h机电传动控制07

1、第四章第四章交直流电机无级调速控制交直流电机无级调速控制第四章第四章 交直流电机无级调速控制交直流电机无级调速控制4.1 4.1 电机调速的概念和指标电机调速的概念和指标4.2 4.2 直流电机无级调速直流电机无级调速4.3 4.3 交流电机无级调速交流电机无级调速第一节 电机调速的概念和指标4.1.1 4.1.1 电机调速的概念电机调速的概念l电力拖动系统的调速电力拖动系统的调速: 1)机械调速机械调速; 2)电气调速电气调速4.1电机调速的概念和指标4.1.2 4.1.2 调速的性能指标：技术指标和经济指标调速的性能指标：技术指标和经济指标l 技术指标：静态技术指标技术指标：静态技术指标

2、动态技术指标动态技术指标 调速范围：调速范围：D=nmax/nmin 静差率静差率: =n/n0 调速的平滑性调速的平滑性: =ni/ni-1静态技术指标包括：静态技术指标包括：电动机的调速电动机的调速l调速调速指标指标：1、调速范围、调速范围D：minmaxnnD 2、静差率（相对稳定性）、静差率（相对稳定性）%：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。%100%100%000nnnnnNN%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。电动机的调速电动机的调速lD与%相互制约：)1 (maxmaxmin0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnD 越小，越小，D D越

3、小，相对稳定性越好；越小，相对稳定性越好；在保证一定的在保证一定的指标的前提下，要扩大指标的前提下，要扩大D D，须减少须减少nn，即提高机械特性的硬度。即提高机械特性的硬度。电动机的调速电动机的调速l3、调速的平滑性、调速的平滑性：l 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ：1iinn 越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。14.1电机调速的概念和指标4.1.2 4.1.2 调速的性能指标：技术指标和经济调速的性能

4、指标：技术指标和经济指标指标l 动态技术指标动态技术指标 最大超调量最大超调量:MP 过渡过程时间过渡过程时间:T 震荡次数震荡次数:N4.1电机调速的概念和指标4.1.2 4.1.2 调速的性能指标：技术指标和经济指标调速的性能指标：技术指标和经济指标l调速的经济指标：用设备调速的经济指标：用设备的效率来表示。的效率来表示。4.2 直流电机无级调速4.2.1 4.2.1 直流电机无级调速及调速特性直流电机无级调速及调速特性 他励电动机的转速公式：nnTCCRRCUnTeadae02TaCTIeadaaCRRIUn)(4.2 直流电机无级调速4.2.1 4.2.1 直流电机无级调速及调速特性直

5、流电机无级调速及调速特性 他励电动机的转速公式：eadaaCRRIUn)(电气调电气调速速方法：方法：1 1）电枢回路串电阻调速；）电枢回路串电阻调速； 2 2）调压调速；）调压调速； 3 3）调磁调速）调磁调速。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rad1n2Ra+Rad2CRad1Rad2tt=0n1nNIaNianian他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。缺点：缺点： 2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差； 3）轻载时调速范围小，额

6、定负载时调速范围一般为D2； 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l2、降低电压调速、降低电压调速Tem0nnNUTLNnA1U01nAB1nNUUU122U02n2nC他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l优点优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳

7、定性好度较高，负载变化时稳定性好。 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达一般可达 D=2.512。 4）电能损耗较小电能损耗较小。缺点缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源需要一套电压可连续调节的直流电源。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l3、减弱磁通调速、减弱磁通调速01n1A1nBNTemnTL0nANn202n2nCtt=0naNInNn1n1aIaiai他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l优点： 由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。经济性比较好。l 缺点：机械特性的斜率变大，特性变软

8、；转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l调速方式与负载类型的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。 当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。他励直流电动机的调速他励直流电动

9、机的调速 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为励直流电动机的调速可分为恒转矩调速恒转矩调速和和恒功率调速恒功率调速。nCTnPCICTTNNTem19550 电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。 电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为： NNaII 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速955095509550222CnnCTnPnCnCRIUCICTTeaNNTNTem 电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容

