第四章 机电传动速度连续控制

机电传动速度连续控制概述电力电子器件简介直流电机无级调速系统交流电机无级调速系统4.1概述无级变速指可以连续获得变速范围内任何传动比的变速系统。通过无级变速可以得到传动系与发动机工况的最佳匹配。常见的无级变速器有液力机械式无级变速器和金属带式无级变速器（VDT-CVT）。一、调速指标maxminnDnmaxn在选择和评价某种调速系统时，应考虑下列指标：调速范围、调速的稳定性及静差度、调速的平滑性、调速的负载能力、经济性等。1.技术指标1)调速范围调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速与最小转速之比，即minn2)调速的相对稳定性和静差度所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。斜率大的机械特性在发生负载波动时，转速变化较大，这要影响到加工质量及生产率。生产机械对机械特性的相对稳定性的程度是有要求的。如果低速时机械特性较软，相对稳定性较差，低速就不稳定，负载变化，电动机转速可能变得接近于零，甚至可能使生产机械停下来。因此，必须设法得到低速硬特性，以扩大调速范围。静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值，用百分数表示，即000100%100%nnnnn4.2电力电子器件简介晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极;晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管的工作条件：1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。4.3直流电机无级调速系统直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，反之则称为直流发电机。直流电动机具有调速范围广且平滑，起、制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点，常用于对调速有较高要求的场合。直流电动机的结构图1—风扇；2—机座；3—电枢；4—主磁极；5—刷架；6—换向器；7—接线板；8—出线盒；9—换向极；10—端盖1—固定主磁极的螺钉；2—主磁极铁心；3—励磁绕组主磁极1—换向极铁心；2—换向极绕组换向极1—刷握；2—电刷；3—压紧弹簧；4—铜丝辫电刷装置电枢铁芯换向器直流电动机的工作原理直流发电机直流电机励磁方式直流电机励磁方式他励直流电机调速电压平衡方程式nCEE式中为电枢电阻，该平衡方程式表示了直流电动机在电动机运行状态下的电枢电动势E总小于端电压U。RIREU转矩表达式ICTTKTnTCCRCUnTEE02串电阻调速他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持端电压额定，励磁电流额定。电枢回路串接不同电阻。改变人为机械特性实现调速。下图表示他励直流电动机拖动恒转矩额定负载时改变电枢回路电阻的调速特性。采用串电阻调速的优点是实现简单，适用于低速短时运行的拖动装置。其缺点是：调压调速利用可调压电源供电，可实现调压调速，但受电机绝缘耐压的限制，只能低于额定电压调压调速。调压调速的特性如图所示。调压调速的机械特性硬度不变，但随电压降低静差率增大，励磁电流额定时，可实现恒转矩调速。转速只能低于额定转速，但在允许静差率的范围内可获得比串电阻调速更宽的调速范围，一般可达10～20。当调压电源可连续平滑调压时，拖动系统可实现无级平滑调速。调压调速过程中能量损耗较小，因此调速经济性较好。Tem0nnNUTNNnA1U01nA’B1n调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点弱磁调速由于电机额定运行时，励磁电流巳使磁路接近饱和。因此调节励磁调速只能小于额定励磁往下调，故称弱磁调速。小容量直流电机可在励磁回路串接调节电阻实现调速。而大容量直流电机必须用专用可调电源供励磁绕组调节电流。在端电压和电枢电流额定的条件下减小励磁调速，电机转速将高于额定转速，电磁转矩低于额定转矩，但电磁功率恒定，因此属于恒功率调速。01n1A’1nBNTemnTN0nANn调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点弱磁调速的优点是控制方便，调速平滑，经济性好，但调速范围窄，受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高。调节励磁过程调速要防止弱磁造成飞车现象。他励直流电动机电力拖动系统中，广泛使用调压调速和弱磁调速协同调速的方法，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速，以满足各种生产机械的调速要求。直流电动机的起动电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。这里分析稳态起动，即n=0，Ea=0的瞬间，起动电流将很大。起动问题是评价电动机性能的重要方面之一，这是一个动态过程。但这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。直流电动机起动的基本要求是：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小，限制在安全范围之内；（3）起动设备简单、经济、可靠。