課件教學記錄-交流伺服與變頻技術及應用

附:課件&教學記錄

課程導論

交流伺服與變頻技術

主講人：龔仲華

職稱：二級教授

導論

一、交流電機控制系統(tǒng)概述

1.交流傳動與交流伺服

電機與作用

電機作用：將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。

交流電機：通入電機的電流為交流電?？刂齐y，

但結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速高、幾乎不需要維修。

直流電機：通入電機的電流為直流電?？刂迫?/p>

易，但結(jié)構(gòu)夏雜，轉(zhuǎn)速低，維修工作量大。

研發(fā)交流電機控制系統(tǒng)是當前技術發(fā)展的方向。

電機需要控制什么？

速度：改變電機轉(zhuǎn)速，控制機械運動速度；

位置：保證在指定位置停止，控制機械定位。

控制速度的系統(tǒng)稱為傳動系統(tǒng)；

控制位置的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)。

?要麻

交流電機驅(qū)動的伺服系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)統(tǒng)稱為交流電機

控制系統(tǒng)；

伺服系統(tǒng)同樣需要控制電機的速度和轉(zhuǎn)矩。

2.交流電機的調(diào)速

交流電機的種類

同步電機：在允許范圍內(nèi)，如交流電的頻率不變，

負較變化不會引起電機轉(zhuǎn)速的變化。

康應電機：即使交流電的頻率不變，電機的轉(zhuǎn)速也將

隨著負載的增加而降低。.

感應電機俗稱異步電機；伺服電機是同步電機。.

交流電機的轉(zhuǎn)速公式

同步電機：no=6Of/P（同步轉(zhuǎn)速）

感應電機：n=n0（1-S）（異步轉(zhuǎn)速）

/：交流電的頻率（Hz）；

P：電機磁極對數(shù)；

S：轉(zhuǎn)差率（額定負我時的轉(zhuǎn)速降低百分率）。

交流電機的轉(zhuǎn)速方案

改變頻率的調(diào)速稱為變頻調(diào)速；改變磁極對數(shù)的調(diào)

速稱為變極調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差的調(diào)速稱為變轉(zhuǎn)差調(diào)速。

交流調(diào)速方案與比較

變極調(diào)速：通過改變電機繞組的連接實現(xiàn)，只需要

繼電——接觸器電路控制，控制最簡單。但因P必

須為正整數(shù)，只能成倍改變轉(zhuǎn)速（有級調(diào)速）。

變轉(zhuǎn)差調(diào)速：本質(zhì)改變電機的輸出特性，可通過改

變電樞電壓、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻等方式實現(xiàn)無級

調(diào)速，但控制裝置的體積大、硬件成本高。

變頻調(diào)速：直接改變電機供電頻率實現(xiàn)無級調(diào)速，

調(diào)速性能好、體積小、技術先進，但控制復雜，實

現(xiàn)較困難。

3.變頻調(diào)速技術的發(fā)展（見P3,圖0?1.2）

＞怎樣調(diào)速：控制理論研究

變頻調(diào)速：Wf控制-矢量控制f直接轉(zhuǎn)矩控制

伺服驅(qū)動：BLDCM（方波、PID調(diào)節(jié)）fPMSM

（正弦波、矢量控制）

＞如何實現(xiàn)：控制技術研究

模擬量控制f數(shù)字控制f網(wǎng)絡控制

A用什么做：控制器件研究

GTR（電力晶體管）fIGBT（更合電力電子器件9一

IPM（功率集成器件）

變獨器至今還沒有世所公認的最佳方案。

4.變頻調(diào)速裝置分類

?非常重要！

變頻器：專指控制普通感應電機的通用調(diào)速裝置。

應用最廣泛，生產(chǎn)廠眾多。

主軸驅(qū)動器：控制專用感應電機的專用調(diào)速裝置。

多用于數(shù)控機床主軸調(diào)速，CNC生產(chǎn)廠提供。

伺腋驅(qū)動器：控制伺服電機（同步電機）的專用調(diào)

速裝置，可以實現(xiàn)位置控制。應用較廣泛，生產(chǎn)較

多，國產(chǎn)數(shù)控機床使用較多。

變基器、交流主軸驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器廣義上都

是變頻調(diào)速裝置。

了解三者的大致區(qū)別

相同點

/調(diào)速原理相同，都通過變頻實現(xiàn)調(diào)速；

/主回路相同，都采用PWM逆變電路。

區(qū)別

,控制對象不同

交流伺服：專用同步電機；15kW以下；

交流主軸：專用感應電機；100kW以下；

變頻器：通用感應電機；最大到1000kW。

/性能區(qū)別很大（將在后期課中介紹）

/用途不同（將在后期課中介紹）。

5.常用伺服驅(qū)動品牌

本課程的“伺服驅(qū)動”是指可獨立使用的通用型.

伺服驅(qū)動器。

國產(chǎn)數(shù)控配套的都是通用伺服。

FANUC、SIEMENS數(shù)控配套的是專用伺服。

日本

安川（YASKAWA）：ZII系列（廣泛使用）、

ZV系列（最新）

三菱：MR7系列（常用）、FR-J3系列（最新）

松下：MINAS?A系列（常用）、FR?A5系列（最新）

國內(nèi)

