电机控制技术总复习PPT课件.ppt

电机控制技术 ElectricalMachineControlTechnolog主讲 王志新wangzxin 34204527 课程总体介绍 期终考试 时间 6月29日周二15 40 17 40地点 东中院4 201 课程总体介绍 主要授课内容 第1章绪论第2章电力传动系统动力学1 运动方程2 负载转矩和飞轮矩折算3 电力传动系统负载特性4 电力传动系统稳定运行条件第3章直流电动机的原理及特性1 直流电动机的基本结构和工作原理2 直流电动机的机械特性3 直流电动机的起动 调速与控制4 直流电动机的各种运行状态第4章交流电动机的原理及特性1 三相异步电动机的基本结构和工作原理2 三相异步电动机的机械特性3 三相异步电动机的起动 调速与控制4 异步电动机的各种运行状态5 单相异步电动机6 同步电动机第5章控制电机1 伺服电动机2 力矩电动机3 测速发电机4 自整角机 课程总体介绍 第6章直流传动控制系统1 单闭环直流调速系统2 双闭环直流调速系统3 可逆直流调速系统4 直流脉宽调速系统第7章交流传动控制系统1 交流传动系统介绍2 交 直 交变频调速系统3 PWM变频调速系统4 交 交变频调速系统5 矢量控制系统6 直接转矩控制系统7 绕线式异步电动机调速系统8 永磁同步位置伺服系统第8章步进电动机传动控制系统1 步进电动机基本结构与原理2 步进电动机的运行特性3 步进电动机的驱动控制电路 课程总体介绍 第9章电机及系统节能技术与应用9 1电机起动技术与装置9 1 1电机起动技术原理9 1 2晶闸管软起动器9 1 3液体电阻软起动器9 1 4热变液阻软起动器9 1 5开关变压器式软起动器9 1 6电抗器软起动器9 1 7磁控软起动器9 1 8电机软起动方法特点9 1 9电机固态软起动技术关键9 1 10电机固态软起动技术应用9 2电机变频技术与装置9 2 1变频调速技术原理9 2 2变频器产品及应用 课程总体介绍 第9章电机及系统节能技术与应用9 1电机起动技术与装置9 1 1电机起动技术原理9 1 2晶闸管软起动器9 1 3液体电阻软起动器9 1 4热变液阻软起动器9 1 5开关变压器式软起动器9 1 6电抗器软起动器9 1 7磁控软起动器9 1 8电机软起动方法特点9 1 9电机固态软起动技术关键9 1 10电机固态软起动技术应用9 2电机变频技术与装置9 2 1变频调速技术原理9 2 2变频器产品及应用 课程总体介绍 9 3高压变频器技术及产品9 3 1高压变频器9 3 2高压变频器产品及应用9 4电机系统节能及分析方法9 4 1电机系统节能9 4 2电机系统节能技术9 4 3电机系统节能产品9 4 4电机系统节能评估 分析及节能产品认证9 4 5全寿命成本分析法实验 8学时 4次实验1 单闭环直流调速实验2 双闭环直流调速实验3 异步电机SPWM与电压空间矢量变频调速系统实验4 施耐德变频调速系统 第1章绪论 1 1电力传动及控制系统图1 1所示为电力传动系统框图 指令 控制设备 电源 电动机 传动机构 生产机械 图1 1电力传动系统框图 系统目标及指标要求 1 基本功能 其动 稳定运行 调速 制动 停车2 精度 稳定 可靠 调速性能 位置精度3 效率 节能 电能质量 软起动器 变频调速 滤波 无功补偿 电风扇 空调机 洗衣机 冰箱 打印机 复印机 印刷机 电梯 风机 水泵 油泵 起重机 机床 轧钢机 锻压机 搅拌机 电动工具 皮带输送机 提升机 空气压缩机 分离机 钻机 农业机械等 齿轮箱 齿轮齿条 减速器等 直流 交流电动机特种电动机 步进电机 超声电机 凸极电机等 自控式同步电动机 永磁电机 绕线型双馈异步电动机 开关磁阻电机 DSP PLC IPC等 交流 直流电源 开关电源 脉冲电源 第1章绪论 1 2电动机分类及特点直流电动机交流电动机 交流异步电动机交流同步电动机特种电动机 第1章绪论 1 3电力传动系统分类及特点电机类型 直流传动 交流传动机组形式 单台 成组多机传动系统运动方式 单方向运转不可逆 双方向运转的可逆传动系统用途形式 主传动 辅助传动系统 第2章电力传动系统动力学 2 2 1旋转运动1 转矩折算TL Tg g折算后功率不变TL Tg g Tgng nd Tg i其中 TL工作机构折算到电机轴的转矩 电机转轴角速度Tg工作机构实际负载转矩 g工作机构转轴角速度nd电机转轴转速ng工作机构转轴转速i i1 i2传动机构总速比TL Tg g cTL Tg ci c传动机构传动效率 第2章电力传动系统动力学 2 飞轮矩折算折算后动能不变旋转物体动能 J 2 1 2GD2 4g 2 n 60 2 GD2n2 7149负载飞轮矩折算计算 GDL2nd2 7149 GD12nd2 7149 GD22 GD32 nd2 7149i12 GD42 GDg2 nd2 7149i12i22GDL2 GD12 GD22 GD32 i12 GD42 GDg2 7149i12i22GD2 GDd2 GDL2GD2 1 GDd2估算 0 2 0 3 电动机 T nd i1 GD12 GD32 GD42 GD22 GDg2 i2 nd i1 ng Tg 负载 第2章电力传动系统动力学 2 2 2平移运动1 转矩折算TL Pg Fgvg c折算后功率不变TL Fgvg c Fgvg 2 nd c 60 9 55Fgvg nd c 其中 Fg工作机构平移时所克服的阻力 N vg工作机构移动的速度 m s c传动机构传动效率2 飞轮矩折算折算后动能不变动能 mgvg2 Ggvg2 g GD2LGn2d 7149GD2LG 7149 2g Ggvg2 n2d 365Ggvg2 n2d其中 GD2LG平移运动部分折算到电机轴上的飞轮矩注 传动机构其他轴上飞轮矩的折算与旋转运动部分所述相同 第2章电力传动系统动力学 2 2 3升降运动1 重物提升转矩折算 重物对卷筒轴的负载转矩GzR 折算到电机轴上的负载转矩为 TL GzR i c c 提升传动效率2 下放重物转矩折算 重物对卷筒轴的负载转矩GzR 重物下放时传动机构的损耗由负载承担 折算到电机轴上的负载转矩为 TL GzR i c c 下放传动效率 c 2 1 c 讨论 1 c 0 5 则 c 0 需要电机推动 满足自锁功能 如 蜗轮蜗杆传动 c 0 3 0 5 电动机M T nd i GZ 重量 nj vz R 半径 第2章电力传动系统动力学 3 飞轮矩折算与平移运动相同GD2LZ 365Gzvz2 n2d其中 GD2LZ升降部分折算到电机轴上的飞轮矩vz重物提升或下放速度nd电机转轴转速 第2章电力传动系统动力学 2 3电力传动系统的负载特性负载特性 负载转矩 转速关系三类 恒转矩负载通风机及泵类负载恒功率负载1 恒转矩负载特性TL 常数与负载转速nL无关 1 反抗性恒转矩负载nL 0 T TL 0 nL 0 T TL 0例子 摩擦负载 机床刀架平移运动 轧钢机 地铁列车 2 位能性恒转矩负载nL 0 T TL 0制动性负载nL 0 T TL 0拖动性负载2 通风机及泵类负载TL knL2如 通风机 水泵 油泵等负载3 恒功率负载TL k nL负载功率PL TL L k 9 55 常数例子 机床切削加工 粗加工时切削量大 低速 精加工 高速 第2章电力传动系统动力学 2 4电力传动系统稳定运行条件必要条件 T TL机械特性曲线负载特性曲线曲线1 T n曲线2 TL n充要条件 T TL且 dT dn dTL dn 第3章直流电动机的原理及特性 3 1直流电动机的基本结构和工作原理 1 基本结构定子 机座 主磁极换向极 与电枢绕组相串联 流过电枢电流 匝数少 导线粗电刷 电流引入到电机电枢电路 或由电枢电路引出到电路转子 电枢铁心 电枢绕组 换向器 风扇 转轴 轴承 2 励磁方式他励式 直流电源独立供电 永磁并励式 励磁与电枢绕组电压相同串励式 励磁电流与电枢绕组电流相等 或是电枢电流的分流复励式 积复励 差复励式 第3章直流电动机的原理及特性 3 直流电动机工作原理发电动机 励磁机 1 由原动机拖动 发出直流电流 为大型交流发电动机提供直流励磁电流 2 原理 电枢 旋转 电刷 固定 右手定则换向片 起整流作用电动机 1 拖动各种生产机械 2 原理 直流电源加在电刷上 左手定则换向片 将外电路的直流电流改变为线圈内的交变电流 起逆变作用 3 电磁转矩T CT Ia其中 电动机每极磁通量CT 转矩常数 CT 9 55CeIa 电枢电流 4 直流电动机额定数据 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 额定励磁电流 第3章直流电动机的原理及特性 3 2直流电动机的机械特性机械特性 转矩 转速特性n f T 1 他励直流电动机机械特性n Ea Ce U IaRa Ce U Ce RaT CeCT 2 n0 Tn0 理想空载转速 机械特性斜率 1 固有机械特性U UN N R 0n UN Ce N RaT CeCT N2特点 1 特性为下斜直线 2 硬特性 3 T 0 n0 UN Ce N额定理想空载转速 Ia 0 Ea UN4 T TN n nN 额定转速降5 起动电流 n 0 Ea Ce Nn 0Ia UN Ra Is6 Tn0 IaUN 发电动机状态 2 人为机械特性电枢回路串电阻 改变电枢电源电压 减小气隙磁通量 第3章直流电动机的原理及特性 2 串励直流电动机机械特性特点 1 非线性特征 偏软2 电磁转矩很小时转速很高 因此 不允许空载运行3 电磁转矩与电枢电流平方成正比 起动转矩大 过载能力强3 3直流电动机的起动 调速与控制1 起动基本要求Ts 1 1 1 2 TLIs 2 0 2 5 IN起动设备简单 可靠 经济 1 直接起动起动时 n 0 Ea 0 Is U Ra很大Ts CT Is 2 电枢回路串电阻起动采用分级可变电阻 有能量消耗 3 降电压起动配置专用可调压电源设备 第3章直流电动机的原理及特性 2 调速n U Ia Ra R Ce 1 电枢串电阻基速 运行于固有机械特性上的转速针对恒转矩负载 T CT Nia TLIa大小不变 串入电阻损耗Ia2R 效率低基速与零速之间调节 转速稳定性差 2 改变电枢电源电压无级调节Ia取决于TL平滑性好 但投资高 3 弱磁调速调速范围 基速与允许最高速之间适用于恒功率负载 第3章直流电动机的原理及特性 3 调速指标调速范围 额定负载下D nmax nmin最高转速nmax 受电动机换向及机械强度限制最低转速nmin 受转速相对稳定性 静差率 限制静差率 额定负载下 n0 n n0 越小 则转速稳定性越好 负载波动引起的转速变化越小平滑性 ni ni 1无级 有级调速恒转矩调速与恒功率调速方式 恒转矩调速 他励式直流电机电枢串电阻 改变电枢电压恒功率调速方式 