第四節(jié)交流伺服電機

1、第四節(jié) 交流伺服電機交流電機其轉子回路內的電流不必從外部通入，因此采用全封閉無刷結構，結構簡單，不僅運行可靠，無需定期檢修，而且能適應惡劣生產環(huán)境。但是交流電機的調速控制性能不如直流電機，實現交流電機無級調速的技術和手段比直流電機要復雜得多，因此，解決交流電機調速問題一直是電工業(yè)界的重要課題。直到70年代以后，全控式大功率器件、大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展應用，才成功開發(fā)出交流電機調速裝置變頻調速器，使得交流電機具備了可與直流電機相媲美的寬調速范圍、高穩(wěn)速精度和快速動態(tài)響應等良好技術性能。隨著變頻調速技術的發(fā)展，變頻調速器價格的下降，交流伺服傳動取代直流伺服傳動已是必然的發(fā)展趨勢。交流

2、電機種類熱愛多，目前在機電一體化伺服系統(tǒng)中選作伺服電機的主要有籠型異步電機和永磁同步電機，兩者都可采用變頻調速。永磁同步電機又稱無刷直流伺服電機，主要用于10kW以下的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，而異步電機應用極為廣泛，本節(jié)重點介紹異步電機變頻調速驅動控制。)1 (60spfn00nnns一、交流異步電機變頻調速的基本方法與特性（一）交流異步電機變頻調速的基本方法交流異步電機的轉速公式為： （641） (642)式中 n電機轉速；n0電機同步轉速，即定子旋轉磁場轉速；s轉差率；f交流電源頻率：p磁極對數。根據式(641)可得到不同的交流異步電機調速的方法： （1）轉子繞組串聯電阻改變轉差率s。但這種方法調速

3、機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大，主要用于起重機等電機斷續(xù)運行的設備。 （2）改變定子電壓來改變轉差率。這種方法損耗也很大，主要用于簡單家用電器。 （3）改變極對數來改變轉速。雙速電機就是據此設計制造的，這種方法調速是有級的，而且調速范圍窄。 （4）改變定子供電頻率，可以平滑地改變電機的同步轉速，這種方法最為理想，稱為交流變頻調速。 三相交流異步電動機發(fā)明于19世紀80年代，從發(fā)明異步電動機的那一天起，就已經知道了改變頻率可以調速的原理。然而，變頻調速技術進入實用階段卻是在20世紀80年代，中間竟相隔了將近100年！那么，實現變頻調速究竟需要解決哪些關鍵問題呢? 1.變頻必須同時變壓 對異

4、步電動機進行變頻調速控制時，最好（必須）要求主磁通不變。任何電動機的電磁轉矩都是磁通和電流互相作用的結果，電動機的電流大小要受到溫升的制約，是不允許超過其額定值的，如果磁通減小了，電磁轉矩同樣會減小，電機的負載能力就會下降。磁通是由勵磁電流產生的，若磁通太強，會使電動機的磁路飽和，導致勵磁電流過大和發(fā)生畸變，嚴重時會因過熱而損壞電機。11144. 4NfKEEm根據電機理論，在三相交流異步電動機中，主磁通m的大小與每相定子繞組的電動勢有效值E1及頻率f1有如下關系：式中式中 KE比例常數；比例常數；N1定子相繞組有效匝數。定子相繞組有效匝數。主磁通m的值是由E1和f1共同決定的，若能保持E1/

5、f1恒定，就可以使主磁通保持額定值不變。由于電動勢E1難于直接檢測和直接控制，又因為E1和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計，則可近似地認為電動勢主要與相電源電壓U1相平衡，即U1E1，因此，保持主磁通m不變的替代方法是保持U1/f1恒定。所以變頻的同時必須變壓，這也就是變頻器常被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）的原因。2.大功率可控開關器件是實現變頻調速的必要條件 目前應用最廣的是三相“交直交”變頻器，“交直交”變頻器的基本工作過程是先將電源的三相（或單相）交流電經整流橋整流成直流電，又經逆變器把直流電“逆變”成頻率任

6、意可調的三相交流電。在這里，逆變器是變頻器的關鍵部分，它由開關器件構成。逆變過程是開關器件按一定規(guī)律不停地導通和截止（關斷）的過程。這些開關器件必須滿足以下要求： （1）能承受足夠大的電壓和電流； （2）允許長時間頻繁地接通和關斷； （3）接通和關斷的控制必須十分方便。 因此，能否生產出滿足上述要求的大功率開關器件便是實現變頻調速的關鍵。第三節(jié)已經說明大功率可控開關器件（GTS）是在20世紀70年代才問世的，因此，20世紀80年代變頻調速技術才進入實用階段，但當變頻調速技術取得突破、進入實用階段以后，其發(fā)展便極其迅猛。在短短20年的時間里，已被國內外公認為是最理想、最有發(fā)展前途的一種調速方式了

7、。 （二）交流異步電機的變頻調速的機械特性 為了保持在調速時電機的最大轉矩不變，需要維持磁通m恒定. 1.基頻以下的恒磁通變頻調速 這是考慮從基頻（我國為50Hz）向下調速的情況。上面所述，近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數，也即要求U1和頻率f1同向變化，就可保持磁通m不變。從基頻向下調速的情況，要求降低供電頻率的同時也要求降低相電壓，這時相電壓U1顯然低于電機額定電壓，能夠保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數，此時電機不僅能正常運轉，而且是恒磁通變頻調速，所以此時的調速控制具有恒轉矩調速特性。當頻率很低時，U1和頻率f1都變得很小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能忽

