機(jī)床電氣控制技術(shù)第六章

1、變頻器原理富士變頻器簡(jiǎn)介變頻器典型電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用簡(jiǎn)易交流調(diào)速控制線路概述第一節(jié)第一節(jié) 概述概述交流電機(jī)具有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)交流電機(jī)具有很多明顯的優(yōu)點(diǎn) 1. 交流電機(jī)不存在換向器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的限制，也不存在電樞元件的電抗電勢(shì)的限制，其轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得比相同功率的直流機(jī)轉(zhuǎn)速更高。2. 直流電機(jī)的電樞電流電壓的值受換向器的限制，交流機(jī)則無(wú)此限制，它的單機(jī)功率可以比直流機(jī)更大。3. 直流機(jī)換向器制作工藝復(fù)雜，成本較高，相比之，交流機(jī)則成本低廉。4. 直流機(jī)高速范圍運(yùn)行時(shí)，由于受電抗電勢(shì)的限制，一般最高速時(shí),輸出功率僅能達(dá)到額定功率的80%，交流機(jī)則不受限制，它可以在高速時(shí)以額定功率運(yùn)行。5. 交流機(jī)無(wú)換向器

2、之類(lèi)經(jīng)常需要保養(yǎng)維護(hù)的部分。維護(hù)方便，經(jīng)久耐用。在某些惡劣的環(huán)境下，例如，易燃易爆場(chǎng)合，也能可靠地工作。6. 直流拖動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)備復(fù)雜，機(jī)構(gòu)龐大，造價(jià)高。而某些簡(jiǎn)單的交流調(diào)速系統(tǒng)（特別是現(xiàn)在大量使用的變頻器的調(diào)速系統(tǒng)）則具有設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。7. 變頻器調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)能方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)公式如下：1)轉(zhuǎn)差率： 一一. .交流調(diào)速的基本原理交流調(diào)速的基本原理 1.交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 式中： 1n同步轉(zhuǎn)速n電機(jī)轉(zhuǎn)速 2)電動(dòng)機(jī)角速度： 3)同步角速度與速度： 式中： 1f定子頻率 p定子極對(duì)數(shù) 11nnnS（6-1） n602（6-2）pfn1112602pfn1160

3、（6-3）4)傳給轉(zhuǎn)子的功率（又稱(chēng)電磁功率）與機(jī)械功率、轉(zhuǎn)子銅耗之間有如下關(guān)系式 ：式中： MP傳給轉(zhuǎn)子的功率（又稱(chēng)電磁功率） MXP機(jī)械功率 2MP轉(zhuǎn)子銅耗 5)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為： MMMMXPSPPP)1 (2（6-4）11602)1 (602MMXMXMXCPPnSPnPPM（6-5）6)電磁功率與轉(zhuǎn)差率 S的關(guān)系式 式中： 1m定子相數(shù) 1U輸入電壓 1r定子電阻 2r折算后的轉(zhuǎn)子電阻 1cmmmXXjXrjXrc111111系數(shù) 1X定子漏感抗 20X折算后的轉(zhuǎn)子漏感抗 2201122112211)()(XcXSrcrSrUmPM（6-6）7)異步電機(jī)的每相等值電路圖 定子繞組電阻1

4、11jXrZ定子繞組阻抗 1r1XmrmX0I定子漏感抗激磁電阻激磁電抗激磁電流20X2I折合后的轉(zhuǎn)子漏抗折合后的轉(zhuǎn)子電流1U1E2r2)/ )1(rSS20E定子繞組每相端電壓主磁通在定子繞組產(chǎn)生的電勢(shì)折合后的轉(zhuǎn)子繞組電阻模擬在轉(zhuǎn)差率為S時(shí)，電動(dòng)機(jī)實(shí)際機(jī)械負(fù)載的模擬電阻折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電勢(shì)圖圖6-1 異步電機(jī)的每相等值電路異步電機(jī)的每相等值電路 由以上各式，可得出異步電動(dòng)機(jī)的MS（轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率）關(guān)系式 如下：圖圖6-2 異步電動(dòng)機(jī)的異步電動(dòng)機(jī)的MS曲線曲線（機(jī)械特性曲線）機(jī)械特性曲線）0S點(diǎn)對(duì)應(yīng)同步轉(zhuǎn)速 1n10S一段稱(chēng)電動(dòng)狀態(tài)曲線，mM曲線峰值稱(chēng)最大轉(zhuǎn)矩， 對(duì)應(yīng)的點(diǎn) KS稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)差率

5、 1S一段曲線稱(chēng)制動(dòng)狀態(tài)曲線 0S一段曲線稱(chēng)發(fā)電狀態(tài)曲線 由圖可得： )()(222011221112211XcXSrcrfSrPUmMCP（6-7）由于 因此，圖上曲線只要將S軸的刻度改變即獲得異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。1/1nnSmM0dSdMCP由 ，解出 2201121)(XcXr因 ，近似得： )(2212201121112111XcXrrfPUmcMm（6-8）)(2212011112111XcXrfPUmcMm（6-9）2. 生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩特性圖圖6-3 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性 生產(chǎn)機(jī)械生產(chǎn)機(jī)械恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：恒功率負(fù)載：恒功率負(fù)載：風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載：風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)

6、載：它的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)恒值，不隨轉(zhuǎn)速而改變。摩擦類(lèi)負(fù)載：摩擦類(lèi)負(fù)載：特性曲線見(jiàn)圖（a），位于1、3象限。位能恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：位能恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：特性曲線見(jiàn)圖（b），位于1、4象限。這類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n成反比。特性曲線見(jiàn)圖（c）所示。這類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增大而改變。特性曲線見(jiàn)圖（d）所示。3.常用的交流調(diào)速方式及性能比較)1 (1Snn由（6-1）式得： ，由（6-3）式有 pfn/6011由上面的兩式解出異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式：)1 (601Spfn（6-10）1fpS供電電源頻率，定子繞組極對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)差率 式中： 從上式看來(lái)，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有三個(gè)途徑。即：改變定子繞組極對(duì)數(shù)；改變轉(zhuǎn)差率；改變

7、電源頻率。實(shí)際應(yīng)用的交流調(diào)速方式有多種，僅介紹如下幾種常用的方式。 1)變極調(diào)速變極調(diào)速 這種調(diào)速方式只使用于專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的變極多速異步電動(dòng)機(jī)。通過(guò)繞組的不同的組合連接方式，可獲得二、三、四極三種速度，這種調(diào)速方式速度變化是有級(jí)的，只適用于一些特殊應(yīng)用的場(chǎng)合，只能達(dá)到大范圍粗調(diào)的目的。2)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 這種調(diào)速方式只適用于繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，它是通過(guò)改變串聯(lián)于轉(zhuǎn)子電路中的電阻的阻值的方式，來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。由于外部串聯(lián)電阻的阻值可以多級(jí)改變，故可實(shí)現(xiàn)多種速度的調(diào)速(原理上,也可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速)。但由于串聯(lián)電阻消耗功率，效率較低。同時(shí)這種調(diào)速方式機(jī)械特性較軟，只

8、適合于調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。 3).串級(jí)調(diào)速串級(jí)調(diào)速 這種調(diào)速方式也只適用于繞線式異步電機(jī)，它是通過(guò)一定的電子設(shè)備將轉(zhuǎn)差功率反饋到電網(wǎng)中加以利用的方法。在風(fēng)機(jī)泵類(lèi)等傳動(dòng)系統(tǒng)上廣泛采用廣泛采用。這種調(diào)速方法常用以下幾種結(jié)構(gòu)方案幾種結(jié)構(gòu)方案：圖圖6-4 電氣、電機(jī)串級(jí)調(diào)速電氣、電機(jī)串級(jí)調(diào)速 (a) (b) （1）電氣串級(jí)方式：結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-4(a)。MA的轉(zhuǎn)子電流經(jīng)UR整流后供給直流電動(dòng)機(jī)M，由M傳動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)G將轉(zhuǎn)差功率反饋給交流電源。調(diào)節(jié)直流電機(jī)M的勵(lì)磁電源即可改變MA的轉(zhuǎn)速。這種方式具有恒轉(zhuǎn)矩特性具有恒轉(zhuǎn)矩特性。（2）電機(jī)串級(jí)方式：結(jié)構(gòu)如圖6-4(b)所示。它是由MA的轉(zhuǎn)子電流經(jīng)UR整流，

