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1、第四章 电气调速系统,调速是机床对电力拖动系统要求的主要性能之一调速方法：1、机械有级或无级调速2、机械与电气结合的机械有级或无级调速3、电气无级调速 调速范围宽、稳定性好、控制灵活、远距离操纵,调速方法,调速即速度调节，是指在电力拖动系统中人为地改变电动机的转速，以满足生产机械的不同转速要求（由于负载或电源扰动而引起的电动机转速变化，则不叫调速）。调速是通过改变电动机的参数或电源,一、调速与稳速,4.1 电气调速概述,图41 电动机的调速,电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变它与负载机械特性的交点，使得电动机的稳定转速改变。,4.1电气调速概述,从调速控制原理上可将调速系统分为开环调速
2、系统和闭环调速系统。1、开环调速系统，如图 4一2所示，调速是通过改变给定信号，经过控制环节而实现的。开环控制由于不能克服外界扰动带来的转速变化，故不能进行精确的速度控制。,图 4一2 开环调速系统结构,1、开环系统,稳速使电动机转速不随外界扰动而变化，始终能精确地保持在给的的数值上。,2、闭环系统,图43闭环调速系统结构,2、闭环调速系统，如图4一3所示。由于增加了速度等反馈环节，使系统能很快消除各种干扰，电动机转速不随外界扰动的变化而变化，始终能精确地保持在给定的数值上。,稳速,1、按电源种类可分为直流和交流1）直流调速系统（1）直流发电机直流电动机（GM）系统（2）交磁放大机直流电动机（
3、SKKM）系统（3）晶闸管直流电动机（SCR-M）系统（4）脉宽调制-直流电动机（PWM）系统,二、电动机无级调速的类型,二、无级调速类型,2）交流调速系统（1）变极对数（2）变转差率（3）变电源频率,2、按电动机特性分为恒功率和恒转矩交流 P=KmTn1）恒功率调速 在调速过程中，电动机始终输出额定功率，而输出转矩与转速成反比。其变化特性曲线如图44。适用于工作在计算转速以上的,图44 恒功率变速特性,机床主运动及龙门刨床工作台等恒功率类机械负载。当调到低速时，电动机转矩不得高于额定值。直流调速系统中，该种调速特性由变激磁的方法获得。,1）恒功率调速,2）恒转矩调速 在调速过程中，电动机输出
4、的转矩为额定功率，而输出功率随转速线性变化。其变化特性曲线如图45。大部分机床的进给运动及工作在计算转速以下的主运动，均属于恒转矩类负载。这类运动主要克服,摩擦力，而摩擦力的大小与速度关系不大，故转矩基本保持恒定。直流调速系统中，该种调速特性由调压调速的方法获得。,图45 恒转矩变速特性,2）恒转矩调速,三、调速的性能指标类型,调速系统的性能指标，可衡量调速系统的优劣。常用的性能指标有如下几项：1、调速范围(D)工作机械要求的调速范围，以字母D表示。它等于在额定负载下，电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即 对于采用机械电气配合调速的生产机械，生产机械的调速范围等于电气调速范
5、围与机械调速范围的乘积。现代机械制造的趋势是尽量简化机械传动部分的结构，因此，扩大电动机的调速范围具有非常重要的意义。,三、调速性能指标,表41 机床传动调速范围,表4-1,2、调速的平滑性()调速的平滑性亦称公比。它是用某一个转速与能够调到的最邻近的转速之比来评价的，以字母表示。即：从某一转速调节到另一转速，改变量越小调速的平滑性越好。1称为无级调速，可以实现连续平滑调速。,2、调速平滑性,3、静差度(S)静差度即速度的稳定度。是衡量转速随负载变动程度的静态指标。它表示电动机在某一转速下运行时，机械负载由理想空载变到额定负载所产生的转速降落ne，与理想空载转速n0之比，即 式中 ne 额定负
