电动机的调速系统ppt课件

第五章第五章 电动机的调速系统电动机的调速系统第一节第一节 概述概述 电动机的调速系统有电动机的调速系统有直流调速系统直流调速系统和和交流调速系交流调速系统统两大类。两大类。一、直流调速系统一、直流调速系统 直流电动机的方程式：直流电动机的方程式：Ea=CenT=Cm IaU=Ea+IaRaTCCRCUnmeae 二、交流调速系统二、交流调速系统 根据根据 ，所以交流电动机有三种，所以交流电动机有三种调速方法：变极调速、变转差率调速和变频调速。调速方法：变极调速、变转差率调速和变频调速。第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统1.单闭环有静差调速系统（转速负反馈有静差调速系统）单闭环有静差调速系统（转速负反馈有静差调速系统）pfsn160)1(直流电动机的调速有三种方法直流电动机的调速有三种方法：1.电枢回路串电阻调速，为有级调速；电枢回路串电阻调速，为有级调速；2.弱磁调速，可实现无级调速，为恒功率调速，调弱磁调速，可实现无级调速，为恒功率调速，调速范围小，一般在高于额定转速时应用；速范围小，一般在高于额定转速时应用；3.调压调速，可实现无级调速，为恒转矩调速，调调压调速，可实现无级调速，为恒转矩调速，调速范围大，一般在低于额定转速时应用，应用范围广。速范围大，一般在低于额定转速时应用，应用范围广。UC+UgU+Rf放大器放大器U0R1MUd负载负载TG+UfKpKtr系统各环节的关系如下系统各环节的关系如下：U=UgUf UC=KpU Ud=KtrUC 在反馈环节中在反馈环节中 Uf=n 直流电动机的电压和电动势方程为：直流电动机的电压和电动势方程为：Ud=EIdR，E=Cen，则系统的，则系统的开环特性为开环特性为：kkdmdmdeednnIRKUKICRCUn0将将、各式带入各式带入式，得式，得系统的闭环特性系统的闭环特性：bbnmdnmtrpgnnKKRIKKKKUn011式中式中Kn=KpKmKtr为系统开环放大倍数。为系统开环放大倍数。特点：特点：（1）当给定电压不变时，闭环系统的稳态速降为）当给定电压不变时，闭环系统的稳态速降为开环系统稳态速降的开环系统稳态速降的1/（1+K）倍，闭环系统的理想空）倍，闭环系统的理想空在转速为开环系统的在转速为开环系统的1/（1+K）倍。）倍。（2）若要维持系统的运行速度不变，闭环时的给）若要维持系统的运行速度不变，闭环时的给定电压要比开环时的给定电压相应提高（定电压要比开环时的给定电压相应提高（1+K）倍。）倍。（3）只要系统的开环放大倍数）只要系统的开环放大倍数K足够大，就可以足够大，就可以把系统的稳态速降减小到允许的范围内，而且闭环系把系统的稳态速降减小到允许的范围内，而且闭环系统的调速范围是开环系统的（统的调速范围是开环系统的（1+K）倍，即）倍，即K越大，系越大，系统的静态性能越好。统的静态性能越好。（4）闭环系统能有效地抑制一切被包在反馈环内）闭环系统能有效地抑制一切被包在反馈环内的扰动作用，但对给定电压和反馈检测元件本身的误的扰动作用，但对给定电压和反馈检测元件本身的误差是无能为力的。差是无能为力的。2.电压负反馈调速系统电压负反馈调速系统 具有转速负反馈的自动调速系统，在调速指标方面具有转速负反馈的自动调速系统，在调速指标方面是不错的，但它需要一台测速发电机，而且测速发电机是不错的，但它需要一台测速发电机，而且测速发电机的要求很高，与电动机同轴连接。这不仅增加了成本，的要求很高，与电动机同轴连接。这不仅增加了成本，增添了维护上的困难，还会因为附带产生交流干扰问题，增添了维护上的困难，还会因为附带产生交流干扰问题，给调试和运行带来麻烦。因此，对于某些要求不高调速给调试和运行带来麻烦。因此，对于某些要求不高调速系统，可采用电压负反馈形式。系统，可采用电压负反馈形式。R2UdR0R0+UgU0RpM+KpKtr+RRfR1Ufv210011nnnKRIKKRIKKKKUnmadvmdvmtrpg式中式中R0为电源的内阻，为电源的内阻，Ra为电动机电枢绕组的内阻。为电动机电枢绕组的内阻。特点：特点：（1）电压负反馈电阻接在电枢前面，它只能使主）电压负反馈电阻接在电枢前面，它只能使主回路上的电压变化得到补偿，而电动机上的电压变化回路上的电压变化得到补偿，而电动机上的电压变化没有得到补偿，即电压负反馈只把由整流装置内阻引没有得到补偿，即电压负反馈只把由整流装置内阻引起的静态速降减小到起的静态速降减小到1/（1+K），由电枢电阻引起的速），由电枢电阻引起的速降仍和开环时一样。降仍和开环时一样。（2）电压负反馈适用于调速范围）电压负反馈适用于调速范围D10，静差率，静差率是是S=15%30%的场合。的场合。（3）电压负反馈调速系统静态特性比同等放大倍）电压负反馈调速系统静态特性比同等放大倍数的转速负反馈调速系统差。数的转速负反馈调速系统差。（4）系统的结构简单，维修方便，但在低速时容）系统的结构简单，维修方便，但在低速时容易发生停转现象。易发生停转现象。R13.电压负反馈加电流正反馈直流调速系统电压负反馈加电流正反馈直流调速系统 电压负反馈系统的转速降落较大，即静特性不够理电压负反馈系统的转速降落较大，即静特性不够理想，这是因为电动机电枢电阻上的电压降所引起的转想，这是因为电动机电枢电阻上的电压降所引起的转速降落未得到补偿，为了补偿电枢电阻压降速降落未得到补偿，为了补偿电枢电阻压降IaRa，故在，故在电压负反馈的基础上增加一个电流正反馈环节。