第6章6.1-6.2感应电机调速技术
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电机与拖动第6章同步电机的电力拖动
6.3 三相同步电动机的调速
一、 他控式变频调速
独立的变频装置为电机 提供变频变压电源
1. f1＜ fN 时，要保持 U1 = 常数 f1 以隐极同步电动机为例，有下面的关系 U1 E0 TM = 3 Xs Ω E0 = 4.44 kw1 N1 f1Φ0∞ f1 Xs = Xa＋Xσ = 2π f1 (La＋Lσ) = 2π f1Ls ∞ f1 2π 60f1 2π f1 ∞ f 2π Ω= n= = p 1 60 p 60
功率角 θ 的物理意义 同步电动机的矩角特性类似于异步电动机的机械特性， 其中的功率角θ相当于异步电动机的转差率s。 同转差率一样，随着负载转矩的增加，功率角将有所增 加，由矩角特性可知，电磁转矩将相应的增加，最终电 磁转矩与负载转矩相平衡。但同步电动机仍保持同步速 运行。
同步电动机的过载能力 当 I1L = IN 时，满载。 当 I1L＞IN 时，过载。 不允许长期过载，允许短时过载。短时过载 时要求 TL＋T0＜TM 。 过载能力（当U1L = UN，If = IfN时）： TM αMT = T = 2 ~ 2.5 N TM 1 ※ 三相隐极同步电动机： = TN sinθN
6.3 三相同步电动机的调速
pkw1N1 U1 3 TM = Φ0 Ls f1 2√ 2 π 2. f1＞fN 时，要保持 U1 = UNP 不变 U1 则 U1＞UNP，这是不允许 若保持 = 常数， f1 的。因此，只有使 U1 = UNP ， f1 ↑ → TM ↓ 。 若要保持一定的过载能力，可以调节 If ，即 If ↑ TM 基本不变。 f1 ↑
直流无换向器 电动机示意图
位置检测器
优点： 不存在失步和振荡问题（与他控式相比，因自控式同步电动 机定子绕组的通电频率以及由此产生的定子旋转磁场受控于转 子转速）； 转子的惯量较小，快速性和可靠性高，调速范围较宽；（因 无机械式电刷与换向器，且具有直流电动机的性能）；
船舶电气设备及系统-大连海事大学 第06章 控制用电机
控制绕组 内定子
励磁绕组
杯形转子 交流伺服电动机 1
U
检 测 元 件
放 大 器
I 2
U 2
励磁绕组的接线
控制绕组的接线
励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。
适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近 90，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便 转动起来。 例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量 关系如图所示。
E E 1 a I cos I cos a 1 1 Z Z Z Z 1 2 1 2
E E 1 b I cos( 120 ) I cos( 120 ) b 1 1 Z Z Z 1 2 Z 1 2
E E 1 c I cos( 240 ) I cos( 24 ) c 1 1 Z Z Z 1 2 Z 1 2
§6.1
伺服电动机
伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转 轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电 动机，又称执行电动机。按电流种类分，伺 服电动机分为交流和直流两种。
1－转子，2－定子绕组，3－定子，4－内定子 5－机壳，6－端盖。
6.1.1 交流伺服电动机 原理与两相交流异 步电机相同，定子 上装有两个绕组 — 励磁绕组和控 制绕组，在空间相 隔90。
F k NI k NI cos F cos 1 a N a N 1 m 1
F k NI k NI cos( 120 ) F cos( 12 ) 1 b N b N 1 m 1
F k NI k NI cos( 240 ) F cos( 24 )
I 1
+
励磁绕组
杯形转子 交流伺服电动机 1
U
检 测 元 件
放 大 器
I 2
U 2
励磁绕组的接线
控制绕组的接线
励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。
适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近 90，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便 转动起来。 例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量 关系如图所示。
E E 1 a I cos I cos a 1 1 Z Z Z Z 1 2 1 2
E E 1 b I cos( 120 ) I cos( 120 ) b 1 1 Z Z Z 1 2 Z 1 2
