电机调速的分类.docx
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电机调速的分类
电机调速的分类
1.1电气调速系统性能指标
机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提出的调速技术指标来决定的，技术指标又静态指标和动态指标。
静态技术指标
静差度
静差度指电动机在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降Δn与理想空载转速n0之
比。
调速范围<在额定负载时D=nmax/nmin>
调速范围是指系统在额定负载时电机的最高转速与最低转速之比。
动态指标
跟随性能指标
在给定信号作用下，系统输出量变化的情况用跟随性能指标来描述。
当给定信号的变化方式不同时，输出
响应也不同。
具体的跟随指标如下：
（1）上升时间tr 在阶跃响应时间中，输出量从零起第一次上升到稳定值C￥所需时间，它反映动态响应的快
速性。
（2）超调量σ 在阶跃响应时间中，输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之比的百分值。
（3）调节时间ts 在阶跃响应过程中，输出衰减到与稳态值之差进入±5％或±2％允许误差范围之内所需的
最小时间，称为调节时间，又称为过渡过程时间。
调节时间用来衡量系统整个调节过程的快慢，ts小，表示系
统的快速性好。
抗扰性能指标
控制系统在稳态运行中，由于电动机负载的变化，电网电压的波动等干扰因素的影响，都会引起输出量的变化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的稳态。
这就是系统的抗扰过程。
具体的跟随指标如下：
（1）动态降落ΔCmax％系统稳定运行时，突加一定数值的阶跃扰动（例如额定负载扰动）后所引起的输出量最大
降落，用原稳态值C￥l的百分数表示，叫做动态降落。
（2）恢复时间tv 从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到与新稳态值C￥2之差进入某基准量Cb的±5％（或±
2％）范围之内所需的时间，定义为恢复时间tv。
其中Cb称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。
一、单闭环有静差直流调速系统
1、系统结构
该系统的主电路采用晶闸管三相全控桥式整流电路。
其输出电压为：
Ud0=2.34U2cosα
图中，放大器为比例放大器（或比例调节器），直流电动机M由晶闸管可控整流器经过平波电抗器L供电。
整流器整流电压Ud可由控制角α来改变。
触发器的输入控制电压为Uk。
为使速度调节灵敏，使用放大器来把输入信号ΔU加以扩大，ΔU为给定电压Ug与速度反馈信号Uf的差值。
2、调速性能
1）系统的静特性
可控整流器的输出电压为
于电动机电枢回路，若忽略晶闸管的管压降ΔΕ，则有
可得带转速负反馈的晶闸管－电动机有静差调速系统的机械特性方程：
Kp——放大器的电压放大倍数；
γ——转速反馈倍数；
Ce=KeΦ——电磁常数；
K0=KpKs——从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数；K=γKpKs/Ce——闭环系统的开环放大倍数。
2）开环调速系统与闭环调速系统的比较
（1）在给定电压一定时，有
闭环系统所需的给定电压Us要比开环系统高（1＋K）倍。
因此，若突然失去转速负反馈，就可能造成严重事故。
（2）如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即n0f＝n0，则
在同一负载电流下，闭环系统的转速降仅为开环系统转速降的1/（1+K）倍，从而大大提高了机械特性的硬度，使系统的静差度减少。
（3）在最大运行转速nmax和低速时的最大允许静差度S2不变的情况下，
开环系统的调速范围为：
闭环系统调速范围为：
闭环系统的调速范围是开环系统的（1+K）倍。
提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。
但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。
3、基本特性
1）有静差，系统是利用偏差来进行控制的
2）转速n（被调量）紧随给定量Un*的变化而变化
3）对包围在转速反馈环内的各种干扰都有很强的抑制作用
4）系统对给定量Un*和检测元件的干扰没有抑制能力
二、单闭环无静差直流调速系统
PI调节器特性
PI调节器的电路
PI调节器的输入输出特性
输入电压：
输出电压：
Kpi=R1/R0——PI调节器比例部分的放大系数；
τ=R0C1——PI调节器的积分时间常数。
PI调节器的输出电压Uex就是比例输出部分与积分输出部分的叠加。
用PI调节器构成的转速负反馈单闭环调节系统
本系统采用了PI调节器后，在稳态时，有
