交流伺服电动机自转现象的避免

交流伺服电动机就是两相异步电动机，它的定子上有空间相差90°电角度的两相分布绕组，一相为励磁绕组f，一相为控制绕组K，转子为笼形。电动机工作时，励磁绕组f接单相交流电压Uf，控制绕组接控制信号电压UK，Uf与UK两者同频率。交流伺服机必须象直流伺服机一样具有伺服性，即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信号电压等于零，电动机就应该不转了。为了满足信号电压强时转速高、信号电压弱时转速低这一要求，可以让信号强时电机气隙磁通势接近圆形旋转磁通势，弱时椭圆度大接近脉振磁通势就行。而对于要求信号电压消失，即UK＝0后，电动机不转必须采用相应技术措施才能实现。
我们知道，单相异步电动机定子若只有一相绕组通电时，其机械行性为过点
T＝0，n＝0)的对称曲线，在其正转电磁转矩特性曲线T+＝f（s），T+＝Tm+时的临界转差率sm+＜1，T-＝f（s）与T+＝f（s）对称，因此0＜n＜n0 （n0为理想空载转速，n0＜n1)，合成转矩T＞0；而0＞n＞-n，合成转矩T＜0。如果交流伺服电动机的定子绕组与一般单相异步电动机的一样，那么正在运行的交流伺服电动机的控制信号电压一旦变为零，电机就运行于只有励磁绕组―相通电的情况下，那么电机还必然在原来的旋转方向上继续旋转，只是转速略有下降，但绝不可能停下来。这种信号电压消失后电动机仍然旋转不停的现象称为自转，自转现象破坏了伺服性，显然是要避免的。那么交流伺服电动机怎样避免单相运行时的自转呢? 可以看―下图1中所示的机械特性，这也是只一相绕组通电时的机械持性，其正转电磁转矩特性曲线 T+＝f（s），T+＝Tm+”时的临界转差率sm+＝l，T+＝f（s）与T-＝f（s）对称。因此电机总的电磁转矩持性T＝f（s）具有这样的特点：①过零，无起动转矩；②0＜n＜n1时，T＜0，是制动性转矩；o＞n＞- n1时，T＞o，也是制动件转矩。在这种情况下，本来运转的交流伺服机．若控制信号电压消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，电动机转速将被制动到n＝0，只要sm+＞1，就能避免自转现象。

          图1  交流伺服电动机自转现象的避免
实际的交流伺服电动机，需要正转磁通势(或反转磁通势)单独作用时的sm很大。加大sm的方法是增大转子回路的电阻r2。因为sm∝r2，所以交流伺服电动机转子电阻相对于一般异步电动机来说是很大的。
设计交流伺服电动机时,当励磁绕组与控制绕组分别为额定值大小时(对控制绕组来讲，额定电压指最大的控制电压)，两绕组产生的磁通势幅值也一样大。交流伺服电动机运行时，励磁绕组如果接在额定电压上，大小、相位都不变,那么改变控制绕组所加的电压UK的大小和相位，电动机气隙磁通势则随着信号电压UK的大小和相位而改变，有可能为圆形旋转磁通势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁通势，也有可能为脉振磁通势。（http://www.diangon.com/版权所有 )而由于气隙磁通势的不同，电动机机械特性也相应改变,那么拖动着负载运行的交流伺服电动机的转速n也就随之变化了。这就是交流伺服电动机利用控制信号电压UK的大小和相位的变化，控制转速随之变化的道理。
改变UK的大小与相位即实现对交流伺服电动机的控制，控制方法主要有三种：幅值控制、相位控制和幅值―相位控制。
1．幅值理制
由加在控制绕组上信号电压的幅值大小来控制交流伺服电动机转速，这种控制方式称为幅值控制。
 幅值控制接线如图2所示。励磁绕组f直接接交流电源。电压大小为额定值。控制绕组所加的电压为UK，其相位与励磁绕组电压相差90°，如落后90°，UK大小可以改变。UK的大小为UK＝αUKn，UKn为控制绕组额定电压, α称为有效信号系数，α最大值为1。若以
UKn为基恒，控制信号电压UK 的标么值是α，即：     UK /UKn= UK=α        

