电机速度调制

燕山大学机械工程学院机械工程学院06级机电专业学生讨论课探讨课题：电机速度调制10组成员：崔岩连东张彬孙伟华燕山大学机械工程学院电机速度调制内容概要简介：电动机的调速就是根据生产机械的需要，在同一负载转矩下调节其转速，以满足生产过程的要求。例如车床的主电动机随着工件与刀具不同、材料不同、加工工艺不同，需要有不同的转速，以保证工件的加工质量。如果采用电气调速，则可以简化机械变速机构。燕山大学机械工程学院10组探讨课题：电机速度调制•1.常用交、直流电机的主要调速原理。•2.重点分析脉宽速度调制原理。燕山大学机械工程学院一．常用的交、直流电机的主要调速原理•交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。三相异步电机同步电机燕山大学机械工程学院现状分析：在中国，电源频率为50赫，所以二极电机的同步转速为3000转/分，四极电机的同步转速为1500转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10％以内。由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。燕山大学机械工程学院1.交流电机（三相异步电机）的调速原理电动机的速度公式为n=(1-s)n0=(1-s)60f1/p其中n为电机转速，n0为同步转速，s为转差率，f1为电源频率，p为极对数。此式表明，改变转速有三种方法：改变电源频率f1、极对数p和转差率s.前二者常用于笼型电动机调速，后者用于绕线转子电动机调速。燕山大学机械工程学院（1）变频调速•近年来变频调速技术发展很快，目前主要采用如图10-1所示的变频调速装置，它主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将频率f为50Hz的三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率f1可调、电压有效值U1也可调的三相交流电，供给三相鼠笼式电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械特性。燕山大学机械工程学院图10—1燕山大学机械工程学院•在f1f1N，即低于额定转速调速时，应保持U1/f1的比值接近不变，也就是两者要成比例的同时调节，这是磁通φm和转矩T也都近似不变，这是恒转矩调速。如果把转矩调低时U1=U1N保持不变，在减f1时磁通φm则将增加，这就会使磁路饱和，从而增加励磁电流和铁损，导致电动机过热，这是不允许的。•在f1f1N，即高于额定转速调速时，应保持U1≈U1N。这时磁通φm和转矩T都将减小，将使功率近于不变。这是恒功率调速。如果把转矩调高时U1/f1的比值不变，在增大f1的同时增大U1也要增加。U1超过额定电压也是不允许的。•频率调节范围一般是0.5～320Hz。燕山大学机械工程学院（2）变极调速•由式n0=60f1/p可知，如果极对数p减小一半，则旋转磁场的转速n0便提高一倍，转子转速n也差不多提高一倍，因此改变p可以得到不同的转速。极对数同定子绕组的接法有关。•图10-2所示的是定子绕组的两种接法。将A相绕组分成两个绕组：线圈U1'U2'和U1''U2''。图10-2a中是两个线圈串联，得出p=2.图10-2b中是两个线圈反并联（头尾相联），得出p=1.在换极时，一个线圈中的电流方向不变，而另一个线圈的电流必须改变方向。•双速电动机在机床上用得较多，像某些镗床、磨床、铣床上都有。这种电动机的调速是有级的。燕山大学机械工程学院图10—2a)p=2b)p=1燕山大学机械工程学院（3）变转差率调速•在绕线转子电动机的转子电路中接入一个调速电阻。改变电阻大小，可以得到平滑调速。例如增大调速电阻时，转差率s增大，而转速n下降。这种调速方法设备简单，但电能损耗较大。在起重设备中这种方法较为多见。燕山大学机械工程学院直流电机燕山大学机械工程学院2.直流电机的速度调制直流电动机的机械特性也就是它的调速公式：n=U/CeΦ-RT/CeCtΦ2式中U---加在电枢电路上的电压；R---电动机电枢电路总电阻；Φ--电动机磁通；Ce---电动势常数；Ct---转矩常数；T---电动机电磁转矩。燕山大学机械工程学院•从机械特性方程式可知，改变电枢电路电阻R，外加电压U及磁通Φ中的任一参数就可调速。下面分别介绍这三种方法:改变电枢回路电阻；改变电枢电压；改变激磁绕组电压。Ⅰ.改变电枢电路串联电阻调速由直流电动机的调速公式知，当电枢电路串联附加电阻Rs时，见图6-1，其特性方程为燕山大学机械工程学院N=U/CeΦ-(Ra+Rs)T/CeCTΦ2=n0-βT从方程中可知特性的斜率增加了，转速降增加了因而实际转速降低了。电枢电路串电阻调速的物理过程：当电动机在A点稳定运行时，电枢串接电阻Rs1，接入电阻瞬间，由于拖动系统的机械惯性，转速n来不及变化，则电枢电流减小，由A点过渡到B点，此时TTL，电动机减速，电动势减小，电枢电流回升，直到I=IL，即T=TL时，在低速C点稳定运行，电动机减速。