《机电传动与控制》课件-第七章 机电传动控制系统

机电传动与控制第2版主讲人：第七章机电传动控制系统主讲人：第一节机电传动控制系统的组成和分类机电传动控制系统是以电动机为控制对象,对生产机械按工艺要求进行控制的系统。机电传动控制系统从硬件上讲可以包括电动机、控制电器、检测元件、功率半导体器件和微电子器件等,还可能包含微型计算机。一个大型的机电传动控制系统可能需要控制多台电动机,往往采用多层微型计算机进行控制。机电传动控制系统是以实现一种预定的自动控制功能为目的,以满足生产工艺和过程的要求,并达到最优的技术经济指标。因此,这类系统总是整个生产设备中的重要组成部分之一,它的性能和质量将在很大程度上影响产品的质量、产量、生产成本和工人劳动条件。机电传动控制系统从组成原理上可以分为开环系统和闭环系统。在一般的开环控制的传动系统中,尽管系统输入的控制信号保持不变,但在某种扰动作用下,会使输出量偏离给定值。图7-1所示为一个由晶闸管变流器、电动机和工作机械组成的机电传动开环控制系统,其中工作机械包含传动机构和执行机构。通常情况下,这种系统的输出量是工作机械中执行机构的速度或位移,当电动机与工作机械刚性连接时,它们分别对应于电动机转子的转速和转角。根据工作机械的需要,在一些系统中除了控制输出量以外,可能还需要控制系统内部的其他变量,如直流电动机的电枢电流或交流电动机的定子电流、变流器电压或频率等。图7-1所示的系统中晶闸管变流器向电动机供电并控制它的运行状态,从而可以控制工作机械和相应的工艺过程。当电网电压波动、负载转矩变化等扰动作用于变流器、电动机和工作机械时,会导致系统输出量偏离给定值。该系统在扰动作用下的静态和动态特性将由变流器、电动机和工作机械的特性决定。图7-1机电传动开环控制系统框图图7-2所示的闭环系统,当输出量的反馈值偏离给定输入值时,由于系统输出量信息反馈到系统输入端,使得作用到调节器的输入量发生变化,调节器根据这一信息产生控制信号,作用到变流器,确保系统输出量变化具有预期的特性。图7-2机电传动闭环控制系统框图图7-2所示的闭环系统,当输出量的反馈值偏离给定输入值时,由于系统输出量信息反馈到系统输入端,使得作用到调节器的输入量发生变化,调节器根据这一信息产生控制信号,作用到变流器,确保系统输出量变化具有预期的特性。第二节继电器-接触器控制系统一、电气控制系统图及有关规定1.绘制电气原理图的规则电气原理图只表示电气线路工作原理以及电气元件间的相互作用和关系,并不按照电气元件的实际位置来绘制,也不反映电气元件的大小。绘制电气原理图时,一般应遵循以下规则:1)原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出:从电源到电动机等大电流通过的电路称为主电路;辅助电路包括控制电路、信号电路、照明电路及保护电路等。一般主电路画在左侧,辅助电路画在右侧。2)原理图中,不画各电气元件的实际外形图,而采用国家规定的统一图形和文字符号标准。3)原理图中,各电气元件在电气控制线路中的位置应根据便于阅读的原则安排。同一电气元件的各部分可以不画在一起。一、电气控制系统图及有关规定4)图中所有电器触点,都按没有通电和不受外力作用时的开闭状态画出。对接触器、继电器的触点按吸引线圈未通电状态画,对按钮、行程开关的触点按没有外力作用时的状态画,对控制器按手柄处于零位时的状态画。5)无论是主电路还是辅助电路,各电气元件一般应按动作顺序从上到下、从左到右依次排列。图7-3所示为CW6132车床电气原理图。一、电气控制系统图及有关规定图7-3CW6132车床电气原理图一、电气控制系统图及有关规定为了便于检索电气线路和阅图,通常将电气原理图划分成若干图区,图区的编号在图的下部。图的上方设有用途栏,标明相应图区电路的用途和作用。三相交流电源用字符L1、L2、L3标记,经电源开关之后分别用U、V、W和数字表示。控制电路采用阿拉伯数字按由上而下、由左到右顺序编号,凡是被线圈、绕组、触点或电阻、电容等元件所间隔的电路,都应标以不同的标号。2.电气安装和接线图电气安装图表示电气设备或元件在机械设备和电气控制柜中的安装位置。各电气元件的安装位置由电气元件的功能和机械设备的工作要求所决定,如电动机与被拖动的机械部件连在一起,行程开关应放在能取得信号的位置,操作元件放在操作方便的位置,非执行和检测的电气元件一般放在电气柜内。图7-4所示为CW6132车床电气柜内的电气元件安装位置图。一、电气控制系统图及有关规定电气接线图表示各电气设备间的实际接线关系。绘制接线图时应把各电气元件的各部分(如触点和线圈)画在一起;文字符号、元件连接关系、线路编号都必须与电气原理图一致。图7-5所示为CW6132车床电气接线图。电气安装图和电气接线图是电气安装接线、检修和施工用图。一、电气控制系统图及有关规定图7-4CW6132车床电气元件安装位置图一、电气控制系统图及有关规定图7-5CW6132车床电气接线图一、电气控制系统图及有关规定3.电气系统图中的图形和文字符号为了表达电气控制系统的设计意图,便于系统的安装、调试、使用和检修,必须采用统一的图形符号和文字符号来表达。目前,我国已颁布实施的电气图形和文字符号的有关国家.标准二、三相异步电动机全压起停控制1.直接起动控制电动机从静止状态加速到稳定运行状态的过程称为电动机的起动。对异步电动机来说,若直接施加额定电压给定子绕组起动,称为直接起动。由于这种方法所用电器少,线路简单,广泛用于中、小型异步电动机的起动控制。图7-3中CW6132车床主轴电动机和冷却泵电动机都采用了直接起动控制。一般小容量电动机(如小型台钻和砂轮机等)可直接用开关起动,如图7-6所示;而许多中型设备(如卧式车床、铣床等)的主轴电动机都采用接触器直接起动方式,如图7-7所示。二、三相异步电动机全压起停控制图7-6用开关直接起动电路图7-7用接触器直接起动电路二、三相异步电动机全压起停控制用接触器直接起动(图7-7)工作过程如下:合上电源开关Q,按下起动按钮SB2,接触器KM线圈通电,其常开主触点闭合,电动机M起动运转。由于常开辅助触点闭合,使SB2松开后KM仍然保持得电。这种将KM的常开辅助触点并联在起动按钮SB2两端,使KM继续得电的功能,称为自锁或自保。按下停止按钮SB1,KM线圈失电,常开主触点复位(断开),M断电后渐停;与此同时,常开辅助触点也复位(断开),使SB1松开后KM也不能得电。图7-7中的熔断器FU作短路保护,热继电器FR作过载保护,KM自锁触点作欠电压或失电压保护。