电动机与电气传动2..ppt

1、144 交、直流电动机调速技术 1441 直流电动机调速技术 (掌握) 1. 基本概念调速： 通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电机的机械特性，使电动机的稳定运转速度发生变化。 开环控制系统： 电动机的转速只能跟随转速指令变化而不能自动纠正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。 闭环控制系统：能自动纠正电动机的转速与给定转速的偏差同时不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速持一致的调速系统称为闭环控制系统。,1441 直流电动机调速技术 无级调速： 又称连续调速指电动机的转速可以平滑地调节。其特点是转速变化均匀适应性强，容易实现自动调速，因而在工业中被

2、广泛应用。有级调速： 又称间断调速或分级调速，它的转速只有有限的几级，调速范围有限且不容易实现自动调速。 向上调速：从基速提高转速的调速称为向上调速。例如直流电动机改变磁通进行调速，其调速极限受电动机的换向条件和机械强度的限制。向下调速： 从基速降低转速的调速称为向下调速。例如，直流电动机改变电枢电压进行调速，调速的极限转速即最低转速受转速稳定性的限制。,144 交、直流电动机调速技术,恒转矩调速： 对于某些工作机械其负载性质属于恒转矩类型即在不同的稳定速度下要求电动机的转矩不变。如果所用的调速方法能使电动机的转矩与电动机的电枢电流之比为一常数则在恒转矩负载下电动机无论在高速或低速下运行其发热

3、情况始终是一样的这将能充分利用电动机。这种调速办法称为恒转矩调速。例如保持电动机磁通不变改变电动机电枢电压或电枢回路电阻来调速的方法就属于恒转矩调速。,1441 直流电动机调速技术,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 恒功率调速： 对于机床类负载：当切削量大时（即T大）要求切削速度（即n）低；当切削量小时（即T小）要求切削速度（即n）高；但每种工况下T n的乘积近似不变，这类负载属于恒功率负载。为了配合这类负载，可以采用减弱磁通的方法调速。根据公式,当磁通减小时，转速n将升高，而转矩T将减小。这种保持电动机电枢电压不变、减弱电动机磁通的调速方式与上述恒功率负载的要求相

4、一致，称为恒功率调速。,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术,对于恒功率负载，应尽量采用恒功率调速方式；对于恒转矩负载应尽量采用恒转矩调速方式。只有这样电动机才能得到充分利用。,图14411 调压与调磁时电动机的调速特性 调压恒转矩 调磁恒功率,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案1) 直流电动机的调速原理直流电动机的机械特性方程式为,式中n0理想空载转速，n0= UC e; U加在电枢回路上的电压； Ce电动势常数； 电动机磁通； CT转矩常数； R 0电动机电枢回路的电阻； T电动机转矩。 R 电动机电枢回路的外串电

5、阻； 可见，改变R、U及中的任何一个参数，都可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速。,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案2) 改变电枢回路电阻调速 当电枢回路串联附加电阻R时，其特性方程式变为,式中,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案2) 改变电枢回路电阻调速 当电枢回路串联附加电阻R时，其特性曲线如下,串联电阻调速的机械特性、 调速特性,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案2) 改变电枢回路电阻调速 当电枢回路串、并联附加电阻时，其

6、电路图与机械特性图如右,式中 K系数， K=RB（RBR）； RB并联的电阻； R串联的电阻。,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案3）改变电枢电压调速当改变电枢电压时，理想空载转速n0也将改变，但机械特性的斜率不变，这时机械特性如下,式中 U改变后的电枢电压； n0改变电压后的理想空载转速； Km特性曲线的斜率。,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案比较,表2341(1411) 直流电动机改变电压调速的方法,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案

7、比较,表2341 直流电动机改变电压调速的方法,适用于由公共直流电源或蓄电池及恒定电压直流电源供电的场合，如电机车、蓄电池车等电动车辆,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案比较,表1411 直流电动机改变电压调速的方法,效率高，噪声、振动小，输出电流脉动较小，比晶闸管供电功率因数有改善，但实现自动调速较困难。适用于不经常调速的小功率（15kw）手动开环控制场合,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案4）改变磁通调速在电动机励磁回路中，改变其串联电阻Rf的大小或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压，都

8、可以改变励磁电流和磁通。,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 2.直流电动机的调速方案4）改变磁通调速机械特性曲线和速度曲线如图,以上三种调速方式的性能比较见表23-42,表23-42,144 交、直流电动机调速技术,1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统（1）斩波器调速系统,T斩波周期， TtONt OFF ； 工作率， = tONT 。 a. 恒频系统。T保持不变（即频率不变），只改变tON，即脉宽调制（PWM）方式。 b. 变频系统。改变T（即改变频率），但同时保持tON不变或者保持tOFF不变，即频率调制（FM）方式。,斩波器是一种电力电子

