交流电动机驱动及其控制

交流电动机驱动及其控制5、4、1交流伺服电机特点及其调速方法

直流伺服电机具有电刷与整流子,尺寸较大且必须经常维修,使用环境也受到一定影响,特别就是其容量较小,受换向器限制,很多特性参数随速度而变化,因而限制了直流伺服电机向高转速、大容量发展。

交流伺服电机采用了全封闭无刷结构,以适应实际生产环境,不需要定期检查与维修。其定子省去了铸件壳体,结构紧凑、外形小、重量轻(只有同类直流电机得75％～90％)。定子铁芯较一般电机开槽多且深,绕组绕在定子铁芯上,绝缘可靠,磁场均匀。可对定子铁芯直接冷却,散热效果好,因而传给机械部分得热量小,提高了整个系统得可靠性。转子采用具有

精密磁极形状得永久磁铁,因而可实现高转矩／惯量比,动态响应好,运行平稳。因此交流伺服电机以其高性能、大容量日益受到广泛得重视与应用。但就是交流电机得控制性能没有直流电机得好,也正就是由于这一点,交流伺服系统得发展历史没有直流伺服系统早,在过去较长得一段时间远没有直流伺服系统应用广泛。随着电子学与电子技术得发展,特别就是集成电路与计算机控制技术得发展,交流伺服得发展极为迅速,已进入与直流伺服相媲美、相竞争得时代,并有取而代之得趋势。

交流电机得转速公式:

式中,f－定子电源频率,s－转差率;p－极对数,n0－同步转速。根据上式,可得到不同得交流电机调速得方法:

(1)转子绕组串联电阻改变转差率,这种方法调速机械特性很软,低速运行时电阻损耗很大。(2)改变定子电压来改变转差率,这种方法损耗也很大。(3)改变极对数来改变转速,这种方法调速就是有级得,而且调速范围窄。(4)改变定子供电频率,可以平滑地改变电机得同步转速,这种方法最为理想,称又交流变频调速,其装置叫变频器调速装置(VFD)。

目前高性能得交流调速系统大都采用变频调速方法来改变电机转速。为了保持在调速时电机得最大转矩不变,需要维持磁通恒定,这时就需要定子供电电压做相应调节。因此,对交流电机供电得变频器一般都要求兼有调频调压两种功能。5、4、2变频器调速装置(VFD)

一、晶闸管变频器得工作原理

图5-36所示为交－直－交变频器得主电路,它由整流器、中间滤波环节及逆变器三部分组成。整流器为晶闸管三相桥式电路,它得作用就是将恒压恒频交流电变换为直流电,然后再用作逆变器得直流供电电源。逆变器也就是晶闸管三相桥式电路,但它得作用与整流器相反,它就是将直流电变换调制为可调频率得交流电,就是变频器得主要组成部分。中间滤波环节由电容器、电抗器组成,它得作用就是对整流后得电压或电流进行滤波。图5-36交—直—交变频电路结构图(a)图5-36交—直—交变频电路结构图(b)图5-36交—直—交变频电路结构图(c)

二、脉宽调制方法(PWD)

逆变器就是变频调速系统得核心。图5-37为三相桥式逆变器得原理电路图,它采用电力晶体管GTR作开关元件(也可以用其她开关元件)。

负载为三相对称电阻负载。由各开关管得基极驱动信号分别整制各开关管得通断。基极驱动信号在电路中一般常以载频信号uc与参考信号ur相比较产生,这里uc采用单极性等腰三角形波形,而ur采用直流电压。在uc与ur波形相交处发出调制信号,部分脉冲调制波形如图5-38所示,那就是经过三相对称倒相后a、b两点得相位波形,uoo’与相电压uao’得脉冲列波形。图5-37三相桥式逆变器得原理电路图(a)大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静图5-37三相桥式逆变器得原理电路图(b)图5-38

在图示得波形中,输出电压一个周期内有12个等腰三角形。输出波形正负半周对称,主回路中得6个开关元件都就是半周工作,通断6次输出6个等幅、等宽、等距得脉冲列,另半周总处于截止状态。这6个开关元件就是以VT1～VT6得顺序轮流工作得。

输出得电压波形每半个周期出现6个等宽、等距脉冲,中间2个脉幅高(等于2U/3),两边4个脉幅低(等于U/3),正负半周对称。

从波形图可以清楚地瞧出:当三角形波幅值一定,改变参考直流信号ur得大小,输出脉冲得宽度即随之改变,从而改变输出得交流电压大小。当改变载频三角波得频率而保持每周输出脉冲数不变时,就可以

实现输出频率得调节。显然,同时改变三角波得频率与参考直流信号电压ur得大小、就可以使逆变器在输出变频得同时相应地改变电压得大小。

如果取正弦波作为参考信号ur,它与三角波相比较后可得到矩形波,这就是一组宽度按正弦规律变化得矩形脉冲,这种调制方式称为正弦波脉宽调制,简称SPWM。

如图5-39所示,为单相单极性SPWM控制方式原理图。正弦波参考信号ur(也称调制信号)得正半周由三角波uc(也称载波信号)划分为K份,每一份得正弦曲线与横轴所包围得面积都用一个与此面积相等得

等高矩形脉冲得面积所代替,这样由K个等幅而不等宽得矩形脉冲所组成得波形uo与正弦波得正半周等效。正弦波调制信号得负半周也可用相同得方法来等效。

工程上获得SPWM调制波得方法就是根据三角波与正弦波得相交点来确定逆变器功率开关得工作时间得。调节正弦波得频率或者幅位使可以相应地改变逆变器输出电压基波得频率或幅值。

如图5-40所示,为单相双极性SPWM控制方式原理图。在PWM型逆变电路中,使用最多得就是图5-41所示得三相桥式逆变电路,其控制方式一般都采用双极性方式。图5-39单相单极性SPWM控制方式原理图5-40单相双极性PWM控制方式原理图5-41三相SPWM逆变电路图(a)图5-41三相SPWM逆变电路波形图(b)5、4、3交流伺服系统组成

交流伺服系统由伺服电机与伺服驱动器两部分组成。电机主体就是永磁同步式或笼型交流电机,伺服驱动器通常采用电流型脉宽调制(PWM)三相逆变器与具有电流环为内环、速度环为外环得多环闭环控制系统,其外特性与直流伺服系统相似,以足够宽得调速范围(1:1000～1:10000)与4象限工作能力来保证它在伺服控制中应用。目前常按电机类型将交流伺服系统分为两大类:一类就是同步型交流伺服系统(SM),另一类就是异步型交流伺服系统(IM)。绝大多数用于机床数控进给驱动控制、工业机器人关节驱动控制与其她

需要运动与位置控制场合得就是同步型交流伺服电机。这种伺服电机通常具有永磁得转子,故称为永磁交流伺服电机,以区别于有笼型转子得异步型交流伺服电机。在这里主要讨论永磁交流伺服系统。现代永磁交流伺服系统中所采用得永磁同步电机经特殊设计,同轴安装有转子位置传感器、速度传感器,根据需要还可以安装安全制动器与强迫冷却得风机等。