第四節(jié)交流伺服電機

1、第四節(jié) 交流伺服電機交流電機其轉(zhuǎn)子回路內(nèi)的電流不必從外部通入，因此采用全封閉無刷結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，不僅運行可靠，無需定期檢修，而且能適應(yīng)惡劣生產(chǎn)環(huán)境。但是交流電機的調(diào)速控制性能不如直流電機，實現(xiàn)交流電機無級調(diào)速的技術(shù)和手段比直流電機要復(fù)雜得多，因此，解決交流電機調(diào)速問題一直是電工業(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)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，才成功開發(fā)出交流電機調(diào)速裝置變頻調(diào)速器，使得交流電機具備了可與直流電機相媲美的寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度和快速動態(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)速器價格的下降，交流伺服傳動取代直流伺服傳動已是必然的發(fā)展趨勢。交流

2、電機種類熱愛多，目前在機電一體化伺服系統(tǒng)中選作伺服電機的主要有籠型異步電機和永磁同步電機，兩者都可采用變頻調(diào)速。永磁同步電機又稱無刷直流伺服電機，主要用于10kW以下的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，而異步電機應(yīng)用極為廣泛，本節(jié)重點介紹異步電機變頻調(diào)速驅(qū)動控制。)1 (60spfn00nnns一、交流異步電機變頻調(diào)速的基本方法與特性（一）交流異步電機變頻調(diào)速的基本方法交流異步電機的轉(zhuǎn)速公式為： （641） (642)式中 n電機轉(zhuǎn)速；n0電機同步轉(zhuǎn)速，即定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；s轉(zhuǎn)差率；f交流電源頻率：p磁極對數(shù)。根據(jù)式(641)可得到不同的交流異步電機調(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、機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大，主要用于起重機等電機斷續(xù)運行的設(shè)備。 （2）改變定子電壓來改變轉(zhuǎn)差率。這種方法損耗也很大，主要用于簡單家用電器。 （3）改變極對數(shù)來改變轉(zhuǎn)速。雙速電機就是據(jù)此設(shè)計制造的，這種方法調(diào)速是有級的，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。 三相交流異步電動機發(fā)明于19世紀80年代，從發(fā)明異步電動機的那一天起，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)進入實用階段卻是在20世紀80年代，中間竟相隔了將近100年！那么，實現(xiàn)變頻調(diào)速究竟需要解決哪些關(guān)鍵問題呢? 1.變頻必須同時變壓 對異

4、步電動機進行變頻調(diào)速控制時，最好（必須）要求主磁通不變。任何電動機的電磁轉(zhuǎn)矩都是磁通和電流互相作用的結(jié)果，電動機的電流大小要受到溫升的制約，是不允許超過其額定值的，如果磁通減小了，電磁轉(zhuǎn)矩同樣會減小，電機的負載能力就會下降。磁通是由勵磁電流產(chǎn)生的，若磁通太強，會使電動機的磁路飽和，導(dǎo)致勵磁電流過大和發(fā)生畸變，嚴重時會因過熱而損壞電機。11144. 4NfKEEm根據(jù)電機理論，在三相交流異步電動機中，主磁通m的大小與每相定子繞組的電動勢有效值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。由于電動勢E1難于直接檢測和直接控制，又因為E1和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計，則可近似地認為電動勢主要與相電源電壓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）允許長時間頻繁地接通和關(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)器件便是實現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵。第三節(jié)已經(jīng)說明大功率可控開關(guān)器件（GTS）是在20世紀70年代才問世的，因此，20世紀80年代變頻調(diào)速技術(shù)才進入實用階段，但當(dāng)變頻調(diào)速技術(shù)取得突破、進入實用階段以后，其發(fā)展便極其迅猛。在短短20年的時間里，已被國內(nèi)外公認為是最理想、最有發(fā)展前途的一種調(diào)速方式了

