《电气传动控制系统》课件全套教学教程整套课件全书电子教案.ppt

第第1章章电气传动系统的基础电气传动系统的基础1第第第第1 1章章章章 电气传动系统的基础电气传动系统的基础电气传动系统的基础电气传动系统的基础 1.2调速装置调速装置1.3电气传动控制系统的结构电气传动控制系统的结构1.4电气传动控制系统调速指标电气传动控制系统调速指标1.5控制器控制器PID的调节作用的调节作用1.1电机基础电机基础2电气传动系统的组成电气传动系统的组成电气传动系统的组成电气传动系统的组成电气传动系统一般由控制器、调速装置和电机组成电气传动系统一般由控制器、调速装置和电机组成电气传动系统一般由控制器、调速装置和电机组成电气传动系统一般由控制器、调速装置和电机组成控制器控制器调速装置调速装置电机电机给给定定速速度度实实际际速速度度31.11.1电机基础电机基础电机基础电机基础4（1 1）一个固定部件和一）一个固定部件和一个旋转部件。固定部件个旋转部件。固定部件在外面，旋转部件在里在外面，旋转部件在里面，并由固定部件上的面，并由固定部件上的轴承支撑。两个部件都轴承支撑。两个部件都有圆柱形铁芯，中间由有圆柱形铁芯，中间由空气隙隔开。空气隙隔开。（2 2）主磁通）主磁通 从一个铁从一个铁芯出来，经过空气隙通芯出来，经过空气隙通向另一个铁芯，构成闭向另一个铁芯，构成闭合磁路。合磁路。（3 3）可以是里面的部件）可以是里面的部件固定而外面的部件旋转。固定而外面的部件旋转。在特殊的情况下，两个在特殊的情况下，两个部件都可以旋转部件都可以旋转。1.1.1电电机机统统一理一理论论磁链方程、电压方程、转矩方程磁链方程、电压方程、转矩方程磁链方程、电压方程、转矩方程磁链方程、电压方程、转矩方程51.1.2电机结构及工作原理电机结构及工作原理61.1.2电机结构及工作原理电机结构及工作原理（a）他励直流电机）他励直流电机（b）并励直流电机）并励直流电机（c）串励直流电机）串励直流电机（d）复励直）复励直流电机流电机71.1.2电机结构及工作原理电机结构及工作原理交流异步电机交流异步电机交流同步电机交流同步电机直流电机直流电机891.21.2调速装置调速装置调速装置调速装置1.2.1直流调速装置直流调速装置SIMOREG系列系列特点：全数字化特点：全数字化SINAMICSDCM系列系列特点：模块化、网络化特点：模块化、网络化来源：来源：http:/ 三种调速方式：三种调速方式：（1）调压调速。）调压调速。（2）调磁调速。）调磁调速。（3）改变电枢回路电阻调速。）改变电枢回路电阻调速。（1-2）12（1）调压调速）调压调速改变改变Ud0就得到一组相互平行的机械特性曲线就得到一组相互平行的机械特性曲线 如果如果连续连续改变可控电源电压，电动机转速就可以平滑连续地改变可控电源电压，电动机转速就可以平滑连续地调节。调节。工作条件：工作条件：保持励磁保持励磁=N；保持电阻保持电阻R=Ra调节过程：调节过程：改变电压改变电压UN U U n，n0 调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲转速下降，机械特性曲线平行下移。线平行下移。13（1）调压调速）调压调速开环开环V-M系统的机械特性系统的机械特性（1-3）14（1）调压调速）调压调速开环开环V-M系统的机械特性系统的机械特性15n 电动机转速（电动机转速（r/min）；）；Ud0 空载整流电压（空载整流电压（V）；）；Id 电枢电流（电枢电流（A）；）；R 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（）；）；励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）；Ce 由电机结构决定由电机结构决定 的电动势常数；的电动势常数；no 理想空载转速（理想空载转速（r/min）；）；nop 开环转速降（开环转速降（r/min）；）；U2 整流变压器副边相电压有整流变压器副边相电压有 效值（效值（V）。对三相零式整流电路，对三相零式整流电路，A=1.17；对三相全控桥式整流电路，对三相全控桥式整流电路，A=2.34；15调压调速的特点：调压调速的特点：机械特性较硬，负载不变时，转速降机械特性较硬，负载不变时，转速降n不变不变由于容许的输出转矩恒定，对于恒转矩性负载的拖动调由于容许的输出转矩恒定，对于恒转矩性负载的拖动调速，能充分利用电动机的容量速，能充分利用电动机的容量由于电枢回路时间常数小，系统的动态响应快，适合于由于电枢回路时间常数小，系统的动态响应快，适合于要求快速起、制动的设备的传动系统中，如初轧机、龙要求快速起、制动的设备的传动系统中，如初轧机、龙门刨床等设备。