6、载下的实际转速。,3、静差度,理想空载转速越低，同一转速降所占的比例越大，静差度愈大，转速下降的影响程度愈大，转速的相对稳定性就愈差。因此，对一个系统静差度的要求就是对最低速的静差度的要求，调速范围受到静差度的限制。对一个系统静差度的要求，就是对最低转速静差度的要求。静差度与调速范围两项指标是相互制约的。,图46 转速与S的关系,4、调速的经济性 调速的经济指标，一般是根据设备费用、能源损耗、运行及维护费用多少来综合评价的。,4、经济性,使电动机与被拖动的机械有类似的调速特性。如匹配不好，则电动机的容量就不能得到正常发挥，使系统调速范围受到影响。根据负载的特性正确选择恒功率或恒转矩调速。宽调速
7、范围D受到静差度S的影响，亦受S的限制。,四、扩大调速范围的途径,四、扩大调速范围途径,直流调速系统中机械特性很硬，则有下列关系：,要得到宽调速范围，且静差度又要尽可能小，只有减小静态速度降 ne，实际的方法是提高调速系统的机械特性硬度，引入负反馈环节，如图47。,图47 速度负反馈控制系统。,图4-7,4.2 直流电动机的调速控制,一、直流电动机的基本调速方式及其调速特性,从电工学可知，图48所示他激直流电动机有以下方程：,4.2直流电机调速控制,式中：Ud电动机的电枢电压；Ed电动机的反电势；T电动机的电磁转矩；Rd电枢绕组电阻。Ce电动机的电势常数；Ct电动机的转矩常数；电动机的主磁极的
8、磁通；Id电枢电流；Rd电枢绕组电阻。,直流电动机的机械特性方程式也就是它的调速公式，即,直流电动机的转速由Rd、Ud和 所决定。调速即调 Ud和,理想空载转速,机械特性斜率,转速降落,1、改变电枢电压的调速方式（调压调速）改变电枢电压Ud进行调速的方式。保持磁通和电枢电阻Rd不便，将电枢电压Ud减小，则其机械特性的斜率不变，而空载转速会减小，于是得到一簇以Ud为参数的平行直线。在允许的静差度内，可获得低于额定转速的稳定速度。,1、调压调速,调压调速过程：,调压调速在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定
9、转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。,图49 调压调速的机械特性A1固有特性A2、A3人为特性,图49,调压调速的特点：(1)调节细，可实现无级调速，平滑性好。(2)物性硬度不变，相对稳定性好。(3)调速过程能耗低，可节省减压起动设备，经济性好。(4)调速范围宽（1012）。,2、改变励磁磁通的调速方式（调磁调速）改变励磁磁通进行调速的调速方式。当电枢电流不变时，随着磁通的减小，电动机的转速升高，其输出转矩会相应地降低减小。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。,图410 调磁调速的机械特性,2、调磁调速,公
10、式,调磁调速过程：,堵转转矩：,转速n与电枢电流之间的关系：,公式,堵转电流为常数：,为使电机容量得到充分利用，应使电枢电流Id=电机额定电流Ied。此时磁通与转速成反比：,故转矩与转速成反比：,即转矩与转速成倒数关系,调磁调速的特点：(1)调节容量小，平滑性好。(2)投资少，能耗低，经济性好。(3)调速范围不宽（24）。,3总结(1)调压调速为恒转矩调速。(2)调磁调速为恒功率调速。(3)恒转矩和恒功率调速是指：在电机不超过发热条件限制下，按可调的不同转速长期工作时，都能输出额定转矩或额定功率的调速。,3、总结,(4)调速方式必须根据负载的特性来选择如：恒功率负载（低速转矩大）选择恒转矩调速
11、方式，则：*按低速转矩选择，则高速时电机容量不能充分利用；,*按高速转矩选择，则低速时电机将超载。,二、直流电动机的功率驱动 改变直流电动机的电枢电压和励磁磁通，用的较多的方法有两种：(1)晶闸管功率驱动(2)晶体管功率驱动1、晶闸管直流电动机无级调速系统 晶闸管是一种快速无触点电子开关器件，通过它的截止和导通可以实现多种多样的电流变化。由它构成的变换电路主要有以下三种类型：,二、直流电机的功率驱动,(1)整流电路即将交流变换为直流，交直变换。(2)逆变电路即将直流变换为交流，直交变换。(3)开关电路又分为直流开关电路和交流开关电路，分别称为：交交变换，直直变换。晶闸管直流电动机无级调速系统多