9、供給與MA同軸連接的直流電機(jī)M，經(jīng)M變?yōu)闄C(jī)械能施加到主異步電機(jī)軸上的一種調(diào)速方式。調(diào)節(jié)M的勵(lì)磁電流即可進(jìn)行調(diào)速。這種方式具有恒功率特性有恒功率特性。 圖圖6-5 低同步、超同步串級(jí)調(diào)速低同步、超同步串級(jí)調(diào)速 (a) (b) （3）低同步串級(jí)調(diào)速方式：如圖6-5(a)所示。它是在圖6-4(a)中接入逆變器和變壓器，代替原來(lái)的直流電動(dòng)機(jī)M和交流發(fā)電機(jī)G，將轉(zhuǎn)子電源變?yōu)榕c電源同頻率的交流電，使轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率反饋給電源的一種調(diào)速方式。調(diào)節(jié)有源逆變器晶閘管的控制角即可進(jìn)行調(diào)速。 （4）超同步串級(jí)調(diào)速：如圖6-5(b)所示。它是在圖6-4(b)中接入一個(gè)交交變頻器，代替原來(lái)的不控整流器和逆變器。通過(guò)控制

10、交交變頻器的工作狀態(tài),可以使電動(dòng)機(jī)在同步速度上下進(jìn)行調(diào)速。與低同步串級(jí)調(diào)速相比，其變流裝置小，調(diào)速范圍大，能夠產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖圖6-6 調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速 4)調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速 如圖6-6所示。這是將晶閘管反并聯(lián)連接，構(gòu)成交流調(diào)速電路，通過(guò)調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，改變異步電動(dòng)機(jī)的端電壓進(jìn)行調(diào)速。這種方式也改變轉(zhuǎn)差率S，轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子回路中，效率較低，僅適用于特殊轉(zhuǎn)子電機(jī)或線繞轉(zhuǎn)子電機(jī)中。5)電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī) 這種系統(tǒng)是在異步電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間通過(guò)電磁耦合來(lái)傳遞機(jī)械功率，調(diào)節(jié)電磁耦合器的勵(lì)磁可調(diào)整轉(zhuǎn)差率的大小，從而達(dá)到調(diào)速的目的。該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，適用于簡(jiǎn)單的調(diào)速系統(tǒng)

11、中。6)變頻調(diào)速變頻調(diào)速 改變供電頻率，可使異步電動(dòng)機(jī)獲得不同的同步轉(zhuǎn)速。采用變頻機(jī)對(duì)異步機(jī)供電的調(diào)速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的靜止變頻器電源。目前這類(lèi)調(diào)速方式已成為交流調(diào)速發(fā)展的主流。4.交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)圖圖6-7 機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線 從圖6-7的交流機(jī)的機(jī)械特性曲線可知，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩必須大于電機(jī)靜止時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即 nMM0否則電機(jī)無(wú)法進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作區(qū)。 交流機(jī)的起動(dòng)電流一般為額定電流的46倍 ,起動(dòng)起動(dòng)時(shí)一般要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：1. 應(yīng)有足夠大的起動(dòng)力矩和適當(dāng)?shù)臋C(jī)械特性曲線。 2. 盡可能小的起動(dòng)電流。 3起動(dòng)的操作應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)

12、。 4起動(dòng)過(guò)程中的功率損耗應(yīng)盡可能小。 普通交流電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中為了限制起動(dòng)電流，常用的起動(dòng)方法有三種。即：串聯(lián)電抗器起動(dòng)，自耦變壓器降壓起動(dòng)，星形三角形換接起動(dòng)。采用電子器件構(gòu)成的“交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)”迅速發(fā)展采用矢量控制的系統(tǒng)性能更優(yōu)越5.交流電機(jī)的制動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有：機(jī)械制動(dòng)，它采用機(jī)械抱閘裝置。電磁力制動(dòng)，采用電磁鐵抱閘或電磁摩擦片等裝置。電力制動(dòng)，它主要由電氣系統(tǒng)的控制裝置使電機(jī)本身產(chǎn)生制動(dòng)力。這種制動(dòng)無(wú)機(jī)械磨損問(wèn)題，減小維修工作量，因此獲得廣泛的應(yīng)用獲得廣泛的應(yīng)用。它可分為：回饋制動(dòng)、反接回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)三類(lèi)制動(dòng)和能耗制動(dòng)三類(lèi)。1)回饋制動(dòng)異步機(jī)電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)

13、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 1nn ,這是電動(dòng)工作狀態(tài)的正常情況正常情況。 從圖6-2的機(jī)械特性曲線知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速 1nn ,電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。 此時(shí)電機(jī)不消耗電能，而將能量反饋到供電系統(tǒng)中來(lái)。因此稱(chēng)為回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)。由公式（6-3）可知 pfn/6011 ，改變供電頻率可獲得不同的機(jī)械特性曲線。 下面以供電頻率減小1/2的情況說(shuō)明制動(dòng)過(guò)程：由公式（6-7）和（6-8）可知，當(dāng) 1f減小為1/2時(shí)（供電電壓不變）同步轉(zhuǎn)速為 2n，M-S曲線在M軸方向放大2倍 ，如圖6-8(a)(b)所示，當(dāng)利用公式（6-1）變換為M-n曲線后，將兩條曲線疊加在一起，如圖(c)所示。圖圖6-8 回饋制動(dòng)特性曲線回饋制動(dòng)特

14、性曲線如原來(lái)電機(jī)以電源頻率 1f運(yùn)行，電機(jī)處于曲線的A點(diǎn)（負(fù)載為 ZM），此時(shí)如果將 電源頻率改為 2f，因機(jī)械慣性原因，轉(zhuǎn)速不能突變。運(yùn)行狀態(tài)將轉(zhuǎn)至第二象限的B點(diǎn)，曲線處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，即回饋制動(dòng)狀態(tài)。電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速迅速下降，由B點(diǎn)運(yùn)行至C點(diǎn)，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速 ，電機(jī)轉(zhuǎn)為電動(dòng)狀態(tài)。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩 的作用下繼續(xù)減速到D點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。于是，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程結(jié)束。2nZM工作原理：工作原理：圖圖6-9反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)反接制動(dòng)、能耗制動(dòng) 2)反接制動(dòng) 如將三相交流電機(jī)的三相交流電任意調(diào)換兩個(gè)接線即換相即可使電機(jī)反轉(zhuǎn)。這是因?yàn)?，換相后產(chǎn)生了反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。也就是說(shuō)，將正在旋轉(zhuǎn)中的電

15、機(jī)將其輸入電源線任意調(diào)換兩個(gè)接線后，即可產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)力矩。這就是所謂的反反接制動(dòng)接制動(dòng)。 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定在A點(diǎn)運(yùn)行，當(dāng)改變輸入電源的相序后，電機(jī)換為第2象限的B點(diǎn)運(yùn)行。反向電磁力矩 與負(fù)載轉(zhuǎn)矩 共同作用于電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力，使電機(jī)迅速降速，由B降至C點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速 。此時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，因此電機(jī)不會(huì)停止，沿曲線繼續(xù)反向加速到D點(diǎn)后穩(wěn)定運(yùn)行。如在BC段運(yùn)行期間，設(shè)法加大負(fù)載使其大于 ，那么電機(jī)會(huì)停止在 處，不再反轉(zhuǎn)（這種方法很少使用）。如在C點(diǎn)及時(shí)斷開(kāi)電源，電機(jī)也會(huì)停止。BMZM0nCMZM0nCM工作原理：工作原理： 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械特性為1、4象限的曲線，反轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械特性