门刨床等设备。16（2）调磁调速）调磁调速 当负载电流不变时，改变可控电压当负载电流不变时，改变可控电压Uf，也就是说改，也就是说改变电动机励磁磁通量变电动机励磁磁通量时，电动机的理想空载转速时，电动机的理想空载转速和转速降都在变化，随着磁通量的减少，转速降就和转速降都在变化，随着磁通量的减少，转速降就越来越大，机械特性也就越软。越来越大，机械特性也就越软。工作条件：工作条件：保持电压保持电压U=UN；保持电阻保持电阻R=Ra；调节过程：调节过程：减小励磁减小励磁 N n ，n0 调速特性：调速特性：转速上升，机械特性曲线转速上升，机械特性曲线变软。变软。17（1）机械特性软，负载变化时转速的波动较大；）机械特性软，负载变化时转速的波动较大；（2）可控电源容量小，一般为电动机容量的）可控电源容量小，一般为电动机容量的10%以下，电源设备造价低；以下，电源设备造价低；（3）磁场的时间常数大，系统的动态响应慢，）磁场的时间常数大，系统的动态响应慢，适合于起、制动快速性要求不高的设备的适合于起、制动快速性要求不高的设备的传动控制。传动控制。改变励磁调速的特点：改变励磁调速的特点：18（3）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速 改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢回路中改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢回路中串接附加电阻串接附加电阻R1、R2来改变电动机电枢端电来改变电动机电枢端电压，从而实现调速的目的。压，从而实现调速的目的。工作条件：工作条件：保持励磁保持励磁=N；保持保持电压电压 U=UN；调节过程：调节过程：改变增加电阻改变增加电阻RaR R n，n0不变；不变；调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线转速下降，机械特性曲线变软。变软。19（1）系统的结构简单；）系统的结构简单；（2）调速不连续，不平稳；）调速不连续，不平稳；（3）机械特性软，从而影响调速范围）机械特性软，从而影响调速范围；（4）电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接）电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接电阻大小来实现的，调速范围越大，串入电阻大小来实现的，调速范围越大，串入的电阻就越大，相应地电阻上消耗的能量的电阻就越大，相应地电阻上消耗的能量就越大，这是很不经济的。就越大，这是很不经济的。改变电枢回路电阻调速的改变电枢回路电阻调速的特点特点20（3）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速2024/11/2 周六三种调速方法的性能比较三种调速方法的性能比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，无级调速，并且以调节电枢供电电压的方式为最好，无级调速，并且调速范围大。调速范围大。改变电阻只能实现有级调速；改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通也能够实现平滑调速，但调速范围不大，减弱磁通也能够实现平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，最为常见。为主，最为常见。为主，最为常见。为主，最为常见。21G-M系统系统V-M系统系统PWM系统系统直流调速系统直流调速系统 2.2.常用的直流调速装置常用的直流调速装置常用的直流调速装置常用的直流调速装置22（1）G-M系统系统改变发电机励磁电压改变发电机励磁电压发电机输出电压发电机输出电压直流电动机电枢电压直流电动机电枢电压改变电动机转速改变电动机转速即即旋转变流机组旋转变流机组，工作过程如下：，工作过程如下：232024/11/2 周六旋转变流机组用交流电动机和直流发电机旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，组成机组，以获得可调的直流电压。上世纪以获得可调的直流电压。上世纪4060年代广泛应用。年代广泛应用。特点：特点：适适用用于于对对调调速速性性能能要要求求不不高高的的场场合合；且且一一套套系系统统至至少少包包括括两两台台电电机机和和一一台台励励磁磁发发电电机机，设设备备多多、体体积积大大、效效率率低、维护不方便。低、维护不方便。目前很少采用。目前很少采用。