欠电压或失电压保护是指当电源电压由于某种原因严重不足或失去时,KM电磁吸力急剧下降或消失,衔铁释放,其常开主触点和自锁触点断开,M断电后渐停;而当电源电压恢复正常时,M不会自行起动运转,避免人身或设备事故发生。二、三相异步电动机全压起停控制2.点动控制图7-7中的KM自锁触点使电动机在起动后保持连续运转,即所谓长动,从而满足机械设备连续运行的要求。但在许多场合下,机械设备还需要点动控制。图7-7中取消KM自锁触点而按动SB2就构成点动控制:按动按钮时,电动机运转;松开按钮时,电动机停转。图7-8b所示为点动控制电路,其工作过程是:合上Q,按下SB,KM线圈通电,电动机M起动;松开SB,KM线圈失电,M停转。在实际生产中,许多机械设备既需要点动调整,也需要长动工作。图7-8c所示为既能点动也能长动的控制电路。当点动控制时,合上Q,按下复合按钮SB3,其常闭触点断开,防止自锁,常开触点闭合,KM线圈得电,电动机M起动;当松开SB3时,KM线圈失电,M停转。正常工作时,用长动按钮SB2起动。长动和点动控制的本质区别是控制电路能否自锁。二、三相异步电动机全压起停控制图7-8点动控制电路与点动长动控制电路二、三相异步电动机全压起停控制3.多处起停控制在大型生产设备上,为了操作方便,要求能在多处进行起停控制。其方法是将分散在各处的起动按钮并联起来,停止按钮串联起来。图7-9所示为两处起停控制电路。4.顺序起停控制对于多电动机驱动的生产设备,对电动机经常有顺序起停的要求。如某些机床主轴电动机必须在液压泵电动机先起动工作后才能起动。图7-10所示为液压泵电动机M2和主轴电动机M1的顺序起停控制电路。控制要求是M2起动后M1才能起动,M1停止后M2才能停止。起动时,合上Q,须先按下SB2,KM2线圈得电并自锁,M2起动运行;再按下SB4,KM1线圈才能得电并自锁,M1起动运行,且将SB1锁住,使其不起作用。停止时,只有先按下SB3,KM1线圈失电,M1停转;由于与SB1并联的KM1常开触点已复位,再按下SB1时,才能使KM2线圈失电,M2停转。二、三相异步电动机全压起停控制图7-9两处起停控制电路图7-10两台电动机顺序起停控制电路三、三相异步电动机正反转控制1.手动按钮控制图7-11所示为用两个按钮分别控制两个接触器以改变电动机电源相序,实现电动机正反转控制电路。由图7-11b可知,当按下SB2时,正转接触器KM1线圈得电并自锁,电动机M正转。当按下SB3时,反转接触器KM2线圈得电并自锁,M反转。图7-11b所示控制电路的主要缺陷是:当M正在运转时,若直接按下令其反向的控制按钮,如M正转时,直接按下反转按钮SB3时,将使得KM1、KM2线圈同时得电,造成主电路短路。所以,只能先按下停止按钮SB1,才能按下反转按钮SB3。图7-11c将KM1、KM2常闭辅助触点相互串联在对方接触器线圈中,形成互锁控制:当KM1线圈得电时,由于KM1常闭辅助触点断开,此时,即使按下SB3,KM2线圈也不能得电;同理,当KM2线圈得电时,由于KM2常闭辅助触点断开,使KM1线圈也不能得电,从而避免短路现象发生。三、三相异步电动机正反转控制图7-11d是在图7-11c的基础上,将复合按钮SB2、SB3的常闭触点互相串联在对方接触器线圈电路中,这就不需要先按动停止按钮SB1,只要按下SB2或SB3,即可实现电动机正反转切换。图7-11按钮控制的正反转控制电路三、三相异步电动机正反转控制2.自动循环控制生产设备中如机床的工作台、自动输料机构等均需要自动往返运动。通常情况下,自动往返是利用行程开关检测运动部件的相对位置,并发出正反向运动切换信号。这种控制称为行程控制。图7-12所示为机床工作台往返运动的示意图。图7-12工作台往返运动示意图三、三相异步电动机正反转控制图7-13所示为自动循环的正反向控制电路,其工作过程是:合上Q,按下SB2,接触器线圈KM1得电并自锁,电动机M正转,工作台前进。当前进到挡块压动SQ2时,其常闭触点断开,KM1线圈失电;同时,其常开触点闭合,使接触器线圈KM2得电,M反转,工作台后退。当后退到挡块压动SQ1,其常闭触点断开,KM2线圈失电;同时,其常开触点闭合,又使KM1线圈得电,M正转,如此周而复始地自动往返工作。图7-13中SB1是总停按钮。若换向行程开关SQ1或SQ2失灵,则由限位开关SQ3或SQ4的常闭触点断开相应接触器线圈,从而切断电动机电源,防止工作台因超出极限位而发生事故。三、三相异步电动机正反转控制图7-13自动循环控制电路四、三相异步电动机减压起动控制三相异步电动机直接起动电流达到额定电流的4~7倍,过大的起动电流会引起电网电压显著下降,直接影响同一电网的其他设备正常工作,降低电压可以减小起动电流,因此对于容量较大的电动机应采用减压起动。由于三相异步电动机的起动转矩与加在定子绕组上的电压二次方成正比,减压起动导致起动转矩严重下降,所以减压起动只适用于空载或轻载场合。常用的减压起动有-△减压起动、定子绕组串电阻减压起动、自耦变压器减压起动。1.-△减压起动控制电路正常运行时,定子绕组接成△的笼型异步电动机,常用-△减压起动。电动机起动时,定子绕组先按联结起动,待转速升到接近额定转速,再将定子绕组恢复为△联结,使电动机进入全压运行。四、三相异步电动机减压起动控制图7-14所示为用时间继电器自动切换的-△减压起动控制电路,起动过程是:合上Q,按SB2,KM线圈得电并自锁,同时KM1线圈得电,电动机M按联结起动;时间继电器KT线圈也同时得电,经延时后,其常闭延时触点断开,KM1断电,而常开延时触点闭合,使KM2得电并自锁,定子绕组由联结变换成△联结正常运行。图中KM1、KM2常闭辅助触点构成电气互锁,防止主电路电源短路。2.定子串电阻减压起动控制电路定子绕组串电阻减压起动不受电动机接线形式的限制,电动机起动时在三相定子电路中串接电阻,降低定子绕组电压,起动结束后再将电阻短接,使电动机进入全压运行。图7-15所示为定子串电阻减压起动控制电路。起动过程是:合上Q,按SB2,KM1线圈和KT时间继电器得电,电动机M定子串电阻起动。四、三相异步电动机减压起动控制当时间继电器KT延时时间到,其常开延时触点闭合,KM2线圈得电并自锁,KM2常闭辅助触点断开使KM1线圈断电,电阻被短接,电动机M全压正常运行。图7-14-△减压起动控制电路图7-15定子串电阻减压起动控制电路四、三相异步电动机减压起动控制3.自耦变压器减压起动控制电路自耦变压器减压起动也不受电动机接线形式的限制。