16、曲線為原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的2、3象限曲線。3)能耗制動(dòng) 能耗制動(dòng)的電路如圖6-9(b)所示。當(dāng)斷開(kāi)1KM，電動(dòng)機(jī)脫離交流電源，同時(shí)關(guān)合2KM，將直流電源通入定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部立即建立一個(gè)靜止的固定磁場(chǎng)，而電機(jī)仍以原來(lái)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割固定磁場(chǎng)的磁力線?？梢耘袛喑龃藭r(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向是與原來(lái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，這即是能耗制動(dòng)狀態(tài)能耗制動(dòng)狀態(tài)。 圖6-1的等效電路，經(jīng)化簡(jiǎn)后得到能耗制動(dòng)的等效電路如圖6-10所示。圖圖6-10 能耗制動(dòng)的等效電路能耗制動(dòng)的等效電路 圖中： 1I20X2rmX0I20E直流勵(lì)磁電流的等效交流電流 折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗 折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻 電機(jī)勵(lì)

17、磁電抗 產(chǎn)生氣隙磁通勢(shì)的勵(lì)磁電流 折合的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì) 此時(shí)電機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：)()(2)(2202212211mmXXSrfSrXImM（6-11） 由 可求出最大電磁轉(zhuǎn)矩為：0dSdM)(2201221XXfXmIMmmm（6-12） 圖圖6-11 能耗制動(dòng)曲線能耗制動(dòng)曲線 由于電動(dòng)時(shí) ，而能耗制動(dòng)時(shí) ，故能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性曲線如圖6-11所示。曲線的最大轉(zhuǎn)矩取決于制動(dòng)電流 ，圖中曲線2的電流大于曲線1的電流，對(duì)于轉(zhuǎn)子繞線式電機(jī)，當(dāng)增大轉(zhuǎn)子電阻時(shí)，曲線也可以改變形狀。圖中曲線3的轉(zhuǎn)子電阻大于曲線1的電阻。對(duì)于曲線1的能耗制動(dòng)過(guò)程，按A-B-O的方向運(yùn)行。 11/ )(nnn

18、S1/nnS 二二. .開(kāi)環(huán)調(diào)速與閉環(huán)調(diào)速開(kāi)環(huán)調(diào)速與閉環(huán)調(diào)速 圖圖6-12 6-12 改變轉(zhuǎn)子電阻曲線改變轉(zhuǎn)子電阻曲線 由公式(6-7)當(dāng)只改變轉(zhuǎn)子電阻 時(shí)，獲得曲線如圖6-12所示。其中： 。此時(shí)對(duì)某一固定的負(fù)載可獲得較寬范圍的調(diào)速狀態(tài)。此工作方式即是前面介紹的繞線式異步電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速工作方式的基本原理。具體線路見(jiàn)圖6-13所示。同時(shí)改變3電位器RP的動(dòng)臂可改變轉(zhuǎn)子電阻 ，而獲得不同的轉(zhuǎn)速。此種工作方式的機(jī)械特性很軟。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)迅速降低。 2r 222rrr1M2r圖圖6-13 6-13 串電阻調(diào)速串電阻調(diào)速 這種只靠輸入量對(duì)輸出量進(jìn)行控制的工作方式稱(chēng)開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制在某些

19、特定的工作狀態(tài)下是可以良好工作的。 要想獲得優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)工作特性，必須采用閉環(huán)控制閉環(huán)控制。如在上述開(kāi)環(huán)系統(tǒng)電機(jī)軸上增加一直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，它發(fā)出的直流電壓與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，再增加一個(gè)控制器及相應(yīng)電路，即可組成圖6-14所示的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。 圖圖6-14 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)速度閉環(huán)控制系統(tǒng) 輸入量 為設(shè)定轉(zhuǎn)速， 為測(cè)量出的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速，二者偏差 作為控制量。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，反饋的轉(zhuǎn)速 基本與給定轉(zhuǎn)速相等。偏差很小或?yàn)?。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載增大造成轉(zhuǎn)速降低時(shí)， 使 ，控制器調(diào)整電位器阻值減小，使轉(zhuǎn)速上升，直到 基本與 相等，構(gòu)成新的平衡狀態(tài)。調(diào)速結(jié)果是基本維持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。這種閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以使

20、系統(tǒng)的機(jī)械特性變硬，獲得良好的調(diào)速性能。)(tR)(tR)(tC)(tC)(te)(te)(tC三三. .交流調(diào)速的應(yīng)用及發(fā)展交流調(diào)速的應(yīng)用及發(fā)展 1交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的應(yīng)用 由于交流電動(dòng)機(jī)具有：便于使用和維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)。尤其是交流變頻技術(shù)已日趨完善，使交流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在拖動(dòng)系統(tǒng)中占有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前交流調(diào)速在國(guó)防、鋼鐵、造紙、卷煙、高層建筑供水、建材及機(jī)械行業(yè)的軍事裝置、機(jī)床/金屬加工機(jī)械、輸送與搬運(yùn)機(jī)械、風(fēng)機(jī)與泵類(lèi)設(shè)備、食品加工機(jī)械、水泵設(shè)備、包裝機(jī)械、化學(xué)機(jī)械、冶金機(jī)械設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用。2近代交流調(diào)速的發(fā)展 近代交流調(diào)速技術(shù)正在不斷的豐富發(fā)展。下面僅舉幾個(gè)方面

21、。（1）脈寬調(diào)制（PWM）控制。（2）矢量變換控制。（3）磁場(chǎng)控制。 磁場(chǎng)軌跡法： 異步電機(jī)的磁場(chǎng)加速法。（4）微機(jī)控制。（5）現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用。（6）直接轉(zhuǎn)矩控制。（7）多變量解耦控制等。back一一. .變極調(diào)速變極調(diào)速 這種調(diào)速方式適用于特殊構(gòu)造的變極電機(jī)。這種電機(jī)具有多種結(jié)構(gòu)的繞組，通過(guò)改變繞組的極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速的目的。目前常用的變極電機(jī)可獲得24種轉(zhuǎn)速。1YY形變換（/2Y接法）圖圖6-15 變極調(diào)速的調(diào)速原理變極調(diào)速的調(diào)速原理 這種調(diào)速接法具有恒功率特性，適用于各種機(jī)床上。這種調(diào)速原理如圖6-15所示。以A相繞組為例，A相繞組分為兩部分，當(dāng)A1X1與A2X2順次串聯(lián)時(shí)(圖(a)，產(chǎn)

22、生的磁場(chǎng)為4極。當(dāng)兩個(gè)繞組并聯(lián)后(圖(b),產(chǎn)生的磁場(chǎng)為2極。圖(c)中當(dāng)三相交流電接入到1、2、3端時(shí)為接法，為低速接法。圖(d)中1、2、3接在一起，三相交流電接入到4、5、6端時(shí)為YY接法，可獲得較高的同步轉(zhuǎn)速。 圖圖6-16 變極調(diào)速的一個(gè)應(yīng)用的線路變極調(diào)速的一個(gè)應(yīng)用的線路 SB1按下時(shí)，KM1閉合，電機(jī)低速運(yùn)行。按下SB后電機(jī)停機(jī)。SB2按下時(shí)，KM2、KM3吸合，定子繞組接成2Y聯(lián)接，電機(jī)高速運(yùn)行。 例子應(yīng)用：例子應(yīng)用：2. 三速、四速變換 如上雙速電機(jī)，如果再增加一組雙速繞組，則成為4速電機(jī)。例如，12/8/6/4極四速接法。如增加一組單速繞組，則成為3速電機(jī)。國(guó)產(chǎn)YD系列電機(jī)電