他励式直流电机弱磁调速调速经济性比较表 第3章直流电动机的原理及特性 4 控制迅速减速 即 制动过程 限制位能性负载下降速度 即 制动运行 1 能耗制动 Ia U Ea Ra RH Ea Ra RH 要求确定RH机械特性 n HT 2 反接制动 电源电压反接 接入反接制动电阻RFIa UN Ea Ra RF UN Ea Ra RF 要求确定RF机械特性 n n0 FT 3 倒拉反转 电枢回路串电阻引起转速降低 甚至反转状态nUN Ia 0 T 0PM EaIa 0电源输入功率P1 UNIa 0电动机向电源发出功率 电能回馈给电源机械特性 n n0 FT1 降低电枢电压2 弱磁调速 由高速向下调节时3 电机拖动位能性负载 电枢电压反接时 反向回馈制动 第3章直流电动机的原理及特性 3 4运行状态电动运行状态 T n方向相同 从电源吸收能量 I III象限制动运行状态 T n方向相反 不从电源吸收能量 II IV象限 1 U 01 II象限 正向回馈制动2 串电阻RD IV象限 倒拉反转状态 2 U 0IV象限 反向回馈制动状态 3 U 0 能耗制动状态 第4章交流电动机的原理及特性 4 1三相异步电动机的基本结构和工作原理 异步机 常用 如通风机 机床 水泵等 还包括单相异步电动机同步机 功率较大 不需调速 长期工作 如压缩机 包括永磁同步电动机1 基本结构异步机 定子 机座 固定 支撑定子铁心定子铁心 定子绕组 直流机 定子 机座 主磁极 直流电流励磁 励磁线圈 或永久磁铁并励 线圈匝数多 导线细串励 线圈匝数少 导线粗换向极 与电枢绕组相串联 流过电枢电流 匝数少 导线粗电刷 电流引入到电机电枢电路 或由电枢电路引出到电路异步机 转子 转子铁心转子绕组 绕线式 与定子绕组相似 极对数与定子绕组相同鼠笼式 为自行闭合的短路绕组转轴直流机 转子 电枢铁心 电枢绕组 换向器 风扇 转轴 轴承空气隙 第4章交流电动机的原理及特性 2 额定数据型号 例如包括转子绕组接法 转子额定电压E2N转子额定电流I2N 额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定频率fN额定功率因数cos N额定转速nN 第4章交流电动机的原理及特性 3 三相异步电动机工作原理 1 旋转磁场 定子三相对称绕组中通入三相对称电流 合成磁场随作交流的交变而在空间不断地旋转 即产生基波旋转磁场旋转磁场的转速n1 60f1 p r min 其中 p为极对数 f1为电源频率 2 原理 转子回路切割磁力线 转动方向与旋转磁场一致 3 转差率 n1同步转速n转子转速转差率s n1 n n1n 0s 1一般 s 0 01 0 06 第4章交流电动机的原理及特性 4 三相异步电动机等效电路三相异步电动机T型等效电路r1 定子电阻x1 定子漏电抗r2 s r2 1 s r2 s等效 转子绕组实际电阻 多串了一个附加电阻 1 s r2 s5 三相异步电动机的功率和转矩 第4章交流电动机的原理及特性 4 2三相异步电动机的机械特性1 参数表达式 1 机械特性 转矩 转速特性n f T 或s f T T 3pU12r2 s 2 f1 r1 r2 s 2 x1 x2 2 r1 定子电阻x1 定子漏电抗r2 kekir2 新转子电阻x2 kekix2 新转子漏电抗具有非线性曲线特性1 当0n1回馈制动状态 异步发电状态3 当s 1或n 0制动状态 倒拉反转状态 2 最大转矩 Tm dt ds 0sm 最大转差率 临界转差率 电动 发电Tm 与定子电压U12成正比 与r2 无关sm r2 越大 sm越大 第4章交流电动机的原理及特性 3 堵转转矩 Ts s 1或n 0对于饶线式电机 在转子回路串电阻R 来改变堵转转矩大小 R 增大 sm也增大 但Tm不变 sm 最大转差率 临界转差率 电动 发电Tm 与定子电压U12成正比 与r2 无关sm r2 越大 sm越大2 固有机械特性与人为机械特性 1 固有机械特性定子 加额定电压 额定频率转子 本身短路定转子回路不另串电阻或电抗起动点 Qn 0 Ts Is额定工作点 nN sN TN IN同步速点H s 0 n n1 T 0最大电磁转矩点P P Tm Tm 忽略r1影响 第4章交流电动机的原理及特性 2 人为机械特性T 3pU12r2 s 2 f1 r1 r2 s 2 x1 x2 2 1 降低定子电压U1受影响 T Tm Ts不受影响 n1 sm过程 额定负载下运行 电源电压降低 额定负载转矩保持不变 电机不能长期运行 U1降 气隙主磁通 1减小 转子功率因数cos 2变化不大 则根据T CTj 1I2cos 2 势必I2增大 I1也增大 超过额定值 轻载运行 利于节能2 定子回路串接三相对称电阻Rf受影响 Tm Ts sm随Rf增加而减小不受影响 n13 定子回路串接三相对称电抗Xf受影响 Tm Ts sm随Rf增加而减小不受影响 n1该法较定子串电阻方法节能 但电抗器成本高4 转子回路串接三相对称电组RS受影响 Ts sm不受影响 n1 Tm该法用于饶线式异步电机起动 调速其他方法 饶线式异步电机转子串频敏变阻器 改变异步电机定子绕组极对数 改变定子电源频率 第4章交流电动机的原理及特性 4 3 三相异步电动机的起动 调速与控制1 起动特点 额定电源电压起动瞬间 气隙主磁通 1减小到额定值的1 2 转子功率因数cos 2很低 则根据T CTj 