242024/11/2 周六晶闸管直流调速系统（简称晶闸管直流调速系统（简称V-M直流调速系统）。直流调速系统）。1957年，晶闸管研制成功，晶闸管的诞生使变流技术产生了根本性的变革。年，晶闸管研制成功，晶闸管的诞生使变流技术产生了根本性的变革。到了六十年代，成套的晶闸管变流装置（整流器）投入生产。直到如今，到了六十年代，成套的晶闸管变流装置（整流器）投入生产。直到如今，V-M系统仍然显示出强大的生命力，是直流调速系统的主要形式。系统仍然显示出强大的生命力，是直流调速系统的主要形式。25（2）V-M系统系统（3）直流斩波器（脉冲调制变换器：）直流斩波器（脉冲调制变换器：PWM变换器）变换器）直流斩波器是将恒定的直流电压，利用直流斩波器是将恒定的直流电压，利用DC-DC变换技术，斩变换技术，斩波为有一定宽度的脉冲电压加在负载两端的装置。波为有一定宽度的脉冲电压加在负载两端的装置。若负载为直流电机，则构成直流斩波器或脉冲调制变换器供若负载为直流电机，则构成直流斩波器或脉冲调制变换器供电的直流调速系统电的直流调速系统（1-4）26PWM变换器应用变换器应用-交交-直型电力机车直型电力机车27PWM-M系统信号流动过程：系统信号流动过程：282024/11/2 周六PWM调速系统特点调速系统特点电源采用不控整流源；电源采用不控整流源；系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强；系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强；低速性能好，低速性能好，稳态稳态精度高，调速范围宽，电动精度高，调速范围宽，电动机损耗和发热较小；机损耗和发热较小；电网功率因数高，效率高；电网功率因数高，效率高；电路简单，控制方便。电路简单，控制方便。受器件容量限制，只用于中、小功率的系统。受器件容量限制，只用于中、小功率的系统。29通用变频器发展历史通用变频器发展历史70807080年：自主制造年：自主制造年：自主制造年：自主制造天津电气传动所、西安电力电子所天津电气传动所、西安电力电子所天津电气传动所、西安电力电子所天津电气传动所、西安电力电子所80908090年：进口年：进口年：进口年：进口三垦三垦三垦三垦SVFSEMCO-iSVFSEMCO-i、富士、富士、富士、富士 FRN-G5/P5G9FRN-G5/P5G9型、三菱型、三菱型、三菱型、三菱FR-Z200FR-Z200A500/F500A500/F500、安川、安川、安川、安川VS616G5G7VS616G5G7西门子西门子西门子西门子6SE70/MM4406SE70/MM440、ABBACS500/600ABBACS500/600、施耐德、施耐德、施耐德、施耐德ATVATV（TE)TE)其它厂家：东芝、松下、明电舍；罗克韦尔（其它厂家：东芝、松下、明电舍；罗克韦尔（其它厂家：东芝、松下、明电舍；罗克韦尔（其它厂家：东芝、松下、明电舍；罗克韦尔（AB)AB)、丹佛斯、伦茨、丹佛斯、伦茨、丹佛斯、伦茨、丹佛斯、伦茨高压变频器：西门子（三电平）、罗宾康（多电平）、高压变频器：西门子（三电平）、罗宾康（多电平）、高压变频器：西门子（三电平）、罗宾康（多电平）、高压变频器：西门子（三电平）、罗宾康（多电平）、ABB(ABB(三电平）三电平）三电平）三电平）9090年以后：国产化年以后：国产化年以后：国产化年以后：国产化台湾普传、成都佳灵、山东惠丰、安邦信、微能、英威腾等台湾普传、成都佳灵、山东惠丰、安邦信、微能、英威腾等台湾普传、成都佳灵、山东惠丰、安邦信、微能、英威腾等台湾普传、成都佳灵、山东惠丰、安邦信、微能、英威腾等170170多个厂多个厂多个厂多个厂家。天津电气传动所和冶金自动化院研制出交家。天津电气传动所和冶金自动化院研制出交家。天津电气传动所和冶金自动化院研制出交家。天津电气传动所和冶金自动化院研制出交-交变频器，利得华福、合交变频器，利得华福、合交变频器，利得华福、合交变频器，利得华福、合康亿盛康亿盛康亿盛康亿盛、微能、山东风光、广州智光等、微能、山东风光、广州智光等、微能、山东风光、广州智光等、微能、山东风光、广州智光等2020多个厂家。多个厂家。多个厂家。多个厂家。现在：模块化、网络化变频器现在：模块化、网络化变频器现在：模块化、网络化变频器现在：模块化、网络化变频器西门子西门子西门子西门子S120/G120S120/G120，ABBACS880ABBACS880301.2.2交流调速装置交流调速装置SIEMENS变频器外观变频器外观来源于：来源于：31ABB变频器外观变频器外观0.55KW-110KW1.1-0120/KVA0.55-500KW1.1-610/KVA0.55-2800KW1.1-3490/KVA来源于：来源于：32深圳汇川公司变频器外观深圳汇川公司变频器外观来源于：来源于： 36同步电动机的调速可以用改变供电频率，从而改变同步转速的方法来实现。