电机的调速机理

1、电机专题n第一讲：n电机调速机理及控制方法n赵继敏 一、引言n1、电机的种类：、电机的种类：n按运行方式：电动机和发电机按运行方式：电动机和发电机 n按特点：直流电动机、交直流电动机（串按特点：直流电动机、交直流电动机（串激电动机）、单相电动机、三相异步电动激电动机）、单相电动机、三相异步电动机、三相同步电动机、直流无刷电动机、机、三相同步电动机、直流无刷电动机、步进电动机、伺服电动机（交流、直流、步进电动机、伺服电动机（交流、直流、永磁伺服电动机）、直线电动机。永磁伺服电动机）、直线电动机。n2、电机的功能：、电机的功能：n将电能转换为机械能，完成位移、将电能转换为机械能，完成位移、旋转、上

2、升、下降等功能。旋转、上升、下降等功能。n3、对电机的控制：调速、位置、对电机的控制：调速、位置（快速起停）。（快速起停）。 4、疑问疑问n电动机运行为什么能以某一速度稳电动机运行为什么能以某一速度稳定运行？定运行？n 如何改变电动机速度？是调频？如何改变电动机速度？是调频？还是调压？还是两者都变？还是调压？还是两者都变？n 当电动机负载变化时，电动机的当电动机负载变化时，电动机的速度如何变化？负载为空载时，是速度如何变化？负载为空载时，是否会出现否会出现“飞车飞车”？ n因磁通量变化产生感应电动势的现象（闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应

3、。） 二、电机的基本原理电机的基本原理1、电磁感应电磁感应（1）右手定则）右手定则:n磁场中运动的导体因切割磁力线会感生出电动势, 电动势的方向按右手定则确定.感应电动势的计算公式nE=B*L*V*SIN()nE=Ce*n* nE=4.44*f*W*nEn/t（普适公式）法拉第电磁感应定律，E：感应电动势(V)，n：感应线圈匝数，/t:磁通量的变化率 （2）左手定则）左手定则：位于磁场中的载流导体，要受到力的作用，力的方向按左手定则确定。 力和转矩的计算公式nF=B*I*L*SIN()nL*SIN()-理解为有效长度n线圈: 有两条边, 产生转矩.n T=2*r*F*SIN()n对夹角的理解：

4、线圈平面和磁力线的夹角n对端部收力的理解：端部产生力，只不过相互抵消，所以端部越短越好。 2、电机内部磁场的产生和磁路、电机内部磁场的产生和磁路n（1）永磁材料： n铁氧体、稀土，相当于磁源。n（2）激磁电流n直流产生恒定磁场；n交流产生交变磁场（旋转磁场）；n（3）硅钢片（铁磁材料）n作为磁路，磁压降小，损耗小；n磁路有饱和现象：磁密高到一定程度，磁压降大大增加，不是线性关系。三、电机系统的三大平衡三、电机系统的三大平衡1、转矩平衡、转矩平衡(机械平衡机械平衡)n电磁转矩=输出转矩+阻力转矩n不等 加速或减速 n转矩平衡是保持稳定运行（或者说转速不变）的必要条件。n系统稳定运行时，转矩肯定平

5、衡；n要改变速度，必须打破原有的转矩平衡。2、电势平衡、电势平衡(电平衡电平衡)nU=E+I*RnE=Ce*n*nE=4.44*f*W*n不平衡, 电流增加或减小n电流和磁场作用产生转矩，系统稳定运行时，转矩必须平衡，电流也一定保持不变（这不变是指有效值或平均值，不是瞬时值）。n要改变速度，必须打破原有的转矩平衡，改变电流。要改变电流，可以通过改变电压，或改变电动势，或频率，或磁通。 3、磁路平衡、磁路平衡(磁平衡磁平衡)nI*W(磁动势)= H*L（磁压降）=*R(磁阻)n在电机的控制过程中，应尽量保持磁通不变。n特殊情况：如弱磁控制四、电机的运行方式四、电机的运行方式n电机的运行主要有两种

6、方式，一种是直流电动机，磁场是静止的，有电流的导体在磁场中受力，产生稳定的转矩，使其旋转；另一种是交流电动机，定子和转子都是磁极，定子磁场旋转，吸引转子跟着旋转。五、电机的种类及其运行原理五、电机的种类及其运行原理 n1、直流电机类、直流电机类 n导体在磁场中受力, 定子是永磁体(或电励磁), 磁场静止.n为了保证进入每个磁极下的导体的电流方向不变，需要换向器. n调速: 改变输入电压;n加速：（负载不变），增加电压，速度变化滞后于电压变化，反电势不变，电流增加，电磁转矩增加，转矩平衡被打破，速度增加，（增加多少？稳定运行时转矩一定平衡），反电势增加，电流下降，电磁转矩减小，比原来接近于转矩平

7、衡，直到转矩重新平衡。若磁场不变，电压调节，转速变化，电流不变。应用场合：n直流电源场合：（蓄电池）汽车，火车；n大型直流调速：轧钢机等；n由于存在换向器，有两个缺陷无法避免，碳刷磨损，火花，所以，有逐步被交流电动机所取代的趋势。2、异步电动机（交流电动机）异步电动机（交流电动机）n三相绕组通三相交流电会产生旋转磁场，定子磁场旋转, 转子跟着旋转。旋转磁场： n三相电流为对称的三相交流电，每一时刻，三相电流的瞬时值不同，磁场的位置和大小与电流成比例，三相有一合成的磁场，在空间正弦发布，当电流按正弦规律变化时，其合成磁场也是如此。 n记磁场最大位置为磁场位置，则其最大值位置会随电流变化而改变，其

