其最高运行转速n=2400 r/min，若用50Hz的工频电源供电，其同步转速ns=3000r/min，最高转速时的标幺值n*=0.8；若改用400Hz的中频电源，则ns= 24000r/min，最高转速标幺值n*=0.1，这样伺服电动机便可工作在n*=00.1的线性区段。鉴于此，两相感应伺服电动机常采用400Hz的中频电源供电。,2.3.1 幅值控制时的特性,机械特性的实用表达式 通常制造厂提供的是对称状态（e=1）下的机械特性曲线，在系统设计时，常需要不对称状态下的机械特性曲线，下面分析如何利用对称状态下的机械特性曲线获得不对称状态下的机械特性曲线。,式（2-34）的电磁转矩公式可以改写成如下形式,（2-39）,式中,（2-40）,2.3.1 幅值控制时的特性,T10即为正向对称运行（e =1）时的机械特性，而T20为e= -1时，即反向对称运行时的机械特性。如图2-13所示,（2-41）,图2-13 推导机械特性实用表达式的示意图,由感应电动机运行原理可知，任意转速n下T10和T20之间均存在以下关系,该式也可以由式（2-40）及（2-10）、（2-13）从数学上加以证明，在此从略。,2.3.1 幅值控制时的特性,为便于用数学方法处理，可以将T10用n的高次多项式近似表达，因特性曲线接近直线，通常取前三项已足够精确，即可将T10表达为,（2-44）,式中，Tk0为e=1时的堵转转矩；系数B、A可由下面两个条件确定（参见图2-13）：,1）当 时，,2）当n=ns时，T10=0,将此条件代入式（2-44），可求得,2.3.1 幅值控制时的特性,式中，H为实际特性与线性化特性在n=ns/2处的转矩之差，如图2-13所示。,（2-45）,（2-46）,由式（2-41）可知，对于T20有,（2-47）,将式（2-44）和式（2-47）代入式（2-39），可得,（2-48）,2.3.1 幅值控制时的特性,（2-49）,式（2-48）就是不对称状态下机械特性的实用表达式。可见，只要知道对称运行状态时的堵转转矩Tk0及ns/2时的转矩，就可以求出不对称运行状态时任意转速下的转矩值。,若取Tk0作为转矩基值，ns作为转速基值，式（2-48）的标幺值形式如下,式中，=H/Tk0，为机械特性非线性值H的相对值。,2.3.2 相位控制时的特性,获得圆形旋转磁场的条件 相位控制时，同样有XCa=0， = ，只是通常控制电压 的大小Uc=U1，而 滞后 的相位角在090电角度之间变化。因此有,（2-50）,2.3.2 相位控制时的特性,将式（2-50）代入式（2-30），得相位控制时获得圆形旋转磁场的条件为,（2-51）,求解上式可得,=90,或 sin=1,（2-52）,（2-53）,即相位控制时两相感应伺服电动机获得圆形旋转磁场的条件是控制电压和励磁电压的相位差=90或sin=1。,2.3.2 相位控制时的特性,机械特性和调节特性 应用与幅值控制时类似的方法，可得到相位控制时的机械特性和调节特性曲线，分别如图2-14、图2-15 所示。因相位控制在实际控制系统中很少使用，这里不作详细推导。需要说明的是，相位控制时通常以sin作为信号系数。,图2-14相位控制时的机械特性 图2-15 相位控制时的调节特性,2.3.3 幅值-相位控制,获得圆形旋转磁场的条件 幅值-相位控制时，励磁绕组串联电容后接电源电压 ，而控制绕组电压 与 始终同相位，但电压大小可调。由式（2-16），此时励磁绕组阻抗为,而两相绕组电压为,（2-54）,（2-55）,2.3.3 幅值-相位控制,将式（2-54）和式（2-55）代入式（2-30），得,（2-56）,（2-57）,即,欲使上式成立，其实部和虚部应分别等于零，即 有,（2-58）,将式（2-57）代入式（2-58），得,2.3.3 幅值-相位控制,（2-59）,在幅值-相位控制中，要获得圆形旋转磁场，励磁绕组所串联电容器的容抗及控制电压的有效信号系数需分别满足式（2-59）和式（2-57），考虑到Rc1和Xc1均为电机转速的函数，当在某一转速下由（2-59）和式（2-57）确定Xca和e，只能使电机在这一转速下获得圆形旋转磁场，即使电压有效信号系数保持不变，随着转速的变化磁场也将变成椭圆形旋转磁场，这一点与幅值控制和相位控制有所不同，幅值控制和相位控制时，若e=1 或sin=1，电机在不同转速下均可获得圆形旋转磁场。,在自动控制系统中，通常要求伺服电动机起动时能有尽可能大的转矩，以提高系统的动态性能。因此应使电动机在起动时（s=1时）获得圆形旋转磁场，此时其有效信号系数和电容器容抗应为,2.3.3 幅值-相位控制,（2-60）,式中，Rck和Xck分别为s=1时的Rc1和Xc1值，其表达式见式（2-36）。,2.3.3 幅值-相位控制,机械特性和调节特性 由于励磁回路串联电容，幅值-相位控制时的电磁转矩表达式十分复杂，这里不再给出其具体公式，仅给出由实际电机参数计算所得的机械特性曲线。图2-16为一台两相感应伺服电动机在幅值-相位控制方式下，有效信号系数分别为e0、0.75e0、0.5e0、0.25e0时的机械特性。 注意：因为选定电机起动时获得圆形旋转磁场，即使在e =e0的情况下，电机转动后便为椭圆形旋转磁场，由于反向旋转磁场产生的反向转矩的作用，在e =e0时的理想空载转速也低于同步转速。,由作图法得到的幅值-相位控制的调节特性如图2-17所示。