这样，交流电动机就有很多不同的调速方法，总结如下：理想空载转速与同步转速的区别？理想空载转速与同步转速的区别？1.1.交流调速的理论依据交流调速的理论依据交流调速的理论依据交流调速的理论依据37交流电动机调速的基本方式交流电动机调速的基本方式交流电动机调速的基本方式交流电动机调速的基本方式在上述各种调速方法中，异步电动机的变频调速及同步电动机在上述各种调速方法中，异步电动机的变频调速及同步电动机在上述各种调速方法中，异步电动机的变频调速及同步电动机在上述各种调速方法中，异步电动机的变频调速及同步电动机变频调速很受人们的重视，并且已在工业中获得了广泛应用。变频调速很受人们的重视，并且已在工业中获得了广泛应用。变频调速很受人们的重视，并且已在工业中获得了广泛应用。变频调速很受人们的重视，并且已在工业中获得了广泛应用。38变变变变频频频频器器器器分分分分类类类类如如如如图图图图2.2.常用的交流调速装置常用的交流调速装置常用的交流调速装置常用的交流调速装置39变变变变频频频频器器器器分分分分类类类类如如如如图图图图40变频器变频器交流交流交流交流交流交流交流交流频率、电压频率、电压可调可调频率、电压频率、电压恒定恒定变变变变流流流流方方方方式式式式交交-交变频器交变频器交交-直直-交变频器交变频器直接变流器直接变流器间接变流器间接变流器变频器调速方式变频器调速方式变频器调速方式变频器调速方式41UMains=230/400VfMains=50HzUMotor=可变可变fMotor=可变可变U1I1UZKIZKU2I2主电路主电路变频器调速方式变频器调速方式变频器调速方式变频器调速方式42变频器的基本构成变频器的基本构成变频器的基本构成变频器的基本构成目前，实际应用目前，实际应用最多最多的是的是交交-直直-交交变频器。交变频器。交-直直-交变交变频器的基本构成如图所示，由频器的基本构成如图所示，由整流器整流器、逆变器逆变器、滤波滤波器器和和控制电路控制电路组成。组成。43三相三相180导电型六拍变频器一般为电压型变频器。导电型六拍变频器一般为电压型变频器。整流器为可控整流器，如图所示。整流器为可控整流器，如图所示。图中，电容图中，电容C很大，起滤波作很大，起滤波作用。直流侧电压为一恒定值，用。直流侧电压为一恒定值，相当于电压源。在三相逆变器相当于电压源。在三相逆变器中，电动机正转时功率管的导中，电动机正转时功率管的导通顺序是通顺序是VT1、VT22、VT3、VT4、VT5、VT6，各功率管驱，各功率管驱动信号间相隔动信号间相隔60电角度。电角度。180导电型的特点是每只功率管的导电型的特点是每只功率管的导通时间为导通时间为180，在任意瞬间，在任意瞬间有三个功率管同时导通（每条有三个功率管同时导通（每条桥臂上有一只功率管导通），桥臂上有一只功率管导通），它们的换流是在同一条桥臂内它们的换流是在同一条桥臂内进行，即在进行，即在VT1-VT4，VT3-VT6，VT5-VT2之间进行相互之间进行相互换流。换流。三相三相180导电型六拍变频器主电路图导电型六拍变频器主电路图（1 1）180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器44设设负负载载为为星星形形连连接接，逆逆变变器器的的换换流流是是瞬瞬间间完完成成的的，若若以以电电动动机机定定子子绕绕组组中中性性点点O点点电电位位为为参参考考点点，在在不不同同导导通通区区间间的的相相电压可通过图中的等值电路求得，电压可通过图中的等值电路求得，三相三相180导电型六拍逆变器供电的等值电路导电型六拍逆变器供电的等值电路在区间在区间中，中，561导通，则导通，则:区间区间?45（1 1）180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器功率管功率管VT1VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6顺次导通时顺次导通时的电压波形如图所示。的电压波形如图所示。180导电型六拍逆变器电压波形导电型六拍逆变器电压波形问题：问题：结合右侧波形，说明电机是如结合右侧波形，说明电机是如何调速的？何调速的？