电机的调速机理

电机的调速机理第1页，课件共61页，创作于2023年2月一、引言1、电机的种类：按运行方式：电动机和发电机按特点：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、永磁伺服电动机）、直线电动机。第2页，课件共61页，创作于2023年2月2、电机的功能：将电能转换为机械能，完成位移、旋转、上升、下降等功能。3、对电机的控制：调速、位置（快速起停）。

第3页，课件共61页，创作于2023年2月4、疑问电动机运行为什么能以某一速度稳定运行？如何改变电动机速度？是调频？还是调压？还是两者都变？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，是否会出现“飞车”？

第4页，课件共61页，创作于2023年2月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。）

二、电机的基本原理

1、电磁感应

第5页，课件共61页，创作于2023年2月（1）右手定则: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.第6页，课件共61页，创作于2023年2月第7页，课件共61页，创作于2023年2月感应电动势的计算公式E=B*L*V*SIN(θ)E=Ce*n*Φ

E=4.44*f*W*ΦE＝nΔΦ/Δt（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，ΔΦ/Δt:磁通量的变化率｝第8页，课件共61页，创作于2023年2月（2）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。第9页，课件共61页，创作于2023年2月第10页，课件共61页，创作于2023年2月力和转矩的计算公式F=B*I*L*SIN(θ)L*SIN(θ)----理解为有效长度线圈:有两条边,产生转矩.T=2*r*F*SIN(θ)对夹角的理解：线圈平面和磁力线的夹角对端部收力的理解：端部产生力，只不过相互抵消，所以端部越短越好。第11页，课件共61页，创作于2023年2月2、电机内部磁场的产生和磁路（1）永磁材料：铁氧体、稀土，相当于磁源。（2）激磁电流直流产生恒定磁场；交流产生交变磁场（旋转磁场）；第12页，课件共61页，创作于2023年2月（3）硅钢片（铁磁材料）作为磁路，磁压降小，损耗小；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。第13页，课件共61页，创作于2023年2月三、电机系统的三大平衡1、转矩平衡(机械平衡)电磁转矩=输出转矩+阻力转矩不等

加速或减速转矩平衡是保持稳定运行（或者说转速不变）的必要条件。系统稳定运行时，转矩肯定平衡；要改变速度，必须打破原有的转矩平衡。第14页，课件共61页，创作于2023年2月2、电势平衡(电平衡)U=E+I*RE=Ce*n*ΦE=4.44*f*W*Φ不平衡,电流增加或减小第15页，课件共61页，创作于2023年2月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）。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。第16页，课件共61页，创作于2023年2月3、磁路平衡(磁平衡)I*W(磁动势)=∑H*L（磁压降）=Φ*R(磁阻)在电机的控制过程中，应尽量保持磁通不变。特殊情况：如弱磁控制第17页，课件共61页，创作于2023年2月四、电机的运行方式电机的运行主要有两种方式，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。第18页，课件共61页，创作于2023年2月五、电机的种类及其运行原理

1、直流电机类导体在磁场中受力,定子是永磁体(或电励磁),磁场静止.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.第19页，课件共61页，创作于2023年2月第20页，课件共61页，创作于2023年2月第21页，课件共61页，创作于2023年2月调速:改变输入电压;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。第22页，课件共61页，创作于2023年2月应用场合：直流电源场合：（蓄电池）汽车，火车；大型直流调速：轧钢机等；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。第23页，课件共61页，创作于2023年2月2、异步电动机（交流电动机）第24页，课件共61页，创作于2023年2月第25页，课件共61页，创作于2023年2月第26页，课件共61页，创作于2023年2月第27页，课件共61页，创作于2023年2月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。第28页，课件共61页，创作于2023年2月旋转磁场：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。第29页，课件共61页，创作于2023年2月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。第30页，课件共61页，创作于2023年2月第31页，课件共61页，创作于2023年2月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。第32页，课件共61页，创作于2023年2月运行原理：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。第33页，课件共61页，创作于2023年2月异步电动机:n1>n2,存在转差;调速：调节电源频率（变频器）；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，恢复原有的平衡。第34页，课件共61页，创作于2023年2月应用：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；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；第35页，课件共61页，创作于2023年2月3、同步电动机定子为三相对称绕组，转子为与定子极数相同的磁极；（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；（2）一般同步电动机转子为同心式激磁绕组，产生转子磁场；第36页，课件共61页，创作于2023年2月第37页，课件共61页，创作于2023年2月起动问题由于转子存在惯性，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）。第38页，课件共61页，创作于2023年2月同步电动机的启动：变频器或异步起动；调速：调电源频率，调节电源电压。第39页，课件共61页，创作于2023年2月不管是同步电动机还是异步电动机，两者的磁场是同步的。（异步电动机转子的磁场相对于转子有旋转。）

磁场同步第40页，课件共61页，创作于2023年2月同步电机的应用：特点：功率因数高，效率高；（1）发电机；（2）大型电动机（电厂）;(3)永磁同步电动机：替代异步电动机的某些应用；（电梯）第41页，课件共61页，创作于2023年2月4、直流无刷电动机

电机结构与同步电动机一样.转子有位置传感器---霍尔元件（方波）；第42页，课件共61页，创作于2023年2月运行原理：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；第43页，课件共61页，创作于2023年2月调速原理必需有控制器；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。第44页，课件共61页，创作于2023年2月5、异步电动机调速原理与三大平衡MS曲线：一般的异步电动机不能用调压调速。（特殊：力矩电动机，风扇类负载）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。

第45页，课件共61页，创作于2023年2月第46页，课件共61页，创作于2023年2月六、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DSP）,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。第47页，课件共61页，创作于2023年2月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）充电电路第48页，课件共61页，创作于2023年2月2、SPWM的概念用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波第49页，课件共61页，创作于2023年2月正弦半波N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

第50页，课件共61页，创作于2023年2月产生PWM波的方法三角波和正弦波比较的方法单极性

第51页，课件共61页，创作于2023年2月双极性第52页，课件共61页，创作于2023年2月数学上可以证明，其宽度按正弦规律变化。正弦波：调制波，决定输出电压的频率和幅值；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;）第53页，课件共61页，创作于2023年2月数字方法定时器中断：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；一般的电动机专用控制CPU，至少有6路PWM输出；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；第54页，课件共61页，创作于2023年2月七、电动机的DSP控制1、电机控制对DSP的一般要求1）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。2）控制逆变器一般要求有6路（或12路）PWM输出口；3）定时器中断功能，较多的I/O用于输入输出控制；第55页，课件共61页，创作于2023年2月4）多路10位及以上A/D，用于检测三相电流、电压、温度等。5）通讯口，用于与上位机通讯，多台组网运行等；6）编码器输入口，闭环控制；7）外部中断；第56页，课件共61页，创作于2023年2月2、DSP的作用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。第57页，课件共61页，创作于2023年2月3、直流电动机调速(1)调速的方法（2）PWM方式的主电路（3）闭环调节第58页，课件共61页，创作于2023年2月4、异步电动机（感应电动机）（1）V/F控制（VVVF）(SPWM)(2