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1、直流、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué) 制作人:董愛梅制作人:董愛梅制作人:董愛梅制作人:董愛梅制作人:董愛梅制作人:董愛梅 第三章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性,較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。 盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,在機(jī)電控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件還是獲得了廣泛的應(yīng) 用。 直流伺服電動(dòng)機(jī)按激磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場(chǎng)由激磁繞 組產(chǎn)生;永磁式的磁場(chǎng)由永磁體(永久磁鐵)產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種目前 巳普遍使用的伺服電動(dòng)機(jī),特別是在大功率范圍內(nèi)(100w以
2、上)。永磁式直流伺服電 動(dòng)機(jī)由于尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無需激磁等一系列優(yōu)點(diǎn)而 被越來越重視。 一、 特點(diǎn) 1、穩(wěn)定性好 2、可控性好 3、響應(yīng)迅速 4、控制功率低,損耗小 5、轉(zhuǎn)矩大 直流電機(jī)控制 二、 驅(qū)動(dòng)與控制 一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞,不僅取決于電機(jī)本身的特性,而且還取決于驅(qū)動(dòng)電路 的性能以及兩者之間的相互配合。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回 授等。目前常用晶體管驅(qū)動(dòng)和可控硅直流調(diào)速驅(qū)動(dòng),廣泛采用的直流伺服電機(jī)的晶 體管驅(qū)動(dòng)電路有線性直流伺服放大器和脈寬調(diào)制放大器(PwM)。 一般,寬頻帶低功 率系統(tǒng)選用線性放大器(小于幾百瓦),而脈寬調(diào)制放大器常用在較大的
3、系統(tǒng)中,尤其 是那些要求在低速和大轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合。 一、可控硅直流調(diào)速驅(qū)動(dòng) Us RP1 R0 R0 Rb Ufn - + U + R1 Id RP2 G Uc Ud - + Ua M L 圖47 帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 第三章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 電壓負(fù)反饋和電流正反饋?zhàn)詣?dòng) 調(diào)速系統(tǒng) 第四章 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速 變頻調(diào)速 間接變換方式 (交直交變頻) 變頻方式 直接變換方式(交交變頻) 交直交變頻是把交流電通過整流器變?yōu)橹绷麟?,再用逆變器將直流電變?yōu)轭l 率可變的交流電供給異步電動(dòng)機(jī)。目前常用的通用變頻器即屬于交直交變頻, 其基本結(jié)構(gòu)原理如圖412。由圖可知,變頻器主要由主
4、回路(包括整流器、中間 直流環(huán)節(jié)、逆變器)和控制回路組成。變頻器還有豐富的軟件,各種功能主要靠軟 件來完成。 交流電源 交流電源 電壓頻率可變 中間直流環(huán)節(jié) 逆變器 整流器 控 制 電 路 變頻器的分類方式很多,除了按電源變換方式分類外,還可以按逆變器開關(guān)方式來 分類,即PAM方式和PWM方式。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation(脈沖振幅 調(diào)制)控制的簡(jiǎn)稱; PWM控制是Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)制)控制的簡(jiǎn) 稱,是在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓(電流)的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。 在這種控制方式中,以較高頻率對(duì)逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)
5、元器件進(jìn)行開閉,并通過 改變輸出脈沖的寬度來達(dá)到控制電壓(電流)的目的。目前在變頻器中多采用正弦 波PWM控制方式,即通過改變PWM輸出的脈沖寬度,使輸出電壓的平均值接近正 弦波,這種方式也被稱為SPWM控制。 變頻器還可以按控制方式分為V/F(電壓/頻率)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制三 種。其中,V/F控制屬于開環(huán)控制,而轉(zhuǎn)差控制和矢量控制屬于閉環(huán)控制,二者的 主要區(qū)別在于V/F控制方式中沒有進(jìn)行速度反饋,而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控 制方式利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制。 變頻器種類 通用變頻器:節(jié)能,節(jié)電20%,用于壓縮機(jī)、泵、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)等; 提高控制性能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,用于運(yùn)輸機(jī)械、起
6、重機(jī)等。 紡織專用變頻器:改善傳動(dòng)特性,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。紡織、化纖機(jī)械。 矢量控制變頻器:提高傳動(dòng)精度及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。冶金、印刷、造紙。 要求高精度的轉(zhuǎn)矩控制,加速度大,能與上位機(jī)進(jìn)行通訊。 機(jī)床專用變頻器:用于機(jī)床主軸傳動(dòng)控制,以滿足工藝上要求得大加減速轉(zhuǎn) 矩,寬廣的恒功率控制及高精度的定位控制,提高機(jī)床自動(dòng)化。 電梯專用矢量變換控制變頻器:實(shí)現(xiàn)緩慢平穩(wěn)的升降速。 高頻變頻器:用于超精密加工、高速電動(dòng)機(jī)。如專用脈沖調(diào)幅型變頻器,頻 率達(dá)3kHZ,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速 18 104r/min。 變頻器選擇 分析控制對(duì)象的負(fù)載特性選擇電動(dòng)機(jī)的容量 根據(jù)用途選擇合適的變頻器類型 確定變頻器容量 (1)選擇變