46（1 1）180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器相电压和线电压的有效值，为相电压和线电压的有效值，为：（1-8）（1-9）47（1 1）180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器对线电压和相电压进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数对线电压和相电压进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数，为，为：（1-10）（1-11）48（1 1）180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器三相三相120导电型六拍变频器一般为电流型变频器，整流器为导电型六拍变频器一般为电流型变频器，整流器为可控整流器，如图所示。可控整流器，如图所示。图中，电感图中，电感L很大，起滤波很大，起滤波作用。直流侧电流为一恒定作用。直流侧电流为一恒定值，相当于电流源。在三相值，相当于电流源。在三相逆变器中，电动机正转时功逆变器中，电动机正转时功率管的导通顺序是率管的导通顺序是VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，各功率管驱动信号间，各功率管驱动信号间相隔相隔60电角度。电角度。120导电导电型的特点是每只功率管的导型的特点是每只功率管的导通时间为通时间为120，任意瞬间有，任意瞬间有两只功率管同时导通，它们两只功率管同时导通，它们的换流在相邻桥臂中进行。的换流在相邻桥臂中进行。三相三相120导电型六拍变频器主电路图导电型六拍变频器主电路图（2 2）120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器49设负载为星形连接，设负载为星形连接，120导电型三相逆变器供电时各区间的等值电导电型三相逆变器供电时各区间的等值电路如图所示路如图所示：三相三相120导电型六拍逆变器供电的等值电路导电型六拍逆变器供电的等值电路在区间在区间中，中，61导通，则导通，则:区间区间?50（2 2）120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器其各功率管导通区其各功率管导通区间、相电流波形如间、相电流波形如图图120导电型六拍逆变器电流波形导电型六拍逆变器电流波形51（2 2）120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器逆变器输出电流的有效值，为逆变器输出电流的有效值，为：对逆变器输出电流进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数对逆变器输出电流进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数，为，为：当电动机绕组为三角形连接时，电动机相电流分解成傅氏级数为当电动机绕组为三角形连接时，电动机相电流分解成傅氏级数为:（1-12）（1-13）（1-14）52（2 2）120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器导电型六拍变频器（3 3）脉宽调制型变频器脉宽调制型变频器脉宽调制型变频器脉宽调制型变频器脉脉宽宽调调制制型型变变频频器器简简称称PWM（PulseWidthModulation）变频器。变频器。概念概念整整流流器器为为不不可可控控整整流流器器，逆逆变变器器多多为为电电压压型逆变器，如图所示型逆变器，如图所示三相三相PWM变频器主电路图变频器主电路图53电压型电压型SPWM逆变逆变器的脉冲控制波形器的脉冲控制波形PWM?SPWM?SVPWM?CHBPWM?SHEPWM?VVVF?54PWM变频器与六拍变频器相比，具有以下优点：变频器与六拍变频器相比，具有以下优点：（1）PWM变频器自身同时完成变频和变压的功能，与变频器自身同时完成变频和变压的功能，与六拍变频器相比，节省了一个调压控制级，从而使控六拍变频器相比，节省了一个调压控制级，从而使控制电路得到了简化。制电路得到了简化。（2）PWM变频器比六拍变频器输出电压谐波小。驱动变频器比六拍变频器输出电压谐波小。驱动电动机时，其输出电流谐波更是明显改善，从而减小电动机时，其输出电流谐波更是明显改善，从而减小了电动机转矩脉动和损耗。了电动机转矩脉动和损耗。（3）PWM变频器由于应用变频器由于应用IGBT等电压型控制器件，并等电压型控制器件，并且开关频率很高，所以比六拍变频器体积小很多。且开关频率很高，所以比六拍变频器体积小很多。（4）PWM变频器控制精度高，系统功能全，适于高性变频器控制精度高，系统功能全，适于高性能的交流调速系统，而六拍变频器的性能要差一些，能的交流调速系统，而六拍变频器的性能要差一些，控制精度也不是很高。