電機(jī)的調(diào)速機(jī)理

1、電機(jī)的調(diào)速機(jī)理第1頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五一、引言1、電機(jī)的種類：按運(yùn)行方式：電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī) 按特點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)、交直流電動(dòng)機(jī)（串激電動(dòng)機(jī)）、單相電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、三相同步電動(dòng)機(jī)、直流無刷電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)（交流、直流、永磁伺服電動(dòng)機(jī)）、直線電動(dòng)機(jī)。第2頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五2、電機(jī)的功能：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，完成位移、旋轉(zhuǎn)、上升、下降等功能。3、對(duì)電機(jī)的控制：調(diào)速、位置（快速起停）。 第3頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五4、疑問電動(dòng)機(jī)運(yùn)行為什么能以某一速度穩(wěn)定運(yùn)行？ 如何改變電動(dòng)機(jī)速度

2、？是調(diào)頻？還是調(diào)壓？還是兩者都變？ 當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的速度如何變化？負(fù)載為空載時(shí)，是否會(huì)出現(xiàn)“飛車”？ 第4頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象（閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。） 二、電機(jī)的基本原理1、電磁感應(yīng)第5頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五（1）右手定則:磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體因切割磁力線會(huì)感生出電動(dòng)勢(shì), 電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定.第6頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第7頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期

3、五感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式E=B*L*V*SIN()E=Ce*n* E=4.44*f*W*En/t（普適公式）法拉第電磁感應(yīng)定律，E：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)，n：感應(yīng)線圈匝數(shù)，/t:磁通量的變化率 第8頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五（2）左手定則：位于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，要受到力的作用，力的方向按左手定則確定。 第9頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第10頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五力和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式F=B*I*L*SIN()L*SIN()-理解為有效長(zhǎng)度線圈: 有兩條邊, 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩. T=2*r*F*SIN()對(duì)夾角的理解：線圈

4、平面和磁力線的夾角對(duì)端部收力的理解：端部產(chǎn)生力，只不過相互抵消，所以端部越短越好。 第11頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五2、電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的產(chǎn)生和磁路（1）永磁材料： 鐵氧體、稀土，相當(dāng)于磁源。（2）激磁電流直流產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)；交流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）；第12頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五（3）硅鋼片（鐵磁材料）作為磁路，磁壓降小，損耗??；磁路有飽和現(xiàn)象：磁密高到一定程度，磁壓降大大增加，不是線性關(guān)系。第13頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五三、電機(jī)系統(tǒng)的三大平衡1、轉(zhuǎn)矩平衡(機(jī)械平衡)電磁轉(zhuǎn)矩=輸出轉(zhuǎn)矩+阻力轉(zhuǎn)矩不等

5、加速或減速 轉(zhuǎn)矩平衡是保持穩(wěn)定運(yùn)行（或者說轉(zhuǎn)速不變）的必要條件。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩肯定平衡；要改變速度，必須打破原有的轉(zhuǎn)矩平衡。第14頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五2、電勢(shì)平衡(電平衡)U=E+I*RE=Ce*n*E=4.44*f*W*不平衡, 電流增加或減小第15頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五電流和磁場(chǎng)作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩必須平衡，電流也一定保持不變（這不變是指有效值或平均值，不是瞬時(shí)值）。要改變速度，必須打破原有的轉(zhuǎn)矩平衡，改變電流。要改變電流，可以通過改變電壓，或改變電動(dòng)勢(shì)，或頻率，或磁通。 第16頁，共61頁，2022

6、年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五3、磁路平衡(磁平衡)I*W(磁動(dòng)勢(shì))= H*L（磁壓降）=*R(磁阻)在電機(jī)的控制過程中，應(yīng)盡量保持磁通不變。特殊情況：如弱磁控制第17頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五四、電機(jī)的運(yùn)行方式電機(jī)的運(yùn)行主要有兩種方式，一種是直流電動(dòng)機(jī)，磁場(chǎng)是靜止的，有電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，使其旋轉(zhuǎn)；另一種是交流電動(dòng)機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子都是磁極，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。第18頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五五、電機(jī)的種類及其運(yùn)行原理 1、直流電機(jī)類 導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力, 定子是永磁體(或電勵(lì)磁), 磁場(chǎng)靜止.為了保證