8、略。在這種情況下，可以適當提高定子電壓以補償定子電阻壓降的影響，使磁通m基本保持不變。 2.基頻以上的弱磁通變頻調速 這是考慮由基頻開始向上調速的情況。頻率f1由額定值向上增大，但電壓U1受額定電壓的限制不能再升高，只能保持U1為額定值不變。這必然會使磁通m隨著f1的上升而減小，所以此時的調速控制具有近似的恒功率調速特性。 （三）交流異步電機變頻調速的特點 交流異步電動機采用變頻調速，充分發(fā)揮了異步電動機的優(yōu)點，具有下列顯著特點： （1）籠型異步電動機結構簡單、堅固耐用，維護工作量小，環(huán)境適應性強，可以做到高電壓、大容量、高轉速，從根本上克服了直流電機有刷結構的的缺陷。 （2）運行效率高，節(jié)能

9、效果顯著。由于異步電動機在調速過程中總是運行在很小的轉差率情況下，所以轉差率小(損耗小)，效率較高。同時，由電機學可知，轉差率很小時，轉子的等效電阻很大，此時轉子回路基本上是電阻性的，因而功率因數cos亦高。對于風機和泵類負載，采用交流變頻調速后，節(jié)電率可達（2060）%。 (3）調速范圍寬。頻率可以在低于和高于工頻電源頻率的范圍內調節(jié)，低頻率從幾赫茲開始，高頻則可達幾百赫茲，因而具有寬的調速范圍。 （4）可以大大減小生產設備的體積和重量，減少金屬耗用。另外，也可大大減少許多生產設備的機械傳動環(huán)節(jié)，提高了加工精度和工作效率。 （5）由于采用微計算機控制，變頻調速伺服系統(tǒng)在開環(huán)運行時已有相當的精

10、度，若采用速度閉環(huán)控制，則可得到很高的調速精度。異步電動機伺服系統(tǒng)已有系列產品，在各項性能上已達到或超過了直流伺服系統(tǒng)的水平。 二、變頻調速器 要實現交流異步電機的變頻調速，就必須給電機提供頻率和電壓連續(xù)可調的交流電源，變頻調速器就是能實現將頻率和電壓固定的交流電變成頻率和電壓連續(xù)可調的交流電源的裝置。目前使用的變頻器，按變換環(huán)節(jié)不同，可分為交直交變頻器和交交變頻器。后者只適用于低速(最高頻率為電源頻率的1/31/2)、大容量的場合。由于變頻器的負載通常為異步電機，其功率因素是滯后的，同時因直流環(huán)節(jié)不便向負載提供無功功率，必須在期間設置儲能元件，以吞吐系統(tǒng)的無功能量，根據無功能量的處理方式，變

11、頻器可分為電流型（儲能元件為電感）和電壓型（儲能元件為電容）。下面對此重點介紹。采用正弦波脈寬調制（SPWM）方式的交直交電壓型變頻器在變頻調速系統(tǒng)中使用最廣泛，俗稱通用變頻器。 （一）正弦波脈寬調制（SPWM）交直交變頻器變頻器的基本構成如圖641所示，其工作過程是：先將交流電源經整流橋變成直流電，再經逆變器變成頻率和電壓可調的交流電輸出。 保持逆變器的直流電壓和三角載波的的幅值不變，通過改變被調制信號UR的幅值和頻率（三角載波頻率也作相應調整）來實現對變頻器輸出的大小和頻率的控制。 這種調制方式稱為正弦波脈寬調制，簡稱SPWM（Sine PWM）。 以上分析的是單相半波的情況，對于三相逆變

12、器，內部還需要有脈沖的循環(huán)分配環(huán)節(jié)，使之造成6路在相位上互差60的調寬系列脈沖去相應控制逆變器中的6個開關器件，從而得到三相調頻交流電源。SPWM的電流波形 (1)電流的諧波分量將產生附加轉矩，使電動機軸上的有效輸出轉矩減小。 (2)諧波電流中的載波頻率分量將引起電動機鐵心的振動而產生電磁噪聲。 (3)載波頻率分量的諧波電流，具有較強的輻射能力，會影響其他電子設備的正常使用。 為了克服上述SPWM變頻調速帶來的不良效應，目前采取的對策有： （1）提高載波頻率，可使負載電流的波形和正弦波逼近，從而減小了電流的高次諧波分量，如圖6-7（b）所示。而載波頻率的大小是受逆變器件的工作頻率(決定于其開通

13、與關斷時間)制約的?，F在大多已采用IGBT作逆變器件，載波頻率可達15kHz，電流波形已相當平滑，高次諧波分量很小，故電動機的有效輸出轉矩大，基本無噪聲。 （2）必需時可在變頻器與普通異步電動機之間串入高頻濾波電感。 （3）選用為變頻器專配的低噪聲異步電動機（價格較昂貴）。（二）SPWM的控制模式 對于驅動三相交流異步電機的變頻器而言，SPWM調制波是根據三角波與正弦波的交點來確定6路在相位上互差60的調寬系列脈沖去相應控制逆變器中的6個開關器件的通斷工作時刻。對于這樣的調寬系列脈沖控制脈沖，最初采用分立元件電路，由振蕩器分別產生正弦波和三角波信號，通過比較器直接比較。這種電路控制精度難以保證，可靠性差。后來采用專用芯片組成上述電路。目前普遍采用微機控制來生成SPWM波，比專用芯片靈活，還具有很強的自診斷能力，但成本也相應較高。在要求更高的場合，如高級電梯的VVVF裝置里還采用雙CPU控制。 用微機控制生成SPWM波時，必須根據控制要求實時地計算出調制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點的時間坐標，根據計算結果