1I2cos 2 势必IS增大 但Ts并不大 有别于直流机 弱点 对电源和其他负载的影响对电动机本身的影响 Ts下降很多电机起动瞬间对负载冲击 降低Is方法 降低电源电压 定子串接电抗或电阻 转子串电阻基本要求 Ts 1 4 2 2 TNIs 5 7 INTs足够大 Ts 1 1TLIs尽可能小起动操作方便 简单 经济功率损耗小 第4章交流电动机的原理及特性 1 直接起动电机与变压器的容量比电机与变压器间的线路长度其他负载起动是否频繁拖动系统的转动惯量大小 2 星形 三角形降压起动起动 星形Y运行 三角形 结论 1 设备简单 经济2 电压不能调节 适合运行时定子绕组为三角形 接法的异步机3 起动转矩小 适合空载或轻载起动 3 自藕变压器降压起动特点 1 电机定子电压下降到直接起动的KJ倍2 冲击电流为直接起动的KJ2倍3 堵转转矩为直接起动的KJ2倍4 灵活 但价高 体积大5 不适合频繁起动 4 定子回路串电抗器降压起动特点 降低起动电流 不消耗电能 起动转矩下降很多 价贵 第4章交流电动机的原理及特性 2 高起动转矩异步电机异步机 降压起动 降低起动电流 但转矩减小 1 高转差率异步电动机 2 深槽式异步机 3 双鼠笼式异步机3 绕线式异步机起动 1 转子回路串电阻起动分级起动 逐级切换电阻 2 转子串接频敏变阻器起动阻值随转子转速升高自动减小 自动变阻 起动平稳励磁电阻 rP在高频 如50Hz时 rP xP励磁电抗 xP励磁阻抗 ZP rP jxP限制了起动电流 又不至于使起动电流过小而减小起动转矩起动时 rP xP 起动电流小 转矩较大起动过程 转速升高 转子电流频率f2逐渐减小 rP ZP减小 电磁转距保持较大值 起动结束后 f2 Zp很小 频敏变阻器不起作用 第4章交流电动机的原理及特性 4 异步机软起动软起动器 电机软停车 软制动 过载 缺相保护 以及轻载节能运行包括变频装置弱点 起动过程产生谐波 影响电网质量 1 主电路反并联晶闸管模块 控制导通角大小 调节电机起动电流变化 如大小 起动方式 减小起动功率损耗 2 软起动方式1 斜坡电压软起动 2 恒流软起动 Ism 1 5 4 5 IN3 斜坡恒流软起动Is 先斜坡增加 达到Ism时保持恒定适用于空载或轻载起动4 脉冲恒流软起动起动初始阶段为一个较大的起动冲击电流 产生起动冲击转矩克服静摩擦阻转矩 第4章交流电动机的原理及特性 5 调速n n1 1 s 60f1 1 s p 1 调速方法 1 改变同步转速变频调速 改变f1变极调速 改变定子绕组的极对数p2 不改变同步转速变转差率调速 改变电机转差率s如 绕线式电机转子回路串电阻 转子串电阻调速绕线式电机转子回路串电势 串级调速改变电机定子电源电压 电压调速3 其他 电磁调速电机 2 变频调速 3 变极调速 改变定子绕组的极对数p 4 转子串电阻调速 5 串级调速 6 电压调速 7 电磁调速电机 第4章交流电动机的原理及特性 6 控制T n方向相反 处于制动状态 1 系统迅速减速及停车2 限制位能性负载下放速度电机吸收机械能并转换为电能1 回馈给电网2 消耗在转子回路 1 回馈制动 电机转速超过同步转速n1n n1 s 0 1 s r2 s 0特点 电机输出机械功率 Pm 3I 22 1 s r2 s 0定子到转子的电磁功率 PM 3I 22r2 s 0负载向电动机输入机械功率电机向电网输送有功电机需要从电网输入无功结论 1 异步发电动机向电网输送有功功率2 电网需要向异步发电动机提供无功励磁电流 第4章交流电动机的原理及特性 2 反接制动电机稳定运行 突然改变异步机三相电源相序 产生制动正向反接制动 正相序 负相序制动反向反接制动 负相序 正相序制动同步转速为 n1 转差率s n1 n n1 1 1 s r2 s0转子消耗定子传送来的电磁功率和负载输入的机械功率结论 1 适用于快速制动停车场合2 转子回路串接制动电阻 第4章交流电动机的原理及特性 3 倒拉反转拖动位能性恒转矩负载 当在转子回路串电阻时转速下降 该值超过某数值后 T TL 0 s 1 电机反转 位能性负载拉作电机反转 n 0 4 能耗制动定子绕组 不接交流 接到直流电源上 如两相上接入直流电流 电机处于制动状态 建立位置固定 大小不变的恒定磁场特点 1 T n过坐标原点2 通入定子的直流大小不变 Tm不变 见曲线1 3 但当转子回路的电阻增大 Tm对应的转速增加 见曲线2 3 转子回路电阻不变 增大直流电流 Tm相应增大 nm不变 曲线3 转子回路串电阻 控制位能性负载作用下重物下放速度 电阻越大 下放速度越快定子直流电流 改变制动转矩大小I 3 5 4 I0鼠笼式电机I 2 3 I0绕线式电机I0 电机空载电流转子回路串电阻 R 第4章交流电动机的原理及特性 5 软停车与软制动1 软停车 电机工作电压由额定电压逐步减少到零的停车方法例如 逐渐改变晶闸管的导通角 使得电机工作电压逐步降低2 软制动 采用能耗制动技术 即 停止在定子上提供交流电源 改为直流电 产生制动转矩使电机快速停车 如 VT1 VT6继续工作 同时打开VT7 通过调整导通角变化速率来改变下降速度4 4异步电动机的各种运行状态电动运行状态 T n方向相同 从电源吸收能量 I III象限制动运行状态 T n方向相反 不从电源吸收能量 II IV象限 1 I III象限 电动 正向 反向 2 II象限 反接制动 3 IV象限 反向回馈 能耗制动 倒拉反转 第4章交流电动机的原理及特性 4 5单相异步电动机构成 定子 采用两相绕组 主绕组或工作绕组 副绕组或起动绕组 轴线一般在空间上相差900电角度 转子 采用鼠笼式转子种类 单相电阻分相起动异步电动机单相电容分相起动异步电动机单相电容运转异步电动机单相电容起动与运转异步电动机单相罩极异步电动机1 单相电阻分相起动异步电动机工作绕组 M起动绕组 A 电阻较大起动过程绕组M A同时工作 当转速达到75 80 同步转速时 起动开关K断开 起动绕组脱离电源 由工作绕组单独工作特点 起动绕组电阻大 电抗小 产生椭圆旋转磁场 使得两相绕组的电流相位分开机械特性曲线 脉动磁通势产生正转 反转电磁转矩特性曲线1 n 0 s 1 T 0 无起动转矩 电机不能起动2 n 0 0 s 1 I象限工作 拖动性转矩3 n 0 0 s 1 III象限工作 拖动性转矩4 理想空载转速 T 0 点n1 要比同步转速n1小5 起动转矩小 电流大 第4章交流电动机的原理及特性 2 单相电容分相起动异步电动机工作绕组 M起动绕组 A 串接了一个电容起动过程绕组M A同时工作 当转速达到75 80 同步转速时 起动开关K断开 起动绕组脱离电源 由工作绕组单独工作特点 起动绕组阻抗呈容性 电流超前于电压 工作绕组阻抗为感性 电流滞后电压 起动转矩大 起动电流小3 单相电容运转异步电动机起动绕组串接的电容始终处于工作状态 两相电动机起动转矩小 起动电流大 适合轻载起动和长期运行的机械4 单相电容起动与运转异步电动机起动绕组串接两个并联的电容 即 起动时 C Cs运行时 C确保起动与运行时旋转磁通势接近圆形 以获得理想的起动与运行性能 5 单相罩极异步电动机结构简单 制造方便 价格低廉缺点 效率低 功率因数低 起动转矩小 第4章交流电动机的原理及特性 4 6同步电动机1 结构 定子 三相对称转子 直流励磁或永磁 产生N S极2 原理同步转速n1 60f1 p直流励磁电流不变 转子转速n n1机械特性 1 恒转速2 存在最大Tm 过载倍数km Tm TN 取2 3 53 本身没有起动转矩3 起动 1 辅助电动机起动法方法 采用同极数异步机作为辅助电机 容量为主机的5 15 或直流励磁机作为辅机过程 起动辅机 拖动主机接近同步转速 采用自整步法将同步机投入电网 切除辅机 2 异步起动法方法 在转子磁极上装有与鼠笼绕组相似的起动绕组 过程 达到同步速95 时励磁绕组通直流电 起动过程串入10rf电阻 3 变频起动法采用变频电源 1 起动时 转子先加励磁电流 定子通低频三相电流 转速低 2 逐渐增大定子电源频率 转速增加 达到额定转速 起动结束 第4章交流电动机的原理及特性 4 功角特性1 电动势相量图 直流励磁磁场与定子旋转磁场共同作用2 功率关系与转矩关系 输入功率P1 3UICOS 定子铜耗 pCu 3I2r1电磁功率PM P1 pCu输出功率 PM pFu pm输出转矩T2 T T03 功角特性PM P1电磁功率PM随 角变化 分为两部分 第一项与励磁产生的电动势成正比 励磁电磁功率第二项与励磁电流大小无关 因转子凸极引起 凸极电磁功率5 功率因数调节U f不变 TL不变 改变励磁电流来调节功率因数正常励磁电流 只吸收有功 类似纯电阻负载欠励状态 吸收有功 落后性无功 类似感性负载过励状态 吸收有功 领先的无功 类似容性负载 第4章交流电动机的原理及特性 6 永磁同步电动机采用永磁体代替电励磁 省去了励磁绕组 励磁电源 滑环和电刷无励磁损耗 效率较高 功率范围为数十kW以下永磁材料 钕铁硼 钐钴合金转子定子区别永磁同步电机 永磁体对称交流电感应电动势 电流为正弦波无刷直流电机 永磁体对称交流电感应电动势阶梯波 电流为方波 第4章交流电动机的原理及特性 采煤机械配套用变频器中压变频器 额定电压1140V功率400 1000kW控制频率0 300Hz控制方式标量和矢量控制 西门子变频器控制主板控制IGBT煤矿井下的远程数据传输 采煤机工作面到井下信号传输平台 非视距传播距离500m 技术方案 利用1140V 3300V的电力线 研制数字载波技术 传输采煤机上的数字量和模拟量性能要求 能在变频 电机启动等干扰工作场所正常工作 第5章控制电机 5 1伺服电动机作用 检测 放大 执行和解算元件种类 功率元件 伺服 力矩和步进电机信号元件 自整角机 测速发电机 旋转变压器 轴角编码器1 伺服电动机1 直流伺服电机结构 与他励直流电动机一样控制方式 电枢控制 如调节电枢电压 为一组平行线磁场控制 如调节励磁绕组端电压 不平行 非线性2 交流伺服电机结构 两相异步电机 定子上有两套绕组 相差90度 励磁绕组 固定交流电压控制绕组 固定频率 幅值 相位可调转子采用鼠笼型绕组控制方式 幅值控制 非线性相位控制 非线性 第5章控制电机 5 2力矩电动机低速 大转矩 快速响应 较高的速度和位置分辨率 低速时输出力矩大 转矩波动小 运行平稳5 3测速发电机原理 输入机械转速 输出为电压信号 且与转速成正比类型 直流 电枢输出U2 Kn交流 定子单相 三相对称输出绕组 转子由多对极永久磁钢构成定子绕组输出感应电动势E Kn n为电机转速5 4自整角机1 三相自整角机2 单相自整角机 第6章直流传动控制系统 6 1单闭环直流调速系统1 单闭环有静差调速系统 1 调速系统组成及其工作原理n Ea Ce U IaRa Ce U Ce RaT CeCT 