机电传动与控制 课件 第6章 交直流电动机无级调速控制

交直流电动机无级调速控制

第1部分电动机调速的概念和指标6.1.1电动机调速的概念电动机调速是指通过改变电动机的输入电压、电流或频率等参数，来调整电动机的转速，以满足不同工况的需求。1.直流电动机工作原理图a所示为直流发电机的基本原理模型图，图b所示为直流电动机的基本原理模型图。机组主要由定子磁极、转子电枢、换向器与电刷组成。直流发电机通过转子转动，借助换向器输出直流电流。直流电动机则利用换向器将直流转换为转子电枢上的交变电流，从而驱动转子转动。2.直流电动机的机械特性方程他励直流电动机电路示意图机械特性方程(M—n关系)电路平衡方程式电动机调速的概念和指标直流电动机的控制基于其机械特性，电动机的机械特性方程建立了电枢电压Ua、励磁电流If、电动机输出转矩TD与输出转速n之间的函数关系。3.调速方式a）负载类型*恒功率负载

——调速过程中，输出功率不变。但此时转矩变化（P=常量、M随速度上升而下降）*恒转矩负载

——调速过程中，输出转矩不变。但此时功率变化（M=常量、P随速度上升而增加）b）调速方式*调压调速（恒转矩调速）：当保持他励直流电动机的磁场磁通Φ和电枢回路总电阻RΣ不变时，通过改变电动机的电枢电压Ua来调节转速的方式。*调磁调速（恒功率调速）：通过改变电动机磁场磁通来调节电动机转速的方式。电动机调速的概念和指标3.调速方式*调压调速（恒转矩调速）*调磁调速（恒功率调速）电动机调速的概念和指标左图为机械特性曲线，右图为变速特性4.直流电动机调速装置*直流调速系统的装置类型电动机调速的概念和指标为获得可控直流电压，直流调速系统最初采用旋转变流装置，由直流发电机为直流电动机供电。在发电机-电动机调速系统中，改变发电机输出电压或调节电动机磁场，均可实现转速调节，不仅能获得很宽的调速范围，控制也较为方便，但该系统需要的设备数量多、容量大、占地面积大、能量损耗高，并不是理想的系统。随着电力电子器件的发展，出现了采用晶闸管的静止变流装置，并逐步取代旋转变流装置。采用静止变流装置的调速系统，不需要直流发电机及其拖动的异步电动机，因此系统体积较小，且装置反应速度快、效率高，得到了广泛的应用。4.直流电动机调速装置晶闸管整流装置设备直流电动机*静止可控整流器（V-M静止Ward-Leonard系统）电动机调速的概念和指标静止变流装置构成的直流调速系统，根据其构成元件与工作原理的不同，可采用两种调压调速装置，即晶闸管整流装置和脉宽调制（PWM）装置，对应的控制方式分别为晶闸管驱动控制和PWM驱动控制。晶闸管整流装置的电路图(a)和整流波形图(b)当输入交流电压处于正半周时，晶闸管VT1导通；当交流电压为零时，晶闸管VT1截止；当输入交流电压处于负半周时，晶闸管VT2导通；当交流电压为零时，晶闸管VT2截止。如此，两只晶闸管轮流导通即可得到全波整流的输出电压波形。当0<α<π时，输出平均电压为：调速装置*PWM系统（直流斩波器和脉宽调制变换器）PWM装置设备直流电动机PWM的原理是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩成一定频率的方波电压，并施加在直流电动机的转子电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制，改变转子电枢的平均电压，从而调节电动机的转速。PWM降压斩波器原理和输出波形在t=t1+t2时间内，加在电动机转子电枢回路上的平均电压为：当需要电动机在正、反两个方向上都能调速时，使用如图所示的桥式（H形）降压斩波电路。桥式（H形）降压斩波电路及输出波形PWM系统（直流斩波器和脉宽调制变换器）直流斩波器和脉宽调制变换器工作原理示意PWM驱动电路的输出是一种幅值恒定、频率恒定但脉宽可调的脉冲波形。其输出的直流分量与占空比呈线性比例关系。电动机调速的概念和指标5.交流电动机调速概述（1）交流电动机结构在交流电动机调速系统中，常用的交流电动机包括同步电动机和异步电动机。异步电动机结构简单、维护便捷、运行可靠，并具有较好的稳态和动态特性，因此成为工业领域使用最为广泛的一种电动机。三相交流异步电动机主要由定子和转子构成。定子是静止不动的部分，转子则是旋转部分，在定子与转子之间有一定的间隙。三相交流异步电动机的结构简图电动机调速的概念和指标（2）异步交流电动机调速原理由定子传入转子的电磁功率：调速因子：f、s、p；f因子为频率，p因子为极对数，s因子为转差率。转差功率：有效功率：三相交流异步电动机转动原理图6.1.2调速的性能指标②转差率（s）定义：额定负载时转速落差与理想空载转速之比：①调速范围（D）定义：额定负载下，最高转速与最低转速之比：1.技术指标电动机调速的概念和指标（1）静态性能指标转差率与调速范围的关系关系：转差率、调速范围、静态速降、最高转速；调速的性能指标（2）动态性能指标（转速从n1变化到n2的动态过程中的指标称为动态技术指标。）1）跟随性指标*最大超调量*过渡过程时间*振荡次数N2）抗干扰性能指标*最大动态转速降落*恢复时间tv调速的性能指标调节时间越短，系统跟随越快；最大超调量越小，系统的跟随性与稳定性越好。突加扰动的动态过程和抗干扰性能指标最大动态转速降落和恢复时间的数值越小，表明系统的抗干扰性能越好。经济指标取决于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又取决于调速过程中的损耗，可用设备的效率η来衡量。2.经济指标调速的性能指标调速的经济指标主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等因素，其中，调速时电能的损耗除了要考虑电动机本身的损耗，还要考虑电源的效率。不同的调速方式具有不同的经济指标。第2部分直流电动机无级调速控制6.2.1直流电动机的无级调速及调速特性（1）比例调节器1.调节器A点为虚地点：集成运算放大器具有开环放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、漂移小、线性度好等优点，利用集成运算放大器，配以比例、比例积分等反馈网络可组成比例调节器。比例调节器的电路结构（2）积分调节器与PI调节器积分调节器的特性*输出保持性*限幅特性调节器在集成放大器反馈回路中，用电容Cf代替比例调节器中的电阻Rf构成积分调节器。积分调节器输入/输出电压关系分别如图（b）、（c）所示。积分调节器PI调节器PI调节器的特性*具有比例调节功能*具有积分调节器的限幅和保持特性调节器2.采用PI调节器的单闭环转速负反馈调速系统组成：测速系统，整流系统，直流驱动系统，调速系统；调节量：n（1）调速系统结构直流电动机无级调速控制在单闭环转速负反馈调速系统中加入PI调节器，即可构成无静差转速负反馈调速系统（2）调速过程Ittttnn1UdaudaUda1Uda2123nI1I21）启动调速2）稳速调速启动时，给定电压Ug，