ΔUn＝Un*－Un＝0
PI调节器在系统抗负载干扰中的作用及动态过程
系统稳态运行时，在抗负载干扰过程中，Un*不变。
假定负载干扰是突加的，由TLl变到TL2，开始时电机转速将下降，反馈电压Un也将下降，并产生ΔUn，于是PI调节器开始调节，其输出电压Uct包括了比例与积分两部分。
控制电压Uct中的比例部分具有快速响应的特性，可以立即以速度偏差（ΔUn）起调节作用，加快了系统调节的快速性；Uct的积分部分可以在转速偏差（ΔUn）为零时，维持稳定的输出，保证了电机继续稳定运转，最终消除了静差。
在调节过程的前期比例起主要作用。
三、转速、电流双闭环直流调速系统
转速反馈单闭环调速系统实际上是不能正常工作的。
这是由于直流电动机在大阶跃给定下启动时，在启动瞬间反馈电压Un=0，若给定电压Un*全部加在调节器输入端，势必造成控制电压Uct很大（调节器输出饱和），晶闸管输出电压Ud也很大，而造成电动机启动时的过流。
对一般要求不高的调速系统，常常在系统中加入电流截止负反馈环节以限制启动和运行中的过电流。
但是这种电路，由于转速反馈信号和电流反馈都加在一个调节器的输入端，这两个反馈信号互相牵制，使系统动、静态特性不够理想。
对于高性能的调速系统，如要求快速启动、制动，动态速降要小等，通常就采用了转速电流双闭环系统。
1、直流电动机理想启动过程
带电流截止环节的转速单闭环系统在启动时，由于电流负反馈的影响，启动电流上升较慢。
该系统不能完全按需要来控制启动电流或转矩，致使电机转速上升也较慢，电机启动过程也大大地延长。
这个动态过程曲线如图（a）所示。
理想启动过程如图（b）所示。
在电动机最大允许过载电流条件下，充分发挥其过载能力，使电机在整个过和中始终保持这个最大允许电流值，使电机以尽可能的最大加速度启动直到给定转速，再让启动电流立即下降到工作电流值与负载相平衡而进入稳定运转状态。
这样的启动过程其电流呈方形波，而转速是线性上升的。
这是在最大允许电流受限制的条件下，调速系统所能达到的最快启动过程。
2、转速电流双闭环调速系统的组成
为了实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了转速（ASR）和电流（ACR）两个调节器，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串级联接。
3、系统的静、动态特性
1）控制量间的关系
当速度调节器（ASR）和电流调节器（ACR）均不饱和限幅时，电机处于稳定运转状态。
2）系统的大给定启动过程
双闭环调速系统在大给定突加电压Un*作用下，由静止开始启动时，速度调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个启动过程也分成了相应的三个阶段：
第一阶段t0~t1是电流上升段；
第二阶段t1~t2是恒流升速段；
第三阶段t2~t4是转速调节阶段。
3）突加载干扰下的恢复过程
突加载干扰作用点在电流环之后，故只能靠速度调节器ASR来产生抗扰作用。
这表明负载干扰出现后，必然会引起动态转速变化。
如负载突然增加，转速必然下降，形成动态速降。
ΔUn的产生，使系统ASR、ACR均处于自动调节状态。
只要不是太大的负载干扰，ASR、ACR均不会饱和。
由于它们的调节作用，转速在下降到一定值后即开始回升，形成抗扰动的恢复过程。
最终使转速回升到干扰发生以前的给定值，仍然实现了稳态无静差的抗扰过程。
其转速恢复过程如图所示。
4）电网电压波动时双闭环系统的调节作用
在转速单闭环系统中，电网电压波动的干扰，必将引起转速的变化，然后通过速度调节器来调整转速以达到抗扰的目的。
由于机械惯性，这个调节过程显得比较迟钝。
但在双闭环系统中，由于电网电压干扰出现在电流环内，当电网电压的波动引起电枢电流Id变化时，这个变化立即可以通过电流反馈环节使电流环产生对电网电压波动的抑制作用。
由于这是一个电磁调节过程，其调节时间比机械转速调节时间短得多，所以双环系统对电网电压干扰的抑制比单环系统快得多，甚至可以在转速n尚未显著变化以前就被抑制了。
4、调节器的作用
1）转速调节器ASR的作用
（1）使转速n跟随给定电压Un*变化，保证转速稳态无静差；
（2）对负载变化起抗扰作用；
（3）其输出限幅值Uim*决定电枢主回路的最大允许电流值Idm。
2）电流调节器ACR的作用
（1）对电网电压波动起及时抗扰的作用；
（2）启动时保证获得允许的最大电流Idm；
（3）在转速调节过程中，使电枢电流跟随其给定电压值Ui*变化；
（4）当电机过载甚至堵转时，即有很大的负载干扰时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安全保护作用；如果故障消失，系统能自动恢复正常工作。
PWM的常见形式及特性
四、脉宽调制调速系统的控制电路
不可逆PWM变换器
无制动作用
图示其原理，它实际上就是直流斩波器，只是采用了全控式的电力晶体管，以代替必须进行强行关断的晶闸管。
