机床电气控制课件(第15课)交流调速

一、串级调速的工作原理(82-86) • 串入Ef前
I2 sE20 r22 (sX 20 ) 2
• 串入Ef（与sE20频率
相同，相位相同或相 反）后
I2 sE20 E f r ( sX 20 )
2 2 2

sE20 E f r2
（同相取“＋”，反相取 “-”）
一、串级调速的工作原理
• 双闭环串级调速系统
5.2 变频调速系统
变频调速是以一个频率及电压可变的电源， 向异步(或同步)电动机供电，从而调节电动机转速 的方法。 变频调速可分为两类：第一类由恒频恒压的交 流电，经过整流再逆变成变频变压的交流电，称为 带直流环节的间接变频调速或交一直一交变频。
第二类是由恒频恒压的交流电，直接变成变频 变压的交流电，称为直接变频调速或交一交变频。
（3）使用多台电动机且不需要分别调速时；
（4）频繁反转或降速控制，要求增加再生用 的直流功率元件时等。
作 业
P.131 5-1 5-5
下图为一种电压闭环、频率开环的电压型变频系统的方 框图。
电压负反馈电路 M
速 度 给 定 器
+
电 压百度文库调 节 器
控 制 角 调 整 器
整流
逆变
M
U/F变换器
脉冲分配器
电压型变频系统方框图
这个系统能带动多台电机转动。由于直流输出电压稳 定，因此异步电动机的转速精度仅决定于U/F变换器的精度 及电机本身的转差率。 上述调速装置的缺点有： (1) 需两套可控的功率级装置及其控制电路，装置庞大。
• 串电阻调速：在转子回路中外串电阻， 利用消耗于外串电阻中的功率来改变 转差率，从而调节速度，属于耗能调 速。 • 缺点：效率低，机械特性硬度降低， 有级调速。
• 串级调速：在转子回路中串入附加电势， 通过改变附加电势的大小，转子电流会发 生变化，可改变电动机转速；同时，利用 附加电势装置吸收转子的转差功率，将其 变为机械功率送回到电动机轴上，或将其 回馈交流电网，则提高设备效率。 • 优点：效率高，无级调速，较硬的机械特 性。
PWM拖系统具有有较高的功率因数和 效率，且调节部位较少；在非常低的频率下 ，能使转矩运行特性平滑，不会在反转时卡 死在零转速；在总的运行特性方面PWM系统 可与直流拖动相抗衡；可实现多台异步电动 机同步运转，使设备更为紧凑。
在下列情况下应考虑采用交流调速系统： （1）要求用低额定转速电动机时； （2）环境要求电动机防爆或完全封闭时；
二、变频调速的原则
1、恒磁通变频调速 • 保持U1/f1=常数，实质为保持磁通基本不变
当定子电压与频率成正比改变时，即
U1 / U1e f1 / f1e
式中 U1e—电动机的额定相电压； U1—电动机的实际相电压； f1e—电动机的额定定子频率； f1—电动机的实际定子频率。
此时电动机的输出为恒转矩，输出的功率与定子电流频 率成正比。 当定子电压与频率的平方根成正比改变时，即
• 机械串级调速系统的固有功率调速特性， 能在低速时候产生较大的转矩，适用于低 速重载转矩场合，因转速较低时候，直流 电动机不能产生足够的Ef，所以这种串级 调速系统的调速范围不大，通常为2：1 之内。
二、串级调速的主要类型
2、晶闸管串级调速系统 • 利用利用晶闸管整流装置产生附加直流电势， 作为引入附加电势Ef
机械设备电气控制
5 交流调速系统
5 交流调速系统
直流调速： （1）维修困难 （2）使用环境受限 （3）大容量、高转速、高电压的直流电动 机制造困难。
• 变频交流调速： （1）交流电动机不受环境限制 （2）维修量小 （3）结构简单、耐用、经济可靠、惯性小 （4）可以得到性能指标好的交流调速系统 （5）容量更大。转速更高、电压更高
(2) 因可控整流输入端的功率因数随输出电压而变化， 若输出电压低时功率因数也低。
(3) 由于滤波环节的惯性作用，便调压动态过程缓慢， 影响系统的快速性。 (4) 在六段输出波形中存在很大的5、7次谐波，引起谐 波发热和负转矩分量，限制了转速的下限。
三、脉宽调制（PWM）变频器工作原理
