电机控制技术与应用--专题

1、电机控制技术与应用钱祥忠 钱祥忠钱祥忠，教授，工学博士，硕士生导师,温州大学电气传动与智能控制研究所所长,计算机应用硕士点(二级)负责人,电气工程及其自动化专业负责人； 1991年7月毕业于河北工业大学研究生部，获理学硕士学位； 2003年6月毕业于电子科技大学，获工学博士学位； 2010年9月-2011年2月，华中科技大学电气工程学院电气工程及其自动化专业访问学者。主要内容常用电机简介常用电机简介电机控制技术电机控制技术常用主要电机常用主要电机：v 直流电机直流电机v 交流异步电动机交流异步电动机v 永磁同步电动机永磁同步电动机v 控制电机控制电机交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机鼠笼

2、式鼠笼式绕线式绕线式异步机异步机同步机同步机他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励电动机：电能转换成机械能电动机：电能转换成机械能发电机：其他形式的能量转换成电能发电机：其他形式的能量转换成电能电动机的作用电动机的作用电电机机电电动动机机 直流电机是利用电磁感应原理实现直流电直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置。能和机械能相互转换的电磁装置。 将直流电能转换成机械能的电机称为直流电将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机动机； 反之，则称为直流发电机反之，则称为直流发电机。 一、直流一、直流电动机电动机3直流电机结构图端盖磁轭主磁极励磁绕组电枢绕组 电枢铁心

3、换向器电刷装置轴端盖轴承风扇换向极绕组换向磁极5直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分组成。电动机工作原理AUXNiaSiaffTemXUANiaSiaffTem线圈边中电流不改变方向，则平均 Tem = 0。11N aB1 AB2换向片电刷UiaX SfTemf UXB1B2iaA SffTem电刷和换向片的作用是什么？线圈边切割磁力线会产生什么？12eNaiaeaeiaea14直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载旋转克服反电动势做功电动机的电磁关系外加电源电刷和换向器电枢绕组内部气隙磁场转子eaNeaSB1AXB2EaXANST1B1B2eaeaT1Ea电刷和

4、换向片的作用是什么？载流导体在磁场中会产生什么？15ffff直流发电机二、三相异步电动机二、三相异步电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式转子转子定子（固定部分）定子（固定部分） 转子（旋转部分）转子（旋转部分）分为两个基本部分分为两个基本部分： 定子定子作作用：用： 产生旋转磁场产生旋转磁场 转子作转子作用用：在旋转磁场作用下，产生：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。感应电动势或电流。机座机座定子绕组定子绕组铭牌数据铭牌数据出线端子出线端子按转子结构分按转子结构分：绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机继续继续下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。 右图

5、是一台三相鼠笼型异步电右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。动机的外形图。鼠笼型转子鼠笼型转子铁心和绕组铁心和绕组结构示意图结构示意图三相绕线型三相绕线型转子结构图转子结构图返回三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V21nn（一）转动原理1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。转子导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受

6、电磁力作用，形成电磁转矩，电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。为机械能。（二）转差率11nnsn 转差率转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。运行情况。转子未转动时转子未转动时，;s,n10 电机理想空载时电机理想空载时，.s,nn01 作为电动机，转速在作为电动机，转速在10n范围内变化，转差率在范围内变化，转差率在0 0 1 1范围内变。范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的

7、转速大小或负载大小。电机的转转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：速为：11n = (- s)n 额定运行时，转差率一般在额定运行时，转差率一般在0.010.060.010.06之间，即电机转速接之间，即电机转速接近同步速。近同步速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s s表示，表示，即：即：（三）异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负, ,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态机械能转变为电机械能转变为电能能电能和机械能变电能和机械能变成内能成内能电能转变为机电能转

8、变为机械能械能能量关系制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速外力使电机快速旋转旋转外力使电机沿磁外力使电机沿磁场反方向旋转场反方向旋转定子绕组接对定子绕组接对称电源称电源实现发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态10 n n0n n10 s1s0s 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，律变化，U U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：U2U1W2V1W1V21

9、n 1. 线圈跟着磁铁转线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致两者转动方向一致异步异步 2. 线圈比磁场转得慢线圈比磁场转得慢0nn2. 旋转磁场的转向旋转磁场的转向 当当通入定子绕组的三相电流的相序为通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-CA-B-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。取决于三相电流的相序。取决于三相电流的相序。改变电机旋转方向的方法：换接其中两相改变电机旋转方向的方法：换接其中两相3. 3. 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速和旋转磁场同步转速的关

10、系电动机转速电动机转速:n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但但 异步电动机异步电动机0nn 无转距无转距转子与旋转磁场间没有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流无转子电流提示提示：如果如果0nn 2.2 2.2 电动机的转动原理电动机的转动原理 在电动机定子绕组中通入三相对称交流电在电动机定子绕组中通入三相对称交流电流后，产生旋转磁场流后，产生旋转磁场。 旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。就感应出电动势。 在电动势

11、的作用下，闭合的导条中就有电流，在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。起来。三、同步电机三、同步电机种类：原理运行状态运行状态返回1 1、汽、汽轮发电轮发电机结构机结构返回2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构转子结构转子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子1.1.发电环节发电环节各种电机

12、各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机四、控制电机1 伺服电动机伺服电动机2 步进电动机步进电动机3 直线电动机直线电动机（一）伺服电动机与普通小型直流电动机相同；与普通小型直流电动机相同；SM+Ua IaE电磁式电磁式If+Uf SM+Ua IaE永磁式永磁式伺服电动机（执行电动机），它伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出转变为转轴的角位移或角速度输出，

