《机电设备装调工艺与技术（电气分册）》-单元五

单元五电动机的自动调速系统课题一直流调速系统课题二交流调速系统返回课题一直流调速系统一、任务描述直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能,宜于在大范围内平滑调速,目前在调速领域中仍占有重要地位。特别是晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。二、任务分析本任务需要学生了解直流调速的性能指标,直流调速涉及的基本组成和调速方法等,学习三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的基本原理和控制方法。下一页返回课题一直流调速系统三、知识链接(一)调速控制系统的基本技术指标对于各类不同的生产机械,由于其具体的生产工艺过程不同,因此对调速控制系统的性能指标要求也是不同的。对控制系统的要求归纳起来有以下几个方面。１.对调速控制系统的性能指标要求(１)调速:在一定的范围内实现有级或无级地调节转速。调速系统的转向若要求正、反转,则为可逆调速系统;若只要求单向运转,则为不可逆调速系统。上一页下一页返回课题一直流调速系统(２)稳速:以一定的精度在所要求的转速上稳定运行。在各种可能的扰动下,不允许有过大的转速波动,以确保产品质量。(３)加、减速:对于频繁启动、制动的设备,要求尽可能快地加、减速,以提高生产效率;对于不宜经受剧烈速度变化的机械,要求启动、制动尽可能地平稳。２.调速控制系统的稳态和动态两方面的性能指标(１)稳态性能指标。所谓稳态性能指标,是指调速控制系统稳定运行时的性能指标。①调速范围。上一页下一页返回课题一直流调速系统直流调速系统的调速范围是指电动机在额定负载下,运行的最高转速与最低转速之比,即Ｄ＝ｎｍａｘ/ｎｍｉｎ。对于调压调速系统来说,电动机的最高转速ｎｍａｘ等于其额定转速ｎｎｏｍ。Ｄ越大,则说明调速系统的调速范围越宽。对于少数负载很轻的机械(例如磨床),也可以用实际负载时的转速,来定义调速范围。根据调速范围这个指标的大小,交、直流调速系统可分为:ａ.当Ｄ<３时,为小调速范围的系统。ｂ.当３≤Ｄ<５０时,为中等调速范围的系统。上一页下一页返回课题一直流调速系统ｃ.当Ｄ≥５０时,为宽调速范围的系统。现代交、直流调速系统的调速范围可以做到Ｄ≥１００００。②静差率。当系统在某一转速下运行,负载由理想空载变到额定值时,所引起的额定转速降落值Δｎｎｏｍ与理想空载时的转速ｎ０之比,称为静差率。静差率用ｓ表示,即ｓ＝△ｎｎｏｍ

/ｎ０＝(ｎ０－ｎｎｏｍ)/ｎ０,或用百分数表示ｓ＝(Δｎｎｏｍ/ｎｏ)×１００％。静差率是用来表示当负载转矩变化时,电动机转速变化的程度。静差率与机械特性硬度有关,即机械特性硬度越硬,则静差率越小,且转速稳定度越高。上一页下一页返回课题一直流调速系统然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。如图５－１－１所示的两条特性线,虽然两者的硬度相同,即额定速降Δｎｎｏｍａ＝Δｎｎｏｍｂ,但它们的静差率却不同。其原因是理想空载时的转速不相同。对于同样的特性硬度,若理想空载时的转速越低,则静差率越大,且转速的相对稳定度也越差。在一个交、直流调速系统中,如果最低转速运行时,能满足静差率ｓ的要求,则大于最低转速下的静差率一般都能满足要求。所以,一般所提的对静差率的要求是指:系统在最低速时,所能达到的指标。图中Ｔｅ是指电动机轴上输出的转矩;Ｔｅｎｏｍ是指额定输出转矩。上一页下一页返回课题一直流调速系统调速范围和静差率这两项指标是相互联系的.③Ｄ、ｓ、Δｎｎｏｍ之间的关系。调速系统的静差率是指系统在最低转速时的静差率,即ｓ＝Δｎｎｏｍ/Δｎ０ｍｉｎ。对于同一个调速系统,在它的特性硬度或Δｎｎｏｍ值是一定的前提下,如果对静差率ｓ要求越小,则系统能够达到的调速范围越小。当对Ｄ、ｓ都提出一定要求时,为了满足要求,

Δｎｎｏｍ就必须小于某一个值。④调速平滑性。上一页下一页返回课题一直流调速系统直流调速系统的调速平滑性,是在调速时用相邻转速之比来表示的。在无级调速时,该比值接近于１,即转速可以连续平滑调节。(２)动态性能指标。调速控制系统在动态过程中的指标,称为动态性能指标。由于实际系统存在着电磁和机械惯性,因此,在转速调节时总有一个动态过程。为了衡量调速控制系统的动态性能,可分为跟随性能指标和抗扰性能指标两类进行讨论。①跟随性能指标。上一页下一页返回课题一直流调速系统交、直流调速控制系统一般在给定阶跃信号作用下,系统输出在零初始条件下的响应过程来表示系统对给定输入的典型跟随过程,

如图５－１－２所示。其主要跟随性能指标如下。ａ.上升时间ｔｒ。在阶跃响应过程中,输出量从零开始,从第一次上升到稳态值Ｃ∞所经历的时间,称为上升时间。上升时间反映系统动态响应的快速性。ｂ.超调量σ。在阶跃响应过程中,输出量超出稳态值Ｃ∞的最大偏差与稳态值之比的百分值,称为超调量,即:上一页下一页返回课题一直流调速系统超调量反映了系统的相对稳定性。超调量越小,则相对稳定性越好,即动态响应比较平稳。ｃ.调节时间ｔｓ。在阶跃响应过程中,从输出衰减到输出量与稳态值之差进入±５％或±２％的允许误差范围之内所需的最小时间,称为调节时间,又称为过渡过程时间。调节时间是用来衡量系统整个调节过程的快慢的,即调节的快速性。若调节时间ｔｓ越小,则系统响应的快速性越好。在实际的系统中,快速性和稳定性往往是相互矛盾的。若减小了超调量,则往往就延长了过渡过程时间;减少过渡过程时间,却又增大了超调量。上一页下一页返回课题一直流调速系统对于一般要求的系统,可以根据生产工艺的要求,只要哪一方面的性能是主要的,就以哪一方面为主;对于具有特殊要求的、较高性能的系统,还可以考虑采用一些综合性的优化性能指标。②抗扰性能指标。控制系统在稳态运行中,由于受电动机负载的变化、电网电压的波动等干扰因素的影响,因此都会引起输出量的变化,在经历一段动态过程后,系统总能达到新的稳态,这一恢复过程就是系统的抗扰过程。一般以系统稳定运行中,突加一个使输出量降低的扰动以后的过渡过程,作为典型的抗扰过程,

如图５－１－３所示。上一页下一页返回课题一直流调速系统抗扰性能指标定义如下:ａ.动态降落ΔＣｍａｘ(％)。当系统稳定运行时,如果突加一个扰动量Ｎ,那么在过渡过程中,引起输出量的最大降落值ΔＣｍａｘ,与输出量原稳态值Ｃ∞１的百分数比值,称为动态降落。即:ｂ.恢复时间ｔｖ。从阶跃扰动作用开始,到输出量基本上恢复稳态,并与新稳态值Ｃ∞２之差进入某基准值Ｃｂ的±５％或±２％范围之内所需的时间,称为恢复时间ｔｖ,

