交流伺服与变频技术导论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,交流伺服与变频技术,（,2018,版）,为什么要学本课程？,机械部件,液压气动,伺服,逻辑控制,机电一体化设备,强电,PLC,运动控制,变频,机械部件,液压气动,操作编程,伺服变频,测量检测,强电,PLC,CNC,系统,换刀控制,加工控制,精度保证,为什么要学本课程？,现代数控设备,课程学习有什么要求？,轻松学习、遵守时间；,全部一次性通过考试；,带好教材、记好笔记；,掌握相关知识与技能。,导 论,一、交流电机控制系统概述,1.,交流传动与交流伺服,电机与作用,电机作用：,将电能转变为机械能。,交流电机：通入电机的电流为,交流电,。控制难，,但结构简单、转速高、几乎不需要维修。,直流电机：,通入电机的电流为,直流电,。控制容易，,但结构复杂，转速低，维修工作量大,。,研发交流电机控制系统是当前技术发展的方向。,电机需要控制什么？,速度：,改变电机转速，控制机械运动,速度,；,位置：,保证在指定位置停止，控制机械,定位,。,控制,速度,的系统称为,传动系统,；,控制,位置,的系统称为,伺服系统,。,要点：,交流电机驱动,的伺服系统、传动系统统称为交流电机控制系统；,伺服系统,同样需要控制电机的,速度和转矩,。,2.,交流电机的调速,交流电机的种类,同步电机：,在,允许范围内，如交流电的频率不变负载变化,不会,引起电机转速的变化,。,感应电机：,即使交流电的频率不变，电机的转速也将随着负载的增加而降低,。,感应电机俗称,异步电机；,伺服电机是,同步电机。,交流电机的转速公式,同步电机：,n,0,=60,f,/P,（,同步转速）,感应电机,：,n=n,0,（1-S）,（,异步转速）,f,：,交流电的频率（,Hz）；,P,：,电机磁极对数；,S,：,转差率（额定负载时的转速降低百分率）。,交流电机的调速方案,改变频率的调速称为,变频调速,；,改变磁极对数的调速称为,变极调速,；,改变转差的调速称为,变转差调速,。,交流调速方案与比较,变极调速：,通过改变电机绕组的连接实现，只需要继电接触器电路控制，控制最简单。但因,P,必须为正整数，,只能成倍改变转速（有级调速）,。,变转差调速：,本质改变电机的输出特性，可通过改变电枢电压、定子电阻、转子电阻等方式实现无级调速，,但控制装置的体积大、硬件成本高。,变频调速：,直接改变电机供电频率实现无级调速，调速性能好、体积小、技术先进，但,控制复杂，实现较困难。,3.,变频调速技术的发展,（见,P3,图0-2）,怎样调速：,控制理论研究,变频调速：,V/f,控制 矢量控制 直接转矩控制,伺服驱动：,BLDCM（,方波、,PID,调节）,PMSM（,正弦波、矢量控制）,如何实现：,控制技术研究,模拟量控制 数字控制 网络控制,用什么做：,控制器件研究,GTR,（,电力晶体管）,IGBT,（,复合电力电子器件）,IPM,（,功率集成器件）,变频器至今还没有世所公认的最佳方案。,4.,变频调速装置分类,非常重要！,变频器：,专指控制,普通感应电机,的通用调速装置。,应用最广泛，生产厂众多。,主轴驱动器：,控制,专用感应电机,的专用调速装置。多用于数控机床主轴调速，,CNC,生产厂提供。,伺服驱动器：,控制,伺服电机（同步电机）,的专用调速装置，可以实现位置控制。应用较广泛，生产较多，国产数控机床使用较多。,变频器、交流主轴驱动器、伺服驱动器广义上都是变频调速装置。,了解三者的大致区别,相同点,调速原理相同，都通过变频实现调速；,主回路相同，都采用,PWM,逆变电路。,区别,控制对象不同,交流伺服：专用同步电机；一般,15kW,以下，最大,72kW,（,SIEMENS 1FT6,）；,交流主轴：专用感应电机；一般,100kW,以下，最大,227kW,（,SIEMENS 1PH8,）,变频器：通用感应电机；最大到,1000kW。,用途不同、性能区别很大（将在后期课中介绍）。,5.,常用伺服驱动品牌,本课程的“伺服驱动”是指可独立使用的,通用型伺服驱动器。