9、开关，它能从恒定的直流电源产生出经过斩波的可变直流电压，从而达到调速的目的。图示为一个简单的斩波器调速系统和斩波后的电压波形。,1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统（1）斩波器调速系统,图1449 多象限运行的斩波器调速系统 a）二象限运行 b）四象限运行 c）采用IGBT的四象限运行系统,1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统（1）斩波器调速系统,图1449 c） 采用IGBT的四象限运行系统,c),1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统（2）晶闸管变流器调压调速系统 晶闸管变流器供电的直流调速系统，已广泛地用于要求控制性能好的调

10、速系统中。它和使用电动机一发电机组供电的系统相比，控制性能好，效率高，而且是静止装置，因而调试和维修方便。下图是一个典型的晶闸管变流器控制的直流电动机不可逆调速系统。,1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统,（3）调压调磁控制系统 在很多应用场合，为了进一步扩大调速范围，除采用调压调速外，同时还采用弱磁调速。为此，需要将调压与调磁两者结合起来，并能在两种调速方式的分界线上（基速）实行自动切换。图为同时采用两种调速方法时在整个调速范围内的电动机的调速特性。,1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统,（3）调压调磁控制系统 图为调压调磁非独立控制系统结构图 a

11、）用比较器的系统 b）用电动势调节器的系统,1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统,（4）晶闸管可逆调速系统很多生产机械要求其传动电动机能在两个方向旋转，并能产生两个方向的转矩。因此，要求电动机的电枢电压（或励磁电流）、电枢电流必须能在两个方向工作。但晶闸管只能单方向流过电流，因此，要满足上述要求，就要正反向各设一套整流器组成双变流器联结，或通过开关切换电动机与整流器的连接来实现。这时电动机就能在四个象限内工作，如图所示。,1441 直流电动机调速技术 3.常见的直流电动机调速系统,（4）晶闸管可逆调速系统1）电枢用一套晶闸管整流装置供电，用有触点开关切换的可逆系统,（4）

12、晶闸管可逆调速系统2）电枢用一套晶闸管整流器供电的磁场反向可逆系统,（4）晶闸管可逆调速系统3）电枢用两套晶闸管整流装置供电的可逆系统 反并联可逆线路,（4）晶闸管可逆调速系统3）电枢用两套晶闸管整流装置供电的可逆系统 交叉联结可逆线路,（4）晶闸管可逆调速系统3）电枢用两套晶闸管整流装置供电的可逆系统 直接反并联可逆线路,表23-43(1413) 直流电动机可逆方式的比较,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 交流电动机转速为,因此，交流电动机有以下三种基本调速方式： 改变极对数p； 改变转差率s； 改变供电电源频率f.,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方

13、案 （1）变极调速 变换绕组极对数的方法有：将一套绕组中部分线圈按一定规律改接，以改变其电流方向或相号来改变极对数，常用于倍极比双速或三速异步电动机。在定子上设置两套不同极对数的独立绕组。在定子上设置不同极对数的独立绕组，且每个独立绕组又有不同的接线组合，适用于三速以上的多速电动机。,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （1）变极调速 表1744 单绕组倍极比双速电动机工作特性,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （2）转子串电阻调速 图17424绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特性,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （2）转子

14、串电阻调速 图17425 转子电阻斩波调速的基本电路,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （3）串级调速 图 17427机械回馈式 图17428电回馈式,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （3）串级调速 图17429低同步串级调速 图 17430超同步串级调速,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （4）调压调速图17432 图17431调压调速原理图 不同U1时的机械特性,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （4）调压调速图17433具有转速闭环的调压调速系统 a）原理图 b）闭环控制特性,1742 交流电动机调

15、速技术 1 . 交流调速系统方案 （4）调压调速图17434不同负载特性时的转差功率损耗曲线,由图可见，当 = 2时，电动机转差功率损耗系数最小，所以调压调速用于风机、泵类负载是合适的。对于恒转矩负载（其 = 0），则不宜长时间在低速下工作。,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （5）电磁调速异步电动机电磁调速异步电动机由异步电动机、电磁转差离合器和晶闸管励磁电源及其控制部分组成。 图17435电磁转差调速电动机系统的组成,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （5）电磁调速异步电动机 图17436电磁调速电动机开环和闭环调速机械特性 a）开环 b）闭环,

