电气传动控制技术

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常见机械的调速指标：
生产机械 热连轧机 冷连轧机 机床主传动 造纸机 龙门刨床 矿井提升机
调速范围 10 ～ 30 ＞15 2～4 3～20
20～40
静差率 0.01～0.005 ＜0.02 0.05～0.1 0.01～0.001 ≤0.05
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第二节 交流调速的一般基础
2.1 交流电动机调速的基本类型 2.2 变频调速的原则
O
TL
1 2 3
Te
调磁调速特性曲线
1.4 生产机械对调速系统的控制要求及调速指标
1.调速系统控制要求
在一定的最高转速和最低转速 范围内，分挡地或平滑地调节 调 速 转速（静）。
调速系统 速度控制 主要要求
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以一定的精度在所需转速上稳 稳 速 定运行(静) ；在可能的干扰下，
不允许有过大的转速波动(动)。
改变电动机励磁调速
当负载电流不变时，改变可控电压Uf，也就是说 改变电动机励磁磁通量Ф时，电动机的理想空载转 速和转速降都在变化，随着磁通量的减少，转速 降就越来越大，机械特性也就越软。
改变电动机励磁调速
改变励磁调速的特点：
（1）机械特性软，负载变化时转速的波动较大；
（2）可控电源容量小，一般为电动机容量的 10%以下，电源设备造价低；
指系统的输出端和输入端不存在反馈关
系，系统的输出量对控制作用不发生影响的 系统。这种系统既不需要对输出量进行测量， 也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进 行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向 作用，没有反向联系。
（2）稳态精度越高，即S越小，则D也越小；
（3） S较大，D很小 （比较期望）。
D Snnom nnom(1S)
的电动势常数；
no — 理想空载转速（r/min）； nop — 开环转速降（r/min）； U2— 整流变压器副边相电压有
效值（V） 。
对三相零式整流电路，A=1.17； 对三相全控桥式整流电路，A=2.34；
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V-M系统调速的三种方式
1）调压调速
n
工作条件：
n0
保持励磁 = N ；
保持电阻 R = Ra
同步电动机的调速可以用改变供电频率，从而改变同步转速的方法来实现。
这样，交流电动机就有很多不同的调速方法，总结如下：
2.1交流电动机调速的基本类型
变极调速（对鼠笼式电机）
异步电动机变转差率调速调 调 调压 阻 转（ （ 差定 绕 率子 线 （调 式 电压 电 磁） 机 离转 合子 器串 ）电阻）
调压调速
调压调速的特点：
机械特性较硬，负载不变时，转速降△n不变
由于容许的输出转矩恒定，对于恒转矩性负载的拖动调 速，能充分利用电动机的容量
由于电枢回路时间常数小，系统的动态响应快，适合于 要求快速起、制动的设备的传动系统中，如初轧机、龙 门刨床等设备。
改变电枢回路电阻调速
改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢回路中 串接附加电阻R1、R2……来改变电动机电枢端电 压，从而实现调速的目的。
调节过程：
改变电压 UN U
U n ， n0 调速特性：
转速下降，机械特性曲
O
线平行下移。
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nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
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2）调阻调速
工作条件：
保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；
调节过程： 改变增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线 变软。
2.3 变频控制时的电动机运行状态
2.4 变频器的控制方式 主讲人：汪刚
gangwang@
2.2.1 恒磁通变频调速 2.2.2 恒功率变频调速
2.3.1 变频时的起动状态 2.3.2 变频时的再生发电制动状态 2.3.3 变频时的能耗制动状态
2.4.1 180°导电型六拍变频器 2.4.2 120°导电型六拍变频器 2.4.3 脉宽调制型变频器
第一章 电气传动系统的基础
第一节 直流调速的一般基础 第二节 交流调速的一般基础
第一节 直流调速的一般基础
1.1 直流电动机 1.2 可控直流电源 1.3 调速方式及机械特性 1.4 对调速系统的控制要求及调速指标
为什么分析直流电机调速系统？
☺优点：
✓ 直流电机调速系统有着成熟的数学模型，调速精度 高、应用范围广。
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V-M系统
