第四節(jié)交流伺服電機(jī)

1、第四節(jié) 交流伺服電機(jī)交流電機(jī)其轉(zhuǎn)子回路內(nèi)的電流不必從外部通入，因此采用全封閉無(wú)刷結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅運(yùn)行可靠，無(wú)需定期檢修，而且能適應(yīng)惡劣生產(chǎn)環(huán)境。但是交流電機(jī)的調(diào)速控制性能不如直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的技術(shù)和手段比直流電機(jī)要復(fù)雜得多，因此，解決交流電機(jī)調(diào)速問(wèn)題一直是電工業(yè)界的重要課題。直到70年代以后，全控式大功率器件、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，才成功開發(fā)出交流電機(jī)調(diào)速裝置變頻調(diào)速器，使得交流電機(jī)具備了可與直流電機(jī)相媲美的寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等良好技術(shù)性能。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速器價(jià)格的下降，交流伺服傳動(dòng)取代直流伺服傳動(dòng)已是必然的發(fā)展趨勢(shì)。交流

2、電機(jī)種類熱愛(ài)多，目前在機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)中選作伺服電機(jī)的主要有籠型異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)，兩者都可采用變頻調(diào)速。永磁同步電機(jī)又稱無(wú)刷直流伺服電機(jī)，主要用于10kW以下的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，而異步電機(jī)應(yīng)用極為廣泛，本節(jié)重點(diǎn)介紹異步電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制。)1 (60spfn00nnns一、交流異步電機(jī)變頻調(diào)速的基本方法與特性（一）交流異步電機(jī)變頻調(diào)速的基本方法交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： （641） (642)式中 n電機(jī)轉(zhuǎn)速；n0電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，即定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速；s轉(zhuǎn)差率；f交流電源頻率：p磁極對(duì)數(shù)。根據(jù)式(641)可得到不同的交流異步電機(jī)調(diào)速的方法： （1）轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻改變轉(zhuǎn)差率s。但這種方法調(diào)速

3、機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行時(shí)電阻損耗很大，主要用于起重機(jī)等電機(jī)斷續(xù)運(yùn)行的設(shè)備。 （2）改變定子電壓來(lái)改變轉(zhuǎn)差率。這種方法損耗也很大，主要用于簡(jiǎn)單家用電器。 （3）改變極對(duì)數(shù)來(lái)改變轉(zhuǎn)速。雙速電機(jī)就是據(jù)此設(shè)計(jì)制造的，這種方法調(diào)速是有級(jí)的，而且調(diào)速范圍窄。 （4）改變定子供電頻率，可以平滑地改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這種方法最為理想，稱為交流變頻調(diào)速。 三相交流異步電動(dòng)機(jī)發(fā)明于19世紀(jì)80年代，從發(fā)明異步電動(dòng)機(jī)的那一天起，就已經(jīng)知道了改變頻率可以調(diào)速的原理。然而，變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段卻是在20世紀(jì)80年代，中間竟相隔了將近100年！那么，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速究竟需要解決哪些關(guān)鍵問(wèn)題呢? 1.變頻必須同時(shí)變壓 對(duì)異

4、步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制時(shí)，最好（必須）要求主磁通不變。任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是磁通和電流互相作用的結(jié)果，電動(dòng)機(jī)的電流大小要受到溫升的制約，是不允許超過(guò)其額定值的，如果磁通減小了，電磁轉(zhuǎn)矩同樣會(huì)減小，電機(jī)的負(fù)載能力就會(huì)下降。磁通是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的，若磁通太強(qiáng)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的磁路飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流過(guò)大和發(fā)生畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因過(guò)熱而損壞電機(jī)。11144. 4NfKEEm根據(jù)電機(jī)理論，在三相交流異步電動(dòng)機(jī)中，主磁通m的大小與每相定子繞組的電動(dòng)勢(shì)有效值E1及頻率f1有如下關(guān)系：式中式中 KE比例常數(shù)；比例常數(shù)；N1定子相繞組有效匝數(shù)。定子相繞組有效匝數(shù)。主磁通m的值是由E1和f1共同決定的，若能保持E1/