RUIEn，，所以00直流电机在起动时，I可突增至额定电流的十多倍，故此必须加以限制，在保证产生足够的起动转矩下aTICT因为尽量减小起动电流，一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.5~2）IN。直流电动机的起动方法有：直接起动，电枢回路串电阻起动和降压起动，一、直接起动（即全压起动）操作方法简便，不需任何起动设备，只需两个开关（励磁开关K1和电枢开关K2）。起动时，先合上K1，给电机加励磁并调励磁电阻Rpf，使If最大，确定磁场已建立后，合上K2，在电枢绕组上直接加额定电压。起动时冲击电流很大，可达（1020）IN，从而冲击电源电压，影响同一电源的其他设备正常运行。还对电机本身造成换向困难引起较大火花。故全压起动仅用于微小型电动机的起动。二、电枢回路串变阻器起动为限制起动电流，在起动时将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，再逐级将起动电阻切除三、降压起动当他励直流电动机的电枢回路由专用的可调压直流电源供电时，可以采用降压起动的方法。起动电流将随电枢电压降低的程度成正比地减小。起动前先调好励磁，然后把电源电压由低向高调节，最低电压所对应的人为特性上的起动转矩Ts1TL时，电动机就开始起动。起动后，随着转速上升，可相应提高电压，以获得需要的加速转矩。直流电动机的制动一台生产机械工作完毕就需要停车，因此需要对电机进行制动。最简单的停车方法是断开电源，靠摩擦损耗转矩消耗掉电能，使之逐渐停下来，这叫做自由停车法。自由停车一般较慢，特别是空载自由停车，更需较长的时间，如希望快速停车，可使用电磁制动器，俗称“抱闸”。也可使用电气制动方法，能耗制动、反接制动。一、能耗制动并励电动机能耗制动接线图并励电动机反接制动接线图二、反接制动反接制动缺点：能量损耗大，转速下降到零时，必须及时断开电源，否则将有可能反转。交流电机无级调速系统从式可知，三种调速方法：(1)变极调速：改变极对数p，以改变电动机的同步转速n1;(2)变频调速：改变电源频率ƒ1，以改变n1;(3)改变转差率s：改变电压、改变定、转子参数等调速及串级调速。)1(60)1(11spfsnn一、变极调速(一)变极调速基本原理在ƒ不变的条件下，电动机的极数增加一倍，同步转速n1就降低一半，电动机的转速n也几乎下降一半。利用改变定子绕组的接法来改变极数，这种电动机就称为多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，这时转子的极数能自动地与定子极数相适应。a)2p=4b)2p=2c)2p=2二、转子电路串接电阻调速只能适用于绕线转子感应电动机。优点:方法简单，设备投资不高，在中小容量的绕线转子感应电动机中得到广泛应用，如桥式起重机。缺点：(1)转子串接的电阻越大，β值越大，特性越软，在低速时就限制了最低转速不能太小，故调速范围不大，仅为2～3。(2)增加了转子铜耗，调速的经济性欠佳。二、变频调速一般变频调速采用恒转矩调速，希望最大转矩Tm保持为恒值，根据式，应保持气隙磁通Φ不变。从电动势公式可知，若要使Φ1为定值，则=常数221cosICTTem11111144.4WKNfEU1'11'1ffUUU1/ƒ1=常数时变频调速恒转矩和恒功率变频调速的机械特性的机械特性优点：（1）平滑性好，可实现无级调速；（2）调速范围大；（3）机械特性的硬度不变，稳定性好，尤其适用于笼型感应电动机的调速；（4）可实现恒转矩和恒功率变频调速，以适应不同负载要求。缺点：需要专用的变频电源，成本较高。近年来随着晶闸管技术的发展，变频调速的应用越来越广。43变频器原理分类(1).控制方式:压频比:U/F矢量控制:磁场定向控制直接转矩控制(2).功能:自动加减速可编程运行节电运行电机参数辩识通信,反馈44变频器原理二.变频器类型(1).变换频率方法:交—直---交交—交:正反向电源,fmax=30(2).主电路工作方式电压型:用电容电流型:用电感,可频繁可逆运转45变频器原理二.变频器类型(3).按调压工作方式:PAM:脉冲幅值调制PulseamplitudemodulationPWM:脉冲宽度调制Pulsewidthmodulation(4).工作原理u/f,vvvfVC:矢量(vectorycontrol)20世纪70年代德国人Bleschke定子电流:励磁电流产生磁场转矩电流产生转矩,同时控制定子电流的幅值,相位46变频器原理二.变频器类型(6).按用途分:通用型:VVVF风机,水泵,机床,电梯,车辆高性能VC:交流伺服—数控主轴高频变频器:3K,2极电机180000r/min高压变频器:3Kv,6Kv,10Kv,5000Kw47变频器原理三.变频器运行知识1.n=60f(1-s)/p,f变-n变,但如V不变,φ↑→I↑→烧电机.所以必须控制U/F的比值为恒定.另低速时,电机散热不好.2.节能(主要应用)控制转速---风机,水泵,压缩机风量与转速成正比,所需动力与转速三次方成正比即,流量80%:动力0.83=50%50%:动力0.53=13%48变频器原理3.V/F曲线和电机的转矩特性(1).V/F恒定—恒转矩为了提高低速时的转矩将低频电压提高VF(2).恒功率f50Hz,v=380,此时电机为恒功率特性(3).二次衰减---风机,水泵低速时,不需要很大的转矩VF(4).变频器在高/低频运行时注意问题a.高频:f72Hz,机械本体离心部件强度下降,轴承b.f20Hz,电机散热不好,可选用变频电机49变频器原理变频器原理(电压型—交-直-交)(1).整流AC-DC:三相/二相,整流桥(2).逆变DC-AC元件:GTR(晶体管),GTO(可控硅),IGBT(绝缘栅双极晶体管)53变频器在数车床床上的应用CAK6136CAK6150DJ54变频器在数铣床床上的应用XK714A数控雕铣机