23、氣控制原理圖，如圖所示。圖6-16為三速電機(jī)電氣控制原理圖、圖6-17 為四速電機(jī)電氣控制原理圖。一般變極電機(jī)目前只有最多四速產(chǎn)品。圖圖6-17 三速電機(jī)電氣控制原理圖三速電機(jī)電氣控制原理圖 圖圖6-18 四速電機(jī)電氣控制原理圖四速電機(jī)電氣控制原理圖 二二. . 串電阻調(diào)速串電阻調(diào)速 由公式（6-7），取c1=1時(shí)，有：)()/(2322012211221XXSrrfSrPUM（6-13）對(duì)上式求導(dǎo)，令： ，解出：0dSdM 可得M-S曲線，它表示了電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn) 稱(chēng)臨界轉(zhuǎn)差率，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)最大轉(zhuǎn)矩 。 mMkS)(201212XXrrSk（6-14）)(22201211

24、12123XXrrfPUMm（6-15）將 代入原式，解出： kS 由上兩式可知，改變轉(zhuǎn)子電阻 ，即可改變臨界轉(zhuǎn)差率 ， 而最大轉(zhuǎn)矩 不變。這時(shí)轉(zhuǎn)速的機(jī)械特性曲線是圖6-19，得一族曲線。 2rkSmM圖圖6-19 串電阻的特性曲線串電阻的特性曲線 從特性曲線可知，這種工作方式的調(diào)速適用于固定負(fù)載或負(fù)載變化不大的場(chǎng)合。負(fù)載較輕時(shí)，串聯(lián)的電阻值應(yīng)作大范圍的改變，才能獲得較寬的調(diào)速范圍。而負(fù)載較重時(shí)，則需要小變化范圍的串聯(lián)電阻即可。但應(yīng)小于 才能工作。而負(fù)載太輕時(shí)，則不能用這種方法調(diào)速。實(shí)際應(yīng)用時(shí)某些起動(dòng)電路也采用類(lèi)似的電路。它們之間的區(qū)別是：調(diào)速用變阻器必須滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的條件，應(yīng)采用較大功率的電

25、阻，以防止溫度太高。mM例子應(yīng)用：例子應(yīng)用：圖圖6-20 繞線式電機(jī)外接電阻調(diào)速實(shí)用控制線路的例子繞線式電機(jī)外接電阻調(diào)速實(shí)用控制線路的例子圖6-20是實(shí)用控制線路的例子主令控制器可完成： 停止（位置0） 上升（位置1，2，3，4，5，6） 下降（位置c，1，2，3，4，5） 停止停止時(shí)，KA吸和為電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行做好準(zhǔn)備。 上升上升時(shí)，位置16分別短接外電阻獲R1R6得不同的提升速度。 下降下降時(shí)，處于位置c時(shí)，KM2吸和電機(jī)正傳，但KM3沒(méi)接通， YA失電使電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這是一種準(zhǔn)備檔。 當(dāng)處于下降位置“1”時(shí)，KM2吸和電機(jī)正傳產(chǎn)生向上提升力，KM3吸和打開(kāi)抱閘，此時(shí)如負(fù)載較重，重力大于提升力

26、，電機(jī)處于倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，以低速下放重物。（如負(fù)載較輕仍為上升狀態(tài)。） 當(dāng)處于下降位置“2”時(shí)，與“1”狀態(tài)基本相同，只是串聯(lián)的電阻值大些，可獲得比“1”快些的下降速度。 當(dāng)處于下降位置“3”、“4”、“5”時(shí)，KM1吸和電機(jī)反轉(zhuǎn)，可獲得更快的下降速度。三. 串級(jí)調(diào)速 參照?qǐng)D6-1的定子等值電路，可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子等值電路如圖6-21所示。圖(a)和(b)分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子視為不動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。根據(jù)電磁定律，有： 22cosICMM（6-16）其中， 氣隙中磁通量 MC為轉(zhuǎn)矩常數(shù) 222222/cosXrr轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù) 2X轉(zhuǎn)子漏感抗 S圖圖6-21 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等值電路異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等值電路 如

27、設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 ，(漏感抗為 )，當(dāng)電機(jī)以轉(zhuǎn)差率 旋轉(zhuǎn)起來(lái)以后，有 ， ，轉(zhuǎn)子電流為： 20E20X202SEE 202SXX22022202202220222222)()(XSrESXrSEXrEI（6-17）當(dāng)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻時(shí) ,202XSr, 可以忽略 ,得：20X2022ErIS （6-18） 由于 近似與負(fù)載成正比，因此，對(duì)固定負(fù)載, 為常數(shù)。則轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻值成正比，調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻的大小，即調(diào)整了轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而得到不同的轉(zhuǎn)速。這就是串電阻調(diào)速的原理串電阻調(diào)速的原理。2I2I 對(duì)于上轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速電路，如不串聯(lián)電阻，而引入一頻率和轉(zhuǎn)子電勢(shì) 頻率相同而相位相反的外加電勢(shì)

28、(見(jiàn)圖6-22)，則有下式存在：20SEfE22022202)(SXrESEIf（6-19）圖圖6-22 串級(jí)調(diào)速的原理圖串級(jí)調(diào)速的原理圖 原理介紹：原理介紹： 由于反相位 的串入，引起轉(zhuǎn)子電流 的減小，而電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： ， 的減小使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩值亦相應(yīng)減小，出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩值小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩值狀態(tài)，穩(wěn)定運(yùn)行條件被破壞使電機(jī)降速S增大。由上式可知， 回升,M亦回升，一直到電機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，達(dá)到新的平衡，減速過(guò)程結(jié)束。 fE2I2I2I22cosICMM 當(dāng)系統(tǒng)平衡時(shí)， ，而 、 、 基本為常數(shù)，因此對(duì)固定負(fù)載 、 為常數(shù)。如忽略上式分母中 ，則有 常數(shù)。于是改變外加電勢(shì) 就可改變轉(zhuǎn)差率

29、S，使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這即是低同步串級(jí)調(diào)速的基本原理。如引入的 與轉(zhuǎn)子電勢(shì)同相位則可得到高于同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，這就是超同步串級(jí)調(diào)速超同步串級(jí)調(diào)速的基本原理的基本原理。 2IfEfEfZMM MC2cosfZM20SXfESE20按串級(jí)調(diào)速的原理，可構(gòu)成多種串級(jí)調(diào)速的方案，下面介紹兩種常用方案。 （1）晶閘管低同步串級(jí)調(diào)速 這種串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖6-23所示。系統(tǒng)中的附加反電勢(shì) 采用晶閘管元件組成的有源逆變電路來(lái)獲得。改變 角的大小即調(diào)節(jié)了逆變電壓值，亦就改變了直流附加電勢(shì) 的值。轉(zhuǎn)差功率Ps只是小部分在轉(zhuǎn)子繞組本身的 上 消耗掉，大部分被串入的附加電勢(shì) 所吸收，回饋到電網(wǎng)中。

30、這種調(diào)速系統(tǒng)具有恒轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩特性。fEfEfE2r圖圖6-23 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成 原理介紹：原理介紹：（2）晶閘管變頻同步串級(jí)調(diào)速 在圖6-23中，如將轉(zhuǎn)子側(cè)的6個(gè)整流二極管1UR改為晶閘管，則組成晶閘管變頻同步串級(jí)調(diào)速電路。 這種系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下四種工作狀態(tài)四種工作狀態(tài)： a. 高于同步速度的電動(dòng)狀態(tài)：高于同步速度的電動(dòng)狀態(tài)： 1UR工作在逆變狀態(tài)，2UR工作在整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)速高于同步速度，定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)輸入功率。b. 低于同步速度的電動(dòng)狀態(tài)低于同步速度的電動(dòng)狀態(tài) ：1UR工作在逆變狀態(tài)，2UR工作在整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)速低于同步速度，電動(dòng)機(jī)定子輸入功率。c.高于同步速度的再生制