,2.3.3 幅值-相位控制,图2-16 幅值-相位控制时的机械特性 图2-17 幅值-相位控制时的调节特性,2.3.3 幅值-相位控制,比较图2-11、图2-14、图2-16三种控制方式下的机械特性可以看出，若堵转转矩的标幺值相同，一般而言，在同一转速下幅值-相位控制时电机的转矩标幺值较大（接近理想空载转速处除外），而相位控制时最小。这是因为在幅值-相位控制时，励磁绕组回路中串联有电容器，当电机起动后，随着电机转速的变化，励磁绕组电流将发生变化，电容电压UCa也随之改变，因此使励磁绕组的端电压Uf有可能比堵转时还高，相应转矩也有所增大。电磁转矩的增大提高了幅值-相位控制时电机的输出机械功率，但也使幅值-相位控制时机械特性的线性度变差。就机械特性的线性度而言，相位控制时为最好，而幅值-相位控制时最差。但由于移相方法简单，幅值-相位控制应用最为广泛,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,两相感应伺服电动机的动态性能机械特性非线性对动态性能的影响不同有效信号系数对电机动态性能的影响,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,两相感应伺服电动机的动态性能 两相感应伺服电动机的动态特性：是指在阶跃控制电压作用下，电机转速随时间的变化规律。其定义及分析方法均与直流伺服电动机相似。只是由于两相感应伺服电动机的机械特性和调节特性皆为非线性，准确地分析其动态过程就变得相当复杂。下面以幅值控制为例对两相感应伺服电动机的动态性能进行分析。,分析时假设电动机的有效信号系数e =1，略去其电气过渡过程，并如图2-18所示将其机械特性进行线性化处理，则转速为n时的电磁转矩为,图2-18 e =1时机械特性的线性化,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,为了简化推导，假定负载转矩TL=0，然后将式（2-61）代入式（2-62），并整理得,考虑到 ，则式（2-63）可写成,（2-61）,电机的机械运动方程为,（2-62）,（2-63）,（2-64）,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,（2-65）,式中,是电机的机电时间常数。,对照式（1-8）可见，在上述假定条件下两相感应伺服电动机的动态转速方程与直流伺服电动机完全相同，其转速随时间的变化规律同样为指数函数，如图2-19中的曲线1所示。,图2-19 转速随时间的变化曲线,研究两相感应伺服电动机的动态性能时，必须注意它与直流伺服电动机相比存在以下两个方面的差别：1）机械特性为非线性；2）线性化机械特性的斜率随着有效信号系数的改变而相应变化。下面进一步分析这两个因素对动态性能的影响。,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,机械特性非线性对动态性能的影响 由前述机械特性实用表达式的分析推导可知，考虑机械特性非线性时，可将其近似看作抛物线。由式（2-49），e =1时标幺值形式的机械特性表达式为,（2-66）,（2-67）,（2-68）,将式（2-62）化成标幺值形式，并令TL=0，可得,将式（2-66）代入式（2-67），可得考虑机械特性非线性时的动态方程为,由式（2-69）画出的电机转速随时间变化的关系曲线如图2-19所示，图中曲线1为=0时的曲线，即为线性机械特性时电机转速随时间的变化关系，它呈指数函数。曲线2为=0.2时的曲线，可见，考虑机械特性的非线性，电机转速随时间的变化规律已不再呈指数函数关系。,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,求解式（2-68）可得,（2-69）,式中，k=4+1,由于k1，而且随着的增大而减少，所以考虑电动机机械特性的非线性后，两相感应伺服电动机的动态性能将优于线性机械特性的电机。但实际的两相感应伺服电动机其值不超过0.2，相应k0.78，因而忽略非线性对机电时间常数的影响造成的误差不超过22%，故m仍可用线性机械特性时的机电时间常数m代替。,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,根据式（2-69）可求得电机转速由零上升到空载转速的63.2%所需的时间，即考虑到电机机械特性非线性后的时间常数为,（2-70）,式中,（2-71）,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,不同有效信号系数对电机动态性能的影响 采用幅值控制，当有效信号系数e =1时，由线性化机械特性确定的机电时间常数如式（2-65）所示。同理，e 1时对应于线性化机械特性的机电时间常数m应为,（2-72）,式中，n0为相应e下的理想空载转速，Tk为相应e下的堵转转矩。,由图2-20可见，对应于不同的e，n0/Tk随之变化，这意味着电机的机电时间常数也将随着e 的变化而变化。,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,将=0代入式（2-49），可得不同e时用标幺值表示的线性化机械特性的表达式为,（2-73）,相应的堵转转矩为,将Te*=0代入式（2-73），可得有效信号系数为e时的理想空载转速标幺值为,则有效信号系数为e时的堵转转矩标幺值为,（2-74）,（2-75）,（2-76）,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,则,（2-77）,当e很小时，忽略式（2-78）分母中的e2项，则,可见，幅值控制的两相感应伺服电动机，当控制电压较小时，其机电时间常数约为额定控制电压时的二倍。