2 KpKv U Ke Ra Rn Id Ke n0 n 6 0概述直流调速 1 较大的起动转矩 良好的起动 制动性能2 较宽范围内性能平滑调速3 直流闭环控制理论和应用实践方面较为成熟4 产品特点 我国 模拟直流调速器国外 如欧陆直流数字调速器 西门子直流数字调速器5 体积大 结构复杂 容量受限制 价格高 但应用量大价格 2000元 kW 交流调速 20世纪20年代以来1 省去了换向器 结构简单 结实 紧凑 维修工作量小 运行效率高 95 转动惯量小 动态响应快定子传入转子的电磁功率PM 转差功率Ps sPM Ps去向是调速系统效率高低的标志 及s大Ps则大 效率低2 易于实现数字化 价格低廉 性能优良3 容易实现高电压 大容量 高速化价格 1500元 kW 第6章直流传动控制系统 负载变化时调节原理 1 平衡点A点 开环机械特性曲线1Id1 n1 Ufn1 U1 Usn Ufn1n01 KpKv U1 Ke2 负载转矩增大 电机转速降低Id将增大Ufn U1Uc将增大减小触发器脉冲移相角提高晶闸管整流输出给电机的电压平均值电机机械特性上移转速上升3 新的平衡点B 开环机械特性曲线2Id2 n2 Ufn2 U2 Usn Ufn2 U1n02 KpKv U2 Ke n014 转速负反馈单闭环调速系统静特性 不同电压的机械特性曲线3特点 闭环系统静特性硬度比开环系统的要高 第6章直流传动控制系统 2 调速系统静态特性1 假设条件忽略系统中的各种非线性因素 满足线性关系假定晶闸管变流器提供的电流是连续的忽略直流电源和电位器的等效内阻2 静态方程电压比较环节 U Usn Ufn放大器 Uc Kp U晶闸管变流器 Udo KvUc晶闸管 电动机系统开环机械特性 n Udo Ra Rn Id Ke测速发电机 Ufn KfnnUc 触发器移相控制电压 V Udo 晶闸管变流器空载电压 V Kfn 测速发电机的电压反馈系数 V r min 第6章直流传动控制系统 3 方框图闭环静特性方程 n KpKvUsn Ke 1 K Ra Rn Id Ke 1 K noc nc闭环系统开环放大系数 K KpKvKfn Ke斜率 Ra Rn Ke 1 K 截距 KpKvUsn Ke 1 K 开环静特性方程 n KpKvUsn Ke Ra Rn Id Ke noo no特点 相同负载下 闭环静态速降 nc为开环静态速降 no的1 1 K 系统静特性硬度得到大大提高4 特点系统具有静差 因比例调节器放大倍数不可能无穷大 因此无法消除静差 反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能 有效抑制前向通道上的干扰 减小对静态转速的影响 对于给定电源和被调量检测装置中的扰动无能为力 因此 系统精度依赖给定稳压电源和反馈量检测元件的精度 静特性变硬 调速范围宽 系统抗扰动性能好 不足 起动时冲击电流太大 第6章直流传动控制系统 2 单闭环无静差调速系统实现无静差调速 可以引入误差量对时间的积分环节 1 I调节器输入突变 输出不发生突变 输入为零时 输出保持不变 2 PI调节器输入突变 输出也发生突变 输入为零时 输出保持不变 3 PI调节器组成的无静差调速系统1 积分调节过程起动时突然增大Usn电机转速变化缓慢Ufn很小PI输入电压 U Usn Ufn较大Uc达到较大值Udo瞬时达到较大值并不断增大电枢电流迅速产生一个较大冲击 电机转速迅速升高 起动过程较快稳定运行时 Ufn Usn U 0 Uc保持不变 实现无静差调速 第6章直流传动控制系统 2 负载转矩突然增大时系统调节过程负载转矩突然增大 电机转矩来不及跟随负载转矩变化 电机转速n下降 Ufn减小 U 0 Uc增大 减小触发器脉冲移相角 提高晶闸管整流输出给电机的电压平均值Udo Id将增大 T与TL重新平衡 转速回升到原来的数值3 负载转矩突然减小时系统调节过程转速会暂时产生动态转速生高4 系统减速制动过程减速 Ufn突然减小转速不能立即减小 Ufn Usn U 0 输出反向电压因为是不可拟调速系统 晶闸管变流器不能流通反向电流 使得主电路电流迅速为零 但是 不能产生电气制动转矩停车 Ufn 0不足 起动冲击电流很大 可以通过双闭环系统改善其动态指标制动减速过程完全依赖于负载转矩 改进措施包括增设能耗制动线路 或者采用可逆系统 第6章直流传动控制系统 6 2双闭环直流调速系统单闭环调速系统不足 电流冲击大 扰动抑制能力差措施 双闭环调速 即设置转速 电流调节器 通过将转速 电流分开控制 改善动态过程1 双闭环调速系统的组成思路 外环 速度环ASR 转速负反馈跟踪设定转速内环 电流环SCR 电流负反馈跟踪设定电流 保持电流最大值 同时 能够在带负载运行时随时按给定电流进行电流调节 使得电枢电流按照要求的规律变化速度环ASR与电流环SCR串联使用 均为带限幅的结构 BI为电流变换器 交流电流经过电流互感器隔离 整流变成直流电压 作为电流反馈信号2 双闭环调速系统的静特性Kn 转速调节器静态放大系数Ki 电流调节器静态放大系数PI调节器两种工作状态 1 饱和 输出为恒值 针对输入量的变化不起作用 相当于调节器开环 除非有反向输入信号使调节器退出饱和 2 不饱和 输出未达到限幅值 第6章直流传动控制系统 3 转速调节器饱和 不饱和运行1 不饱和运行n Usn Kfn系统具有很硬特性2 