7、頻器具體型號(hào)是以電動(dòng)機(jī)額定電流值為依據(jù),以電動(dòng)機(jī)的額 定功率為參考值。變頻器最大輸出電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流值。 (2)變頻器與電動(dòng)機(jī)的距離過長(zhǎng)時(shí),為防止電纜對(duì)地耦合與變頻器輸出 電流中諧波疊加而造成的電動(dòng)機(jī)端子處電壓升高的影響,應(yīng)在變頻器的 輸出端安裝輸出電抗器。 (3)變頻器選擇時(shí),要考慮電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率在什么功率范圍內(nèi)。在低 速范圍內(nèi),應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的溫升情況,是否需加裝風(fēng)扇給電動(dòng)機(jī)散熱。 (4)變頻器選擇時(shí),一定要注意其防護(hù)等級(jí)應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)情況相匹配,防止 現(xiàn)場(chǎng)的粉末或水分影響變頻器的長(zhǎng)久運(yùn)行。 變頻器的安裝、運(yùn)行及維護(hù) (1)變頻器安裝及連接 變頻器的安裝應(yīng)按照變頻器說明書的要求進(jìn)行安裝
8、。固定變頻 器的本體后,在接線時(shí),應(yīng)嚴(yán)格按照隨機(jī)說明書的各項(xiàng)說明進(jìn) 行接線,千萬不要接錯(cuò)線。 (2)變頻器的運(yùn)行及維護(hù) 1) 按照隨機(jī)說明書核對(duì)主線路和控制線路是否正確,確認(rèn)無 誤后,給變頻器上電。 2) 在變頻器上電后,對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)試,確認(rèn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向、 運(yùn)行頻率、電流、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)是否達(dá)到工藝的要求。 3) 為使變頻器能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行,應(yīng)進(jìn)行日常檢查和定期檢查。 在運(yùn)行時(shí),應(yīng)檢查變頻器的運(yùn)行電流、電壓是否平衡,是否有 突變聲音。在停機(jī)時(shí),可以采用目視和嗅覺檢查,對(duì)變頻器的 顯示、控制、冷卻部分以及主電路進(jìn)行檢查。 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 ABB變頻器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)
9、用 恒壓供水是指不論用戶端水量大小,總保持管網(wǎng)水壓基本恒定。這樣,既可以滿足各 部位用戶的用水的需要,又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn),造成電能的浪費(fèi)。因此,由變頻器得到給 定壓力信號(hào)和實(shí)際反饋信號(hào),利用變頻器內(nèi)部固有的功能進(jìn)行比較計(jì)算,通過頻率輸出 的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,從而控制管網(wǎng)中水壓力恒定。 變頻器恒壓供水系統(tǒng)如圖4-13所示。 圖422 變頻器恒壓供水系統(tǒng)圖 進(jìn)水管 水池 閥門 止回閥 狀態(tài)顯示 器 水泵閥門 出水管 變頻器 壓力傳感 器 M 水泵電動(dòng) 機(jī) 本系統(tǒng)僅舉出一個(gè)簡(jiǎn)單例子,即一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)水泵運(yùn)行。主要構(gòu)成為ABB ACS600系列變頻器一臺(tái),由于ABB公司ACS600系列變頻器均帶有PI
10、D調(diào)節(jié)器,所以 可以根據(jù)給定壓力(設(shè)定壓力)和壓力傳感器返回的實(shí)際壓力信號(hào)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn) PID調(diào)節(jié)(比例積分微分調(diào)節(jié)),變頻器根據(jù)用戶水量大小而引起的水壓變化,相應(yīng) 地調(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制水壓的恒定,另外變頻器可以輸出相應(yīng)的電流信號(hào)給 顯示控制器,可直接顯示出變頻器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)具有過流、 過壓、欠壓、過載等全部故障保護(hù)功能。恒壓供水系統(tǒng)的控制原理圖如圖4-14所示。 變頻器的功能參數(shù)設(shè)定主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和廠家提供的用戶手冊(cè)進(jìn)行設(shè)定,主要有: 啟動(dòng)/停止參數(shù)、信號(hào)選擇參數(shù)、PID控制參數(shù)與加/減速時(shí)間等幾組參數(shù),其余均可遵 照變頻器出廠值。 在本系統(tǒng)主電路中,變頻器
11、的前端加入空氣斷路器與快速熔斷器進(jìn)行前端過電流保 護(hù)與短路保護(hù),以避免變頻器整流部分的損壞。后端直接與水泵電動(dòng)機(jī)相連。 接變頻器運(yùn)行指示信號(hào) 接變頻器起/停信號(hào) X25:3 X25:2 X2:1 X2:7 接壓力給定信號(hào)(如信號(hào)發(fā)生器) 接壓力反饋信號(hào)(如壓力變送器) FU ACS601系列 變頻器 X1:6 X1:5 X1:7 X1:8 M 圖423 恒壓供水系統(tǒng)控制原理圖 U1 V1 W1 QF1 U2 V2 W2 在本系統(tǒng)控制電路中,變頻器接受的壓力給定信號(hào)與壓力反饋信號(hào)均為電流 信號(hào)(4-20mA),變頻器接受的啟/停信號(hào)為無源開關(guān)量信號(hào),其運(yùn)行指示 信號(hào)輸出也為無源開關(guān)量信號(hào)。 需要指出的是,在系統(tǒng)中如果水泵為離心式水泵,那么變頻器在選擇時(shí)可按 照平方轉(zhuǎn)矩選擇;如果水泵為潛水泵,那么變頻器在選擇時(shí)應(yīng)按照恒轉(zhuǎn)矩選 擇。這是因?yàn)闈撍秒妱?dòng)機(jī)的額定電流比通常電動(dòng)機(jī)的額定電流要大,所以 選擇變頻器時(shí),變頻器的連續(xù)輸出電流要大于潛水泵電動(dòng)機(jī)的額定電流。 FVR
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