7、進(jìn)入每個(gè)磁極下的導(dǎo)體的電流方向不變，需要換向器. 第19頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第20頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第21頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五調(diào)速: 改變輸入電壓;加速：（負(fù)載不變），增加電壓，速度變化滯后于電壓變化，反電勢(shì)不變，電流增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)矩平衡被打破，速度增加，（增加多少？穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩一定平衡），反電勢(shì)增加，電流下降，電磁轉(zhuǎn)矩減小，比原來接近于轉(zhuǎn)矩平衡，直到轉(zhuǎn)矩重新平衡。若磁場(chǎng)不變，電壓調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速變化，電流不變。第22頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五應(yīng)用場(chǎng)合

8、：直流電源場(chǎng)合：（蓄電池）汽車，火車；大型直流調(diào)速：軋鋼機(jī)等；由于存在換向器，有兩個(gè)缺陷無法避免，碳刷磨損，火花，所以，有逐步被交流電動(dòng)機(jī)所取代的趨勢(shì)。第23頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五2、異步電動(dòng)機(jī)（交流電動(dòng)機(jī)）第24頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第25頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第26頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第27頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五三相繞組通三相交流電會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn), 轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。第28頁，共61頁，2022年，5月20日，

9、5點(diǎn)40分，星期五旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)： 三相電流為對(duì)稱的三相交流電，每一時(shí)刻，三相電流的瞬時(shí)值不同，磁場(chǎng)的位置和大小與電流成比例，三相有一合成的磁場(chǎng)，在空間正弦發(fā)布，當(dāng)電流按正弦規(guī)律變化時(shí)，其合成磁場(chǎng)也是如此。 第29頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五記磁場(chǎng)最大位置為磁場(chǎng)位置，則其最大值位置會(huì)隨電流變化而改變，其改變的規(guī)律是旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)速度與電流頻率（電壓的頻率）電機(jī)的極對(duì)數(shù)有關(guān)。第30頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第31頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五工業(yè)上都用三相電源，三相電源非常適合電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，（單相電源要加電容轉(zhuǎn)

10、變?yōu)槎啵拍墚a(chǎn)生近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)），三相電動(dòng)機(jī)比單相電動(dòng)機(jī)效率高。第32頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五運(yùn)行原理：定子存在三相繞組，通三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在閉合的轉(zhuǎn)子回路上產(chǎn)生電流，這電流建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，與定子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生力矩，使轉(zhuǎn)子跟著定子磁場(chǎng)一起旋轉(zhuǎn)。第33頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五異步電動(dòng)機(jī):n1n2, 存在轉(zhuǎn)差;調(diào)速：調(diào)節(jié)電源頻率（變頻器）；速度增加：增加頻率，增加電壓，轉(zhuǎn)差增大，電流增加，轉(zhuǎn)矩增加，速度增加，轉(zhuǎn)差減小，電流減小，轉(zhuǎn)矩減小，恢復(fù)原有的平衡。 第34頁，共61頁，20

11、22年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五應(yīng)用：最廣泛，有三相電源，不需調(diào)速的所有場(chǎng)合；直接接三相交流電就可以運(yùn)行，不需如何控制器；隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速變的容易，性能提高，可以和直流電動(dòng)機(jī)相比，有逐步取代直流電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)；第35頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五3、同步電動(dòng)機(jī)定子為三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子為與定子極數(shù)相同的磁極；（1）永磁同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子磁極為永磁體； 定子與異步電動(dòng)機(jī)一樣；（2）一般同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子為同心式激磁繞組，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)；第36頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第37頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星

12、期五起動(dòng)問題由于轉(zhuǎn)子存在慣性，同步電動(dòng)機(jī)不能直接接交流電源，不能直接啟動(dòng)。（原因：直接接50hz電源，磁場(chǎng)以同步速旋轉(zhuǎn)，p=1，n=3000轉(zhuǎn)/分，每圈時(shí)間為20mS, 轉(zhuǎn)子有慣性，跟不上）。第38頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)： 變頻器或異步起動(dòng)；調(diào)速： 調(diào)電源頻率，調(diào)節(jié)電源電壓。第39頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五不管是同步電動(dòng)機(jī)還是異步電動(dòng)機(jī)，兩者的磁場(chǎng)是同步的。（異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子有旋轉(zhuǎn)。） 磁場(chǎng)同步第40頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五同步電機(jī)的應(yīng)用：特點(diǎn)：功率因數(shù)高，效率高； （