电动机起动时,定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压,随后,自耦变压器便被断开,定子绕组加上额定电压,电动机全压正常运行。图7-16自耦变压器减压起动控制电路动控制电路。图7-16自耦变压器减压起动控制电路四、三相异步电动机减压起动控制4.绕线转子异步电动机起动控制电路三相绕线转子异步电动机转子中绕有三相绕组,除了能用前述的笼型异步电动机起动方法外,还可通过集电环串接电阻,以达到降低起动电流、提高起动转矩的目的。图7-17所示为电流继电器控制的绕线转子异步电动机转子回路串电阻起动电路,它根据电动机在起动时转子回路中电流的大小来逐步切除电阻。图7-17绕线转子异步电动机转子回路串电阻起动电路五、三相异步电动机制动控制三相异步电动机从切断电源到完全停转,由于惯性的作用,总要经过一段时间。许多生产机械,如卧式车床、升降机械、加工中心等都要求能迅速停车或准确定位,这就要求对电动机进行强迫停车,即制动。1.电磁抱闸制动控制图7-18a所示为电磁抱闸制动原理图。图中电动机转子与制动轮同轴安装。当电动机断电时,电磁制动闸便紧紧地抱住制动轮,从而使电动机迅速停转。由图看出,若选用受压弹簧,则制动闸平时处于抱闸状态,这种制动称为断电制动;若选用受拉弹簧,则制动闸平时处于松开状态,这种制动称为通电制动。(1)断电制动控制像电梯、卷扬机等升降机械,为了避免因电源中断或电气线路故障影响制动的安全性和可靠性,一般采用断电制动控制方式。五、三相异步电动机制动控制(2)通电制动控制为减少制动电磁线圈通电时间,对于像机床一类经常需要调整加工件位置的机械设备,一般采用通电制动控制方式。图7-18电磁抱闸断电制动控制电路1—弹簧2—制动闸3—制动轮图7-19电磁抱闸通电制动控制电路五、三相异步电动机制动控制2.能耗制动控制能耗制动是指电动机脱离电源后,定子绕组通入直流电源,利用转子感应电流与静止磁场的作用,待转子转速接近零时再切除直流电源的制动方法。能耗制动实质上是把转子储存的机械能转化成电能,再将电能用于转子的制动。图7-20a所示为手动复合按钮控制的能耗制动电路。图中变压器TC和整流元件VC组成整流装置,并提供制动直流源;KM2为制动用接触器。需电动机停车时,按下复合按钮SB1,直到制动结束后才放开按钮。这种控制的制动时间需靠人工干预,操作不方便。图7-20b所示为时间继电器控制的能耗制动电路。图中KT为时间继电器,延时整定值按制动时间确定。控制电路工作过程是:合上Q,按下SB2,KM1得电自锁,电动机M起动运行。五、三相异步电动机制动控制当停车时,按下SB1,KM1失电,KM2得电并自锁,同时KT也得电,电动机处于制动状态,待KT延时时间到,KM2和KT失电,制动结束。能耗制动作用的效果与通入直流电流的大小和电动机转速有关,在同样的转速下,电流越大,其制动时间越短。一般取直流电流为电动机空载电流的3~4倍,过大的电流会使定子过热。直流电源中串接的可调电阻R用于调节制动电流的大小。能耗制动具有制动准确、平稳、能量消耗小等优点,故适用于要求制动准确、平稳的设备,如磨床、龙门刨床及组合机床的主轴制动。五、三相异步电动机制动控制图7-20能耗制动控制电路五、三相异步电动机制动控制3.反接制动控制反接制动是通过改变电动机三相电源的相序,利用定子绕组的旋转磁场与转子惯性旋转方向相反,产生反方向的转矩,从而达到制动效果。反接制动时,由于转子与定子旋转磁场的相对转速接近于两倍的同步转速,定子绕组中流过的制动电流相当于直接起动时的两倍,为此对10kW以上的电动机进行反接制动时,必须在电动机定子绕组中串接一定的限流电阻,以避免绕组过热和机械冲击。图7-21所示为速度继电器控制的反接制动控制电路。反接制动时,由于制动电流很大,因此制动效果显著。但在制动过程中有机械冲击,对传动部件有害且能量消耗较大,还需要安装速度继电器,故适用于不太经常制动、电动机容量不大的设备,如铣床、镗床、中型车床的主轴制动。五、三相异步电动机制动控制图7-21反接制动控制电路六、三相异步电动机变极调速控制1.变极调速原理三相异步电动机同步转速表达式为如果电动机的极对数p减少一半,则同步转速n0便提高一倍,转子的额定转速n也接近提高一倍。下面以最常用的双速电动机为例,说明变极调速原理。图7-22所示为变极调速原理图,每相定子绕组分成A1X1和A2X2两个线圈。其中图7-22a所示为两个线圈串联,则可获得四个(p=2)磁极;图7-22b所示为两个线圈反向并联,获得两个(p=1)磁极。图7-23所示为双速电动机定子绕组接线图。其中图7-23a所示为△联结,U1、V1、W1三端与电源连接,U2、V2、W2三端悬空,电流方向如箭头所示,此时电动机磁极对数p=2,同步转速为1500r/min,低速运行。六、三相异步电动机变极调速控制图7-23b所示为双星形联结,U2、V2、W2三端连接电源,U1、V1、W1三端相连,箭头表示电流方向,此时磁极对数p=1,电动机同步转速为3000r/min,故双速电动机的高转速约等于低转速的两倍。图7-22变极调速原理图图7-23双速电动机定子绕组接线图六、三相异步电动机变极调速控制2.双速电动机变速控制图7-24所示为时间继电器控制的双速电动机变速控制电路。其工作过程是:合上Q,按下SB2,接触器KM1得电并自锁,电动机M低速运行,同时时间继电器KT得电。当KT延时整定时间到,KT的延时常闭触点断开,KM1失电,同时KT的延时常开触点闭合,接触器KM2、KM3得电并自锁,M由低速升到高速。图7-24双速电动机变速控制电路七、卧式车床的机电传动控制系统1.主要结构及运动情况如图7-25所示,卧式车床主要由床身、主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾座、光杆和丝杠等部分组成。车床的主运动为工件的旋转运动,由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。由于工件的材料、工件尺寸、车刀、加工方式及冷却条件等不同,要求的切削速度也不同,这就要求主轴要有相当大的调速范围,卧式车床的调速范围D一般大于70。为适应加工螺纹的需要,要求主轴能实现正反转运行。车床的进给运动为刀架的纵向与横向直线运动。纵向与横向进给运动可由主轴变速箱的输出轴,经挂轮箱、进给箱、光杆传入溜板箱获得,也可手动实现。加工螺纹时,工件的旋转速度与刀具的进给速度应有严格的比例关系。