电源电压Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波，二极管VD在晶体管关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。
电动机得到的平均端电压为
设连续的电枢脉动电流id的平均值为Id，与稳态转速相应的反电动势为E，电枢回路总电阻为R，则由回路平衡
电压方程
可推导得机械特性方程
可令n0=rU/Ce——调速系统的空载转速，与占空比成正比；
Δn=IdR/Ce——由负载电流造成的转速降。
则有n=n0-Δn
电流连续时，调节占空比大小便可得到一簇平行的机械特性，与晶闸管供电的调速系统且电流连续的情况是一致的。
有制动作用
图表示有制动作用的不可逆PWM变换电路。
它由两个电力晶体管VTl、VT2与二极管VD1、VD2组成，VTl是主控管，起调制作用；VT2是辅助管。
它们的基极驱动电压Ubl和Ub2是两个极性相反的脉冲电压。
当电动机工作在电动状态时，PWM变换电路有四种工作模态。
0≤t≤t1，PWM变换电路工作在模态Ⅰ：
电动状态
t1≤t≤T时，PWM变换电路工作在模态Ⅱ：
续流（电动）状态
在t2~T期间，PWM变换电路工作在模态Ⅲ：
能耗制动（发电）状态
在T~t3期间，PWM变换电路工作在模态Ⅳ：
续流（发电）状态
具有制动作用的不可逆GTR-M系统的开环机械特性如图所示，显然，由于电流可以反向，因而可实现二象限运行，故系统在减速和停车时具有较好的动态性能和经济性。
2、可逆PWM变换器
1）双极式可逆PWM变换器
四个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。
VTl和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ubl=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1，这种电路可工作在四种模态。
双极式H型PWM变换器的四种工作模态
0≤t≤t1，PWM变换器工作在模态Ⅰ：
电动机处于电动状态；
t1≤t≤T时，PWM变换器工作在模态Ⅱ：
电动机处于电动状态；
在t2~T期间，PWM变换器工作在模态Ⅲ：
电动机处于反接制动状态；
在T~t3期间，PWM变换器工作在模态Ⅳ：
电动机工作在制动状态。
对于双极性可逆PWM变换器，无论负载是轻还是重，电动机正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在+US和-US之间变换一次，故称为双极性。
电动机端电压瞬时值为：
ud=
Us（0￡t￡ton）
-Us（ton￡t￡T）
平均端电压为：
其中，
当ρ>0时电机正转；
ρ<0时电机反转；
ρ＝0时Ud＝0电机停止转动，
但其瞬时值不为零，所以它只是处于动态平衡中。
２）单极式可逆PWM变换器
当ton≤t≤T时，Ub1为正，VTl导通，电源US通过VTl和VT4加到电枢两端。
UAB=+Us,+id上升。
当ton≤t≤T时，Ubl为负，VTl截止，电动机电源被切断，+id经VT4及VD2续流以释放回路中磁场能量。
UAB=0，但在数值上+id将减小。
平均端电压为：
3）受限单极式可逆PWM变换器
当电动机正转时，让Ub2恒为负，使VT2一直截止。
当电动机反转时，让Ubl恒为负，VTl一直截止。
这样，就不会产生VTl、VT2直通的故障。
这种控制方式称作受限单极式。
双极式、单极式和受限单极式可逆PWM变换器的比较（当负载较重时）
交流电动机有同步电动机与异步电动机两大类。
同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变其同步转速；
对异步电动机而言，常用的调速的方法有：
电磁转差离合器调速系统
交流调压调速系统
线绕式异步电动机调速系统
变频调速系统
异步电动机矢量控制系统
五、交流调速的特点和难点
众所周知，直流调速四通具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传
动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。
直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服
的缺点。
如机械式换向带来的弊端，使其事故率高，无法在大容量的调速领域中应用。
而交流电动机有它固有
的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价低廉，坚固耐用，
容易维护。
它的最大的缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。
在各种交流调速中，变频调速的性能最好。
变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行率高，调
速范围广，是一种理想的调速系统。