31、動(dòng)狀態(tài)：高于同步速度的再生制動(dòng)狀態(tài)：此工作狀態(tài)功率傳送方向與低同步串級(jí)調(diào)速的方向是相同的，只是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)矩方向相反。 d. 低于同步速度的再生制動(dòng)狀態(tài)：低于同步速度的再生制動(dòng)狀態(tài)：此工作狀態(tài)功率傳送方向與超同步串級(jí)調(diào)速的方向是相同的，只是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)矩方向相反。 以上介紹的只是這種串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，實(shí)際的主回路和控制回路是很復(fù)雜的。四.滑差電機(jī)調(diào)速(電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速) 圖圖6-24 滑差電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖滑差電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 它主要由異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)差離合器電磁轉(zhuǎn)差離合器，晶閘管（可控硅）整流電源晶閘管（可控硅）整流電源等組成。轉(zhuǎn)差離合器包括電樞和磁極兩部分，兩

32、部分之間無(wú)機(jī)械聯(lián)系，全靠磁力聯(lián)接。電樞受異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)為主動(dòng)部分主動(dòng)部分。磁極與負(fù)載相聯(lián)接，稱(chēng)為從動(dòng)部分從動(dòng)部分。磁極上繞有勵(lì)磁繞組。由晶閘管整流電源供電，而產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)杯形電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)切割從動(dòng)部分磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁力線而感應(yīng)出渦流，這渦流與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁力，此電磁力所形成的轉(zhuǎn)矩將使磁極跟著電樞同方向旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)工作機(jī)械旋轉(zhuǎn)。在某一負(fù)載下，磁極的轉(zhuǎn)速由其磁場(chǎng)的強(qiáng)弱而定。故，只要改變勵(lì)磁電流的大小，即可改變負(fù)載的轉(zhuǎn)速。 原理介紹：原理介紹：圖圖6-25 離合器本身的機(jī)械特性離合器本身的機(jī)械特性 為提高調(diào)速性能，一般這類(lèi)系統(tǒng)都要加入速度反饋，構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)速度閉環(huán)系統(tǒng)。

33、具有速度反饋的調(diào)速系統(tǒng)及機(jī)械特性曲線如圖6-26所示。圖圖6-26 具有速度反饋的調(diào)速系統(tǒng)及機(jī)械特性曲線具有速度反饋的調(diào)速系統(tǒng)及機(jī)械特性曲線 這種調(diào)速系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。廣泛應(yīng)用于一般的工業(yè)設(shè)備中。目前我國(guó)已有系列產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)。功率從0.6千瓦到30千瓦。 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性就是離合器本身的機(jī)械特性。如圖6-25所示。(理想)空載轉(zhuǎn)速不變，隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，轉(zhuǎn)速下降很快，機(jī)械特性很軟。圖圖6-27 JZT1型的轉(zhuǎn)差離合器電機(jī)控制裝置型的轉(zhuǎn)差離合器電機(jī)控制裝置 圖為上海生產(chǎn)的JZT1型轉(zhuǎn)差離合器電機(jī)控制裝置。它是由給定比較環(huán)節(jié)、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶閘管整流電路等所組成。 晶閘管整

34、流電路采用單相半波整流，輸出給轉(zhuǎn)差離合器的勵(lì)磁繞組。并用壓敏電阻RY及C1R1作過(guò)壓保護(hù)。給定電壓由電源變壓器提供的38伏電壓整流后提供。測(cè)速機(jī)上輸出的速度反饋信號(hào)經(jīng)整流電路后由電位器W4提供。晶閘管的觸發(fā)脈沖的移相角受給定與反饋信號(hào)的差控制，構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)速度閉環(huán)系統(tǒng)。 原理介紹：原理介紹：Back五、調(diào)壓調(diào)速(略）調(diào)壓調(diào)速的特性采用晶閘管的調(diào)壓調(diào)速電路交流力矩電動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的交流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速一一. .變頻器的各種分類(lèi)變頻器的各種分類(lèi) 由公式(6-10)可知,改變定子頻率可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。如將三相50Hz交流電經(jīng)過(guò)一定電子設(shè)備變換得到不同的頻率的三相交流電，則可使普通交流電機(jī)獲得不同的轉(zhuǎn)速

35、。這種設(shè)備我們稱(chēng)之為變頻器變頻器。變頻器變頻器交交交變頻器：交變頻器：交交直直交變頻器交變頻器主要用于特大功率，較低頻率的運(yùn)行。應(yīng)用面較窄。電流型：電流型：電壓型：電壓型：中間直流環(huán)節(jié)采用電感元件作濾波元件，突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，可方便的把電能回饋到交流電網(wǎng)。中間直流環(huán)節(jié)采用電容元件作濾波元件，可獲得平穩(wěn)的直流電壓，提供給逆變器。受負(fù)載的影響較小，獲得良好的性能。脈沖幅值調(diào)制脈沖幅值調(diào)制(PAM)方式方式脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式方式圖圖 6-32 變頻器的基本組成變頻器的基本組成 控制電路由檢測(cè)電路、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出、功率管驅(qū)動(dòng)、各種控制信號(hào)的計(jì)算等部分組成，目

36、前這部分環(huán)節(jié)主要由高性能的微機(jī)與外圍設(shè)備組成的微機(jī)控制系統(tǒng)完成。二二.PAM.PAM（Pulse Amplitude ModulationPulse Amplitude Modulation）方式）方式 圖圖6-33 PAM變頻器的主回路原理圖變頻器的主回路原理圖 晶閘管T1-T6組成全控橋式整流電路，得到直流電，電容C起濾波作用?？刂芓1-T6的導(dǎo)通角可獲得不同幅值的Ud?？申P(guān)斷晶閘管VT1-VT6與二極管D1-D6組成逆變器，D1-D6又稱(chēng)續(xù)流二極管，它主要完成由于電機(jī)電感作用下，電路過(guò)渡過(guò)程中的續(xù)流電路通路作用。R1，R2是等值的，為取得Ud的中間電位點(diǎn)。原理介紹：原理介紹：工作方式：工

37、作方式： PAM工作方式分120導(dǎo)通和180導(dǎo)通兩種方式。這里以120為例，每個(gè)GTO導(dǎo)通時(shí)間為120。對(duì)VT1和VT4組成的U橋臂來(lái)講，首先VT1導(dǎo)通120，隔60后，VT4導(dǎo)通120，再隔60后，VT1導(dǎo)通120，以此方式周而復(fù)始工作。 圖圖 6-34 PAM調(diào)制方式調(diào)制方式 示波器觀察U、O兩點(diǎn)間的電壓波形如圖（a）所示。另兩個(gè)橋臂的工作方式也是相同的，只是導(dǎo)通時(shí)間各相差120。V、O兩點(diǎn)間的電壓波形如（b）所示。W、O兩點(diǎn)波形如（c）所示。此時(shí)用示波器觀察U、V兩點(diǎn)，V、W兩點(diǎn)，W、U兩點(diǎn)間的波形分別如圖（d）、（e）、（f）所示。這種波形的電壓加入到交流電機(jī)后，由于電機(jī)電感的作用及二