由于电枢电路串电阻调速，特性很软，稳定性差，在实际应用中有时在电枢电路内采用串并联电阻的调速方法。燕山大学机械工程学院图6-1直流电动机改变Rs调速电路图6-2Rs为不同值时的机械特性燕山大学机械工程学院调速的优缺点：（1）当空载或轻载时，调速范围很小，效果不明显。（2）实现起来困难，越低特性越陡。（3）调速不平滑，只能有级调速。（4）电阻消耗大量电能，还应注意，调速电阻比起动电阻容量大很多，所以不能够用启动电阻作调速用。燕山大学机械工程学院Ⅱ.改变电动机电枢供电电压调速（1）调速的方法应用较多的调速系统有以下几种：a.直流发电机-电动机组调速系统。b.用交磁放大机控制的直流电机调速系统。c.用交磁放大机控制的直流发电机-电动机调速系统。d.用晶闸管控制的直流电机调速系统。改变电动机供电电压调速的机械特性方程式为N=Ur/CeΦ-(Rr+Rs)T/CeCTΦ2燕山大学机械工程学院式中Ur---整流电压，对于直流发电机-电动机组来说，Ur就是发电机的感应电动势Eg；Rr---整流装置内阻，对于直流发电机-电动机组来说，Rr即发电机电枢电阻。燕山大学机械工程学院调速的特点a.调节平滑，可以实现无级调速。b.转速降不变，特性硬度大，稳定性好。c.属于恒转矩调速，并在空载或负载转矩时也能得到稳定转速。d.需要具备电压可变的电源，相对来说设备较多。燕山大学机械工程学院Ⅲ.改变磁通调速在电动机励磁绕组电路中，改变Re的大小，见图6-6；或用专门的励磁调节器AMR来控制励磁电压。其特性方程为N=UN/CeΦ-RaT/CeCTΦ2=UN/CeΦ-RaI/CeΦ燕山大学机械工程学院图6-6改变励磁磁通的调速电路--串联电阻调速燕山大学机械工程学院二.脉宽速度调制技术•内容概要简介：•脉宽调制技术是利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲系列，以实现变频、变压。燕山大学机械工程学院燕山大学机械工程学院•所说的PWM调速，是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，从而使电动机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。即将直流电压转换成脉冲宽度可调的某一频率的矩形波电压，给伺服电动机的电枢回路供电。通过对矩形脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，从而达到电动机调速的目的。燕山大学机械工程学院•如图所示，如果开关S按一定的频率闭合和断开，则电压加直流电动机电枢上的电压波形是若干个脉冲波，见图10-3，其高度在电源电压U,每个脉冲的宽度为t1，每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比α为:α=t1/(t1+t2)•加在电枢上的电压的平均值为Ud=αU•显然，电压的平均值和占空比成正比，调节它的占空比，也就是调节逆变管导通时间与关断时间之比，即可改变电压，从而改变直流电动机转速。燕山大学机械工程学院图10-3PWM调速系统原理图燕山大学机械工程学院•利用脉冲跨度调制逆变器可实现变频和变压。如图10-4所示，控制各逆变管道通与关断时间，获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲，因电压的平均值和占空比α=t1/(t1+t2)成正比，所以在调节频率的同时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图相比，图10-4所示电压周期增大（频率降低），而占空比α'=t1'/(t1'+t2')减小，故平均电压降低。燕山大学机械工程学院图10-4脉宽调制的输出电压燕山大学机械工程学院•采用PWM方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相等，宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电压，改变调制周期可控制其输出频率，同时实现变压和变频。因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电动机来说，有用的是电压的基波。为了减少谐波影响，提高电动机的运行性能，应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电。正弦波脉宽调制型逆变器(SPWM)的输出端可获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。燕山大学机械工程学院几种典型的PWM变换器简介：燕山大学机械工程学院参考文献：［1］张岳山，谢运祥，何志伟.交流传动系统PWM技术的近期发展及展望［J］.微电机，1999，32(1)：28—31.［2］陈国呈.PWM变频调速技术［M］.北京：机械工业出版社；1998.[ZK]][3]张晓辉，荣雅君.电工技术.北京:机械工业出版社,2002[4]胡占齐,杨莉.机床数控技术.北京:机械工业出版社,2007.5燕山大学机械工程学院