KND-SD98/SD100.GSK-DA98/DAT.GS2000等。

6.常用變頻器品牌

本課程的“變頻器”是指用于通用感應電機控制的

通用變頻器。

?日本

安川：CIMR?*7系列（常用）、CIMR-F000系列

（最新）（*=J、V、F、G）

三菱：FR?*500系歹I］（常用）、FR?*700系列（最新）

（*=S、E、F、A）

?:?歐美

西門子（鐫）：MM420/430/440系列（常用）

施耐德（法）：ATV系列（常用）

臺灣、大陸電子產(chǎn)品均為日本早期的山寨產(chǎn)品。

G練一練（不定項選擇）：

1.可用來實現(xiàn)交流電機速度控制的裝置是……（二』

A.CNCB.PLCC.變頻器D.伺服驅(qū)動器

2.可實現(xiàn)感應電機的無級調(diào)速方案是...（）

A.變極B.變妝C.調(diào)壓D.變轉(zhuǎn)差率

3.通用變頻器的控制對象是............（）

A.伺服電機B.感應電機C.直流電機D.專用電機

4.變頻器與交流主軸驅(qū)動器的主要區(qū)別是…（）

A.調(diào)速原理B.電路結(jié)構(gòu)C.控制器件D.電機

二、交流調(diào)速系統(tǒng)的性能與比較

1.技術指標

技術指標：衡量產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量與性能的參數(shù)。

調(diào)速范圍

系統(tǒng)在一定負載下實際可達到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速

之比（或比值）。

變頻器：最大輸出轉(zhuǎn)矩大于120~150%（三菱）或：

連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩大于50~60%（安川）。

◎要點:

/一定負載#額定負載，變頻器只有在額定轉(zhuǎn)速的點

上才能輸出額定轉(zhuǎn)矩和功率。

'調(diào)頻范圍/調(diào)速范圍，不能帶負載的調(diào)速無意義。

【例1】三菱FRA500系列變頻器的輸入轉(zhuǎn)率范圍為

0.01-400HZ（輸入分辨率為0.01Hz）；V/f調(diào)速時的

最小輸出頻率為0.5Hz,最大輸出妝率為120Hz,啟班

頻率為6Hz,啟動轉(zhuǎn)矩為120%Me,問：該變頻器的一

調(diào)頻范圍和實際調(diào)速范圍各為多少？

分析&說明:

儲入頻率范圍：是變頻器儲入電路（A/D轉(zhuǎn)換器）

能分辨的輸入范圍。輸入頻率范圉=A/D轉(zhuǎn)換精度

本例：輸入范圍40000（16位A/D轉(zhuǎn)換，216=65536）

除出頻率范圍：是變頻器能夠輸出（控制電機）的

頻率范圍。輸出頻率范圍=調(diào)猱范圍

本例：調(diào)頻范圍=120:0.5:240

啟動頻率：是變頻器能夠輸出啟動轉(zhuǎn)矩的最低瘦率。

啟動頻率=計算調(diào)速范圍的最小頻率（轉(zhuǎn)速）

啟動轉(zhuǎn)矩：啟動時（調(diào)速范圍內(nèi)）允許施加的最L

負載轉(zhuǎn)矩。啟動轉(zhuǎn)矩=調(diào)速范圍內(nèi)的最大電機轉(zhuǎn)矩

本例：調(diào)速范圍=120:6=20

涌俗理解:

除入分辨率：變頻器的頻率顯示精度。低于分辨率的

輸入不能顯示。

最小揄出頻率：變頻器的頻率控制精度。低十最小輸

出頻率的頻率不能輸出。

啟動頻率：能實際驅(qū)動負載的最低頻率。低于啟動頻

率的輸出不能帶負載。

?調(diào)速精度

變頻器控制4極（2對磁極）標準電機時，在額定負三

載下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降與額定轉(zhuǎn)速之比（百分率）。

6=［（空載轉(zhuǎn)速。滿載轉(zhuǎn)速）/額定轉(zhuǎn)速JX100%

?要疝

/采用閉環(huán)控制時，變頻器調(diào)速精度一般可以提高10

倍。

,計算交流主軸、交流伺服的調(diào)速精度，式中的額定

轉(zhuǎn)速應為最高轉(zhuǎn)速。

速度響應

系統(tǒng)在負我慣量和電機慣量相等、給定輸入為正弦

波信號時，速度（頻率）輸出可完全跟蹤給定變化.

的最大正弦波輸入頻率值。

◎更必

,速度響應也稱“頻率響應”，可用國叱S或Hz兩種

單位表示：1Hz=2"tadZs。

/速度響應是衡量交流調(diào)速系統(tǒng)性能（跟隨性能）

的重要指標。

變頻器：10-30rad/s（1.5-SHz）

交流主軸：300-500rad/s（50-80Hz）

交流伺服：3000-4500rad/s（500-700Hz）

2.性能比較

?:,輸出特性（見P5圖。21）

/變頻器：只有在額定轉(zhuǎn)速的點上才能輸出額定轉(zhuǎn)矩

和額定功率。

/交流主軸：額定轉(zhuǎn)速以下輸出轉(zhuǎn)矩不變（恒轉(zhuǎn)

矩），額定轉(zhuǎn)速以上輸出功率不變（恒功率）.

/交流伺服：全范圍輸出轉(zhuǎn)矩不變（恒轉(zhuǎn)矩）。

?要點:

/采用變頻器調(diào)速時，應按照實際需要的2倍來選擇

電機功率和轉(zhuǎn)矩。

/CNC機床的進給驅(qū)動需要轉(zhuǎn)矩，切削加工需要功

率；伺服電機不能用來作為機床主軸，反之亦然。

控制對象

/變頻器：所有通用感應電機，最大可達1000kW。

/交流主軸：專用感應電機，100kW以下.

/交流伺服：專用伺服電機，15kW以下.

過載性能

/變頻器：短時過載120T50%。

/交流主軸：短時過載200%,長時（30min）過載

150%.