10、许输出功率为恒值-恒功率调速。 弱磁调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为： NaII 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l上述容许输出转矩和功率与转速的关系为：上述容许输出转矩和功率与转速的关系为：maxnNnminnnTPTP恒恒功率调速功率调速TP恒转矩调速恒转矩调速 以以 为界，分为界，分两个区域两个区域： 为恒转矩为恒转矩调速区调速区； 为恒功率调速区NnNnn Nnn 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l1、恒转矩负载配恒转矩调速、恒转矩负载配恒转矩调速 和和 均为常数均为常数, , 和和 均与转速均与转速 成

11、正成正比，只要选择电动机比，只要选择电动机的的 与与 相等，在任相等，在任何转速下均有：何转速下均有：LTLTTTLPPnTLTTnNaLLIITTPP电机既满足了负载要求，电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。又得到了充分利用。这是一种理想的配合，转速这是一种理想的配合，转速是从额定转速向下调，所以是从额定转速向下调，所以额定转速为系统的最高转速额定转速为系统的最高转速。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l2、恒功率负载配恒功率调速、恒功率负载配恒功率调速 和和 均为常数，均为常数， 和和 均与均与 成反比，只成反比，只要选择要选择 与与 相等，相等，在任何转速下均有：在任何转速下均

12、有：LTLPTPLPPnNaLLIITTPP电机既满足了负载要求，电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。又得到了充分利用。TnLTT这是一种理想的配合，转速这是一种理想的配合，转速是从额定转速向上调，所以是从额定转速向上调，所以额定转速为系统的最低转速额定转速为系统的最低转速。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l3、恒转矩负载配恒功率调速、恒转矩负载配恒功率调速负载转矩负载转矩CTLnT1电动机容许输出转矩电动机容许输出转矩只有在最高转速时才有只有在最高转速时才有：NaLLIITTPP电机得到了充分利用。电机得到了充分利用。NaLLIITTPP在低于最高转速时：在低于最高转速时：电机未

13、被充分利用。电机未被充分利用。TnLTmaxnminnTminnnN他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l可以证明可以证明： 在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）只是电动机额定功率的只是电动机额定功率的 （D为调速范围）为调速范围）。D1NLLLLLNPDPDPnTnnnTPP195509550minminminminmaxmaxmax显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l4、恒功率负载配恒转矩调速、恒功率负载配恒转矩调速负载转矩负载转矩CT nTL1电动

14、机容许输出转矩电动机容许输出转矩只有在最低转速时才有：只有在最低转速时才有：NaLLIITTPP电机得到了充分利用。电机得到了充分利用。NaLLIITTPP在高于最低转速时：在高于最低转速时：电机未被充分利用。电机未被充分利用。TTnmaxnminnLTmaxmaxLNNTTnn他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l可以证明可以证明： 这种配合，电动机的实际输出功率（恒定的负载功这种配合，电动机的实际输出功率（恒定的负载功率）只是电动机额定功率的率）只是电动机额定功率的 （D为调速范围）为调速范围）。D1NLLLLNNNPDPDPnTnnnTnTP1955095509550minmaxmi

15、nmaxmaxmax显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l5、风机型负载与两种调速方式的配合、风机型负载与两种调速方式的配合由于负载转矩随转速的升高而增大，为了使电动机在最由于负载转矩随转速的升高而增大，为了使电动机在最高转速时（所需的转矩最大）能满足负载的需要，应使高转速时（所需的转矩最大）能满足负载的需要，应使)()(maxmaxnnLnnTTnmaxnLTTTT只有在最高转速时，电只有在最高转速时，电动机才被充分利用。恒动机才被充分利用。恒转矩调速方式所造成的转矩调速方式所造成的电动机容量浪费比恒功电动机容量

