学习_高级维修技师交直流调速系统
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由于转子中的电流是感应产生的，因此异步电动机 又称为感应电动机。
对于异步电动机，转子转速总是低于旋转磁场的转 速，即同步转速，因为如果两者相同，则转子导体和旋 转磁场间相对静止，转子就不会切割磁力线，导体的感 应电动势为零，因而就不会产生电磁转矩。
18
同步转速与转差率
异步电动机的定子通以三相交变的电流后，定子将
交直流调速系统
1、什么是调速及调速系统
将调节电动机转速，以适应生产要求的 过程就称之为调速；
用于完成这一功能的自动控制系统就被 称为是调速系统。
电动机是用来拖动某种生产机械的动力 设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。 比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件 表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求 电机低速运行；而在对工件进行精加工时， 为了要缩短工加时间，提高产品的成本效 益，因此加工时要求电机高速运行。
需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械， 也属于一般性能调速
高性能的交流调速系统和伺服系统
矢量控制技术、直接转矩控制
特大容量、极高转速的交流调速
厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖 动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调 速为宜。
变极
异步电动机调速
变频
n
(1
S )n1
60 1 p
带电压负反馈和电流正反馈的 调速系统
电加量流了使正一系反个统馈与的的给输作定出用电也在压产于同生给极了系性一统的个的增Ufi输量分入，量偏可，差以这电有个压效输地Δ入U补增i增 偿转电速压降负，反从馈而调减速少系了统系因统电的枢静电差阻，压扩降大了IdR调a引速起范的围。
谢谢!
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
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。
2、调速系统的作用
机床在加工过程中、需要按不同的加工 要求，调整主轴的转速、进给速度。
为保证工件表面质量和精度，要求电动 机运行速度平稳。 （1）调速：调速控制系统保证电动机起动、 制动、调速过程迅速改变速度。 （2）稳速：调速控制系统能迅速消除扰动 (主要是负载和电枢电压波动)而引起的转 速波动，保证电动机运行速度平稳。
率固定(通常为工频50 Hz)的交流电(三相或单 相)变换成频率连续可调的交流电的电能控制 装置，其作用如下图所示。
变频器的种类很多，分类方法也有多种 。
1) V/ｆ控制变频器 V/ｆ仃控制的基本特点是对变 频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/ｆ( 电压和频率的比)的值保持一定而得到所需的转矩特 性。采用V/ｆ控制的变频器控制电路结构简单，成 本低，多用于对精度要求不高的通用变频器．
2、静止式可控整流器（V-M系统）
图1-3 晶闸管-直流调速系统（V-M系统）
静止式可控整流器（V-M系统）
从20世纪50年代开始，采用汞弧整流器 和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转 变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离 子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点， 而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流 器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦， 尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严 重危害身体健康。因此，应用时间不长， 到了20世纪60年代又让位给更为经济可靠 的晶闸管整流器。
交流电动机结构简单、制造方便、维护
统将取代直流调速。近年来，随着电子工 业与技术的发展，高性的交流调速系统的 应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统 发展趋势。而直流调速系统在理论和实践 上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角 度来看，它又是交流调速系统的基础。所
以掌握好直直流流调电速机系统的是可很逆重要原的理。
“污染”，功率因数高，效率高。 （4）主电路所需的功率元件少，线路简 单，控制方便。
目前，受到器件容量的限制，PWM直流 调速系统只用于中、小功率的系统。
小结
三种可控直流电源，V-M系统在上世纪 60~70年代得到广泛应用，目前主要用于 大容量系统。
直流PWM调速系统作为一种新技术，发 展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容
于控制。
交流调速系统特点： 控制对象：交流电动机 控制原理复杂,调速方式多 电机无电刷，无换向火化问题 转速高、耐压高 容量大（交流电机本身容量大
） 电机不易损坏，适应恶劣现场 体积小、重量轻，基本免维护 节能显著
交流调速系统的应用领域
主要有三个方面： 一般性能的节能调速
2)转差频率控制变频器 转差频率控制方式是对 V／f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动 机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度 闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的 输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之 和决定。由于通过控制转差频率来摔制转矩和电流 ，与V/ｆ控制相比其加减速特性和限制过流的能力 得到提高。