E E 1 c I cos( 240 ) I cos( 24 ) c 1 1 Z Z Z 1 2 Z 1 2
§6.1
伺服电动机
伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转 轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电 动机，又称执行电动机。按电流种类分，伺 服电动机分为交流和直流两种。
1－转子，2－定子绕组，3－定子，4－内定子 5－机壳，6－端盖。
6.1.1 交流伺服电动机 原理与两相交流异 步电机相同，定子 上装有两个绕组 — 励磁绕组和控 制绕组，在空间相 隔90。
F k NI k NI cos F cos 1 a N a N 1 m 1
F k NI k NI cos( 120 ) F cos( 12 ) 1 b N b N 1 m 1
F k NI k NI cos( 240 ) F cos( 24 )
I 1
+
机器人技术基础课件第六章 机器人传感器
物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。
6.1 机器人传感器概述
6.1.1 传感器的基本概念
2、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换部分组成
基
被 测 量
敏 感 元 件
转 换 元 件
本 转 换 电
电 信 号
路
6.1 机器人传感器概述
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2.1 位移（位置）传感器
（1）信号性质
输出信号为一串脉冲，每一个脉
冲对应一个分辨角，对脉冲进行计 数N，就是对 的累加，即，角位移 ＝N。
如： ＝0.352，脉冲N＝1000，
则：
＝ 0.352×1000＝ 352
增量式编码器的信号性质
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光 电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠 等优点，应用广泛。
编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
轴式
套式
电信号
二进制编码
• 满足机器人控制的要求 • 满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求
6.1 机器人传感器概述
6.1.4 机器人传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力,力矩;
热工量:温度、热量、比热容、热流、 热 分布、压力（压强）、压差、真空度、流 量、流速、物位、 液位、界面、噪声
感应电机调速方法(一)
感应电动机调速方法收藏此信息打印该信息添加：阮毅来源：未知1 概述与直流电动机相比，感应电动机具有结构简单、制造容易、维护工作量小等优点，但感应电动机的控制却比直流电动机复杂的多。
早期的交流传动均用于不可调传动，而可调传动则用直流传动，随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流可调传动的应用已成为不争的事实。
交流可调传动的应用主要分为三个方面:·用于大量的风机、水泵类电机的调速，以获得可观的节能效益;·用于高性能的传动系统，取代直流传动系统;·用于特大容量、极高转速的交流调速。
按照感应电动机的功率流向，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分:·一部分是机械轴上输出的机械功率;·另一部分是与转差s成正比的转差功率。
按转差功率可以把感应电动机的调速系统分成三类:(1) 转差功率消耗型调速系统转差功率转换成热能消耗在转子回路中，以增加转差功率的消耗来换取转速的降低，这类系统的效率较低，且随着转速的降低而降低，这类系统结构简单，设备成本低，仍具有一定的应用价值，例如降电压调速。
(2) 转差功率馈送型调速系统转差功率的一部分被消耗掉，大部分则通过变换装置回馈给电网或转化成机械能予以利用，这类系统的效率比转差功率消耗型高，若转差功率由转子侧送入，则可使转速高于同步转速，此类系统只能用于绕线型感应电动机，应用场合受到一定的限制，设备成本高于前一种，例如绕线电动机双馈调速。
(3) 转差功率不变型调速系统在这类系统中，无论转速高低，转差功率都为转子铜损，保持不变，因此效率也较高，变极对数调速和变压变频调速属于此类。
其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广。
感应电动机的转速表达式为其中: s—转差;f—电源频率;—电机极对数;—同步转速。
由式(1)可知，可以通过改变转差s或同步转速实现调速，转差功率消耗型和转差功率馈送型属于改变转差的调速方法，转差功率不变型属于改变同步转速的调速方法。
