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1、第二章 电动机的无级调速,第一节速度控制的基本概念和指标第二节直流电动机的速度控制第三节交流电动机的调速系统第四节调速装置的选择与使用,第一节速度控制的基本概念和指标,一、速度控制的基本概念二、调速系统的静态技术指标三、负载的类型与调速方式的匹配,一、速度控制的基本概念,1.速度控制2.调速的必要性3.机床的调速方法,1.速度控制,图2-1电动机的调速及速度变化,电动机的速度控制，又称电动机的调速。是在机械传动系统中人为地或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。,所谓调速，是在机械传动系统中人为地或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。调速和由于负载变动引起
2、的转速变化是不同的概念，例如在图2-1中所示的，人为的使电压由UN降至U1时，在保持负载转矩为Tc不变的条件下，稳态时的转速由na降至nb，称为调速。若U=UN不变，负载转矩由Tc增加至Tc，则稳态时的转速将自动地由na降至nc，这称为由负载变动而引起的速度变化(或转速波动)。,2.调速的必要性,图2-2直流电动机的机械特性,图2-2为直流电动机的机械特性,调速是机床对其电力拖动系统提出的重要要求。机床不仅要求调速，在许多情况下还要求速度稳定(稳速)。,它是向下倾斜的，可见即使固定在某一转速下工作，如工作在A点，但在加工时，由于电源电压的波动，工件毛坯余量不同，材质不均匀，摩擦力变化等原因，必
3、然引起负载转矩Tc的变化。,3.机床的调速方法,(1)机械有级调速在卧式车床、钻床、铣床、小型镗床等机床主传动中，常常采用不调速的笼型异步电动机拖动。(2)电气和机械配合的有级调速机床的传动系统采用多速异步电动机，再与齿轮变速箱传动比相配合而获得不同的转速。(3)电气无级调速就是机床执行机构所需的不同转速是通过直接改变电动机的转速而实现的，这种机床的齿轮变速箱改为减速器，从而使机床的传动系统变得很简单，这一点对重型机床来说是非常重要的，同时电气无级调速系统调速范围宽、控制灵活，可以实现远距离操作。,二、调速系统的静态技术指标,静态技术指标主要有调速范围D，静差率S，调速的平滑性和经济性以及系统
4、与负载配合的能力等，它们反映了调速系统的稳定性能。1.调速范围D2.静差率S3.调速的平滑性4.调速的经济性,图2-3不同转速对S的影响,1.调速范围D,在额定负载转矩TN下，电动机的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围D，即,如图2-3所示，通常将nmax视为电动机的额定转速nN。一般希望调速系统D大一些好。,2.静差率S,静差率S是指电动机由理想空载增加到额定负载时，对应的转速降nN与其理想空载转速n0之比，采用百分数表示，即,静差率主要表示负载变化时，调速系统转速变化的程度。在同一负载下，高速运行和低速运行时，转速降n是相同的(图2-3)但在高速和低速运行时，对应的理想空载
5、转速n01和n02却不同，n01n02，显然高速时S较小，低速时S较大，当低速时S能满足要求的话，则高速时就更能满足要求了，所以用调速范围D内最低速时的静差率代表系统能达到的静差率。通过利用已有的数学式，可以找到D、S和nN三者之间的关系为,由式(2-3)可见，nN一定时，要求S越小，则调速范围D也越小；若要满足D和S的要求，则要设法使nN减小。,2.静差率S,表2-1几种生产机械的S与D范围,表2-1给出了几种生产机械的S、D值要求。,3.调速的平滑性,调速的平滑性用两个相邻转速之比表示,即从某一转速ni与能调节到的最邻近的转速ni-1之比来评价。显然值愈小，说明愈平滑，无级调速时1。,4.