/交流伺服：短時過載200~350%,

?/點，

CNC機床的主軸功率一般有“連續(xù)/30min輸出”

兩種表示法，如5.5/7.5kW等。

制動性能

/變頻器：感應電機開環(huán)控制，停止后無保持轉(zhuǎn)矩。擊

/交流主軸：感應電機閉環(huán)控制，速度控制時停止

后無保持轉(zhuǎn)矩，位置控制時能產(chǎn)生恢復轉(zhuǎn)矩。

/交流伺服：永磁同步電機閉環(huán)位置控制，停止后

始終存在制動轉(zhuǎn)矩。

稱為棗速鎖定或伺服鐐定功能。

其他性能

。見P7,表0-2.2。

?總體評價:

/變頻器：功率最大、性能最差、用量最廣、價格

最低。

/交流主軸：轉(zhuǎn)速最高（＞60000r/min）、用量

最小、價格最高、性能較好。

,交流伺服：功率最小、轉(zhuǎn)速最低、性能最好、用

量較大。

?練一練（不定項選擇）：

1.變頻器調(diào)速范圍通常指在該范圍內(nèi)電機的……（a

A.輸出轉(zhuǎn)矩保持不變B.輸出功率保持不變

C.最大輸出轉(zhuǎn)矩保持不變D.箍出轉(zhuǎn)矩大于某一值

2.目前國產(chǎn)數(shù)控配套的交流伺服驅(qū)動器可達到的速度響

應為1256rad/s,其頻率響應是（Hz）..........（）

A.100B.200C.1000D.2000

3.安川XV系列交流伺服驅(qū)動器的頻率響應為1600Hz,

其速度響應約為（rad/s）............................（）

A.1000B.2000C.10000D.20000

4.CNC機床的坐標軸不能使用通用變頻器驅(qū)動的主

要原因是變頻器.........................（）

A.無伺服鎖定功能B.輸出功率不夠大

C.箍出轉(zhuǎn)矩不夠大D.輸出特性與要求不符

5.國產(chǎn)CNC機床主軸經(jīng)常用通用變頻器代替交流主

軸驅(qū)動器的原因主要是變頻器............（）

A.價格低B.輸出功率大

C.摘出轉(zhuǎn)矩大D.揄出特性好

6.CNC機床主軸驅(qū)動不能采用交流伺服驅(qū)動的主要

原因是交流伺服.........................（）

A.最高轉(zhuǎn)速較低B.不能實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

C.增出功率較小D.不能實現(xiàn)恒功率調(diào)速

7.認識常用產(chǎn)品

前期￡II系列最新￡V系列

安川變頻器

前期CIMR-7系列最新CIMR-1000系列

三菱伺服驅(qū)動

單元一、交流調(diào)速原理

項目一、交流調(diào)速原理

任務_、掌握電機控制的基本理論

一、電磁感應定律與電磁力

知識回顧

電想一想:

什么叫電磁感應現(xiàn)象?什么叫電磁力?電磁力的方向

怎樣確定?

國學習提示1

電磁感應：電流可產(chǎn)生磁場；磁場的變化能產(chǎn)生電流。

電磁力：通電的導體放入磁場中將會產(chǎn)生力。

知識檢查

1.在電磁學上,以下兩圖表示什么?

???000

2.電流所產(chǎn)生的磁場怎樣表示?繪出上圖的磁場.

(?]；??；⑤X?0；

3.下圖中的兩導體受到的電磁力方向怎樣?

NIIN|

0|???-J-*

電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩

電磁力:F=BIL；電磁轉(zhuǎn)矩:M=2FR；

?結(jié)論:電機輸出轉(zhuǎn)矩與電機結(jié)構(gòu)(繞組半徑R和長

JSL)?磁場強度B、電泡有關;結(jié)構(gòu)決定后,M決

定于磁場強度B和繞組電流L

二、電機運行的力學基礎

M=%+J竿P=M3

M：電機輸出轉(zhuǎn)矩(Nm)

Mr.負載轉(zhuǎn)矩(Nm)

J：轉(zhuǎn)動慣量(kgm?)

0：電機角速度Gad/s)

實際:電機參數(shù)以功率、轉(zhuǎn)速表示。換算:

3=2〃《/60

w：電機轉(zhuǎn)速

M=9550P/n

P：電機功率(kJT)

?練一練:

某電機的銘牌如圖所示，問：該電機的額定角速

度和額定輸出轉(zhuǎn)矩為多大？

三相感應電動機

型號

Y100L1—4接法A/Y

率

功

2.2kW工作方式S1

壓

電

220/380V絕緣等級B

流

電

8.6/5A溫升70X?

速

轉(zhuǎn)

重量

率

頻1430r/min34kg

50Hz編號

X電機廠出廠日期

解：額定角速度、額定輸出轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)速、額

定功率所對應的角速度和輸出轉(zhuǎn)矩。

:.。=2nn/60=150（rad/s）

M=9550P/n=14.7（Nm）

答：該電機的額定角速度為150rad/s、額定輸出

轉(zhuǎn)矩為14.7Nm.

?要點:

所有產(chǎn)品銘牌上的數(shù)據(jù)，是指它在連續(xù)工作時

的最大允許值,又稱額定值。額定值可以達到，但

不能超過。

?機械特性

電機的最大允許輸出（功率、轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)速有，，

關，額定值只能表示額定轉(zhuǎn)速時的值。

口機械特性：全范圍反映電機輸出轉(zhuǎn)矩、功率和

轉(zhuǎn)速關系的曲線。

?問標

為什么不同電機的機械特性的表示方法不一樣?.

原因：電機的適用范圍不同。不同電機用于不

同類型的負載驅(qū)動，其要求不同。

例如:數(shù)控機床的控制

，刀具的進給運動（前后、左右移動）：

主要技術指標:最大進給力。

X刀具的旋轉(zhuǎn)運動（切削工件）：

主要技術指標:單位時間能夠去除的材料體積。

決定機床加工能力的參數(shù)，不能因為刀具移動

速度、轉(zhuǎn)速的變化而變化。

刀具進給

M=F-(h/2n)

h：滾珠絲杠螺

距，結(jié)構(gòu)定

后，h不變。

結(jié)論:

負載要求電機的輸出轉(zhuǎn)矩不變。

刀具切削

Q=kP

k：與刀具、工

件材料有關，

工藝決定后固

定不變。

結(jié)論:

負載要求電機的輸出功率不變。

負載類型

恒轉(zhuǎn)矩負載：轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速改變的負載。例■,

如，數(shù)控機床的刀具進給。

伺服電機以輸出轉(zhuǎn)矩作為主要參數(shù)。

n恒功率負載：功率不隨轉(zhuǎn)速改變的負載。例

如，數(shù)控機床的刀具旋轉(zhuǎn)切削。

主軸電機以輸出功率作為主要參數(shù)。

任務二、了解伺服電機的運行原理

一、伺服電機運行原理

?BLDCM運行

BLDCM=BrushLessDCMotor

中文名：無刷直流電機

電刷

電刷:

