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1、5.1 电机调速的基本情况 5.2 他励直流电动机的调速方法 5.3 三相交流异步电机调速方法 5.4变频控制有关应用问题 5.5 单相感应电机的调速控制 5.6 同步电动机的变频调速,第五章 电机调节技术,5.1.1 电机调速技术的应用与发展情况 5.1.2 调速指标 5.1.3 调速方式与负载类型 5.2.1 串电阻调速 5.2.2 调电压调速 5.2.3 弱磁调速 5.2.4 三种调速方法比较 5.2.5 直流电动机的典型调速方案 5.3.1 概述 5.3.2 标量控制调速方法 5.4.1 变频控制有关应用问题 5.4.2 电动机特性的控制方式 5.4.3 变频调速电压频率特性曲线及选择
2、 5.4.4 变频器的节能原理 5.5.1 单相感应电机的调速控制 5.6.1他控式同步电动机变频调速系统 5.6.2 自控式同步电动机变频调速系统,5.1电机调速的基本情况 5.1.1 电机调速技术的应用于发展情况 随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电力调速系统在工业农业生产，交通和运输，国防军事设施以及日常生活中越来越得到广泛的应用。根据转速是否变化，可以将各类生产机械分为恒速拖动与变速拖动机械两大类，而现代的各行各业中，绝大多数的机械都有着调速的要求，使得对变速拖动系统的研究具有重要的现实意义。 5.1.2调速指标 1.调速范围 2.静差率,静差率是指在同一机械特性上，从理想空载到额
3、定负载时的转速与理想空载转速之比。用百分比表示为,4经济性,3.平滑性 在一定范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比,主要考虑调速设备的初投资，调速时电能的损耗及运行是的维护费用。,5.3.1调速方式与负载类型 1.电动机的容许输出与充分利用 电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流。因此，在一定转速下，对应额定电流时的输出功率和转矩便是电动机的容许输出功率和转矩。 5.2.1串电阻调速,他励直流电动机拖动产生机械运行时，保持电枢电压额定，他励电
4、流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图如图所示。根据式子，电枢串电阻的调速机械特性方程为 他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图5-1b所示，是一组过理想空载点n的直线，串入的电阻。,(a) 原理图 (b) 机械特性,图5-1 他励直流电动机串电阻调速 电枢回路的串电阻调速的特点是： 1）实现简单，操作方便 2）低速时机械特点变软，静差率增大，相对稳定性变差； 3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D2； 4）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差； 5）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差
5、，而且转速越低，能耗越大。 因此，电枢串电阻调速的方法多余对调速性能要求不高的场合，如过去的起重机，电车等，现在已不多见,5.2.2调电压调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流额定，电枢回路不串电阻，改变电枢的两端的电压，可以得到不同的转速，犹豫受电击绝缘耐热的限制，其电枢电压不允许超过额定电压只能在额定电压u以下进行，因此调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。 调压调速的原理如图5-2所示，其机械特性方程式为,调压调速的特点是： 1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速； 2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好 3）在基速以下调速，调速范围较快，D可
