电动机调速系统详细原理.

电动机调速系统陕西航空技术学院电气工程系电动机自动调速系统需满足的要求：1、调速：根据要求，以不同的转速进行工作；2、稳速：转速保持相对稳定；3、加、减速过程快速或平稳。电动机调速系统分类1、直流调速系统2、交流调速系统一、直流调速系统1、电枢回路串电阻调速：调速范围小，静差率大，平滑性差（有级调速），只能用于小功率电动机和对调速性能要求不高的场合。2、弱磁调速：可实现无级平滑调速，属于恒功率调速，调速范围小；在高于额定转速的调速时采用。3、调压调速：可实现无级平滑调速，属于恒转矩调速，调速范围大；在低于额定转速的调速时采用。调压调速的直流调速系统（1）发电机-电动机（G-M）调速系统（2）晶闸管相位控制直流调速系统：放大倍数大，快速性好，效率高，经济性好，体积小，控制方便，运行噪声小。（3）直流斩波调速系统：功率器件少，线路简单，调速范围宽，快速响应好，效率和功率因数高。晶闸管直流自动调速系统有静差和无静差直流调速系统（是否存在稳态偏差）单闭环、双闭环和多闭环直流调速系统（负反馈环节数量）不可逆和可逆直流调速系统（是否正反转运行）二、交流调速系统1、异步电动机调速（变极调速、变转差率调速、变频调速）2、同步电动机调速（变频调速）交流调速系统与直流调速系统相比，具有容量大、转速高、耐高压、节能、经济、可靠等优越性。三、调速系统静态品质1、调速范围：电动机在额定负载时所提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，通常表示为。对于非弱磁的调速系统，电动机的最高转速就是额定转速nn。2、静差率系统在某一转速下稳定运行，当负载从理想空载增加到额定负载时所对应的转速降落Δnn与理想空载转速n0之比叫静差率。一般表示为静差率用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定性。3、两者之间的关系：minmaxnnD%100%100000nnnnns)1(snsnD第二节直流调速系统一、晶闸管直流开环调速系统晶闸管直流开环调速系统Ld：平波电抗器，起滤波作用，以减少晶闸管整流电流的波动，并使电动机电枢回路电流波形连续。从而避免因电流断续而造成的很软且为非线性的电动机机械特性。Ug：给定电压Uc：控制电压Ud：输出电压晶闸管直流开环调速系统调速原理：调节给定电压Ug（即改变触发电路的控制电压Uc），就可以改变触发延迟角α及晶闸管整流装置的输出电压Ud，从而实现调压调速。晶闸管直流开环调速系统增大给定电压Ug，系统的升速过程如下：该系统由于没有反馈环节，故不能自动调速，而且速度的稳定性差，调速范围小，仅适用于调速性能要求较低的场合。二、转速负反馈有静差直流调速系统反馈信号Ufn：由测速发电机取自电动机的实际转速，Ufn=αn。输入偏差信号：ΔUi=Ug-Ufn。转速负反馈有静差直流调速系统工作原理：由电位器RP给出一个给定电压Ug，与由转速负反馈环节反馈回来的电压-Ufn（两者极性不同），两者的偏差信号ΔUi=Ug-Ufn，经放大后作为触发电路的控制电压Uc，使触发电路产生触发延迟角为α的触发脉冲，触发晶闸管，晶闸管整流器便输出一定的直流电压Ud，加在电动机电枢上，在电动机电磁转矩T与负载转矩TL平衡（即T=TL）情况下，电动机便以一定的转速n1运转。若调节给定电压Ug，则可以改变电动机的转速n1。转速负反馈有静差直流调速系统自动调速过程：三、电压负反馈直流调速系统反馈信号Ufn：取自电动机电枢两端的电压，Ufn=γUd（γ为电压反馈系数）电压负反馈直流调速系统P调节器：具有反向放大作用，其输出电压的极性与输入电压相反。输入偏差电压：ΔUi=-Ug+Ufn。输出电压：Uc=-KpΔUi=Kp（Ug-Ufn）。电压负反馈直流调速系统该系统的自动调速过程如下：电压负反馈直流调速系统由于系统的被调量是达到了电枢两端的电压Ud，因此该系统实际上是一个电压调节系统。这种系统只能维持电枢电压Ud不变，可以补偿电枢回路中除电枢电阻Ra外的其它电阻上电压变化而引起的转速变化，而无法补偿电动机电枢电阻Ra上电压变化而引起的转速变化。四、带电压负反馈和电流正反馈的调速系统为了补偿电枢电阻压降IdRa引起的转速降，在电压负反馈的基础上，增加一个电流正反馈环节，就组成了带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统。带电压负反馈和电流正反馈的调速系统反馈信号Ufi：取自串联在电枢回路中电阻Rc两端的电压，Ufi=βId（β为电流反馈系数），因其极性与给定电压Ug的极性相同，故称为电流正反馈。输入偏差电压ΔUi=-Ug+Ufn-Ufi。