电压负反馈的基础上增加一个电流正反馈环节。+R2UdR0R0+UgU0RpM+KpKtr+RRfR3LRf 增加电流正反馈，就是把一个反映电动机电枢电增加电流正反馈，就是把一个反映电动机电枢电流大小的量流大小的量IaRa取出，也加到比例调节器的输入端。取出，也加到比例调节器的输入端。由于是正反馈，调节器的输入信号反映了负载电流的由于是正反馈，调节器的输入信号反映了负载电流的增减，即当负载电流增减，即当负载电流Ia增加时，调节器的输入信号也增加时，调节器的输入信号也增加，使晶闸管整流器输出电压增加，使晶闸管整流器输出电压Ud也增加，以补偿电也增加，以补偿电枢电阻所产生的压降。枢电阻所产生的压降。特点：特点：（1）电流正反馈反映的物理量是电动机负载的）电流正反馈反映的物理量是电动机负载的大小，不是被调量电压和转速的大小。大小，不是被调量电压和转速的大小。（2）电流正反馈是一种补偿环节，不是反馈环）电流正反馈是一种补偿环节，不是反馈环节。节。（3）在电流正反馈对转速进行补偿中，负载增）在电流正反馈对转速进行补偿中，负载增加，转速量上升；负载减小时，则反之。加，转速量上升；负载减小时，则反之。（4）这种调速系统的调速范围没有转速负反馈）这种调速系统的调速范围没有转速负反馈系统宽，适用于系统宽，适用于D20，s10%的场合。的场合。4.带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统 转速负反馈虽然解决了静态速降等问题，但没解决转速负反馈虽然解决了静态速降等问题，但没解决启动电流的问题，要限制启动电流，必须加电流负反馈。启动电流的问题，要限制启动电流，必须加电流负反馈。但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉。只应在启动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉。nn0IdIduU0UdR0R0UgU0RpMKpKtr+RRfLRfR3+R1V1+IaTGR2+Ufi+Ufn带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统 特点：特点：（1）电动机启动时，电流截止负反馈起作用，从）电动机启动时，电流截止负反馈起作用，从而限制启动电流。正常工作时，电流截止负反馈作用很而限制启动电流。正常工作时，电流截止负反馈作用很少。少。（2）当系统工作超过额定值时，电流截止负反馈）当系统工作超过额定值时，电流截止负反馈起作用，从而保证系统的安全。起作用，从而保证系统的安全。（3）电流截止负反馈采用的方法有电压比较法和）电流截止负反馈采用的方法有电压比较法和在反馈回路中串联一个稳压二极管。在反馈回路中串联一个稳压二极管。第三节第三节 无静差直流自动调速系统无静差直流自动调速系统 一、转速单闭环无静差直流调速系统一、转速单闭环无静差直流调速系统CUdR0R0UgU0RpM+Kp+RRfLTGR2+UctUn 比例调节过程：在比例调节过程：在Un的作用下，的作用下，PI调节器立即输出比例调调节器立即输出比例调节部分节部分Uct=KPUn,它使晶闸管整流输出电压增加它使晶闸管整流输出电压增加Ud。这个。这个电压使电动机转速迅速回升，其大小与偏差电压电压使电动机转速迅速回升，其大小与偏差电压Un成正比，即成正比，即Un越大，调节作用越强，电动机转速回升也就越快。当转速回越大，调节作用越强，电动机转速回升也就越快。当转速回升到原来的转速升到原来的转速n1以后，以后，Ud也减到零。这表明与偏差成比例的也减到零。这表明与偏差成比例的调节作用与偏差共存亡，偏差不存在，比例调节作用便结束。调节作用与偏差共存亡，偏差不存在，比例调节作用便结束。积分调节过程：积分调节过程：积分部分的输出电压正比于偏差电积分部分的输出电压正比于偏差电压的积分，积分作用使晶闸管整流输出电压增长量压的积分，积分作用使晶闸管整流输出电压增长量Ud增长的速度与偏差电压增长的速度与偏差电压Un成正比。开始阶段，成正比。开始阶段，n较小，较小，Un也较小，也较小，Ud增长得十分缓慢；当增长得十分缓慢；当n最大时，最大时，Ud增长得最快；在调节过程的末段，电动增长得最快；在调节过程的末段，电动机转速开始回升，机转速开始回升，n减小减小,Ud的增长也变慢，当的增长也变慢，当n完全等于零时完全等于零时Ud便停止增长，之后就一直保持这个便停止增长，之后就一直保持这个数值不变。积分作用虽然不再增长，但它却记住了以数值不变。积分作用虽然不再增长，但它却记住了以往积累的调节结果。正因为如此，整流输出电压在最往积累的调节结果。正因为如此，整流输出电压在最后被保持在比原来数值后被保持在比原来数值Ud高出高出Ud的新的数值上。的新的数值上。Ud是比例调节器和积分调节器的综合效果。是比例调节器和积分调节器的综合效果。可以看出，不管负载怎样变化，积分调节作用要可以看出，不管负载怎样变化，积分调节作用要把负载变化的影响完全补偿掉，使转速回升到原来的把负载变化的影响完全补偿掉，使转速回升到原来的转速，这就是无静差调节过程。转速，这就是无静差调节过程。二、速度、电流双闭环自动调速系统二、速度、电流双闭环自动调速系统 由由PI调节器组成的无静差调速系统消除了静差，但调节器组成的无静差调速系统消除了静差，但电动机的启动过程较长，生产效率低。为了解决该问题，电动机的启动过程较长，生产效率低。