电动机与电气传动2

14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术(掌握)1.基本概念调速：通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电机的机械特性，使电动机的稳定运转速度发生变化。开环控制系统：电动机的转速只能跟随转速指令变化而不能自动纠正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。闭环控制系统：能自动纠正电动机的转速与给定转速的偏差同时不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速持一致的调速系统称为闭环控制系统。14．4．1直流电动机调速技术无级调速：又称连续调速指电动机的转速可以平滑地调节。其特点是转速变化均匀适应性强，容易实现自动调速，因而在工业中被广泛应用。有级调速：又称间断调速或分级调速，它的转速只有有限的几级，调速范围有限且不容易实现自动调速。向上调速：从基速提高转速的调速称为向上调速。例如直流电动机改变磁通进行调速，其调速极限受电动机的换向条件和机械强度的限制。向下调速：从基速降低转速的调速称为向下调速。例如，直流电动机改变电枢电压进行调速，调速的极限转速即最低转速受转速稳定性的限制。14．4交、直流电动机调速技术恒转矩调速：对于某些工作机械其负载性质属于恒转矩类型即在不同的稳定速度下要求电动机的转矩不变。如果所用的调速方法能使电动机的转矩与电动机的电枢电流之比为一常数则在恒转矩负载下电动机无论在高速或低速下运行其发热情况始终是一样的这将能充分利用电动机。这种调速办法称为恒转矩调速。例如保持电动机磁通不变改变电动机电枢电压或电枢回路电阻来调速的方法就属于恒转矩调速。14．4．1直流电动机调速技术14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术恒功率调速：对于机床类负载：当切削量大时（即T大）要求切削速度（即n）低；当切削量小时（即T小）要求切削速度（即n）高；但每种工况下T·n的乘积近似不变，这类负载属于恒功率负载。为了配合这类负载，可以采用减弱磁通的方法调速。根据公式enaCRIU＝当磁通Ф减小时，转速n将升高，而转矩T将减小。这种保持电动机电枢电压不变、减弱电动机磁通的调速方式与上述恒功率负载的要求相一致，称为恒功率调速。aICTT14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术对于恒功率负载，应尽量采用恒功率调速方式；对于恒转矩负载应尽量采用恒转矩调速方式。只有这样．电动机才能得到充分利用。图14·4－11调压与调磁时电动机的调速特性调压—恒转矩调磁—恒功率14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案1)直流电动机的调速原理直流电动机的机械特性方程式为式中n0——理想空载转速，n0=U／CeΦ;U——加在电枢回路上的电压；Ce——电动势常数；Φ——电动机磁通；CT——转矩常数；R0——电动机电枢回路的电阻；T——电动机转矩。R——电动机电枢回路的外串电阻；可见，改变R、U及Φ中的任何一个参数，都可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速。TCCRRnTCCRRCUnTeTee2002014．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案2)改变电枢回路电阻调速当电枢回路串联附加电阻R时，其特性方程式变为TCCRRnnTe200式中BRARCCTRCCTnnTeLTeL2020020RCCTnATeL2TeLCCTB14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案2)改变电枢回路电阻调速当电枢回路串联附加电阻R时，其特性曲线如下串联电阻调速的机械特性、调速特性14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案2)改变电枢回路电阻调速当电枢回路串、并联附加电阻时，其电路图与机械特性图如右式中K—系数，K=RB／（RB＋R）；RB—并联的电阻；R—串联的电阻。14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案3）改变电枢电压调速当改变电枢电压时，理想空载转速n0也将改变，但机械特性的斜率不变，这时机械特性如下式中U’——改变后的电枢电压；n0’——改变电压后的理想空载转速；Km——特性曲线的斜率。TKnTCCRCUnmTee02014．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案比较表23·4－1(14—11)直流电动机改变电压调速的方法变压方法原理电路装置组成性能及适用场合电动机—发电机组（旋转变流机组）原动机可用同步电动机、绕线转子异步电动机（包括带飞轮和转差调节的机组）、笼型异步电动机、柴油机等。励磁方式有励磁机、电机扩大机、磁放大器和晶闸管励磁装置等。控制方式有继电器一接触器、磁放大器和半导体控制装置等输出电流无脉动，带飞轮的机组对冲击负载有缓冲作用，采用同步电动机的机组能提供无功功率，改善功率因数。因有旋转机组，效率较低，噪声、振动大。控制功率大，构成闭环系统一般动态指标较差，用晶闸管励磁可提高动态指标。此种方法已很少采用晶闸管变流器包括变流变压器、晶闸管变流装置、平波电抗器和半导体控制装置等效率高，噪声、振动小，控制功率小，构成闭环系统动态指标好。但输出电流有脉动，深控时功率因数低，对电网的冲击和高次谐波影响大14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案比较表23·4－1直流电动机改变电压调速的方法变压方法原理电路装置组成性能及适用场合直流斩波器包括晶闸管（或其他电力电子器件）、换相电感电容、输入滤波电感电容及半导体控制装置等柴油交流发电机一硅整流器柴油交流发电机、硅整流装置及相应的控制装置等改变交流发电机电压，经硅整流装置整流得到可变直流电压，用于电动轮车等独立电源场合适用于由公共直流电源或蓄电池及恒定电压直流电源供电的场合，如电机车、蓄电池车等电动车辆14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案比较表14－11直流电动机改变电压调速的方法变压方法原理电路装置组成性能及适用场合交流调压器、硅整流器调压变压器、硅整流装置等升压机组与公共直流电源串联的直流发电机或晶闸管变流装置及相应的控制装置适用于公共直流电源供电场合，设备较经济，但调速范围不大效率高，噪声、振动小，输出电流脉动较小，比晶闸管供电功率因数有改善，但实现自动调速较困难。