6、达 1020; 4)调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好； 5）需要一套可控的直流电源。 调压调速多用语对调速性能要求较高的生产机械上，如机床，乱刚机。造纸机等。,图5-2 调压调速的原理,图5-3调压调速时的机械特点,5-2-3弱磁调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额定，电枢回路不串电阻，改变励磁电流，可以得到不同的转速，犹豫电动机在额定运行时，磁路已经接近饱和，因此改变磁通调速，实际上是减弱磁通，若以叫弱磁调速。弱磁调速的原理如图5-4所示，弱磁调速屎，机械特性方程式为,弱磁调速的特点是； 1）由于励磁电流因而控制方便，能量损耗小； 2）可连续调节电阻值，以实现无级调速
7、； 3）在基速以上调速，由于受电击机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（1.21.5） ,特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（34）n，因而调速范围窄。 弱磁调速的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压调速配合，以获得很宽范围的，高效，平滑而又经济的调速。,(a) 小容量系统 (b) 大容量系统 (c) 改变磁通时的机械性 图5-4 弱磁调速原理,对于他励直流电动机的三种调速方法，可以把他分归类为横转矩调速和恒动率调速两种方式。所谓横转矩调速过程中保持电动机电磁功率p不变。,图5-5 他励直流电动机调速时的容许输出转矩和功率,5.2.5直流电动机的典型调速方案 在实际应用中，
8、调电压调速方法往往和弱磁调速方法相结合，形成了最典型的直流电机调速方法，参见图5-6.在这个方案中，对同一台电动机M的电枢和励磁分别进行闭环控制，用测速发电机tg取得转速信号，用电流互感器ct纷缤检查电枢回路和励磁的鼻环系统是一个电视换的单位系统。,图5-6 直流电动机典型调速方案,5.3三相交流异步电机调速方法 三相交流异步电击是一种最常见的电击。根据前边的讲解，起结构和原理也是非常典型的，丁子是旋转电磁场，而转子是感应电磁场，因此，这里，以三相交异步电机为例说明交流电动的调速技术。,5.3.1概述 加到电动机上的电能使用电动机按照设计要求根据电磁归路进行转动运行，是想机电能量转变 所加的电
9、能体现了对电动机的控制作用，这种控制作用一方面表现为电能的电压或电流的量的规律性变化，另一方面，从更宏观的整个电动机性能上看，表现为对电能进行智能性的控制作用，就第一个方面来说，由于加到感应电击的电压或电流可以表示为幅值/频率或幅值/相位的正弦函数，三相交流感应电击调速方法可以分为二类，我们可以采用将其成为只能调速控制方法,1标量控制 标量控制通常用于低成本，性能要求不高的电机拖动情况。标量控制的典型方案包括开环电压/频率控制，闭环电压/频率控制，和定子电流加滑差控制。 2矢量控制 矢量控制的成本更高，性能更好，他是控制电压或电流矢量的幅值/相位。矢量控制包括磁场定向控制，和直接转矩控制，两者
10、都是把复杂的非线性控制结构简化为线性结构。磁场定向控制使用频率的定积分来获得转子磁链角，而直接转矩控制使用输入电压的定积分来获得定子链空间矢量。这两种方法以成功的应用，但一人存在。,3智能控制 感应电机控制中的困难是复杂的计算，对象参数的非线性和不确定性。因此可引入只能控制处理这些困难。只能控制是把人类的智能方法技能改应用于系统控制，只能被定义为理解，推理和学习的能力，智能控制系统泽被定义为：具有对过程，干扰和运行条件的理解，推理和学习的能力，以优化所考虑的过程和性能，智能控制技术通常被分为一下几个方面，专家系统控制，模糊逻辑控制，神经元网络控制和遗传算法控制。,5.3.2标量控制调速方法 1
11、.变极调速 对于鼠笼型转子结构的异步电动机，其转子的极对数能自动地与定子数相对应，改变定子绕组的接法，以改变定子的极对数，使异步电动的同步转速得到改变，达到调节转速的目的。,（a) 4极磁场 （b) 2极磁场 图5-7 对一相绕组改变定子绕组极对数的改接方法,2 旋转磁场的等效与交换 由电机学电磁理论可知，任意多相绕组通以多相平衡电流，都能产生转磁场。下面是产生旋转磁场的三种方法。 （1）三相交流电流产生的磁场,a)两相固定绕组 （b)合成磁场(t=0),（2）两相交流产生的旋转磁场 （3）旋转的直流绕组产生的旋转磁场,（a)旋转直流绕组产生的磁场,b)两个旋转直流绕组产生的磁场 图5-17