8、改变的规律是旋转的，旋转的绝对速度与电流频率（电压的频率）电机的极对数有关。n工业上都用三相电源，三相电源非常适合电动机，旋转磁场，（单相电源要加电容转变为二相，才能产生近似圆形的旋转磁场），三相电动机比单相电动机效率高。运行原理：n定子存在三相绕组，通三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场在转子上感应电动势，感应电动势在闭合的转子回路上产生电流，这电流建立转子磁场，与定子磁场相互作用，产生力矩，使转子跟着定子磁场一起旋转。n异步电动机:n1n2, 存在转差;n调速：调节电源频率（变频器）；n速度增加：增加频率，增加电压，转差增大，电流增加，转矩增加，速度增加，转差减小，电流减小，转矩减小，恢复原

9、有的平衡。 应用：n最广泛，有三相电源，不需调速的所有场合；直接接三相交流电就可以运行，不需如何控制器；n随着变频器技术的发展，异步电动机调速变的容易，性能提高，可以和直流电动机相比，有逐步取代直流电动机的趋势；3、同步电动机、同步电动机n定子为三相对称绕组，转子为与定子极数相同的磁极；n（1）永磁同步电动机 转子磁极为永磁体； 定子与异步电动机一样；n（2）一般同步电动机 转子为同心式激磁绕组，产生转子磁场；起动问题n由于转子存在惯性，同步电动机不能直接接交流电源，不能直接启动。（原因：直接接50hz电源，磁场以同步速旋转，p=1，n=3000转/分，每圈时间为20mS, 转子有惯性，跟不上

10、）。n同步电动机的启动： 变频器或异步起动；n调速： 调电源频率，调节电源电压。n不管是同步电动机还是异步电动机，两者的磁场是同步的。n（异步电动机转子的磁场相对于转子有旋转。） 磁场同步同步电机的应用：n特点：功率因数高，效率高； n（1）发电机；n（2）大型电动机（电厂）;n (3) 永磁同步电动机：替代异步电动机的某些应用；（电梯） 4、直流无刷电动机、直流无刷电动机 n电机结构与同步电动机一样. n转子有位置传感器-霍尔元件（方波）；运行原理：n根据转子的位置（转子磁极），决定定子绕组的通电，使定子绕组产生的磁场吸引转子旋转。随着转子旋转，位置的变化，定子绕组的通电方式接着变化。定子绕

11、组的变化频率由转子速度决定；所以，尽管直流无刷和永磁同步的电机结构完全一样，但控制方式不同，直流无刷，没有不能起动、失步等问题； 调速原理n必需有控制器；n调节定子电压（增加）, 电流增大，转矩增加，转速变高, 霍尔变化变快，定子频率自动增加，电流自动减小，转矩减小，恢复平衡。 5、异步电动机调速原理与三大平衡、异步电动机调速原理与三大平衡nMS曲线：一般的异步电动机不能用调压调速。n（特殊：力矩电动机，风扇类负载）n恒转矩调节与恒功率调节：当电机的运行频率大于额定频率时，电机处于恒功率。 六、电力电子基础六、电力电子基础 整个电机调速系统，有四部分组成，电源（开关电源），CPU（单片机或DS

12、P）, 驱动+功率器件以及控制对象。对控制对象的控制，最终就是控制加在控制对象上的电压和频率，从而实现电流、转矩、速度和位置的控制。对电压和频率改变的实现，有功率器件组成的功率电路来完成。1、三相逆变电路 （1）三相整流电路；（2）三相逆变电路；（3）制动电路；（4）充电电路2、SPWM的概念n用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波弦半波正弦半波N等分等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等；宽度按正弦规律变化 tOua)b)图6-3Out产生PWM波的方法 n三角波和正弦波比较的

13、方法单极性 n双极性n数学上可以证明，其宽度按正弦规律变化。n正弦波：调制波，决定输出电压的频率和幅值；n三角波：载波，决定功率管的开关频率，一般功率管的开关频率在10K左右，（原因1，功率管的特性，2，开关损耗，3，人对声音的敏感度;）数字方法n定时器中断：两个值，周期值，脉冲宽度值；每次中断，加载下一个脉冲宽度值；n一般的电动机专用控制CPU，至少有6路PWM输出；n死区时间：功率管的开关需要时间，（一般关断更长），同一桥臂上的功率管，同时开关，会导致直通，上下功率管同时关断的时间为死区；一般2-4微秒，可以设置；七、电动机的七、电动机的DSP控制控制n1、电机控制对、电机控制对DSP的一

14、般要求的一般要求n1）根据算法计算的复杂程度和每次刷新的时间要求，对速度即主频的要求。n2）控制逆变器一般要求有6路（或12路）PWM输出口；n3）定时器中断功能，较多的I/O用于输入输出控制；n4）多路10位及以上A/D，用于检测三相电流、电压、温度等。n5）通讯口，用于与上位机通讯，多台组网运行等；n6）编码器输入口，闭环控制；n7）外部中断；2、DSP的作用的作用n根据输入口的状态检测结果，及事先编好的逻辑，送出对应的I/O状态和PWM口的状态。3、直流电动机调速、直流电动机调速n (1) 调速的方法n（2） PWM方式的主电路n（3）闭环调节4、异步电动机（感应电动机、异步电动机（感应电动机）n（1）V/F 控制（VVVF