车床的辅助运动为溜板箱的快速移动、尾座的移动和工件的夹紧与松开等。七、卧式车床的机电传动控制系统图7-25卧式车床的结构示意图1—进给箱2—挂轮箱3—主轴变速箱4—溜板与刀架5—溜板箱6—尾座7—丝杠8—光杆9—床身七、卧式车床的机电传动控制系统2.机电传动与电气控制要求根据车床的加工工艺要求,机电传动与电气控制应满足以下要求:1)为保证主运动与进给运动的严格比例关系,两者采用一台电动机拖动,而且从经济性、可靠性出发,主拖动电动机选用笼型异步电动机。2)为满足调速的要求,采用机械变速,主拖动电动机与主轴之间用齿轮箱连接。有的车床采用机电联合调速,即采用多速笼型异步电动机与变速箱结合进行调速。对于重型或超重型车床,为实现无级变速,主轴往往采用直流电动机拖动。3)为车削螺纹,主轴要求能正反转。有的车床采用机械方法实现,有的小型车床采用主电动机正反转来实现。4)主拖动电动机一般采用直接起动。当电动机容量较大时,常采用-△减压起动。七、卧式车床的机电传动控制系统5)车削加工时,刀具与工件都可能产生高温,应设一台冷却泵。冷却泵电动机只需要单向旋转,但冷却泵电动机应在主拖动电动机起动后方可起动,当主拖动电动机停止时,冷却泵电动机应自动停止。6)为了提高生产效率,减少工人劳动强度,车床刀架的快速移动由一台电动机单独拖动。有些小型车床采用手动。7)应有必要的保护环节及信号电路。8)需有安全电压供电的局部照明电路。3.CA6140卧式车床的电气控制系统图7-26所示为CA6140卧式车床的电气控制电路。电源经断路器QF引入机床。M1为主拖动电动机,M2为冷却泵电动机,M3为刀架快速移动电动机。七、卧式车床的机电传动控制系统(1)主拖动电动机的控制先用钥匙旋转电源开关锁SQ2,再合上QF接通电源,按下按钮SB1,接触器KM1得电吸合并自锁,主轴电动机M1起动;按下按钮SB2,KM1断电,主轴电动机M1停止,此按钮按下后即行锁住,右旋后方能复位。(2)快速电动机的控制如果要快速移动溜板,可将操作手柄扳到需要的方向,按下快速移动按钮SB3,KM3得电,其主触点闭合,M3旋转。该电动机靠按钮SB3点动操作,放开SB3,M3停止。(3)冷却泵电动机的控制当主拖动电动机M1开始运行后,接触器KM1的辅助触点闭合,此时合上SA1方可让KM2得电,使冷却泵电动机M2起动。(4)照明及指示电路照明电路由控制变压器供给交流24V安全电压,经照明开关Q控制照明灯EL。指示电路由变压器供给6V电压,指示灯HL作为电源指示,当机床引入电源后HL亮。七、卧式车床的机电传动控制系统(5)保护环节熔断器FU1、FU2分别作为冷却泵电动机和快速电动机的短路保护;热继电器FR1、FR2分别为电动机M1、M2的过载保护;断路器QF对机床供电回路实现总的保护。为了保护人身安全,通过行程开关SQ1、SQ2进行断电保护。当SA2左旋打开电器控制壁龛时,SQ2行程开关闭合,QF自动断开;当打开主轴箱后,SQ1断开,使主拖动电动机停止,以确保人身安全。当需要打开控制壁龛门进行带电维修时,只要将SQ2的传动杆拉出,QF仍可合上。关上壁龛门后,SQ2复原,保护作用正常。七、卧式车床的机电传动控制系统八、液压动力滑台控制电路用于组合机床上的液压动力滑台是完成刀具进给运动的部件,它利用液压传动系统实现滑台向前或向后的运动。液压动力滑台主要由滑台、滑座及液压缸三部分组成。液压缸拖动滑台在滑座上移动,由电气控制液压传动系统,实现滑台的自动工作循环。1.一次工作进给的控制电路图7-27a所示为液压动力滑台一次工作进给的液压回路及行程开关位置示意图,图7-27b所示为自动工作循环示意图,图7-27d所示为电磁铁动作状态表。其工作过程如下:八、液压动力滑台控制电路图7-27液压动力滑台一次工作进给的液压传动回路及控制电路八、液压动力滑台控制电路滑台处于原位(SQ1被压下)→按压按钮SB1,滑台快进→压下SQ2,滑台转入工作进给→压下SQ3,滑台快退→压下SQ1,滑台在原位停止。图7-27c所示为一次工作进给的控制电路。(1)滑台处于原位由挡铁压下行程开关SQ1,使其常开触点闭合,电磁铁YA1、YA2、YA3均为断点状态,三位五通电磁阀处于中位,二位二通电磁阀处于右位。(2)滑台快进将转换开关SA扳到Ⅰ位,按下按钮SB1,中间继电器KA1得电动作并自锁,其常开触点闭合,使电磁铁YA1、YA3得电。YA1得电使三位五通电磁阀左位工作,由于YA1、YA3同时得电,液压缸左腔不仅接通工进油路,还通过二位二通电磁阀左位实现差动连接,使液压缸右腔内的回油也排入左腔,加大了左腔的进油量,因此滑台快进。八、液压动力滑台控制电路(3)滑台工作进给当滑台快进到使挡铁压下SQ2时,其常开触点闭合,使中间继电器KA2得电动作并自锁,KA2的常闭触点使YA3断电,二位二通电磁阀右位切断差动回路,使滑台自动转成工作进给状态。(4)滑台快退当滑台工进到终点时,挡铁压下行程开关SQ3,其常开触点闭合,使KA3得电动作并自锁。KA3常闭触点断开,使YA1断电,滑台停止工进;其常开触点闭合,使YA2得电,使三位五通电磁阀右位工作,滑台快退。当退到原位时,挡铁压下SQ1,其常闭触点断开,使KA3断电,YA2也断电,滑台原位停止。(5)滑台调整将转换开关SA扳到Ⅱ位,按下按钮SB1,KA1得电,使电磁铁YA1、YA3得电,滑台可快速向前调整。此时KA1不能自锁,因此松开SB1后,滑台立即停止。使三位五通电磁阀右位工作,滑台快退。直到退回原位压下SQ1,滑台停止。八、液压动力滑台控制电路当滑台不在原位需要快退回去时,可按动SB2按钮,使KA3得电动作并自锁,YA2得电,使三位五通电磁阀右位工作,滑台快退。直到退回原位压下SQ1,滑台停止。2.二次工作进给的控制电路二次工作进给自动工作循环与一次工作进给有所不同:滑台处于原位(SQ1被压下)→按下按钮SB1,滑台快进→压下SQ2,滑台转入一次工作进给→压下SQ3,滑台转入二次工作进给→压下SQ4,滑台快退→压下SQ1,滑台在原位停止。图7-28所示为二次工作进给的液压传动回路及控制电路,它的工作原理与一次工作进给的工作原理相似。八、液压动力滑台控制电路图7-28二次工作进给的液压传动回路及控制电路第三节直流传动控制系统一、概述(一)调速的定义直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在较大范围内平滑调速,所以由晶闸管-直流电动机(V-M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种机电传动自动控制系统。