第四节交流伺服电机

1、第四节 交流伺服电机交流电机其转子回路内的电流不必从外部通入，因此采用全封闭无刷结构，结构简单，不仅运行可靠，无需定期检修，而且能适应恶劣生产环境。但是交流电机的调速控制性能不如直流电机，实现交流电机无级调速的技术和手段比直流电机要复杂得多，因此，解决交流电机调速问题一直是电工业界的重要课题。直到70年代以后，全控式大功率器件、大规模集成电路和计算机控制技术的发展应用，才成功开发出交流电机调速装置变频调速器，使得交流电机具备了可与直流电机相媲美的宽调速范围、高稳速精度和快速动态响应等良好技术性能。随着变频调速技术的发展，变频调速器价格的下降，交流伺服传动取代直流伺服传动已是必然的发展趋势。交流

2、电机种类热爱多，目前在机电一体化伺服系统中选作伺服电机的主要有笼型异步电机和永磁同步电机，两者都可采用变频调速。永磁同步电机又称无刷直流伺服电机，主要用于10kW以下的闭环伺服系统，而异步电机应用极为广泛，本节重点介绍异步电机变频调速驱动控制。)1 (60spfn00nnns一、交流异步电机变频调速的基本方法与特性（一）交流异步电机变频调速的基本方法交流异步电机的转速公式为： （641） (642)式中 n电机转速；n0电机同步转速，即定子旋转磁场转速；s转差率；f交流电源频率：p磁极对数。根据式(641)可得到不同的交流异步电机调速的方法： （1）转子绕组串联电阻改变转差率s。但这种方法调速

3、机械特性很软，低速运行时电阻损耗很大，主要用于起重机等电机断续运行的设备。 （2）改变定子电压来改变转差率。这种方法损耗也很大，主要用于简单家用电器。 （3）改变极对数来改变转速。双速电机就是据此设计制造的，这种方法调速是有级的，而且调速范围窄。 （4）改变定子供电频率，可以平滑地改变电机的同步转速，这种方法最为理想，称为交流变频调速。 三相交流异步电动机发明于19世纪80年代，从发明异步电动机的那一天起，就已经知道了改变频率可以调速的原理。然而，变频调速技术进入实用阶段却是在20世纪80年代，中间竟相隔了将近100年！那么，实现变频调速究竟需要解决哪些关键问题呢? 1.变频必须同时变压 对异

4、步电动机进行变频调速控制时，最好（必须）要求主磁通不变。任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流互相作用的结果，电动机的电流大小要受到温升的制约，是不允许超过其额定值的，如果磁通减小了，电磁转矩同样会减小，电机的负载能力就会下降。磁通是由励磁电流产生的，若磁通太强，会使电动机的磁路饱和，导致励磁电流过大和发生畸变，严重时会因过热而损坏电机。11144. 4NfKEEm根据电机理论，在三相交流异步电动机中，主磁通m的大小与每相定子绕组的电动势有效值E1及频率f1有如下关系：式中式中 KE比例常数；比例常数；N1定子相绕组有效匝数。定子相绕组有效匝数。主磁通m的值是由E1和f1共同决定的，若能保持E1/

5、f1恒定，就可以使主磁通保持额定值不变。由于电动势E1难于直接检测和直接控制，又因为E1和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地认为电动势主要与相电源电压U1相平衡，即U1E1，因此，保持主磁通m不变的替代方法是保持U1/f1恒定。所以变频的同时必须变压，这也就是变频器常被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）的原因。2.大功率可控开关器件是实现变频调速的必要条件 目前应用最广的是三相“交直交”变频器，“交直交”变频器的基本工作过程是先将电源的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变器把直流电“逆变”成频率任

6、意可调的三相交流电。在这里，逆变器是变频器的关键部分，它由开关器件构成。逆变过程是开关器件按一定规律不停地导通和截止（关断）的过程。这些开关器件必须满足以下要求： （1）能承受足够大的电压和电流； （2）允许长时间频繁地接通和关断； （3）接通和关断的控制必须十分方便。 因此，能否生产出满足上述要求的大功率开关器件便是实现变频调速的关键。第三节已经说明大功率可控开关器件（GTS）是在20世纪70年代才问世的，因此，20世纪80年代变频调速技术才进入实用阶段，但当变频调速技术取得突破、进入实用阶段以后，其发展便极其迅猛。在短短20年的时间里，已被国内外公认为是最理想、最有发展前途的一种调速方式了

7、。 （二）交流异步电机的变频调速的机械特性 为了保持在调速时电机的最大转矩不变，需要维持磁通m恒定. 1.基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频（我国为50Hz）向下调速的情况。上面所述，近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，也即要求U1和频率f1同向变化，就可保持磁通m不变。从基频向下调速的情况，要求降低供电频率的同时也要求降低相电压，这时相电压U1显然低于电机额定电压，能够保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，此时电机不仅能正常运转，而且是恒磁通变频调速，所以此时的调速控制具有恒转矩调速特性。当频率很低时，U1和频率f1都变得很小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能忽