5、f1恒定，就可以使主磁通保持額定值不變。由于電動(dòng)勢(shì)E1難于直接檢測(cè)和直接控制，又因?yàn)镋1和f1的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如忽略不計(jì)，則可近似地認(rèn)為電動(dòng)勢(shì)主要與相電源電壓U1相平衡，即U1E1，因此，保持主磁通m不變的替代方法是保持U1/f1恒定。所以變頻的同時(shí)必須變壓，這也就是變頻器常被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）的原因。2.大功率可控開關(guān)器件是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的必要條件 目前應(yīng)用最廣的是三相“交直交”變頻器，“交直交”變頻器的基本工作過(guò)程是先將電源的三相（或單相）交流電經(jīng)整流橋整流成直流電，又經(jīng)逆變器把直流電“逆變”成頻率任

6、意可調(diào)的三相交流電。在這里，逆變器是變頻器的關(guān)鍵部分，它由開關(guān)器件構(gòu)成。逆變過(guò)程是開關(guān)器件按一定規(guī)律不停地導(dǎo)通和截止（關(guān)斷）的過(guò)程。這些開關(guān)器件必須滿足以下要求： （1）能承受足夠大的電壓和電流； （2）允許長(zhǎng)時(shí)間頻繁地接通和關(guān)斷； （3）接通和關(guān)斷的控制必須十分方便。 因此，能否生產(chǎn)出滿足上述要求的大功率開關(guān)器件便是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵。第三節(jié)已經(jīng)說(shuō)明大功率可控開關(guān)器件（GTS）是在20世紀(jì)70年代才問(wèn)世的，因此，20世紀(jì)80年代變頻調(diào)速技術(shù)才進(jìn)入實(shí)用階段，但當(dāng)變頻調(diào)速技術(shù)取得突破、進(jìn)入實(shí)用階段以后，其發(fā)展便極其迅猛。在短短20年的時(shí)間里，已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最理想、最有發(fā)展前途的一種調(diào)速方式了

7、。 （二）交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速的機(jī)械特性 為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通m恒定. 1.基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速 這是考慮從基頻（我國(guó)為50Hz）向下調(diào)速的情況。上面所述，近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，也即要求U1和頻率f1同向變化，就可保持磁通m不變。從基頻向下調(diào)速的情況，要求降低供電頻率的同時(shí)也要求降低相電壓，這時(shí)相電壓U1顯然低于電機(jī)額定電壓，能夠保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，此時(shí)電機(jī)不僅能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且是恒磁通變頻調(diào)速，所以此時(shí)的調(diào)速控制具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。當(dāng)頻率很低時(shí)，U1和頻率f1都變得很小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能忽

8、略。在這種情況下，可以適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使磁通m基本保持不變。 2.基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速 這是考慮由基頻開始向上調(diào)速的情況。頻率f1由額定值向上增大，但電壓U1受額定電壓的限制不能再升高，只能保持U1為額定值不變。這必然會(huì)使磁通m隨著f1的上升而減小，所以此時(shí)的調(diào)速控制具有近似的恒功率調(diào)速特性。 （三）交流異步電機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn) 交流異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，充分發(fā)揮了異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有下列顯著特點(diǎn)： （1）籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用，維護(hù)工作量小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以做到高電壓、大容量、高轉(zhuǎn)速，從根本上克服了直流電機(jī)有刷結(jié)構(gòu)的的缺陷。 （2）運(yùn)行效率高，節(jié)能

9、效果顯著。由于異步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速過(guò)程中總是運(yùn)行在很小的轉(zhuǎn)差率情況下，所以轉(zhuǎn)差率小(損耗小)，效率較高。同時(shí)，由電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)差率很小時(shí)，轉(zhuǎn)子的等效電阻很大，此時(shí)轉(zhuǎn)子回路基本上是電阻性的，因而功率因數(shù)cos亦高。對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，采用交流變頻調(diào)速后，節(jié)電率可達(dá)（2060）%。 (3）調(diào)速范圍寬。頻率可以在低于和高于工頻電源頻率的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，低頻率從幾赫茲開始，高頻則可達(dá)幾百赫茲，因而具有寬的調(diào)速范圍。 （4）可以大大減小生產(chǎn)設(shè)備的體積和重量，減少金屬耗用。另外，也可大大減少許多生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了加工精度和工作效率。 （5）由于采用微計(jì)算機(jī)控制，變頻調(diào)速伺服系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn)行時(shí)已有相當(dāng)?shù)木?/p>

