CH5-交直流调速系统-伺服驱动-LSKppt课件

1、西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5 交直流调速系统5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统5.3 5.3 伺服及步进电机伺服及步进电机5 5 交直流调速系统交直流调速系统西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院概述5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 直流电动机 起动制动过程控制方便，易于在很宽的范围内实现平滑调速，因此在很多速度调节要求较高，正反转和起制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上应用广泛。 从控制方法上来看 直流拖动系统在理论和实际应用方面都比较成熟，并且还在不断的发展之中。此外交流拖动系统中的一些控制理论和方法往往受启发于直流

2、拖动系统，因此首先学习直流拖动系统是非常必要的。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院一、直流电动机的工作原理5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统带电导体在磁场中的运动西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统（一转矩的产生 线圈无法连续转动，要想连续运转，必须使电流或磁场适时反向。2sinsinsinTBILRBISI西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统使线圈连续转动的措施 添加电流换向装置：电刷、滑环。sinTI瞬时转矩2220001112Tsinsin222TdIddII 平均平均转矩西安工业大学机电

3、学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统对于电机则有：TaTaCCTII平均电动机的结构常数，称为转矩常数励磁磁通电枢电流西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统机座、励磁绕组及铁芯 励磁绕组及铁芯构成定子。转子 电枢铁芯+电枢绕组换向机构 电刷碳刷）、滑环（二直流电机结构西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院直流电机结构5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统（三直流电机的励磁方式他励并励串励复励西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院二、他励直流

4、电动机的机械特性及调速方法5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统（一机械特性 表征电动机轴上所产生的转矩 T 和相应的运行转速 n 之间关系的特性，以函数 n = f(T) 表示。 它是表征电动机工作的重要特性。电动机带动负载的目的是向工作机械提供一定的转矩，并使其能以一定的转速运转。转矩和转速是生产机械对电动机提出的两项基本要求，研究电动机机械特性对满足生产机械工艺要求，充分使用电动机功率和合理地设计电力拖动的控制和调速系统有着重要的意义。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统aaadaaada+aadIUELRRIdtELRRI电枢回路反电动势电

5、枢绕组电感电枢绕组固有电阻电枢绕组回路串入的附加电阻电枢电流电枢回路电压方程西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统aadaeeCCUERRIEnn电动机的结构常数，称为电势常数励磁磁通电动机转速稳态运行时 Ia 等于常数，所以有a=0dIdt 电动机正常运转时，E 是 U 的主要构成部分，当堵转时 E0 ，压降主要在电枢电阻上，电枢大量发热，急剧升温。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统eaadaCUnRRIaadaeeRRUnICC2aadeeTRRUnTCC CTaCTI又，该式被称为他励直流电动机的机械

6、特性方程。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 当电源电压当电源电压 U=UN，励磁磁通，励磁磁通 = N，电，电枢回路不外接电阻时，其机械特性称固有机械枢回路不外接电阻时，其机械特性称固有机械特性。特性。2NNaeNeTURnTCC C0NeNUnC理想空载转速理想空载转速( T=0 时转速时转速)2NaNeTRkC C常数，固有机械特性斜率常数，固有机械特性斜率0Nnnk T西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统他励直流电动机机械特性分析0Nnnk T1) 是一根向下倾斜的直线，它决定于 a. 截距 n0

7、和纵轴的交点）。 b. 斜率 k k 大则倾斜度大，当电动机输出转矩变化时， 转速的波动大；反之k 小则倾斜度小，当电动机输出转矩变化时，转速的波动小。 由他励直流电动机机械特性方程可知，其机械特性有如下几个特点： k 习惯上称为电机的硬度， k 大称为特性软， k 小称为特性硬。 k = 0 称为绝对硬。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统2) 由于电动机的转矩 T 和 Ia 之间是线性函数关系 而且 Ia 通常比 T 容易测量得多，所以他励直流电动机常以静特性方程 n = f(Ia ) 即来代替 n = f(T) TaCTIaadaeeRRUnI

8、CC西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统3) 无论是n0 还是 k 都可以人为改变这些正是可以对直流电机进行调速的前提0eUnC2aeTRkC C固有机械特性：对于任一直流电机只有一条。人为机械特性：调压调速机械特性族、调磁调速机械特性族、电枢串电阻调速机械特性族。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统（二他励直流电动机的调速方法电机调速的概念 负载保持不变，用人为的方法改变电路中的一 个或几个参数，从而得到不同的转速称为速度调节。速度调节速度调节速度变化速度变化西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1

9、 5.1 直流调速系统直流调速系统（1调压调速方法 改变电枢电压进行调速。由于电机受绝缘耐压强度的限制，所以电枢电压只允许在额定值以下调节20aadeeTRRUnTCC CnkT 每变化一个U，得到一根机械特性，但各机械特性之间相互平行。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统特点：a可以在宽阔的范围内平滑调速。b在各种速度下，机械特性的硬度不变。dU n2 ，因而有 Ud1 Ud2 。可见，当负载转矩变化时，调速系统中电机的端电压也随之变化，即闭环系统的机械特性是由开环系统不同的机械特性所组成。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院（5电流截止负反馈