第六章交流异步电动机变频调速系统
60年代 70年代 80年代
90年代
第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现
对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到 低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效 率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为， 变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想 的调速方法 。
原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特 性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保
为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利 用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基 频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速 自然要随频率变化。
n0
601 2np
（6-7）
带负载时的转速降落为
n
sn0
60
2np
s1
（6-8）
在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，
可以导出
s1
Rr' Te
3np
Us
最大转矩值越小。
Temax
3np 2
Us
1
2
Rs
1
1
2
Rs
1
(Lls L'lr )2
（6-10）
可见最大转矩Temax是随着的1降低而减小的。
频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，
采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增
强带载能力，见图6-4。
n
n0 N
1N 11 12 13 1N
1N
1N < 1a <1b <1c 恒功率调速
O Te
图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性
由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减 弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认 为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速 属于弱磁恒功率调速。
《电机与拖动》第6章 单相异步电动机和同步电机
8
单相异步电动机的结构组成记录表
任务1
单相异步电动机的结构及起动运转
3、电容分相式异步电动机的起动观察
按以下三种启动方式起动单相异步电动机，观察电动机能否正 常运转，将观察结果填入表6-3中。 （1）直接加电压启动电容分相式异步电动机 将单相异步电动机加上铭牌所示的额定电压，观察电动机能否运 转。 （2）加外力启动异步电动机 加上额定电压后，用外力旋转单相异步电动机的轴承，观察电动 机能否正常运行
6-11 电容分相启动电动机 a）接线图 b）相量图 24
6.2
单相异步电动机
3）电容分相运转异步电动机 电容分相运转异步电动机的启动绕组不 仅在启动时起作用，而且在电动机运转时也 起作用，长期处于工作状态，如图6-12所示。 这种电动机实际上是一台两相异步电动机， 其定子绕组产生的气隙磁场较接近于圆形旋 转磁场，因此其运行性能较好，功率因数、 过载能力比普通单相异步电动机好，但它的 启动性能不如电容分相启动异步电动机。
（1）单相分相式异步电动机 单相分相式异步电动机是在电动机定子上安放空间相位上相差 90°电角度的两相绕组。若两相绕组的参数相同，则为两相对称绕组。 21
6.2
单相异步电动机
通入两相对称电流时产生的旋转磁场如图6-9所示，图中反映了两 相对称电流的波形和合成磁场的形成过程。 从图可看出，分相式异步 电动机启动必须满足两个条件： ①定子两相绕组在空间相位相 差90°；②两相绕组通入两相 对称、相位相差90°的交流电。
6.2
单相异步电动机
Ф 1是励磁电流产生的磁通，Ф 2是励磁电流产生的一部分磁通 （穿过短路铜环的磁通）和短路铜环中感应电流所产生的磁通的合成 磁通。由于短路铜环中感应电流阻碍穿过短路环的磁通的变化，使Ф 1 和Ф 2之间产生相位差，Ф 2总是滞后于Ф 1。当Ф 1达到最大时，Ф 2尚 小；而Ф 1减小时，Ф 2才达到最大，这相当于在电动机内形成一个向 被罩部分移动的磁场，它使笼型转子产生启动转矩而启动。 单相罩级式异步电动机的主要优点是结构简单、制造方便、成本 低、维护方便、工作可靠，但启动转矩较小，功率因数低。主要用于 小型风扇、仪器仪表电动机、电唱机等。