38、極管D1D6的續(xù)流作用，可獲得變化的電流，而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。波形圖：波形圖： 通過(guò)控制電路控制GTO導(dǎo)通的頻率導(dǎo)通的頻率即可獲得不同同步轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，達(dá)到變頻調(diào)速的目的?？刂普髌骶чl管的導(dǎo)通角，可獲得不同整流電壓Ud，進(jìn)而控制輸出三相交流電壓的幅值。這種控制方式稱(chēng)為脈沖幅脈沖幅度調(diào)制方式（度調(diào)制方式（PAM）。三三. PWM. PWM方式（方式（Pulse Width ModulationPulse Width Modulation） 交直交變頻器要求具有兩個(gè)基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)：輸出電壓的頻率可變頻率可變和輸出電壓的幅度可變幅度可變，所以一般稱(chēng)為VVVF方式（Variable Vo

39、ltage Variable Frequency）。 如在變頻器環(huán)節(jié)中，將每個(gè)半周的矩形分成許多小脈沖，通過(guò)調(diào)整脈沖的寬度的大小，即可起到VV的作用。這即所謂的PWM方式方式。 PWM方式可分為： 等脈寬PWM法，正弦波PWM(SPWM)法，磁鏈追蹤型PWM法，電流跟蹤型PWM法，諧波消去PWM法，優(yōu)化PWM法，等脈寬消諧波法，最佳PWM法等多種方式。 目前常用的是SPWM法。 正弦波正弦波PWM（SPWM）法）法 圖圖6-35 SPWM變頻器的電路原理變頻器的電路原理 原理介紹：原理介紹： 圖（b）是控制回路。參考信號(hào)振蕩器產(chǎn)生三相對(duì)稱(chēng)的三個(gè)正弦參考電壓，其頻率決定逆變輸出電壓的頻率，其幅值

40、滿足逆變器輸出電壓幅度的要求。即這個(gè)振蕩器可發(fā)出VVVF信號(hào)。三角波振蕩器能發(fā)出頻率比正弦波高出許多的三角波信號(hào)。這兩種信號(hào)經(jīng)電路的作用后，產(chǎn)生PWM功率輸出電壓。 這里的正弦波稱(chēng)之為調(diào)制波調(diào)制波(Modulating Wave)。 三角波稱(chēng)為載波載波(Carrier Wave)。輸出為PWM(PulseWidth Modulation)信號(hào)信號(hào)。 整流器由不可控器件（二極管）組成。它輸出的電壓經(jīng)電容C濾波后，提供恒定直流電壓供給逆變器，逆變器由6個(gè)可控功率器件GTR及反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。圖圖6-36 正半周正半周SPWM波形波形 SPWM調(diào)制方式調(diào)制方式 SPWM調(diào)制方式可分為：?jiǎn)螛O性式

41、和雙極性式的。 單極性式單極性式的同一相兩個(gè)功率管在半個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)工作。另一個(gè)始終在截至狀態(tài)。例如，U相正半周時(shí)，當(dāng) 時(shí)VT1導(dǎo)通， 時(shí)，VT1截止，形成正半個(gè)周波的SPWM波形如圖6-36所示。經(jīng)電機(jī)電感濾波后獲得的等效正弦波如圖虛線所示。對(duì)負(fù)半周時(shí)，則VT4工作，VT1截止，獲得負(fù)半周的SPWM波形。 RUcuu RUcuu 圖圖6-37 雙極性調(diào)制輸出波形雙極性調(diào)制輸出波形 圖圖6-38 雙極性調(diào)制電壓輸出波形雙極性調(diào)制電壓輸出波形 雙極性工作方式雙極性工作方式是輸出的半個(gè)周期內(nèi)每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管輪流工作。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，VT4截止，當(dāng)VT1截止時(shí)，VT4導(dǎo)通。這種工作方式要求三角

42、載波信號(hào)也為雙極性 。 用雙極性調(diào)制輸出的相電壓及UV之間的線電壓輸出波形如圖6-38所示。 四四. . 調(diào)制比調(diào)制比N N（載波比）（載波比） 調(diào)制比可分為：同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段調(diào)制三種。 同步調(diào)制同步調(diào)制，N為常數(shù)，一般取N為3的整數(shù)倍的奇數(shù)。這種方式可保持輸出波形的三相之間對(duì)稱(chēng)，這種調(diào)制方式最高頻率與最低頻率輸出脈沖數(shù)是相同的。低頻時(shí)會(huì)顯得N值過(guò)小，導(dǎo)致諧波含量變大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)加大。 圖圖6-39 一種分段同步調(diào)制的例子一種分段同步調(diào)制的例子 異步調(diào)制異步調(diào)制，改變正弦波信號(hào) 的同時(shí)，三角波信號(hào) 的值不變。這種方式在低頻時(shí)，N值會(huì)加大，克服了同步調(diào)制中的頻率不良現(xiàn)象。這種調(diào)制方式由于N

43、是變化的會(huì)造成輸出三相波形的不對(duì)稱(chēng)，使諧波分量加大。 rfcf 載波頻率 與調(diào)制頻率 之比稱(chēng)為調(diào)制比調(diào)制比N，即 。在調(diào)制過(guò)程中可采用不同的調(diào)制比。 rfrcffN/cf 分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制是將調(diào)制過(guò)程分成幾個(gè)同步段調(diào)制，這樣就既克服了同步調(diào)制中的低頻N值太低的缺點(diǎn)，又具有同步調(diào)制的三相平衡的優(yōu)點(diǎn)。這種方式有在N值的切換點(diǎn)處出現(xiàn)電壓突變或振蕩的缺點(diǎn)，可在臨界點(diǎn)采用滯后區(qū)的方法克服。 五五. U/f. U/f控制的原理控制的原理 圖圖6-40 異步機(jī)的等值電路異步機(jī)的等值電路 如在異步電動(dòng)機(jī)中，外加電壓為 ，在定子中產(chǎn)生的反電勢(shì)則為： 1UMkNfE011144. 4（6-20） 1f1N

44、0kM其中：加于定子的電源頻率每相繞組的匝數(shù)比例系數(shù)氣隙磁通 由異步機(jī)的等值電路（圖6-40）可見(jiàn)： )(11111jXrIEU（6-21） )2()(1001mmmmrLfjIrjXIE（6-22） 1r1X定子繞組內(nèi)阻，定子漏抗 mLmr0I產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，激磁電阻（很?。?， 激磁電流 式中：原理分析：原理分析： 由上分析可知，在較高頻率時(shí)，有： ，因此一般可控制 常數(shù)，即可獲得恒定磁通的工作狀態(tài)。這即所謂的U/f控制方式變頻器的工作原理。11EU 11/ fU轉(zhuǎn)子形成的反電勢(shì)公式為：MkNfE0221244. 4（6-23） 機(jī)械功率： 22222211cos)1 (cos)1

45、 (IESmIESmPMX（6-24） 電抗同步頻率為： 6011Pnf ，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為： 602)1 (1nS 當(dāng)忽略 時(shí)， 主要取決于電源頻率 ，第二項(xiàng) 此 項(xiàng)稱(chēng)為定子阻抗壓降，當(dāng)頻率很高時(shí) 的值主要取決于第二項(xiàng)。即而 ，因此，高頻時(shí) 。對(duì)電機(jī)來(lái)講，氣隙磁通 值的大小會(huì)影響到電機(jī)的工作效率。電機(jī)的最佳工作狀態(tài)應(yīng)是磁通 處于額定值。因此，一般來(lái)講（6-20）式中的 為常值時(shí)，必須保持 與 成比例的變化。即 常數(shù)。mr1E1f11111111)2()(VLfjrIjXrI1V1V111jXIVmLL 111 EUMMM1E1fMkNfE011144. 4/因此，電機(jī)平均力矩為：221022122

