第三四章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

直流、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

山東理工大學(xué)

制作人：董愛梅第三章直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在機(jī)電控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件還是獲得了廣泛的應(yīng)用。直流伺服電動(dòng)機(jī)按激磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場(chǎng)由激磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場(chǎng)由永磁體(永久磁鐵)產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種目前巳普遍使用的伺服電動(dòng)機(jī)，特別是在大功率范圍內(nèi)(100w以上)。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)由于尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需激磁等一系列優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越重視。一、特點(diǎn)1、穩(wěn)定性好2、可控性好3、響應(yīng)迅速4、控制功率低，損耗小5、轉(zhuǎn)矩大直流電機(jī)控制二、驅(qū)動(dòng)與控制一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞，不僅取決于電機(jī)本身的特性，而且還取決于驅(qū)動(dòng)電路的性能以及兩者之間的相互配合。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回授等。目前常用晶體管驅(qū)動(dòng)和可控硅直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)，廣泛采用的直流伺服電機(jī)的晶體管驅(qū)動(dòng)電路有線性直流伺服放大器和脈寬調(diào)制放大器(PwM)。一般，寬頻帶低功率系統(tǒng)選用線性放大器(小于幾百瓦)，而脈寬調(diào)制放大器常用在較大的系統(tǒng)中，尤其是那些要求在低速和大轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合。一、可控硅直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)第三章直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)速系統(tǒng)電壓負(fù)反饋和電流正反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)速系統(tǒng)第四章交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速變頻調(diào)速

間接變換方式（交－直－交變頻）變頻方式直接變換方式（交－交變頻）交－直－交變頻是把交流電通過(guò)整流器變?yōu)橹绷麟?，再用逆變器將直流電變?yōu)轭l率可變的交流電供給異步電動(dòng)機(jī)。目前常用的通用變頻器即屬于交－直－交變頻，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖4－12。由圖可知，變頻器主要由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成。變頻器還有豐富的軟件，各種功能主要靠軟件來(lái)完成。交流電源交流電源電壓頻率可變中間直流環(huán)節(jié)逆變器整流器控制電路變頻器的分類方式很多，除了按電源變換方式分類外，還可以按逆變器開關(guān)方式來(lái)分類，即PAM方式和PWM方式。PAM控制是PulseAmplitudeModulation（脈沖振幅調(diào)制）控制的簡(jiǎn)稱；PWM控制是PulseWidthModulation（脈沖寬度調(diào)制）控制的簡(jiǎn)稱，是在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓（電流）的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。在這種控制方式中，以較高頻率對(duì)逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)元器件進(jìn)行開閉，并通過(guò)改變輸出脈沖的寬度來(lái)達(dá)到控制電壓（電流）的目的。目前在變頻器中多采用正弦波PWM控制方式，即通過(guò)改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦波，這種方式也被稱為SPWM控制。變頻器還可以按控制方式分為V/F（電壓/頻率）控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制三種。其中，V/F控制屬于開環(huán)控制，而轉(zhuǎn)差控制和矢量控制屬于閉環(huán)控制，二者的主要區(qū)別在于V/F控制方式中沒(méi)有進(jìn)行速度反饋，而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制。變頻器種類通用變頻器：節(jié)能，節(jié)電20%，用于壓縮機(jī)、泵、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)等；提高控制性能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，用于運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)等。紡織專用變頻器：改善傳動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。紡織、化纖機(jī)械。矢量控制變頻器：提高傳動(dòng)精度及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。冶金、印刷、造紙。要求高精度的轉(zhuǎn)矩控制，加速度大，能與上位機(jī)進(jìn)行通訊。機(jī)床專用變頻器：用于機(jī)床主軸傳動(dòng)控制，以滿足工藝上要求得大加減速轉(zhuǎn)矩，寬廣的恒功率控制及高精度的定位控制，提高機(jī)床自動(dòng)化。電梯專用矢量變換控制變頻器：實(shí)現(xiàn)緩慢平穩(wěn)的升降速。高頻變頻器：用于超精密加工、高速電動(dòng)機(jī)。如專用脈沖調(diào)幅型變頻器，頻率達(dá)3kHZ，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速