13、改变输入信号，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。交流伺服电动机 工作原理当两相绕组分别加上相位相差当两相绕组分别加上相位相差 90o 的额定电压时：的额定电压时： 对称两相运行对称两相运行 ic 和和 if 产生产生 圆形旋转磁场圆形旋转磁场产生产生 T 转子旋转。转子旋转。 如果如果 uc 反相，即改变反相，即改变 ic 和和 if 的相序的相序旋转磁场改变方向旋转磁场改变方向 n 的方向改变。的方向改变。 同时减小同时减小 uc 和和 uf

14、而保持其而保持其 90o 的相位差的相位差圆形磁通势圆形磁通势 的幅值的幅值 T n 。SM 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 Uc Uf cfIcIf （二）步进电动机 基本结构14 23定子定子 、 转子转子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动三相磁阻式步进电动机原理图机原理图 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构 U2U1W2W1V1V2（三）直线电动机直线电动机也称线性电机，是一种能够直接产生直线运动也称线性电机，是一种能够直接产生直线运动的电气装置，可分为直流直线电动机和交流的电气装置，可分为直流直线电动机和交流直线电动机。直线电动机。直线电动机是旋转电机的另一种结构形式

15、。旋直线电动机是旋转电机的另一种结构形式。旋转电机电枢是环行的，如果沿着径向切开，转电机电枢是环行的，如果沿着径向切开，然后拉开展平，就构成了一台直线电动机。然后拉开展平，就构成了一台直线电动机。工作原理：工作原理： 在旋转电机中，电枢绕组接电源，产生电枢在旋转电机中，电枢绕组接电源，产生电枢电流，带电导体在磁场中会受到一个切向的安电流，带电导体在磁场中会受到一个切向的安培力的作用，大小相等，方向相反，从而产生培力的作用，大小相等，方向相反，从而产生电磁转矩使电机转动起来。电磁转矩使电机转动起来。 而在直线电机中，原先上下大小相等，方而在直线电机中，原先上下大小相等，方向相反的两个力，现在变成

16、了大小相等，方向向相反的两个力，现在变成了大小相等，方向相同的水平磁拉力，从而使电枢产生直线运动相同的水平磁拉力，从而使电枢产生直线运动直线电动机的应用：直线电动机的应用： 高速磁悬浮列车，是直线电机实际应用的最高速磁悬浮列车，是直线电机实际应用的最典型的例子典型的例子 ； 高档数控机床高档数控机床 ； 直线电机驱动的电梯：由于直线电机驱动直线电机驱动的电梯：由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组。建筑物的高度增至的电梯没有曳引机组。建筑物的高度增至10001000米左右，就必须使用无钢丝绳电梯，这种电梯米左右，就必须使用无钢丝绳电梯，这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动，线圈装在采用高温超导技

17、术的直线电机驱动，线圈装在井道中，轿厢外装有高性能永磁材料，就如磁井道中，轿厢外装有高性能永磁材料，就如磁悬浮列车一样，采用无线电波或光控技术控制悬浮列车一样，采用无线电波或光控技术控制。二、电机的控制技术二、电机的控制技术变压变频调速系统变压变频调速系统 逆变的概念逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载.逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换

18、（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。v主要应用各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电逆变电路最基本的工逆变电路最基本的工作原理作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图5-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载电阻负载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感负载阻感负载时，i

19、io o相位滞后于u uo o，波形也不同。 三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路图5-9 三相电压型桥式逆变电路PWM控制技术vPWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。1）重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)

20、单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutOu t若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutOwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。 1.交交- -直直-

21、-交变压变频器交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。 交-直-交变压变频器基本结构交-直-交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC 50Hz整流整流 交-直-交PWM变压变频器基本结构 交交-直直-交交PWM变压变频器变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC 50Hz调压调频调压调频C 普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器 六

22、六 拍拍逆变器逆变器DCACAC 50Hz调频调频调压调压可控整流器调压、六拍逆变器调频的交可控整流器调压、六拍逆变器调频的交- -直直- -交变压变频器交变压变频器 两种类型逆变器结构逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器b) 电流源逆变器 电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型和电流源型逆变器示意图交交- -直交电压源变频器工作原理直交电压源变频器工作原理 交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1 VT6 组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。 三相桥式逆变器主电路结构VT1

23、VT3VT5VT4VT6VT2Ud 三相桥式逆变器主电路M3控制方式 控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180导通型和120导通型两种换流方式。 但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。 死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为

24、了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。SPWM交-直-交变频器原理图M3URUI正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制（SPWM)变频器变频器SPWM变频器的工作原理变频器的工作原理1. PWM调制原理调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波 动画 按照波形面积

25、相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。SPWM变频器电路原理图 a) 主电路 b)控制电路框图 单相桥式PWM逆变电路 信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurucVT1VT2VT3VT4三相桥式PWM逆变电路 调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4utV6VD6V5VD5BACNOC+C+urAurBurC2Ud2UdVT1VT4VT

26、3VT6VT5VT2图6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud（1）单极性PWM控制方式（2）双极性PWM控制方式图6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud同步调制三相PWM波形 uturAurBurCuuAOuBOOtttt000uCO2Ud2Ud PWM PWM逆变器主电路及输出波形逆变器主电路及输出波形三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 w1 tOOOOUd2-Ud2w1 tw1 tw1 tw1 turaurburcutuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB电流环跟踪控制的一相原理图滞环比较方式电流跟踪控制原理 滞环比较方式的指令电流和输出电流 电流滞环跟踪控制时的电流波形a) 电流波形b) 电压波形三相电流跟踪型PWM逆变电路 三相电流跟踪型PWM逆变电路 +-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUV