機械制造第4章

1、n概述概述n交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型第第4章章 交流電機的調(diào)速交流電機的調(diào)速 直流電力拖動和交流電力拖動在直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀(jì)先世紀(jì)先后誕生。在后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萃蟿佣疾捎弥绷麟姍C，而約占電力拖動總?cè)萘苛?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然公認(rèn)的格局。交

2、流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻早已問世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。4.1 概述概述 直到直到20世紀(jì)世紀(jì)6070年代年代，隨著電力電子技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。

3、速性能分工的格局終于被打破了?？偨Y(jié)總結(jié)（1 1）電力電子技術(shù)的發(fā)展）電力電子技術(shù)的發(fā)展 （2 2）微機及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展）微機及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展 （3 3）現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用及交流調(diào)速原理）現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用及交流調(diào)速原理 的發(fā)展和成熟的發(fā)展和成熟 交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：主要有三個方面：n一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 n高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) n特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 1. 一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 在過去大量的所謂在過去大量的所謂“不變速交流拖

4、動不變速交流拖動”中，風(fēng)機、中，風(fēng)機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘克玫韧ㄓ脵C械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨?，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，的一半以上，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把多電能白白地浪費了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風(fēng)機、消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風(fēng)機、水泵平均都可以節(jié)約水泵平均都可以節(jié)

5、約 20 30% 以上的電能，效果是以上的電能，效果是很可觀的。很可觀的。 但風(fēng)機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求但風(fēng)機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。都不高，只需要一般的調(diào)速性能。2. 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) 許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。

6、但是，由于交顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。時控制。 20世紀(jì)世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得

7、了性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展。突破性的進展。 其后，又陸續(xù)提出了其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制解耦控制等等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)3. 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過不超過106 kW r /min，超過這一數(shù)值時，其設(shè)，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。計與制造就非常困難了。 交流電機沒有換向器，不受這種限制，

8、因此，交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設(shè)備，如厚板軋機、礦井特大容量的電力拖動設(shè)備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動，如高速磨頭、卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。4.2 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流電機：交流電機：異步電機異步電機（即感應(yīng)電機）（即感應(yīng)電機）同步電機同步電機步機轉(zhuǎn)速公式步機轉(zhuǎn)速公式基本調(diào)速方法基本調(diào)速方法 ) s1 (nn/ ) s1 (f60n0p1變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變極對數(shù)調(diào)速變極對數(shù)調(diào)速-對于鼠籠轉(zhuǎn)子對于鼠籠轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速變頻調(diào)速串電阻調(diào)

9、速串電阻調(diào)速調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速串級調(diào)速串級調(diào)速電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速交交交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速交交直直交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速按電動機的調(diào)速方法分類按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：常見的交流調(diào)速方法有：降電壓調(diào)速；降電壓調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速；變壓變頻調(diào)速等等。變壓變頻調(diào)速等等。按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類 按照交流異步電機的原理，按照交流異步電機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：

10、一部分是拖可分成兩部分：一部分是拖動負載的有效功率，稱作動負載的有效功率，稱作機機械功率械功率；另一部分是傳輸給；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)差率差率 s 成正比。成正比。 從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào)速還是得到回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這。從這點出發(fā)，可以把異步電機的點出發(fā)，可以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類調(diào)速系統(tǒng)分成三類 。 PmechPmPsPm =Pmech + Ps Pmech = (1 s) PmPs = sPm1. 轉(zhuǎn)差功率消

11、耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第轉(zhuǎn)子回路中，上述的第降壓降壓、轉(zhuǎn)差離合器轉(zhuǎn)差離合器、轉(zhuǎn)子串電阻轉(zhuǎn)子串電阻三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負載時）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最載時）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定

12、的應(yīng)用價值。低，所以還有一定的應(yīng)用價值。 2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第上述第串級調(diào)速串級調(diào)速方法屬于這一類。無方法屬于這一類。無論是饋饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除論是饋饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。但要增加一些設(shè)

13、備。3. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第因此效率更高，上述的第變極變極、變變頻頻兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。只有數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機容量相但在定子電路中須配備與電動機容量

14、相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。最高。 同步電機的調(diào)速同步電機的調(diào)速 同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于（恒等于 0 ）的，而同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又）的，而同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。 在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為率控制的方式來看，可分

15、為他控變頻調(diào)速他控變頻調(diào)速和和自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速兩類。兩類。 自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作無換向器電機調(diào)速無換向器電機調(diào)速，或，或無刷直流電機調(diào)速無刷直流電機調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機開關(guān)磁阻電機是一種特殊型式的同步電是一種特殊型式的同步電機，有其獨特的比較簡單的調(diào)速方法，在小機，有其獨特的比較簡單的調(diào)速方法，在小容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。1 降壓調(diào)速降壓