18×104r/min。

變頻器選擇分析控制對(duì)象的負(fù)載特性選擇電動(dòng)機(jī)的容量根據(jù)用途選擇合適的變頻器類型確定變頻器容量

（1）選擇變頻器具體型號(hào)是以電動(dòng)機(jī)額定電流值為依據(jù)，以電動(dòng)機(jī)的額定功率為參考值。變頻器最大輸出電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流值。（2）變頻器與電動(dòng)機(jī)的距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)，為防止電纜對(duì)地耦合與變頻器輸出電流中諧波疊加而造成的電動(dòng)機(jī)端子處電壓升高的影響，應(yīng)在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。（3）變頻器選擇時(shí)，要考慮電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率在什么功率范圍內(nèi)。在低速范圍內(nèi)，應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的溫升情況，是否需加裝風(fēng)扇給電動(dòng)機(jī)散熱。（4）變頻器選擇時(shí)，一定要注意其防護(hù)等級(jí)應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)情況相匹配，防止現(xiàn)場(chǎng)的粉末或水分影響變頻器的長(zhǎng)久運(yùn)行。

變頻器的安裝、運(yùn)行及維護(hù)

（1）變頻器安裝及連接

變頻器的安裝應(yīng)按照變頻器說(shuō)明書的要求進(jìn)行安裝。固定變頻器的本體后，在接線時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照隨機(jī)說(shuō)明書的各項(xiàng)說(shuō)明進(jìn)行接線，千萬(wàn)不要接錯(cuò)線。

（2）變頻器的運(yùn)行及維護(hù)

1）

按照隨機(jī)說(shuō)明書核對(duì)主線路和控制線路是否正確，確認(rèn)無(wú)誤后，給變頻器上電。

2）

在變頻器上電后，對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向、運(yùn)行頻率、電流、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)是否達(dá)到工藝的要求。

3）

為使變頻器能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，應(yīng)進(jìn)行日常檢查和定期檢查。在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)檢查變頻器的運(yùn)行電流、電壓是否平衡，是否有突變聲音。在停機(jī)時(shí)，可以采用目視和嗅覺(jué)檢查，對(duì)變頻器的顯示、控制、冷卻部分以及主電路進(jìn)行檢查。

變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

ABB變頻器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用恒壓供水是指不論用戶端水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定。這樣，既可以滿足各部位用戶的用水的需要，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。因此，由變頻器得到給定壓力信號(hào)和實(shí)際反饋信號(hào)，利用變頻器內(nèi)部固有的功能進(jìn)行比較計(jì)算，通過(guò)頻率輸出的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)中水壓力恒定。變頻器恒壓供水系統(tǒng)如圖4-13所示。本系統(tǒng)僅舉出一個(gè)簡(jiǎn)單例子，即一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)水泵運(yùn)行。主要構(gòu)成為ABBACS600系列變頻器一臺(tái)，由于ABB公司ACS600系列變頻器均帶有PID調(diào)節(jié)器，所以可以根據(jù)給定壓力（設(shè)定壓力）和壓力傳感器返回的實(shí)際壓力信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)（比例積分微分調(diào)節(jié)），變頻器根據(jù)用戶水量大小而引起的水壓變化，相應(yīng)地調(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制水壓的恒定，另外變頻器可以輸出相應(yīng)的電流信號(hào)給顯示控制器，可直接顯示出變頻器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)具有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載等全部故障保護(hù)功能。恒壓供水系統(tǒng)的控制原理圖如圖4-14所示。變頻器的功能參數(shù)設(shè)定主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和廠家提供的用戶手冊(cè)進(jìn)行設(shè)定，主要有：?jiǎn)?dòng)/停止參數(shù)、信號(hào)選擇參數(shù)、PID控制參數(shù)與加/減速時(shí)間等幾組參數(shù)，其余均可遵照變頻器出廠值。在本系統(tǒng)主電路中，變頻器的前端加入空氣斷路器與快速熔斷器進(jìn)行前端過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)，以避免變頻器整流部分的損壞。后端直接與水泵電動(dòng)機(jī)相連。

在本系統(tǒng)控制電路中，變頻器接受的壓力給定信號(hào)與壓力反饋信號(hào)均為電流信號(hào)（4-20mA），變頻器接受的啟/停信號(hào)為無(wú)源開關(guān)量信號(hào)，其運(yùn)行指示信號(hào)輸出也為無(wú)源開關(guān)量信號(hào)。需要指出的是，在系統(tǒng)中如果水泵為離心式水泵，那么變頻器在選擇時(shí)可按照平方轉(zhuǎn)矩選擇；如果水泵為潛水泵，那么變頻器在選擇時(shí)應(yīng)按照恒轉(zhuǎn)矩選擇。這是因?yàn)闈撍秒妱?dòng)機(jī)的額定電流比通常電動(dòng)機(jī)的額定電流要大，所以選擇變頻器時(shí)，變頻器的連續(xù)輸出