6、调速的经济性,用调速的设备费用，能量消耗，维护及运转的费用来评价其经济性。,三、负载的类型与调速方式的匹配,(1)负载的类型需要调速的工作机械是很多的，对调速有各种不同的要求，工作机械产生的转速与转矩的关系称为负载特性。负载特性分为不同的类型，通常的类型有恒转矩负载和恒功率负载。(2)调速方式的匹配对于恒转矩负载，应采用恒转矩的调速方式。对于直流电动机，当励磁=N一定时，采用调节电枢电压或电枢电阻的方法，即为恒转矩的调速方式。同样，恒功率负载采用恒功率的调速方式，也称之为实现了匹配。,第二节直流电动机的速度控制,一、直流电动机的调速方法二、他励直流电动机的开环速度控制三、直流电动机的闭环速度控
7、制系统四、应用举例,一、直流电动机的调速方法,1.直流电动机的调速公式2.改变电枢电压的速度控制方式(调压调速)3.改变励磁磁通的调速方式(弱磁调速),1.直流电动机的调速公式,图2-4他励直流电动机原理图,从电工学知，如图2-4所示他励电动机电路图，稳态时，可写出下列方程式,1.直流电动机的调速公式,式中，Ce为电动机电动势常数；Cm为电动机转矩常数；为磁通；Pd为电动机的输出功率(kW)；Ra、Rs为电枢绕组固有电阻Ra和电枢回路外串电阻Rs。由式(2-5)和式(2-6)可得,1.直流电动机的调速公式,图2-5直流电动机的机械特性,图2-5中n0叫理想空载转速，n叫转速降落，又称为静差。,
8、1.直流电动机的调速公式,由上面的分析可以得出下列结论：1)由式(2-10)可知，直流电动机的调速方法有：改变电枢回路电阻Rs、电枢端电压Ud和磁通三种。2)由式(2-11)看出，直流电动机的速度与反电动势Ed成正比例，也与外施电枢端电压Ud成正比例，同时与磁通成反比。3)式(2-7)和(2-8)表明：若电枢电流Id维持恒定(调速必须遵循的原则)，当改变外施电压Ud，且维持每极磁通不变时，则转矩T不变，而电动机输出功率Pd与速度n成比例变化，它是恒转矩调速；由于受到电动机绝缘条件限制，通常是在额定电压以下调速。4)由式(2-7)、式(2-8)、式(2-11)看出，若维持Ud不变而削弱每极磁通时
9、，则转速n上升，转矩T下降，而输出功率Pd可基本维持不变，所以弱磁调速是属恒功率调速。,图2-6调压与调磁时的机械特性,1.直流电动机的调速公式,图2-6为它励电动机改变电枢端电压和每极磁通时的转速和输出功率、转矩的特性曲线。,2.改变电枢电压的速度控制方式(调压调速),图2-7调压调速的调整过程,由图2-7可见，调压调速的特性有以下特点：,2.改变电枢电压的速度控制方式(调压调速),1)无论是高速还是低速，其机械特性斜率不变，故硬度较高，负载变化时的速度稳定性好。2)电源电压能够平滑调节，故是无级调速，且调速平滑性好。3)由于在恒定励磁条件下电枢电流与端电压无关，即Ud变化时Id不变，对于不
10、变的负载，无论是高速或是低速电枢的铜损耗是不变的，故电能损耗小，但要注意，如果没有外界通风冷却，则电动机本身的散热能力将随着转速的下降而降低。4)调压调速是恒转矩调速，它的性质正好满足恒转矩负载的要求。,3.改变励磁磁通的调速方式(弱磁调速),图2-8调磁调速特性和过程,图2-8为改变磁通调速机械特性曲线。,3.改变励磁磁通的调速方式(弱磁调速),1)弱磁调速是因只能调小而不能调大，故速度只能调高不能调低，称为上调或向上调速。2)机械特性斜率增大，特性变软，负载变化时速度稳定性变差。3)由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，调速平滑。4)弱磁调速是恒功率调速，电动机能长
11、期输出它的额定功率，而输出的转矩随转速升高而降低，这个性质恰好满足恒功率负载的要求。,二、他励直流电动机的开环速度控制,图2-9直流电动机开环调速系统示意图,按照系统有无反馈环节，即输出量是否反馈到输入端，控制系统可分为开环控制和闭环控制。不设反馈环节的，则为开环控制系统；设有反馈环节的，则为闭环控制系统。图2-9是他励直流电动机由晶闸管供电的开环控制系统。系统由晶闸管脉冲触发器BPF、晶闸管变流器UR、滤波电抗器L和直流电动机组成。,图2-9中电抗器L是为了减少晶闸管整流电压的交流分量，起到滤波作用，并使主电路电流波形连续。,二、他励直流电动机的开环速度控制,改变给定电压Ug，就可改变触发电