改變電流方向的裝置

問題：

繞組通斷將產(chǎn)生電弧

(火花)，電機轉(zhuǎn)速

不能太高、要更換。

BLDCM運行原理

依次切換T1/T6-*T6/T2-*T2/T4-*T4/T3-T3/T5

-T5/T1fT1/T6,電機逆時針凝轉(zhuǎn)

依次切換T1/T6-T1/T5-*T5/T3-*T3/T4-*T4/T2

-?T2TT6-T6/T1,電機JR時針

不需要換向器、控制簡單、轉(zhuǎn)矩波動較大

PMSM運行原理

PMSM=PermanentMagnetSynchronousMotor

中文名：永磁同步電機

同步電機:

供電的電源為三

相、正弦波交流

電。火T/*

任務三、了解感應電機運行原理

想一想:

‘潮如飛機的轉(zhuǎn)子沒有安裝永久磁鐵,電機

能否旋轉(zhuǎn)?

答案：能夠。就是感應電機。因為定子通

入三相正弦波交流后,能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

＜感應電機原理

通俗理解：利用定子旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生原理

%轉(zhuǎn)速和頻率

電流變化360°,磁場轉(zhuǎn)過360°(1轉(zhuǎn))。

電流變化速度：交流電的頻率-Hz=l/s.

磁場轉(zhuǎn)速n=f(r/s)=60f(r/min)

旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速

圓周上只布置1組A/B/C繞組，稱為1對極

推論:180°上布置1組RB/C繞組,電流變化一周

期.磁場轉(zhuǎn)過180。。

磁場轉(zhuǎn)速n=60f/2(r/min)

BP：360"上布置2組RBIC繞組,稱為2對極。

通式:定子圓周上布置P組繞組,稱為P對極。

磁場轉(zhuǎn)速〃=60f/P(r/min)

要點

＞改變頻率，就能夠改變電機(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)速。

上伺服電機：電機轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場完全一致，同步

電機。

＞感應電機：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須略低于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，

異步電機。

感應電機轉(zhuǎn)速

n=(1-S)60f/p(r/min)

1.某電機的銘牌如圖所示，問：該電機的磁極對數(shù)?

和同步轉(zhuǎn)速各為多少？

三相感應電動機

型號

Y100L1—4接法△/￥

率

功

2.2kW工作方式S1

壓

電

絕緣等級

流220/380VB

電

溫升

速

轉(zhuǎn)8.6/5A701c

率重量

頻1430r/min34kg

50Hz編號

X電機廠出廠日期

解：

???感應電機的同步轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速基本相同

二P^60f/ne=60X50/1430=2

n0—ne=60f/P-1500fr/min）

答：該感應電機的磁極對數(shù)為2,同步轉(zhuǎn)速為

1500r/mino

2.FANUC-0122s交流伺服電機的銘牌數(shù)據(jù)為：

額定轉(zhuǎn)速〃，=2000r/min,

額定頻率4=133Hz,

問：該伺服電機的極對數(shù)為多少？

解：???伺服電機為同步電機

/.n0=ne=60f/P

代入后得:

P=60//%=60X133/2000=4

答：該伺服電機的極對數(shù)為4。

練一練（不定項選擇）：

1.采用國際單位制時電機的機電能量轉(zhuǎn)換式為…

A.P=MXn9550B.P=MXa

C.M=Mf+J（d3也）D./=防

2.電機功率電矩換算式P=MXn/9550中尸、M、〃的單

位分別為................................（）

A.kW?Nm、aidsB.kW?Nm、r/niin

C.W?Nm、r/niiiiD.kW?kgui-r/min

3.以下屬于恒轉(zhuǎn)矩負載的是.............（）

A.電梯B,機床進給C.機床主軸D.風機

4.以下屬于恒功率負載的是.............（）

A.電悌B.機床進給C.機床主軸D.風機

5.數(shù)控機床進給采用伺服電機騙動的原因是…<^T

A.保證最大進給力不變B.屬于恒轉(zhuǎn)矩負載

C.保證切削能力不變D.屬于恒功率負載

6.數(shù)控機床主軸采用感應電機驅(qū)動的原因是…（）

A.保證最大進給力不變B.屬于恒轉(zhuǎn)矩負載

C.保證切削能力不變D.屬于恒功率負載

7.以下對無刷直流電機描述正確的是.....（）

A.簡稱BLDCMB.屬于交流伺服電機范疇

C.簡稱PMSMD.屬于直流伺服電機范疇

8.以下對PMSM電機描述正確的是.......（）

A.交流伺服電機B.交流永磁同步電機

C.直流伺服電機D.無刷直流電機

9.輸入頻率不變時轉(zhuǎn)速不隨負載變化的是……（）

A.同步電機B.交流主軸電機

C.感應電機D.交流伺服電機

10.額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機，如果磁極對數(shù)增加1

倍，其額定轉(zhuǎn)速將變?yōu)?....................（）

A.30001ininB.60001jninC.750rininD.375iinin

11.額定轉(zhuǎn)速為3000imin、磁極對數(shù)為4的伺服電機，

其額定頻率為.............................（）

A.50HzB.100HzC.133HzD.200Hz

單元二、交流逆變技術

項目二、交流逆變技術

任務一、熟悉電力電子器件

一、交流逆變概述

控制要求

變頻調(diào)速：必須能同時改變電機的電壓和頻率

（吻控制）。

問題：電網(wǎng)的供電電壓、頻率不能改變。

我國的標準:

U=3~380V（+10%,-15%）

f=50±1Hz

必須有一整套變換裝苴——逆變器（Inverter）。

控制方案

＞將380V/50HZ的交流直接變換成八/可變的交一

流一交-交變流。

□特點：無中間電路（整流電路）、效率高，但控

制復雜，尚沒有成熟的控制方案.