16、浪费比恒功率调速方式小一些。率调速方式小一些。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速l根据以上分析可得：1）电枢串电阻调速和降压调速方式属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载 。2）弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载 。3）对于泵与风机类负载，三种调速方式都不十分合适，但采用电枢串电阻和降压调速比弱磁调速合适一些。 4.2.2 晶闸管-电机直流传动控制系统按结构的不同：按结构的不同：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统可逆系统按静态误差的不同：按静态误差的不同：无静差直流调速系统无静差直流调速系统有静差直流调速系统有静差直流调速系统分类：分类：

17、转速负反馈调速系统转速负反馈调速系统 1 1、单闭环调速系统的组成、单闭环调速系统的组成采用转速负反馈的单闭环调速系统采用转速负反馈的单闭环调速系统放大器触发器可控整流器测速发电机由电压平衡方程得：由电压平衡方程得： 2 2、转速负反馈单闭环调速系统的静特性、转速负反馈单闭环调速系统的静特性闭闭环环系系统统的的静静特特性性从放大器输入端到可从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压控整流电路输出端的电压放大倍数；放大倍数；闭环系统的开环放大闭环系统的开环放大倍数。倍数。 如果系统没有转速负反馈（即如果系统没有转速负反馈（即开环系统）时，则整流器的输出开环系统）时，则整流器的输出电压电压: 由此可

18、得开环系统的机械特性由此可得开环系统的机械特性方程方程:开开环环系系统统的的静静特特性性闭闭环环系系统统的的静静特特性性开开环环系系统统的的静静特特性性 理想空载转速理想空载转速 在给定电压一定时，有在给定电压一定时，有: 转速降转速降 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即，如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即， 调速范围与静差度调速范围与静差度 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下， 开环：开环： 闭环闭环 ： 重的事故重的事故突然失去负反馈产生严突然失去负反馈产生严速度负反馈，速度负反馈，注意！单闭环系统仅有

19、注意！单闭环系统仅有K K1 1U UU U闭闭环环给给定定电电压压理理想想空空载载转转速速为为了了获获得得同同开开环环相相同同的的g gg gf f结论：结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差度的要求下，大大提高调速范在保证一定静差度的要求下，大大提高调速范围。但闭环系统必须设置检测装置和电压放大围。但闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。器。图图8.35闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系闭环系统能够减少稳态速降的闭环系统能够减少稳态速降的实质实质是是闭环系统的自动闭环系统的自动调

20、节作用调节作用，它能随着负载的变化相应地改变整流器的输出，它能随着负载的变化相应地改变整流器的输出电压电压 按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率转差功率，与转差率 s 成正比。 PmechPmPs4.3 交流电机无级调速 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。4.3 交流电机无级调速1. 转差功率消

21、耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中， 降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 2.转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效

22、率较高，但要增加一些设备。3. 转差功率不变型调速系统 在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变频变压调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 4.3.3笼型异步电机变压变频调速系统分分）转转/( 6010pfn （1）需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 4.3.3笼型异步电机变压变频调速系统 定子每相电动势定子每相电动势mNs1g44. 4SkN

23、fE 式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； 定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb。 f1NskNsm（2）1. 基频以下调速基频以下调速 由式（2）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 1gfE常值 （3） 即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得（4） 这是恒压频比的控制

24、方式恒压频比的控制方式。常值1fUs 但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降近似地补偿定子压降。 2. 基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。 f1N 变压变频控制特性变压变频控制特性图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsU

25、sNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录返回目录 变压变频控制特性变压变频控制特性静止式电力电子变压变频装置静止式电力电子变压变频装置（VVVF） l间接式 工频交流电直流电可控变频交流电l直接式 工频交流电可控交流电间接变压变频装置的不同结构形式间接变压变频装置的不同结构形式不控整流逆变DCAC调频AC50Hz斩波器DC调压(c)VVVF50Hz不控整流PWM逆变ACDC（VVVF）调压调频