12、用晶闸管可控整流电路：单相与多相 半波与全波 零式与桥式,式中：Uda 变压器次级绕组相电压的有效值 通过调整控制角改变输出电压从而改变直流电动机的转速。,图411 三相零式晶闸管整流电路驱动直流电动机原理图。,图4-11,2、晶体管直流电动机无级调速系统晶体管的两种工作方式：线性放大原理，工作在放大状态；脉冲调制原理，工作在开关状态工作在线性区域的特点：具有线性控制特性和很小的时间常数；电流大，管子两端电压高，因此功耗大、效率低，必须加装散热器；没有控制角触发装置，故体积小，线路要简单。,1、晶体管调速,图412为由单个晶体管组成的带速度负反馈的最简单调速系统。,图4-12,三、有静差及无静
13、差调速控制自动调速系统按被调量（转速）与给定量之间有无偏差可分为：有静差调速系统是靠被调量与给定量之偏差进行调节的，无论采用的放大器放大倍数多大，也不能维持被调量完全不变。主要原因是电枢压降的补偿。图413 P70 无静差调速系统具有良好的静特性，在转速波动的允许范围内，能最终消除偏差使系统回到给定值上。采用PI调节图423 P79,三、有静差及无静差调速控制,1、有静差调速控制,1、有静差调速控制,1）有差调节；根据给定量与反馈量之差来改变整流输出电压，以维持转速近似不变，没有误差就不可能调节。2）系统的总的放大倍数越大，调节的准确度（静态精度）越高。,2、无静差调速控制,2、无静差调速控制
14、,四、直流电动机的PWM调速原理 晶体管工作在开关状态的特点：在饱和时管压降很小，在截止时漏电流很小，过渡状态电流大但时间短，平均功率小。因而可提高输出功率和效率。直流电动机的PWM控制属于调压调速方式，即通过脉宽调制来改变电枢电压Ud实现调速。其基本原理是采用硅整流器将交流电整流成直流电，再由PWM斩波器进行斩波调压。斩波调压比晶闸管相控调压(SCRM)性能更好。如所需要的滤波装置很小，甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小；动态响应快等。,四、直流电动机的PWM调速原理,a）线路图 b）波形图图425 PWM斩波器原理电路及输出电压波形,图2-25,一个周期
15、T中，晶体管K导通时间的比率，称为负载率或占空比。调速方式有：(1)脉冲宽度调制（PWM）调速（定频调宽法）：T保持一定，使在0T范围内变化。(2)脉冲频率调调速制（定宽调频法）：保持定，使T在0)范围内变化：(3)混合调制调速（调宽调频法）：使和T在0范围内变化；,式中：,导通率 变化范围均为0ST1,不管哪种方法，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0一Ud，均为正值，即电机只能在某一方向调速，这被称为不可逆调速。当需要电机在正、反向两个方向调速运转时，即被称为可逆调速，就要使用下图所示的桥式(或称H型)斩波电路。,桥式斩波电路,43 交流电动机调速控制 与直流电动机相比，交流电动机结构简单
16、，成本低，维护方便。交流电动机传动占电气传动总容量的 80左右，是一种最重要的动力基础。过去大量使用的是不变速交流传动，例如：风机、水泵等机械，其总容量约占工业电气传动总容量的50。这些应用并不是不需要调速，而是因为使用交流电动机无法调速，不得不依靠阀门、挡板来调节风量和流量，造成大量电能损耗。这类电机若采用变压变频(VVVF)交流调速控制后，一般可节能20左右，节能效果非常显著。因此，经过世界各国的努力和巨大投入，历经十年之久，目前已较好地解决了交流电动机调速的理论问题和实现方法，并使其正在逐步取代直流传动成为高性能电气传动的主流和基础。,4.3交流电动机调速控制,1、调速原理异步电机的转速