16、調(diào)速 低速運行有過電流和低速運行有過電流和功率因數(shù)低的問題；功率因數(shù)低的問題； 調(diào)速范圍窄；調(diào)速范圍窄； 運行效率低，過電流問運行效率低，過電流問題，工作點容易波動。題，工作點容易波動。既不是恒轉(zhuǎn)距調(diào)速方式，既不是恒轉(zhuǎn)距調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方式。也不是恒功率調(diào)速方式。交流異步電動機調(diào)速方法及特點交流異步電動機調(diào)速方法及特點電壓越低機械電壓越低機械特性越軟特性越軟 T U2適用于風(fēng)適用于風(fēng)機水泵調(diào)速機水泵調(diào)速具有速度負反饋的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)具有速度負反饋的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)速度閉環(huán)系統(tǒng)速度閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)機械特性閉環(huán)系統(tǒng)機械特性2 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

17、 調(diào)速范圍一般（調(diào)速范圍一般（23）：）：1 降低了電機的效率降低了電機的效率 有級調(diào)速有級調(diào)速常常數(shù)數(shù)得得到到所所以以，不不變變，則則有有保保持持 TsrsRrxsrEIxsRrEIIsrITNNN,32222222222222221222NII22 正向串聯(lián)正向串聯(lián)反向串聯(lián)反向串聯(lián)反向并聯(lián)反向并聯(lián) 若把定子每相繞組中一半線圈的電若把定子每相繞組中一半線圈的電流改變方向，即流改變方向，即半相繞組反向半相繞組反向，則電動機，則電動機的極數(shù)便成倍變化。的極數(shù)便成倍變化。3 鼠籠式三相異步電動機變極調(diào)速鼠籠式三相異步電動機變極調(diào)速) s1 (nn/ ) s1 (f60n0p1變極調(diào)速中需要注意的問

18、題：變極調(diào)速中需要注意的問題：n在改變極數(shù)的同時，在改變極數(shù)的同時，不能改變旋轉(zhuǎn)磁場的不能改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向需要適當(dāng)?shù)匦枰m當(dāng)?shù)馗淖兝@組的相序改變繞組的相序n原則：原則：在空間電角度在空間電角度360之內(nèi)，繞組軸線之內(nèi)，繞組軸線順序相同。順序相同。A 0 120 B 240 C機械機械60角度角度空間空間120角度角度空間空間240角度角度 tFf cos2311Y-YY變極調(diào)速機械特性變極調(diào)速機械特性TnSYT1nmYT12nSYYTmYYTmYYsmYsLTBA分析其調(diào)速方式：分析其調(diào)速方式：每半相繞組中都流過額定每半相繞組中都流過額定電流電流 。假設(shè)：假設(shè)：電動機的功率因數(shù)電動機的功

19、率因數(shù) 及效率及效率 均保持不變。均保持不變。NI11cos 11195509550cos3nPnPTIUPYYYYYNNY 接接法法： YYYYYYYNNYYTnPnPTPIUPYY 11119550295502cos23 接接法法：基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式Tn ST1n mT12nSYYTmYYTmYYs msLTBA-YY-YY變極調(diào)速變極調(diào)速既非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，既非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方也不是恒功率調(diào)速方式，比較接近恒功率式，比較接近恒功率調(diào)速方式調(diào)速方式。適用于鼠籠電機，有級調(diào)速。設(shè)適用于鼠籠電機，有級調(diào)速。設(shè)備簡單，操作方便，機械特性較備簡單，操

20、作方便，機械特性較硬，效率高，既適用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，硬，效率高，既適用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又適用于恒功率調(diào)速。又適用于恒功率調(diào)速。4 變頻調(diào)速變頻調(diào)速n三相異步電動機可以通過三相異步電動機可以通過改變電源頻率改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同改變電源頻率改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同步轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的步轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的。n額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時，可以從基頻向上調(diào)，也可額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)。以從基頻向下調(diào)。mWkWfEU 1111144. 4原則：降低電源頻率時，必須同時原則：降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。降低電源電壓。保持保持常常數(shù)數(shù) 11fE保持保持常常數(shù)數(shù) 11fU從基頻向下調(diào)從基頻向下調(diào)變頻調(diào)速機械特性變頻調(diào)速機械特性變頻調(diào)速近似為變頻調(diào)速近似為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式常常數(shù)數(shù) 11fE常常數(shù)數(shù) 11fU變頻調(diào)速的特點：變頻調(diào)速的特點：n從基頻向下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；從基頻向上從基頻向下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；從基頻向上調(diào)速，近似為恒功率調(diào)速方式；調(diào)速，近似為恒功率調(diào)速方式；n調(diào)速范圍大；調(diào)速范圍大；n轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性