为了解决该问题，最好是在不超过电动机最大电流的情况下，让电动机在最好是在不超过电动机最大电流的情况下，让电动机在较大电流下启动。较大电流下启动。为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值段使电流保持为最大值idm的恒流过程。按照反馈控制的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈可以保持该量基本不变，规律，采用某个物理量的负反馈可以保持该量基本不变，因此采用电流负反馈可以得到近似的恒流过程。因此采用电流负反馈可以得到近似的恒流过程。t0idmidlnid电 流 调 节电 流 调 节器器ACR转速调节转速调节器器ASRR0UctR0Ui*UdR0R0UisU0RpM+TGR2+TAUnCnKp+RbRnLIdCiKp+RRiGTVUi 该系统采用了两个该系统采用了两个PIPI调节器，其中调节器，其中ASRASR为速度调节器，称为外为速度调节器，称为外环；环；ACRACR为电流调节器，称为内环。两环进行串联。启动时，转速为电流调节器，称为内环。两环进行串联。启动时，转速调节器饱和，作用很小，只有电流调节器起作用，系统在允许的调节器饱和，作用很小，只有电流调节器起作用，系统在允许的最大电流下快速启动。启动完毕，速度调节器退出饱和，起转速最大电流下快速启动。启动完毕，速度调节器退出饱和，起转速调节作用。调节作用。在整个控制过程中只有速度调节器会饱和，电流调节在整个控制过程中只有速度调节器会饱和，电流调节器不会饱和。器不会饱和。+UicUn*速度、电流双闭环自动调速系统的工作过程速度、电流双闭环自动调速系统的工作过程 1.启动过程启动过程 速度、电流双闭环自动调速系统的启动分为以下速度、电流双闭环自动调速系统的启动分为以下三个阶段。三个阶段。（1）第一阶段即电流上升阶段）第一阶段即电流上升阶段 突加给定电压突加给定电压Un*后，由于转速很低，后，由于转速很低，Un较小，所较小，所以转速调节器进入饱和状态，输出限幅值以转速调节器进入饱和状态，输出限幅值U*im，这个电，这个电压加到电流调节器压加到电流调节器ACR的输入端，使的输入端，使Uct上升，从而使上升，从而使整流电压、电枢电流很快上高，直到设计时所选定的电整流电压、电枢电流很快上高，直到设计时所选定的电流最大值流最大值Idm为止。此阶段因为转速调节器饱和而失去为止。此阶段因为转速调节器饱和而失去调节作用。调节作用。（2）第二阶段即恒流升速阶段）第二阶段即恒流升速阶段 从电流升到最大值从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值为开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段。止，这是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器在这个阶段中，转速调节器ASR一直处于饱和状一直处于饱和状态，转速环不起作用，电流保持恒值态，转速环不起作用，电流保持恒值Idm不变，所以称不变，所以称为恒流升速阶段。在启动过程中，由于转速和反电动势为恒流升速阶段。在启动过程中，由于转速和反电动势线性增长，因而电流环必须发挥作用，使电流调节器的线性增长，因而电流环必须发挥作用，使电流调节器的输出电压输出电压Uct也按线性增长，才能克服反电动势的扰动，也按线性增长，才能克服反电动势的扰动，保持电流恒定，即电流调节器不应饱和。保持电流恒定，即电流调节器不应饱和。第三阶段即转速调节阶段第三阶段即转速调节阶段 转速调节器在这个阶段才起作用。开始时，转速转速调节器在这个阶段才起作用。开始时，转速已上升到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，已上升到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但由于积分的作用，其输出仍然维持在输入偏差为零，但由于积分的作用，其输出仍然维持在限幅值，电动机仍然在最大电流下加速，直至转速超调。限幅值，电动机仍然在最大电流下加速，直至转速超调。超调后，转速调节器的输入端出现负的偏差电压，使它超调后，转速调节器的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和，转速调节器开始转速调节。由于电流调节器退出饱和，转速调节器开始转速调节。由于电流调节器的输入发生了变化，故电流调节器也起调节作用，由于的输入发生了变化，故电流调节器也起调节作用，由于转速环是外环，起主导作用，最后使转速稳定在给定的转速环是外环，起主导作用，最后使转速稳定在给定的转速上。转速上。2.负载变化时的自动调节过程负载变化时的自动调节过程 当负载最大时，自动调节过程如下：由于负载最大，当负载最大时，自动调节过程如下：由于负载最大，转速下降，转速调节器的输入偏差电压最大，其输出开转速下降，转速调节器的输入偏差电压最大，其输出开始增加，电流调节器的输入偏差电压也增大，其输出开始增加，电流调节器的输入偏差电压也增大，其输出开始增加，在电流调节器的作用下，使电流增加并超过负始增加，在电流调节器的作用下，使电流增加并超过负载电流，转速开始回升，经过一段时间的调节，使电动载电流，转速开始回升，经过一段时间的调节，使电动机转速重新回到给定转速。机转速重新回到给定转速。3.