最新研究方向一矩陣控制技術。

＞先將38030Hz的交流轉(zhuǎn)換成直流，再將直流轉(zhuǎn)

換成交流一交一直-交變流。

□特點：技術較成熟，是當前交流逆變的主流。

變頻器、交流主軸、交流伺服全部采用交-

直咬逆變方案一三者的主回路結(jié)構(gòu)相同。

交一直笈逆變電路

□整流：將直流轉(zhuǎn)換為交流。

調(diào)壓：保證直流電壓不變。

逆變：將直流轉(zhuǎn)換為吆r可變的交流。

二、電力電子器件

電子器件分類：

＞低電壓、小電流控制一直接稱電子器件（弱電）?

只要有電子控制電路就必須使用。

＞高電壓、大電流控制一稱電力電子器件（強電）。

用于交、直流主回路控制。

空知識回顧1：怎樣區(qū)分主回路和控制回路?

口主回路：直接向負載提供電能的電路（可以是交流

或直流）。如電機（電一機械能）、照明燈（電一光

能）、加熱器（電一熱能）的供電回路。

□控制回路：用于信號分析、運算、處理的輔助電路。

如：電機的繼電器控制電路、PLC、CNC等。

知識回顧2：你知道的電力電子器件有飛

□二極管：交流一直流，不需要（不能）控制。

稱為“不可控器件”。

L晶閘管：又稱可控硅，用于交流通斷控制，但不

能控制直流關斷。

稱為“半控器件”。

-JGTO、GTR、MOSFEKIGBT、IPM等：可用

于交、直流的通斷控制.

稱為“全控器件

拓展學習1：電力電子技術的發(fā)展

□第1代：半控，功率二極管（2唯紀40年代）、晶?

閑管（1958年，美國GE公司）。

國際12000V/5000A；國內(nèi)3000W7000A

口第2代：全控，GTO（門極可關斷晶閘管，1964

年，美國）；GTR（大功率晶體管）、MOSFET

（電壓控制型單極晶體管），20世紀70年代、美國。

□第3代：復合型器件，IGBT（絕緣門極雙極型晶體

管，1983年，美國GE公司）<,

□第4代：功率集成電路，IPM（智能功率模塊，20

世紀80年代末，美國）。

?符號和特性

參見P30表2-1.1、P31甚2-1.2。

?通俗理解:電力電子器件=電子開關、

口功率二極管：

，正向電壓UAK》0.5V自然導通：否則自然關斷；

/不能控制UAK20.5V的關斷。

n晶閘管：

/正向電壓0.5V且門極電流lG》0時導通；

UAK<0.5V美斷；

,能通過門極控制UAK>0.5V時的導通，但不能控制

UAK>0.5V時的關斷。

OGTR.GTO：

/CE極電壓UCE?0V時通斷可控，門極電流IB》。

時導通：0<0時關斷：

“全控型，開關特性同三極管（電流控制）。

DMOSFET：

，DS極電壓Ups云0V時通斷可控，門極電壓UGS云

th時導通；UGS<UM美斷；

“全控型，開關特性同MOS管（電壓控制）.

口IGBT：

，開關特性同MOSFET,但D極稱C極；

，全控型，開關特性同MOS管（電壓控制）。

任務二、熟悉PWM逆變原理

逆變:將直流轉(zhuǎn)換為交流

一、逆變的基本形式

電流控制型：逆變管輸出到電機的電流為方波（直

流），通過改變電流頻率調(diào)速，大容量逆變器用。

?：?電壓控制型：逆變管輸出到電機的電壓為方波（直

流），通過改變電壓頻率調(diào)速，大容量逆變器用。

PWM控制型：逆變管輸出到電機的電壓為正弦波

（PWM脈沖串），通過改變正弦波頻率調(diào)速，中小

容量逆變器用一變頻器、交流伺服的基本形式。

二、PWM逆變原理______

PWM：脈寬調(diào)制的簡稱,以寬度可變的脈沖序—

列等效代替各種波形。

取樣控制理論：

面積相等、形狀不同的窄脈沖加到慣性環(huán)節(jié)上，產(chǎn)

生的效果相同。

應用:

電機繞組=電感+電阻=慣性環(huán)節(jié)

加入脈沖電流時，平均電流：/1=12

把用乎用比仍■

?結(jié)論:

/當脈沖周期T（即頻率f，f=1/T）,幅值不變

時,只要改變脈沖的寬度,就可以改變輸出的平均然

開關穩(wěn)壓電源的原理（RC電路=慣性環(huán)節(jié)）。

/脈沖周期T越短（即頻率f越高）輸出的波形就越

接近理想波形。

f叫PWM頻率（脈寬調(diào)制頻率,或載波頻

率），f越高,波形就越理想。

記住哦!

PWM頻率也是變頻器的重要指標,越高,變頻器性

能越好（但有不利的一面〉。

正弦波的產(chǎn)生（P27圖24.4）:

SPWM波=脈寬調(diào)制正弦波

任務三、掌握整流電路的分析方法

名知識回顧:整海電路有事些基本彩。

單相半波、單相全波、三相半波、三相全波。

單相全波整流：

原理:利用二極管的正向自

然導通特點，將4只二極管（集

成,俗稱“橋堆"）組合、接入單

相交流電路，使得兩-兩交替導通

得到相電壓全部波形。

用于單相交流箱入一直流的

轉(zhuǎn)換.