7、。 （二）交流異步電機的變頻調(diào)速的機械特性 為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(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也要求降低相電壓，這時相電壓U1顯然低于電機額定電壓，能夠保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，此時電機不僅能正常運轉(zhuǎn)，而且是恒磁通變頻調(diào)速，所以此時的調(diào)速控制具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。當(dāng)頻率很低時，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。這必然會使磁通m隨著f1的上升而減小，所以此時的調(diào)速控制具有近似的恒功率調(diào)速特性。 （三）交流異步電機變頻調(diào)速的特點 交流異步電動機采用變頻調(diào)速，充分發(fā)揮了異步電動機的優(yōu)點，具有下列顯著特點： （1）籠型異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用，維護工作量小，環(huán)境適應(yīng)性強，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有刷結(jié)構(gòu)的的缺陷。 （2）運行效率高，節(jié)能

9、效果顯著。由于異步電動機在調(diào)速過程中總是運行在很小的轉(zhuǎn)差率情況下，所以轉(zhuǎn)差率小(損耗小)，效率較高。同時，由電機學(xué)可知，轉(zhuǎn)差率很小時，轉(zhuǎn)子的等效電阻很大，此時轉(zhuǎn)子回路基本上是電阻性的，因而功率因數(shù)cos亦高。對于風(fēng)機和泵類負載，采用交流變頻調(diào)速后，節(jié)電率可達（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)備的機械傳動環(huán)節(jié)，提高了加工精度和工作效率。 （5）由于采用微計算機控制，變頻調(diào)速伺服系統(tǒng)在開環(huán)運行時已有相當(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。異步電動機伺服系統(tǒng)已有系列產(chǎn)品，在各項性能上已達到或超過了直流伺服系統(tǒng)的水平。 二、變頻調(diào)速器 要實現(xiàn)交流異步電機的變頻調(diào)速，就必須給電機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)、大容量的場合。由于變頻器的負載通常為異步電機，其功率因素是滯后的，同時因直流環(huán)節(jié)不便向負載提供無功功率，必須在期間設(shè)置儲能元件，以吞吐系統(tǒng)的無功能量，根據(jù)無功能量的處理方式，變

11、頻器可分為電流型（儲能元件為電感）和電壓型（儲能元件為電容）。下面對此重點介紹。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，通過改變被調(diào)制信號UR的幅值和頻率（三角載波頻率也作相應(yīng)調(diào)整）來實現(xiàn)對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，簡稱SPWM（Sine PWM）。 以上分析的是單相半波的情況，對于三相逆變

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，使電動機軸上的有效輸出轉(zhuǎn)矩減小。 (2)諧波電流中的載波頻率分量將引起電動機鐵心的振動而產(chǎn)生電磁噪聲。 (3)載波頻率分量的諧波電流，具有較強的輻射能力，會影響其他電子設(shè)備的正常使用。 為了克服上述SPWM變頻調(diào)速帶來的不良效應(yīng)，目前采取的對策有： （1）提高載波頻率，可使負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)斷時間)制約的。現(xiàn)在大多已采用IGBT作逆變器件，載波頻率可達15kHz，電流波形已相當(dāng)平滑，高次諧波分量很小，故電動機的有效輸出轉(zhuǎn)矩大，基本無噪聲。 （2）必需時可在變頻器與普通異步電動機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機（價格較昂貴）。（二）SPWM的控制模式 對于驅(qū)動三相交流異步電機的變頻器而言，SPWM調(diào)制波是根據(jù)三角波與正弦波的交點來確定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個開關(guān)器件的通斷工作時刻。對于這樣的調(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，通過比較器直接比較。這種電路控制精度難以保證，可靠性差。后來采用專用芯片組成上述電路。目前普遍采用微機控制來生成SPWM波，比專用芯片靈活，還具有很強的自診斷能力，但成本也相應(yīng)較高。在要求更高的場合，如高級電梯的VVVF裝置里還采用雙CPU控制。 用微機控制生成SPWM波時，必須根據(jù)控制要求實時地計算出調(diào)制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點的時間坐標(biāo)，根據(jù)計算結(jié)果