n=0，u=Ug，当n=

n1，，积分作用，保持输出恒定；u=0负载增加I1-

I2,速度出现n，u>0；曲线1为的比例部分变化，曲线2为的积分部分变化，曲线3为u的合成变化；

uu当时，Ud达到新的平衡点Uda2u=0单闭环自动调速系统（采用PI调节器）6.2.2晶闸管-电动机直流调速系统第2部分直流电动机无级调速控制晶闸管-电动机直流调速系统是典型的单闭环直流调速系统，如图所示。晶闸管-电动机直流调速系统电动机转速通过反馈电压uTG反映出来：在稳态工作时，电动机以给定转速运行，当负载增加时，负载电流I随之增大，导致电动机转速n下降，调节过程归纳为：同理当负载下降：6.3.1异步电动机调速系统的基本类型第3部分异步电动机无级调速控制交流电动机的旋转磁场转速（同步转速）n0表达式及输出转速n为由上述公式可看出，能够控制电动机输出转速变化的参数有3个：供电频率f1磁极对数p转差率s第3部分异步电动机无级调速控制1.调速系统分类类型分类方法按调速方法分类按调速效率分类按调速平滑性分类按调速装置所在位置分类按使用的电动机分类改变供电频率f1调速高效系统无级调速定子侧调速异步电动机改变极对数p调速低效系统有级调速转子侧调速同步电动机改变转差率s调速

转子轴上调速

交流调速系统的分类如下表所示。第3部分异步电动机无级调速控制2.常用调速系统常用的调速系统有以下几种。（1）有级调速系统。①变磁极对数调速系统。②转子串电阻调速系统。（2）无级调速系统。①定子侧调速系统。定子调压系统—通过改变转差率s调速，此方法属于低效调速，适用于异步电动机。定子调频系统—通过改变供电频率f1调速，此方法属于高效调速，适用于异步电动机和同步电动机。②转子侧调速系统。6.3.2异步电动机调压调速系统第3部分异步电动机无级调速控制保持供电频率f1

为额定频率fw不变，只改变定子电压Us

的调速方式称为调压调速，又称为降压调速。磁通随Us

的降低而减小，属于弱磁调速。1.异步电动机调压调速的主电路晶闸管交流调压器调速一般采用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，如图（a）所示，通过相位控制来改变输出电压，为不可逆电路。图（b）所示为可逆电路，采用双向晶闸管反并联在三相电路中。晶闸管交流调压器调速第3部分异步电动机无级调速控制2.异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性如左图所示。异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载工作时，异步电动机调压调速时的稳定工作范围为0<s<sm，调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压下的稳定工作点。如果带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压下的稳定工作点。恒转矩负载调压调速的机械特性恒转矩负载调压调速的机械特性如右图所示，其缺点是机械特性较软。第3部分异步电动机无级调速控制3.闭环控制的调压调速系统要求带恒转矩负载的调压调速系统具有较大的调速范围，通常需采用带转速负反馈的闭环控制系统，如下图a所示，转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统静特性如图b所示。a带转速负反馈的闭环控制系统b转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统静特性6.3.3鼠笼式异步电动机变频调速系统第3部分异步电动机无级调速控制异步电动机的调压变频调速系统一般简称为变频调速系统由上述公式可看出，能够控制电动机输出转速变化的参数有3个：供电频率f1磁极对数p转差率s第3部分异步电动机无级调速控制（1）调速参数控制保持每极磁通量不变磁通量太弱，没有充分利用电动机铁芯；磁通量增大，使铁芯饱和，导致过大励磁电流；三相异步电动机定子每相电动势有效值：控制目标：调速方法：基频以上调速基频以下调速1.变频调速的基本原理第3部分异步电动机无级调速控制

(3)基频以上调速(2)基频以下调速恒压频比控制方式磁通与频率成反比降低(4)变频调速控制特性恒转矩调速恒功率调速U/f曲线曲线②表示有补偿时的函数关系曲线，曲线①表示无补偿时的函数关系曲线。恒转矩调速与恒功率调速的控制特性第3部分异步电动机无级调速控制2.变频调速装置为使交流电动机获得可调的电压和供电频率，需要专用