适用于不经常调速的小功率（＜15kw）手动开环控制场合14．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案4）改变磁通调速在电动机励磁回路中，改变其串联电阻Rf的大小或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压，都可以改变励磁电流和磁通。ICRCUTCCRCUneeNTeeN214．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术2.直流电动机的调速方案4）改变磁通调速机械特性曲线和速度曲线如图以上三种调速方式的性能比较见表23-4－2表23-4－214．4交、直流电动机调速技术14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统（1）斩波器调速系统T——斩波周期，T—tON＋tOFF；α——工作率，α=tON／T。a.恒频系统。T保持不变（即频率不变），只改变tON，即脉宽调制（PWM）方式。b.变频系统。改变T（即改变频率），但同时保持tON不变或者保持tOFF不变，即频率调制（FM）方式。斩波器是一种电力电子开关，它能从恒定的直流电源产生出经过斩波的可变直流电压，从而达到调速的目的。图示为一个简单的斩波器调速系统和斩波后的电压波形。14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统（1）斩波器调速系统图14·4－9多象限运行的斩波器调速系统a）二象限运行b）四象限运行c）采用IGBT的四象限运行系统14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统（1）斩波器调速系统图14·4－9c）采用IGBT的四象限运行系统c)14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统（2）晶闸管变流器调压调速系统晶闸管变流器供电的直流调速系统，已广泛地用于要求控制性能好的调速系统中。它和使用电动机一发电机组供电的系统相比，控制性能好，效率高，而且是静止装置，因而调试和维修方便。下图是一个典型的晶闸管变流器控制的直流电动机不可逆调速系统。14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统（3）调压调磁控制系统在很多应用场合，为了进一步扩大调速范围，除采用调压调速外，同时还采用弱磁调速。为此，需要将调压与调磁两者结合起来，并能在两种调速方式的分界线上（基速）实行自动切换。图为同时采用两种调速方法时在整个调速范围内的电动机的调速特性。14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统（3）调压调磁控制系统图为调压调磁非独立控制系统结构图a）用比较器的系统b）用电动势调节器的系统14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统正向回馈制动（正转、逆变）ⅡⅣ反向回馈制动（反转、逆变）正向电动（正转、整流）ⅠIII反向电动（反转、整流）（4）晶闸管可逆调速系统很多生产机械要求其传动电动机能在两个方向旋转，并能产生两个方向的转矩。因此，要求电动机的电枢电压（或励磁电流）、电枢电流必须能在两个方向工作。但晶闸管只能单方向流过电流，因此，要满足上述要求，就要正反向各设一套整流器组成双变流器联结，或通过开关切换电动机与整流器的连接来实现。这时电动机就能在四个象限内工作，如图所示。14．4．1直流电动机调速技术3.常见的直流电动机调速系统（4）晶闸管可逆调速系统1）电枢用一套晶闸管整流装置供电，用有触点开关切换的可逆系统（4）晶闸管可逆调速系统2）电枢用一套晶闸管整流器供电的磁场反向可逆系统（4）晶闸管可逆调速系统3）电枢用两套晶闸管整流装置供电的可逆系统反并联可逆线路（4）晶闸管可逆调速系统3）电枢用两套晶闸管整流装置供电的可逆系统交叉联结可逆线路（4）晶闸管可逆调速系统3）电枢用两套晶闸管整流装置供电的可逆系统直接反并联可逆线路表23-4－3(14—13)直流电动机可逆方式的比较比较项目电枢用一套变流装置开关切换电枢用一套变流装置磁场反向电枢用两套变流装置电枢反向设备1．电枢变流装置一套2．电枢回路切换开关3．切换逻辑1．电枢变流装置一套2．励磁变流装置两套3．切换逻辑1．电枢变流装置两套2．无环流切换辑或环流电抗器性能有触点开关快速性差，正反转开关切换死时为0.2～0.5s，减速时开关要切换两次采用晶闸管开关可将切换死时减少到0.1s快速性差，正反转磁通反向时间为几百毫秒到1s，减速时磁通要切换两次快速性好，切换死时零到几十毫秒可靠性主回路不产生环流，有触点开关，维护工作量大，寿命低主回路不产生环流，无触点切换，要求有可靠的可逆励磁回路要求触发器、逻辑切换可靠及抗干扰能力强投资系统简单，投资少系统复杂，但投资较少系统较简单，但投资大适用场合正反转调速不频繁，受开关容量限制，一般在几十千瓦以下，如起重机等正反转调速不频繁，对调速精度要求不高，容量为几十到几千千瓦，如卷扬机等正反转调速频繁，容量从几到几千千瓦，如轧机主、辅传动，可逆运转机床等17．4．2交流电动机调速技术1.交流调速系统方案交流电动机转速为因此，交流电动机有以下三种基本调速方式：①改变极对数p；②改变转差率s；③改变供电电源频率f.17．4．2交流电动机调速技术1.交流调速系统方案（1）变极调速变换绕组极对数的方法有：①将一套绕组中部分线圈按一定规律改接，以改变其电流方向或相号来改变极对数，常用于倍极比双速或三速异步电动机。②在定子上设置两套不同极对数的独立绕组。③在定子上设置不同极对数的独立绕组，且每个独立绕组又有不同的接线组合，适用于三速以上的多速电动机。17．4．2交流电动机调速技术1.交流调速系统方案（1）变极调速表17·4－4单绕组倍极比双速电动机工作特性序号极数（2p）Ⅰ联结方法极数（2X2p）Ⅱ联结方法