電機(jī)調(diào)速控制

一、直流電機(jī)調(diào)速方法（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。Ia（2）改變電動機(jī)主磁通Φ。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。If變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同I（3）改變電樞回路電阻R。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大暈電能。二、異步電機(jī)調(diào)速方法三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p(1-s)從上式可見，改變供電頻率f、電動機(jī)的極對數(shù)P及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對數(shù)的多速電動機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無換向電動機(jī)調(diào)速等。從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：（1）高效調(diào)速指時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法（如串級調(diào)速等）。（2）有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；（3）電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；（4）液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。1.變極對數(shù)調(diào)速方法這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下：（1）具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；（2）無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；（3）接線簡單、控制方便、價(jià)格低；（4）有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；（5）可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。2.變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交變頻器。其特點(diǎn)：（1）效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；（2）應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機(jī)；（3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；（4）技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。3.串級調(diào)速方法串級調(diào)速是指繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為：（1）可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高;由式可知，除電磁轉(zhuǎn)矩外，再無其它控制量可影響轉(zhuǎn)速。如果能快速地控制轉(zhuǎn)矩，使得傳動系統(tǒng)在負(fù)載擾動時(shí)獲得較小的動態(tài)速降和較短恢復(fù)時(shí)間，那么，調(diào)速系統(tǒng)就具有較高的動態(tài)性能，因此，調(diào)速系統(tǒng)性能的好壞關(guān)鍵是電磁轉(zhuǎn)矩控制得如何。矢量控制中,電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：T式中Pm為電機(jī)的極對數(shù);LM為定、轉(zhuǎn)子繞組間最大互感;由式知，轉(zhuǎn)矩只與定、轉(zhuǎn)子電流空間矢量is、ir成正比，改變同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的主要方法是改變供電電源的頻率，即變頻調(diào)速。從控制方式上可將同步電動機(jī)變頻調(diào)速分成兩種，一種為他控式變頻調(diào)速；一種為自控式變頻調(diào)速。這里討論永磁同步電動機(jī)采用自控式變頻調(diào)速的方法，在電動機(jī)軸上安裝轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器，能檢測出轉(zhuǎn)子的磁極位置，控制定子側(cè)變頻器的電流頻率和相位，使定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈總是保持確定的關(guān)系，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩。其最簡單的調(diào)速系統(tǒng)工作原理框圖如圖1。圖圖1調(diào)速系統(tǒng)工作原理框圖四、無刷直流電機(jī)基本原理1.無刷直流電機(jī)的分類永磁無刷直流電動機(jī)大致可以分為兩類，即方波型永磁無刷直流電動機(jī)和正弦波型永磁無刷直流電動機(jī)，它們又統(tǒng)稱為自控式永磁同步電動機(jī)。方波型永磁無刷直流電動機(jī)，習(xí)慣上稱為BrushlessDirectCurrentMotor(BLDCM),即無刷直流電動機(jī)。其電機(jī)本體的反電動勢(即激磁電動勢或空載電動勢)設(shè)計(jì)成梯形波，而逆變器輸出方波電壓或方波電流并且與電機(jī)反電動勢保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，從而產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖2所示。在這種情況下，轉(zhuǎn)子位置傳感器只需提供轉(zhuǎn)子的若干個(gè)關(guān)鍵位置的離散信號就可以了。方波型永磁無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、成本較低，一般用于對轉(zhuǎn)矩波動要求不太高的調(diào)速傳動系統(tǒng)。圖圖2方波型正弦波型永磁無刷直流電動機(jī)，由于源于同步電動機(jī)，習(xí)慣上稱為PermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM)，即永磁同步電動機(jī)。其電機(jī)本體的反電動勢設(shè)計(jì)成正弦形，而逆變器采用SPWM技術(shù)或滯環(huán)控制技術(shù)等調(diào)制出正弦電壓或電流并與電機(jī)反電動勢保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，從而產(chǎn)生比較平滑的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖3所示。在這種情況下，位置傳感器需要提供連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信號。正弦型永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且成本較高(尤其是位置傳感器)，控制方法靈活，一般轉(zhuǎn)矩波動較小，因此往往用于對轉(zhuǎn)矩脈動要求比較嚴(yán)格的驅(qū)動與控制系統(tǒng)中。圖圖3正弦波型2.無刷直流電機(jī)的基本組成環(huán)節(jié)無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1.3所示。它主要由電動機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。電動機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其它起動裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)（2p=2,4,…）組成。圖4中的電動機(jī)本體為三相兩極。三相定子繞組分別與電子幵關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接，在圖4中A相、B相、C相繞組分別與功率幵關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。圖圖4無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向的作用。因此，所謂無刷直流電動機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺由電子開關(guān)線路、永磁式同步電動機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動機(jī)系統(tǒng)”。其原理框圖如圖5所示。圖圖5無刷直流電機(jī)的原理框圖無刷直流電動機(jī)電子開關(guān)線路是用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機(jī)定子上各相繞組，以便使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號。但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才控制邏輯開關(guān)單元。綜上所述，組成無刷直流電動機(jī)的各主要部件的框圖如圖6所示。圖圖6無刷直流電機(jī)的組成框圖3.無刷直流電機(jī)的基本工作原理三相無刷直流電動機(jī)的工作原理如圖7所示。采用光電式位置傳感器,電動機(jī)的定子繞組分別為A相、B相、C相，因此，光電式位置傳感上也有3個(gè)光敏圖7圖7無刷直流電機(jī)的工作原理圖接收元件V1、V2、V3與之對應(yīng)。3個(gè)光敏接收元件在空間上間隔120°,分別控制3個(gè)開關(guān)管VA、VB、VC(本例為半橋式驅(qū)動，只用3個(gè)開關(guān)管）。這3個(gè)開關(guān)管則控制對應(yīng)相繞組的通電與斷電。遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上，安裝的位置與圖中轉(zhuǎn)子的位置相對應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖8(a)所示的位置時(shí)，遮光板遮住光敏接收元件V2、V3,只有V1可以透光。因此，V1輸出高電平使開關(guān)管VA導(dǎo)通，A相繞組通電，而B、C兩相處于斷電狀態(tài)。A相繞組通電使定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子的永磁磁場相互作用，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖8(b)的位置時(shí)，遮光板遮住V1，并使V2透光。因此，V1輸出低電平使開關(guān)管VA截止，A相斷電。同時(shí)，V2輸出高電平使開關(guān)管VB導(dǎo)通，B相通電，C相狀態(tài)不變。這樣