直流輸出電壓計算:面積相等

Ud=0.9U

利用大電容平波后:Ud^1.2X0.9U

<-三相全波整流：

原理:利用二極管的正向自然導通特點，將6

只二極管（集成,俗稱“三相橋堆"）組金、接入

三相交流電路，使得兩-兩交替導通、得到線電壓

全部波形。

直流輸出電壓計算:面積相等

Ud=1.35UL

利用大電容平波后:Ud^1.2X1.35UL

UL為線電壓:UL=1.732X

?練一練:

某單相200~240V、三相380~440V輸入通用的變■

頻器，如果將它直接連接到我國的工廠電網(wǎng)上，變

頻器的直流母線電壓各為多大？

解：我國的電網(wǎng)電壓

單相:U=220V（單相指相電壓）

三相:UL=380V（三相指線電壓）

代入后得:

單相:Ud=237V（一般可認為230Y）

三相:Ud=615V（一般可認為61QV）

?練一練（不定項選擇）：

1.目前變頻器所使用的變流方式屬于.....（）■

A.交-交B.交-直-交C.直-交D.交-直

2.變頻器整流回路常用的電力電子器件是一（）

A.GTRB.IGBTC.二極管D.晶閘管

3.變頻器逆變回路常用的電力電子器件是一（）

A.GTRB.IGBTC.二極管D.晶閘管

4.以下屬于全控型器件的是.............（）

A.二極管B.晶閘管C.IGBTD.MOSFET

5.3~380V輸入的變頻器直流母線電壓約為……（）

A.230VB.320VC.500VD.610V9

6.3~200V輸入的伺照驅(qū)動直流母線電壓約為…）

A.230VB.320VC.500VD.610V

7.目前變頻器常用的逆變控制形式為....（）

A.電壓控制B.電流控制C.PWMD.PAM

8.提高變頻器載波頻率的目的是.........（）

A.提高變頻輸出頻率B.改善輸出波形

C.降低生產(chǎn)成本D.降低損耗

單元三、交流伺服產(chǎn)品與性能-

項目三、交流伺服產(chǎn)品與性能

任務一、了解交流伺服產(chǎn)品

一、交流伺服的分類

伺服：以物體的位置、方向、狀態(tài)等作為控制量，追

蹤目標值的任意變化的控制機構(gòu)（日本JIS標準）。

簡言之，伺服驅(qū)動是一種能夠自動跟隨目標位置變

化的控制裝置.

n作用：

/按照CNC要求的速度移動；

/按照CNC要求的位置定位.

r控制對象：坐標軸位移（速度、方向和位置）；

「執(zhí)行機構(gòu)：伺服電機；

本質(zhì)：可以對輸入脈沖信號進行功率放大的放大器一

一伺服放大器（亦稱：驅(qū)動器、放大器、伺服單元

等）。

?：?通用伺服

口特點：

/通用靈活、控制容易、對控制裝置無要求；

/驅(qū)動器是獨立部件，閉環(huán)位置控制通過驅(qū)動器本

身實現(xiàn)，驅(qū)動器有獨立的操作單元。

/CNC不能監(jiān)控驅(qū)動器的工作狀態(tài)、設定與優(yōu)化

驅(qū)動器參數(shù)，輪廓加工精度低。

要點:

,直接采用脈沖輸入來控制電機位置和速度；

/可以與任何形式的位置脈沖發(fā)生器，如CNC、PLC、

計算機等配套使用；

/可采用網(wǎng)絡控制，但通信協(xié)議是通用與開放的，如：

CC-Link.PROFIBUS等；

,目前國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)配套的都是通用伺服。

口特點：

，必須與CNC配套使用，無通用性；

，一般采用網(wǎng)絡控制，通信協(xié)議不對外部開放；一

，驅(qū)動器的參數(shù)設定、狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)試與優(yōu)化可直接

利用CNC進行，驅(qū)動器一般無操作單元。

?要點:

,驅(qū)動器無位置控制功能，它只是伺服驅(qū)動的一部分，

不能獨立使用；

/閉環(huán)位置控制通過CNC實現(xiàn)，CNC可以實時監(jiān)控坐

標軸的位置、速度等參數(shù)，并進行動態(tài)調(diào)節(jié)；輪廓控

制精度高；

/進口數(shù)控系統(tǒng)配套的都是專用伺服。

模擬伺服

/控制量（電壓、電流等）均為連續(xù)變化的模擬量；

,以模擬電子線路、PID調(diào)節(jié)為主，無微處理器；

/調(diào)整與設定不需要專門的調(diào)試儀器。

第動器?不處實現(xiàn)位置控制.它只是一種速度/轉(zhuǎn)矩.

控制裝Jt.亦將逸及蛻制單反。

數(shù)字伺服

/控制量均為二進制形式的數(shù)字量；

/以徽處理器作基本控制器件，可實現(xiàn)多種運算功能；

,必須配套操作單元或與通信接口，進行調(diào)整與設定，

率動器可奧現(xiàn)位JI控制功旋.足一升位置、速度、

楂矩控制裝JI。

二、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

閉環(huán)控制的概念

特點：用給定和實際輸出間的誤差進行控制。

調(diào)節(jié)原理：輸入不變時，如輸出下降，則誤差增大、

調(diào)節(jié)器輸出增加、控制量增加、輸出增加；當輸出

上升時，誤差減小、控制量減小，輸出將減小。

總是能夠使輸出與輸入一致.

?：?半閉環(huán)：一般以伺服電機內(nèi)置編碼器作為物體位置

檢測元件，不能直接檢測直線位置、速度?！?