电动机堵转时的自动调节过程电动机堵转时的自动调节过程 电动机堵转时，转速调节器迅速饱和，由于电动机堵转时，转速调节器迅速饱和，由于IdIdm使使Uic0，从而使电流调节器的输出迅速下降，从而使电流调节器的输出迅速下降，Ud和和Id迅速下降，转速急剧下降。但由于电流调节器的调节作迅速下降，转速急剧下降。但由于电流调节器的调节作用，使用，使Id维持维持I Idmdm不变，直到堵转为止。不变，直到堵转为止。转速调节器和电流调节器的作用可以归纳如下：转速调节器和电流调节器的作用可以归纳如下：（1 1）转速调节器的作用）转速调节器的作用使电动机转速使电动机转速n n跟随给定电压跟随给定电压U Ug g变化，保证稳态转速无静差。变化，保证稳态转速无静差。对负载扰动起抗扰作用。对负载扰动起抗扰作用。其输出限幅值决定允许的最大电流，在启动时给出最大电流其输出限幅值决定允许的最大电流，在启动时给出最大电流给定信号给定信号U Uimim。（2 2）电流调节器的作用）电流调节器的作用对电网电压扰动起及时抗扰作用。对电网电压扰动起及时抗扰作用。启动时保证获得恒定的最大允许电流。启动时保证获得恒定的最大允许电流。当电动机过载或堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速当电动机过载或堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。的安全保护作用。在转速调节过程中，使电流在转速调节过程中，使电流I Id d跟随给定电压跟随给定电压U Ug g的变化。的变化。转速、电流双闭环调速系统的特性：转速、电流双闭环调速系统的特性：（1 1）启动时，速度调节器饱和，作用小，主要依靠电流调节器）启动时，速度调节器饱和，作用小，主要依靠电流调节器起作用。起作用。（2 2）负载突然增加时，主要依靠电流调节器的调节作用清除转）负载突然增加时，主要依靠电流调节器的调节作用清除转速偏差。速偏差。第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统一、可逆调速系统的基本概念一、可逆调速系统的基本概念 1.两组晶闸管反并联的变流装置两组晶闸管反并联的变流装置 由于晶闸管整流装置的电流不能反向，所以在电由于晶闸管整流装置的电流不能反向，所以在电动机需要反转和回馈制动时，必须需要两套反并联的动机需要反转和回馈制动时，必须需要两套反并联的变流装置。变流装置。MIdId+正组正组VF反组反组VR2.电动机的四象限运行及正反组变流器的状态电动机的四象限运行及正反组变流器的状态TTnnVF+Ud+M电能电能EdnIdVR电网电网发电机运行发电机运行+VFUd+M电能电能EdnIdVR电网电网电动机运行电动机运行正转逆变正转逆变正转整流正转整流VF+Ud+M电能电能EdnIdVR电网电网电动机运行电动机运行反转整流反转整流+VFUd+M电能电能EdnIdVR电网电网发电机运行发电机运行反转逆变反转逆变3.可逆电路中的环流可逆电路中的环流 所谓环流是指不流过电动机而直接在两组变流器所谓环流是指不流过电动机而直接在两组变流器之间流通的短路电流。之间流通的短路电流。+VF+MVRIc 环流的存在会增加损耗、降低效率，过大的环流环流的存在会增加损耗、降低效率，过大的环流会损坏晶闸管，因此必须控制环流。但少量环流的存在会损坏晶闸管，因此必须控制环流。但少量环流的存在也有有利的一面，它有利于晶闸管中电流的连续，保证也有有利的一面，它有利于晶闸管中电流的连续，保证电流无间断的反向，加速反向时的过渡过程。电流无间断的反向，加速反向时的过渡过程。可逆调速系统根据环流的有无，分为有环流系统和可逆调速系统根据环流的有无，分为有环流系统和无环流系统两大类。无环流系统两大类。二、二、=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统 1.=工作制配合控制工作制配合控制 在这种工作之中，若正组工作在整流状态，则让在这种工作之中，若正组工作在整流状态，则让反组工作在逆变状态，且反组工作在逆变状态，且=，或让，或让，所以消除直，所以消除直流环流的条件是流环流的条件是。+VF+MVR整流整流逆变逆变UdFUdR 在这种工作制中，由于反组晶闸管中没有电流流在这种工作制中，由于反组晶闸管中没有电流流过，也没有电能回馈电网，只是等待逆变，所以称为待过，也没有电能回馈电网，只是等待逆变，所以称为待逆变状态。逆变状态。当需要制动时，可以同时改变正反组的触发延迟当需要制动时，可以同时改变正反组的触发延迟角，即同时降低角，即同时降低UdF和和UdR，一旦电动机的反电动势，一旦电动机的反电动势Ed UdF和和UdR，正组，正组VF的整流电流将被截止，而进入等待的整流电流将被截止，而进入等待整流状态。而反组进入逆变状态，将电能回馈给电网，整流状态。而反组进入逆变状态，将电能回馈给电网，实现回馈制动。实现回馈制动。在这种工作制中，虽然没有直流平均环流，但由在这种工作制中，虽然没有直流平均环流，但由于整流和逆变的瞬时电压并不相等，仍然存在瞬时环流，于整流和逆变的瞬时电压并不相等，仍然存在瞬时环流，故将这种系统称为故将这种系统称为=配合控制的有环流可逆调速系统。配合控制的有环流可逆调速系统。2.系统组成和原理系统组成和原理 L1L4为环流电抗器；为环流电抗器；Ld为平波电抗器；为平波电抗器；ASR和和ACR分别为分别为转速、电流调节器；转速、电流调节器；AR为反相器；为反相器；GTF和和GTR分别为正反向触分别为正反向触发器发器;TA为电流互感器。