12、路的控制电压Uk，就可改变控制角和Ud，从而实现调压调速。在这里，一定的Ug对应着一定的n，转速n为输出量或被控量。显然此系统只有输入量对输出量的控制作用，而没有输出量再反馈回来影响输入量之能力，所以它是开环控制系统。,三、直流电动机的闭环速度控制系统,1.闭环控制系统的组成及工作原理2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析3.采用PI调节器的晶闸管电动机转速负反馈系统4.闭环速度控制系统的电流控制5.其他反馈环节在自动调速系统中的应用,1.闭环控制系统的组成及工作原理,(1)电路的构成把输出量再引回到输入端，作为输入量的一部分，就构成闭环系统。(2)工作原理由图2-10看出，电位器RP1给出
13、给定电压Ug，测速发电机输出反馈电压Ufn，两者之差U=Ug-Ufn送入放大触发电路。,图2-10具有转速负反馈的闭环控制系统,(1)电路的构成,图2-10输出量为转速n，通常是把一个测速发电机接到电动机的输出轴上，测速发图2-10具有转速负反馈的闭环控制系统电机的输出就提供一个代表这个电动机实际转速的电压信号，再将这个电压信号送回到系统的输入端与给定值进行比较，从而使系统输出量趋近于给定量，达到其稳速之目的。显然这是一个速度负反馈控制系统。,(2)工作原理,电路在输入信号U的作用下，产生出控制角为的触发脉冲去触发可控整流器，从而控制Ud的大小。由Ud向直流电动机供电，产生相应的转速n带动负载
14、 运转，并同时带动与其同轴相连的测速发电机TG旋转，产生发电机电枢电动势,式中，Cef为测速发电机电动势常数；ef为测速发电机的励磁磁通。而反馈电压,因为Ecfn，所以反馈电压Ufn也与转速成正比例。其稳压过程如下：若给定电压Ug不变，当负载转矩Tc变化时，,这就是说，当负载增加时，引起了速度n下降，通过反馈后，系统又将转速拉回到原来的值，以维持转速基本不变。同理可知，负载减小时也有同样的调整过程。,2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析,图2-11为该系统的方框图(又称静态结构图)。假设该系统为线性系统，则可以写出闭环控制系统几个部分的方程式。(1)放大器输出电压为式中，Kp为放大器的电压
15、放大倍数。(2)晶闸管整流装置的输出电压Ud为式中，Kkz为晶闸管整流装置放大倍数，它包括触发器BPF和晶闸管变流器UR在内。(3)电动机电枢回路电势平衡方程式,式中，Rd为电枢回路总电阻(包括电枢电阻、电抗器电阻等)，Uzx为晶闸管正向管压降(一般Uzx1.2V)。,图2-11转速负反馈系统的方框图,2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析,(4)转速反馈回路，由式(2-12)和式(2-13)得,2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析,式中,Kfn=CefefR2/(R1+R2)为速度反馈系数。将式(2-14)、式(2-15)、式(2-16)、式(2-17)联立求解得该闭环系统的机械特性方
16、程式为,式中，KG为从给定电压到晶闸管整流电压的电压放大倍数，KG=KpKkz;K=KGKfnCc为系统开环总放大倍数；nof为闭环理想空载转速;nf为闭环转速降落。,2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析,(5)开环系统的静特性断开反馈回路与输入端的联系，图2-10所示电路即为开环系统，其机械特性为,如果将开环系统和闭环系统的理想空载转速调到相等，方法是把有反馈的给定电压增大为(1+K)Ug，设开环和闭环转速降分别为nk和nf，可得,由式(2-3)，闭环系统的调速范围Df为,上面两式表明，系统由转速负反馈构成闭环后，在同样大小负载条件下，静态转速降比开环时减少了(1+K)倍，而调速范围则增
17、大(1+K)倍。,3.采用PI调节器的晶闸管电动机转速负反馈系统,(1)结构图2-13为PI调节器的调速系统。(2)稳速过程此处只分析负载波动情况。,(1)结构,图2-13带有PI调节器的调速系统,图2-13为PI调节器的调速系统。从图2-13看出，该系统与有静差系统在结构上，只是用比例积分调节器(即PI调节器)代替了放大器。比例积分调节器的作用是维持速度的恒定，使系统变为无静差系统，因此也叫速度调节器ST。,(1)结构,图2-14PI调节器的原理及特性a)原理图b)特性,(1)结构,如图2-14a所示，在运算放大器的反馈回路中串入电阻和电容，就构成了PI调节器，因此，PI调节器是同时具有比例
18、运算和积分运算两种作用的放大器。假定运算放大器是理想的，则有,式中，Kp=R2/R1；=R2C2，是PI调节器积分部分时间常数。,在刚加入Ui的瞬间，由于电容上的电压不能突变，所以C2相当于短路，此时只有R2起作用，即只有比例运算起作用，故Uo=-KpUi，与此同时C2充电，积分运算开始，使输出电压Uo在比例输出的基础上，叠加-Kp/R2C2Uidt部分(见图2- 14b)。,(2)稳速过程,当稳定运行时，Ui=0，此时PI调节器输出Uo为一定值，对应的整流输出电压Ud也为一定值。 当负载增加时，电流Id也增加而产生IdRd，故引起电动机两端的电压下降，从而使转速n1下降，因此Ufn也下降，U
19、i=Ug-Ufn0，即在输入端加入一个阶跃电压Ui(即误差电压)。此时C2相当于短路，只有比例部分起作用，输出Uo=-KpUi(不考虑刚输入瞬时C2上的电压)，使晶闸管整流电压增加。由于这个电压使电动机转速迅速回升，速度偏差n愈大，调节作用愈强，Uo就愈大，电动机转速回升也愈快，当转速回到原来转速n1以后，n为零，比例调节器产生的电压也减少到零。它起到了加速回升的作用。 在负载增加后，IdRd是有变化的，要维持n1不变，则应在Ud的基础上增加一个Ud，使Ud=IdRd。此时则要靠积分部分起作用了。因为当Ui加入的同时，C2也开始积分，在积分调节器的作用下，晶闸管输出电压开始升高，使晶闸管整流电
20、压再增加一部分电压等于偏差电压Ui的积分。当比例部分不起作用时，即n=0时，由于积分的积累和记忆作用，仍然使整流输出电压维持在Ud+Ud，由Ud平衡IdRd，使电动机端电压不变，从而维持速度恒定。由此可见，比例调节器的作用是缩短调节过程，积分调节器的作用是最后消除偏差，故它是一个无静差调速系统。,4.闭环速度控制系统的电流控制,(1)问题的提出上述分析表明，闭环速度控制是利用转速误差来限制电动机的端电压，以达到稳定速度之目的。(2)引入电流负反馈环节限制冲击电流我们知道，在闭环(反馈)系统中，在恒定值给定的情况下，欲维持某个物理量基本不变，只要引入该量的负反馈控制即可达到。(3)带有截止环节的
21、电流负反馈图2-16为带电流截止环节的转速反馈调速系统，此电路是在电流负反馈电路中加入一个比较电压Ub和串入一个二极管V组成了电流负反馈截止环节。,图2-15电流负反馈转速闭环控制系统,4.闭环速度控制系统的电流控制,图2-15就是把电流负反馈环节加入到转速反馈调速系统中的原理图。,图2-16带有电流截止负反馈的调速系统,4.闭环速度控制系统的电流控制,它的构思的原理是：当电动机电流在允许值以内时，电流负反馈不起作用，系统的运行特性完全与只有转速负反馈时的运行特性一样，当电流超过某一值时，电流负反馈要立即投入工作。,5.其他反馈环节在自动调速系统中的应用,速度负反馈闭环调速系统，是最基本的调速
22、方式，它的调速性能良好。但缺点是：它必须采用测速发电机，由此而带来了安装，维护麻烦和设备投资增加。因此，对于调速精度要求不高的场合，可以采用其他的反馈形式来取代测速反馈，其中应用较多的是电压负反馈、电流正反馈等环节。(1)电压负反馈调速系统如果从并联在电枢两端的电位器RP上取出一部分电压Ufu作为负反馈电压，则构成如图2-17所示的只有电压负反馈的调速系统。差值电压U=Ug-Ufu。图2-18是几种系统的静特性，显然电压负反馈调速系统的特性不如 转速负反馈调速系统的好。所以电压负反馈调速系统一般适用于调速范围D10，S15的场合。该系统的缺点是反馈电压直接取自电枢端电压Ud，并与Ug进行比较，
23、使高低电压混在一起，这是不够安全的，应在反馈回路中加入电压隔离器。(2)电流正反馈和电压负反馈自动调速系统上述分析可知，电动机电枢电阻压降引起的转速降落，电压负反馈不能补偿它。为了补偿电枢电阻压降IdRa，在电压负反馈的基础上增加一个电流正反馈环节，如图2-19所示。电流Id在RI上的电压被反馈到放大触发电路的输入端，且与给定电压Ug极性一致，反馈量与负载电流成正比例，故称电流正反馈。,图2-17电压负反馈调速系统,(1)电压负反馈调速系统,图2-18几种调速的特性 1开环特性2电压负反馈特性 3转速负反馈特性,(1)电压负反馈调速系统,(2)电流正反馈和电压负反馈自动调速系统,图2-19电流
