電機的調速機理

1、電機專題n第一講：n電機調速機理及控制方法n趙繼敏 一、引言n1、電機的種類：、電機的種類：n按運行方式：電動機和發(fā)電機按運行方式：電動機和發(fā)電機 n按特點：直流電動機、交直流電動機（串按特點：直流電動機、交直流電動機（串激電動機）、單相電動機、三相異步電動激電動機）、單相電動機、三相異步電動機、三相同步電動機、直流無刷電動機、機、三相同步電動機、直流無刷電動機、步進電動機、伺服電動機（交流、直流、步進電動機、伺服電動機（交流、直流、永磁伺服電動機）、直線電動機。永磁伺服電動機）、直線電動機。n2、電機的功能：、電機的功能：n將電能轉換為機械能，完成位移、將電能轉換為機械能，完成位移、旋轉、上

2、升、下降等功能。旋轉、上升、下降等功能。n3、對電機的控制：調速、位置、對電機的控制：調速、位置（快速起停）。（快速起停）。 4、疑問疑問n電動機運行為什么能以某一速度穩(wěn)電動機運行為什么能以某一速度穩(wěn)定運行？定運行？n 如何改變電動機速度？是調頻？如何改變電動機速度？是調頻？還是調壓？還是兩者都變？還是調壓？還是兩者都變？n 當電動機負載變化時，電動機的當電動機負載變化時，電動機的速度如何變化？負載為空載時，是速度如何變化？負載為空載時，是否會出現否會出現“飛車飛車”？ n因磁通量變化產生感應電動勢的現象（閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁力線的運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應

3、。） 二、電機的基本原理電機的基本原理1、電磁感應電磁感應（1）右手定則）右手定則:n磁場中運動的導體因切割磁力線會感生出電動勢, 電動勢的方向按右手定則確定.感應電動勢的計算公式nE=B*L*V*SIN()nE=Ce*n* nE=4.44*f*W*nEn/t（普適公式）法拉第電磁感應定律，E：感應電動勢(V)，n：感應線圈匝數，/t:磁通量的變化率 （2）左手定則）左手定則：位于磁場中的載流導體，要受到力的作用，力的方向按左手定則確定。 力和轉矩的計算公式nF=B*I*L*SIN()nL*SIN()-理解為有效長度n線圈: 有兩條邊, 產生轉矩.n T=2*r*F*SIN()n對夾角的理解：

4、線圈平面和磁力線的夾角n對端部收力的理解：端部產生力，只不過相互抵消，所以端部越短越好。 2、電機內部磁場的產生和磁路、電機內部磁場的產生和磁路n（1）永磁材料： n鐵氧體、稀土，相當于磁源。n（2）激磁電流n直流產生恒定磁場；n交流產生交變磁場（旋轉磁場）；n（3）硅鋼片（鐵磁材料）n作為磁路，磁壓降小，損耗?。籲磁路有飽和現象：磁密高到一定程度，磁壓降大大增加，不是線性關系。三、電機系統的三大平衡三、電機系統的三大平衡1、轉矩平衡、轉矩平衡(機械平衡機械平衡)n電磁轉矩=輸出轉矩+阻力轉矩n不等 加速或減速 n轉矩平衡是保持穩(wěn)定運行（或者說轉速不變）的必要條件。n系統穩(wěn)定運行時，轉矩肯定平

5、衡；n要改變速度，必須打破原有的轉矩平衡。2、電勢平衡、電勢平衡(電平衡電平衡)nU=E+I*RnE=Ce*n*nE=4.44*f*W*n不平衡, 電流增加或減小n電流和磁場作用產生轉矩，系統穩(wěn)定運行時，轉矩必須平衡，電流也一定保持不變（這不變是指有效值或平均值，不是瞬時值）。n要改變速度，必須打破原有的轉矩平衡，改變電流。要改變電流，可以通過改變電壓，或改變電動勢，或頻率，或磁通。 3、磁路平衡、磁路平衡(磁平衡磁平衡)nI*W(磁動勢)= H*L（磁壓降）=*R(磁阻)n在電機的控制過程中，應盡量保持磁通不變。n特殊情況：如弱磁控制四、電機的運行方式四、電機的運行方式n電機的運行主要有兩種