,将式（2-75）和式（2-77）代入式（2-72），可得,（2-78）,（2-79）,2.4 两相感应伺服电动机的动态特性,小结：两相感应伺服电动机由于机械特性的非线性对动态性能影响不大，其作用常可忽略，但随控制电压减小，其过渡过程变长，当控制电压较低时，其动态特性变坏，时间约延长一倍。,值得注意的是，在性能指标中所给出的机电时间常数是指在额定励磁电压和额定控制电压(即e =1时的对称状态)且空载下的机电时间常数m。,2.5 两相感应伺服电动机的主要技术数据和性能指标,2.5.1 主要技术数据2.5.2 主要性能指标2.5.3 两相感应伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较,2.5.1 主要技术数据,1电压 主要技术数据中励磁电压和控制电压指的都是额定电压。励磁绕组电压的允许变动范围一般为5左右。电压太高，电机会发热；电压太低，电机的性能将变坏，如堵转转矩和输出功率会明显下降，加速时间增长等。 当电机采用幅值-相位控制时，应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大。 控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在幅值控制条件下，加上这个电压电机就能得到圆形旋转磁场。,2.5.1 主要技术数据,2频率 目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为5 0 Hz(或6 0 Hz)，中频为4 0 0 Hz (或5 0 0 Hz)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心需用更薄的硅钢片，一般低频电机用0.350.5mm的硅钢片，而中频电机用0.2mm以下的硅钢片。 中频电机和低频一般不可以互相代替使用，否则电机性能会变差。,3空载转速 定子两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速称为空载转速n0。空载转速与电机的极数有关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步转速。,2.5.1 主要技术数据,4堵转转矩和堵转电流 定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，称为堵转转矩。这时流过励磁绕组和控制绕组的电流分别称为堵转励磁电流和堵转控制电流。堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放大器的依据。,5额定输出功率 当电机处于对称状态时，输出功率P2随转速n变化的情况如图2-21所示。当转速接近空载转速n0的一半时，输出功率最大，通常就把这点规定为两相感应伺服电动机的额定状态。电机可以在这个状态下长期连续运转而不过热。这个最大的输出功率就是电机的额定功率P2N。对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩TN和额定转速nN。,2.5.2 主要性能指标,1空载始动电压Us0 在额定励磁电压和空载情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压Us0，通常以额定控制电压的百分比来表示。Us0越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般要求Us0不大于额定控制电压的34。用于精密仪器仪表中的两相感应伺服电动机，有时要求Us0不大于额定电压的1。,2.5.2 主要性能指标,2机械特性非线性度km 在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性在转矩Te=Tk/2时的转速偏差n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数，定义为机械特性非线性度，如图2-22所示，即,图2-22 机械特性的非线性度,2.5.2 主要性能指标,3调节特性非线性度k 在额定励磁电压和空载情况下，当e =0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差n与e =1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度，即,图2-23 调节特性的非线性度,如图2-23所示。,以上特性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确，一般要求km10%20%，k20%25%。,2.5.2 主要性能指标,4机电时间常数m 对伺服电动机而言，机电时间常数m是反映电机动态响应快速性的一项重要指标。在技术数据中给出的机电时间常数是用对称状态下的空载转速n0代替同步转速ns按照式（2-65）计算所得，即,我国生产的SL系列笼型转子两相感应伺服电动机的机电时间常数为1055ms，其中大部分产品的机电时间常数仅为1020ms。,（2-80）,式中，Tk0仍为对称状态下的堵转转矩。,注意：前已述及，两相感应伺服电动机实际运行时的机电时间常数m与m有所不