电气控制与工程实习指南 教学课件 ppt 作者 丁学文 第十三章 电动机驱动器与调速

第十三章 电动机驱动器与调速,13.1电动机调速,13.1 电动机调速 13.1.1 皮带轮改变转速,标准的交流异步电动机在固定的频率下运行，其转速是恒定的。例如，2对极50Hz异步电动机的额定转速大约是1400转/分左右。如果负载不要求调速，但要求的工作速度高于或低于额定转速，可以采用皮带轮、链轮、齿轮、涡轮蜗杆等改变转速。 图13-1所示为一皮带轮降速驱动砂轮机。皮带轮的直径按下式计算： 其中，Dm=被动皮带轮直径 Dd=主动皮带轮直径 nd=电动机转速 nm=被动轮转速,图13-1 皮带轮改变转速,13.1 电动机调速,对于负载要求很低转速的应用，可以采用齿轮电机或连到齿轮的电机，转速可以降到1转/分，甚至更低，如指针式大电钟。 对于要求连续改变速度的应用，需要采用电动机驱动装置，电动机驱动装置主要指交流电动机调速装置、直流电动机调速装置和步进电动机驱动装置等。,13.1.2 负载特性,负载特性是指生产机械的负载转矩与转速之间的关系，一般可以分为以下三类： 1).恒转矩负载，如输送带、机床等； 2).恒功率负载，如电车、电力机车、压力机等； 3).变转矩/变功率负载，如鼓风机、离心泵等。电动机的类型选择应和它拖动的负载类型相适应。 1.恒转矩负载特性 它的特点是负载转矩TL恒定不变，与转速无关。恒转矩负载特性又可以分为反抗性和位能性两种，如图13-2和图13-3中的红线所示：,TL,n,TL,n,0,0,+n,+TL,+TL,+n,+TL,-n,-TL,-n,图13-2 反抗性恒转矩 负载特性,图13-3 位能性恒转矩 负载特性,负载,负载,1.恒转矩负载特性,反抗性恒转矩负载（又称摩擦转矩负载） 它的特点是负载转矩的方向总与运动方向相反，即总是反抗运动的，当运动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。摩擦类型的负载就具有这样的性质，例如机床刀架的平移运动，车辆在平道上的行驶等。 位能性恒转矩负载 它的特点是负载转矩的方向固定不变，而与转速的方向无关。具有位能的拖动对象所产生的转矩就有这样的性质。例如起重机所吊重物的升降运动，不论是提升或下降，重物所产生的负载转矩，其方向总是不变的。,2.变转矩/变功率 （以风机类为例）负载特性,它的特点是负载转矩基本上与转速的平方成正比，如图13-4所示，即 式中 K比例常数。 属于风机类负载的生产设备有鼓风机、水泵、油泵等，如图13-6所示。风机类负载也属于反抗性负载。,2.变转矩/变功率 （以风机类为例）负载特性,a)鼓风机,b)高压风机,c)水泵,图13-6 变转矩变功率负载,d)离心泵,3.恒功率负载特性,它的特点是负载转矩基本上与转速成反 比，如图13-5所示，即 式中, K比例系数。负载功率为,图13-7 卷绕设备是一种恒功率负载,图13-8 印刷设备中的卷绕驱动,3.恒功率负载特性,某些机床的切削加工就具有这种特性，例如车床、刨床等，在粗加工时，切削量大，因而阻力也大，这时常开低速；在精加工时，切削量小，阻力也小，这时常开高速，就具有高、低速下功率近似不变的特性。 要求恒张力恒线速度运行的卷绕设备有类似的特点，也是一种恒功率负载，如图13-7和13-8所示。 以上介绍的是三类典型的负载特性。实际生产机械的负载特性可能是几种典型特性的复合。,13.1.3 电动机调速的转矩与功率,电动机允许输出的转矩和功率 电动机长时间工作允许输出的电磁转矩和允许输出的功率由电动机发热条件决定。下面仅以直流他励电动机为例加以说明。直流电动机的发热主要取决于电枢电流Ia,而额定电流IN就是电动机长时间工作所允许的电流值。