直流电机的可逆原理：每一台直流电机
既可以作为发电机运行，也可以作为电动 机运行。
直流电动机工作原理
电枢
磁
换向器
极
电刷
直流电动机原理示意图
他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式：
E U IR
n
CE CE
式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
1.概述
1、交直流调速系统的格局
19世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速 系统
20世纪60年代以前 80% —— 交流定速运行 18% —— 直流可调速运行 2% —— 交流可调速运行
70年代以前直流占统治地位。
70年代电力电子技术的发展开创了交流可
异步电动机的工作原理
交流异步电动机的工作原理是由于定子绕组在接通 电源后，建立旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子中 感应电动势并产生电流．这样转子电流与磁场相互作用 ，就产生电磁转矩，从而实现能量变换。
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。
E U IR n
CE CE
由直流他励电机有调速方式有三种调 速方式：电枢回路串电阻的变电阻调 速，改变电枢电压的变电压调速以及 减小气隙磁通量的弱磁调速。
由于串电阻调速和弱磁调速都会使直 流他励电机的机械特性变软，所以在 实际应用中我们通常采用的是变电压 调速。
一、直流调速系统
产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0旋转。电机转子的 实际转速 n 总是小于同步转速。两者的差值叫转差。
n0
60 f1 np
f1---定子供电电源频率，Hz
np---电机极对数
同步转速和实际转速的差值与同步转速的比值叫转差率
。
s n0 n
n0
19
交、直流调速的特点
直流调速系统特点： 控制对象：直流电动机 控制原理简单，一种调速方式 性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化） 电机设计功率受限 电机易损坏，不适应恶劣现场 需定期维护 优点：数学模型简单，转矩易
转差频率控制和矢量控制的原理鞍复杂 ，本次不作进一步的讨论。
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。
(1
S)
按调速方法分类
①变频调速
由转速公式可归
变转差率纳出三类基本的 调速方法：变极 对数p的调速、 变电源频率f1调 速及变转差率s 调速。
②转差离合器调速
③转子串电阻调速
④绕线转子电动机串级调速和双馈电动 机调速
⑤变极对数调速
2变频器及其分类 变频器是利用半导体器件的通断作用将频
1. 旋转变流机组（G-M系统）
以旋转变流机组作为可调电源的直流电 动机调速系统的原理图如图1-1所示。由 交流电动机（称原动机，通常采用柴油机、 交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G实现变流，由G给需要调速的直流电动机 M可电改枢变供其电输，出调电节i 压f 发U电，机从的而励调磁节电电流动机的即 转速n的大小。这种调速系统叫做发电 机—电动机系统，即G-M系统，国际上通 称Ward-Leonard系统。
3) 矢量控制变频器 矢量控制是一种高性能 异步电动机控制力式，它的基本思路是：
将异步电动机的定子电流分为产生磁场 电流的分量(励磁电流)和与其垂直的产生转 矩的电流分量(转矩电流)，并分别加以控制 。
由于在这种控制方式中必须同时控制异
步电动机定子电流的幅值和相位，即定于电 流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控 制方式。
1957年，晶闸管问世，它是一种大功率
“可控硅”，20世纪60年代起就已生产出成 套的晶闸管整流装置。晶闸管问世以后， 变流技术出现了根本性的变革。目前，采 用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统 （即晶闸管－电动机调速系统，简称V-M系 统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成 为直流调速系统的主要形式。
三种调速方法的性能与比较
要求在一定范围内无级平滑调速的系统 来说，调节电枢供电电压的方式为最好。 改变电阻只能有级调速；减弱磁调速范围 不大，在基速（即电机额定转速）以上作 小范围的弱磁升速。这两种都会使直流他 励电机的机械特性变软。
在实际应用中我们通常采用的是变电压 调速，实现调压调速的关键是要有可调的 直流电源。
3、调速系统的性能指标
应按一定的技术指标来执行，技术指标又 静态指标和动态指标。
静态指标： 静差率 调速范围 动态指标： 跟随性能指标 抗扰性能指 标
4、调速系统的分类
目前调速系统分交流和直流调速系统， 由于直流调速系统的调速范围广，静差率 小、稳定性好以及具有良好的动态性能。 因此在相当长的时期内，高性能的调速系 统几乎都采用了直流调速系统。
晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）
脉宽调制电路的开关频率高，一般在几 kHz，因此系统的频带宽，响应速度快， 动态抗扰能力强。 （2）由于开关频率高，仅靠电动机电枢 电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直 流电流，电枢电流容易连续，系统的低速 性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时 电动机的损耗和发热都较小。 （3）PWM系统中，主回路的电力电子器件 工作在开关状态，损耗小，装置效率高， 而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整 流器对电网的