当Id达到整定最大值Idm时系统稳定状态负载转矩突然增大电机转矩来不及跟随负载转矩变化电机转速n下降 Ufn减小 U 0转速调节器ASR输出电压 Usi 增大通过电流调节器ACR 减小触发器脉冲移相角 提高晶闸管整流输出给电机的电压平均值UdoId将增大电机转矩增大 转速上升当Id达到整定最大值Idm时 转速调节器ASR输出电压达到限幅度值 Usim 失去调节作用电流调节器ACR在最大给定输入电压下 只能使电流保持Idm不变当负载转矩略大于电机最大转矩Tmax时 转速开始被迫下降 一直到零 第6章直流传动控制系统 3 双闭环调速系统的动态特性 1 起动过程分析条件 起动突然给定输入信号Usn 2 基于ASR不饱和 饱和 退饱三阶段的起动过程1 电枢电流迅速上升阶段 t0 t1ASR 开环 饱和 转速调节器ASR输出为 UsimACR 不饱和 正常 电流调节器ACR输出电压Uc迅速上升 变流器输出电压Udo迅速上升 Id迅速从零开始增大 直到Id IL 电机开始转动 转速上升 且随Id的增大逐渐升高2 电枢电流保持最大整定电流阶段 t1 t2Id 上升至Idmn 上升到ns 起动的主要阶段ASR 饱和 转速处于开环状态 输出为 UsimACR 维持Id为Idm 电机转速n上升 反电动势EM也在升高Id Udo EM R 减小 Ufi下降 Uc上升 增大Udo 维持Id为Idm 保持转速以最大整定加速度线性增长3 电枢电流由Idm降至IL阶段 t2 t3 t4 ASR ACR同时起作用Id Idmn 超过ns 出现超调ASR 输出为 Usim Usn Ufn 0 退出饱和ACR Usi下降 Uc减小 Udo下降 EM也在升高 Id从Idm下降t3时 Id IL n下降趋于ns EM下降 Udo回升 Id回升到ILt4时 进入稳定状态 第6章直流传动控制系统 6 3 可逆直流调速系统问题 1 正反转 2 电气制动 缩短制动时间方案 改变电磁转矩方向T CT Id 1 通过改变电枢电压极性 改变电流方向 电枢可逆 2 通过改变励磁电流方向 磁场可逆1 电枢可逆系统与磁场可逆系统的比较方式适用场合手段方案特点电枢反接数十kW整流 四只晶闸管简单可逆线路以下换电压极性接触器经济两组反并联避免同时整流引起电源短路晶闸管三相桥式反两条环流回路 4只限流电抗器并联线路交叉连接线路一条环流回路 2只限流电抗器励磁反接系统容量大采取强迫励磁一组晶闸管整流 可逆线路快速性要求不高反向过程增加2 5倍供电晶闸管 反并联 交叉连接 正反转不频繁反向励磁电压励磁功率为电机的3 5 励磁减弱到零时反接励磁所需晶闸管装置容量小电枢电压为零 励磁反向时间长达10s以上 第6章直流传动控制系统 2 晶闸管和电动机的工作状态 1 晶闸管的不同工作状态整流 向电动机输送电能条件1 控制角 EM 负载侧反电动势 逆变 向电网回馈电能条件1 控制角 90 整流装置输出负的平均电压Ud条件2 外电路必须有一个直流电源 极性与Ud 同 且大于 Ud 设置 min保护 一般 min 30 第6章直流传动控制系统 2 电动机的运行状态可逆系统电机四象限运行系统工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动转速方向正转正转反转反转晶闸管工作正组整流反组逆变反组整流正组逆变组别和状态电枢电压极性 电枢电流极性 电磁转矩方向 电磁转矩性质驱动制动驱动制动电动机运行状态电动发电电动发电电压与电动势的 Ud EM Ud EM Ud 90 90 机械特性所在象限IIIIIIIV 第6章直流传动控制系统 3 电枢可逆系统的环流问题环流 Ic 不流过电动机 其他负载 直接在两组晶闸管之间流通种类 静态环流 可逆线路在一定控制角下稳定工作时 所出现的环流动态环流 晶闸管触发相位突然改变 系统由一种工作状态变为另一种工作状态的过渡过程中所出现的环流 1 直流环流与配合控制1 连接 VF 正转组 共阴接法VR 反转组 共阳接法2 环流产生 VF VR组均在 90 时加触发脉冲 工作在待逆变状态 Udf Udr 或Udf Udr 4 消除直流环条件 f r f VF正转组触发控制角 0 f 90 r VR反转组触发控制角 r 180 r采用 配合控制方式 触发脉冲的零位都定在90 同时 两组触发装置的电压相等 符号相反控制电压Uc增大 f减小 正组晶闸管变流器进入整流状态 Udf增大 r增大或 r减小 反组晶闸管变流器进入逆变状态 Udr增大 f r Udf Udr min min 30 第6章直流传动控制系统 2 脉动环流及其抑制1 原因 正组 反组晶闸管输出电压平均值相等 但是瞬时值不同 整流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值 产生正向瞬时电压差 udo 产生瞬时电流瞬时电压差 瞬时电流与控制角还有关2 udo Udf Udr环流回路的阻抗主要是电感 电流icp不能突变 落后于电压 udo 一个方向脉动3 措施 环流回路串电抗器Lc1 Lc2 二者交替工作 即 VF整流时 Lc1饱和 Lc2 限制环流 VR整流时 Lc2饱和 Lc1限制环流4 电枢可逆自然环流调速系统 1 电枢可逆自然环流调速系统的组成和原理1 定义 自然环流 系统中没有直流环流 只有脉动环流2 控制 配合控制3 原理框图 主电路 两组晶闸管反并联接线 4个环流电抗器 Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 1个平波电抗器Ld 霍尔电流变换器TA检测直流电流 测速发电机TG检测转速控制器 转速 电流双闭环控制ASR速度调节器 ACR电流调节器 第6章直流传动控制系统 双响输出限幅 最大动态电流 最小控制角 min 最小逆变角 min增加放大系数 1 反号器 满足Uc Uc 保持 配合控制 工作过程 正向运行 一组变流器处于整流状态另一组为待逆变状态 整流组EM Ud Ud 整流组电流截止 逆变组投入逆变 电机回馈制动另一组为 待整流状态 确保负载电流按照正反两个方向平滑过渡特点 一组晶闸管变流装置工作 另一组处于等待工作状态 第6章直流传动控制系统 2 动态过程分析过程 正向制动 本桥逆变 它桥制动阶段反向起动 与转速 电流不可逆双闭环系统一样初始条件 恒转矩负载 原来工作在正向电动运行状态正组变流装置VF整流状态 0 t1阶段 Usn Ufn为正 Usi为负 Ufi与Uc为正 fUdf反组VR不输出整流电流 处于待整流状态2 它桥制动阶段 t2 t3 t3 t4LddId dt EMIdm 反组VR回到逆变状态 正组VF处于待整流状态电机动能回馈电网3 反向起动阶段 t4 t5VR整流 VF待逆变小结 电流 转速连续变化 ASR饱和 第6章直流传动控制系统 5 可控环流的可逆调速系统 1 环流及其利用1 环流增加整流变压器和晶闸管容量2 环流特点较小的环流作为晶闸管的基本负载使晶闸管变流器工作在电流连续区避免因电流断续造成机械特性变软实现主电路电流无间断反向变流器切换无电流死区提高系统的平滑性 连续性3 环流利用主回路电流可能断续时 采用 控制方式 使环流为零 2 可控环流可逆调速系统1 主组晶闸管交叉连线2 ASR ACR双闭环控制 其中 ACR1 ACR2两套 含电流互感器 调节器 分别控制正 反转3 在ACR1 ACR2输入端分别加上控制电流环节 给定电压 Usci 二极管VD 电容C 电阻R组成环流抑制电路4 ACR1 ACR2给定信号极性相反 一组整流时 另一组用于控制环流 第6章直流传动控制系统 5 环流控制过程Usn 0时 ASR输出Usi 0环流给定电压 Usci作用下 ACR1 ACR2使两组变流装置处于微导通整流状态在脉动环流基础上输出恒定直流环流If Ir正向运行时 Usi0 VD2截止 电压加到ACR2上 抵消环流给定电压 Usci的作用 并与电流给定信号大小有关稳态时 环流被完全遏制住 正组流过负载电流 反组无电流流过与R VD2并联的电容C可以控制遏制环流的过渡过程反向运行时 反组提供负载电流正组控制环流6 小结 利用环流避免电流出现断续区 系统正反向过渡过程没有死区 提高快速性减少环流损耗适合应用于各种快速性要求高的可逆调速系统 第6章直流传动控制系统 6 逻辑无环流可逆调速系统 1 思路通过无环流逻辑控制器 根据系统的工作状态进行正反组自动切换1 正组发出触发脉冲时封锁反组 2 反组发出触发脉冲时封锁正组 3 任何情况下 不允许两组变流器同时开放 确保主电路没有产生环流的可能 2 原理1 根据电流极性决定开放组和封闭组2 利用电流给定信号Usi极性变化作为逻辑切换必要条件3 系统由正向运行转为反向运行时 Usi由负变正 制动过程开始 电流没有反向前 仍需要保持正组开放 进行本组逆变 直到实际电流降到零时才能发出切换指令 即 封锁正组 开放反组 电流反向4 切换条件 Usi变号 出现零电流信号5 关断延时 发出切换指令 封锁原来工作的那组触发脉冲 封锁原工作组脉冲 开放另一组脉冲 脉动电流低于I0且持续一小段时间 才能确定电流已断开 可以封锁原工作组脉冲 避免出现逆变颠覆 封锁原工作组脉冲 已触发的晶闸管要到电流过零时才能真正关断 且关断一段时间才能恢复阻断能力 延时一段时间 7 5ms 才能开放另一组脉冲 确保无环流6 原理框图主电路 两组晶闸管变流器并联 无环流电抗器 保留平波电抗器Ld控制回路 ASR ACR双闭环系统 ACR1 ACR2分别控制正组 反组触发器无环流逻辑控制器DLC 含电平检测 逻辑判断 延时电路 联锁保护 输入为电流给定Usi 零电流检测信号Uio 输出为封锁正 反组脉冲信号Ublf Ublr 3 错位无环流可逆调速系统 一组工作时 并不封锁另一组触发脉冲 错开触发脉冲实现无环流 第6章直流传动控制系统 6 4直流脉宽调速系统全控型电力电子器件 GTO GTR IGBT IGCTPWM控制技术 利用电力电子器件导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列1 变压 通过控制电压脉冲的宽度 或周期达到2 变频 通过控制电压脉冲的宽度 或脉冲序列的周期达到3 特点 相对晶闸管电机调速系统 具有特点为主电路简单 所需功率器件少 低速性能好 调速范围宽 开关频率高 快速性能好 波形系数好 附加损耗小 效率高 功率因数高4 种类不可逆 可逆 双极式 单极式 受限单极式1 不可逆直流脉宽调速系统 1 无制动作用直流电源 Us 采用大电容滤波 不可控整流电源VD 续流二极管IGBT 脉冲电压uG信号频率不变 脉冲宽度可调 开关频率可高达50kHz占空比 T Ud Us改变 就可以达到调速目的稳态时特点 脉动端电压ud 电枢平均电压Ud电枢电流id 不能反向 单象限 I象限 运行 无制