图2 交流伺服电动机帽值控制
(a)控制接线图 (b) Ff最大瞬间               
       若有效信号系数α≠1,控制绕组磁通势幅值与励磁绕组磁通势幅值不一样大，而两绕组空间相差90°电角度，所加电压及所通电流时间相差90。电角度，电机总的气隙合成磁通势为椭圆形旋转磁通势，空间磁通势向量图如图2 (b)所示。该图中Ff+与Ff-为励磁绕组脉振磁通势Ff分解成的两个正、反旋转磁通势；FK+与FK-为控制绕组脉振磁通势FK分解成的两个正、反旋转磁通势；电机内正转磁通势为F+＝Ff++FK+，反转磁通势F-＝Ff-+FK-，这是最一般的情况。当α=1时，Ff＝FK，F+＝2 Ff+，F-＝0。气隙磁通势F＝F+，为圆磁通势；当α=0时，FK＝0，气隙磁通势F＝Ff+为脉振磁通，F+＝F-＝Ff/2；而0＜α＜1时，气隙中F+＝Ff++FK+，F-＝Ff-+FK-，为椭圆磁通势。α值越小，椭圆度越大，越接近脉振磁通势。
采用分析单相异步电动机两相绕组通电时的同样方法，正转磁通势与反转磁通势分别产生电磁转矩T+与T-，总的电磁转矩T＝T++T-。最后可以得出有效信号系数α为不同值时相应的机械待性，如图3(a)所示。该图中，电磁转矩与转 速都采用标么值,转   

矩的基值是α＝1圆形磁通势时电机的起动转矩，转速的基值是同步转速n1。机械特性不是直线。从图1-35所示的机械特性看出，有效信号系  数α＝1时，气隙磁通势为圆磁通势，F-＝0，T-＝0，在一定的转速下电磁转矩T＝T+最大。α＜1时，正转磁通势F+减小，T+减小反转磁通势F-出现，T-≠0，在一定转速下电磁转矩T= T++ T-，比α＝1时小。而α＝0,正转磁通势F+与反转磁通势F-大小相等，机械特性T＝f(s)如图1=33所示。在图l-35(a)中则过原点不在第Ⅰ象限内。同时还可以看出，α＝1时，理想空载转速为同步转速n0；而α＜1时，由于T-存在，使得理想空载转速小于n0，道理与单相异步电动机相同。α越小，理想空载转速越低。机械特性中，在0＜α＜1整个范围内，起动转矩的标么值TS＝α。
    交流伺服电动机幅值控制时的调节特性也可以从机械特性得到的，如图3(b)所示。幅值控制时调节特性也不是直线，只在n较小时近似为直线。为了尽量使交流伺服电动机调节特性用在n较小的区域，以保证伺服系统的动态误差较小，许多交流伺服电动机采用频率为400Hz的交流电源，提高它的同步转速n0。与直流伺服电动机相似，调节特性与横抽交点的有效信号系数α的值为始动电压的标么值，转矩大时，始动电压高，始动电压与转矩二者标么值的数值相等。

  (a)机械特性 (b) 调节特性
图3 幅值控制时的机械特性与调节特性
交流伺服电动机输出功率P2＝T2Ω≈TΩ，在一定的控制信号电压下，若转速很低，由于Ω很小，输出功率P2也很小；若转速接近于理想空载转速时，由于T很小，输出功率也很小。α越大，输出的功率也越大。交流伺服电动机的额定功率通常规定为当α＝1时的最大输出功率，此时相应的转速则为额定转速，相应的输出转矩则为额定转矩，与一般电动机的规定方法是不一样的。
2．相位控制
由加在控制绕组上的信号电压的相位来控制交流伺服电动机转速的控制方式称为相位控制。相位控制接线如图4所示。励磁绕组接在交流电源上，大小为额定电压，控制绕组所加信号电压的大小为额定值，但是相位可以改变。Uf与Uk是同频率的，二者相位差为β，β＝0～90°，例如Uk落后于Uf。这样sinβ＝0～ 1，sinβ称为相位控制的信号系数。  

    图4相位控制               图5 幅值-相位控制
3．幅值-相位控制
交流伺服电动机幅值-相位控制接线如图5所示。励磁绕组外边串电容器后再接交流电源，控制电压为Uk，Uk与电源电压同频率、同相位．大小可以改变。
相位控制、幅值-相位控制的交流伺服电动机的控制信号变化时，电机内合成磁通势的性质或椭圆度也随之改变，从而具有不同的机械特性，使电机具有伺服性。这两种控制方法的机械特性和调节特性与幅值控制的相似，为非线性，在转速标么值较小时线性好。
由于幅值-相位控制线路简单，输出功率较大，采用较多。