单相异步电动机的结构组成记录表
任务1
单相异步电动机的结构及起动运转
3、电容分相式异步电动机的起动观察
按以下三种启动方式起动单相异步电动机，观察电动机能否正 常运转，将观察结果填入表6-3中。 （1）直接加电压启动电容分相式异步电动机 将单相异步电动机加上铭牌所示的额定电压，观察电动机能否运 转。 （2）加外力启动异步电动机 加上额定电压后，用外力旋转单相异步电动机的轴承，观察电动 机能否正常运行
6-11 电容分相启动电动机 a）接线图 b）相量图 24
6.2
单相异步电动机
3）电容分相运转异步电动机 电容分相运转异步电动机的启动绕组不 仅在启动时起作用，而且在电动机运转时也 起作用，长期处于工作状态，如图6-12所示。 这种电动机实际上是一台两相异步电动机， 其定子绕组产生的气隙磁场较接近于圆形旋 转磁场，因此其运行性能较好，功率因数、 过载能力比普通单相异步电动机好，但它的 启动性能不如电容分相启动异步电动机。
（1）单相分相式异步电动机 单相分相式异步电动机是在电动机定子上安放空间相位上相差 90°电角度的两相绕组。若两相绕组的参数相同，则为两相对称绕组。 21
6.2
单相异步电动机
通入两相对称电流时产生的旋转磁场如图6-9所示，图中反映了两 相对称电流的波形和合成磁场的形成过程。 从图可看出，分相式异步 电动机启动必须满足两个条件： ①定子两相绕组在空间相位相 差90°；②两相绕组通入两相 对称、相位相差90°的交流电。
6.2
单相异步电动机
Ф 1是励磁电流产生的磁通，Ф 2是励磁电流产生的一部分磁通 （穿过短路铜环的磁通）和短路铜环中感应电流所产生的磁通的合成 磁通。由于短路铜环中感应电流阻碍穿过短路环的磁通的变化，使Ф 1 和Ф 2之间产生相位差，Ф 2总是滞后于Ф 1。当Ф 1达到最大时，Ф 2尚 小；而Ф 1减小时，Ф 2才达到最大，这相当于在电动机内形成一个向 被罩部分移动的磁场，它使笼型转子产生启动转矩而启动。 单相罩级式异步电动机的主要优点是结构简单、制造方便、成本 低、维护方便、工作可靠，但启动转矩较小，功率因数低。主要用于 小型风扇、仪器仪表电动机、电唱机等。
(第6章)磁电式传感器
6.2.2 霍尔元件的应用
1．霍尔式微量位移的测量 ．
由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感 成正比， 的函数， 应强度B是位置x的函数，即 UH=kx 13） （6-13） 式中： ——位移传感器灵敏度 位移传感器灵敏度。 式中：ｋ——位移传感器灵敏度。
测量转速时，传感器的转轴1 测量转速时，传感器的转轴1与被测物 体转轴相连接，因而带动转子2转动。 体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转 的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈3 磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应 出近似正弦波的电压信号， 出近似正弦波的电压信号，其频率与转速 成正比例关系。 成正比例关系。
2．霍尔元件基本结构 ．
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 根引线和壳体组成， 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图6-8阻 ）
I v= nebd
得
IB EH = nebd
IB UH = ned
式中： 称之为霍尔常数， 式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度， 其大小取决于导体载流子密度，则
RH IB = K H IB UH = d
（6-12） 12）
称为霍尔片的灵敏度。 式中： 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
第6章异步电动机变频调速系统
将每一等份正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面 积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦 脉冲的中点重合，且使各矩形脉冲面积与相应各正弦部 分面积相等，得到图6.2.1(b)所示的脉冲序列。根据冲量 相等、效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是 等效的。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等 效。由图6.2.2可见，各矩形脉冲在幅值不变的条件下， 其宽度随正弦规律变化。 这种宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的矩形脉冲序 列称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。