带电压负反馈和电流正反馈的调速系统电流正反馈的工作原理如下：带电压负反馈和电流正反馈的调速系统电流正反馈的作用在于给系统的输入偏差电压ΔUi增加了一个与给定电压同极性的Ufi分量，这个输入增量使系统的输出也产生了一个增量，可以有效地补偿电压负反馈调速系统因电枢电阻压降IdRa引起的转速降，从而减少了系统的静差，扩大了调速范围。五、转速、电流双闭环调速系统ASR：转速调节器ACR：电流调节器转速、电流双闭环调速系统电动机的转速由给定电压Ug来确定，转速调节器ASR的输入偏差电压为ΔUis=Ug-Ufn，转速调节器ASR的输出电压Us作为电流调节器ACR的给定信号（ASR输出电压的限幅值Usm决定了ACR给定信号的最大值）。转速、电流双闭环调速系统电流调节器ACR的输入偏差电压ΔUic=-Us+Ufi，电流调节器ACR的输出电压Uc作为触发电路的控制电压（ACR输出电压的限幅值Uim决定了晶闸管整流电压的最大值Udm）；Uc控制着触发延迟角，使电动机在期望转速下运行。转速、电流双闭环调速系统负载增大时，自动调速过程如下：六、可逆直流调速系统1、电枢可逆调速系统：保持电动机励磁方向不变而改变电枢电流Id的方向，即改变电枢电压Ud的极性。2、磁场可逆调速系统：保持电枢电压极性不变而改变电动机励磁磁通Φ的方向，即改变励磁电流的方向。七、直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统：通常是指由门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT）、功率场效应管（PowerMOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力电子器件构成脉宽调制放大器对直流电动机电枢供电的自动调速系统。第三节交流调速系统所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能-机械能的转换装置，并通过对电能（电压、电流、频率）的控制以产生所需转矩与转速的电气传动自动控制系统。一、变频调速的基本原理与基本控制方式1、变频调速的基本原理：根据异步电动机的转速表达式n=（1-s）60f1/p=(1-s)n1可知，改变异步电动机的供电频率f1，可以改变异步电动机的同步转速n1，从而改变其转子转速n，这就是变频调速的基本原理。2、变频调速的基本控制方式1）额定频率以下的恒磁通变频调速2）额定频率以上的弱磁调速二、变频器的分类与特点从变频调速的控制方式可知，实现异步电动机的变频调速需要一个具有电压、频率均可调节的变频装置，其功能是将电网的恒压恒频交流电变换为变压变频（VVVF）交流电，对交流电动机实现无极调速，这种装置就称为VVVF装置。1、交-交变频器：直接将电网交流电变为可调频调压的交流电输出，没有明显的中间滤波环节，故又称为直接变频器。2、交-直-交变频器：先将电网交流电经整流器转换为直流电，经中间滤波环节后，再经逆变器变换为调频调压的交流电，故称为间接变频器。交-交变频器与交-直-交变频器的主要特点：电流型和电压型交-直-交变频器的主要特点：交-直-交变频器根据其中间滤波环节是电容性或是电感性，可分为电压型变频器和电流型变频器两种。三、脉宽调制（PWM）型变频器所谓PWM技术，就是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲序列，控制电压脉冲的宽度或(和)周期，以实现变压、变频以及控制和消除谐波为目的的一门技术。转速开环控制的PWM型变频调速系统系统由主电路和控制电路组成，主电路是一个典型PWM型交-直-交变频器主电路。转速开环控制的PWM型变频调速系统控制电路主要由PWM控制信号形成电路、GTR的基极驱动电路和保护电路等组成。PWM控制信号形成电路：由专用于产生三相SPWM控制信号的大规模集成电路芯片（HEF4752）、转速给定电位器、给定积分器、一个压控振荡器和三个多谐振荡器组成。HEF4752FCT端：控制输出频率；VCT端：控制输出交流电压大小；RCT端：控制最高开关频率；OCT端：控制开关器件切换的推迟时间；CW端：控制电动机的转向；L端：控制电动机的启动和停止转速开环控制的PWM型变频调速系统启动时，由转速给定电位器给出的直流电压作为电动机的转速指令，经给定积分器的积分变成一定斜率的斜坡电压，加到压控振荡器的电压控制端，使其产生频率由低逐步升高的一系列脉冲信号，以使电动机的启动电流频率和启动电压由零逐步上升，从而减小电动机的启动电流及其对GTR的冲击。当电动机转速升高到期望转速时，给定积分器的输出电压也为直流电压。转速开环控制的PWM型变频调速系统保护电路主要有过电压保护和过电流保护。系统过电压、过电流由相应的检测装置检测后，送到HEF4752的启停控制端L，以及时封锁HEF4752的输出，保证系统安全运行。结构简单、工作可靠，广泛适用与中小容量的交流变频调速系统。吴顺华2010年4月