如图５－１－３所示。其中Ｃｂ称为抗扰性能指标中,输出量的基准值。上一页下一页返回课题一直流调速系统实际控制系统对于各种动态性能指标的要求各异。例如,可逆轧钢机需要连续正、反向轧制钢材多次,因而对系统的动态跟随性能和抗扰性能都要求较高;对于一般不可逆的调速系统,主要要求有一定的抗扰性能,而跟随性能的好坏影响不大。数控机床的加工轨迹控制、仿形机床的跟踪控制都要求有较严格的跟随性能;雷达天线随动系统对跟随性能和抗扰性能都有一定的要求。一般来说,调速系统的动态指标以抗扰性能为主,而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。(二)开环控制系统与闭环控制系统１.在自动控制技术中,常用的一些术语上一页下一页返回课题一直流调速系统(１)被控对象。被控对象是一个设备,并由一些机械或电器零件组成,其功能是完成某些特定的动作。这些动作通常是系统最终输出的目标。(２)系统。系统是由一些部件所组成的,并用以完成一定的任务。(３)环节。环节是系统的一个组成部分。环节由控制系统中的一个或多个部件组成,其任务是完成系统工作过程中的局部过程。(４)扰动。扰动是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。倘若扰动产生于系统内部,则被称为内扰;扰动若来自于系统外部,则被称为外扰。上一页下一页返回课题一直流调速系统(５)反馈控制。在有扰动的情况下,反馈控制有减小系统输出量与给定输入量之间偏差的作用,而这种控制作用正是基于这一偏差来实现的。反馈控制仅仅是针对无法预料的扰动而设计的。可以预料的或者已知的扰动,可以用补偿的方法解决。２.自动控制系统的类型自动控制系统按输出量对输入量有无直接影响,可分为开环控制系统和闭环控制系统。(１)开环控制系统。开环控制类系统的特点是系统的输出量对系统的控制作用没有直接影响。上一页下一页返回课题一直流调速系统在开环控制系统中,由于不存在输出对输入的反馈,因此对系统的输出量没有任何闭合回路;在开环控制系统中,其控制装置与被控对象之间,只有正向作用而没有反向联系,即系统既不需要对输出量进行测量,也不需要将输出量反馈到输入端,或与给定的输入量进行比较,故系统的输入量就是系统的给定值。如图５－１－４所示。在开环控制系统中,每一个给定的输入量,就有一个相应的固定输出量(期望值)。但是,当系统中出现扰动(如直流电动机调速系统负载转矩ＴＬ的变化或电源电压的波动等)时,这种输入与输出之间的一一对应关系将被破坏,即系统的输出量(如电动机的实际转速)将不再是其期望值,且两者之间就有一定的误差。上一页下一页返回课题一直流调速系统开环系统自身不能减小此误差,且一旦此误差超出了允许范围,则系统将不能满足实际的控制要求。因此,开环速度控制系统不能实现自动调速。开环控制系统的特点如下。①系统中无反馈环节,即不需要反馈测量元件,故结构较简单,成本低。②由于系统开环工作,因此稳定性好。③系统不能实现自动调节作用,且对干扰引起的误差不能自行调节,故控制精度不够高。上一页下一页返回课题一直流调速系统因此,开环控制系统适用于输入量与输出量之间关系固定,且内、外扰动较小的场合。为保证一定的控制精度,开环控制系统必须使用高精度元件。(２)闭环控制系统。闭环控制系统的特点是输出量对系统的控制作用有直接影响。在闭环控制系统中,由于系统的输出量经测量后,反馈到输入端,故对系统的输出量形成了闭合回路。闭环控制系统是反馈控制系统,即控制装置与被控对象之间,既有顺向作用,又有反向联系。闭环控制系统将被控对象的输出量送回到输入端,并与给定输入量比较,而形成偏差信号。上一页下一页返回课题一直流调速系统偏差信号作用到控制器上,并使系统的输出量趋向其期望值。图５－１－５所示为闭环控制系统的方框图。由图可知闭环控制系统的特征是:系统中存在反馈环节;作用信号按闭环传递;系统的输出量对控制作用有着直接影响。闭环控制系统与开环控制系统相比,具有如下特点。(１)在闭环控制系统中具有负反馈环节,且可自动对输出量进行调节补偿,因此对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动,均有一定的抗干扰能力。上一页下一页返回课题一直流调速系统(２)闭环控制系统采用负反馈,除了降低系统误差、提高控制精度外,还能加速系统的过渡过程,但系统的控制质量与反馈元件的精度有关。(３)闭环控制系统闭环工作,有可能产生不稳定现象,因此存在稳定性问题。闭环控制系统在受到干扰后,利用负反馈的自动调节作用,能够有效地抑制一切被包在负反馈环内的前向通道(信号从输入端沿箭头方向,到达输出端的传输通道)上的扰动作用对被控量的影响,而且能够紧紧跟随给定作用,使被控量按照给定信号的变化而变化,从而实现复杂而准确地控制。上一页下一页返回课题一直流调速系统因此,闭环控制系统又常称为自动调节系统。系统中的控制器也常称为调节器。(三)自动控制系统的基本组成一个自动控制系统是由若干个环节组成的,且每个环节有其特定的功能。自动控制系统的组成和信号的传递情况常用方框图来表示,

如图５－１－６所示。在方框图中,系统的各环节用方框表示,且环节间作用信号的传递情况用箭头表示。这样依次将各方框连接起来,便构成自动控制系统的组成方框图。在方框图中,各个环节和参量的功能说明如下。上一页下一页返回课题一直流调速系统(１)指令。指令来自系统外部的输入量,并和系统本身无关。(２)参考输入环节。参考输入环节用来产生与指令成正比的参考输入信号。(３)参考输入。参考输入为正比于指令的信号,简称为输入量。(４)放大环节。由于偏差信号一般比较微弱,只有经过放大环节的放大后,才能得到足够大的幅值和功率,来驱动后面的环节。(５)执行环节。根据放大后的信号,执行环节对被控对象进行控制,以使被控量趋于期望值。有时,也将放大环节与执行环节合并为一个环节,统被称为控制环节。上一页下一页返回课题一直流调速系统(６)反馈环节。反馈环节将被控量变换成与输入量具有相同性质的物理量,并送回到输入端,用以与输入量相加。(７)比较环节。比较环节将输入量和反馈信号在此处相加。(８)被控量。被控量为被控对象的输出量,通常就是被调量。(９)间接被控对象。间接被控对象为处在反馈回路之外的设备。它不是直接被控设备,且将由被控量影响其工作。(１０)间接被控量。间接被控量为反馈回路之外的被控量。它没有被反馈环节检测到。(四)直流电动机的调速方法上一页下一页返回课题一直流调速系统直流电动机的特点:直流电动机具有良好的启动、制动性能,并适宜于在宽调速范围内,

平滑调速。直流调速系统在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切削机床、造纸机等的电力拖动领域中,得到了广泛的应用。直流他励电动机的转速方程为:人为改变参量的调速有３种方式:调节电枢供电电压Ｕ;减弱激磁磁通Φ;改变电枢回路的总电阻Ｒ。上一页下一页返回课题一直流调速系统１.调节电枢电压的调速从式(５－１－１)中可知,当激磁磁通Φ和电路的总电阻Ｒ一定时,只要改变电枢电压Ｕ,就可以平滑地调节转速ｎ,其表现为机械特性将上下平移,