脉宽调制法是通过快速开关的通断作用，把直 流电压直流电压逆变成频率和电压同时可调的交流 电压供给负载。
二、串级调速的主要类型
需要增设一台 直流电动机， 使得系统庞大， 直流电动机的 结构中有换向 器和电刷，维 修困难，应用 受限
1、机械串级调速系统 • 利用直流电动机的反电动势E作为串级调速系 统中的引入附加电势Ef
• 不计电动机各种损耗时，主电动机从电网吸收 的功率为P，主电动机直接输送给负载的功率 为P(1-S)，另一部分转差功率sp经转子整流器 送给直流电动机。由于直流电动机与调速电动 机同轴硬性连接，直流电动机吸收的转差功率 sp转变为轴上的机械功率又送给负载，这样相 当于在负载轴上增加了一个拖动转矩，从而很 好地利用了转差功率。 • 低速运行时候，负载得到的机械功率为 • P(1-S)+PS=CONST
U 1 / U 1e
f1 f1e
电动机输出恒功率，输出的转矩与定子电流频率成反比。
二、变频调速的原则
2、恒转矩变频调速 • 保持E1/f1=常数，实质为保持转矩不变
二、变频调速的原则
3、恒功率变频调速 • 保持 U1 / f1 常数，功率不变
异步电动机变频调速时，在额定频率 （转速）以下采用恒转矩调速，在额定 频率（转速）以上采用恒功率调速。
（1）晶闸管交流调压电路
SCR1 ufz
α
+
u SCR2 ufz Rfz 0 α ωt
(a) 电路
(b) 波形
单相交流调压 有时把这种方式称为相控方式的交流调压电路，它的输 出波形中的高次谐波较大，对电机类负载不利。
2．晶闸管逆变电路
从交流电转换成直流电的过程叫整流，而把相反的过 程叫逆变。实现逆变的装置叫逆变器。
三、脉宽调制（PWM）变频器工作原理 1、组成： • 二极管整流器：将交流电压转变为恒定 不变的直流电压Ud • 滤波器：减小直流电压Ud的波动 • 功率晶体管逆变器：将直流电压逆变为 频率和电压同时可调的交流电压
具体调制方法很多，最常用的是正弦波PWM。
2、简单PWM逆变器的工作原理
3、高频PWM逆变器的工作原理
脉宽调制型逆变器。
2、改变转差率s 调阻调速 调压调速 串级调速 电磁离合器调速 变转差率调速—对绕线式异步电动机转子绕组串接 电阻的调阻调速等，可实现无级调速。
3、改变磁极对数 多速电机 变极调速—对鼠笼式异步电动机改变其定子绕组 的极对数P，此为有级调速。
5.1 串级调速系统 绕线转子异步电动机的调速方式
5.2 变频调速系统 一、晶闸管变频器工作
1、单相交—直—交变频器
• 整流器：将交流电源（恒频恒压）整流为幅值可调 的直流电Ud . • 滤波器：减小直流电压Ud的波动。
• 逆变器：将直流电Ud逆变为频率可调的交流电u0。
2、三相交—直—交变频器
三相逆变器中晶闸管的导通情况见P117
交—直—交变频器类型（根据滤波方式分） • 电压型变频器（电容器滤波） • 电流型变频器（电抗器滤波）
M 2 CM I 2 cos 2 n1 n s n sE20 E f I2 r2
• 串入反相Ef→I2↓→M2↓→ M2 ＜M → n ↓ →s↑→ I2 ↑→ M2 ↑→ M2 =M 减速结束 • 串入同相Ef→I2↑→M2↑→ M2 ＞M → n ↑ →s↓→ I2 ↓→ M2 ↓→ M2 =M 增速结束
ufz
SCR1 E t +
K1
E
K2
E
0 -E
ufz Rfz
SCR2
+ +
ufz
K3 Rfz K4
SCR3
SCR4
(a)原理线路 (a)原理线路
(b)波形 (b)波形
(c)晶闸管组成的逆变器 (c)晶闸管组成的逆变器
逆变器工作原理
三、晶闸管串级调速系统的构成
• 转速开环串级调速系统
三、晶闸管串级调速系统的构成
5 交流调速系统
交流调速原理
异步电动机的转速
60 f1 n n0 (1 s) (1 s) p 式中n0—同步转速
f1—电源频率 p —磁极对数 s —转差率
交流调速的方法
1、改变定子电源频率f1----变频调 速 变频调速—改变供电频率的调速方案有
交—交变频器；
交—直—交电压源型变频器；