为电流互感器。UnGTR+KFKRUn*+ASRUi*ACR+L2L1+MLdUdofUdorTAEIdL3L41ARUcGTF+TG+UiUctVFVR 当当Uct=0时，两组触发装置的触发延迟角时，两组触发装置的触发延迟角FO和和RO均整定为均整定为90。Uct增大时，一方面增大时，一方面F减小，正组变流减小，正组变流器进入整流状态，整流电压器进入整流状态，整流电压Udof增大；另一方面增大；另一方面R减小，减小，反组变流器进入逆变状态反组变流器进入逆变状态Udof增大，在整个控制过程中增大，在整个控制过程中始终保持始终保持=，从而保持了从而保持了=配合控制。配合控制。3.系统的工作过程系统的工作过程 由于系统的启动与不可逆调速系统没有区别，因由于系统的启动与不可逆调速系统没有区别，因此只以正转制动过程为例分析。此只以正转制动过程为例分析。UnGTR+KFKRUn*ASRUi*ACRL2L1MLdUdofUdorTAEIdL3L41ARUcGTFTGUiUctVFVR+=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统正向运行正向运行时的极性时的极性1）本桥逆变阶段）本桥逆变阶段 发出停车指令后，发出停车指令后，Un*=0，速度调节器，速度调节器ASR的输入的输入为为Un，则，则ASR输出正饱和值输出正饱和值U*im，电流调节器，电流调节器ACR在在U*im和电流反馈信号和电流反馈信号Ui的共同作用下，的共同作用下，ACR的输出电压的输出电压变成负的限幅值变成负的限幅值Uctm，因而使正组变流器进入，因而使正组变流器进入min=30的逆变状态，而反组处于的逆变状态，而反组处于min=30整流状态。由于转速整流状态。由于转速和反电动势来不及产生明显的变化，而电流迅速下降，和反电动势来不及产生明显的变化，而电流迅速下降，则在平波电抗器两端感应出很大的电压，则在平波电抗器两端感应出很大的电压，由于由于 ，所以，所以，Id通过正组桥把储通过正组桥把储存在电抗器中的能量迅速逆变回馈电网，而反组并不能存在电抗器中的能量迅速逆变回馈电网，而反组并不能真正输出整流电流。真正输出整流电流。dordofdUUEdtdILEUnGTR+KFKRUn*ASRUi*ACRL2L1MLdUdofUdorTAIdL3L41ARUctGTFTGUiUctVFVR+=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统本桥逆变本桥逆变时的极性时的极性+2）反桥制动阶段）反桥制动阶段 反接制动阶段反接制动阶段 当电动机电枢电流当电动机电枢电流Id下降到零时，本桥逆变结束。下降到零时，本桥逆变结束。平波电抗器中的感应电压下降，平波电抗器中的感应电压下降，电流开始反向，这时，反组仍处于整流状态，在反组整电流开始反向，这时，反组仍处于整流状态，在反组整流电压和反电动势流电压和反电动势E的共同作用下，反向电流迅速增长，的共同作用下，反向电流迅速增长，电动机处于反接制动状态，转速开始下降。在该阶段反电动机处于反接制动状态，转速开始下降。在该阶段反组和电动机将电能储存在电感中。组和电动机将电能储存在电感中。dordofdUUEdtdILEUnGTR+KFKRUn*ASRUi*ACRL2L1MLdUdofUdorTAIdL3L41ARUctGTFTGUiUctVFVR+=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统反接制动反接制动时的极性时的极性 反桥逆变阶段反桥逆变阶段 当反向电流达到当反向电流达到Idm并略有超调时，电流调节器并略有超调时，电流调节器的输入偏差电压变负，其输出电压的输入偏差电压变负，其输出电压Uct退出饱和并急剧退出饱和并急剧减小，然后反向减小，然后反向(Uct由负变正由负变正)，使反组桥重新回到逆，使反组桥重新回到逆变状态，正组回到整流状态。此后在电流调节器的作变状态，正组回到整流状态。此后在电流调节器的作用下力图维持最大反向电流，使电动机回馈制动。当用下力图维持最大反向电流，使电动机回馈制动。当转速降低时，转速负反馈信号转速降低时，转速负反馈信号Un减小，但只要其极性减小，但只要其极性不变，转速调节器仍一直在维持限幅值，直至转速为不变，转速调节器仍一直在维持限幅值，直至转速为零时，主电路中仍有零时，主电路中仍有Idm的制动电流，迫使转速超调。的制动电流，迫使转速超调。一旦一旦n变负，变负，Un也反号，转速调节器的输出才退出限幅也反号，转速调节器的输出才退出限幅值并急剧减小，值并急剧减小，Idm迅速减小到零，转速在负载的作迅速减小到零，转速在负载的作用下又回到零，制动过程结束。用下又回到零，制动过程结束。EUnGTR+KFKRUn*ASRUi*ACRL2L1MLdUdofUdorTAIdL3L41ARUctGTFTGUiUctVFVR+=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统回馈制动回馈制动时的极性时的极性+三、逻辑无环流可逆调速系统三、逻辑无环流可逆调速系统 2.可逆系统对无环流逻辑控制装置的要求可逆系统对无环流逻辑控制装置的要求 （1）电平检测器）电平检测器时时间。时时间。