24、正反馈、电压负反馈调速系统,第三节交流电动机的调速系统,一、交流调速概念二、变频调速三、电磁转差离合器调速四、绕线式异步电动机的串级调速,一、交流调速概念,1.概述2.交流调速的方案,2.交流调速的方案,根据异步电动机的转速公式式中，f1为供电电源频率；s为转差率；p为极对数。因此异步电动机有三种基本调速方法：(1)变极调速改变定子极对数p调速。(2)变频调速改变供电电源的频率f1。(3)变转差率s调速 可通过改变电动机的某些参数来改变s，例如定子电压、转子电阻、转差电压等，,(3)变转差率s调速,变s调速可分为：1)转子串电阻调速绕线式电动机转子绕组串电阻。2)调压调速改变定子电压。3)串级
25、调速绕线式电动机转子绕组串电动势。4)电磁转差离合器调速笼型电动机加电磁转差离合器(称转差电动机)。5)无换向器电动机调速系统。6)矢量变换控制系统。,6)矢量变换控制系统。,表2-3异步电动机各种调速方法性能指标的评价,表2-3列举了异步电动机各种调速方案供选择时参考。,二、变频调速,1.变频调速原理2.变频调速的特性3.变频电源,1.变频调速原理,由同步转速no=60f1/p可知，只要频率f1连续可调，就可以平滑地调节转速，但调速时应注意变频与调压的配合。(1)基频额定频率fN以下调速在基频以下调速时，速度调低。但在调节过程中，必须配合着调节电源电压，否则电动机不能正常运行。其原因从电动机
26、电动势电压平衡方程式式中，N为每相绕组的匝数； m为电动机气隙磁通的最大值；K为电动机的结构系数。可知，当f1下降时，如果U1不变，势必使m增加，但电动机在设计时，磁路磁通本已选得接近饱和，因此m上升必然使磁路饱和，励磁电流剧增，这样电动机就无法正常运行。为了防止磁路饱和就应使m保持不变，即应使U1/f1=常数。(2)基频以上调速(速度调高) 当频率上调时，也按比例升高电压这是不行的，因为此时往上调U1将超过了额定电压，很可能会超过电动机绝缘耐压限度，因此频率上调时应保持电压不变，即U1=常数，这时f1升高，m下降，相当于直流电动机弱磁调速。,图2-27异步电动机变频调速时的特性,2.变频调速
27、的特性,图2-27为异步电动机变频调速时的机械特性曲线。,从曲线看出，无论速度是调高(高于基速)，还是调低，n都不变，因此机械特性运行段的斜率也基本不变，它是一族平行的曲线。可见变频调速时，在整个调速范围内，机械特性一直保持着较高的硬度。,3.变频电源,怎样取得经济，可靠的变频电源，是解决异步电动机变频调速的关键问题。现在用的变频电源有：变频机组 静止变频装置 交直交变频 交交变频(1)变频机组变频机组由直流电动机和交流发电机组成，调节直流电动机转速就能改变交流发电机的频率。(2)静止变频装置在静止变频装置中，交直交变频调速系统在机床中用得较多。(3)脉宽调制(PWM)型逆变器,(2)静止变频
28、装置,图2-28交直交变频器的组成,图2-28为交直交变频器的组成。由图2-28看出它由整流调压、滤波及逆变三部分组成。整流调压部分将电网的工频交流电压经整流变成可调直流电压Ud，然后经滤波环节滤波后以直流电压Ud提供给逆变器，逆变器再将直流变换调制为频率和幅值都可变的交流电压。,(2)静止变频装置,1)逆变器(直交变频器)工作原理。2)电压型变频器这种变频器的滤波采用大容量的电容器，见图2-31。3)电压型变频调速系统图2-34为一种电压闭环，频率开环的电压型变频调速系统框图。4)电流型变频器,下面简单介绍逆变器的工作原理。,图2-29逆变器工作原理,逆变器的电路很多，图2-29a为最简单的
29、单相桥式逆变电路原理图。若图2-29a中开关SA1、SA4闭合，SA3、SA2断开，则负载Rfz分别与A、B两点相连，此时直流电源E通过A向Rfz提供电流，经B回到E；若SA1、SA4断开，SA3，SA2闭合时，则电流在Rfz中反向。如果每经T/2时，SA1、SA4及SA3、SA2交换导通一次，则在负载二端的电压(或负载中的电流)波形将为一频率为f=1T的交变方波，如图2-29b所示。,1)逆变器(直交变频器)工作原理。,1)逆变器(直交变频器)工作原理。,图2-30晶闸管组成的逆变器,用晶闸管取代4个开关就得到如图2-30所示的实际电路。很明显交流电的频率取决于每秒内两组晶闸管导通和关断的次
