电气控制基础知识

电气控制基础知识

第一部分：负载--电机--驱动器

一、负载的种类

负载是我们最终的控制对象，所以我们要了解负载的种类和特性，从而使我们有效的对其控制。

理想负载的种类：

1、恒转矩负载：负载的阻转矩是一个定值，与转速的高低无关。主要特点：在初始速度时就有阻力，即启动需要启动转矩。典型实例：带式输送机、潜水泵、空气压缩机、自动旋转门等。

2、恒功率负载：在不同的转速下，负载的功率基本恒定。由公式：TL＝9550PL/nL可知：负载阻转矩TL和转速nL成反比。典型实例：各种薄膜的卷取机，车床，钻床、磨床。

3、二次方律负载：转矩特点：负载的转矩与转速的二次方成正比。功率特点：负载的功率与转速的三次方成正比。典型实例：离心式风机和水泵。需要说明的是，此类负载，如果将变频器输出频率提高到工频以上时，功率会急剧增加，有时甚至超过电动机所配变频器的容量，导致电动机过热或不能运转。故对这类负载转矩，不要轻易将频率提高到工频以上。

4、其它类型的负载：（1）直线律负载：转矩特点：负载的阻转矩与转速成正比。功率特点：功率与转矩的二次方成正比。典型实例：轧钢机，辗压机。（2）混合型负载：其实大部分的负载均为混合型负载。

二、常规起重设备各机构的负载分析

上面所讲到的负载类型都是理想的负载类型，在实际的具体设备上，其负载一般都为混合型负载，我们分析讨论的时候关键是要看哪种负载站的比重大，从而来进行系统的分析。

1、起升机构

位能性负载：上升时都是阻力负载，下降时多数是动力负载，空钩下降时是动力负载还是阻力负载由效率、吊具重与满负载重的比值等确定。

图2-4-1 起升电机负载图图2-4-2-运行电机负载图

2、平移机构

平移机构的负载有很多种，需要考虑摩擦力、坡度阻力、风的阻力等因素。

使用于室内的起重机都是阻力负载。最大静负载转矩经常小于电动机额定转矩0.7倍，平移机构计算提供的最大静负载转矩是可能的最大值，实测数可能比其小得多，而且运行过程中变化幅度是较大的；图2-4-2为运行电动机的负载图。起动过程中，电动机发出的转矩，大部分用作加速,小部分克服静阻负载。起重机使用于室外时，负载除摩擦阻力外，还有风阻力。港口起重机的风阻力占有相当大的比例(约

60%以上)，当顺风运行，有可能由阻力负载变成动负载。

3、旋转机构

港口起重机、造船起重机有此机构。旋转机构的负载由摩擦阻力、滚道坡度阻力、旋转中，心偏心阻力与风阻力组成，其中风阻占绝大部分，约 60%～80%，或更高。除摩擦阻力为阻力负载外，其余各项是阻力负载还是动力负载，都与机构所处的位置和运动方向有关。机构负载特性(阻力还是动力、大小)由具体情况决定，故调速时应有较硬的机械特性。

4、变幅机构

港口起重机、造船起重机有此机构。变幅机构的负载是幅度的函数，随变幅机构平衡系统不同而异，难以给出一典型的负载特性，通常希望在最大幅度时，不平衡力矩向后(动力负载)，在最小幅度时，不平衡力矩向前(阻力负载)，两者数值相近，如图2-4-3所示，一般不能完全达到这一理想状态。负载不单随幅度变化，而且也随载重量和变幅运动方向变化，故调速时也应有硬特性。

图2-4-3-变幅电机负载图

三、电机的基本特性

1、电机的种类

他励磁 特性可调 直流电动机 并励磁

电动机 复励磁 由他励磁、并励磁组成

串励磁 用于电机车等

交流电动机 同步电动机

笼型电动机 普通型

深槽型

异步电动机 多速变极型

变频专用型

绕线型电机 提刷式

不提刷式

2、电机的基本参数

额定电压U N ：指电动机在额定情况下运行时，外加于定子绕组

上的线电压。

额定频率f N ：我国交流电源的频率是50Hz ，所以国产电动机的

f N 均为50Hz 。

额定功率P N ：是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机轴

上能够长期、安全、稳定输出的最大机械功率。

额定电流I N ：是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机定子

绕组中能够长期、安全、连续通过的最大线电流。

额定转矩T N ：该值在电动机的名牌上没有数据，但却是一个非

常重要的参数，它是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机能够长期、安全、稳定输出的最大转矩。

三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系：

N N N N N I U P η?cos 3= (2-2-1)

式中 N ?cos ——额定功率因数

N η——额定效率

电动机的额定值户P N 、T N 表明了电动机带负载的能力，额定值越大允许电动机带的负载也越大。当所带负载小于额定值时，对电动机的运行影响不大，只是电动机的能力没有得到充分发挥，这就是欠载。如果电动机实际所带的负载超过额定值，电动机仍然可以运行，但由于超过了其正常的带负载能力，电动机的发热加剧，电动机允许运行的时间会大大缩短，还会影响到电动机的寿命，这就是过载。不管是过载还是欠载，都是电动机的一种运行状态。