,国产数控,配套的都是,通用伺服,。,FANUC,、,SIEMENS,数控配套的是,专用伺服,。,日本,安川（,YASKAWA）,：,II,系列（广泛使用）、,V,系列（最新）,三菱：,MR-J,系列（常用）、,MR,-J3,系列（最新）,松下：,MINAS-A,系列（常用）、,A5,系列（最新）,国内,KND-SD98/SD100、GSK-DA98/DAT、GS2000,等,。,6.,常用变频器品牌,本课程的“变频器”是指用于通用感应电机控制的,通用变频器。,日本,安川：,CIMR-,*,7,系列（常用）、,CIMR,*,1000,系列（最新）（,*=,J、V、F、G,）,三菱：,FR-*500,系列（常用）、,FR-*700,系列（最新）,（,*=,S、E、F、A,）,欧美,西门子（德）：,MM420/430/440,系列（常用）,施耐德（法）：,ATV,系列（常用）,台湾、大陆电子产品均为日本早期的,山寨产品。,练一练（不定项选择）：,1.,以下可用于机电设备速度控制的系统是（）,A.,交流传动,B.,直流传动,C.,交流伺服,D.,直流伺服,2.以下可用于机电设备位置控制的系统是（）,A.,交流伺服,B.,变频调速,C.,直流伺服,D.,直流调速,3.以下属于安川交流伺服产品的型号是 （）,A.,II,B.,V,C.,CIMR-G7,D.,CIMR-A1000,4.以下产型号中属于三菱变频器产品是,（）,A.,FR-A540,B.,MR-J3,C.,FR-A740,D.,CIMR-G7,5.,可用来实现交流电机速度控制的装置是（）,A.,CNC,B.,PLC,C.,变频器,D.,伺服驱动器,6.,可实现感应电机的无级调速方案是 （）,A.,变极,B.,变频,C.,调压,D.,变转差率,7.,通用变频器的控制对象是 （）,A.,伺服电机,B.,感应电机,C.,直流电机,D.,专用电机,8.,变频器与交流主轴驱动器的主要区别是 （）,A.,调速原理,B.,电路结构,C.,控制器件,D.,电机,二、交流调速系统的性能与比较,1.,技术指标,技术指标：,衡量产品内在质量与性能的参数,。,调速范围,系统在,一定负载,下实际可达到的最高转速与最低转速之比（或比值）。,变频器：,最大输出转矩大于120150%（三菱）或：连续输出转矩大于5060安川）。,要点：,一定负载额定负载，,变频器只有在,额定转速,的点上才能输出额定转矩和功率。,调频范围调速范围，,不能带负载的调速无意义。,【例1】,三菱,FR-A500,系列变频器的输入频率范围为0.01400,Hz（,输入分辨率为0.01,Hz）；V/f,调速时的最小输出频率为0.5,Hz，,最大输出频率为120,Hz，,启动频率为6,Hz，,启动转矩为120%,Me，,问：该变频器的调频范围和实际调速范围各为多少？,分析&说明：,输入频率范围：,是变频器输入电路（,A/D,转换器）能分辨的输入范围。,输入频率范围=,A/D,转换精度,本例：,输入范围 40 000（16位,A/D,转换，2,16,=65536）,输出频率范围：,是变频器能够输出（控制电机）的频率范围。,输出频率范围=调频范围,本例：,调频范围=120,:,0.5=240,启动频率：,是变频器能够输出启动转矩的最低频率。,启动频率=计算调速范围的最小频率（转速）,启动转矩：,启动时（调速范围内）允许施加的最大负载转矩。,启动转矩=调速范围内的最大电机转矩,本例：,调速范围=120,:,6=20,通俗理解：,输入分辨率：,变频器的频率,显示精度。低于分辨率的输入不能显示。,最小输出频率：,变频器的频率,控制精度。低于最小输出频率的频率不能输出。,启动频率：,能实际驱动负载的,最低频率。低于启动频率的输出不能带负载。,调速精度,变频器控制4极（2对磁极）标准电机时，在额定负载下所产生的转速降与额定转速之比（百分率）。,=（,空载转速-满载转速）/额定转速 100%,要点：,采用闭环控制时，,变频器调速精度一般可以提高10倍。,计算,交流主轴、交流伺服,的调速精度，式中的额定转速应为最高转速。