它在理论上和实践上都比较成熟,而且从闭环控制理论的角度看,它又是交流调速系统的基础。所谓调速,是指在某一具体负载情况下,通过改变电动机或电源参数的方法,使机械特性曲线得以改变,从而使电动机转速发生变化或保持不变。调速具有两个方面的含义:一是能在一定范围内“变速”。如图7-29所示,电动机负载不变时,转速由n0变到nc或ne,这就是“变速”调速。二是“恒速”。当生产机械在某一速度下运行时,总要受到外界的干扰(如负载变化),为了保证生产机械速度不受干扰的影响,也要进行调速。一、概述例如由于负载的增加,电动机的转速就要降低,为维持转速恒定,就得调整电动机转速,使其回升,并等于或接近于原来的转速。如图7-29中的n0随转矩M的变化而维持不变就属于“恒速”调速。图7-29调速与机械特性的关系一、概述(二)直流调速的方案直流电动机的转速和其他参量的关系为式中,n为电动机转速;U为电枢供电电压;I为电枢电流;R为电枢回路总电阻;Ke为由电动机结构决定的电动势系数;Φ为电动机励磁磁通。由式(7-1)可以看出,直流电动机的转速调节(即调速)方法有三种:1)改变电枢回路总电阻R。2)减弱电动机励磁磁通Φ。3)调节电枢供电电压U。一、概述在调压调速方案中,从供电电源种类上看又有两种情况:1)在交流供电系统中,采用可控交流装置,以获得可调的直流电压。2)在具有恒定直流供电电源的地方,采用晶闸管斩波器,实现脉冲调压调速。现代工业企业中,都具有低压交流供电系统,因此前一类调压方式应用广泛。(三)调速指标根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求,一般可以概括为静态和动态调速指标。1.静态调速指标(1)调速范围生产机械要求电动机在额定负载运行时,提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比,称为调速范围,用符号D表示。一、概述(2)静差率静差率是用来表示负载转矩变化时,转速变化的程度,用s来表示。具体是指电动机稳定工作时,在一条机械特性曲线上,电动机的负载由理想空载增加到额定值时,对应的转速降落Δned与理想空载转速n0之比。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图7-30中的线1和线2,它们有相同的转速降落Δned1=Δned2,但由于Δn02<Δn01,因此s2>s1。这表明在相同机械特性硬度条件下,低速时静差率较大,转速的相对稳定性较差。在1000r/min时降落10r/min,只占1%;在100r/min时也降落10r/min,就占10%;如果n0只有10r/min,再降落10r/min时,电动机就停止转动,转速全都降落完了。由图7-30可见,对一个调速系统来说,如果能满足最低转速运行的静差率s,那么其他转速的静差率也必然都能满足。一、概述图7-30不同转速下的静差率一、概述(3)调压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系在直流调速系统中,当机械特性硬度一定时,最高转速nmax就是电动机的额定转速ned。若带额定负载时的转速降落为Δned,则最低转速时的静差率是s=Δned/n0min×100%。2.动态调速指标在给定信号的作用下,系统输出量的变化情况可用动态性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时,输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零、给出单位阶跃输入信号x(t)作用下的系统输出y(t)过渡过程(图7-31)的要求。这时的动态响应又称作阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量y(t)与其稳态值y(∞)的偏差越小越好,达到y(∞)的时间越短越好。表示动态性能的指标是:一、概述p0为超调量,表示输出量超出稳态值的最大偏离量。它也可用相对值表示输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比,用百分数表示为:σ=[p0/y(∞)]×100%。超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小,则相对稳定性越好,即动态响应比较平稳;td为延迟时间,它对应于y(t)上升到稳态值的50%时的时间;tf为调节时间,它等于y(t)进入稳态值的5%误差带(不再出来)的时间;n为振荡次数。图7-31系统输出过渡过程图二、直流电动机闭环调速系统直流调速系统中,目前用得最多的是晶闸管-电动机(V-M)调速系统。晶闸管-电动机直流传动控制系统常用的有单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统和可逆系统。(一)单闭环直流调速系统常见的单闭环直流调速系统框图如图7-32所示,单闭环直流调速系统常分为有静差调速系统和无静差调速系统两类。图7-32单闭环直流调速系统框图二、直流电动机闭环调速系统(二)双闭环直流调速系统1.转速、电流双闭环调速系统的组成采用PI调节器组成速度调节器ST的单闭环调速系统,既能得到转速的无静差调节,又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看,它已基本上满足一般生产机械对调速的要求。但有些生产机械经常处于正反转工作状态(如龙门刨床、可逆轧钢机等),为了提高生产率,要求尽量缩短起动、制动和反转过渡过程的时间,当然可用加大过渡过程中的电流即加大动态转矩来实现,但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾,可以采用电流截止负反馈,而得到如图7-42中实线所示的起动电流波形,波形的峰值Iam为晶闸管和电动机所允许的最大冲击电流,起动时间为t1。二、直流电动机闭环调速系统图7-42起动时的电流波形图7-43理想的起动过程曲线二、直流电动机闭环调速系统2.转速、电流双闭环调速系统的分析从静特性上看,维持电动机转速不变是由速度调节器ST来实现的。在电流调节器LT上,使用的是电流负反馈,它有使静特性变软的趋势,但是在系统中还有转速负反馈环包在外面,电流负反馈对于转速环来说相当于一个扰动作用,只要转速调节器ST的放大倍数足够大,而且没有饱和,则电流负反馈的扰动作用就受到抑制。