控制精度也不是很高。55无论是直流电机还是交流电机，一般来说，都遵循一个共同的调速无论是直流电机还是交流电机，一般来说，都遵循一个共同的调速原则：在基速以下采用恒磁通调速，在基速以上采用恒功率调速。原则：在基速以下采用恒磁通调速，在基速以上采用恒功率调速。561.2.3调速的一般原则调速的一般原则1.1.恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速依据电磁感应定律以及三相异步电动机的特依据电磁感应定律以及三相异步电动机的特性，则三相异步电动机的每相电势有效值为：性，则三相异步电动机的每相电势有效值为：从上式可得电动机磁通为：从上式可得电动机磁通为：其中，其中，为常数。为常数。如果忽略定子压降，则如果忽略定子压降，则，上式可写，上式可写成：成：在变频调速时，如果只降低定子频率在变频调速时，如果只降低定子频率而而定子每相电压保持额定值不变，则定子每相电压保持额定值不变，则要要增大增大。（1-15）57由由于于在在时时，电电动动机机的的主主磁磁路路就就已已接接近近饱饱和和，再再增增大大，主主磁磁路路必必然然过过饱饱和和，这这将将使使励励磁磁电电流流急急剧剧增增大大，铁铁损损耗耗增增加加，下下降降。反反之之如如果果频频率率往往上上升升高高，磁磁通通减减少少，在在一一定定的的负负载载下下有有过过电电流流的的危危险险，这也是不允许的。为此通常要求磁通保持恒定，即这也是不允许的。为此通常要求磁通保持恒定，即恒压频比控制特性恒压频比控制特性1-无低频补偿无低频补偿2-有低频补偿有低频补偿在基频以下变频调速时，在基频以下变频调速时，采用恒磁通控制，也就是采用恒磁通控制，也就是压频比恒定控制。压频比恒定控制。1.1.恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速58保持保持=常数常数由于电动机电势不能直接检测，常用由于电动机电势不能直接检测，常用来近似计算，所以来近似计算，所以等于常数的恒压频比等于常数的恒压频比控制是一种近似恒磁通控制方式，也是异步电动机变频调速控制是一种近似恒磁通控制方式，也是异步电动机变频调速常采用的一种配合控制方式。常采用的一种配合控制方式。电动机的电磁转矩为：电动机的电磁转矩为：（1-16）1.1.恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速59最大转矩：最大转矩：下面考虑两种极端情况：下面考虑两种极端情况：下面考虑两种极端情况：下面考虑两种极端情况：（1 1）当频率较高时，当频率较高时，当频率较高时，当频率较高时，可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为：（2 2）当频率较低时，当频率较低时，当频率较低时，当频率较低时，可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为：（1-17）1.1.恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速60低频时有时会拖不动低频时有时会拖不动负载，所以要进行补负载，所以要进行补偿。偿。为为常常数数时时的的变变频频调调速速机机械械特性特性1.1.恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速61低速的电压补偿低速的电压补偿低速的电压补偿低速的电压补偿在实际用应用中，由于电机的感应电势在实际用应用中，由于电机的感应电势在实际用应用中，由于电机的感应电势在实际用应用中，由于电机的感应电势E E1 1难以难以难以难以测量和控制，采用近似恒磁通原则，即测量和控制，采用近似恒磁通原则，即测量和控制，采用近似恒磁通原则，即测量和控制，采用近似恒磁通原则，即在低频时，定子电阻在低频时，定子电阻在低频时，定子电阻在低频时，定子电阻r r1 1上压降对最大转矩有较上压降对最大转矩有较上压降对最大转矩有较上压降对最大转矩有较大影响。为保持理想的恒磁通大影响。为保持理想的恒磁通大影响。为保持理想的恒磁通大影响。为保持理想的恒磁通在低频时，在低频时，在低频时，在低频时，U U1 1和和和和E E1 1差值较大差值较大差值较大差值较大在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补偿低频段定子电阻引起的压降。偿低频段定子电阻引起的压降。偿低频段定子电阻引起的压降。偿低频段定子电阻引起的压降。蓝色无补偿蓝色无补偿蓝色无补偿蓝色无补偿有补偿有补偿有补偿有补偿f1f1U1U1补偿后的机械特性补偿后的机械特性补偿后的机械特性补偿后的机械特性1.1.恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速恒磁通变频调速622.2.恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速在基速以上变频调速时，若要保持在基速以上变频调速时，若要保持恒定，则恒定，则=常数，定子电压需要高于额定值，这是不允许的。因此，常数，定子电压需要高于额定值，这是不允许的。因此，基频以上变频调速时，应使基频以上变频调速时，应使保持额定值不变。这样，保持额定值不变。这样，随着随着升高，气隙磁通将减小，相当于弱磁调速方法。升高，气隙磁通将减小，相当于弱磁调速方法。不同频率下各机不同频率下各机械特性曲线的稳械特性曲线的稳定运行区段近似定运行区段近似平行平行63（1 1）保持恒功率的原因保持恒功率的原因保持恒功率的原因保持恒功率的原因电压不变电压不变电压不变电压不变属恒功率变频调速属恒功率变频调速当频率当频率当频率当频率f f高于高于高于高于50Hz50Hz时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这显然是不允许的。应换另一种调速原则。显然是不允许的。应换另一种调速原则。显然是不允许的。应换另一种调速原则。显然是不允许的。应换另一种调速原则。如何得出？如何得出？2.2.恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速64n nP=F*P=F*v v/1000/1000n nF=T/RF=T/Rn nv v=2R=2Rn n/60/60n n线速度线速度线速度线速度=周长周长周长周长*每秒转速每秒转速每秒转速每秒转速(n)=2R*(n)=2R*每分转速每分转速每分转速每分转速(n)/60=R*n/30(n)/60=R*n/30P-P-计算功率计算功率计算功率计算功率 KWKW，F-F-所需拉力所需拉力所需拉力所需拉力 N Nv v-工作机线速度工作机线速度工作机线速度工作机线速度 m/Sm/S，T-T-转矩转矩转矩转矩NmNm R-R-作用半径作用半径作用半径作用半径mm，n n-每分转数每分转数每分转数每分转数P*1000=/30*T*P*1000=/30*T*n n30000/*P=T*30000/*P=T*n n30000/3.1415926*P=T*30000/3.1415926*P=T*n n9549.297*P=T*9549.297*P=T*n n2.2.恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速65（2）恒功率调速原则）恒功率调速原则恒功率变频调速原则恒功率变频调速原则恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为扩大调速范围，在基速以上采用恒功率调速；在基速以下采用恒转矩调速。扩大调速范围，在基速以上采用恒功率调速；在基速以下采用恒转矩调速。（1-24）2.2.恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速66n保持保持U/f=常数，属于近似恒磁通变频调速，属于近似恒常数，属于近似恒磁通变频调速，属于近似恒转矩调速方式。转矩调速方式。n保持保持UN=常数，属于近似恒功率调速方式。常数，属于近似恒功率调速方式。2.2.恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速恒功率变频调速673.3.电气传动统一的调速原则电气传动统一的调速原则电气传动统一的调速原则电气传动统一的调速原则如果忽略交流电机的定子压降和直流电机的电枢回路压降，交、直如果忽略交流电机的定子压降和直流电机的电枢回路压降，交、直流电机遵循共同的调速规律。流电机遵循共同的调速规律。对于直流电机对于直流电机对于交流电机对于交流电机（1-25）（1-26）（1-27）参数取值参数取值684.4.变频控制时的电动机运行状态变频控制时的电动机运行状态变频控制时的电动机运行状态变频控制时的电动机运行状态图所示为变频器控制电机时在图所示为变频器控制电机时在整个调速范围的一族机械特性整个调速范围的一族机械特性曲线。曲线。Z在额定转速在额定转速以下以下采用恒转矩采用恒转矩变频调速，而在额定转速变频调速，而在额定转速以上以上采用恒功率变频调速，因此调采用恒功率变频调速，因此调速范围明显扩大。速范围明显扩大。Z异步电动机变频调速可以实异步电动机变频调速可以实现现四四四四象限运行。如果按照一定象限运行。