随着交流电动机理论问题的突破和调速装置性能的完善，交流电动机调速
性能差的缺点已经得到了克服。
目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直
流调速系统。
因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速
电气传动。
电磁转差离合器调速系统
电磁转差离合器调速系统是通过改变电磁离合器的励磁电流实现调速的，对于异步电动机本身并不进行调速。
这种调速系统的特点是线路简单、价格便宜，加上速度负反馈以后调速相当精确。
缺点是低速运行时损耗比较大，而且效率比较低。
1．电磁转差离合器的调速原理
电磁转差离合器调速系统，实质上就是在笼型转子异步机轴上装一个电磁转差离合器，并且晶闸管控制装置控制离合器绕组的电流，改变这一电流，即可以调节离合器的输出转速。
电磁转差离合器的基本作用原理是基于电磁感应原理。
图所示为一个实心电磁离合器的示意图。
由图可见，转差离合器主要是由主动和从动两部分组成。
图中，1为主动部分，由笼型转子异步电动机带动，以恒速旋转。
它是一个由铁磁材料制成的圆筒，习惯上称为电枢。
2为从动部分，一般是由与电枢同材料制成，称为磁极。
在磁极上装有励磁绕组3，绕组与磁极的组合称为感应子。
被传动的生产机械流连接在感应子的轴上。
绕组的引线接于集电环上，通过电刷与直流电源接通，绕组内流过的励磁电流即由直流电源提供，当励磁绕组通以直流电时，沿封闭的磁路就产生了主磁通，磁力线通过气隙—电枢—气隙—磁极—气隙而形成一个封闭回路。
由于电枢为原动机所拖动，以恒定定向旋转，因此电枢与磁极间有相对运动，电枢切割磁场，从而在电枢中产生感生电动势，产生电流，并产生一个脉冲的电枢反应磁场，它与主磁通合成产生电磁力。
此电磁力所形成的电磁转矩将驱使磁极跟着电枢同方向运动，这样磁极就带着生产机械一同旋转。
其调速系统的原理框图如图所示。
由图可见，调速系统主要由晶闸管整流电源、电磁转差离合器和异步电动机三大部分组成。
晶闸管整流电源通常采用单相全波或桥式整流电路，通过改变晶闸管的控制角可以方便改变直流输出电压的大小。
六交流调速的基本方法
变极调速
对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕阻的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有极调速。
变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。
一般为两种速度，过去应用很普遍的双速电机调速系统就是这种系统。
三种速度以上的变极调速电机绕阻结构复杂，应用较少。
变极调速电机的关键在于绕阻设计，以最少的绕阻抽头和该接以达到最好的电机技术性能指标。
由式n0=60f/p可知，如果磁极对数p减小一半，则旋转磁场的转速n0将提高一倍，转子转速n差不多也提高一倍。
因此改变p可以得到不同的转速。
如何改变磁极对数，取决于定子绕组的布置和联接方式。
原理：
变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速，其转速是按阶跃方式变化，而非连续变化。
应用：
变极调速主要用于笼型异步电动机，变极电动机有转换单绕组接线改变极数的电动机和同一铁芯上设置两个以上极数不同绕组的电动机。
变频调速
通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。
可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。
原理：
利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。
间接变换方式（交-直-交变频）
原理:
把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机。
电压型变频调速
原理：
整流输出经电感电容滤波，具有恒压源特性，逆变器具有反馈二极管，是一种方波电压逆变器。
变频器对三相交流异步电动机提供可调的电压与频率成比例的交流电源。
缺点：
这种方法若不设置与整流器反向并联的再生逆变器，则不能实现再生制动。
应用：
电压型变频器一般在单方向运转、不要求快速调节及多台电动机协调运行等场合使用。
电流型变频调速
原理：
整流输出靠直流电抗器滤波，具有恒流源特性，供给异步电动机方波电流。
特点：
这种方式电力能返回电源。
应用：
适用于4象限运行和要求快速调速的场合，在轧机、风机泵类等方面广泛采用。
脉冲宽度调制变频（PWM变频）调速原理：
脉冲宽度调制变频（PWM变频）调速的电路结构与电压型变频调速相似，只是用不可控整流器代替了原来的可控整流器，逆变器可以用晶闸管，但更多的是用大功率晶体管（GTR）或可关断晶闸管（GTO）等全控型器件。
脉冲宽度调制变频调速是将一个周期的逆变电压分割成几个脉冲。
分配脉冲时使电源谐波成分尽量减少。