U d 0 E I d R C e Φ n I d R
1.3 直流调速系统的调速方式及机械特性
机械特性表达式
nUd0C eΦ IdRn0nop
n0U CedΦ 0 AC U 2ecΦos
Δnop
IdRΣ CeΦ
n — 电动机转速（r/min）； Ud0 — 空载整流电压（V）； Id — 电枢电流（A）； R — 电枢回路总电阻（ ）； — 励磁磁通（Wb）； Ce— 由电机结构决定
2.1交流电动机调速的基本类型
由于交流电机的同步转速表达式为
n1
60 f1 p
根据异步电动机转差率的定义
s n1 n 1 n
可知异步电动机的转速为n1
n1
（2-1） （2-2）
n
n1 (1
s)
60 f1 p
(1
s)
（2-3）
因此由（2-3）分析得出：
异步电动机的调速方法可以有改变极对数 p、改变转率 s 及改变频率 f 三种。
✓ 具有极好的运行性能和控制特性，良好的起、制动性 能，易于在广范围内平滑调速。
应用：
在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属 切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电 力拖动的领域中得到广范应用。
1.1 直流电动机
1.直流电动机的工作原理
换向器/电刷 电枢绕组 磁场电极
注意: 电枢和磁场电流总是相差90°
直流电动机工作原理演示
电动机模型演示
2.直流电动机的分类
他励直流电动机
直
流
电
动
机
自励直流电动机
串励电动机 并励电动机 复励电动机
3. 直流电动机的调速方式
nUd0 IdR
Ce
调节电枢供电电压U 改变电枢回路电阻R 减弱励磁磁通Φ
调压调速
改变Ud0就得到一组相互平行的机械特性曲线
如果连续改变可控电源电压，电动机转速就可以平滑连续地 调节。
晶闸管型： SCR-普通晶闸管 GTO-门极可关断晶闸管 GCT-门极换向晶闸管 IGCT-集成门极换向晶闸管 SGCT-对称门极换流晶闸管
晶体管型： GTR-普通电力晶体管 BJT-双极型晶体管 IGBT-绝缘栅双极型晶体管 IPM-智能功率模块 IEGT-电子注入增强栅晶体管
2.1交流电动机调速的基本类型
VT1 Ug1
VT2 Ug2
1 4
VD1
M
A
VD2
2
3 VD3
B VD4
VT3 Ug3
VT4 Ug4
PWM调速系统特点
电源采用不控整流源； 系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强； 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，电动 机损耗和发热较小； 电网功率因数高，效率高； 电路简单，控制方便。 受器件容量限制，只用于中、小功率的系统。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速 为主，最为常见。
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1.2 可控直流电源
G-M系统
直流调速系统 V-M系统
PWM系统
G-M系统 即旋转变流机组，工作过程如下：
改变发电机励磁电压
发电机输出电压 直流电动机电枢电压
改变电动机转速
旋转变流机组－－用交流电动机和直流发电机 组成机组， 以获得可调的直流电压。上世纪40～60年代广泛应用。
静差率是用来衡量调速系统在负 载变化下转速的稳定度的。如果电 动机机械特性很软，转速降落大， 则静差率大，表示系统对转矩变化 敏感，即转速的稳定性差。静差率 和机械特性的硬度有关，特性越硬， 静差率越小，转速的稳定度就越高。
然而，静差率和机械特性硬度又 是有区别的。
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④ 调速范围与静差率之间的关系
特点： 适用于对调速性能 要求不高的场合； 且一套系统至少包 括两台电机和一台 励磁发电机，设备 多、体积大、效率 低、维护不方便。 目前很少采用。
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PWM-M系统
交-直型电力机车
VT1
VD1
VT3
VD3
C
~
Us
M
VT2 VD2 VT4
VD4
PWM-M系统信号流动过程：
+Us
为了使交流电动机供电频 率可变，需要一套变频电 源。于是就产生了变频器。
现在的变频电源是采用可 关断功率器件和应用先进 计算机的频率可连续调节 的变频器。
2.1交流电动机调速的基本类型
主
电
路
功
率
器
件
晶 晶
闸 体
管 管
类 类
(SCR、 (BJT、
GTO、 GCT、 IGCT、 IGBT、 IEGT)
n
n0
nN
n1
Ra
n2 n3
R1
R2
R3
O
IL
I
调阻调速特性曲线
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3）调磁调速
工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = Ra ； 调节过程：
减小励磁 N n ， n0
调速特性： 转速上升，机械特性曲线 变软。