整个系统的本质由外环速度调节器来决定,它仍然是一个无静差的调速系统。也就是说,当转速调节器不饱和时,电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被转速调节器的积分作用所抵消了,一旦ST饱和,当负载电流过大,系统实现保护作用使转速下降很大时,转速环即失去作用,只剩下电流环起作用,这时系统表现为恒流调节系统,静特性便会呈现出很陡的下垂段特性。二、直流电动机闭环调速系统从动态上看,以电动机起动为例,在突加给定电压Ugn的起动过程中,转速调节器输出电压Ugi、电流调节器输出电压Uk、可控整流器输出电压Ud、电动机电枢电流Ia和转速n的动态响应波形如图7-45所示。整个过渡过程可以分成三个阶段,在图中分别标以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。第Ⅰ阶段是电流上升阶段。当突加给定电压Ugn时,由于电动机的机电惯性较大,电动机还来不及转动(n=0),转速负反馈电压Ufn=0,这时,ΔUn=Ugn-Ufn很大,使ST的输出突增为Ugio,LT的输出为Uko,可控整流器的输出为Udo,使电枢电流Ia迅速增加。当增加到Ia≥IL(负载电流)时,电动机开始转动,以后转速调节器ST的输出很快达到限幅值Ugim,从而使电枢电流达到所对应的最大值Iam(在这过程中Uk、Ud的下降是由于电流负反馈所引起的),到这时电流负反馈电压与LT的给定电压基本上是相等的。二、直流电动机闭环调速系统图7-45双闭环调速系统起动过程动态波形(图中各参量为绝对值)三、直流电动机脉宽调速系统(一)晶体管脉宽调速系统的基本工作原理目前,应用较广的一种直流电动机脉宽调速系统的基本电路如图7-46所示。三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流电压,VT1~VT4为四只大功率晶体管,工作在开关状态,其中,处于对角线上的一对晶体管的基极,因接受同一控制信号而同时导通或截止。若VT1和VT4导通,则电动机电枢上加正向电压;若VT2和VT3导通,则电动机电枢上加反向电压。当它们以较高的频率(一般为2000Hz)交替导通时,电枢两端的电压波形如图7-47所示,由于机械惯性的作用,决定电动机转向和转速的仅为此电压的平均值。三、直流电动机脉宽调速系统图7-47电动机电枢电压的波形图7-46直流脉宽调速系统三、直流电动机脉宽调速系统(二)晶体管脉宽调速系统的组成图7-48所示的系统是采用典型的双闭环原理组成的晶体管脉宽调速系统。下面分别对几个主要组成部分进行分析。图7-48晶体管脉宽调速系统框图三、直流电动机脉宽调速系统1.主电路(功率开关放大器)晶体管脉宽调速系统主电路的结构形式有多种,按输出极性有单极性输出和双极性输出之分,而双极性输出的主电路又分H型和T型两类,H型脉宽放大器又可分为单极式和双极式两种,这里仅介绍一种技术性能较好、经常采用的双极性双极式脉宽放大器,如图7-49所示,它与图7-46相似。图中,四只晶体管分为两组,VT1和VT4为一组,VT2和VT3为另一组。同一组中的两只晶体管同时导通,同时关断,且两组晶体管之间可以是交替地导通和关断。欲使电动机M向正方向旋转,则要求控制电压Uk(见图7-48)为正,各晶体管基极电压的波形如图7-49与图7-50a、b所示。三、直流电动机脉宽调速系统图7-49脉宽调制放大器(双极性双极式)图7-50功率开关放大器的电压电流波形a)、b)晶体管基极电压波形c)电枢电压波形d)电枢电流波形e)重负载时电枢电流波形f)E>Us时电枢电流波形三、直流电动机脉宽调速系统2.控制电路(1)速度调节器ST和电流调节器LT

ST和LT均采用比例积分调节器。(2)三角波发生器三角波发生器如图7-51所示,由运算放大器A1和A2组成,在开环状态下工作,它的输出电压不是正饱和值就是负饱和值,电阻R3和稳压管VZ组成一个限幅值,限制A1输出电压的幅值。A2为一个积分器,当输入电压U1为正时,其输出电压U2向负方向变化;当输入电压U1为负时,其输出电压U2向正方向变化。当输入电压U1正负交替变化时,其输出电压U2就变成了一个三角波。U1和U2的变化曲线如图7-52a、b所示。三、直流电动机脉宽调速系统图7-51三角波发生器图7-52控制电路中各部分的电压波形a)、b)三角波发生器中的有关电压波形c)、d)、e)分别为Uk>0、Uk<0、Uk=0时电压—脉冲变换器的输出电压波形f)、g)主电路晶体管的基极电压波形图7-53电压-脉冲变换器三、直流电动机脉宽调速系统(3)电压-脉冲变换器电压-脉冲变换器BU如图7-53所示,运算放大器A工作在开环状态。当它的输入电压极性改变时,其输出电压总是在正饱和值和负饱和值之间变化,它就可实现把连续的控制电压Uk转换成脉冲电压,再经限幅器(由电阻R4和二极管VD组成)削去脉冲电压的负半波,在BU的输出端形成一串正脉冲电压U4。图7-53电压-脉冲变换器三、直流电动机脉宽调速系统(4)脉冲分配器及功率放大脉冲分配器如图7-54所示,其作用是把BU产生的矩形脉冲电压U4(经光电隔离器和功率放大)分配到主电路被控晶体管的基极。由图7-54可知,当U4为高电平时,门1输出低电平,一方面它使门5的输出Uc14为高电平,VD1截止,光敏管VB1也截止,经功率放大电路,其输出Ub14为低电平,使晶体管VT1、VT4(见图7-49)截止;另一方面门2输出高电平。其后使门6的输出Uc23为低电平,VD2导通发光,使光敏管VB2导通,经功率放大后,其输出Uc23为高电平,使晶体管VT2、VT3(见图7-49)可以导通。可知,随着电压U4的周期性变化,电压Uc14与Uc23正、负交替变化,从而控制晶体管VT1、VT4与VT2、VT3的交替导通与截止。三、直流电动机脉宽调速系统图7-54中点画线框内的环节是个延时环节,它的作用是保证晶体管VT1和VT4、VT2和VT3两对晶体管中,一对先截止而后另一对再导通,以防止在交替工作时发生电源短路。功率放大电路的作用是把控制信号放大,使其能驱动大功率晶体管。图7-54脉冲分配器及功率放大三、直流电动机脉宽调速系统(5)其他控制电路过电流、失速保护环节。当电枢电流过大和电动机失速时,该环节输出低电平,封锁门5和门6,其输出Uc14和Uc23均为高电平,使Ub14和Ub23均为低电平,从而关断晶体管VT1~VT4,使电动机停转。