30、数。,图2-31电压型变频器基本结构,2)电压型变频器,这种变频器的滤波采用大容量的电容器，见图2-31。对逆变器部分来说，其直流电源的阻抗(包括滤波器)远小于逆变器的阻抗，故可把逆变器前面部分视为恒压源，其直流输出电压Ud稳定不变。因此，经过逆变器切换后输出的交流电压波形按近于矩形波。,2)电压型变频器,图2-32为简单三相电压型逆变器主回路(不包括换流)线路结构图。设每一个晶闸管的导通角为，使晶闸管按VS1、VS2、，VS6的顺序触发导通，各触发信号彼此相位差/3，换流瞬时完成，则任何瞬间每一个臂上只有一个VS导通，而三个臂上各有一个VS导通。该线路各相输出波形如图2-33所示，显然它是一
31、个六段矩形组成的三相交流波形。图2-32中与晶闸管反并联的二极管作用是：在该晶闸管由截止转为导通时，给负载电流提供一条通道，通过二极管将无功能量反馈给滤波电容。该线路结构简单，故应用比较广泛。它的缺点是：电源侧功率因数低；因存在较大的滤波环节，动态响应较慢。,图2-32三相桥式逆变电路主回路,图2-32为简单三相桥式逆变电路主回路（不包括换流）线路结构图.,2)电压型变频器,2)电压型变频器,图2-33三相逆变器输出电压波形,线路各相输出波形如图2-33,3)电压型变频调速系统,图2-34电压型变频系统方框图,图2-34为一种电压闭环，频率开环的电压型变频调速系统框图。电压调节器和控制角调整器
32、组成控制系统的调压部分；而调频部分由U/F变换器和脉冲分配器组成。调压部分构成闭环控制，使整流器提供稳定准确的直流电压。调频部分是将加在给定器上的指令电压经U/F变换器，变成与速度给定电压相一致的频率指令，脉冲分配器把来自U/F变换器的信号六个一组依次分配并经脉冲放大后，顺序触发逆变器中六个晶闸管，从而实现逆变。,4)电流型变频器,图2-35电流型变频器,图2-35为电流型变频器，它的滤波环节采用大电感Ld，对逆变器来说，其直流电源呈高阻抗，故可看成恒流源，逆变器输出的电流波形接近矩形波，它的优点是由于其恒流性质，直流中间回路直流Id的方向不变，所以不需要设置反馈二极管。大电感Ld还能有效地抑
33、制故障电流的上升率，故过流和短路保护容易，而且动态特性快，所以电流型变频器正日益受到重视。,(3)脉宽调制(PWM)型逆变器,1)问题的提出在变频调速中，调速的同时还要进行调压。2)脉宽调制器的简单工作原理,1)问题的提出,在变频调速中，调速的同时还要进行调压。解决上述问题的办法是用脉冲宽度调制PWM控制方式。其结构如图2-36所示。在这种装置中，逆变器中的电压和频率同时协调控制。这样系统就只有一个功率等级，从而使重量、体积减小，价格降低，而功率因数却得到提高，而且摆脱了滤波环节的迟缓的影响，也就是说上述问题基本上得到了解决。,图2-36PWM逆变器结构,2)脉宽调制器的简单工作原理,图2-3
34、7脉冲宽度调制基本波形,对于图2-30所示的电路，如使VS1和VS4通过高频调制控制，使其在半个周期内重复导通和关断N次，则逆变器输出电压波形为一系列的等幅的矩形脉冲，其每个脉冲的幅值为逆变器输入电压幅值Ud，如图2-37所示(图中N=4次)。而逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲总的导通时间与总的关断时间的比例来控制的。这种控制有两种基本的方法，第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数。第二种方法是改变脉冲宽度，而维持每半周的脉冲数不变，而脉冲的重复频率称为载波频率。,2)脉宽调制器的简单工作原理,图2-38正弦波脉冲调制法,为了使逆变器输出电压波形接近正弦波，可采用正弦波脉冲
35、调制法，如图2-38所示，此种方法是使半周期内多个脉冲的宽度(即晶闸管或晶体管导通的时间)以接近正弦的规律变化，也就是说使半周期内多个脉冲的宽度由小变到大，然后再由大变小，其电压波形如图2-39所示(调制技术、请参考有关书籍)，这就大大减小了高次谐波的成分。,2)脉宽调制器的简单工作原理,图2-39正弦波调制逆变器控制电路波形,电压波形如图2-39所示,三、电磁转差离合器调速,图2-40实心电枢电磁离合器示意图,由笼型异步电动机与电磁转差离合器同轴组成电磁转差离合器调速系统，图2-40为实心电枢电磁离合器示意图，由图看出，这种交流调速装置是一种功率半导体器件控制电磁离合器励磁电流的调速装置。,