8、略。在这种情况下，可以适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使磁通m基本保持不变。 2.基频以上的弱磁通变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率f1由额定值向上增大，但电压U1受额定电压的限制不能再升高，只能保持U1为额定值不变。这必然会使磁通m随着f1的上升而减小，所以此时的调速控制具有近似的恒功率调速特性。 （三）交流异步电机变频调速的特点 交流异步电动机采用变频调速，充分发挥了异步电动机的优点，具有下列显著特点： （1）笼型异步电动机结构简单、坚固耐用，维护工作量小，环境适应性强，可以做到高电压、大容量、高转速，从根本上克服了直流电机有刷结构的的缺陷。 （2）运行效率高，节能

9、效果显著。由于异步电动机在调速过程中总是运行在很小的转差率情况下，所以转差率小(损耗小)，效率较高。同时，由电机学可知，转差率很小时，转子的等效电阻很大，此时转子回路基本上是电阻性的，因而功率因数cos亦高。对于风机和泵类负载，采用交流变频调速后，节电率可达（2060）%。 (3）调速范围宽。频率可以在低于和高于工频电源频率的范围内调节，低频率从几赫兹开始，高频则可达几百赫兹，因而具有宽的调速范围。 （4）可以大大减小生产设备的体积和重量，减少金属耗用。另外，也可大大减少许多生产设备的机械传动环节，提高了加工精度和工作效率。 （5）由于采用微计算机控制，变频调速伺服系统在开环运行时已有相当的精

10、度，若采用速度闭环控制，则可得到很高的调速精度。异步电动机伺服系统已有系列产品，在各项性能上已达到或超过了直流伺服系统的水平。 二、变频调速器 要实现交流异步电机的变频调速，就必须给电机提供频率和电压连续可调的交流电源，变频调速器就是能实现将频率和电压固定的交流电变成频率和电压连续可调的交流电源的装置。目前使用的变频器，按变换环节不同，可分为交直交变频器和交交变频器。后者只适用于低速(最高频率为电源频率的1/31/2)、大容量的场合。由于变频器的负载通常为异步电机，其功率因素是滞后的，同时因直流环节不便向负载提供无功功率，必须在期间设置储能元件，以吞吐系统的无功能量，根据无功能量的处理方式，变

11、频器可分为电流型（储能元件为电感）和电压型（储能元件为电容）。下面对此重点介绍。采用正弦波脉宽调制（SPWM）方式的交直交电压型变频器在变频调速系统中使用最广泛，俗称通用变频器。 （一）正弦波脉宽调制（SPWM）交直交变频器变频器的基本构成如图641所示，其工作过程是：先将交流电源经整流桥变成直流电，再经逆变器变成频率和电压可调的交流电输出。 保持逆变器的直流电压和三角载波的的幅值不变，通过改变被调制信号UR的幅值和频率（三角载波频率也作相应调整）来实现对变频器输出的大小和频率的控制。 这种调制方式称为正弦波脉宽调制，简称SPWM（Sine PWM）。 以上分析的是单相半波的情况，对于三相逆变

12、器，内部还需要有脉冲的循环分配环节，使之造成6路在相位上互差60的调宽系列脉冲去相应控制逆变器中的6个开关器件，从而得到三相调频交流电源。SPWM的电流波形 (1)电流的谐波分量将产生附加转矩，使电动机轴上的有效输出转矩减小。 (2)谐波电流中的载波频率分量将引起电动机铁心的振动而产生电磁噪声。 (3)载波频率分量的谐波电流，具有较强的辐射能力，会影响其他电子设备的正常使用。 为了克服上述SPWM变频调速带来的不良效应，目前采取的对策有： （1）提高载波频率，可使负载电流的波形和正弦波逼近，从而减小了电流的高次谐波分量，如图6-7（b）所示。而载波频率的大小是受逆变器件的工作频率(决定于其开通

13、与关断时间)制约的。现在大多已采用IGBT作逆变器件，载波频率可达15kHz，电流波形已相当平滑，高次谐波分量很小，故电动机的有效输出转矩大，基本无噪声。 （2）必需时可在变频器与普通异步电动机之间串入高频滤波电感。 （3）选用为变频器专配的低噪声异步电动机（价格较昂贵）。（二）SPWM的控制模式 对于驱动三相交流异步电机的变频器而言，SPWM调制波是根据三角波与正弦波的交点来确定6路在相位上互差60的调宽系列脉冲去相应控制逆变器中的6个开关器件的通断工作时刻。对于这样的调宽系列脉冲控制脉冲，最初采用分立元件电路，由振荡器分别产生正弦波和三角波信号，通过比较器直接比较。这种电路控制精度难以保证，可靠性差。后来采用专用芯片组成上述电路。目前普遍采用微机控制来生成SPWM波，比专用芯片灵活，还具有很强的自诊断能力，但成本也相应较高。在要求更高的场合，如高级电梯的VVVF装置里还采用双CPU控制。 用微机控制生成SPWM波时，必须根据控制要求实时地计算出调制波(正弦波)和载波(三角波)的所有交点的时间坐标，根据计算结果