第五节第五节 异步电动机串级调速系统异步电动机串级调速系统0第六节第六节 异步电动机的变频调速系统异步电动机的变频调速系统一、变频调速的基本原理与基本控制方式一、变频调速的基本原理与基本控制方式 2.变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式 1）额定频率以下的恒磁通变频调速）额定频率以下的恒磁通变频调速 由于由于E1/f1，为保持，为保持为常数，必须使为常数，必须使E1/f1为常为常数。但由于数。但由于E1不容易测量，而电动机工作时，不容易测量，而电动机工作时，E1U1，所以常采用所以常采用U1/f1=常数的方式进行变频调速，且属于恒常数的方式进行变频调速，且属于恒转矩调速。转矩调速。2）额定频率以上的弱磁调速）额定频率以上的弱磁调速 当当f1fN时，由于电源电压的限制，时，由于电源电压的限制，U1只能等于只能等于UN，所以，随着所以，随着f1的升高，的升高，只有下降，即弱磁调速，且属只有下降，即弱磁调速，且属于恒功率调速。于恒功率调速。二、变频器的分类及其特点二、变频器的分类及其特点分类分类交交交变频（直接变频）交变频（直接变频）交交直直交交变频（间接变频（间接变频）变频）电压源型电流源型电压源型电流源型脉冲幅度调制（脉冲幅度调制（PAM）和脉冲）和脉冲调制式：调制式：PWM式和式和SPWM式式 交交交变频（直接变频）与交交变频（直接变频）与交直直交变频（间接交变频（间接变频）的比较。变频）的比较。1.交交交变频（直接变频）交变频（直接变频）如果正组变流器和反组变流如果正组变流器和反组变流器轮流导通，在在负载上便可获器轮流导通，在在负载上便可获得交变的电压得交变的电压uo，uo的幅值可以的幅值可以通过改变变流器的控制角通过改变变流器的控制角加以加以调节，调节，uo的频率则由两组变流器的频率则由两组变流器轮流导通的切换频率所决定。由轮流导通的切换频率所决定。由于变频器的输出电压是经过晶闸于变频器的输出电压是经过晶闸管变流后得到的，所以输出频率管变流后得到的，所以输出频率不可能高于电网频率。不可能高于电网频率。正正组组反反组组u0u0t 2.交交直直交变频（间接变频）交变频（间接变频）（1）按直流侧电源性质分：电压源型电流源型。）按直流侧电源性质分：电压源型电流源型。C负载负载电源电源L负载负载电源电源电压源型电压源型电流源型电流源型 （2）按输出电压调节方式分：）按输出电压调节方式分：有脉冲幅度调制（有脉冲幅度调制（PAM）和脉冲调制式两种方式。）和脉冲调制式两种方式。1）脉冲幅度调制（）脉冲幅度调制（PAM）它是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在它是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压实现。则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压实现。2）脉冲调制式又分为）脉冲调制式又分为PWM（脉宽调制）式和（脉宽调制）式和SPWM（正弦波调制）式（正弦波调制）式 主要特点是整流电路采用二极管电路，逆变电路采主要特点是整流电路采用二极管电路，逆变电路采用大功率的晶体三极管或绝缘栅双极晶体管等全控型器用大功率的晶体三极管或绝缘栅双极晶体管等全控型器件。件。2.正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）方式）方式 参考信号（调制信号）：参考信号（调制信号）：在脉宽调制中，把期望的在脉宽调制中，把期望的波形称为参考信号（调制信号）。波形称为参考信号（调制信号）。载波信号：载波信号：受参考信号调制的信号称为载波信号。受参考信号调制的信号称为载波信号。正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）：）：把参考信号为正弦把参考信号为正弦波的脉宽调制方式称为正弦波脉宽调制（波的脉宽调制方式称为正弦波脉宽调制（SPWM）方）方式。式。在在SPWM方式中参考信号为正弦波，而载波信号方式中参考信号为正弦波，而载波信号为三角波。为三角波。SPWM调制的原理：调制的原理：在采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形在采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲，加在具有惯性的环节上时，其效果基状不同的窄脉冲，加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，即波形，即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。逆变电路输出电压的频率和幅值。脉宽调制中从调制脉冲的极性上又分为脉宽调制中从调制脉冲的极性上又分为单极性和双单极性和双极性极性两种。两种。VT1VT2VT3VT4+UdVT1VT2VT3VT4+Ud 当调制正弦波瞬时值当调制正弦波瞬时值高于载波三角波瞬时值时，高于载波三角波瞬时值时，三极管导通，输出电压为三极管导通，输出电压为U Ud d；当调制正弦波瞬时值；当调制正弦波瞬时值低于载波三角波瞬时值时，低于载波三角波瞬时值时，三极管截止，输出电压为三极管截止，输出电压为0 0。调整正弦波的幅值和。调整正弦波的幅值和频率即可达到调节输出交频率即可达到调节输出交流电压幅值和频率的目的。流电压幅值和频率的目的。