10、度，若采用速度閉環(huán)控制，則可得到很高的調(diào)速精度。異步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)已有系列產(chǎn)品，在各項(xiàng)性能上已達(dá)到或超過(guò)了直流伺服系統(tǒng)的水平。 二、變頻調(diào)速器 要實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速，就必須給電機(jī)提供頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的交流電源，變頻調(diào)速器就是能實(shí)現(xiàn)將頻率和電壓固定的交流電變成頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的交流電源的裝置。目前使用的變頻器，按變換環(huán)節(jié)不同，可分為交直交變頻器和交交變頻器。后者只適用于低速(最高頻率為電源頻率的1/31/2)、大容量的場(chǎng)合。由于變頻器的負(fù)載通常為異步電機(jī)，其功率因素是滯后的，同時(shí)因直流環(huán)節(jié)不便向負(fù)載提供無(wú)功功率，必須在期間設(shè)置儲(chǔ)能元件，以吞吐系統(tǒng)的無(wú)功能量，根據(jù)無(wú)功能量的處理方式，變

11、頻器可分為電流型（儲(chǔ)能元件為電感）和電壓型（儲(chǔ)能元件為電容）。下面對(duì)此重點(diǎn)介紹。采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方式的交直交電壓型變頻器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中使用最廣泛，俗稱通用變頻器。 （一）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）交直交變頻器變頻器的基本構(gòu)成如圖641所示，其工作過(guò)程是：先將交流電源經(jīng)整流橋變成直流電，再經(jīng)逆變器變成頻率和電壓可調(diào)的交流電輸出。 保持逆變器的直流電壓和三角載波的的幅值不變，通過(guò)改變被調(diào)制信號(hào)UR的幅值和頻率（三角載波頻率也作相應(yīng)調(diào)整）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出的大小和頻率的控制。 這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱SPWM（Sine PWM）。 以上分析的是單相半波的情況，對(duì)于三相逆變

12、器，內(nèi)部還需要有脈沖的循環(huán)分配環(huán)節(jié)，使之造成6路在相位上互差60的調(diào)寬系列脈沖去相應(yīng)控制逆變器中的6個(gè)開關(guān)器件，從而得到三相調(diào)頻交流電源。SPWM的電流波形 (1)電流的諧波分量將產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)軸上的有效輸出轉(zhuǎn)矩減小。 (2)諧波電流中的載波頻率分量將引起電動(dòng)機(jī)鐵心的振動(dòng)而產(chǎn)生電磁噪聲。 (3)載波頻率分量的諧波電流，具有較強(qiáng)的輻射能力，會(huì)影響其他電子設(shè)備的正常使用。 為了克服上述SPWM變頻調(diào)速帶來(lái)的不良效應(yīng)，目前采取的對(duì)策有： （1）提高載波頻率，可使負(fù)載電流的波形和正弦波逼近，從而減小了電流的高次諧波分量，如圖6-7（b）所示。而載波頻率的大小是受逆變器件的工作頻率(決定于其開通

13、與關(guān)斷時(shí)間)制約的。現(xiàn)在大多已采用IGBT作逆變器件，載波頻率可達(dá)15kHz，電流波形已相當(dāng)平滑，高次諧波分量很小，故電動(dòng)機(jī)的有效輸出轉(zhuǎn)矩大，基本無(wú)噪聲。 （2）必需時(shí)可在變頻器與普通異步電動(dòng)機(jī)之間串入高頻濾波電感。 （3）選用為變頻器專配的低噪聲異步電動(dòng)機(jī)（價(jià)格較昂貴）。（二）SPWM的控制模式 對(duì)于驅(qū)動(dòng)三相交流異步電機(jī)的變頻器而言，SPWM調(diào)制波是根據(jù)三角波與正弦波的交點(diǎn)來(lái)確定6路在相位上互差60的調(diào)寬系列脈沖去相應(yīng)控制逆變器中的6個(gè)開關(guān)器件的通斷工作時(shí)刻。對(duì)于這樣的調(diào)寬系列脈沖控制脈沖，最初采用分立元件電路，由振蕩器分別產(chǎn)生正弦波和三角波信號(hào)，通過(guò)比較器直接比較。這種電路控制精度難以保證，可靠性差。后來(lái)采用專用芯片組成上述電路。目前普遍采用微機(jī)控制來(lái)生成SPWM波，比專用芯片靈活，還具有很強(qiáng)的自診斷能力，但成本也相應(yīng)較高。在要求更高的場(chǎng)合，如高級(jí)電梯的VVVF裝置里還采用雙CPU控制。 用微機(jī)控制生成SPWM波時(shí)，必須根據(jù)控制要求實(shí)時(shí)地計(jì)算出調(diào)制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果