三相交流异步电动机变频控制

三相交流异步电动机前端盖机座风罩（和后端盖固定在一起，风扇在后端盖外）接线盒三相驱动电源U、V、W（由变频器提供）定子绕组定子铁心笼型转子去掉铁心后导条三相交流异步电动机的定子铁心由硅钢片叠合而成，线圈槽中嵌有三相对称绕组，外接三相交流电源；转子也由硅钢片叠合而成，线圈槽中铸有导条（通常为铝导条），去掉铁心后，剩下的导条形似鼠笼，因此，三相交流异步电动机俗称鼠笼式电动机。变频控制三相交流异步电动机UXWZVYUVWZYXn1n2UVW定子绕组展开图当定子绕组通入三相对称电流后，在三相绕组中产生旋转磁场，其转速n1称为同步转速。旋转磁场切割笼形转子中的导条，并在导条中产生感应电流，这样，导条在磁场中产生电磁力并形成电磁转矩。转子沿磁场旋转方向以转速n2旋转。因为转子转速只能小于同步转速，故称为异步电动机；又因为转子导条的电流是由旋转磁场感应而来，所以又称为感应电动机。变频控制三相交流异步电动机3Y（星形）接法UVWZYZUWXYZV接法3UVWZYZBUZVYXWUVW改变接入电源的相序，可使旋转磁场转向发生改变，就可实现电动机的正反转控制。改变电源的频率可实现电机的转速控制，但在改变频率的同时还要改变电源电压，这是三相交流异步电动机变频调速的基础。接线盒接线盒pfn116011144.4fNU同步转速：主磁通：定子绕组极对数定子绕组电源频率定子绕组电源电压定子绕组匝数变频控制交流主轴电机一般采用三相交流异步电机，并采用通用变频器进行驱动。若机床主轴对转速有很高的要求，并有C轴或定向控制时，交流主轴电机就要采用光电编码器作为检测器件，并采用矢量控制的变频器。1－前轴承座2－笼型转子3－定子三相对称绕组4－接线盒5－后轴承座6－主轴编码器7－端盖8－风扇1PH7交流主轴电动机变频控制为了得到等效正弦波，需要输出一系列幅值相等而宽度不相等的矩形波。用三角波u△作为载波，通过对正弦波控制信号uc进行调制就可获得可以得到SPWM波形u，调制后生成的脉冲信号u控制大功率晶体管的导通、截止，经功率放大后，最后生成随正弦波控制信号uc变化的等效正弦波来驱动交流电动机。正弦波脉冲宽度调制（SPWM）变频控制IGBT功率模块SPWM控制电路设定VT1~VT6导通、关断直流母线主电路1.组成变频控制主电路左侧是桥式整流电路，将工频交流电变成直流电；中间是滤波环节，A、B两条线路为直流母线；右侧是逆变器，用VT1~VT6六只大功率晶体管把直流电变成三相交流电U、V、W。功率放大后的U、V、W是脉宽按正弦规律变化的等效正弦交流电，正是这个正弦波交流电保证了交流伺服电机的运行。改变大功率晶体管的开关频率，可实现电机的调整；改变大功率晶体管导通、截止的开关逻辑，可改变U、V、W三相相序，实现电机的转向控制。主电路变频控制2.IPM智能功率模块把一部分控制电路功能和功率开关器件集成在一个模块，即智能功率模块(IntelligentPowerModules）。IPM一般用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器并与驱动电路集成。非常适合于变频器、逆变电源、伺服进给驱动装置作为理想的电力电子器件。日本三菱电机公司的PM50RHA120智能功率模块，由IGBT功率开关构成三相逆变部分和再生制动部分。保护电路包括欠电压、开关过电流、桥臂短路及过热等系统保护功能，提高了系统抗干扰能力和可靠性。该IPM耐压1200V，额定工作电流50A、开关时间ton=2μs，toff=3.5μs。可用于开关频率20kHz以上、7.5kVA（5.5kW）三相交流伺服电动机的控制。变频控制通过改变感应电机三相绕组电源的频率可改变电动机的转速。根据E=4.44f1W1K1，当采用变频调速时，若定子电势E保持恒定，则随着频率f1的上升，气隙磁通势必下降，电机输出转矩下降；另一方面，若频率f1下降，势必造成磁通的增加，使磁路饱和，励磁电流上升，电动机发热就比较严重，这也是不允许的。变频调速基础变频调速时，在调节频率f1的同时，也要相应地改变定子的电势E，以维持气隙磁通不变。频率较高时，可认为定子电压U1≈E，则变频调速为恒压频率比控制方式，即U1／f1＝常数1.恒压频比变频调速变频器变频控制在额定频率f1e以下范围内，当频率较高时，可忽略定子绕组压降，则E1≈U1。如果同时改变定子电压U1电源频率f1，并保持U1/f1为常数，则感应电动机电磁转矩的最大值是基本不变的。