1）单极性的）单极性的SPWM调制方式调制方式 由于三角波的极性为单方向的，由于三角波的极性为单方向的，故称为单极性故称为单极性SPWM逆变器。逆变器。其工作其工作特点是：同一桥臂的上、下管各工作特点是：同一桥臂的上、下管各工作调制正弦波的半个周期。如调制正弦波的半个周期。如U相上的相上的两个三极管两个三极管V1和和V4，在正弦波的正半，在正弦波的正半周内周内V1按正弦脉宽规律交替导通和截按正弦脉宽规律交替导通和截止，而止，而V2始终保持关断；在正弦波的始终保持关断；在正弦波的负半周负半周V2工作，而工作，而V1保持关断。保持关断。三、位置移动数字显示系统三、位置移动数字显示系统 在位置移动数字显示系统中，常用的检测元件有在位置移动数字显示系统中，常用的检测元件有感应同步器、光栅、磁栅等。感应同步器、光栅、磁栅等。1.感应同步器感应同步器 感应同步器是用来测量直线或转角的一种位置检感应同步器是用来测量直线或转角的一种位置检测器件。测量直线位置的有直线感应同步器；测量转测器件。测量直线位置的有直线感应同步器；测量转角的有圆感应同步器。角的有圆感应同步器。（1）感应同步器的结构）感应同步器的结构 感应同步器是一种电磁感应同步器是一种电磁式的位置检测传感器。主要式的位置检测传感器。主要部件包括定尺和滑尺。定尺部件包括定尺和滑尺。定尺和滑尺做在相对移动的两个和滑尺做在相对移动的两个部件上，两者平行放置，保部件上，两者平行放置，保持持0.20.3mm间隙。间隙。（2 2）工作原理）工作原理 滑尺与定尺互相平行，并保持一定的滑尺与定尺互相平行，并保持一定的距离，当向滑尺上的绕组通以交流激磁电距离，当向滑尺上的绕组通以交流激磁电压时，激磁信号在空间将产生一个和电压压时，激磁信号在空间将产生一个和电压同角频率的磁场。磁场切割定尺导片，由同角频率的磁场。磁场切割定尺导片，由于电磁感应，在定尺绕组上产生感应电压，于电磁感应，在定尺绕组上产生感应电压，当定尺与滑尺的绕组重合时，如右图中当定尺与滑尺的绕组重合时，如右图中A A点所示，这时感应电压最大。点所示，这时感应电压最大。B B点感应电点感应电压为零，压为零，C C点感应电压值与点感应电压值与A A点位置相同但点位置相同但极性相反，极性相反，D D点感应电压又变为零，当移点感应电压又变为零，当移动到一个极距时即图中动到一个极距时即图中E E点位置时，情况点位置时，情况和和A A点位置相同，这样在滑尺移动一个节点位置相同，这样在滑尺移动一个节距的过程中感应电压变化了一个余弦波形。距的过程中感应电压变化了一个余弦波形。感应同步器就是利用这个感应电压的变化感应同步器就是利用这个感应电压的变化进行位置检测的。根据不同的激磁供电方进行位置检测的。根据不同的激磁供电方式，感应同步器的工作状态可分为相位工式，感应同步器的工作状态可分为相位工作状态和幅值工作状态。作状态和幅值工作状态。（3 3）感应同步器的特点）感应同步器的特点 1 1）精度高。）精度高。2 2）测量长度不受限制。）测量长度不受限制。3 3）对环境的适应性强。）对环境的适应性强。4 4）维护简单、寿命长。）维护简单、寿命长。5 5）抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。）抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。（4 4）感应同步器安装是使用的注意事项）感应同步器安装是使用的注意事项1 1）感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约）感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为为0.25mm0.25mm，倾斜度小于，倾斜度小于0.50.5，装配面波纹度在，装配面波纹度在0.01mm/250mm0.01mm/250mm以以内。滑尺移动时，晃动的间隙及不平行度误差的变化小于内。滑尺移动时，晃动的间隙及不平行度误差的变化小于0.1mm0.1mm。2 2）感应同步器大多数在容易被切屑及切屑液浸入的地方，所以）感应同步器大多数在容易被切屑及切屑液浸入的地方，所以必须加以防护，否则切屑夹在间隙内，会使滑尺和定尺的绕组必须加以防护，否则切屑夹在间隙内，会使滑尺和定尺的绕组刮伤或短路，使装置发生误动作及损坏。刮伤或短路，使装置发生误动作及损坏。3 3）同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真度超）同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真度超过过2%2%，将对检测精度产生很大的影响，因此在调整系统时，应，将对检测精度产生很大的影响，因此在调整系统时，应加以注意。加以注意。4 4）由于感应同步器感应电势低，阻抗低，所以应加强屏蔽以防）由于感应同步器感应电势低，阻抗低，所以应加强屏蔽以防干扰。干扰。2.光栅：光栅：光栅也是位置检测元件之一。光栅也是位置检测元件之一。1.标尺光栅（长光栅）标尺光栅（长光栅）2.指示光栅（短指示光栅（短光栅）光栅）3.硅光电池硅光电池 4.光源和透镜光源和透镜baW（1 1）光栅的组成和工作原理）光栅的组成和工作原理下面以透射光栅为例介绍光栅的组成下面以透射光栅为例介绍光栅的组成工作原理。工作原理。