如图５－１－７所示。由于受电动机绝缘性能的影响,电枢电压的变化只能向小于额定电压的方向变化,所以这种调速方式只能在电动机的额定转速以下调速,且其转速调节的下限受低速时运转不稳定性的限制。因此,对于要求在一定范围内实现无级平滑调速的系统来说,调节电枢电压方式是调速系统的主要调速方式。２.减弱激磁磁通的调速上一页下一页返回课题一直流调速系统由式(５－１－１)可知,当Ｕ和Ｒ不变时,若减小激磁磁通Φ(即改变直流他励电动机的激磁电流,因为考虑到直流电机在额定运行下的磁路系统已接近饱和,所示激磁电流只能向小于额定磁通的方向变化),则电动机的转速将高于额定转速,且其机械特性向上移动,

如图５－１－７所示。当减弱激磁磁通调速时,因为电动机最高转速受换向器和机械强度的限制,所以调速范围不大。在实际生产中,它往往只是配合调压调速方案,即在额定转速以上,做小范围的升速。这样,只要调压与调磁相结合,就可以扩大调速范围。上一页下一页返回课题一直流调速系统３.改变电枢回路总电阻的调速对于改变电枢回路总电阻的调速,一般是在电枢回路中串接附加电阻,因此损耗较大,且只能进行有级调速。电动机的机械特性较软,其一般应用于少数小功率场合。在工程上常用的主要是前两种调速方法。(五)有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统,常采用各种反馈环节,例如转速负反馈、电压负反馈或电流正反馈等,以提高调速精度和系统的机械特性硬度,扩大调速范围,并达到自动调速的目的。上一页下一页返回课题一直流调速系统在有静差的自动调速系统中,放大器只是一个具有比例放大作用的Ｐ调节器,且只有依靠实际转速与给定转速之间的偏差,才能实现转速的控制作用,因此这种系统不能消除转速的稳态误差。１.转速负反馈有静差直流自动调速系统在自动调速系统中,无论怎样调节,

Δｎ都无法消除的系统,被称为有静差调速系统;凡是通过适当调节,可以使Δｎ＝０的系统,被称为无静差系统。研究Δｎ的大小对生产机械具有十分重要的意义,因此在调速系统设计中,首先要设法减小Δｎ,甚至减为零。根据反馈控制原理,只要维持某一物理量基本不变,就应该引入该物理量的负反馈。上一页下一页返回课题一直流调速系统因此可以引入被控量转速的负反馈,以构成转速闭环控制系统。由于调速系统只有一个转速反馈环,故又被称为单闭环调速系统。(１)系统的组成。为了分析的方便,系统中的电压、电动势、电流均使用大写字母。在动态分析时,就认为是瞬时值;在稳态分析时,就认为是平均值。如图５－１－８所示。直流电动机有两个独立的电路,一个是电枢回路,另一个是激磁回路(图中Ｕｆ为激磁电压,Ｉｆ为激磁电流)。直流电动机各物理量间的基本关系式是:上一页下一页返回课题一直流调速系统(２)系统的静特性。在系统中,各环节的稳态输入、输出关系如下。电压比较环节:放大器:上一页下一页返回课题一直流调速系统晶闸管整流器及触发装置:Ｖ－Ｍ系统开环机械特性:转速检测环节:其余各量如图５－１－９所示。上一页下一页返回课题一直流调速系统闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流(或转矩)的稳态关系。在形式上闭环调速系统的静特性与开环机械特性相似,但在本质上两者有很大不同,故命名为闭环调速系统的“静特性”,以示区别。转速负反馈有静差直流自动调速系统的原理如图５－１－９所示。该系统的反馈信号Ｕｆｎ是由测速发电机取自电动机的实际转速,且Ｕｆｎ＝αｎ·ｎ。系统的输入偏差信号ΔＵｉ＝Ｕｇ－Ｕｆｎ。为使转速的偏差小,

ΔＵｉ就必须很小,所以在系统中只有设置放大器(放大倍数为Ｋｐ),才能获得足够的触发电路控制电压Ｕｃ。图中的放大器可以是晶体管放大器,也可以是集成放大器。上一页下一页返回课题一直流调速系统(３)系统的工作原理。由电位器ＲＰ１给出一个给定电压Ｕｇ,并与由转速负反馈环节反馈回来的电压－Ｕｆｎ(两者极性不同)形成偏差信号ΔＵｉ＝Ｕｇ－Ｕｆｎ。偏差信号经放大后,作为触发电路的控制电压Ｕｃ,并使触发电路产生触发延迟角为α的触发脉冲(α随Ｕｃ的增大而减小),以触发晶闸管。晶闸管整流器便输出一定的直流电压Ｕｄ,并加在电动机电枢上。在电动机电磁转矩Ｔｅ与负载转矩ＴＬ平衡(即Ｔｅ＝ＴＬ)的情况下,电动机便以一定的转速ｎ运转。若调节给定电压Ｕｇ,则可以改变电动机的转速ｎ。上一页下一页返回课题一直流调速系统当负载突然发生变动时,电动机转速会随之发生变化,且系统将进行自动调速。因此,转速负反馈直流自动调速系统能将这种由扰动引起的转速变化,减小到一定的允许范围内,并通过系统的调节过程,使得转矩重新达到平衡。电动机便以接近于原来值的转速稳定运行。由于该系统的自动调速是按被调量的偏差ΔＵｉ进行调节的,所以它只能使转速的变化减小,而不能使转速完全恢复到原来的转速值,因此这种系统是有静差的自动调速系统。上一页下一页返回课题一直流调速系统凡是依靠实际转速(被调量)与给定转速(给定量)两者之间的偏差,才能调节转速的调速系统,都是有静差的自动调速系统。有静差的自动调速系统的特点:系统是根据给定量与反馈量的偏差来调节的,因此它是一个有静差的调速系统。提高系统的开环放大倍数Ｋｐ,可以减小静态误差,并扩大调速范围,但放大倍数Ｋｐ要受到系统稳定性的限制,即不能无限制增大,因而系统的静态误差不能彻底消除。２.电压负反馈直流自动调速系统如图５－１－１０所示为电压负反馈直流自动调速系统。上一页下一页返回课题一直流调速系统该系统的反馈信号Ｕｆｎ取自电动机电枢两端的电压。由于系统中采用了具有反相放大作用的Ｐ调节器,因此其输出电压的极性与输入电压相反,而在上述转速负反馈直流自动调速系统中,触发电路的移相控制电压Ｕｃ为正电压(α随Ｕｃ的增大而减小)。图５－１－１０给出了系统中各电压的实际极性。该系统的自动调速过程如下:由于系统的被调量是电动机电枢两端的电压Ｕｄ,因此该系统实际上是一个电压调节系统。上一页下一页返回课题一直流调速系统这种系统只能维持电枢电压Ｕｄ不变,并可以补偿电枢回路中,除电枢电阻Ｒ以外的其他电阻上的电压变化而引起的转速变化,而无法补偿电动机电枢电阻Ｒ上的电压变化所引起的转速变化,因此,该系统的调速性能不如转速负反馈调速系统。由于省略了测速发电机,故系统结构简单,维修方便。该系统适用于静态性能要求不高的生产机械,且常用于调速范围Ｄ≤１０,静差率ｓ＝１５％~３０％的场合。３.带电流正反馈环节的电压负反馈直流自动调速系统上一页下一页返回课题一直流调速系统为了补偿电枢电阻压降Ｉｄ·Ｒ引起的转速降,在电压负反馈的基础上,增加一个电流正反馈环节。这就组成了带电流正反馈环节的电压负反馈直流自动调速系统,