36、三、电磁转差离合器调速,1.工作原理2.特性不同的励磁电流下，这种调速系统的机械特性的经验表达式为 n2 = n1-KT2/I4 （2-25）式中，n2为从动部件转速，即输出转速；n1为异步电动机转速；I为励磁电流；T为输出转矩；K为由材料与离合器几何形状等参数决定的系数。如果在调速系统中加入速度负反馈时，如图2-41所示，其调速范围可达101或201左右，从而使电磁转差离合器调速装置适用于印染、纺织和机床等机械上。,图2-41电磁转差离合器闭环调速系统,四、绕线式异步电动机的串级调速,1.问题的提出2.串级调速的一般原理3.串级调速装置及其运行原理4.串级调速的优缺点,1.问题的提出,绕线式
37、异步电动机转子串电阻调速时，最大的缺点是在转子电阻上产生功率损耗，使效率变低。由功率损耗公式：,可知，转子电阻上产生的功耗Pcu2与电动机转差率s成正比，故Pcu2又称转差功率，用Ps表示。当转速降低，s增大时，功率增大，可见，从能量观点来看，转子串电阻调速是将转差功率Ps消耗在转子电阻上，使实际输出的机械功率P减小，由P=T=T2n60可知，在使电磁转矩T维持不变的条件下，将迫使转速n降低，这就是转子串电阻调速的实质。,2.串级调速的一般原理,图2-42转子回路串入附加电动势,假设在转子回路中串入附加电动势Ef，如图2-42所示，Ef的频率与转子电动势E2s的频率相同，而相位可与E2s相同或
38、相反(相位相差180)。,(1)Ef与E2s相位相反由图2-42看出，当Ef与E2s相位相反时，此时转子电流I2减小，在负载转矩Tc一定条件下，转子串入Ef后各量的变化过程为 EfI2TnsI2T也就是说，当I2减小时，输出转矩减小，在负载一定时，电动机将减速，电动机转差率s增大，当电动机转速下降到使输出转矩与负载转矩平衡，则电动机在新的转速n稳定运行，这时电动机的转速比原来的低。这是减速过程，显然Ef越大，n下降越多，调节附加电动势Ef的大小，即可调速。(2)Ef与E2s同相 当附加电动势Ef与E2s同相时，显然I2增大，在Tc一定的条件下，串入Ef后各量的变化过程串入EfI2TnsI2T直
39、到T=Tc。这时电动机在比原来高的转速下稳定运行。这是升速过程，Ef越大，n上升越多。可见，串入Ef后，如Ef与E2s反相，可使电动机在同步转速以下调速，称为低同步串级调速。如Ef与E2s同相，可使电动机朝着同步转速加速。由于后一种串级调速时，产生附加电动势的装置比较复杂，实现起来比较困难，目前还应用不多。,2.串级调速的一般原理,3.串级调速装置及其运行原理,图2-43晶闸管串级调速的原理电路图,要实现串级调速，必须在绕线式电动机转子电路串入一个频率与转子电动势E2s频率相同的附加电动势Ef。图2-43所示为晶闸管串级调速装置的原理电路图。由图2-43看出，绕线式电动机的转子交流电动势经硅二
40、极管整流器整流成直流电压Ud，经平波电抗器Ld滤波后加至晶闸管有源逆变器上，再由晶闸管有源逆变器将直流逆变电压U逆变成交流送到电网上。图中TI为专用逆变变压器，其作用是使逆变器逆变出的交流电压与电网电压匹配。,晶闸管逆变器起到两个作用，一是给异步电动机转子回路提供附加直流电动势Ef；二是把转子回路的转差功率回馈给电网。逆变角与电动机转速的关系。,3.串级调速装置及其运行原理,由电工学可知，绕线式感应电动机其转子所感应的电动势随着转子转速上升而数值减小，频率降低。如果令电动机停转(或起动)时转子每相绕组所感应的电动势为E2，则不同的转速下转子每相绕组所感应的电动势为,该电势经整流后其输出电压为,
41、式中，K1为由整流桥结构所决定的整流系数；U21为电动机转子每相绕组与整流桥的综合电压降。由图2-42可见，另一侧附加在转子电路中的附加电动势是由电源经逆变变压器和逆变器提供，且值为U，表达式为,式中，K2为逆变器结构方式所决定的系数；为逆变角；E为逆变变压器二次侧电压；U22为该电路综合电压降。若忽略直流回路IdR(R为直流回路等效电阻)压降，则Ud=U即,3.串级调速装置及其运行原理,式(2-30)中由于K2、K1、E、E2均为常值，其中第二项中的电压降U22可以近似看作仅与电流成正比的关系项，则转差率s,由式(2-31)可见，只要改变逆变角，就可以顺利地控制串级调速系统的转差率s，从而改