參見P50、圖3-1.3。

O特點：

,只能對電機的轉(zhuǎn)角進行閉環(huán)控制，由于伺服電機和

絲杠為機械剛性聯(lián)接，故可間接控制直線位移；

/系統(tǒng)簡單、設計方便、制造成本，是普通數(shù)控機床

的常用結(jié)構(gòu)；

,電氣與機械傳動有明顯分界，系統(tǒng)調(diào)試方便；

,機械間隙、摩擦死區(qū)、剛度等非線性環(huán)節(jié)在閉環(huán)外,

系統(tǒng)穩(wěn)定性好；但控制精度較低。

全閉環(huán)：直接檢測最終的直線位置、速度；直線軸

一般采用光柵、回轉(zhuǎn)軸采用編碼器作為物體位置松

測元件。

參見P50、圖3-1.4。

D特點：

/直接檢測最終位置，可以自動補償機械磨損、間隙,

控制精度高、精度保持性好；

/機械間隙、摩擦死區(qū)、剛度等非線性環(huán)節(jié)在閉環(huán)內(nèi)，

系統(tǒng)對部件的要求高，容易導致振蕩；

,電氣與機械傳動無明顯分界，系統(tǒng)調(diào)試較為困難，

制造成本較高。

三、常用產(chǎn)品簡介

性能與比較

參見P51~P54。

性能安川XV三菱MR-J3松下MINAS-A5

最大功率15kW55kW5kW

最高轉(zhuǎn)速6000r/min（相同）

頻率響應1600Hz900Hz2000Hz

編碼器218220

一、SV驅(qū)動器

型號：

SGDV-2R8

設計序號

ZV驅(qū)動器

接口代號

額定輸出電流01：通用接口

10A以上:單位0.1A輸入電壓

如：120=12A；

10A以下：R代表小數(shù)點A:AC200V

如：2R8=2.8AD:AC400V

F:AC100V

詳見P57。

主要技術參數(shù)：

控制功能：位置、速度、轉(zhuǎn)矩

調(diào)速范圍：15000

調(diào)速精度：^±0.01%

頻率響應：1600Hz

位置脈沖頻率：最大4MHz（線驅(qū)動輸入）；

最大200kHz（集電極開路輸入）

位置脈沖類型：脈沖+方向、90°差分信號、

正/反轉(zhuǎn)脈沖

速度/轉(zhuǎn)矩給定：DC-12V~12V模擬電壓

詳見P58。

二、EV伺服電機

常用系列

□高速小慣量電機

SGMAV：1kW以下，ne/n^=3000/6000r/min

SGMSV：1.5?7kW,ne/hmax=3000/5000r/min

n中慣量標準電機

SGMJV：0.75kW以下，ne/n^=3000/6000r/min

SGMGV：0.3~7.5kW,ne/nma^1500/30OOr/min

11-15kW,ne/nmax=1500/2000r/min

n內(nèi)置編碼器：22。增量/絕對編碼器

詳見P59,P63表3.2.6期行錯。

型號：

21

L內(nèi)置制動器.

電機系列

：無制動

額定輸出功率1

B:帶DC90V制動

單位：0.1kWC:帶DC24V制動

額定電壓-電機軸形式

A:AC200V

內(nèi)置編碼器2:平軸、無鍵

D:AC400V6:平軸、帶鍵

20

3:2絕對B:平軸、帶斜面

D:22。增量

A:如增量—設計序號

詳見P60。

輸出特性:

MX

n?"max

過載能力：

高速小慣量電機（SGMAV、SGMSV）：300%

中慣量標準電機（SGMJV）:350%

（SGMGV）:300%

?練一練（不定項選擇）：

1.以下對通用伺服描述正確的是

A.一般采用脈沖輸入控制B.可以獨立使用

C.對上級控制器無要求D.多與國產(chǎn)CNC配套

2.以下對專用伺服描述正確的是.......（）

A.位置控制通過CNC實現(xiàn)B.可以獨立使用

C.對上級控制器無要求D.多與進口CNC配套

3.以下屬于直線軸、半閉環(huán)系統(tǒng)特點的是…（）

A.不能檢測實際位置B.系統(tǒng)的穩(wěn)定性差

C.檢測器件為編碼器D.檢測器件為直線光柵

4.以下屬于直線軸、全閉環(huán)系統(tǒng)特點的是….篌￡）

A.不能檢測實際位置B.系統(tǒng)的穩(wěn)定性差

C.檢測器件為編碼器D.檢測器件為直線光柵

5.SGDV-120A01A驅(qū)動器的主要技術參數(shù)是4L）

A.額定輸出電流120AB.額定輸入電壓3~200V

1C.額定輸出電流12AD.帶脈沖輸入接口

6.以下對SGMSV-20ADA電機描述正確的是…（）

A.高速小慣量電機B.額定輸出功率2kW

|C.額定輸出電流20AD.額定電壓3~200V

7.SGMSV-20ADA2B電機的主要技術參數(shù)是…（）

A.額定轉(zhuǎn)速為3000r/minB.最高轉(zhuǎn)速為5000r/min

C.帶22。增量編碼器D.帶內(nèi)置DC24V制動器

-單元四、交流伺服的連接技術-

項目四、交流伺服的連接技術

任務一、掌握主回路連接技術.

一.伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成

參見P65、圖4-1.1。

硬件組成=基本裝置（必須有）+選件（可以有）

基本裝置：

驅(qū)動器+電機+電纜

選件：主接觸器、DC電抗器、濾波器、制動電阻。

連接總圖

器件及作用

□進線斷路器

/主回路短路保護用（正規(guī)產(chǎn)品上必須加）；

/可選用通用產(chǎn)品.

a進線主接觸器

/一般需要安裝。

,■■■■■原因;

/主回路需要單獨控制通/斷；

/驅(qū)動器故障時不能加入主電源。

a濾波器：消除干擾，可以不使用；

a直流電抗器：抑制高次諧波，可以不使用;

a制動電阻：提高制動能力，根據(jù)需要選用。

二、主回路連接

主回路

/主電源：產(chǎn)生驅(qū)動器的直流母線電壓；

,控制電源：產(chǎn)生驅(qū)動器內(nèi)部控制電壓0

連接要點

/主電源連接到L1/L2/L3；

/控制電源連接到L1C/L2C；

/電機連接到U/V/W；

,主電源通過主接觸器控制；

/先加控制電源，再加主電源；驅(qū)動器故障觸點應串

聯(lián)到主接觸器通斷控制回路。

輸入要求

，AC200V：額定AC200/230V+10%-15%

200V-15%=170V；230V+10%=253V；

二AC200V的輸入范圍為：AC170~253V

AC400V：額定380/480V+10%-15%

380V-15%=323V；480V+10%=528V；

二AC400V的輸入范圍為：AC325-528V

一箱薜用戶改變不了.不要考慮。

故障觸點只能驅(qū)動DC30V/50mA,所以，要加中

間繼電器.