6、方式，一種是直流電動機，磁場是靜止的，有電流的導體在磁場中受力，產生穩(wěn)定的轉矩，使其旋轉；另一種是交流電動機，定子和轉子都是磁極，定子磁場旋轉，吸引轉子跟著旋轉。五、電機的種類及其運行原理五、電機的種類及其運行原理 n1、直流電機類、直流電機類 n導體在磁場中受力, 定子是永磁體(或電勵磁), 磁場靜止.n為了保證進入每個磁極下的導體的電流方向不變，需要換向器. n調速: 改變輸入電壓;n加速：（負載不變），增加電壓，速度變化滯后于電壓變化，反電勢不變，電流增加，電磁轉矩增加，轉矩平衡被打破，速度增加，（增加多少？穩(wěn)定運行時轉矩一定平衡），反電勢增加，電流下降，電磁轉矩減小，比原來接近于轉矩平

7、衡，直到轉矩重新平衡。若磁場不變，電壓調節(jié)，轉速變化，電流不變。應用場合：n直流電源場合：（蓄電池）汽車，火車；n大型直流調速：軋鋼機等；n由于存在換向器，有兩個缺陷無法避免，碳刷磨損，火花，所以，有逐步被交流電動機所取代的趨勢。2、異步電動機（交流電動機）異步電動機（交流電動機）n三相繞組通三相交流電會產生旋轉磁場，定子磁場旋轉, 轉子跟著旋轉。旋轉磁場： n三相電流為對稱的三相交流電，每一時刻，三相電流的瞬時值不同，磁場的位置和大小與電流成比例，三相有一合成的磁場，在空間正弦發(fā)布，當電流按正弦規(guī)律變化時，其合成磁場也是如此。 n記磁場最大位置為磁場位置，則其最大值位置會隨電流變化而改變，其

8、改變的規(guī)律是旋轉的，旋轉的絕對速度與電流頻率（電壓的頻率）電機的極對數有關。n工業(yè)上都用三相電源，三相電源非常適合電動機，旋轉磁場，（單相電源要加電容轉變?yōu)槎?，才能產生近似圓形的旋轉磁場），三相電動機比單相電動機效率高。運行原理：n定子存在三相繞組，通三相交流電，產生旋轉磁場，旋轉磁場在轉子上感應電動勢，感應電動勢在閉合的轉子回路上產生電流，這電流建立轉子磁場，與定子磁場相互作用，產生力矩，使轉子跟著定子磁場一起旋轉。n異步電動機:n1n2, 存在轉差;n調速：調節(jié)電源頻率（變頻器）；n速度增加：增加頻率，增加電壓，轉差增大，電流增加，轉矩增加，速度增加，轉差減小，電流減小，轉矩減小，恢復原

9、有的平衡。 應用：n最廣泛，有三相電源，不需調速的所有場合；直接接三相交流電就可以運行，不需如何控制器；n隨著變頻器技術的發(fā)展，異步電動機調速變的容易，性能提高，可以和直流電動機相比，有逐步取代直流電動機的趨勢；3、同步電動機、同步電動機n定子為三相對稱繞組，轉子為與定子極數相同的磁極；n（1）永磁同步電動機 轉子磁極為永磁體； 定子與異步電動機一樣；n（2）一般同步電動機 轉子為同心式激磁繞組，產生轉子磁場；起動問題n由于轉子存在慣性，同步電動機不能直接接交流電源，不能直接啟動。（原因：直接接50hz電源，磁場以同步速旋轉，p=1，n=3000轉/分，每圈時間為20mS, 轉子有慣性，跟不上

