泵控液压缸技术 课件 第2章电动机变转速控制原理及类型

泵控液压缸技术泵控液压缸技术变转速电动机22.1交流电动机1.1电动机分类交流电动机第1节电动机主要由定子和转子组成，通过通电线圈(定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力转矩，带动负载旋转。根据应用场合和电源情况的不同，电动机可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机剖视图交流电动机剖视图1.1电动机分类交流电动机第1节直流电动机交流电动机工作原理直流电→机械能交流电→机械能用途主要用于动力机械或其他调速范围较宽的设备主要用于动力机械或其他调速范围较小的设备结构①原理相对简单，但结构复杂，不便于维护；

②使用直流电，依靠换向器改变电流方向，使转子与定子磁场极性相反，转子转动。①原理复杂但结构相对简单，更便于维护；

②使用交流电，无换向器，定子绕组按相位布局自然产生旋转磁场。运动状态磁场不动，导体在磁场中运动磁场旋转运动，导体不动调速调速性能较好：可通过控制电枢绕组电流实现平滑稳定调速，无需其他设备配合调速性能较差：需借助变频设备实现调速特性常规电机功率较小，节能性好，噪音小，可多级调速，控制精确，价格较高常规电机功率大，噪音大，价格较低作为电动机由直流电压驱动，或交流电压经整流后驱动直接由交流电驱动作为发电机由旋转机械带动直接产生直流电，或产生交流电经整流后输出直流由旋转机械带动产生交流电1.2变频器交流电动机第1节变频器是利用交流电动机的同步转速随电动机定子电压频率的变化而变化的特性，实现电动机调速运行的装置，是电动机实现变频调速的主要元件。目前，静止式变频电源是变频器的主要形式，从主电路的结构形式上可分为两种型式：交-直-交型和交-交型。交-直-交变频器通过整流电路将电网的交流电变为直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值可变的交流电供给交流电动机。根据直流部分电流、电压的形式不同，又可分为电压型和电流型两种。电压型变频器主电路的典型形式电流型变频器主电路的典型形式1.2交流电动机第1节电压型变频器在电路中的直流部分接有大容量的电容器，施加于负载上的电压值基本不受负载的影响而基本保持恒定，其特性类似于电压源。电压型变频器输出的交流电为方波电压或方波电压脉冲序列，电流经过电动机负载的滤波后接近于正弦。优点：运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响缺点：当负载出现短路或变频器运行状态下加入负载，易出现过电流，必须在极短时间施加保护措施。分类方法分类换流方式强迫换流，自关断，频率控制方式自控式，外部控制输出电压控制脉冲幅度调制(PAM)，脉冲宽度调制(PWM)，PAM加PWM输出电压波形矩形波，模拟正弦波，多重式输出相数单相，三相，多相按照换流方式、频率控制方式、输出电压方式等可将电压型变频器分为以下类型：变频器1.2交流电动机第1节电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上类似，不同的是电流型变频器直流部分接入的是大容量的电抗器。电流型变频器施加于负载上的电流值保持恒定，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源。电流型变频器逆变输出的交流电为方波电流，而电压为近似正弦波电压。电流型逆变器由于电流的可控制性较好，可以限制由逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或要求四象限运行的场合。电动机四象限运行特性变频器1.2交流电动机第1节传统交-交变频器基本原理典型三相矩阵变换器拓扑图优点：没有直流环节，换流效率较高缺点：最高输出频率只能达到电源频率的1/3~1/2，且不能高速运行优点：输出频率不受输入限制；输入功率因数恒为1；能量可双向传递；体积小、波形质量高。缺点：系统由非双向器件组合而成，控制电路复杂变频器谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术变转速电动机22.5变转速电动机类型5.1变频电动机变转速电动机类型第5节泵直驱技术所采用的电动机大多为交流变频电动机，是交流异步电动机的一种。一般的变频电动机是由传统的笼型电动机衍生而来，通常把传统的电动机用自冷风机改为独立的风机，并提高电动机绕组绝缘的耐电晕性能。在小功率及工作频率在额定频率附近等对电动机输出特性要求不高的场合下,可以用普通笼型电动机代替。结构简单，制造、维护方便，运行可靠性高；