10、5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统n nT T0 0TNTNnNnNn0n0(Ia(Ia) )Ia0Ia0当电动机过载时，其负载电流会随之增大，如果负载电流超过一定的数值，就会烧坏电动机。I0I0 为避免电动机损坏，应限制电流的大小，其方法为：当电动机负载电流达到 I0 时，使其转速迅速下降，直到堵转为止，其堵转电流为 Ia0，即电动机可能达到的最大电流。挖土机特性(1.2 1.35)(2 2.5)0Na0NIIII西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院概述5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 交流电动机 与直流电动机相比较，结构简单、运行可靠，但在其早期的应用中，调速是一个难题，

11、因此在很长时间内限制了其在无极调速等对调速有较高要求的场合。但是随着功率半导体器件的发展，以及矢量分析法的问世，使该问题得以解决，所以其目前已经获得普遍应用。 交流电动机主要分为交流异步电动机和同步电动机两大类。这里我们主要介绍目前应用较多的异步电动机及其无级调速系统。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院一、交流电动机的工作原理5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统（一交流电动机的结构定子定子铁心 由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ

12、。定子绕组 三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座 机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组转子转子铁心 由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组转子绕组有两种形式： 鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。 绕线式 - 绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统tiiAiBiCO1 2 0 2 4 0 3 6 0 (a) t = 0 (b) t = 120 (c) t = 240AAAXXXBBBYYY

13、CCCZZZ240sin120sinsintIitIitIimCmBmA（二旋转磁场的产生西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院转差率 s：00nnsn异步电动机运行中异步电动机运行中:0.01 0.09s 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速 n电动机转速不可能达到与旋转磁场的转速 n0同步转速相等。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机。 n0 和 n 之差的大小用转差率 s 表征。电动机起动瞬间电动机起动瞬间:1 , 0sn5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调

14、速系统（三异步电动机的转速公式2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速(50 Hz)f 0n3p120分）转/( 000100601,r / minfnnsn p00nnsn西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统06011fnnssp 由上面的公式可以看出，异步电动机的调速方法有三种： 改变极对数 p 改变转差率 s 改变电源频率 f西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院二、三相异步电动机的机械特性5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统西安工

15、业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统（一定子电流方程R1定子绕组电阻；X1 定子绕组漏电抗，对应定子的漏磁通；Rm 励磁电阻，是铁耗的等效电阻；Xm 励磁电抗，对应主磁通；R2折算到定子侧的转子绕组电阻；X2 折算到定子侧的转子绕组漏磁通；s 转差率；(1s)R2/s 电动机输出功率等效电阻值。11221221212221121UIsRRRXXsURRXXs西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统（二转矩方程 由前面的等效电路可以列出转子的输出功率为：221213sPIRs2PT22260PPTn601fnsp又：2

16、1222211232U R pTRfsRXXs所以有：西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统21222211232U R pTRfsRXXs 电动机制成后，极对数 p，以及 R1 ，R2 ， X1 ，X2 。均可认为是常数，则当给定 U1 和 f 后，转矩 T 与转差率 s 之间的关系，即 T=f(s) 如右图所示。1smTstTmaxTs西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 利用 n = n0(1-s) ，可以将 T=f(s) 转换为 n=f(T) 的关系曲线，此曲线称为三相异步电动机的机械特性曲线。n0T

17、nsTmaxTstTNnmaxsNsmnNOTst 体现了电动机体现了电动机带载起动的能力。带载起动的能力。Tmax 电机带动最电机带动最大负载的能力。大负载的能力。TN 电机在额定电电机在额定电压下，以额定转速运行压下，以额定转速运行，输出额定功率时，电，输出额定功率时，电机转轴上输出的转矩。机转轴上输出的转矩。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院三、三相异步电动机的调速5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统（一常用的调速方法 异步电动机的转速公式为：6 01fnsp 由该公式可以看出异步电动机的调速方法有

18、三种： 改变极对数 p 改变转差率 s 改变电源频率 fp 改变极对数只能实现有级调速；p 变 s 法适用范围有限，在机床上几乎没有实用价值；p 在各工业部门，包括机床工业中应用最广的是变频调速法。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统（二变频调速法1111N1m4.44UEf N kU1 定子相电压；E1 旋转磁场在每相绕组中产生的感应电动势的有效值；f1 定子频率；N1 定子每相绕组串联匝数；kN1 基波绕组系数；m 每极气隙磁通量。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统交交 变频交直交 变频变压变频分类SPWM 谐波小，最有发展前途西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统单极性SPWM调制西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统双极性SPWM调制西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院一、伺服电机5.3 5.3 伺服及步进电机伺服及步进电