46、2cos6044. 4602)1 (cos)1 (MMMXCPkIPnkNnSISmPM（6-25） 其中， 2202222)(cosXSrSr（6-26） 由上式可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)差率 較小時(shí)， ，轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)子電流 成正比，而 與轉(zhuǎn)差率 成正比。仿照直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，一般將這種具有恒磁通調(diào)速方式稱(chēng)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 S1cos2CPM2I2IS六六. . 恒功率變頻調(diào)速方式恒功率變頻調(diào)速方式 圖圖6-41 U/f機(jī)械特性機(jī)械特性 當(dāng)變頻的頻率 達(dá)到電機(jī)的額定電源頻率(例如50Hz)時(shí)，如再增加 則不能保持 常數(shù)的關(guān)系，而提高 了。因?yàn)樵偬岣?已超過(guò)額定電壓。這是不允許的，此時(shí)只能保持 為額定值。于是， 的

47、比值隨 的增高而減小，造成主磁通 的不斷減小，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性如圖6-41所示。這種特性，類(lèi)似于直流電機(jī)的弱磁調(diào)速方式。一般稱(chēng)為恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速。 1f1f11/ fU1U1U1U11/ fU1fM 因此在變頻調(diào)速過(guò)程中，如保持 為常數(shù)時(shí)，可近似認(rèn)為是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式方式。如保持 不變，而只改變 可近似認(rèn)為是恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式。11/ fU1U1f七七. U/f. U/f變頻器的變頻器的U/fU/f曲線的使用曲線的使用 圖圖6-42 變頻器變頻器U/f曲線設(shè)置曲線設(shè)置 maxf 為電機(jī)允許的最高工作頻率，在 至 一段曲線輸出電壓為額定工作電壓 ，此段工作屬恒功率

48、調(diào)速。efmaxfeUU/f變頻器缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 1.難以做到準(zhǔn)確的補(bǔ)償 。 2.很難對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確的控制 。 3.轉(zhuǎn)速極低時(shí)，造成轉(zhuǎn)矩不足。 圖中 稱(chēng)最大電壓（或額定電壓）， 為基本頻率， 為最大頻率，三者均可通過(guò)軟件功能來(lái)設(shè)置。曲線與縱軸的交點(diǎn)稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩提升值。 efmaxfeU曲線中：對(duì)應(yīng)空載情況，對(duì)應(yīng)較輕負(fù)載情況，對(duì)應(yīng)較重負(fù)載，、對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)負(fù)載八八. . 高功能型的高功能型的U/fU/f變頻器變頻器 針對(duì)普通變頻器的缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷研究改進(jìn)，提出所謂高功能性U/f變頻器，這種變頻器采用了磁通補(bǔ)償器磁通補(bǔ)償器，轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器和電流限制器電流限制器。 1磁通補(bǔ)償器：利用定子電壓和電流的檢

49、測(cè)值，計(jì)算出激磁電流 和轉(zhuǎn)子電流 ，計(jì)算出負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)子磁通 的變化量，并控制使其維持基本不變，克服了低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩不足的缺點(diǎn)。 .0I.2I22轉(zhuǎn)差補(bǔ)償：電機(jī)負(fù)載增大后，會(huì)使轉(zhuǎn)差率 增大，引起 增大，使轉(zhuǎn)速下降。這是由于變頻器開(kāi)環(huán)控制造成的。將電機(jī)加上一個(gè)測(cè)速機(jī)構(gòu)，并反饋到系統(tǒng)中構(gòu)成速度閉環(huán)，即可獲得較硬的特性曲線。 .2IS3.電流限制器：負(fù)載 超過(guò)最大值后，保持 在最大允許值不變，可使電機(jī)維持在最大轉(zhuǎn)矩 上，實(shí)現(xiàn)挖土機(jī)特性。在這種特性下，如負(fù)載達(dá)到 后繼續(xù)增加，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，但轉(zhuǎn)子電流卻維持不變，不會(huì)引起變頻器過(guò)載跳閘事故。這種功能又稱(chēng)“轉(zhuǎn)矩限定功能”。見(jiàn)圖6-43。 T.2I

50、maxTmaxT圖圖6-43 高功能型的變頻器實(shí)驗(yàn)結(jié)果高功能型的變頻器實(shí)驗(yàn)結(jié)果 九九. . 矢量控制變頻器矢量控制變頻器 MT電機(jī) ：異步電動(dòng)機(jī)的工作是產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可用旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F表示（見(jiàn)圖6-44）。它可用外部繞有線圈的軟鐵通上直流電 產(chǎn)生。暫稱(chēng)這種電機(jī)為F電機(jī)。如采用相互垂直的兩個(gè)電磁鐵M、T分別通以 和 電流，使其合成磁勢(shì)為F的話，那么這兩種電磁鐵同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，也可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F。 mimITIQD電機(jī)：如采用互相垂直的兩個(gè)電磁鐵Q、D，但它們是固定不旋轉(zhuǎn)的，而在其中通以不同相位的正弦交流電 、 的話，它也可以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F，這即是兩相異步交流電機(jī)的原理 。Q

51、iDiABC電機(jī)：如果采用互成120角的三個(gè)電磁鐵A、B、C，也是固定不動(dòng)的，使A軸與D軸重合，在其中通以三相交流電的話，它也可產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F，這就是三相交流異步電動(dòng)機(jī)的基本原理。圖圖6-44 矢量控制原理矢量控制原理 以上三種電動(dòng)機(jī)在圖中是指是坐標(biāo)變換關(guān)系，分別為： 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M-T 兩相靜止坐標(biāo)系Q-D 三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C各電機(jī)電流轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：ABCQDRII（6-27） MTQDSII（6-28） 由上式推出：（6-29） QDABCIRIQDMTISI1（6-30） 其中：TQDQDiiI（6-31） TCBAABCiiiI（6-32） TTMMTIII（6-33）

52、232302121132R（6-34） 232123210132R（6-35） )cos()sin()sin()cos(SSSSS（6-36） 式中：tSSMTIItg1負(fù)載角，S旋轉(zhuǎn)角頻率 1 SSRR的廣義逆矢量變換控制的基本原理概述矢量變換控制的基本原理概述 ： 由所要求的每相氣隙磁通鏈 確定電流 ，由氣隙磁通鏈 和所要求的轉(zhuǎn)矩確定轉(zhuǎn)子電流 。由 、 經(jīng)變換陣 確定電流 ， ，再經(jīng)變換矩陣 得三相電流的瞬時(shí)值 、 、 ，控制異步機(jī)的定子線圈。于是單獨(dú)調(diào)節(jié) 和 即得到控制定子三相繞組電流。調(diào)節(jié) 相當(dāng)調(diào)節(jié)氣隙磁通鏈 ，調(diào)節(jié) 相當(dāng)于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，這種控制相當(dāng)直流電機(jī)的控制，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性

53、能。MMITIMMITISDiQiRAiBiCiMITIMIMTI矢量控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 ：TMemIpT（6-37） 式中： pMTI電機(jī)極對(duì)數(shù)氣隙磁通鏈電流的轉(zhuǎn)矩分量 設(shè) 、 為定子電壓，相當(dāng)于在DQ機(jī)中的分量。那么，它可由變換陣 求出。設(shè) 、 為定子磁通鏈在DQ軸的兩個(gè)分量，它可由下式求出：DuQuRDQ)(*dtiRdtuDSDD)(*dtiRdtuQSQQ（6-38） （6-39） 其中：*SR定子每相電阻 由此可計(jì)算出：22QDM（6-40） MQS)sin(（6-41） MDS)cos(（6-42） 圖圖6-45 矢量控制系統(tǒng)框圖矢量控制系統(tǒng)框圖 根據(jù)以上公式可構(gòu)成圖6-45所示