,调电枢电压调速,这种方法调速时，使=N=常数，所以 TM = CTNIN =TN =常数 式中C1=TN/9550 为比例常数； n电机转速，单位为r/min； PM电机允许的功率，单位为kW； 可见调压调速时，TM=常数，PM与n成正比，属于恒转矩调速方式。,TM,PM,n,Te,P,nmax,nN,0,恒转矩 调速区,恒功率调速区,图13-9 直流他励电动机调速时允许输出的转矩与功率曲线,可见调压调速时（在额定转速nN以下调速），TM=常数，PM与n成正比，属于恒转矩调速方式。,弱磁调速,这时U=UN，IM=IN，则 TM 可见弱磁调速时（在额定转速nN以上调速），PM=常数， 属于恒功率调速方式。,13.1.3 电动机调速的转矩与功率,应当指出的是：电动机的允许输出转矩TM只表示电动机在发热条件允许下的使用限度，并不代表电动机的实际输出。电动机的实际输出应由负载的实际需要来决定。,13.1.4调速方式与负载类型的配合,1.恒转矩负载配恒转矩调速方式和恒功率负载配恒功率调速方式 它们的特性配合分别如图13-10a）和b）所示，在任何转速下都满足TM=TL，PM=PL。这样电动机既能满足生产机械的需要，本身又能得到充分利用。显然，这样的配合是合适的。要使电动机在任何速度下都能长时间运行，应使负载转矩TL总是小于TM（电机允许的转矩）。,Te,n,TM,TL,0,Te,n,0,TM,TL,a)恒转矩,b)恒功率,图13-10 调速方式与负载类型的恰当配合,2.恒转矩负载配恒功率调速方式,它的特性配合如图13-11所示。为使电动机在最高转速nmax时能满足负载的需要，应使 TM|nnmax=TL， 但在其它转速下电机总有不同程度的浪费（TMTL，PMPL)。,图13-12 恒功率负载配恒转矩调速,TM,TL,n,nmax,nmin,0,Te,3.恒功率负载配恒转矩调速方式,它的特性配合如图13-12所示。为了使电动机在最低转速nmin时能满足负载转矩的需要，应使TM=TL|nmin，但在其它转速下电机都有浪费（TMTL，PMPL），显然，这种配合也是不好的，它将造成高速运行时电机容量的浪费。,13.1.4调速方式与负载类型的配合,4.风机类负载与两种调速方式的配合 通风机类负载与恒转矩调速和恒功率调速方式的特性配合如图13-13a)和b)所示。 为了使电动机在最高转速时能满足负载的需要，则TM|nmax=TL|nmax,但在其它转速下电动机都有浪费（TMTL，PMPL），转速越低，浪费的越多。可以看出风机类负载与两种调速方式的配合都是不好的。,图13-13 风机类负载与两种调速方式的配合,a),b),Te,Te,0,0,n,n,TL,TM,TL,nmax,nmax,PM,13.2 直流电动机速度控制 和直流电动机驱动器,直流电动机有两大优点： 1.转速容易被控制； 2.输出转矩大。 广泛用在需要调速和需要频繁加速/减速的场合。它能短时输出35倍的额定转矩；相比较，多数交流电动机只能短时输出2倍的额定转矩。,13.2.1 直流电动机的转矩与速度控制,1.串励直流电动机 直流串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，能产生很高的启动转矩，如图13-14a)所示。适用于要求启动转矩大的应用场合，如闸门提升机、公交电车、铁路机车等。 直流电动机的转矩与电枢电流与励磁电流的乘积成正比，它们串联的结果，使产生的转矩与电枢电流的平方成正比。电枢电流增加到2倍，转矩增加到4倍。,1.串励直流电动机,串励直流电动机的机械特性软，当负载转矩小的时候，转速高；当负载转矩大的时候，转速低，对闸门提升、电车启动等非常有利；但是，空载和轻载的时候转速能上升到危险的程度，直流串励电动机应直接连接到负载，而不宜通过皮带、链条等连接到负载。 串励直流电动机借助调压调速，尽管它的调速性能不如并励直流电动机好。但是并不是所有的负载都把好的调速性能要求放在第一位，如汽车的启动电动机，对它的主要要求是高启动转矩，这正好是串励直流电动机的强项。