(三)晶体管脉宽调速系统的分析如图7-48所示,整个装置由速度调节器ST和电流调节器LT组成双闭环无差调节系统,由LT输出的电压Uk(可正可负且连续可调)和正负对称的三角波电压U2在BU中进行叠加,产生频率固定而占空比可调的方波电压U4,然后,此方波电压由脉冲分配器产生两路相位相差180°的脉冲信号,经功放后由这两路脉冲信号去驱动桥式功率开关主电路,使其负载(电动机)两端得到极性可变、平均值可调的直流电压,该电压控制直流电动机正反转或制动。四、闭环调速系统实例分析为了对晶闸管-电动机调速系统有一个比较全面、具体、深入的了解,下面以晶闸管控制的龙门铣床为例加以分析。龙门铣床的主运动为铣刀的旋转运动,进给运动为工作台的往复运动,进给运动属于恒转矩负载。X2010A型龙门铣床是一种性能很好的通用机床,主要用作较大零件的平面铣削,也可兼作其他工艺加工,运行可靠,操作方便。机床的主运动为两个水平主轴箱及一个垂直主轴箱的主轴旋转,主轴传动采用交流异步电动机,机械有级变速。进给运动有工作台的前后移动,左、右主轴箱沿立柱上下移动,垂直主轴箱沿横梁左右移动(均共用一个电动机,用选择开关控制电磁离合器来进行选择),传动电机为直流电动机,采用晶闸管整流供电,无级调节直流电动机的电枢电压进行调速,调速范围D=50,即工作台进给速度为20~1000mm/min(电动机转速为20~1000r/min)。四、闭环调速系统实例分析主轴箱进给速度为10~500mm/min(电动机转速为20~1000r/min),静差率s<15%。工作台和主轴箱的快速移动,仍用进给电动机传动,当电动机电枢电压达到额定值后,电压继电器KU动作,减弱一半磁场,使电动机转速达到快速2000r/min。下面着重分析进给运动的传动系统,即晶闸管直流调速系统。(1)进给运动传动系统框图如图7-55所示,系统由给定电压、前置放大、移相触发器、晶闸管整流器、直流电动机及各种反馈环节组成。图7-55进给运动传动系统框图四、闭环调速系统实例分析当给定电压增大时,经前置放大器放大,使移相触发脉冲向前移,晶闸管被触发的时间也向前移,于是晶闸管的输出电压增大,电动机的转速上升;反之,当给定电压减小时,电动机的转速下降;当给定电压为零时,电动机停转。(2)晶闸管整流器—直流电动机主回路如图7-56所示,由于进给电动机正反向工作不频繁,容量也不大(4kW,1000r/min,200V),因此采用单相半控桥式整流线路,电动机的正、反转由接触器FKM、RKM控制,主回路用整流元件均设有阻容保护元件,电动机的制动采用能耗制动,制动时接触器KM动作,将电阻R并接在电枢两端。电流继电器KA2作过电流保护,在50A左右动作。四、闭环调速系统实例分析图7-56晶闸管整流主回路四、闭环调速系统实例分析单相半控桥式整流电路带电阻负载情况下,晶闸管整流电压的平均值为可见,Ud是随α改变而改变的,α的大小是由移相触发电路来控制的。所以,通过移相器控制α,使得晶闸管整流输出直流电压Ud改变,就可实现电动机转速从20~1000r/min的调节。不过这里的负载是电动机,它是一个反电动势负载,具有一定的电感,当主回路中没有另加滤波电抗器时,主回路电流总是断续的(图7-57),特别是在轻负载情况下,断续得更厉害些,晶闸管整流电压要升高,使得电动机的转速比有滤波电抗器情况下的转速要高,这时电动机反电动势E使得在交流电压瞬时值uc较小时,主回路电流Ia=0。续流二极管VD3在低速、大负载情况下,有续流作用,以保证晶闸管整流器的正常工作。四、闭环调速系统实例分析快速移动时,继电器K5得电动作,整流电压平均值为最大,使继电器KU动作,电动机磁场Φ减小一半,因n=E/(KeΦ),故电动机转速升高一倍。图7-57主回路电压电流波形a)ucmaxsinα≥Udb)ucmaxsinα<Ud第四节交流传动控制系统一、概述交流调速系统,就是以交流电动机作为电能-机械能的转换装置,并通过对电能的控制以产生所需的转矩与转速。1.交流调速的重要作用交流调速传动在节约能源方面起着重要作用。一方面,交流传动负荷在各国的总用电量中都占有很大的比重,对这类负荷实现节能,可以获得很好的节能效益;另一方面,交流传动本身又存在着很大的可以挖掘的节电潜力。2.交流调速的基本类型交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率而改变其同步转速,因此,同步电动机的调速有两种方法:一、概述(1)不改变同步转速的调速方法它们有:转子串电阻;转子斩波调速;改变定子电压;改变转子附加电动势;应用电磁转差离合器等方法。(2)改变同步转速的调速方法它们有:改变定子极对数;改变定子电压频率;应用无换向器电动机等方法。异步电动机的调速方法较多,由现有文献中介绍出来且常见的有:①降电压调速;②电磁转差离合器调速;③绕线转子异步电动机转子串电阻调速;④绕线转子异步电动机串级调速;⑤变极对数调速;⑥变频调速等。在开发交流调速系统的时候,人们从多方面进行探索,其种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已接近成熟,为了深入地掌握其基本原理,就不能满足于这种表面形式的罗列,而要进一步探讨其内在规律,从更高的角度上认识交流调速的本质。一、概述按照交流异步电动机的基本原理,从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分:一部分P2=(1-s)Pm是拖动负载的有效功率;另一部分是转差功率Ps=sPm,与转差率s成正比。从能量转换的角度上看,转差功率是否增大,是消耗掉还是得到回收,显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发,可以把异步电动机的调速系统分成三大类:(1)转差功率消耗型调速系统该系统的全部转差功率都被转换成热能的形式而消耗掉。(2)转差功率回馈型调速系统该系统转差功率的一部分被消耗掉,大部分则通过变流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用,转速越低时回收的功率也越多,上述第④种调速方法———串级调速属于这一类。一、概述(3)转差功率不变型调速系统该系统的转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的,但在这类系统中,无论转速高低,转差功率的消耗基本不变,因此效率最高。