17、为：,一、交流电机调速原理及方式,式中：n同步转速(rmin)；f1定子频率(即电源频率)；p磁极对数。s转差率。,从上式可知，要调节异步电动机的转速应从改变p，s，f1三个分量人手。异步电动机的调速方式相应可分为3种:变极调速 p变转差率调速 s变频调速 f1,2、调速方式1)变极调速 对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数。从而实现异步电动机的有级调速。一般为2种速度，3种速度以上的变极调速电机绕组结构复杂，应用较少。变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠，但只能有级调速，故应用场合有限。,2、调速方式,2)变转差率调速 对于绕线式异步电动
18、机，可通过调节串联在转子绕组中的电阻值(调阻调速)、在转子电路中引入附加的转差电压(串级调速)、调整电机定子电压(调压调速)以及采用电磁转差离合器(电磁离合器调速)改变气隙磁场等方法均可实现变转差S，从而对电机进行无级调速。这种方法曾经有过一定时期的应用，但由于效率偏低，体积较大，目前应用已不多。,2）变转差率,3)变频调速 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。在以上诸种交流调速中，变频调速的性能最好。变频凋速电气传动调速
19、范围大，静态稳定性好，运行效率高，调速范围广，是一种理想的调速系统，已经成为应用最广泛的调速系统。,3）变频调速,3、按晶闸管技术的应用可分为：1）采用晶闸管交流调压电路，调节电机定子电压从而改变转速。2）由晶闸管组成一套变流装置，串接在绕线式电机转子电路里，异步电动机与变流装置共同组成了串级调速系统。在调速过程中，把转差能量反馈回电网，为此能提高经济效益。3）用晶闸管组成静止变频器，给异步电动机提高变频电源，通过改变电动机定子供电频率而改变电动机的同步转速，以达到调速的目的，该系统效率高，调速范围广，是一种合理的理想调速系统。异步电机的各种调速方法见表42（P83）,3、按晶闸管计数分类,4
20、、调速系统的发展直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标 机械式换向带来的弊端，使其事故率高 交流电动机有它固有的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价低廉，坚固耐用，容易维护。最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。以各种电力半导体器件构成的交流调压调速系统、变频调速系统正在取代着直流电动机调速系统。变频调速的性能最好,4、调速系统的发展,二、晶闸管交流调压及逆变电路原理1、晶闸管交流调压电路1）相位控制方式,二、晶闸管交流调压及逆变电路原理4-27,图427a）为单相交流调压电路。图427b）为单相交流调压电路得到的对称交流电源波形。,式中
21、：U输入交流电压有效值,2）斩波控制方式,图428 通断控制方式的负载电压波形,图4-28,2、晶闸管逆变电路整流将交流电转换成直流电的过程，实现整流的装置叫整流器。逆变将直流电转换成交流电的过程，实现逆变的装置叫逆变器。变流器套电路既能整流又能逆变的装置。有源逆变变流器工作在逆变状态时，把直流逆变成交流并反馈回电网。无源逆变变流器工作在逆变状态时，把直流逆变成交流并不反馈给交流电网而是供给交流负载。逆变器由逆变电路和换流电路组成。,2、晶闸管逆变电路,1）逆变器工作原理,图429 为桥式逆变器工作原理图,1）逆变器工作原理4-29,2）逆变器的换流,图430 强迫换流原理图,2）换流4-30