重量轻、成本低，在同功率、同转速下，三相异步电机重量约为直流电机的

1/2，成本仅

1/3；易按不同环境条件的要求,派生出各种系列产品；

负载特性接近恒转速，适应大多数工业机械需求。优点：缺点：转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率,调速性能较差；异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁,导致电力系统的功率因数降低。变转速电动机类型第5节图为为某45kW变频器驱动的额定电流为70A、功率为37kW的变频电动机在不同负载工况下定子电压-频率关系曲线。由图示曲线可知，在实际工作过程中，变频电动机定子电压与频率基本呈线性关系，电动机磁通为一定值，即在不同转速下，电动机电磁转矩为一定值。在变频器中，一旦定子频率给定了,定子电压也就确定了。5.1变频电动机变转速电动机类型第5节电动机起动角加速度与负载转矩基本呈线性关系。由下式可知，忽略系统黏性阻尼，起动过程中，电动机电磁转矩基本为一定值。图示为变频电动机加速起动时,角加速度-负载转矩关系曲线。测试过程为：负载转动惯量为0.01kg·m2，变频器最大起动电流限制为60A，电动机开始时不动作，在某一时间设定变频器频率，使电动机开始加速起动，直到达到设定转速,在此过程中测量电动机的角加速度。式中,Tem

为电动机有效电磁转矩；ηm

为电动机机械效率；

TL

为电动机负载转矩；Tf

为摩擦转矩；J

为电动机转动惯量；α为电动机角加速度；Bm

为电动机黏性阻尼系数；ω

为电动机角频率。5.1变频电动机变转速电动机类型第5节右图可知：电动机空载起动速度较快,满足液压系统使用要求。然而,电动机电磁转矩与主磁通和转子电流有功分量乘积成正比,当增大电动机的最大起动电流时,电动机角加速度也会增大,但会对电网产生较大的电流冲击。电动机负载设置为零，变频器最大起动电流限制为60A，在1s时给电动机的转速控制信号为的300r/min~1500r/min，电动机从静止起动到设定转速的动态特性如图所示。目标转速（r/min）30060090012001500所需时间（s）0.23

0.25

0.310.340.435.1变频电动机变转速电动机类型第5节最大起动电流分别设置为60A和120A，负载转矩为150N·m时，电动机转速阶跃响应和起动电流曲线如图所示。可见对于变频电动机而言，带载起动速度和起动峰值电流是一对难以协调的矛盾体，较大的起动速度势必对电源峰值电流提供能力提出较高的要求。设定最大启动电流加速至额定转速所用时间实际启动电流最大值120A0.29s113A60A1.25s58A5.1变频电动机变转速电动机类型第5节交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。其定子铁心中安放着空间相差90°的两相绕组,一相称为励磁绕组,一相称为控制绕组。电动机工作时,励磁绕组接单相交流电压,控制绕组接控制信号电压,要求两相电压同频率。伺服电动机普遍采用外环位置控制、中环速度控制和内环电流控制的三环控制方式,这种控制方式比普通变频电动机动态特性更好、控制方式多。5.2伺服电动机变转速电动机类型第5节伺服电动机定子电压转速关系曲线如左图所示。与变频电动机相比,相同的转速工作时,伺服电动机的定子电压较低。在相同负载转矩的情况下，伺服电动机的角加速度更大。5.2伺服电动机变转速电动机类型第5节伺服电动机负载设置为零，伺服驱动器最大电流限制为72A,最大角加速度限制为1300rad/s2,不同转速的动态响应曲线如图所示。由数据可知,伺服电动机空载起动速度较快,完全满足液压系统使用要求。如果增大最大允许角加速度和电流,则伺服电动机可在0.05s时间内从转速为零起动到额定转速。目标转速（r/min）400800120016001800所需时间（s）0.080.100.120.140.155.2伺服电动机变转速电动机类型第5节设定最大启动电流加速至额定转速所用时间实际启动电流最大值72A0.12s36.2A33A0.33s28.2A对于伺服电动机而言，快速带载启动对于电源的冲击较小，比变频电机具有更好的启动特性。最大起动电流分别设置为33A和72A,负载转矩为64N·m(额定转矩为72N·m),伺服电动机转速阶跃响应与起动电流曲线如图所示。5.2伺服电动机变转速电动机类型第5节高功率密度电动机是指相同输出功率条件下,电动机尺寸更小、重量更轻、效率更高。高功率密度永磁电动机有着高速、高效率和高功率密度的优势,应用潜力极大,它几乎涵盖了各种功率等级的场合。丹麦丹佛斯公司生产的EM-PMI240-T18型电动机功率范围为48~114kW,额定转速为2200~8800r/min,最高转速可达9200r/min。该产品是专门为移动机械、道路车辆或船舶上的电动或混合动力系统而开发的,比传统的电动机产品体积更小,质量更轻,效率更高5.3高功率密度电动机