,速度响应,系统在负载惯量和电机惯量相等、给定输入为正弦波信号时，速度（频率）输出可完全跟踪,给定变化的最大正弦波输入频率值。,要点：,速度响应也称,“频率响应”,，可用,rad/s,或,Hz,两种单位表示：1,Hz=,2,rad/s,。,速度响应是衡量交流调速系统性能（跟随性能）的重要指标。,变 频 器：,1030,rad/s（1.55Hz）,交流主轴：,300500,rad/s（5080Hz）,交流伺服：,30004500,rad/s（500700Hz）,2.,性能比较,输出特性,（见,P5,图0-,3,）,变频器：,只有在,额定转速的点,上才能输出额定转矩和额定功率。,交流主轴：,额定转速,以下输出转矩不变（恒转矩），额定转速以上输出功率不变（恒功率）。,交流伺服：,全范围输出转矩不变（恒转矩）。,要点：,采用变频器调速时，,应按照实际需要的2倍,来选择电机功率和转矩,。,CNC,机床的进给驱动需要转矩，切削加工需要功率；,伺服电机不能用来作为机床主轴，反之亦然。,控制对象,变频器：,所有通用感应电机，最大可达,1000kW,。,交流主轴：,专用感应电机，一般,100kW,以下,。,交流伺服：,专用伺服电机，一般,15,kW,以下。,过载性能,变频器：,短时过载,120,150%,。,交流主轴：,短时过载,200%,，长时（30,min）,过载,150%,。,交流伺服：,短时过载,200350%,，,要点：,CNC,机床的主轴功率一般有,“连续/30,min,输出”,两种表示法，如5.5/7.5,kW,等。,制动性能,变频器：,感应电机开环控制，停止后无保持转矩。,交流主轴：,感应电机闭环控制，速度控制时停止后无保持转矩，位置控制时能产生恢复转矩。,交流伺服：,永磁同步电机闭环位置控制，停止后始终存在制动转矩。,称为,零速锁定,或,伺服锁定,功能。,其他性能,见,P6，,表0-2。,总体评价：,变频器：,功率最大、性能最差、用量最广、价格最低。,交流主轴：,转速最高（60 000,r/min）、,用量最小、价格最高、性能较好。,交流伺服：,功率最小,、,转速最低、性能最好、用量较大。,安川伺服驱动,3.,常用产品,最新,V,系列,前期,II,系列,安川变频器,最新,CIMR-1000,系列,前期,CIMR-7,系列,三菱伺服驱动,最新,MR-J3,系列,三菱变频器,最新,FR-A700,系列,前期,FR-500,系列,国产伺服驱动器,FANUC-i,系列伺服,&,主轴驱动器,FANUC-i,系列伺服,&,主轴驱动器,FANUC-i,系列伺服驱动器,SIEMENS-611,系列伺服驱动器,SIEMENS-S120,系列伺服驱动器,练一练（不定项选择）：,1.,变频器调速范围通常指在该范围内电机的（）,A.,输出转矩保持不变,B.,输出功率保持不变,C.,最大输出转矩保持不变,D.,输出转矩大于某一值,2.目前国产数控配套的交流伺服驱动器可达到的速度响应为,1256rad/s,，,其频率响应是（,Hz,）（）,A.,100,B.,200,C.,1000,D.,2000,3.安川,V,系列交流伺服驱动器的频率响应为16,00Hz，,其速度响应约为（,rad/s,）（A.,1000,B.,2000,C.,10 000,D.,20 000,4.,数控机床进给轴不使用变频器的主要原因是（）,A.,无伺服锁定功能,B.,输出功率太小,C.,输出转矩不够大,D.,输出特性不符,5.国产机床主轴常用变频器调速的原因是（）,A.,价格低,B.,输出功率大,C.,调速范围大,D.,特性好,6.机床主轴不采用伺服驱动的主要原因是（）,A.,最高转速较低,B.,不能实现恒转矩调速,C.,输出功率较小,D.,不能实现恒功率调速,7.,在最高转速低于,5000r/min,、调速精度要求很高的场合，应优先选用的交流调速装置是,（）,A.,变频器,B.,交流伺服,C.,交流主轴,D.,机械变速,8.,在廉价、低性能、小范围调速的场合，应优先选用的交流调速装置是,（）,A.,变频器,B.,交流伺服,C.,交流主轴,D.,机械变速,