三、元器件選擇

□斷路器

額定電流計算方法：

/e=（1.5~2）Se/1732Ue

le：斷路器額定電流（A）；

Se：驅(qū)動器輸入容量（VA）；

Ue：輸入線電壓（V）；

注意:驅(qū)動器容量#電機功率

?輸入容量參見P61表3-2.2。

□主接觸器

“額定電流的計算同斷路器；

/線圈電壓按控制電路的電壓要求選擇。

【例】某設備配套有SGDV-120A01A驅(qū)動器，試設計

驅(qū)動器主回路，并選擇斷路器與主接觸器?！?/p>

解：

1.線路：畫上標準電路。

2.驅(qū)動器額定輸入電流計算：

從表3-2.2查得，SGDV-120A01A驅(qū)動器的輸入容量為

2.3kVA,斷路器的額定電流/e可計算如下：

/e=（1.5-2）Se/1.732Ue=9.96-13.28A

3.斷路器與主接觸器選擇

根據(jù)斷路器的額定電流系列，可選擇10A標準規(guī)格，如

DZ47-63/3P-10A等。

根據(jù)接觸器的額定電流系列，可選擇12A標準規(guī)格，如

CJX1-12/22等。

◎練一級:

1.驅(qū)動器主回路安裝斷路器的目的是...（「

A.控制驅(qū)動器啟停B.控制主電源通斷

C.主回路短路保護D.主回路欠壓保護

2.驅(qū)動器主回路安裝接觸器的目的是...（）

A.控制驅(qū)動器啟停B.控制主電源通斷

C.主回路短路保護D.主回路欠壓保護

3.以下對驅(qū)動器主電源、控制電源的控制要求描述

正確的是..............................（）

A.控制電源先加入B.主電源通斷用故障觸點控制

C.主電源先加入D.控制電源通斷用故障觸點控制

4.額定電壓為3~AC200/230V的驅(qū)動器，其輸入電壓

允許的范圍為...........................（）

A.200-230VB.170-264V

C.180-264VD.170-253V

5.額定電壓為3~AC380/480V的驅(qū)動器，其輸入電壓

允許的范圍為...........................（）

A.380-480VB.323~552V

C.323-528VD.342-528V

6.以下對驅(qū)動器故障觸點使用描述正確的是…（）

A.只能連接直流負載B.不能超過DC50mA

C.應串聯(lián)到主接觸器線圈回路D.正常時接通

綜合訓練:

7.假設某數(shù)控車床配套的X軸伺服電機為SGMSV-

10ADA、Z軸伺服電機為SGMSV-20ADA.試：

(1)選擇X、Z軸的伺服驅(qū)動器型號；

(2)設計驅(qū)動器的主回路電路草圖；

(3)選擇斷路器與主接觸器.

任務二、掌握控制回路連接技術

想一想:電機的控制有何要求?

，需要向電機提供電能。

舊主回路(交-直-交變流)，

,能夠控制電機運行。

外部提供控制信號，一般為開關量輸入(觸點)，

稱DI信號(DataInputs).

，能夠檢查驅(qū)動器狀態(tài)。

內(nèi)輸出運行狀態(tài)信號，一般為開關量輸出(觸點)，

稱DO信號(DataOutputs)

/能夠改變電機轉(zhuǎn)速、位置。

外部提供脈沖信號，稱給定信號。

，能夠檢測實際速度、位置。

0輸入速度位置測量信號，稱反饋信號。

一、DI/D。信號與連接

1.DI信號與連接■一

常用的DI信號：

口伺服使能(S-ON)

連接端：出廠設定為CN140(可以改變)

作用：控制植出，信號ON,逆變管開放，電機通電。

□正/反轉(zhuǎn)禁止(*PQT/*N-OT)

連接端：出廠設定為CN142/43(可以改變)

作用：禁止某一方向的運動，可用于超程控制。

信號名稱前的代表常閉輸入,即:正常時應

ON；輸入OFF時,禁止正I反轉(zhuǎn).

?要點:一

/DI信號應連接到CN1-40~46；

/信號功能只能在驅(qū)動器規(guī)定的范圍內(nèi)選擇，但吃

以不使用。

/連接端連接什么信號，可通過參數(shù)的設定選擇，

稱為“多功能DI”。

DI信號的連接

口對輸入的要求：

/可以是觸點或電子觸點(晶體管輸出)；

/驅(qū)動能力：NDC24V/50mA；

/工作電流：7-15mA;

/信號狀態(tài)：N3.5mA,ON；<1.5mA,OFF.

n觸點信號的連接

?要點:

，DO信號應連接到CN1的規(guī)定端（見圖4-1.5）：

,信號功能只能在驅(qū)動器規(guī)定的范圍內(nèi)選擇，但可?

以不使用。

/連接端連接什么信號，可通過參數(shù)的設定選擇.

稱為“多功能D。”。

DO信號的連接

口輸出規(guī)格：

ZCN1-25/26,31/32：2點,光耦獨立輸出；

/CN1-37/38/39：3點，晶體管集電極開路輸出、

帶公共0V端，公共端CN1-1（連接0V）。

/驅(qū)動能力：光耦DC5~30V/50mA；

晶體管輸出：DC5~30V/20mA。

□連接出路

>光耦輸出

電流方向不能錯二極管極性不能錯

0V端可獨立、也可互連

>NPN集電極開路輸出

輸出端連接負載II二極管極性不能錯

r

外部電源

公共端連接電源ov

3.輸入脈沖的連接

口作用：位置控制時的位置給定輸入。

口連接瑞：規(guī)定為CN1-7/8、CN1-11/12（不可改變）一1

□揄入要求：DC5T2V/5~20mA

高電平：大于3.7V；低電平：小于2.8V.

□連接電路：

線驅(qū)動輸出、直接連接

集電極開路信號I電流方向不能耐

要加限流電阻

ON壓降不能

超過1.5V

卷點；R1的計算

計算式：5mA這[Vcc-(1.5+0.5)]/R1W20mA

Vcc=5V：R1=0.15-0.6kQ

VCC=12V:R1=0.5-2kQ

VCC=24V:R1=1.1-4.4kQ

使用驅(qū)動器的DC12V電源驅(qū)動

1.可以為“無源''

信號：

2.ON壓降不能

超過1.5V