如图５－１－１１所示。该系统电压负反馈的工作原理如前所述。其电流正反馈的工作原理如下:可见,电流正反馈的作用在于,给系统的输入偏差电压ΔＵｉ增加了一个与给定电压同极性的Ｕｆｉ分量。这个输入增量使系统的输出也产生一个增量,可以有效地补偿电压负反馈调速系统因电枢电阻压降Ｉｄ

·Ｒ引起的转速降,从而减小了系统的静差,并扩大了调速范围。上一页下一页返回课题一直流调速系统４.带电流截止负反馈环节的转速负反馈直流自动调速系统直流电动机在全压启动时会产生很大的冲击电流。这不仅对电动机换向不利,对过载能力低的晶闸管来说也是不允许的。对转速负反馈的闭环调速系统突加给定电压时,由于存在机械惯性,转速不可能立即建立起来,因此反馈电压仍为零,且加在调节器上的输入偏差电压ΔＵｉ＝Ｕｇ,其几乎是稳态工作值的(１＋Ｋｐ)倍。由于调节器和触发装置的惯性都很小,因此整流电压Ｕｄ立即达到最高值,使电枢电流远远超过允许值。因此,必须采取措施,以限制系统启动时的冲击电流。上一页下一页返回课题一直流调速系统另外,有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况,例如,由于故障,机械轴被卡住,或挖土机工作时遇到坚硬的石头等。在这些情况下,闭环系统的静特性很硬,若无限流环节,则电枢电流将远远超过允许值。电流截止负反馈是一种自动限制电流的环节。它能有效地解决闭环反馈调速系统的启动电流和堵转电流过大问题。图５－１－１２所示为带电流截止负反馈环节的转速负反馈直流自动调速系统。在忽略二极管ＶＤ的导通压降的情况下,电流截止负反馈环节的导通条件是:上一页下一页返回课题一直流调速系统Ｕｃｐ为比较电压。系统的转折电流为:当Ｉｄ

(电动机电枢电流)<Ｉｂ转折电流时,即Ｉｄ·Ｒｃ

<Ｕｃｐ时,二极管ＶＤ因承受反向电压而截止,故电流负反馈不起作用。系统的输入偏差ΔＵｉ＝－Ｕｇ＋Ｕｆｎ,即系统具有转速负反馈特性,故系统的静特性“很硬”,如图５－１－１３中的ＡＢ段所示。一般取:上一页下一页返回课题一直流调速系统图５－１－１３所示的这种具有电流截止负反馈闭环调速系统的下垂静特性,常称为“挖土机特性”。带电流截止负反馈环节的转速负反馈直流自动调速系统的特点是:在正常工作时,转速负反馈起作用,并具有较硬的静特性;在启动、制动、堵转或过载时,电流截止负反馈起作用,并自动限制电枢回路电流,从而保护晶闸管和电动机,进而避免了大电流冲击造成电动机换向的困难。(六)无静差直流自动调速系统上一页下一页返回课题一直流调速系统无静差直流自动调速系统的被调量(电动机的转速)在静态时,完全等于系统的给定量(给定转速),即其输入偏差电压ΔＵｉ＝０。为使这种系统正常工作,通常引入有积分作用的ＰＩ调节器作为转速调节器。这样可以兼顾系统的无静差和快速性两个方面的要求。如图５－１－１４所示,为转速单闭环无静差直流自动调速系统。转速调节器的输入偏差电压为:当负载增大时,转矩的不平衡将引起转速下降,并使ΔＵｉ<０,系统自动调速过程如下:上一页下一页返回课题一直流调速系统在调节过程的开始和中间阶段,比例调节起主要作用。比例调节首先阻止转速下降,然后使转速回升。在调节的后期,转速偏差Δｎ很小,那么比例调节作用不显著,且积分调节上升到主导地位。最后由积分调节来完全消除转速偏差Δｎ,以实现无静差调速。(七)三相桥式全控整流电路上一页下一页返回课题一直流调速系统如图５－１－１５所示,在α＝０°时,即相当于二极管电路不可控整流情况,单相整流电路输出电压波形为正弦电压正半周波形,三相半波输出电压波形为三相电压正向包络线,而三相桥式整流电路输出电压波形是三相电压正负包络线,即６个线电压正向包络线。移相范围为α＝０°~１２０°。输出平均电压为:当α≤６０°时,Ｕｄ＝２.３４Ｕ２·ｃｏｓα;当α>６０°时,Ｕｄ＝２.３４Ｕ２·

[１＋ｃｏｓ(π/３＋α)]。三相桥式全控电阻负载整流电路,是由三相半波晶闸管共阴极整流电路和三相半波晶管共阳极整流电路串联组成的。上一页下一页返回课题一直流调速系统为使６个晶闸管按ＶＴ１—ＶＴ２—ＶＴ３—ＶＴ４—ＶＴ５—ＶＴ６—ＶＴ１……的顺序触发导通,晶闸管的编号顺序为:ＶＴ１、ＶＴ４接Ｕ相,ＶＴ３、ＶＴ６接Ｖ相,ＶＴ５、ＶＴ２接Ｗ相。其中ＶＴ１、ＶＴ３、ＶＴ５组成共阴极组,ＶＴ２、ＶＴ４、ＶＴ６组成共阳极组。图５－１－１６所示为三相桥式全控电阻负载整流电路,在触发角α＝０°、α＝３０°时的输出电压波形和触发脉冲顺序。触发延迟角α＝０°,表示:共阴极组和共阳极组的每个晶闸管在各自的自然换相点触发换相。上一页下一页返回课题一直流调速系统在α＝０°的情况下,对共阴极组晶闸管而言,只有阳极电位最高一相的晶闸管有触发脉冲时,才能导通;对共阳极组晶闸管而言,只有阴极电位最低一相的晶闸管有触发脉冲时,才能导通。当触发延迟角α>０°时,每个晶闸管的换相(或称换流)都不在自然换相点进行,而是从各自然换相点向后移一个α角开始,故整流输出电压Ｕｄ的波形与α＝０°时有所不同。在０°≤α≤６０°范围内,波形连续。此时,导通管导通１２０°。当α<６０°时,有６个波头;当α＝６０°时,Ｕｄ有３个波头,且刚好维持θ＝１２０°;当α>６０°时,波形断续,每管导通角小于１２０°。上一页下一页返回课题一直流调速系统当改变α时,输出电压的波形随之发生变化,其平均值的大小因此跟着改变,从而达到可控整流的目的。随着α角的增大,输出电压随之下降,且可控硅导电时间减小,断流时间加大。当α＝１２０°时,输出电压为零。触发延迟角α的允许变化范围(即移相范围)为０°~１２０°。三相桥式全控整流电路的特点如下。(１)三相桥式全控整流电路用６个晶闸管,并需要双窄脉冲或大于６０°的宽脉冲,因而触发电路较复杂。(２)三相桥式全控整流电路既能做可控整流,又能工作于逆变状态。上一页下一页返回课题一直流调速系统(３)三相桥式全控整流电路无论是电阻性负载还是电感性负载,其移相范围都是１２０°。它的电阻性负载和电感性负载的输出波形不相同。(４)三相桥式全控整流电路接大电感性负载时,不需要接续流二极管。(５)三相桥式全控整流电路控制滞后时间为３.３ｍｓ,因此控制灵敏度高,动态响应快。１.三相桥式全控整流电路主电路原理分析直流调速系统中采用三相桥式全控整流电路,且这种电路多用于中等容量装置,或不可逆的直流电动机系统中。上一页下一页返回课题一直流调速系统(１)接电阻性负载的主电路形式。如图５－１－１７所示,主电路由主接触器ＫＭ１控制得电。Ｂ１为整流变压器,采用/(初级线圈为三角形接法,次级线圈为星形接法)接法,并可防止三次谐波流入电网。电流反馈信号由交流侧的３个交流互感器取出。６个晶闸管构成可控整流装置,并均设有阻容保护。电阻Ｒ１０７、Ｒ１０９构成电压反馈取样环节。熔断器ＦＵ２为短路保护。(２)接电感性负载的主电路形式。如图５－１－１８所示,