22、,三、异步电动机的调压调速与串级调速,三、调压调速与串级调速,定子电路,定子压降,定子漏磁通电动势,式中：E1定子绕组感应电动势；f1定子电源频率；1定子绕组的实际匝数；k1定子绕组等值匝数1；气隙歇中磁通量；U1定子外加电压；,参数说明,转子公式,转子电路,转子压降,转子漏磁通电动势,式中：E2转子绕组感应电动势；f1定子电源频率；2转子绕组的实际匝数；k2转子绕组等值匝数1；气隙歇中磁通量；2转子绕组的感抗；,参数说明,转子公式,转子电路,Km电机结构常数,图,转子电路,三、异步电动机的调压调速与串级调速1、异步电动机的调压调速 在恒定的参数和转速差下：,从而改变它与负载机械特性的交点，以
23、实现调速。相位控制方式特点：输出电源较为精确。调速精度高，快速性好，低速时转速脉动较小；但电压波形中含有复杂的谐波成分，使电机的损耗增加。,1、调压调速,图431异步电动机调压时的机械特性a）普通鼠笼转子的特性 b）高电阻转子的特性 c）具有频敏特性转子的特性,图4-31,2、异步电动机串级调速1）原理对于绕线式电机可以在转子回路中串接附加电阻来实现调速。Rn、s不变I2Mns I2 M Rn、s不变I2 M n s I2 M,2、串级调速,缺点：调速是有级的，调速不平滑。串接电阻较大时，电机的机械特性变得很软。低速时负载稍有变化，转速将引起很大的波动。电机在低速运转时，效率很低，电能消耗大。
24、2）异步电动机串级调速系统,串级调速,图432 为转子串Ef的串级调速原理图,图4-32,低同步调速附加电势Ef的相位与转子电势的相位相反，此时转差功率被Ef装置吸收，并反馈给交流电网，其作用与串接附加电阻相似，Ef增加，可以使转差功率增加，电机转速下降。超同步调速附加电势Ef的相位与转子电势的相位相同，Ef装置有功率输入电机的转子回路，此时电网同时给电机定子和转子供电，附加电势起负电阻的作用，可以使转差功率减少，甚至变为负值，这时电机转速升高，甚至超过同步转速。,3）串级调速的特点及应用优点：总效率高，约为90。只控制电机的转差功率，当调速范围不大时，逆变装置的容量和元件耐压值都较小。能实现
25、无级调速、平滑调速。与直流调速的精度相当。安全可靠性高，主电路和控制系统比较简单，易于维护检修。缺点：功率因数不高调速范围可达4：1；广泛应用于风机和泵类设备上。,四、异步电动机变频调速的机械特性 改变定子电源频率可以改变同步转速和异步电动机的转速。,四、变频调速,由上式可见，若均匀改变定子绕组的供电频率f1，电动机的转速n也可以平滑地改变，这就是变频调速的基本原理。变频调速具有效率高、调速范围广、精度高的调速性能。,三相感应电动机的定子相电势的有效值为,式中,每相感应电动势(V)；,定子电源电压频率(Hz)；,定子绕组等值匝数；,定子绕组的实际匝数；,气隙中的磁通量。,公式,如果不计定子阻抗
26、电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压,式中,转子电流；,转子电路功率因数；,转矩常数；,1基频以下调速控制（恒转矩调速）要保持不变，当频率f1从额定值f1向下调节时，必须同时降低E1，使：,即采用恒定的电动势频率比的控制方式。,1、基频下调速,然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1E1，则得,这是恒压频比的控制方式。低频时，U1和El都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压Ul抬高一些，以便近似地补偿定子压降。,图4一35 感应电动机变压变频调速控制特性,图4一34 恒压频比控制特