如果按照一定规律控制，异步电动机的规律控制，异步电动机的起动、起动、制动、反转和调速制动、反转和调速过程时间都过程时间都可以缩至很短，因此在变频调可以缩至很短，因此在变频调速时，异步电动机可具有良好速时，异步电动机可具有良好的动态特性。的动态特性。异步异步电动电动机机变频调变频调速速时时 的机械特性的机械特性69变频时的起动状态变频时的起动状态变频时的起动状态变频时的起动状态当频率由当频率由f1f2f3时，时，电动机电动机将沿着图示虚线将沿着图示虚线由点由点123加速，转速加速，转速由由n1n2n3，达到新，达到新的稳定运行点。为了缩短的稳定运行点。为了缩短加速时间，应当使电动机加速时间，应当使电动机在加速过程中始终保持有在加速过程中始终保持有最大转矩，即应当使电机最大转矩，即应当使电机沿着最大转矩的包络线进沿着最大转矩的包络线进行加速。行加速。异步电动机变频调速的加速过程异步电动机变频调速的加速过程70变频时的再生发电制动状态变频时的再生发电制动状态变频时的再生发电制动状态变频时的再生发电制动状态f在变频调速系统中，电动机转速的在变频调速系统中，电动机转速的下降是通过降低频率来实现的。下降是通过降低频率来实现的。f当异步电动机在某一频率下运转时，当异步电动机在某一频率下运转时，如果将频率迅速降低，使转差率变负，如果将频率迅速降低，使转差率变负，则可以使电动机处于再生发电制动状则可以使电动机处于再生发电制动状态，此时电动机运行于态，此时电动机运行于第二第二象限，如象限，如图所示。图所示。P此时，电能通过逆变器回馈到变频此时，电能通过逆变器回馈到变频器直流侧。在减速过程中若始终保持器直流侧。在减速过程中若始终保持频率比电动机转速下降得快，那么电频率比电动机转速下降得快，那么电动机就一直维持在动机就一直维持在再生发电制动状态再生发电制动状态。异步电动机再生发电制动状态的机械特性异步电动机再生发电制动状态的机械特性71变频时的能耗制动状态变频时的能耗制动状态变频时的能耗制动状态变频时的能耗制动状态交流异步电动机在定子绕组中通入直流电流，交流异步电动机在定子绕组中通入直流电流，就会产生就会产生能耗制动能耗制动。变频控制时，为了加快制动过程，缩短制动时变频控制时，为了加快制动过程，缩短制动时间，防止传动系统在停机后继续爬行，在再生制间，防止传动系统在停机后继续爬行，在再生制动方式下先将转速下降到一定程度，然后通过逆动方式下先将转速下降到一定程度，然后通过逆变器向电动机的两相绕组中通入直流，使电动机变器向电动机的两相绕组中通入直流，使电动机进行进行直流能耗制动直流能耗制动，如图所示。，如图所示。72异步电动机能耗制动状态的机械特性异步电动机能耗制动状态的机械特性731.31.3电气传动控制系统的结构电气传动控制系统的结构电气传动控制系统的结构电气传动控制系统的结构74开环控制方式是指开环控制方式是指，控制装置与被控对象之间只有顺向作，控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，其特点是系统的输出量不会对用而没有反向联系的控制过程，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。系统的控制作用发生影响。开环控制系统开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。制方式组成。V-M调速系统的开环控制结构：调速系统的开环控制结构：751.3.1开环控制结构开环控制结构V-M调速系统的开环控制结构：调速系统的开环控制结构：理理想想空空载载转转速速静静态态速速降降（1-31）开环控制结构没有自动修正偏差的开环控制结构没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差能力，抗扰动性较差结构简单、调整方便、成本低结构简单、调整方便、成本低应用在精度要求不高或扰动影响较应用在精度要求不高或扰动影响较小的系统。小的系统。761.3.1开环控制结构开环控制结构闭环控制又称反馈控制，主要按偏差进行控制。其特点是闭环控制又称反馈控制，主要按偏差进行控制。其特点是无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，偏差，使被控量与期望值趋于一致。使被控量与期望值趋于一致。V-M调速系统的闭环控制方式：调速系统的闭环控制方式：771.3.2闭环控制结构闭环控制结构(1)、比例调节器、比例调节器(2)、触发器及晶闸管变流装置、触发器及晶闸管变流装置;Uct=Kp UnUd0=KsUct（1-33）（1-32）781.3.2闭环控制结构闭环控制结构(3)、转速检测环节、转速检测环节(4)、主电路、主电路转速反馈系数