为接电感性负载的主电路。上一页下一页返回课题一直流调速系统２.触发电路分析(１)对触发电路的要求。①触发脉冲信号应有足够的功率和宽度。因为晶闸管元件的门极参数具有一定的分散性,并且当外界温度不同时,元件的触发电压和电流也有一定的差异,因此触发脉冲信号应有足够的功率和宽度。即使同一型号的晶闸管也不能用一条伏安特性来表示,而只能用该型号晶闸管的一组高阻伏安特性和一组低阻伏安特性所围成的一个伏安特性区域来表示。上一页下一页返回课题一直流调速系统为了使元件在各种可能的工作条件下,均能可靠触发,触发电路所发出的触发脉冲电压和电流必须大于门极规定的触发电压Ｕｇｔ与触发电流Ｉｇｔ的最大值,并且留有足够的余量。②由于晶闸管的触发有一个过程,也就是说晶闸管的导通需要一定的时间,不是一触即通的———只有晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到擎住电流ＩＬ以上时,管子才能导通———所以触发脉冲信号应有一定的宽度,才能保证晶闸管可靠触发导通。③脉冲的形式要和晶闸管的导通时间有一定的对应性。④触发脉冲要有足够的移相范围,并且要与主回路的电源同步。上一页下一页返回课题一直流调速系统⑤防止晶闸管误导通的措施如下。ａ.门极回路使用屏蔽线,并将金属屏蔽层可靠地接地。ｂ.门极回路走线与载流大的导线、易产生干扰信号的引线之间,必须保持足够的距离。ｃ.触发器的电源采用有静电屏蔽的变压器供电。ｄ.不要选用触发电流较小的晶闸管。ｅ.门极和阴极间加幅值不大于５Ｖ的负偏压。ｆ.在脉冲变压器二次侧输出或晶闸管的门极和阴极之间串并二极管、电阻、电容时,可有效吸收高频干扰。上一页下一页返回课题一直流调速系统(２)ＫＣＯ４集成电路触发器电路的组成。图５－１－１９为ＫＣＯ４集成电路原理图。①ＫＣＯ４各管脚作用。１管脚:脉冲输出(在同步电压正半周)。３管脚与４管脚:接电容形成锯齿波。５管脚:电源(负)。７管脚:接地(零电位)。８管脚:接同步电压。９管脚:综合Ｕｃ、Ｕｂ等信号,移相信号控制。上一页下一页返回课题一直流调速系统１０管脚与１２管脚:接电容,控制Ｖ７产生脉冲。１５管脚:脉冲输出(在同步电压负半周)。１６管脚:＋１５Ｖ电源。②ＫＣＯ４集成电路触发器特点及电路组成。ＫＣＯ４集成电路触发器的特点为:性能可靠,功耗低,体积小,调试方便。ＫＣＯ４集成电路触发器的电路组成为:同步电源环节、锯齿波形成环节、脉冲移相环节、脉冲形成环节、脉冲分送环节、脉冲放大输出环节。上一页下一页返回课题一直流调速系统(３)ＫＣＯ４集成电路触发器电路的各部分工作原理。①同步电源环节。如图５－１－１９所示,同步电源环节主要由Ｖ１~Ｖ４等元件组成。同步电压ＵＳ经限流电阻Ｒ２０(ＵＳ信号源右边所接电阻)加到Ｖ１、Ｖ２的基极。当ＵＳ在正半周时,Ｖ１导通,Ｖ２、Ｖ３截止,且ｍ点为低电平,ｎ点为高电平。当ＵＳ在负半周时,Ｖ２、Ｖ３导通,Ｖ１截止,且ｎ点为低电平,ｍ点为高电平。ＶＤ１、ＶＤ２组成与门电路。只要ｍ、ｎ两点有一处是低电平,就将Ｕｂ４(Ｖ４基极)钳位在低电平,且Ｖ４截止。上一页下一页返回课题一直流调速系统齿波形成环节在同步电压Ｕｓ的正、负半周内,均有相同的锯齿波产生,且两者有固定的相位关系。②锯齿波形成环节。锯齿波形成环节主要由Ｖ５、Ｃ１等元件组成。电容器Ｃ１接在Ｖ５的基极和集电极之间,并组成一个电容负反馈的锯齿波发生器。在Ｖ４截止时,＋１５Ｖ电源经Ｒ６、Ｒ２２、ＲＰ１、－１５Ｖ电源给Ｃ１充电,并且Ｖ５的集电极电位ＵＣ５逐渐升高,锯齿波的上升段开始形成;当Ｖ４导通时,Ｃ１经Ｖ４、ＶＤ３迅速放电,并且形成锯齿波的回程电压。上一页下一页返回课题一直流调速系统所以,当Ｖ４周期性的导通、截止时,在４＃端即ＵＣ５就形成了一系列线性增长的锯齿波。锯齿波的斜率是由Ｃ１的充电时间常数(Ｒ６＋Ｒ２２＋ＲＰ１)Ｃ１决定的。③脉冲形成环节。脉冲形成环节主要由Ｖ７、ＶＤ５、Ｃ２、Ｒ７等元件组成。当Ｖ６截止时,＋１５Ｖ电源通过Ｒ２５给Ｖ７提供一个基极电流,并使Ｖ７饱和导通。同时＋１５Ｖ电源经Ｒ７、ＶＤ５、Ｖ７、接地点给Ｃ２充电。在充电结束时,Ｃ２左端电位Ｕｃ６＝＋１５Ｖ,而Ｃ２右端电位约为＋１.４Ｖ。上一页下一页返回课题一直流调速系统当Ｖ６由截止转为导通时,Ｕｃ６从＋１５Ｖ迅速跳变到＋０.３Ｖ。由于电容两端电压不能突变,Ｃ２右端电位从＋１.４Ｖ亦迅速下跳到－１３.３Ｖ,这时Ｖ７立刻截止。此后＋１５Ｖ电源经Ｒ２５、Ｖ６、接地点给Ｃ２反向充电。当充电到Ｃ２右端电压大于１.４Ｖ时,Ｖ７又重新导通。这样,在Ｖ７的集电极就得到了固定宽度的脉冲,其宽度由Ｃ２的反向充电时间常数Ｒ２５、Ｃ２决定。④脉冲移相环节。脉冲移相环节主要由Ｖ６、Ｕｃ(电阻Ｒ２６右端输入的信号)、Ｕｂ(电阻Ｒ２３右端输入的信号)及外接元件组成。上一页下一页返回课题一直流调速系统⑤脉冲分选与放大输出环节。Ｖ８、Ｖ１２组成脉冲分选环节。功放环节由两路组成:一路由Ｖ９~Ｖ１１组成,另一路由Ｖ１３~Ｖ１５组成。在同步电压Ｕｓ一个周期的正负半周内,Ｖ７的集电极输出两个相隔１８０°的脉冲。这两个脉冲可以用来触发主电路中的同一相上分别工作在正、负半周的两个晶闸管。⑥集成电路波形。集成电路触发器电路ＫＣ０４内部的主要晶体管的基极、集电极电压波形示意图如图５－１－２０所示。上一页下一页返回课题一直流调速系统(４)ＫＣ０４组成的触发电路。每个ＫＣ０４输出两个相位差１８０°的脉冲。如图５－１－２１所示,该脉冲经过ＶＤ１~ＶＤ４、ＶＤ７~ＶＤ１０、ＶＤ１３~ＶＤ１６、组成门电路进行脉冲分配,并可输出六路双窄脉冲;三极管Ｖ１~Ｖ６起功率放大作用。四、任务实施———三相桥式全控整流电路的调试(１)测量三相触发电路中ＫＣＯ４的锯齿波斜率。(晶闸管可控整流调压调速系统实验实训设备和万用表、示波器等仪器)。上一页下一页返回课题一直流调速系统(２)设置调节偏移电压Ｕｂ(调节Ｒｐ４,测量测试点为Ｓ４)。(３)观测各输出三极管的输出波形。(４)当α０＝７５°时,分析Ｕｄ的波形;调整触发角,并测量。(５)分析Ｖ１断路后的Ｕｄ波形;断开Ｖ１,并测量。(６)分析Ｖ相断路后的Ｕｄ波形;断开Ｖ相,并测量波形。五、任务评价完成表５－１－１。上一页返回课题二交流调速系统一、任务描述由于采用了一些新器件和新方法,交流异步电动机的调速系统的调速范围宽,且无论是高速还是低速时效率都较高,并可实现高动态性能,可与直流调速系统媲美,因此现在的应用面很广。二、任务分析本任务主要是学习变频调速系统的基础知识和异步电动机调速的一些方式方法,并对通用变频器进行一些简单的介绍说明。三、知识链接(一)交流调速的基础知识下一页返回课题二交流调速系统１.变压变频调速的基本控制方式定子每相电动势为:(１)基频以下调速。若要保持Φｍ不变,当频率ｆ１从额定值ｆ１Ｎ向下调节时,则必须同时降低Ｅｇ,以使:这是采用恒值电动势频率比的控制方式。然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的。上一页下一页返回课题二交流调速系统当电动势值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,因此认为定子相电压Ｕｓ≈Ｅｇ,则得:这是恒压频比的控制方式。但是,在低频时Ｕｓ和Ｅｇ都较小,则定子的阻抗压降所占的分量就比较显著,且不能忽略。这时,需要人为地把电压Ｕｓ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如图５－２－１(ａ)中的ｂ线;无补偿的控制特性则为ａ线。上一页下一页返回课题二交流调速系统(２)基频以上调速。在基频以上调速时,频率应该从ｆ１Ｎ向上升高,但定子相电压Ｕｓ却不可能超过额定电压ＵｓＮ,且最多只能保持Ｕｓ＝ＵｓＮ。这将迫使磁通与频率成反比地降低,并相当于直流电机的弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起,