但是，随着频率f1的降低（此时定子绕组压降不可忽略），最大转矩Tmax将越来越小。当f1很低时，Tmax下降很多，将限制电动机的带载能力，此时必须提高定子电源电压U1，以补偿定子压降，维持带载能力不变。在改变f1的同时改变U1，维持恒压频比，感应电动机的直线段特性与直流电动机的机械特性是相似的，这种调速方法称为恒压频比变频调速。恒压频比调速是一种速度开环调速，不能够对变化的负载转矩进行实时调速。变频调速基础Tmax变频控制变频调速基础2.转差频率控制当感应电动机稳定运行时，转子转速n近似于同步转速n1，电磁转矩Tem为：其中△f＝f1－f，为转差频率，f1为定子电源频率，f为转子频率。因此，若维持E1/f1为常量，则电磁转矩Tem与转差频率△f成正比，因而可以通过控制△f实现转矩Tem的调节。这种变频调速方法称为转差频率控制。在转差频率控制中，要解决两个问题：一是转差频率△f获得，这样必须在感应电机上安装测速装置如测速发电机或光电编码器，用来检测转子转速；二是控制定子电流以维持气隙磁通不变，以保证E1/f1为常量。转差频率控制是一种转速闭环控制，可以应对慢变化的负载转矩，达到调速的目的。ffET211em)/(变频控制UVW通用变频器通用变频器是根据恒压频比控制或转差频率控制原理组成的一种交流感应电动机调速装置。通用变频器能很好地满足低动态要求的变频调速，但是不适用于高动态性能的变速传动。变频控制主电路中，R0的作用是限制起动时的大电流。合上电源后，R0接入，以限止起动电流。经延时，触点KA闭合或晶闸管VT导通（图中虚线部分）将R0短路，避免造成附加损耗。Rb为能耗制动电阻，制动时，异步电动机进入发电状态，通过逆变器的续流二极管向电容C反向充电，当中间直流回路电压（P、N点之间电压，俗称“泵升”电压）升高到一定限制值时，通过泵升限制电路使开关器件Vb导通，电容C向Rb放电，这样将电动机释放的动能消耗在制动电阻Rb上。对于频繁起制动的电机驱动，要用外接制动电阻单独接在变频器外，以取代变频器内部的制动电阻，这时，要用短接棒将内部制动电阻短接。变频器中的定子电流和直流回路电流检测一方面用于补偿在不同频率下的定子电压，另一方面用于过载保护。控制电路中的单片微机一方面根据设定的数据，经运算输出控制正弦波信号，经SPWM调制，由驱动电路驱动六个大功率晶体管的基极，产生三相交流电压U、V、W驱动三相交流电动机运转；另一方面，单片微机通过对各种信号进行处理，在显示器中显示变频器的运行状态，必要时可通过接口将信号取出作进一步处理。通用变频器变频控制变频器内部组成控制线路板逆变器输出三相电源（U、V、W）线棒电网三相电源（R、S、T）接线端子U、V、W及接地等接线端子电流传感器大功率晶体管模块整流元件卸掉控制线路板、线棒和电流传感器后变频控制矢量控制矢量控制理论上世纪70年代西门子公司工程师F.Blaschke首先提出，用来解决交流电机控制问题。磁场定向原理：分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转距的目的。利用“等效”的概念，将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅度和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。变频控制矢量控制的性能特点不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机的转距。异步电动机上需同轴安装编码器，用于转子角位移测量和转速测量。矢量变频器具有异步电动机参数自动检测、辩识和自适应等功能。在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对异步电动机进行有效的矢量控制。矢量控制变频控制微处理器1负责速度控制、扭矩控制、矢量计算、中间电路调节器控制、电网端变流器的整流和逆变控制以及输入/输出信号控制；微处理器2负责磁场定向控制、控制正弦波生成、SPWM调制以及电流调节控制。由于微处理器的使用，驱动装置的驱动特性可通过键盘和数码管显示设置参数，由软件来执行。采用矢量变频器控制的交流主轴驱动还有其他一些功能：通过增加C轴控制选件，使变频器本身具有进给功能。采用主轴定位选件，由变频器本身完成主轴准停控制（详见第六章“数控机床伺服系统”）矢量变频器变频控制