实际变频器中，更多地使用双极性调制方法。 双极性PWM调制采用的是正负交变的双极性 三角载波 u t 与正弦调制波 ur ，如图6.2.3所 示。 双极性控制时，逆变部分同一桥臂上下两个 开关元件交替通断。处于互补的工作状态。 例如，A相正半周时VT1与VT4交替反复导 通，调制波形见图6.2.3。
6.1 变频调速基本原理
6.1.1 变频调速基本原理
根据电机学原理可知，异步电动机的转速为
60 f1 n n0 (1 s) (1 s) p
（6.1.1）
n 式中， 0为异步电机同步转速； f1为定子供电 频率； p 为电动机的极对数；s 为转差率。
由此可见，若能连续地改变异步电动机的供电 频率 f1 ,就可以平滑地改变电动机的同步速度及 电动机轴上的转速，从而实现异步电动机的无 级调速，这就是变频调速的基本原理。
可见, 逆变电路是实现变频的关键部分, 它由六个 开关器件构成。这些电力电子开关器件必须满足 以下要求： 能承受足够大的电压和电流； 允许长时间频繁地接通和关断； 接通和关断的控制十分方便。
上述逆变电路虽然将直流电压变成了交流电压, 但其交流输出电压为方波，该方波与交流电动 机所需要的正弦波相差甚远，故应对逆变电路 的控制方式进行改进，使其能输出比较好的正 弦波电压，以满足交流电动机工作的要求。
运动控制系统-第6章交流调速系统
☺转差率☺
s = n0 - n n0
Motion Control Systems
转子尚未转动时，n = 0, s = 1；若n = n0，则s = 0。 可知，异步电动机处于电动状态时，0 < s < 1。 额定运行时，sN = 1% ~ 5%。
Spring 2015
本章内容提要
Motion Control Systems
Motion Control Systems
（2.3）三相交流异步电动机的结构——转子绕组
各相引出线连到滑环上，
滑环套在转轴上并与之绝缘，
三
通过电刷与外电路相连
相
， 一 般
绕线式转子绕 组接线示意图
接
成
星
有可能在转子电路中
形
串接电阻，改善电动
机运行性能
鼠笼式转子绕组
Spring 2015
Motion Control Systems
如何改变旋转磁场的转向？ 最简单的方法：改变三相交流电流的通入方向
Spring 2015
（3）三相交流异步电动机的工作原理 ☺同步转速（旋转磁场转速）☺
Motion Control Systems
三相交流电动机定子旋转磁场每分钟的转速n0、定子电流频率f 和磁极对数p之间的关系是
60 f n0 = p
（3）三相交流异步电动机的工作原理 三相电流波形
ωt = 0
iA = sin ωt + 900 iB = sin ωt - 300 iC = sin ωt + 2100
Spring 2015
ωt = 240
Motion Control Systems
两 极 旋 转 ωt = 120 磁 场 示 意 图 ωt = 360
n第六章控制电机资料PPT课件
.
10
（2）交流伺服电机 R2设计得较大，使Sm>1，Tst大， 启动迅速，稳定运行范围大。
（3）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变 化，转速与电压 U2 成正比。U2 的极性改变 时，转子的转向改变。
.
11
第六章 控制电机
交流伺服电动机的机械特性如图所示。 n
o
T 不同控制电压下的机械特性曲线
2）控制方法
n
直流伺服电机的机械特性 与他励直流电机相同一样.
nKUEΦ 2 KEK RaTΦ2T
T
O
直流伺服电动机的
由机械特性可知：
n=f(T)曲线(U1=常数)
(1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。
(2) U2=0时，电机立即停转。
电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
第六章 控制电机
控制绕组
杯形转子: 1、减少转动惯量；
2、提高电阻R2 使 Sm=R2/X20 >1，
避免“自转”现象。
内定子 外定子 励磁绕组
第六章 控制电机
23ຫໍສະໝຸດ 514交流杯形伺服电动机 1 励磁绕组； 2 控制绕组； 3 内定子； 4 处定子； 5转子；
第六章 控制电机
2）工作原理
I1
U C
+–
+
U
–
控制信号
第六章 控制电机 6.1.2测速发电机
测速发电机是一种转速测量传感器。用来测量旋 转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的 信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。
交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这 里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。
EKen 由于恒定，故E与被测转速 n成正比