10、）。n同步電動機的啟動： 變頻器或異步起動；n調速： 調電源頻率，調節(jié)電源電壓。n不管是同步電動機還是異步電動機，兩者的磁場是同步的。n（異步電動機轉子的磁場相對于轉子有旋轉。） 磁場同步同步電機的應用：n特點：功率因數高，效率高； n（1）發(fā)電機；n（2）大型電動機（電廠）;n (3) 永磁同步電動機：替代異步電動機的某些應用；（電梯） 4、直流無刷電動機、直流無刷電動機 n電機結構與同步電動機一樣. n轉子有位置傳感器-霍爾元件（方波）；運行原理：n根據轉子的位置（轉子磁極），決定定子繞組的通電，使定子繞組產生的磁場吸引轉子旋轉。隨著轉子旋轉，位置的變化，定子繞組的通電方式接著變化。定子繞

11、組的變化頻率由轉子速度決定；所以，盡管直流無刷和永磁同步的電機結構完全一樣，但控制方式不同，直流無刷，沒有不能起動、失步等問題； 調速原理n必需有控制器；n調節(jié)定子電壓（增加）, 電流增大，轉矩增加，轉速變高, 霍爾變化變快，定子頻率自動增加，電流自動減小，轉矩減小，恢復平衡。 5、異步電動機調速原理與三大平衡、異步電動機調速原理與三大平衡nMS曲線：一般的異步電動機不能用調壓調速。n（特殊：力矩電動機，風扇類負載）n恒轉矩調節(jié)與恒功率調節(jié)：當電機的運行頻率大于額定頻率時，電機處于恒功率。 六、電力電子基礎六、電力電子基礎 整個電機調速系統，有四部分組成，電源（開關電源），CPU（單片機或DS

12、P）, 驅動+功率器件以及控制對象。對控制對象的控制，最終就是控制加在控制對象上的電壓和頻率，從而實現電流、轉矩、速度和位置的控制。對電壓和頻率改變的實現，有功率器件組成的功率電路來完成。1、三相逆變電路 （1）三相整流電路；（2）三相逆變電路；（3）制動電路；（4）充電電路2、SPWM的概念n用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波弦半波正弦半波N等分等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等；寬度按正弦規(guī)律變化 tOua)b)圖6-3Out產生PWM波的方法 n三角波和正弦波比較的

13、方法單極性 n雙極性n數學上可以證明，其寬度按正弦規(guī)律變化。n正弦波：調制波，決定輸出電壓的頻率和幅值；n三角波：載波，決定功率管的開關頻率，一般功率管的開關頻率在10K左右，（原因1，功率管的特性，2，開關損耗，3，人對聲音的敏感度;）數字方法n定時器中斷：兩個值，周期值，脈沖寬度值；每次中斷，加載下一個脈沖寬度值；n一般的電動機專用控制CPU，至少有6路PWM輸出；n死區(qū)時間：功率管的開關需要時間，（一般關斷更長），同一橋臂上的功率管，同時開關，會導致直通，上下功率管同時關斷的時間為死區(qū)；一般2-4微秒，可以設置；七、電動機的七、電動機的DSP控制控制n1、電機控制對、電機控制對DSP的一

14、般要求的一般要求n1）根據算法計算的復雜程度和每次刷新的時間要求，對速度即主頻的要求。n2）控制逆變器一般要求有6路（或12路）PWM輸出口；n3）定時器中斷功能，較多的I/O用于輸入輸出控制；n4）多路10位及以上A/D，用于檢測三相電流、電壓、溫度等。n5）通訊口，用于與上位機通訊，多臺組網運行等；n6）編碼器輸入口，閉環(huán)控制；n7）外部中斷；2、DSP的作用的作用n根據輸入口的狀態(tài)檢測結果，及事先編好的邏輯，送出對應的I/O狀態(tài)和PWM口的狀態(tài)。3、直流電動機調速、直流電動機調速n (1) 調速的方法n（2） PWM方式的主電路n（3）閉環(huán)調節(jié)4、異步電動機（感應電動機、異步電動機（感應電動機）n（1）V/F 控制（VVVF