3、电机的特性曲线

异步电机的机械特性曲线

4、电磁转矩的表达式

a 、电磁转矩基本公式：

n

P P T M M 9550=Ω= （2-2-13） 式中M P 的单位为KW ；N 的；T 的单位为N ·m

b 、电磁转矩的物理表达式：

22

cos ?I C T M T ′Φ= 式中T C ——转矩常数；

M Φ——主磁通。

c 、电磁转矩的参数表达式：

])()[(2322

122211221x x s r sr f s r pU T x ′++′+′=π （2-2-14） 式中 p ——磁极对数；

1U ——电源的相电压；

x f 1——电源频率。

5、电机工作制与温升

a 、温升

电动机在运行时的发热情况是判断其能否正常工作的重要标

志之一。具体地说，电动机在运行期间的温升，在不超过额定温升的前提下，只要电动机带得动，即使过载了一些，也是允许的。所以，电动机在工作过程中的发热情况对于设计拖动系统来说，是十分重要的。

电动机在运行时的温升(电动机的温度与周围温度之差)是按指

数规律上升或下降的，图1—18所示是它的温升曲线)(t f =θ。电动机开始运行时，散热少，大部分热量被电动机本身所吸收，所以温度上升很快，温升曲线较陡。经过一段时间后，温度高了，温差较大，散热增多，直到发热量等于散热量时，电动机的温升趋于稳定，达到其稳定温升在温升曲线中，可以看到以下两点：

①当在某一恒定负载下运行时，电动机的温升能达到稳定温升s θ。负载越大，稳定温升s θ越高。

②电动机从开始运行(绕组中有负载电流)到温升稳定需要一定的时间，该时间与发热时间常数τ有关，如图2-2-18、所示，该常数是曲线①的切线，即曲线②与s θθ=线的交点所对应的时间。它与电动机的热容量以及周围的散热条件等因素有关。τ越大，到达稳定温升时间越长。

图 2-2-18 电动机的特性曲线

b 、工作制

连续工作制：在此种工作制中，电动机所带的负载是在足够长的时间内连续运行的。所谓足够长的时间，是指在这段时间内，电动机的温升足以达到稳定温升值。属于这类负载的有鼓风机、水泵等，其变化规律如图下图所示。图中的虚线是电动机的温升曲线。

断续工作制：在此种工作制中，电动机所带的负载是时而运行、时而停止，在运行期间，电动机的温升不足以达到稳定温升；在停止期间，温升也不足以降到0，如图2-2-20所示。属于这类负载的有起重机械等。

图 2-2-20 断续工作制图 2-2-21 短时工作制短时工作制：在此种工作制中，电动机所带的负载每次运行的时间很短，在运行期间，电动机的温升达不到稳定值；而每两次运行之间的间歇时间很长，在此期间，电动机的温升足以下降到0，如图2-1-21所示。属于这类负载的有水闸门的拖动系统等。

四、变频器调速的基本原理

1、变频器的基本原理

变频器的基本构成如图下图所示，由主回路（包括整流器、中间

逆变器：负载侧面的变流器Ⅱ为逆变器。最常见的结构形式是利用六个主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。

中间直流环节：由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。

控制电路：控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难

以完成的功能。

2、变频器的控制方式

V/f控制：

V／F控制(也称转矩提升)是指通过提高U／f比来补偿fx下调时引起的Tkx下降。

图3-2-2变频器的U/f控制曲线图3-2-3基本U/f曲线

1~5适用负载：经过补偿的U／F曲线适用于低速时需要较大的转矩的负载。且根据低速时负载的大小来确定补偿的程度，选择U／F线。

01~02适用负载：主要适用于风机、泵类的平方率负载。由于这种负载的阻转矩和转速平方成正比，即低速时负载转矩很小，即使不补偿，电动机输出的电磁转矩都足以带动负载，而且还有富裕。从节能的角度来考虑，Ux (即Ku)还可以减小。

矢量控制：

交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求。今后的产品将普遍采用矢量控制技术，提高调速性能，达到和超过直流调速水平。

矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，它的想法是设法

摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题，直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易，而交流电动机的转矩则难于控制。为使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能，必须通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法比较复杂，它要进行参数变化使电路结构复杂。

直接转矩控制：

近年来又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量，而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的砰砰控制，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。

五、负载、电机、驱动器之间各参数的联系

典型传动系统示意图：

以起升机构为例：

负载电机驱动器

重量G(mg) 转矩T(Nm) 电流I(A)

速度V(m/s) 转速n（r/min）频率f（Hz）

驱动器的输出电流I其实有两个分量：一个是电机的实际电流，转化为电磁转矩的电流；另外一个分量是在定子线圈中形成交变磁场的电流，这一部分其实也是我们所说的无功电流。

所以说驱动器的电流和电机的力矩的对应的，但不是绝对的正比关系。