如图５－２－１(ｂ)所示。若电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值,即都能在允许温升下长期运行,则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理,在基频以下,当磁通恒定时转矩也恒定,属于“恒转矩调速”性质;在基频以上,当转速升高时转矩降低,因此基本上属于“恒功率调速”。上一页下一页返回课题二交流调速系统２.异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性(１)在恒压恒频正弦波供电时,异步电动机的机械特性。异步电动机稳态等效电路和感应电动势如图５－２－２所示。当定子相电压Ｕｓ和电源角频率ω１恒定时,异步电动机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式,即转矩Ｔｅ＝ｆ(ｓ)如下:上一页下一页返回课题二交流调速系统当ｓ很小时,转矩近似与ｓ成正比,且机械特性Ｔｅ＝ｆ(ｓ)是一段直线;当ｓ接近于１时,转矩近似与ｓ成反比,且机械特性Ｔｅ＝ｆ(ｓ)是一段双曲线。当ｓ为以上两段的中间数值时,机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段。如图５－２－３所示。(２)基频以下电压－频率协调控制时的机械特性。对于同一组转矩Ｔｅ和转速ｎ(或转差率ｓ)的要求,电压Ｕｓ和频率ω１可以有多种配合。由于在Ｕｓ和ω１的不同配合下,机械特性也是不一样的,因此可以有不同方式的电压－频率协调控制。各种控制方式的机械特性如图５－２－４所示。上一页下一页返回课题二交流调速系统３.变压变频调速系统中的脉宽调制(ＰＷＭ)技术(１)正弦波脉宽调制(ＳＰＷＭ)技术。以正弦波作为逆变器输出的期望波形,以频率比期望波形高得多的等腰三角波作为载波,并用频率和期望波形相同的正弦波作为调制波。当调制波与载波相交时,由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻,从而获得在正弦调制波的半个周期内,呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则,则每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波的面积相等,因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。上一页下一页返回课题二交流调速系统这种调制方法被称作正弦波脉宽调制(Ｓｉｎｕｓｏｉｄ￣ａｌＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ,简称ＳＰＷＭ)。这种序列的矩形被称作ＳＰＷＭ波。如图５－２－５所示。(２)电压空间矢量ＰＷＭ(ＳＶＰＷＭ)控制技术(磁链跟踪控制技术)。经典的ＳＶＰＷＭ(ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰＷＭ)控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波,并未顾及输出电流的波形。交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机的空间形成圆形旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩。上一页下一页返回课题二交流调速系统如果对准这一目标,把逆变器和交流电动机视为一体,那么按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作,其效果应该更好。这种控制方法被称作磁链跟踪控制。因为磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的,所以又被称为电压空间矢量ＰＷＭ(ＳＶＰＷＭ)控制。图５－２－６给出定子磁链矢量端点的运动轨迹。４.基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。通过坐标变换,可以使之降阶并化简,但并没有改变其非线性、多变量的本质。上一页下一页返回课题二交流调速系统若需要高动态性能的异步电动机调速系统则必须在其动态模型的基础上进行分析和设计,但要完成这一任务并非易事。经过有关科研人员多年的研究和实践,有几种控制方案已经获得了成功的应用。目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。如图５－２－７所示为异步电动机的坐标变换结构图。从整体上看,输入为Ａ、Ｂ、Ｃ三相电压,输出为转速ω,是一台异步电动机;从内部看,经过３/２变换和同步旋转变换,变成一台由ｉｍ和ｉｔ输入,由ω输出的直流电动机。上一页下一页返回课题二交流调速系统既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机,那么模仿直流电动机的控制策略,得到直流电动机的控制量,并经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量,因此这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(ＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ)。矢量控制系统的原理结构如图５－２－８所示。(二)通用变频器的基本组成变频器的发展已有数十年的历史。上一页下一页返回课题二交流调速系统在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器,但是成为目前市场主流的变频器基本上有着图５－２－９所示的基本结构。目前,通用型变频器绝大多数是交－直－交型变频器,其基本电路见图５－２－１０,