27、性a一无补偿 b一带定子压降补偿,图4-34 35,2基频以上调速（恒磁通调速）在基频以上调速时，频率可以从f1往上增高，但电压U1却不能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=UlN。这将迫使磁通与频率成反比地降低，拖动转矩也下降，且调频倍数越高，转速越高，拖动转矩越低。这时可以认为转速与转矩的乘积不变。这样在基频以上调速时，则采用只调频率不调电压的近似恒功率调速方式。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图4一35所示的变压变频调速控制特性。这样，在基频以下，由于磁通恒定转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速。”,2、基频上调速,五、
28、变频器的分类及特点变频器给异步电动机提供频率及电压可变的电源装置，可以对电机实现恒转矩或恒功率调速控制。交交变频器（直接变频器）：把固定频率、固定电压的交流电源变换为电压和频率都可调的交流电源。只能一次换能，效率低，输出的最高频率指示电网频率的1/21/3，所以只用于低速大容量场合。交直交变频器（间接变频器）：把固定频率、固定电压的交流电源先整流成幅值可变的直流电源，然后再将此直流电源变换为频率可调的交流电源,五、变频器的分类及特点,表43 交交变频器与交直交变频器主要特点比较,常见变频器为交一直一交形式的变频器,由整流电路，中间滤波环节和逆变电路三部分组成,如上图所示,图,整流电路将固定幅值
29、和频率的电网交流电变换成直流电；滤波环节用于减小整流以后的电压和电流的波纹；逆变电路作用与整流电路相反，将直流电变换成幅值、频率可调的交流电，实现变压变频。随着新型电力电子器件的研制、开发，由功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力器件作开关元件组成的逆变器得到了普遍采用。通过逆变器调节，使得输出交流电压既实现调频又实现调压，既变频变压都由逆变器承担。,1、电压型变频器,1、电压型4-38,特点：1）恒电压源；2）输出的电压波形近似矩形；3）结构简单，使用广泛；4）在深度控制时，电源侧功率因数低；5）因存在较大的滤波电容，动态响应慢；,特点,2、电流型
30、变频器与电压型变频器的区别：1）没有大电容，直流回路中串入大电感，用于吸收无功功率，属于恒电流源；2）输出的电压波为比较直的矩形波；3）在逆变器中没有反并联的二极管，导通角为2/3；表44 电流型变频器与电压型变频器主要特点比较（P94）,2、电流型,五、脉宽调制型（PWM）变频器及异步电动机矢量控制原理1.脉宽调制型变频器（简单PWM逆变器）(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)，简称脉宽调制，或PWM。图442为脉冲宽度调制型变频器系统图。,五、脉宽调制型4-42,图 简单PWM逆变器电路原理图及电压波形,波形图,图 单
31、相桥式PWM变频电路,单桥式变频电路,前图是由GTR组成的PWM变频器的原理图。由图可知，该变频器的整流部分采用的是不可控整流桥，它的输出电压经电容滤波(附加小电感限流)后为一不可调的恒定的直流电压Ud，逆变部分的主体是四只功率晶体管作开关元件，只要按一定规律控制逆变器中功率开关V1V4的导通和关断，逆变器的输出端即可获得一系列恒幅调宽的矩形波交流电压。电路中与功率晶体管反并联二极管的作用是，在带电感量较大的感性负载时，为开关管由导通转为关断时提供一续流通道。,2.正弦脉宽调制(SPWM)型逆变电路 正弦脉冲宽度调制(SPWM)的控制思想，是利用逆变器按一定的规律控制其开关元件的通断，在输出端获得一组等幅不等宽的脉冲，其脉宽按正弦规律分布，以此脉冲来等效正弦波。,图443 SPWM控制的基本原理,2、正弦脉宽调制443,1)单极性控制方式,图 单极性SPWM控制方式原理波形,1）图单极性SPWM,2)双极性控制方式,图 双极性PWM控制方式原理波形,2）图双极性PWM,3)三相桥式PWM变频器,图 三相桥式PWM变频电路,3）三线桥式PWM,三相桥式PWM变频波形,图波形,实物图,实物图,实物图,问题,课间休息,下课,