二、异步电动机的调压调速系统当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时,在定转差率下,电动机的电磁转矩M与加在其定子绕组上电压U的二次方成正比,即M∝U2。因此,改变电动机的定子电压就可改变其机械特性的函数关系,从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。图7-58所示为异步电动机在调压调速时的机械特性。图7-58异步电动机在改变定子电压时的机械特性(U1>U2>U3)二、异步电动机的调压调速系统1.控制方式晶闸管交流调压就是在恒定交流电源与负载(如电阻、交流电动机等)之间接入晶闸管作为交流电压控制器。其控制方式有两种:(1)相位控制晶闸管单相调压电路如图7-59所示。作为相位控制时,晶闸管在每个电源电压波形周期的选定时刻将负载与电源接通,如图7-60所示。不同的触发延迟角,可得到不同的输出负载电压波形u=f(t),从而起到调压作用。为使输出电压正、负半波对称,反并联的两个晶闸管的触发延迟角应相等。(2)通断控制此时调压电路仍如图7-59所示。但晶闸管起着快速开关作用,它把负载与电源按一定的频率断通关系接通与断开,晶闸管的触发延迟角α一般为0°,可连续导通几个周期,晶闸管在控制脉冲消失时自然关断。电动机作为负载时,它相当于工作在脉冲调速状态,负载电压波形如图7-61所示。二、异步电动机的调压调速系统图7-59晶闸管单相调压电路图7-60晶闸管单相调压电路在相位控制时的负载电压波形图7-61晶闸管单相调压电路在通断的负载电压波形二、异步电动机的调压调速系统2.异步电动机调压时的机械特性根据电机学原理,在①忽略空间和时间谐波;②忽略磁饱和;③忽略铁损耗的情况下,可画出异步电动机的稳态等效电路,如图7-62所示。图中各参量的定义如下:R1、R′2为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻;L11、L′12为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感;Lm为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电感;U1、ω1为电动机定子相电压和供电角频率。图7-62异步电动机稳态等效电路二、异步电动机的调压调速系统3.闭环控制的变压调速系统及其特性异步电动机变电压调速时,采用普通电动机时调速范围很窄,采用高转子电阻的力矩电动机时,调速范围虽然可以大一些,但机械特性变软,负载变化时的静差率又太大(图7-64)。开环控制很难解决这个矛盾。对于恒转矩性质的负载,调速范围要求D=2以上时,往往采用带转速负反馈的闭环系统,如图7-65所示。图7-65转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统二、异步电动机的调压调速系统和直流调压调速系统不同的地方是:在额定电压U1ed下的机械特性和最小输出电压U1min下的机械特性,是闭环系统静特性左右两边的极限,当负载变化达到两侧的极限时,闭环系统便失去控制能力,回到开环机械特性上工作。根据图7-65a所示的系统,可以画出静态结构图如图7-66所示。图中:Ks=U1/Uk,为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数;α=Uf/n,为转速反馈系数;ST采用PI调节器。n=f(U1、Me)是式(7-19)表达的异步电动机机械特性方程式,是一个非线性函数。稳态时,Ugn=Uf=αn,Me=ML,根据Ugn/α和ML,可由式(7-19)计算或用机械特性图解求出所需的U1以及相应的Uk。二、异步电动机的调压调速系统图7-66异步电动机变压调速系统静态结构图三、异步电动机变频调速系统异步电动机的变频调速系统是异步电动机的变压变频调速系统的简称。由于其在调速时转差功率不变,在各种异步电动机调速系统中效率最高,同时性能也最好,因此成为交流调速的主要发展方向。由交流电动机的转速公式可以看出,若均匀地改变定子供电频率f1,则可以平滑地改变电动机的同步转速。在许多场合,为了保持在调速时电动机的最大转矩不变,需要维持磁通恒定,这就要求定子供电电压也要做相应调节。因此对电动机供电的变频器,一般都要求兼有调压和调频这两种功能,即通常所说的VVVF型变频器。三、异步电动机变频调速系统(一)变频调速的基本控制方式异步电动机改变定子频率f1可以平滑地调节转速。在电机学中,异步电动机的电动势方程为E1=4.44f1W1K1Φ (7-23)如果忽略定子阻抗压降,则U1≈E1=4.44f1W1K1Φ (7-24)可见,当U1不变时,随着f1的升高,Φ将减小。又从转矩公式M=CMΦI′2cosφ′2 (7-25)可以看出,Φ减小势必导致电动机输出转矩M下降,使电动机的利用率变差。同时电动机的最大转矩也将降低,严重时,会使电动机堵转。三、异步电动机变频调速系统若维持端电压U1不变而减小f1,Φ将增加,这会使磁路饱和,励磁电流Im上升,导致铁损急剧增加。因此在许多场合,要求在调频的同时,改变定子电压U1,以维持Φ近似不变。根据U1和f1的不同比例关系,将有不同的变频调速方式。1.基频以下调速这是恒压频比的控制方式。低频时,U1(Eg)较小,定子阻抗压降所占的分量就比较显著,不再能忽略。这时,可以人为地把电压U1抬高一些,以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图7-67中的线2,无补偿的控制特性则为线1。三、异步电动机变频调速系统2.基频以上调速在基频以上调速时,频率可以从f1n往上增,但电压却不能增加得比额定电压还要大,最多只能保持U1=U1n,这将迫使磁通与频率成反比地降低,相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况结合起来,可得图7-68所示的异步电动机的变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流,则电动机都能在温升允许条件下长期运行。这时转矩基本上随磁通变化,按照机电传动原理,在基频以下,属于“恒转矩调速”的性质;而在基频以上,基本上属于“恒功率调速”。三、异步电动机变频调速系统图7-