直流电动机和异步电动机的调速原理及特性分析

0[直流电动机和异步电动机的调速原理及特性分析]姓名：学号：2011301390076院系：11级机械系三班通讯：导师：1一．直流电动机的调速原理及特性分析直流电动机具有良好的起动制动性能，宜于在较大范围内平滑调速长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方法一直占主要地位与交流电动机相比，直流电动机有良好的调速性能，它的调速范围较广；调速连续平滑；经济性好，设备投资较少，调速损耗较小，经济指标高；调速方法简便，工作可靠.流伺服电动机是满足伺服系统要求的直流电动机，分为有刷DC伺服和无刷DC伺服。在传统有刷DC伺服中，整流子和电刷一起起着回转开关的作用，随着功率半导体器件技术的发展，霍尔元件和大功率晶体管代替了整流子和碳刷的作用，就产生了无刷DC伺服。与普通电动机相比，DC伺服具有工作精度高，调速性能好，带负载能力强，响应速度快，稳定可靠等特点。虽然其工作原理与普通直流电动机基本相同，但为了减小体积和提高散热，DC伺服电动机通常采用永久磁铁励磁。直流伺服电动机主要有如下基本特点：1、机械特性：在输入的电枢电压U保持不变时，电动机的转速n随电磁转矩M变化而线形变化的规律，称直流电动机的机械特性。机械特性的关系可用下式表示；KMnMCCRCUnmee02(1.1)式中：U——电枢电压R——电枢电阻eC——电势系数，60NPCe（电枢绕组支路数磁极对数电枢绕组系数60eC）——磁通mC——力矩系数，2NPCmM—电动机输出的电磁转矩机械特性曲线如图1-1所示。图中，0n为理想空载转速，dM称为堵转转矩。斜率K表示电磁转矩变化引起转速变化的程度。K越大，电磁转矩变化引起转速变化越大，电动机的机械特性越软；K越小，电磁转矩变化引起转速变化越小，电动机的机械特性越硬。2图1-1直流伺服电机机械特性曲线在直流伺服系统中，希望电动机的机械特性硬一些。当负载发生变化时引起的转速变化小，有利于提高直流电机的速度稳定性和运动精度。且由式（1.1）可知，K与电枢电阻R成正比，电枢回路中串入的电阻或功率放大器的输出电阻增大，会使直流电机特性变软，功耗增大。2、调节特性：直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下，电机的稳定转速n随电枢的控制电压U变化而线性变化的规律为直流电机的调节特性。调节特性的关系可用下式表示：)()(102UUKCMRUCMCCRCUnmemee（1.2）式中：U——电枢电压R——电枢电阻eC——电势系数，60NPCe（电枢绕组支路数磁极对数电枢绕组系数60eC）——磁通mC——力矩系数，2NPCeM—电动机输出的电磁转矩调节特性曲线如图1-2所示。图中，0U为启动电压，为电动机处于待转动而没转动的临界状态的控制电压。0U与电磁转矩(负载转矩)成正比。M越大，0U越大。电动机启动时，在0～0U范围内，电动机不转，该区域称为电动机的死区。斜率K表示转速n随电枢的控制电压U变化而变化的快慢程度。其值与负载无关，仅决定于电动机本身的结构3与参数。图1-2直流伺服电机调节特性曲线3、动态特性用电枢电压控制方式控制电动机时，控制电压突然变化而引起转速变化，但由于电磁惯性和机械惯性，使电动机转速只能渐渐变化，从原来的稳定状态到新的稳定状态存在一个过渡过程即电动机的动态特性。电动机的动态特性与系统惯性大小、电枢回路电阻、机械特性的硬度有关。4、直流伺服电动机控制从直流伺服电动机的原理，可知直流伺服电动机电磁转矩和速度控制方法有两种，—种是改变电枢电压即改变电枢电流的方法。另一种是改变励磁电流即改变磁通的方法。在大多数情况下，直流伺服电动机的速度控制采用调节电枢电压的方法，即保持励磁电流不变，则电磁转矩为：KIICMm2NPCKmM是电枢电流的一元函数，不仅控制方便，而且响应速度快，输出转矩大，线性较好。目前较好的调速方法是脉宽调制(PWM)，通过改变周期性脉冲信号的占空比来改变加在电动机上的平均电压，从而达到调速目的。PWM调速的原理如图1-3所示：设将开关周期性的闭合、断开，开和关的周期是T。在一个周期内，闭合的时间是τ，断开的周期是T-τ。如果外加的电源电压U为常数，则电源加到电动机电枢上的波形为方波列。其高度为U，宽度为τ，如图示，其平均值是TUUUdtTU0T1T称为导通率，当T不变时，只要连续改变τ（0～T）就可以使电枢电压的平均值U连续地从0变到U，从而连续地改变电动机的转速。实际的PWM调速电路用功率晶体管代替开关。可逆式PWM用四个功率晶体管组成电桥，实现双向调速。开关频率达30KHz。图中的二极管式续流二极管，当开关断开时由于电枢电感的作用，电动机的电枢电流可以继续形成回路。4(a)电气原理（b）波形图1-3PWM调速原理二．异步电动机频率调速原理及特性分析变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流电动机相媲美。1．变频器与逆变器、斩波器变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异5步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DC－AC变换）。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DC－DC变换）。2．