对于异步电动机，转子转速总是低于旋转磁场的转 速，即同步转速，因为如果两者相同，则转子导体和旋 转磁场间相对静止，转子就不会切割磁力线，导体的感 应电动势为零，因而就不会产生电磁转矩。
18
同步转速与转差率
异步电动机的定子通以三相交变的电流后，定子将
交直流调速系统
1、什么是调速及调速系统
将调节电动机转速，以适应生产要求的 过程就称之为调速；
用于完成这一功能的自动控制系统就被 称为是调速系统。
电动机是用来拖动某种生产机械的动力 设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。 比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件 表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求 电机低速运行；而在对工件进行精加工时， 为了要缩短工加时间，提高产品的成本效 益，因此加工时要求电机高速运行。
需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械， 也属于一般性能调速
高性能的交流调速系统和伺服系统
矢量控制技术、直接转矩控制
特大容量、极高转速的交流调速
厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖 动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调 速为宜。
变极
异步电动机调速
变频
n
(1
S )n1
60 1 p
带电压负反馈和电流正反馈的 调速系统
电加量流了使正一系反个统馈与的的给输作定出用电也在压产于同生给极了系性一统的个的增Ufi输量分入，量偏可，差以这电有个压效输地Δ入U补增i增 偿转电速压降负，反从馈而调减速少系了统系因统电的枢静电差阻，压扩降大了IdR调a引速起范的围。
谢谢!
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
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。
2、调速系统的作用
机床在加工过程中、需要按不同的加工 要求，调整主轴的转速、进给速度。
为保证工件表面质量和精度，要求电动 机运行速度平稳。 （1）调速：调速控制系统保证电动机起动、 制动、调速过程迅速改变速度。 （2）稳速：调速控制系统能迅速消除扰动 (主要是负载和电枢电压波动)而引起的转 速波动，保证电动机运行速度平稳。
率固定(通常为工频50 Hz)的交流电(三相或单 相)变换成频率连续可调的交流电的电能控制 装置，其作用如下图所示。
变频器的种类很多，分类方法也有多种 。
1) V/ｆ控制变频器 V/ｆ仃控制的基本特点是对变 频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/ｆ( 电压和频率的比)的值保持一定而得到所需的转矩特 性。采用V/ｆ控制的变频器控制电路结构简单，成 本低，多用于对精度要求不高的通用变频器．
2、静止式可控整流器（V-M系统）
图1-3 晶闸管-直流调速系统（V-M系统）
静止式可控整流器（V-M系统）
从20世纪50年代开始，采用汞弧整流器 和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转 变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离 子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点， 而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流 器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦， 尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严 重危害身体健康。因此，应用时间不长， 到了20世纪60年代又让位给更为经济可靠 的晶闸管整流器。
交流电动机结构简单、制造方便、维护
统将取代直流调速。近年来，随着电子工 业与技术的发展，高性的交流调速系统的 应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统 发展趋势。而直流调速系统在理论和实践 上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角 度来看，它又是交流调速系统的基础。所
以掌握好直直流流调电速机系统的是可很逆重要原的理。
“污染”，功率因数高，效率高。 （4）主电路所需的功率元件少，线路简 单，控制方便。
目前，受到器件容量的限制，PWM直流 调速系统只用于中、小功率的系统。
小结
三种可控直流电源，V-M系统在上世纪 60~70年代得到广泛应用，目前主要用于 大容量系统。
直流PWM调速系统作为一种新技术，发 展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容
于控制。
交流调速系统特点： 控制对象：交流电动机 控制原理复杂,调速方式多 电机无电刷，无换向火化问题 转速高、耐压高 容量大（交流电机本身容量大
） 电机不易损坏，适应恶劣现场 体积小、重量轻，基本免维护 节能显著
交流调速系统的应用领域
主要有三个方面： 一般性能的节能调速
2)转差频率控制变频器 转差频率控制方式是对 V／f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动 机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度 闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的 输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之 和决定。由于通过控制转差频率来摔制转矩和电流 ，与V/ｆ控制相比其加减速特性和限制过流的能力 得到提高。