它是变频器的核心电路,并由整流回路(交－直交换),直流滤波电路及逆变电路(直－交变换)组成,当然还包括限流电路、能耗电路、制动电路、控制电路等组成部分。１.整流电路通用型变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流,并经中间直流环节平波后,为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。上一页下一页返回课题二交流调速系统三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络,引入整流桥的输入端。网络的作用是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压,从而避免由此损坏变频器。当电源电压为三相３８０Ｖ时,整流器件的最大反向电压一般为１２００~１６００Ｖ,最大整流电流为变频器额定电流的两倍。２.滤波电路对于逆变器的负载属感性负载的异步电动机,无论异步电动机处于电动或发电状态,在直流滤波电路和异步电动机之间,总会有无功功率的交换。上一页下一页返回课题二交流调速系统这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时,三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动,直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。通用型变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容,通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组,以得到所需的耐压值和容量。另外,因为电解电容器的容量有较大的离散性,这将使电容器所承受的电压不相等。因此,电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻,以消除离散性的影响,所以电容的寿命会严重制约变频器的寿命。３.逆变电路上一页下一页返回课题二交流调速系统逆变电路的作用是在控制电路的作用下,将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出,所以逆变电路是变频器的核心电路之一,并起着非常重要的作用。最常见的逆变电路的结构形式是利用６个功率开关器件(ＧＴＲ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ等)组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中的功率开关器件的导通与关断,可以得到任意频率的三相交流输出。通常的中小容量的变频器的主回路器件一般采用集成模块或智能模块。上一页下一页返回课题二交流调速系统智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路;模块的典型开关频率为２０ｋＨｚ;保护功能为欠电压、过电压和过热保护等;在故障时,输出故障指示信号灯亮。在逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是:当频率下降时,异步电动机的同步转速也随之下降,为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中,寄生电感释放能量提供通道;另外,当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时,将会出现短路现象,并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中,还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路,以保证电路的正常工作,及在发生意外情况时,对换流器件进行保护。上一页下一页返回课题二交流调速系统(三)通用型变频器的基本功能及保护１.变频器的功能随着变频调速技术的发展,高性能通用型变频器的功能越来越丰富。下面以通用型变频器为例,按用途将变频器的主要功能进行分类,并加以简要介绍。(１)系统所具有的功能。①全范围转矩自动增强功能。由于电动机绕组中阻抗的作用,采用Ｖ/Ｆ控制的变频器在电动机的低速运行区域,将出现转矩不足的情况。上一页下一页返回课题二交流调速系统为提高系统的性能,具有全范围转矩自动增强功能的变频器在电动机的加速、减速、正常运行的所有区域中,可以根据负载情况自动调节Ｖ/Ｆ值,并对电动机的输出转矩进行补偿。②防失速功能。变频器的防失速功能包括:加速过程中的防失速功能、恒速运行过程中的防失速功能和减速过程中的防失速功能３种。加速过程中和恒速运行过程中的防失速功能的基本作用是:当电动机由于加速过快或负载过大等原因出现过电流现象时,变频器将自动降低输出频率,以避免出现变频器因过电流保护电路的动作而停止工作。上一页下一页返回课题二交流调速系统对于电压型变频器,在电动机的减速过程中回馈能量将使变频器的直流中间电路的电压上升,这可能会导致电压保护电路动作,而使变频器停止工作的情况。减速过程的防失速功能的基本作用是:在过电压保护电路动作之前,暂停降低变频器的输出频率,或减小输出频率从而降低速率,以达到防止失速的目的。③过载矩限定运行功能。过载矩限定运行功能的作用是对机械设备进行保护,并保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定。当电动机的输出转矩达到该设定的值时,变频器停止工作,并发出报警信号。上一页下一页返回课题二交流调速系统④运行状态检测显示功能。运行状态检测显示功能主要用于检测变频器的工作状态,以使操作者及时了解变频器的工作状态。这些功能的名称和内容见表５－２－１。⑤自动节能运行功能。变频器能自动选择工作参数,并使电动机在满足负载转矩要求的情况下,以最小电流运行。⑥自动电压调整功能。当电源电压下降时,自动电压调整功能可以维持电动机的高启动转矩。⑦通过外部信号对变频器进行启停控制的功能。变频器通常都具有通过外部信号控制变频器启停的功能。(２)频率设定功能。上一页下一页返回课题二交流调速系统①给定频率的设定方法。与给定信号对应的变频器的工作频率称为给定频率。通用型变频器给定频率的设定通常采用以下３种方法。ａ.面板给定:利用操作面板上的数字增加键和数字减少键,进行频率的数字量的给定或调整。若早期的变频器无键盘,则利用面板上的电位器进行模拟量的给定和调整。ｂ.预置给定:通过程序预置的方法,预置给定频率。启动时,若按运行键,则变频器自行升速到预置的给定频率。ｃ.外接给定:从控制线段上,引入外部的电压或电流信号,以进行频率给定。这种方法常用于远程控制的情况。所有的变频器都为用户提供了可以外接给定控制信号的输入端。上一页下一页返回课题二交流调速系统②基本频率和最高频率。ａ.基本频率ｆｂ。电动机的额定频率被称为变频器的基本频率。ｂ.最高频率ｆｍａｘ。当频率给定信号为最大时,变频器的给定频率被称为最高频率。③上限频率和下线频率。上限频率ｆＨ与下限频率ｆＬ是调速系统所要求的变频器的工作范围。上限频率和下线频率根据调速系统的工作需要进行设定。④载波频率。采用ＰＷＭ技术的变频器的输出电压是一系列脉冲,那么输出脉冲的频率称为变频器的载波频率。上一页下一页返回课题二交流调速系统在电动机的电流中,若具有较强的载波频率的谐波分量,则它将引起电动机的铁芯振动而发出噪声,或对同一控制柜内的其他设备造成干扰。为降低噪声或干扰,用户可在一定范围内调整载波频率,但改变载波频率往往会影响变频器的特性。⑤点动频率。生产机械在调试过程中以及每次新的加工过程开始前,常需要点动控制。变频器可根据生产机械的特点和要求,预先一次性地被设定一个点动频率。每次点动时,都在该频率下运行,而不必变动已经设定好的给定频率。(３)升速时间与降速时间的设定功能。上一页下一页返回课题二交流调速系统①升速时间的设定。当异步电动机在额定频率和电压下直接启动时,启动电流很大。使用变频器后,由于其输出频率可以从很低时开始,且频率上升的快慢可以任意设定,因此可以有效地将启动电流限制在一定范围内。不同的变频器对升速时间的定义不太一致,一般分两种情况:一种是工作频率从０Ｈｚ上升到基本频率所需的时间;另一种是工作频率从０Ｈｚ上升到最高频率所需的时间。各种变频器都为用户提供了可在一定范围内任意设定升速时间的功能。所规定的设定范围各不相同:最短的为０~１２０ｓ,最长的可达０~６０００ｓ。上一页下一页返回课题二交流调速系统从减小电动机启动电流的角度来说,升速时间应设定得长一些,但升速时间过长会影响系统的工作频率,因此升速时间设定的基本原则是:在电动机的启动电流不超过允许值的前提下,尽可能地缩短升速时间。②降速时间的设定。变频器降速时间的定义也有两种:其一,工作频率从基本频率降至０Ｈｚ所需时间;其二,工作频率从最高频率降至０Ｈｚ所需时间。在所有变频器中,降速时间的设定范围都和升速时间相同。当设定降速时间时,考虑的主要因素是拖动系统的惯性。在一般情况下,惯性越大,则设定的降速时间应越长。上一页下一页返回课题二交流调速系统(４)保护功能。保护功能分为变频器的保护和电动机的保护两种,