,+,-,励磁绕组,电枢,电枢电流,转矩/转速,额定电流,启动电流,电枢电流,转矩/转速,额定电流,启动电流,+,-,电枢,励磁绕组,图13-14 串励和并励直流电机的转矩/转速特性,a）串励,b）并励,转矩,转速,转速,转矩,2.并励直流电动机,并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，这样的结构使它们的调速性能优越。它们的机械特性硬，当负载变化时，其转速变化很小，如图13-14b）所示，适用于对转速的稳定性要求较高的应用场合，如金属切削机床等。 并励电机可以接成分励，分励直流电动机借助分别调节施加在电枢绕组和励磁绕组上的电压调速。如果单独降低电枢电压，转速降低；如果单独降低励磁电压（电流），转速则上升。 电枢回路串接可变电阻或励磁回路串接可变电阻可以调节并励直流电动机的转速，如图13-15所示。,+,-,电枢,励磁绕组,+,-,电枢,励磁绕组,电枢,串励绕组,并励绕组,+,-,转矩,转速,电枢电流,转矩/转速,额定电流,启动电流,图13-15 并励电机 串电阻调速,图13-16 复励直流电动机 转矩转速特性,增加电枢绕组串联电阻可以降速；增加励磁绕组串联电阻可以升速。,3.复励直流电动机,复励直流电动机既有串联绕组也有并联绕组，如图13-16所示。这样的结构特点使它们既具有串励电动机启动转矩大的优点，又具有并励电动机速度稳定性好的优点。适用于负载波动比较大而对又转速的稳定性要求不高的应用场合，例如，电梯、提升机、传送带等。 调速既可以借助调节电枢绕组电压，也可以借助调节并联励磁绕组电流。可以串电阻，也可以施加可变电压源。,13.2.2 直流电动机晶闸管调速,目前，大多数直流电动机的速度控制采用晶闸管，而不是可变电阻。这是因为，与串电阻相比晶闸管直流调速装置体积小、效率高。 晶闸管调节的是施加到直流电动机电枢绕组或励磁绕组上的电压。 调节电枢电压调速属于恒转矩调速，调节励磁电压调速属于恒功率调速。,图13-17 直流电动机晶闸管调压调速,13.2.2 直流电动机晶闸管调速,图13-17输出了一个简单的晶闸管调压调速系统。触发电路根据速度设定值调节晶闸管一个周期的导通时间，从而调节施加到电枢上的平均电压，使电动机从基速向下调速。 二极管整流桥给励磁绕组提供恒定的励磁绕组电压，系统的调速范围从0到基速。如果要求的调速范围超过基速，则需要用晶闸管代替二极管整流，使励磁绕组电压向下降，弱磁升速。,13.2.3 直流电机驱动器,直流电动机驱动器由晶闸管、晶闸管触发电 路、速度闭环调节电路等组成，可以完成以下多 种功能：,过载保护； 制动； 可编程输出； 运行状态显示，如电压、电流等； 故障状态显示，如过流、过压等； 远距离通讯功能。,启动 停止 点动 速度调节 电动机转向控制 加速时间控制 减速时间控制,电动机驱动器有软启动功能，它能控制加减速时间，使启动过程平稳，无电流冲击，实际上就是降压软启动。 电动机驱动器有制动能力，它能发电制动并能将发电制动的能量反馈回直流电源（回馈制动）。 电动机驱动器有正/反转功能，可以设定运转方向。 电动机驱动器附带有电子过载保护功能。,13.2.3 直流电机驱动器,13.2.3 直流电机驱动器,电动机驱动器完全可以代替磁力启动器，完成正反转启动/运行/过载保护/制动等功能。 电动机驱动器可以实现直流电机的四象限连续平滑调速。 电动机驱动器可以实现速度闭环调节，做到速度无静差；如果采用多环控制，例如电流内环，速度外环，还可以达到相当高的动态性能。,图13-18 直流电动机驱动器应用及操作,图13-19 直流电动机驱动器和电器柜,13.3 交流电机速度控制与交流电机驱动器 13.3.1 交流异步电动机速度控制,交流异步电机的转速表达式为 由式可见，异步电机有三种调速方法： 1 调定子频率f1 可以在宽