交流電動機驅(qū)動及其控制演示文稿

交流電動機驅(qū)動及其控制演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有27頁\編輯于星期三優(yōu)選交流電動機驅(qū)動及其控制現(xiàn)在是2頁\一共有27頁\編輯于星期三5.4.1交流伺服電機特點及其調(diào)速方法

直流伺服電機具有電刷和整流子，尺寸較大且必須經(jīng)常維修，使用環(huán)境也受到一定影響，特別是其容量較小，受換向器限制，很多特性參數(shù)隨速度而變化，因而限制了直流伺服電機向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。

交流伺服電機采用了全封閉無刷結(jié)構(gòu)，以適應實際生產(chǎn)環(huán)境，不需要定期檢查和維修。其定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊、外形小、重量輕(只有同類直流電機的75％～90％)。定子鐵芯較一般電機開槽多且深，繞組繞在定子鐵芯上，絕緣可靠，磁場均勻?？蓪Χㄗ予F芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機械部分的熱量小，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)子采用具有現(xiàn)在是3頁\一共有27頁\編輯于星期三

精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩／慣量比，動態(tài)響應好，運行平穩(wěn)。因此交流伺服電機以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應用。但是交流電機的控制性能沒有直流電機的好，也正是由于這一點，交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷史沒有直流伺服系統(tǒng)早，在過去較長的一段時間遠沒有直流伺服系統(tǒng)應用廣泛。隨著電子學和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服的發(fā)展極為迅速，已進入與直流伺服相媲美、相競爭的時代，并有取而代之的趨勢。現(xiàn)在是4頁\一共有27頁\編輯于星期三

交流電機的轉(zhuǎn)速公式：

式中，f－定子電源頻率，s－轉(zhuǎn)差率；p－極對數(shù)，n0－同步轉(zhuǎn)速。根據(jù)上式，可得到不同的交流電機調(diào)速的方法：

(1)轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻改變轉(zhuǎn)差率，這種方法調(diào)速機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大。現(xiàn)在是5頁\一共有27頁\編輯于星期三(2)改變定子電壓來改變轉(zhuǎn)差率，這種方法損耗也很大。(3)改變極對數(shù)來改變轉(zhuǎn)速，這種方法調(diào)速是有級的，而且調(diào)速范圍窄。(4)改變定子供電頻率，可以平滑地改變電機的同步轉(zhuǎn)速，這種方法最為理想，稱又交流變頻調(diào)速，其裝置叫變頻器調(diào)速裝置(VFD)。

目前高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)大都采用變頻調(diào)速方法來改變電機轉(zhuǎn)速。為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通恒定，這時就需要定子供電電壓做相應調(diào)節(jié)。因此，對交流電機供電的變頻器一般都要求兼有調(diào)頻調(diào)壓兩種功能?，F(xiàn)在是6頁\一共有27頁\編輯于星期三5.4.2變頻器調(diào)速裝置（VFD）

一.晶閘管變頻器的工作原理

圖5-36所示為交－直－交變頻器的主電路，它由整流器、中間濾波環(huán)節(jié)及逆變器三部分組成。整流器為晶閘管三相橋式電路，它的作用是將恒壓恒頻交流電變換為直流電，然后再用作逆變器的直流供電電源。逆變器也是晶閘管三相橋式電路，但它的作用與整流器相反，它是將直流電變換調(diào)制為可調(diào)頻率的交流電，是變頻器的主要組成部分。中間濾波環(huán)節(jié)由電容器、電抗器組成，它的作用是對整流后的電壓或電流進行濾波?，F(xiàn)在是7頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-36交—直—交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(a)現(xiàn)在是8頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-36交—直—交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(b)現(xiàn)在是9頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-36交—直—交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(c)現(xiàn)在是10頁\一共有27頁\編輯于星期三

二.脈寬調(diào)制方法（PWD）

逆變器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心。圖5-37為三相橋式逆變器的原理電路圖，它采用電力晶體管GTR作開關(guān)元件(也可以用其他開關(guān)元件)。