变压变频调速（VVVF）在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由TM＝KTMI2COS(式中TMM：主磁通，I2：转子电流，COS转子回路功率因素，KT：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（VariableVoltage，简称VV）变频（VariableFrequency，简称VF）器，即VVVF。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（V/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、直接转矩控制变频调速等。3．变频器分类⑴从变频器主电路的结构形式上可分为交－直－交变频器和交－交变频器。交－直－交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交－直－交变频器主电路结构如下图。整流逆变中间直流环节DC恒压恒频变压变频ACAC交－交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。它的基本结构如下图所示。6负载正向组反向组+--+u0～ui常用的交－交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0。输出电压u0u0的频率决定于的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。对于三相负载，交－交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均流，提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。⑵从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。对交－直－交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。电压型变频器的主电路典型形式如下图。在电路中中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。整流逆变ACDCAC中间直流环节Cd电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，所不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，见下图，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称7之为电流型变频器。整流逆变中间直流环节ACDCACLd电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。一般的交－交变频器虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器。也有的交－交变频器用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，属于电流型变频器。⑶交－直－交变频器根据VVVF调制技术不同，分为PAM和PWM两种。PAM是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制（PulseAmplitudeModulation）方式，简称PAM方式。PAM调制方式又有两种：一种是调压采用可控整流，即把交流电整流为直流电的同时进行相控整流调压，调频采用三相六拍逆变器，这种方式结构简单，控制方便，但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因素较低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大。其基本结构见图a；另一种是采用不控整流、斩波调压，即整流环节采用二极管不控整流，只整流不调压，再单独设置PWM斩波器，用脉宽调压，调频仍采用三相六拍逆变器，这种方式虽然多了一个环节，但调压时输入功率因素不变，克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点。而其输出逆变环节未变，仍有谐波较大的问题。其基本结构见图b。PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）方式，简称PWM方式。PWM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用PWM逆变同时进行调压和调频，则输出谐波可以减少。其基本结构见图c。8DCACAC可控整流三相六拍逆变调频调压图aAC不控整流DC调压调频三相六拍逆变AC图bDCPWM斩波DCACAC图c不控整流调压调频PWM逆变在VVVF调制技术发展的早期均采用PAM方式，这是由于当时的半导体器件是普通晶闸管等半控型器件，其开关频率不高，所以逆变器输出的交流电压波形只能是方波。而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，即只能靠前面的环节改变中间直流电压的大小。随着全控型快速半导体开关器件BJT、IGBT、GTO等的发展，才逐渐发展为PWM方式。由于PWM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点，因此在中小功率的变频器中，几乎全部采用PWM方式，但由于大功