13、1）發(fā)電機(jī)；（2）大型電動(dòng)機(jī)（電廠）; (3) 永磁同步電動(dòng)機(jī)：替代異步電動(dòng)機(jī)的某些應(yīng)用；（電梯） 第41頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五4、直流無刷電動(dòng)機(jī) 電機(jī)結(jié)構(gòu)與同步電動(dòng)機(jī)一樣. 轉(zhuǎn)子有位置傳感器-霍爾元件（方波）；第42頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五運(yùn)行原理：根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置（轉(zhuǎn)子磁極），決定定子繞組的通電，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，位置的變化，定子繞組的通電方式接著變化。定子繞組的變化頻率由轉(zhuǎn)子速度決定；所以，盡管直流無刷和永磁同步的電機(jī)結(jié)構(gòu)完全一樣，但控制方式不同，直流無刷，沒有不能起動(dòng)、失步等問題； 第43頁，

14、共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五調(diào)速原理必需有控制器；調(diào)節(jié)定子電壓（增加）, 電流增大，轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速變高, 霍爾變化變快，定子頻率自動(dòng)增加，電流自動(dòng)減小，轉(zhuǎn)矩減小，恢復(fù)平衡。 第44頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五5、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理與三大平衡MS曲線：一般的異步電動(dòng)機(jī)不能用調(diào)壓調(diào)速。（特殊：力矩電動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇類負(fù)載）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)與恒功率調(diào)節(jié)：當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行頻率大于額定頻率時(shí)，電機(jī)處于恒功率。 第45頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五第46頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五六、電力電子基礎(chǔ) 整個(gè)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，

15、有四部分組成，電源（開關(guān)電源），CPU（單片機(jī)或DSP）, 驅(qū)動(dòng)+功率器件以及控制對(duì)象。對(duì)控制對(duì)象的控制，最終就是控制加在控制對(duì)象上的電壓和頻率，從而實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)矩、速度和位置的控制。對(duì)電壓和頻率改變的實(shí)現(xiàn)，有功率器件組成的功率電路來完成。第47頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五1、三相逆變電路 （1）三相整流電路；（2）三相逆變電路；（3）制動(dòng)電路；（4）充電電路第48頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五2、SPWM的概念用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波第49頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五正弦半波N等分，可看成N個(gè)

16、彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等；寬度按正弦規(guī)律變化 第50頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五產(chǎn)生PWM波的方法 三角波和正弦波比較的方法單極性 第51頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五雙極性第52頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五數(shù)學(xué)上可以證明，其寬度按正弦規(guī)律變化。正弦波：調(diào)制波，決定輸出電壓的頻率和幅值；三角波：載波，決定功率管的開關(guān)頻率，一般功率管的開關(guān)頻率在10K左右，（原因1，功率管的特性，2，開關(guān)損耗，3，人對(duì)聲音的敏感度;）第53頁，共61頁，20

17、22年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五數(shù)字方法定時(shí)器中斷：兩個(gè)值，周期值，脈沖寬度值；每次中斷，加載下一個(gè)脈沖寬度值；一般的電動(dòng)機(jī)專用控制CPU，至少有6路PWM輸出；死區(qū)時(shí)間：功率管的開關(guān)需要時(shí)間，（一般關(guān)斷更長(zhǎng)），同一橋臂上的功率管，同時(shí)開關(guān)，會(huì)導(dǎo)致直通，上下功率管同時(shí)關(guān)斷的時(shí)間為死區(qū)；一般2-4微秒，可以設(shè)置；第54頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五七、電動(dòng)機(jī)的DSP控制1、電機(jī)控制對(duì)DSP的一般要求1）根據(jù)算法計(jì)算的復(fù)雜程度和每次刷新的時(shí)間要求，對(duì)速度即主頻的要求。2）控制逆變器一般要求有6路（或12路）PWM輸出口；3）定時(shí)器中斷功能，較多的I/O用于輸入輸出控

18、制；第55頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五4）多路10位及以上A/D，用于檢測(cè)三相電流、電壓、溫度等。5）通訊口，用于與上位機(jī)通訊，多臺(tái)組網(wǎng)運(yùn)行等；6）編碼器輸入口，閉環(huán)控制；7）外部中斷；第56頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五2、DSP的作用根據(jù)輸入口的狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，及事先編好的邏輯，送出對(duì)應(yīng)的I/O狀態(tài)和PWM口的狀態(tài)。第57頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五3、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速 (1) 調(diào)速的方法（2） PWM方式的主電路（3）閉環(huán)調(diào)節(jié)第58頁，共61頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)40分，星期五4、異步電動(dòng)機(jī)（感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）（1）V/F 控制（VVVF）(SPWM)(2