54、的單獨(dú)控制氣隙磁通鏈及轉(zhuǎn)矩的矢量控制系統(tǒng)框圖。給出公式：MTPTI*（6-43） )(*SDDDRidtdu（6-44） )(*SQQQRidtdu（6-45） 矢量控制系統(tǒng)過(guò)程：矢量控制系統(tǒng)過(guò)程： 由檢測(cè)出的電機(jī)定子電壓 、 、 和電流 、 、 經(jīng)運(yùn)算器求出 、 、 、 、 和 的實(shí)際值。給定 與實(shí)際 相比較，誤差 經(jīng)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器計(jì)算出勵(lì)磁電流給定值 ，與實(shí)際 相比較后，誤差送至調(diào)節(jié)量運(yùn)算器。AuBuCuAiBiCiDQ)cos(S)sin(SMITI*MMM*MIMIMI 利用上頁(yè)公式，求出 、 。再經(jīng)變換矩陣 求出 、 、 這三個(gè)控制電壓，經(jīng)PWM逆變器求出電壓控制電機(jī)。此系統(tǒng)具有 、

55、IM、IT閉環(huán)，是具有分別控制和的閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，稱(chēng)之為轉(zhuǎn)矩矢量控制系統(tǒng)。如電機(jī)加上測(cè)速機(jī)CF，測(cè)出實(shí)際轉(zhuǎn)速 與給定速度相比較后，誤差經(jīng)速度調(diào)節(jié)器計(jì)算后，輸出量作為轉(zhuǎn)矩 的輸入，則構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱(chēng)之為速度矢量控制系統(tǒng)，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。DuQuR*Au*Bu*CuMn*TBack一一. .變頻器的基本性能簡(jiǎn)介變頻器的基本性能簡(jiǎn)介 日本富士電機(jī)有限公司生產(chǎn)多種電器產(chǎn)品，其中FRENIC5000G9S/P9S是最新產(chǎn)品，分為200V和400V兩大系列。 輸出3相200V50Hz輸出3相380V50Hz 用于普通電氣設(shè)備 用于風(fēng)機(jī)泵類(lèi)設(shè)備 產(chǎn)品具有轉(zhuǎn)矩矢量控制功能，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)計(jì)算

56、出最佳控制電壓及電流矢量。在1Hz運(yùn)算時(shí)，實(shí)現(xiàn)了的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，1分鐘過(guò)載能力達(dá)150%；0.5秒過(guò)載能力達(dá)200%。可人為的選擇PWM載波頻率以適應(yīng)環(huán)境要求的最小噪聲狀態(tài)。 產(chǎn)品采用發(fā)光二極管式數(shù)字顯示和液晶顯示參數(shù)的組合式顯示面板，采用對(duì)話式觸摸面板的手工編匯器。 變頻器還具有自整定功能，可自動(dòng)設(shè)定電機(jī)的特性，具有自動(dòng)節(jié)能功能。具有內(nèi)部速度設(shè)定和計(jì)時(shí)器功能。二二. . 基本功能及使用操作基本功能及使用操作變頻器的基本功能包括：控制功能、顯示功能、保護(hù)功能和使用環(huán)境等。1. 控制功能a運(yùn)轉(zhuǎn)與操作：可用編匯器上的鍵盤(pán)或外部信號(hào)控制起停、正反轉(zhuǎn)、加速、減速、多級(jí)頻率選擇等。b. 頻率設(shè)定：可用鍵盤(pán)、

57、外接電位器或420mA電流信號(hào)控制頻率。c運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號(hào)：設(shè)備可輸出（集電極開(kāi)路）開(kāi)關(guān)量信號(hào)。指示系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。d加速/減速時(shí)間設(shè)定：設(shè)定范圍為0.23600秒，能獨(dú)立設(shè)定4種加/減速方式，并能由外部信號(hào)選擇。e上/下限頻率：可由軟件設(shè)定設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的上限頻率及下限頻率。f頻率設(shè)定的增益：可設(shè)定模擬信號(hào)（來(lái)自外電位器的）與輸出頻率之間的比例關(guān)系范圍為0200%。g偏置頻率：可將0頻率設(shè)定為非0的偏置頻率，滿足特殊系統(tǒng)的要求。h跳變頻率：可人工設(shè)定跳變頻率防止系統(tǒng)在機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率點(diǎn)運(yùn)行。i瞬間停電再起動(dòng)：有四種選擇方式，使正在運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)瞬間停電后能平穩(wěn)的重新起動(dòng)運(yùn)行。j自動(dòng)補(bǔ)償控制：在U/f控制

58、方式中，可自動(dòng)設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升的補(bǔ)償量，也可手動(dòng)進(jìn)行固定補(bǔ)償設(shè)置。k第2臺(tái)電機(jī)設(shè)定：通過(guò)軟件控制一臺(tái)變頻器可控制2臺(tái)電機(jī)，可設(shè)定第2臺(tái)電機(jī)的各種參數(shù)。l自動(dòng)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)：對(duì)于輕負(fù)載運(yùn)行方式，能自動(dòng)減弱U/f比，減少損失，節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 顯示功能1運(yùn)轉(zhuǎn)中（或停止時(shí)）：顯示輸出頻率、輸出電流、輸出電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、線速度、輸出轉(zhuǎn)矩等，并能顯示單位，在液晶顯示畫(huà)面上能顯示測(cè)試功能、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的模擬值。2在設(shè)定狀態(tài)時(shí)：能顯示各種功能碼及有關(guān)數(shù)據(jù)。3出現(xiàn)故障跳閘時(shí)：能顯示跳閘原因及有關(guān)數(shù)據(jù)。3. 保護(hù)功能1過(guò)載保護(hù)：根據(jù)設(shè)備的熱保護(hù)電路進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。2過(guò)壓保護(hù)：在系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，當(dāng)中間直流電路的電壓過(guò)高時(shí)進(jìn)行

59、保護(hù)。3電涌保護(hù)：針對(duì)侵入到主電路電路電源線之間和接地之間的電涌采用保護(hù)措施。4欠壓保護(hù)：當(dāng)中間級(jí)電路的電壓過(guò)低時(shí)起動(dòng)保護(hù)電路。5過(guò)熱保護(hù)：根據(jù)設(shè)備內(nèi)的溫度檢測(cè)元件的信號(hào)保護(hù)設(shè)備。6短路保護(hù)：當(dāng)輸出端短路時(shí)保護(hù)設(shè)備。7接地保護(hù)：當(dāng)輸出端產(chǎn)生接地過(guò)電流時(shí)動(dòng)作。8電機(jī)保護(hù)：根據(jù)外部的電機(jī)保護(hù)信號(hào)保護(hù)變頻器。9防止失速；在加減速中限制過(guò)電流。4. 使用環(huán)境用于不含腐蝕性氣體、易燃性氣體、無(wú)灰塵、避免陽(yáng)光直接照射的場(chǎng)合。環(huán)境溫度：-100C+500C。環(huán)境濕度：2090%RH5. 使用操作圖圖6-46變頻器內(nèi)部接線圖變頻器內(nèi)部接線圖 1）主回路（1）R、S、T為主回路電源端子，接3相380V交流電，不

60、需要考慮相序。（2）U、V、W為逆變器輸出端子，按正確相序接至三相交流電電動(dòng)機(jī)，相序不正確會(huì)使電機(jī)反轉(zhuǎn)。（3）P1、P(+)為內(nèi)部直流電路中為改善功率因數(shù)而外接的直流電抗器，一般應(yīng)用可將其短路。（4）P(+)、DB為外接制動(dòng)電阻端子。對(duì)于 逆變器產(chǎn)品， 自帶制動(dòng)電阻。如由于制動(dòng)功率不夠，可將內(nèi)部電阻拆去，接入較大功率的電阻。（5）P(+)、N(-)對(duì)于 的逆變器內(nèi)部無(wú)內(nèi)裝制動(dòng)電路和制動(dòng)電阻，應(yīng)在此二端子上接入外部制動(dòng)電路（制動(dòng)單元），而將制動(dòng)電阻接至此制動(dòng)單元上。（6）E(G)是設(shè)備的接地端子，它可保護(hù)人身安全與減少噪聲。kw5 . 7kw112）控制回路 （1）13、12、11為頻率控制輸入