直流电机的可逆原理：每一台直流电机
既可以作为发电机运行，也可以作为电动 机运行。
直流电动机工作原理
电枢
磁
换向器
极
电刷
直流电动机原理示意图
他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式：
E U IR
n
CE CE
式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
1.概述
1、交直流调速系统的格局
19世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速 系统
20世纪60年代以前 80% —— 交流定速运行 18% —— 直流可调速运行 2% —— 交流可调速运行
70年代以前直流占统治地位。
70年代电力电子技术的发展开创了交流可
异步电动机的工作原理
交流异步电动机的工作原理是由于定子绕组在接通 电源后，建立旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子中 感应电动势并产生电流．这样转子电流与磁场相互作用 ，就产生电磁转矩，从而实现能量变换。
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。
E U IR n
CE CE
由直流他励电机有调速方式有三种调 速方式：电枢回路串电阻的变电阻调 速，改变电枢电压的变电压调速以及 减小气隙磁通量的弱磁调速。
由于串电阻调速和弱磁调速都会使直 流他励电机的机械特性变软，所以在 实际应用中我们通常采用的是变电压 调速。
一、直流调速系统
产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0旋转。电机转子的 实际转速 n 总是小于同步转速。两者的差值叫转差。
n0
60 f1 np
f1---定子供电电源频率，Hz
np---电机极对数
同步转速和实际转速的差值与同步转速的比值叫转差率
。
s n0 n
n0
19
交、直流调速的特点
直流调速系统特点： 控制对象：直流电动机 控制原理简单，一种调速方式 性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化） 电机设计功率受限 电机易损坏，不适应恶劣现场 需定期维护 优点：数学模型简单，转矩易
转差频率控制和矢量控制的原理鞍复杂 ，本次不作进一步的讨论。
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。
(1
S)
按调速方法分类
①变频调速
由转速公式可归
变转差率纳出三类基本的 调速方法：变极 对数p的调速、 变电源频率f1调 速及变转差率s 调速。
②转差离合器调速
③转子串电阻调速
④绕线转子电动机串级调速和双馈电动 机调速
⑤变极对数调速
2变频器及其分类 变频器是利用半导体器件的通断作用将频
1. 旋转变流机组（G-M系统）
以旋转变流机组作为可调电源的直流电 动机调速系统的原理图如图1-1所示。由 交流电动机（称原动机，通常采用柴油机、 交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G实现变流，由G给需要调速的直流电动机 M可电改枢变供其电输，出调电节i 压f 发U电，机从的而励调磁节电电流动机的即 转速n的大小。这种调速系统叫做发电 机—电动机系统，即G-M系统，国际上通 称Ward-Leonard系统。
3) 矢量控制变频器 矢量控制是一种高性能 异步电动机控制力式，它的基本思路是：
将异步电动机的定子电流分为产生磁场 电流的分量(励磁电流)和与其垂直的产生转 矩的电流分量(转矩电流)，并分别加以控制 。
由于在这种控制方式中必须同时控制异
步电动机定子电流的幅值和相位，即定于电 流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控 制方式。
1957年，晶闸管问世，它是一种大功率
“可控硅”，20世纪60年代起就已生产出成 套的晶闸管整流装置。晶闸管问世以后， 变流技术出现了根本性的变革。目前，采 用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统 （即晶闸管－电动机调速系统，简称V-M系 统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成 为直流调速系统的主要形式。
三种调速方法的性能与比较
要求在一定范围内无级平滑调速的系统 来说，调节电枢供电电压的方式为最好。 改变电阻只能有级调速；减弱磁调速范围 不大，在基速（即电机额定转速）以上作 小范围的弱磁升速。这两种都会使直流他 励电机的机械特性变软。
在实际应用中我们通常采用的是变电压 调速，实现调压调速的关键是要有可调的 直流电源。
3、调速系统的性能指标
应按一定的技术指标来执行，技术指标又 静态指标和动态指标。
静态指标： 静差率 调速范围 动态指标： 跟随性能指标 抗扰性能指 标
4、调速系统的分类
目前调速系统分交流和直流调速系统， 由于直流调速系统的调速范围广，静差率 小、稳定性好以及具有良好的动态性能。 因此在相当长的时期内，高性能的调速系 统几乎都采用了直流调速系统。
晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）
脉宽调制电路的开关频率高，一般在几 kHz，因此系统的频带宽，响应速度快， 动态抗扰能力强。 （2）由于开关频率高，仅靠电动机电枢 电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直 流电流，电枢电流容易连续，系统的低速 性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时 电动机的损耗和发热都较小。 （3）PWM系统中，主回路的电力电子器件 工作在开关状态，损耗小，装置效率高， 而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整 流器对电网的