电机调速控制

一、直流电机调速方法（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia（2）改变电动机主磁通Φ。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。If变化时间遇到的时间常数同I（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大暈电能。二、异步电机调速方法三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数P及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：（1）高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。（2）有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；（3）电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；（4）液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。1.变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：（1）具有较硬的机械特性，稳定性良好；（2）无转差损耗，效率高；（3）接线简单、控制方便、价格低；（4）有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；（5）可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。2.变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。其特点：（1）效率高，调速过程中没有附加损耗；（2）应用范围广，可用于笼型异步电动机；（3）调速范围大，特性硬，精度高；（4）技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。3.串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：（1）可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高;由式可知，除电磁转矩外，再无其它控制量可影响转速。如果能快速地控制转矩，使得传动系统在负载扰动时获得较小的动态速降和较短恢复时间，那么，调速系统就具有较高的动态性能，因此，调速系统性能的好坏关键是电磁转矩控制得如何。矢量控制中,电磁转矩的表达式为：T式中Pm为电机的极对数;LM为定、转子绕组间最大互感;由式知，转矩只与定、转子电流空间矢量is、ir成正比，改变同步电动机转速的主要方法是改变供电电源的频率，即变频调速。从控制方式上可将同步电动机变频调速分成两种，一种为他控式变频调速；一种为自控式变频调速。这里讨论永磁同步电动机采用自控式变频调速的方法，在电动机轴上安装转子磁极位置检测器，能检测出转子的磁极位置，控制定子侧变频器的电流频率和相位，使定子电流和转子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩。其最简单的调速系统工作原理框图如图1。图图1调速系统工作原理框图四、无刷直流电机基本原理1.无刷直流电机的分类永磁无刷直流电动机大致可以分为两类，即方波型永磁无刷直流电动机和正弦波型永磁无刷直流电动机，它们又统称为自控式永磁同步电动机。方波型永磁无刷直流电动机，习惯上称为BrushlessDirectCurrentMotor(BLDCM),即无刷直流电动机。其电机本体的反电动势(即激磁电动势或空载电动势)设计成梯形波，而逆变器输出方波电压或方波电流并且与电机反电动势保持适当的相位关系，从而产生有效的电磁转矩，如图2所示。在这种情况下，转子位置传感器只需提供转子的若干个关键位置的离散信号就可以了。方波型永磁无刷直流电动机结构简单、控制方便、成本较低，一般用于对转矩波动要求不太高的调速传动系统。图图2方波型正弦波型永磁无刷直流电动机，由于源于同步电动机，习惯上称为PermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM)，即永磁同步电动机。其电机本体的反电动势设计成正弦形，而逆变器采用SPWM技术或滞环控制技术等调制出正弦电压或电流并与电机反电动势保持适当的相位关系，从而产生比较平滑的电磁转矩，如图3所示。在这种情况下，位置传感器需要提供连续的转子位置信号。正弦型永磁无刷直流电动机的结构比较复杂且成本较高(尤其是位置传感器)，控制方法灵活，一般转矩波动较小，因此往往用于对转矩脉动要求比较严格的驱动与控制系统中。图图3正弦波型2.无刷直流电机的基本组成环节无刷直流电动机的结构原理如图1.3所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。图4中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子幵关线路中相应的功率开关器件联接，在图4中A相、B相、C相绕组分别与功率幵关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。图图4无刷直流电机的结构原理图当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向的作用。因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图5所示。图图5无刷直流电机的原理框图无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才控制逻辑开关单元。综上所述，组成无刷直流电动机的各主要部件的框图如图6所示。图图6无刷直流电机的组成框图3.无刷直流电机的基本工作原理三相无刷直流电动机的工作原理如图7所示。采用光电式位置传感器,电动机的定子绕组分别为A相、B相、C相，因此，光电式位置传感上也有3个光敏图7图7无刷直流电机的工作原理图接收元件V1、V2、V3与之对应。3个光敏接收元件在空间上间隔120°,分别控制3个开关管VA、VB、VC(本例为半桥式驱动，只用3个开关管）。这3个开关管则控制对应相绕组的通电与断电。遮光板安装在转子上，安装的位置与图中转子的位置相对应。当转子处于图8(a)所示的位置时，遮光板遮住光敏接收元件V2、V3,只有V1可以透光。因此，V1输出高电平使开关管VA导通，A相绕组通电，而B、C两相处于断电状态。A相绕组通电使定子产生的磁场与转子的永磁磁场相互作用，产生的转矩推动转子逆时针转动。当转子转到图8(b)的位置时，遮光板遮住V1，并使V2透光。因此，V1输出低电平使开关管VA截止，A相断电。同时，V2输出高电平使开关管VB导通，B相通电，C相状态不变。这样