42、变转速n。,4.串级调速的优缺点,1)优点机械特性较硬，调速平滑性好，损耗较小，效率较高，便于向大容量发展。2)缺点功率因数较低，设备较复杂，成本较高，低速时电动机的过载能力较低。,图2-44带速度负反馈的串级调速系统,如果机械调速精度要求较高时可采用双闭环控制，一般用带速度负反馈的自动调速系统。典型结构图：,第四节调速装置的选择与使用,一、目前国内外调速装置生产状况和特点二、选购调速装置的原则三、选用调速装置时应注意的问题,一、目前国内外调速装置生产状况和特点,1.直流调速装置2.交流调速装置,1.直流调速装置,表2-4通用中小功率晶闸管直流拖动系统基本性能,我国直流调速装置已形成多系列多型
43、号产品。表2-4列出了通用中小功率ZC1系列晶闸管直流传动装置的技术参数，其容量范围为0.4200kW，为Z2、Z3系列直流电动机电枢供电的调速装置，有些机床可直接选用合适的型号。,1.直流调速装置,1.直流调速装置,图2-45通用直流调速装置分类,图2-45是由原机械工业部电工局组织的12个设计、研制单位联合设计的调速装置的分类简图。其中，一般工业通用直流调速装置TZS1系列和通用型直流电动机供电装置TDZ1系列由500A晶闸管组成。采用1000A以上晶闸管组成的大功率成套装置也已投入使用。,2.交流调速装置,(1)串级调速晶闸管串级调速装置适用于绕线式异步电动机的转速控制，尤其适用于风机、
44、水泵类负载性质的无级调速。(2)交流笼型异步电动机的交直交变频调速装置交直交变频调速装置可供笼型电动机或同步电动机进行定子变频变压调速控制之用。,(1)串级调速,表2-5晶闸管串级调速装置系列产品规格,晶闸管串级调速装置适用于绕线式异步电动机的转速控制，尤其适用于风机、水泵类负载性质的无级调速。表2-5是晶闸管串级调速装置系列产品规格，串级调速装置的功率因数一般较低(0.40.6)。为提高功率因数，可采用YET系列内反馈串级调速装置，这时功率因数可达到0.620.82；调速时的效率可达到80以上。,(2)交流笼型异步电动机的交直交变频调速装置,交直交变频调速装置可供笼型电动机或同步电动机进行定
45、子变频变压调速控制之用。可用于风机、水泵、离心机、搅拌机、传送带等。该调速装置分为电压型和电流型两种。第三节已讲到，二者主要区别在于由直流变换到交流时的中间滤波环节不同。由于电流型逆变器可采用较少元件实现四象限运行，对所用晶闸管关断时间的要求较电压型的低，且耐受故障能力较强，故电流型交直交变频调速装置的使用范围较广泛。1)电压型变频调速装置主要技术数据见表2-6所示。2)电流型变频调速装置主要技术数据见表2-7所示。3)大功率晶体管脉宽调制(PWM)调速装置。,表2-6电压型变频调速装置,表2-7电流型变频调速装置,3)大功率晶体管脉宽调制(PWM)调速装置。,PWM调速装置分为直流与交流两种
46、，它与晶闸管交(直)流调速系统相比较，主要区别是用晶体管脉宽调制放大器代替了晶闸管变流器，它具有线路简单、所需功率元件较少，系统功率因数高，且脉宽调制频率可高达23kHz，系统反应快，电动机转速运转平稳、调速范围宽等优点。因受电力晶体管耐受电压、电流的制约，目前PWM调速装置容量仅为200kW左右。PWM直流电动机不可逆调速装置技术参数见表2-8所示。PWM可逆调速装置技术参数见表2-9所示。交流电动机PWM调速装置技术参数见表2-10所示。,3)大功率晶体管脉宽调制(PWM)调速装置。,表2-8PWM直流不可逆调速装置技术参数,表2-9PWM直流可逆调速装置技术参数,表2-10PWM交流调速装置技术参数,3)大功率晶体管脉宽调制(PWM)调速装置。,二、选购调速装置的原则,1.直流调速装置与交流调速装置2.直流调速装置的相数3.调速性能指标的满足4.调速装置的容量大小5.经济实用,三、选用调速装置时应注意的问题,(1)所选装置应能长期连续工作。(2)所选装置过载能力。(3)一般装置在电源电压为380-10%时，可保证系统输出额定电压、额定电流。(4)直流调速装置中，要求给定电源精度，在电源电压波动10，温度变化10时，其精度为1。(5)接入调速装置的电源容量越大越好，至少电源变压器的容量要为调速装置容量的5倍以上。,