改变脉冲数和脉冲宽度，使供给电动机的基波电压与频率成比例变化。
频率越高脉冲数越少。
三相交流电机的种类繁多，主要分为同步机与异步机两大类，异步机分为绕线式和鼠笼式，同步机又分为自控式、他控式、永磁同步机等等。
交流电机的基本特征在电机学中已经进行过详细分析，但是那时候着重讨论的是三相正弦电源电压和正弦电流作用提供给交流电机的电压和电流往往是非正弦的，含有大量的谐波分量。
这些谐波能要求较高，我们必须对电机的动态过程进行分析，即分析瞬态的电流、电压、转速、转矩及它们之间的关系。
为了分析研究交流电机的调速性能，我们有必要讨论交流电机的动态和稳定数学模型，以及通过各种变换获得的数学模型。
让我们首先从电机的基本微分方程开始。
七、交流电机的基本方程
三相交流电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
为了建立数学模型，一般作如下假设：
三相绕组对称。
忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。
忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。
忽略铁损
不考虑频率和温度变化对绕组的影响
无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算前后的转 子每相匝数都相等。
不失一般性地，可将多相绕组等效为空间上互差90°电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组。
对于 同步机转子的阻尼绕组，假设阻尼条和转子导磁体对转子直轴d、交轴q对称。
在上述假设下得到的异步电动机和同步电动机定子的电压方程相同，只是转子的电压方程和磁链方程略有差异。
（1）定子的电压方程为：
式中，UA、UB、UC为定子三相电压；iA、iB、iC为定子三相电流；ψA、ψB、ψC为定子三相绕组磁链；r1为定子各绕组电阻；p为对时间的微分算子。
（2）转子的电压方程为：
式中，Ua、Ub、Uc为定子三相电压；ia、ib、ic为定子三相电流；ψa、ψb、ψc为定子三相绕组磁链；r2为定子各绕组电阻；p为对时间的微分算子。
（3）同步机转子的电压方程：
包括励磁绕组的电压方程和阻尼绕组的电压方程。
励磁绕组的电压方程为：
式中，注脚f代表励磁绕组；为施加于同步机滑环上的励磁电压；分别为励磁绕组的电流和磁链；为励磁绕组的电阻。
阻尼绕组等效为直轴和阻尼绕组d和交轴阻尼绕组q。
直轴与交轴阻尼绕组的电压方程为：
（4）异步机的磁链方程为：
式中，电感矩阵是6×6的矩阵，其中各元素分别是各绕组的自感和互感。
电机中交链各绕组的磁通只有两类：
一类是只与定子或转子某一绕组交链，而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的公共主磁通。
定子漏磁通所对应的电感是定子漏感，转子漏磁通所对应的电感是转子电感，如果用表示与主磁通对应的定子电感，表示与主磁通对应的转子电感，则定、转子的自感分别为：
由上述式子可以归纳出，定、转子共六个绕组，它们之间的互感可以分为两类：
一类是A、B、C相定子绕组之间和a、b、c相转子绕组之间的互感，为常数，因为绕组之间的位置是固定的；另一类是定子任意一相与转子任意一相之间的互感，是角位移的函数，因为转子的运动，定、转子之间的位置总是变化的。
总之，电感矩阵的变参数是造成系统非线性的根源。
（5）同步机的磁链方程为：
变频器基本原理
随着电力半导体器件的发展，变频器的发展也经历了几个阶段。
电力电子器件的自断化、模块化、交流电路开关的高频化和控制手段的全数字化，促进了变频器的小型化、多功能化、高性能化。
尤其是控制手段的全数字化，利用了微机的强大信息处理能力，使软件功能不断强化，变频器的灵活性和适用性不断增强。
随着网络时代的到来，变频器的网络功能和通信不断增强，它不仅可以与设备网的现场总线直接相连，还可以与信息交换实时数据。
工业中使用的变频器按应用分，可分为通用变频器和专用变频器。
通用变频器用于一般工业驱动，例如：
扎钢、造纸、机床等领域；专用变频器则用于一些特定的控制对象，满足某些特定的控制要求，例如：
电梯、机床伺服系统、电动车驱动等有些特殊要求的应用领域。
本节着重介绍通用变频器。
衡量变频器的性能好坏，主要比较其以下功能：
转速控制方法、频率上升和下降的最快时间、一般静差率下的最低、多段速度选择、载波频率设定、频率跨跳功能、速度反馈、定时控制、PI控制、数字设定、人机界面，网络通信接口、可编程控制器接口、各种安全保护措施、各种故障诊断和显示功能等。
早期的变频器基本不具备这么全面的功能。
目前，国内变频器市场竞争非常激烈，主要的国外的厂家有：
德国西门子，瑞典的ABB，美国的A—B，日本的富士、三菱等等。
以A—B公司的1336系列波谱起为
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