16、1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （6）变频调速 它是利用电动机的同步转速随外加电源频率而变化的特性，通过改变电动机供电频率进行调速的方法。 1）直接变频方式与间接变频方式 图17437 静止变频电源 a） 间接变频方式（交-直-交） b）直接变频方式（交-交）,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （6）变频调速 1）直接变频方式与间接变频方式 表1747 交一交变频与交一直一交变频的主要特点,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （6）变频调速 2）电压型变频调速与电流型变频调速在交-直-交变频器中，根据直流侧储能元件的特点划分。

17、图17438电压型变频调速（C为主） 图17440电流型变频调速 （L为主）,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （6）变频调速 2）电压型变频调速与电流型变频调速表1956 电流型变频调速与电压型变频调速的主要特点,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方案 （6）变频调速 3）脉冲宽度调制（PWM ）变频调速 在变频调速中，常采用PWM（Pulse Width Modulation）方法来改善波形，该方法需要用开关频率较高的大功率器件 。 图17439 PWM变频调速a）PWM变频器线路 b） PWM波形,1742 交流电动机调速技术 1 . 交流调速系统方

18、案 （7）无换向器电动机调速它是用与电动机旋转频率同步的交流电源来驱动同步电动机，改变交流电源的频率和电压实现调速的一种方法。 图174 42 无换向器电动机的基本结构 MS一同步电动机 PS一位置检测器,1742 交流电动机调速技术 2. 变频调速的控制方式（l）基本控制方式（V/f协调控制） 1）当ff1N时保持U1 =U1N 不变这就是恒压/频比的控制方式，是变频调速必须遵循的控制原则，简称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）。图174 43 恒压频比控制特性 图17444 变频调速控制特性,1742 交流电动机调速技术 2. 变频调速的控

19、制方式（2）异步电动机在电压、频率协调控制下的机械特性 图174 46 Uf恒定控制时转矩、 图 17447 Ef恒定控制时转矩、 定子电流一转速特性 电流转速特性,1742 交流电动机调速技术 2. 变频调速的控制方式（2）异步电动机在电压、频率协调控制下的机械特性 Uf、Ef恒定控制机械特性基本上是平行下移的，稳态性能尚可，能满足一般要求。但因都没考虑动态过程中m的变化，动态性能较差。Ef恒定控制是保证全磁通恒定的控制，其动态、静态性能可与直流传动的一样，但线路较复杂。图174 Ef恒定控制时的 图 17448 三种不同的电压频率协调 机械特性控制时的机械特性 I恒Uf 恒Ef 恒E/f

20、控制,n,T,0,1742 交流电动机调速技术 2. 变频调速的控制方式（3）转差频率控制 图 17449 保持m恒定时I1=f（fr）的 函数曲线,以上所述的控制方式简单，能满足一般调速要求，但动、静态性能较差。要提高动、静态性能，无疑要用转速闭环控制。转差频率控制加入了速度闭环，较之恒压频比控制的动、静态性能要好。,1742 交流电动机调速技术 2. 变频调速的控制方式（4）脉冲宽度调制（PWM）控制技术在变频调速控制系统中，通常采用脉宽调制（PWM）技术来改善变频器的输出波形，减少高次谐波。1） 单极性与双极性PWM模式,图17451 双极性PWM模式 图17450 单极性PWM模式,1

21、742 交流电动机调速技术 2. 变频调速的控制方式（4）脉冲宽度调制（PWM）控制技术在变频调速控制系统中，通常采用脉宽调制（PWM）技术来改善变频器的输出波形，减少高次谐波。2） 同步式、异步式和分段同步式,1742 交流电动机调速技术 2. 变频调速的控制方式（5）矢量控制与坐标变换前两节论述的变频调速控制方法，基本上解决了异步电动机的平滑调速问题，转差频率控制已起到了直流电动机双闭环调速系统的作用。但是上述方法的主要问题是电压、电流和频率等控制量都是标量，即只能按电动机稳态运行规律进行控制，不能同时控制其大小和相对位置，转矩控制性能较差。要改善转矩控制性能，使系统完全达到直流传动系统的动、静态指标，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既控制大小，又控制方向。由于交流电动机的所有矢量（电压、电流和磁通等）都在空间以同步速度旋转，它们在定子绕组上的物理量都是交流量。因此，控制、计算十分不便，所以必须设法变成直流量。矢量控制的关键在于坐标变换。,（5）矢量控制与坐标变换,图19552 等效的交流电机绕组和直流电机绕组 a) 三相交流绕组 b) 两相交流绕组 c) 旋转直流绕组,三相两相变换（或两相三相变换）,两相旋转变换（矢量坐标变换）,（5）矢量控制与坐标变换直角坐标极坐标变换,图17453三相、二相坐标系与 图l7454两相旋转变换 相应的电流时间变量 （、轴与M、