直流、交流电动机调速系统

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制作人：董爱梅制作人：董爱梅

第三章 直流电动机调速系统 直流电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。 直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体 ( 永久磁铁 ) 产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内 (100w 以上 ) 。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。

一、 特点1 、稳定性好2 、可控性好3 、响应迅速4 、控制功率低，损耗小5 、转矩大

直流电机控制

二、 驱动与控制

一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回授等。目前常用晶体管驱动和可控硅直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器 (PwM) 。 一般，宽频带低功率系统选用线性放大器 ( 小于几百瓦 ) ，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。

一、可控硅直流调速驱动

第三章 直流电动机调速系统

转速负反馈自动调速系统

电压负反馈和电流正反馈自动调速系统

第四章 交流电动机调速

变频调速

间接变换方式 （交－直－交变频）变频方式 直接变换方式（交－交变频） 交－直－交变频是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。目前常用的通用变频器即属于交－直－交变频，其基本结构原理如图 4 － 12 。由图可知，变频器主要由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。变频器还有丰富的软件，各种功能主要靠软件来完成。 交流电源 交流电源 电压频率可变 中间直流环节 逆变器整流器

控 制 电 路

变频器的分类方式很多，除了按电源变换方式分类外，还可以按逆变器开关方式来分类，即 PAM 方式和 PWM 方式。 PAM 控制是 Pulse Amplitude Modulation （脉冲振幅调制）控制的简称； PWM 控制是 Pulse Width Modulation （脉冲宽度调制）控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。目前在变频器中多采用正弦波 PWM 控制方式，即通过改变 PWM 输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近正弦波，这种方式也被称为 SPWM 控制。变频器还可以按控制方式分为 V/F （电压 / 频率）控制、转差频率控制和矢量控制三种。其中， V/F 控制属于开环控制，而转差控制和矢量控制属于闭环控制，二者的主要区别在于 V/F 控制方式中没有进行速度反馈，而在转差频率控制方式和矢量控制方式利用了速度传感器的速度闭环控制。

变频器种类• 通用变频器：节能，节电 20% ，用于压缩机、泵、搅拌机、挤压机等；• 提高控制性能实现自动化，用于运输机械、起重机等。• 纺织专用变频器：改善传动特性，实现自动化。纺织、化纤机械。• 矢量控制变频器：提高传动精度及实现系统的集散控制。冶金、印刷、造纸。• 要求高精度的转矩控制，加速度大，能与上位机进行通讯。• 机床专用变频器：用于机床主轴传动控制，以满足工艺上要求得大加减速转

矩，宽广的恒功率控制及高精度的定位控制，提高机床自动化。• 电梯专用矢量变换控制变频器：实现缓慢平稳的升降速。• 高频变频器：用于超精密加工、高速电动机。如专用脉冲调幅型变频器，频

率达 3kHZ ，对应转速 18 × 104r/min 。

变频器选择• 分析控制对象的负载特性选择电动机的容量

• 根据用途选择合适的变频器类型

• 确定变频器容量 （ 1 ）选择变频器具体型号是以电动机额定电流值为依据，以电动机的额定功率为参考值。变频器最大输出电流应大于电动机的额定电流值。

（ 2 ）变频器与电动机的距离过长时，为防止电缆对地耦合与变频器输出电流中谐波叠加而造成的电动机端子处电压升高的影响，应在变频器的输出端安装输出电抗器。

（ 3 ）变频器选择时，要考虑电动机的运行频率在什么功率范围内。在低速范围内，应考虑电动机的温升情况，是否需加装风扇给电动机散热。

（ 4 ）变频器选择时，一定要注意其防护等级应与现场情况相匹配，防止现场的粉末或水分影响变频器的长久运行。

变频器的安装、运行及维护（ 1 ）变频器安装及连接变频器的安装应按照变频器说明书的要求进行安装。固定变频器的本体后，在接线时，应严格按照随机说明书的各项说明进行接线，千万不要接错线。（ 2 ）变频器的运行及维护1 ）     按照随机说明书核对主线路和控制线路是否正确，确认无误后，给变频器上电。2 ）     在变频器上电后，对变频器进行调试，确认电动机的转向、运行频率、电流、转速等指标是否达到工艺的要求。3 ）     为使变频器能长期可靠运行，应进行日常检查和定期检查。在运行时，应检查变频器的运行电流、电压是否平衡，是否有突变声音。在停机时，可以采用目视和嗅觉检查，对变频器的显示、控制、冷却部分以及主电路进行检查。

变频调速系统应用实例

        ABB 变频器在恒压供水控制系统中的应用 恒压供水是指不论用户端水量大小，总保持管网水压基本恒定。这样，既可以满足各部位用户的用水的需要，又不使电动机空转，造成电能的浪费。因此，由变频器得到给定压力信号和实际反馈信号，利用变频器内部固有的功能进行比较计算，通过频率输出的变化调节水泵转速，从而控制管网中水压力恒定。变频器恒压供水系统如图 4-13所示。

本系统仅举出一个简单例子，即一台变频器带一台水泵运行。主要构成为 ABB ACS600 系列变频器一台，由于 ABB公司 ACS600 系列变频器均带有 PID 调节器，所以可以根据给定压力（设定压力）和压力传感器返回的实际压力信号进行比较，实现 PID 调节（比例积分微分调节），变频器根据用户水量大小而引起的水压变化，相应地调节水泵电动机的转速来控制水压的恒定，另外变频器可以输出相应的电流信号给显示控制器，可直接显示出变频器的实际运行状态，同时变频器对电动机具有过流、过压、欠压、过载等全部故障保护功能。恒压供水系统的控制原理图如图 4-14所示。 变频器的功能参数设定主要根据现场条件和厂家提供的用户手册进行设定，主要有：启动 /停止参数、信号选择参数、 PID 控制参数与加 /减速时间等几组参数，其余均可遵照变频器出厂值。 在本系统主电路中，变频器的前端加入空气断路器与快速熔断器进行前端过电流保护与短路保护，以避免变频器整流部分的损坏。后端直接与水泵电动机相连。

接变频器运行指示信号

/接变频器起 停信号

X25: 3

X25: 2

X2: 1

X2: 7

接压力给定信号（如信号发生器）

接压力反馈信号（如压力变送器）

FU

ACS601系列

变频器

X1: 6

X1: 5

X1: 7

X1: 8

M

4 23 图 － 恒压供水系统控制原理图

U1

V1

W1

QF1U2

V2

W2

在本系统控制电路中，变频器接受的压力给定信号与压力反馈信号均为电流信号（ 4-20mA ），变频器接受的启 /停信号为无源开关量信号，其运行指示信号输出也为无源开关量信号。

需要指出的是，在系统中如果水泵为离心式水泵，那么变频器在选择时可按照平方转矩选择；如果水泵为潜水泵，那么变频器在选择时应按照恒转矩选择。这是因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流要大，所以选择变频器时，变频器的连续输出电流要大于潜水泵电动机的额定电流。

FVR-E11S系列 富士变频器

强功能、小型化、动态转矩矢量控制

本系列变频器体积虽小但性能高， 0.5Hz时电动机的起动转矩为 200%，低速范围转矩脉动比以前的变频器约小一半。具有各种智能化功能，如自动节能、PID控制、自整定和 RS485通信等，并增强了维护／保护功能，如增加输入电涌电流抑制和寿命预报等。