见表５－２－２。①变频器的保护。ａ.过电流的保护。当变频器由于负载突变、输出侧短路等原因,出现过大的电流峰值,并有可能超过主电路换流器件的允许值时,变频器将采取保护措施限制电流值,直至关断主电路换流器件,以停止变频器工作,俗称“跳闸”。在实际的拖动系统中,由于大部分负载经常变动,因此无论是在工作过程中,还是在升、降速过程中,短时过电流是难免的。上一页下一页返回课题二交流调速系统变频器对过电流的处理原则是:尽量不跳闸。为此,设置了防跳闸功能(即防失速功能),且只有冲击电流峰值太大或防跳闸功能不能解决问题时,才迅速跳闸。ｂ.过载保护。当变频器的输出电流超过额定值,且持续时间达到规定的时间时,为了防止损坏变频器、导线等,变频器要有过载保护功能。过载保护需要反时限特性。在变频器内,由于能方便而准确地检测电流值,并可通过精密的计算,来实现反时限保护特性,因此大大提高了保护的正确性与可靠性。这种保护与普通热继电器实现过载保护类似,故被称为电子热保护器或电子热继电器。上一页下一页返回课题二交流调速系统ｃ.再生过电压保护。当使用变频器使电动机快速减速时,再生能量将使直流中间电路的电压升高,有时还会超过允许值。此时,变频器将停止运转或停止快速减速,以防过电压。ｄ.欠压保护。当变频器的电源电压降低时,直流中间电路的电压将下降,并使变频器的输出电压过低,造成电动机的输出转矩不足和过热。欠压保护的作用是:当检测到直流中间电路的电压过低且持续一定时间后,使变频器停止运转。ｅ.接地保护。当变频器的负载侧接地时,为了保护变频器,变频器能自动检测出接地故障,并进行保护。上一页下一页返回课题二交流调速系统ｆ.冷却风扇异常保护。对于有冷却风扇的变频器,当风扇发生故障时,变频器内的温度将上升,此时应立即停止变频器的运动。ｇ.过热保护。过热保护的作用是防止变频器内部过热而引起器件的损坏。ｈ.短路保护。短路保护的作用是防止输出端的短路产生过流而损坏变频器。②电动机的保护ａ.过载保护。该功能的主要作用是利用电子热继电器为电动机提供过载保护。上一页下一页返回课题二交流调速系统当电动机的电流超过电子热继电器设定的动作值,并达到一定时间时,电子热继电器动作,并使变频器停止工作。ｂ.超速保护。当异步电动机的速度超过规定值时,超速保护使变频器停止运转。２.变频器的选择目前,国内外已有众多生产厂家定型生产出多个系列的变频器,使用时应根据实际需要选择满足使用要求的变频器。(１)选择变频器的类型。大体可分为以下几种情况。①对于风机和泵类负载,由于低速时转矩较小,且对过载能力和转速精度要求较低,因此选用价廉的变频器。上一页下一页返回课题二交流调速系统②对于希望具有恒转矩特性,但在转速精度及动态性能方面要求不高的负载,可选用无矢量控制型变频器。③对于低速时要求有较硬的机械特性,并要求有一定的调速精度,但在动态性能方面无较高要求的负载,可选用不带速度反馈的矢量控制型。④对于某些对调速精度和动态性能方面都有较高要求,以及要求高精度同步运行等负载,可选用带速度反馈的矢量控制型变频器。(２)变频器容量的选择。上一页下一页返回课题二交流调速系统变频器的容量通常用额定输出电流(Ａ)、输出容量(ｋＶＡ)、适用电动机的功率(ｋＷ)表示。其中,额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流的有效值,且不论什么用途都不允许连续输出超过此值的电流;输出容量是决定于额定输出电流与额定输出电压的三相视在输出功率;适用电动机的功率是以２、４极的标准电动机为对象,表示在额定输出电流以内可以驱动的电动机功率。对于６极以上的电动机和变极电动机等特殊电动机,额定电流比标准电动机大,那么不能根据适用电动机的功率选择变频器的容量。因此,若用标准２、４极电动机拖动的连续恒定负载,则变频器的容量可根据适用电动机的功率选择。上一页下一页返回课题二交流调速系统若用６极以上和变极电动机拖动的负载、变动负载、断续负载或短时负载,则变频器的容量应按运行过程中,可能出现的最大工作电流来选择,即:四、任务实施(一)变频器的安装与调试在变频器安装使用前,必须认真阅读产品说明书等有关资料,熟悉各输入端子、输出端子的作用及接线时必须注意的事项;了解键盘上各键的功能并进行试操作;掌握功能预置的方法和步骤。上一页下一页返回课题二交流调速系统１.变频器的安装(１)变频器对安装环境的要求。变频器是全晶体管设备,所以它对周围环境的要求也和其他晶体管设备一样。(２)应考虑变频器的发热与散热。变频器的内部存在着功率损耗,因而在工作过程中变频器会发热。在正常工作时,每１ｋＶＡ变频器容量的损耗功率为４０~５０Ｗ。为了不使变频器内部的温升过大,变频器必须将产生的热量散发出去。通常采用的办法是用冷却风扇将热量吹走,因此安装变频器时,必须保证其散热途径畅通,以不易被堵塞。上一页下一页返回课题二交流调速系统(３)安装变频器的具体方法。①墙挂式安装。由于变频器本身具有较好的外壳,因此在一般情况下允许直接靠墙安装,这被称为墙挂式安装。为保持良好的通风以改善冷却效果,变频器应垂直安装,并与周围阻挡物留有足够的距离。②柜式安装。当周围环境的尘埃较多,或和变频器配用其他电器较多且需要和变频器安装在一起时,一般采用柜式安装。柜式安装同样需要注意变频器的冷却。当一个电气柜装有两台或两台以上变频器时,应尽量并排安装;如果必须采用上下排列方式,那么应在两台变频器间加一块隔板,以免下面变频器中的热风进入上面变频器内,

如图５－２－１１所示。上一页下一页返回课题二交流调速系统(４)变频器的接线。①变频器的输入安装。ａ.