12、两相旋转绕组,假设如果用上述三种方法产生的旋转磁场完全相同，则这时的三相磁场，两相磁场，以及旋转直流绕组产生的磁场系统是等价的,图5-18 三相异步电机的坐标变换示意图,对于上面三中系统，通常第一种成为三相交流系统，第二种成为两相交流系统，第三种成为旋转直流系统。它们之间可以等价交换。,3磁场定向控制,磁场的定向控制系统如图所示,采用磁场定向控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确的刷如异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器 5.4变频控制
13、有关的应用问题 5.4.1变频器的常用功能 1变频器的升速功能,图5-19 三相交流异步电机磁场定向控制原理图,（1）频率与时间呈线性关系，如图曲线所示，多数曲线预制性方式,图5-21升速方式,（2）三用S形式为宜 （3）三用半S形升速比较合适 2.变频器的控制方式 变频器中所说的控制方式，通常有两方面的含义： （1）运行控制方式,图5-22 通用变频器键盘示意图,主要功能有：多档转速控制，多档升降速时间控制，升速与降速控制，外部故障信号输入以及其他各种信号的输入等。,图5-23 变频器的输入控制端子,（2）电动机特性的控制方式 指如何使电动机的接卸特性满足各种负载要求的控制方式，如V/F控制
14、方式，无反馈控制方式，有反馈矢量控制方式等。,5.4.2 电动机特性的控制方式 主要有两种方法 （1）模式罚变频器给出了若干基本V/F模式，供用户选择。 （2）左边预制法。目前，更多的变频器是通过与之两个数据来决定V/F线终点的： 最大输出电压即变频器输出端输出的最大电压，在不超过电源电压的范围内，是可以任意预置的。,基本频率与最大输出电压相对应的频率。 2.矢量控制方式 矢量控制方式变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流通过转换等效成两静止坐标系下的甲流电流。 矢量控制方法的提出具有划时代的重要意义。,5.4.3变频调速电压频率特性曲线及选择 根据变频调速原理，电压频率特性曲线
15、通常是分段线性的如图所示。,图5-24 电压频率特性曲线,1.频率低于额定值的情况 图5-24中的特性曲线均经过额定电压和额定频率点（1，1），且频率高于额定频率时维持额定电压不变，但当频率低于额定频率时，又分三种情况： 1）比例控制特性,5.4.4变频器的节能原理 1.变频调速节能 下面就以风机为例，说明风机泵类负载两种调节流量方法的节能效果比较。,图5-26 风机调速节能示意图,如图所示，曲线P为额定转速下风压与流量的特性控制曲线，与风阻特性曲线R，相交于额定工作点。,2 提高功率因数节能 在不同需要调速的场合，变频器的节能效果主要体现在提高功率挺熟，将死线路功率消耗的基础上。 计算公式为
16、,3软启动节能 电机启动时在线路上产生的有功消耗和电压降分别为,由于启动电流不大于额定电流，所以软启动时产生的功率消耗和电压降小的多，从而实现了节能。,5.5单相感应电机的调速控制 5.5.1调压调速 （1）串联电抗器调速 串联电抗器的电抗值X，可以根据电源电压，频率，电机的负载及要求的调速范围，通过实验和计算求出。 （2）串联电容调速 串联电容调速的原理和串联电抗器一样，是利用容抗降低电动机端电压达到调速的目的。 （3）自耦变压器调速 通过自耦变压器降低输入电压以达到调速的目的。 （4）可控硅调速装置 可控硅调速是通过改变可控硅导通角的方法，来实现的。,5.5.2变极调速 变极异步电动机的结构主要有以下几种： （1）电机定子由两套独立绕组，各对应一定的级数； （2）电机定子有一套绕组，通过改变接线变级； （3）电机定子由两套独立绕组，每套绕组又可以通过改变接线变级，因而可以得到三速或者四速。,5.5.3变频调速 是将单相异步电动机看作是两相电机模型来研究。在单相电机的住绕组和副绕组的工作方