負載為三相對稱電阻負載。由各開關(guān)管的基極驅(qū)動信號分別整制各開關(guān)管的通斷?；鶚O驅(qū)動信號在電路中一般常以載頻信號uc與參考信號ur相比較產(chǎn)生，這里uc采用單極性等腰三角形波形，而ur采用直流電壓。在uc和ur波形相交處發(fā)出調(diào)制信號，部分脈沖調(diào)制波形如圖5-38所示，那是經(jīng)過三相對稱倒相后a、b兩點的相位波形，uoo’和相電壓uao’的脈沖列波形?，F(xiàn)在是11頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-37三相橋式逆變器的原理電路圖(a)現(xiàn)在是12頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-37三相橋式逆變器的原理電路圖(b)現(xiàn)在是13頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-38現(xiàn)在是14頁\一共有27頁\編輯于星期三

在圖示的波形中，輸出電壓一個周期內(nèi)有12個等腰三角形。輸出波形正負半周對稱，主回路中的6個開關(guān)元件都是半周工作，通斷6次輸出6個等幅、等寬、等距的脈沖列，另半周總處于截止狀態(tài)。這6個開關(guān)元件是以VT1～VT6的順序輪流工作的。

輸出的電壓波形每半個周期出現(xiàn)6個等寬、等距脈沖，中間2個脈幅高(等于2U/3)，兩邊4個脈幅低(等于U/3)，正負半周對稱。

從波形圖可以清楚地看出：當三角形波幅值一定，改變參考直流信號ur的大小，輸出脈沖的寬度即隨之改變，從而改變輸出的交流電壓大小。當改變載頻三角波的頻率而保持每周輸出脈沖數(shù)不變時，就可以現(xiàn)在是15頁\一共有27頁\編輯于星期三

實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。顯然，同時改變?nèi)遣ǖ念l率和參考直流信號電壓ur的大小、就可以使逆變器在輸出變頻的同時相應地改變電壓的大小。

如果取正弦波作為參考信號ur，它與三角波相比較后可得到矩形波，這是一組寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制，簡稱SPWM。

如圖5-39所示，為單相單極性SPWM控制方式原理圖。正弦波參考信號ur（也稱調(diào)制信號）的正半周由三角波uc（也稱載波信號）劃分為K份，每一份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的現(xiàn)在是16頁\一共有27頁\編輯于星期三

等高矩形脈沖的面積所代替，這樣由K個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形uo與正弦波的正半周等效。正弦波調(diào)制信號的負半周也可用相同的方法來等效。

工程上獲得SPWM調(diào)制波的方法是根據(jù)三角波與正弦波的相交點來確定逆變器功率開關(guān)的工作時間的。調(diào)節(jié)正弦波的頻率或者幅位使可以相應地改變逆變器輸出電壓基波的頻率或幅值。

如圖5-40所示，為單相雙極性SPWM控制方式原理圖。在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖5-41所示的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。現(xiàn)在是17頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-39單相單極性SPWM控制方式原理現(xiàn)在是18頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-40單相雙極性PWM控制方式原理現(xiàn)在是19頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-41三相SPWM逆變電路圖(a)現(xiàn)在是20頁\一共有27頁\編輯于星期三圖5-41三相SPWM逆變電路波形圖(b)現(xiàn)在是21頁\一共有27頁\編輯于星期三5.4.3交流伺服系統(tǒng)組成

交流伺服系統(tǒng)由伺服電機和伺服驅(qū)動器兩部分組成。電機主體是永磁同步式或籠型交流電機，伺服驅(qū)動器通常采用電流型脈寬調(diào)制(PWM)三相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外特性與直流伺服系統(tǒng)相似，以足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍(1：1000～1：10000)和4象限工作能力來保證它在伺服控制中應用。目前常按電機類型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類：一類是同步型交流伺服系統(tǒng)(SM)，另一類是異步型交流伺服系統(tǒng)(IM)。絕大多數(shù)用于機床數(shù)控進給驅(qū)動控制、工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動控制和其他現(xiàn)在是22頁\一共有27頁\編輯于星期三

需要運動和位置控制場合的是同步型交流伺服電機。這種伺服電機通常具有永磁的轉(zhuǎn)子，故稱為永磁交流伺服電機，以區(qū)別于有籠型轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電機。在這里主要討論永磁交流伺服系統(tǒng)?，F(xiàn)代永磁交流伺服系統(tǒng)中所采用的永磁同步電機經(jīng)特殊設(shè)計，同軸安裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器，根據(jù)需要還可以安裝安全制動器和強迫冷卻的風機等。永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)按照其工作原理、驅(qū)動電流波形和控制方式的不同，又可分為兩種伺服系統(tǒng)；矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)和正弦波驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。其原理分別如圖5-42和5-