1 1）光栅尺）光栅尺 光栅通常由两块光栅尺组成，其光栅通常由两块光栅尺组成，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，中长的一块称为主光栅或标尺光栅，要求与行程等长，短的一块称为指示要求与行程等长，短的一块称为指示光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。其中，与两光栅相对运动的方向垂直。其中，白的部分白的部分a a为透光线纹的宽度，黑的为透光线纹的宽度，黑的部分部分b b为不透光线纹的宽度，设栅距为不透光线纹的宽度，设栅距为为W W，则，则W=a+bW=a+b，一般，一般a=ba=b。常见长光。常见长光栅的线纹宽度为栅的线纹宽度为2525、5050、100100、125125、250250线线/mm/mm。WB2）光栅的工作原理）光栅的工作原理 指示光栅在其自身平面内相指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角对于标尺光栅倾斜一个很小的角度度,两块光栅的刻线就会相交。两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在与两块直照射在标尺光栅上，在与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向，光栅线纹相交的钝角平分线方向，出现明暗交替，间隔相等的粗短出现明暗交替，间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。条纹，称之为横向莫尔条纹。当光电元件接收到光的明暗变化时，则光信号就转当光电元件接收到光的明暗变化时，则光信号就转换为电压信号输出，它可以用光栅位移量换为电压信号输出，它可以用光栅位移量x的余弦函数的余弦函数表示，即表示，即WxUUumavo2cos式中式中 uo光电元件输出的电压信号；光电元件输出的电压信号；Uav输出信号中的直流分量。输出信号中的直流分量。3.磁栅磁栅（1）磁栅的工作原理）磁栅的工作原理磁栅也称为磁尺。由磁栅、磁头和信息处理电路组成。磁栅也称为磁尺。由磁栅、磁头和信息处理电路组成。N SS NN SS N磁头磁头信信 息息处理电路处理电路磁栅的位置检测装置磁栅的位置检测装置N SS NN SS NN SS NN Se123N1N2磁栅传感器示磁栅传感器示意图意图1-磁头磁头 2-磁栅磁栅 3-读出信号读出信号 当对当对N1施加励磁电流施加励磁电流ia=Imsint时，输出线圈中输时，输出线圈中输出的信号为：出的信号为：txUumscsin)2cos(式中，式中，u uscsc输出线圈中输出的感应电动势；输出线圈中输出的感应电动势；U Um m输出电动势的峰值；输出电动势的峰值；磁性标尺的节距；磁性标尺的节距；x x选定磁性标尺上某一个选定磁性标尺上某一个N N极作为位移零点时，磁头对极作为位移零点时，磁头对磁性标尺的位移量；磁性标尺的位移量；输出线圈感应电动势的角频率（比输出线圈感应电动势的角频率（比0 0高一倍）。高一倍）。由上式可知，磁头输出信号的幅值是位移由上式可知，磁头输出信号的幅值是位移x的函数。的函数。当当x=0、/2、等值时，等值时，usc的幅值达到最大值。当的幅值达到最大值。当x=/4、3/4等值时，等值时，usc的幅值为零。因此，在磁头相对于磁性的幅值为零。因此，在磁头相对于磁性标尺运动过程中，测量出磁头输出电压标尺运动过程中，测量出磁头输出电压usc的包络线过零的包络线过零的次数，就可以知道位移的次数，就可以知道位移x的大小。的大小。4.编码器编码器 编码器是数控机床中常用的角度检测装置，常与编码器是数控机床中常用的角度检测装置，常与伺服电动机或丝杠同轴安装，检测伺服电动机或丝杠伺服电动机或丝杠同轴安装，检测伺服电动机或丝杠的转角。按编码器的不同读数方法，可分为绝对编码的转角。按编码器的不同读数方法，可分为绝对编码器和增量编码器，前者是一个绝对的位置数据，后者器和增量编码器，前者是一个绝对的位置数据，后者是相对于上一个位置的增量（相对）数据；按其工作是相对于上一个位置的增量（相对）数据；按其工作原理分为接触式、光电式和电磁式（由霍尔元件构成，原理分为接触式、光电式和电磁式（由霍尔元件构成，可用作速度检测元件）等几种。可用作速度检测元件）等几种。12 34 51-光源光源 2-透镜透镜 3-编编码盘码盘 4-狭缝狭缝 5光电元件光电元件二进制编二进制编码盘码盘格雷码编格雷码编码盘码盘绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器 绝对式光电编码器的编码盘由透明和不透明区域组绝对式光电编码器的编码盘由透明和不透明区域组成，这些透明和不透明区域按一定编码构成，编码盘上成，这些透明和不透明区域按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。图中涂黑的部分为不透明码道的条数就是数码的位数。图中涂黑的部分为不透明区，输出为区，输出为“1”，则空白部分为透明区，输出为，则空白部分为透明区，输出为“0”。它有它有4条码道，对应每一条码道有一个光电元件来接收透条码道，对应每一条码道有一个光电元件来接收透过编码盘的光线，其中最内圈为所组成编码的最高位，过编码盘的光线，其中最内圈为所组成编码的最高位，最外圈为低位。若采用最外圈为低位。若采用n位编码盘，则能分辨的角度为：位编码盘，则能分辨的角度为：二进制编二进制编码盘码盘n2360