傳動系統培訓東北大學錢曉龍1直流調速系統

2電樞繞組直流電動機工作原理演示

電動機模型演示注意:電樞和磁場電流總是相差90°磁場電極換向器/電刷直流電動機3直-直型電力機車他勵直流電動機自勵直流電動機串勵電動機并勵電動機復勵電動機4直流調速系統的發展G-M系統

改變發電機勵磁電壓發電機輸出電壓直流電動機電樞電壓改變電動機轉速5直流調速系統的發展

V-M系統6直流調速系統的發展PWM-M系統交-直型電力機車7直流調速系統的發展8直流調速系統調速系統等效電路圖

9直流調速系統直流電動機的調速改變電樞回路電阻R減弱勵磁磁通Φ調節電樞供電電壓U

10改變電樞回路電阻調速

改變電樞回路電阻的調速方法就是在電樞回路中串接附加電阻R1、R2……來改變電動機電樞端電壓，從而實現調速的目的。

abcn2n2<n111改變電樞回路電阻調速（1）系統的結構簡單；（2）調速不連續，不平穩；（3）機械特性軟，從而影響調速范圍；（4）電動機速度的改變是靠改變電樞回路串接電阻大小來實現的，調速范圍越大，串入的電阻就越大，相應地電阻上消耗的能量就越大，這是很不經濟的。12調壓調速改變Ud0就得到一組相互平行的機械特性曲線

如果連續改變可控電源電壓，電動機轉速就可以平滑連續地調節。13調壓調速調壓調速的特點：機械特性較硬，負載不變時，轉速降△n不變由于容許的輸出轉矩恒定，對于恒轉矩性負載的拖動調速，能充分利用電動機的容量由于電樞回路時間常數小，系統的動態響應快，適合于要求快速起、制動的設備的傳動系統中，如初軋機、龍門刨床等設備。14改變電動機勵磁調速 當負載電流不變時，改變可控電壓Uf，也就是說，改變電動機勵磁磁通量Ф時，電動機的理想空載轉速和轉速降都在變化，隨著磁通量的減少，轉速降就越來越大，機械特性也就越軟。

15改變電動機勵磁調速改變勵磁調速的特點：（1）機械特性軟，負載變化時轉速的波動較大；（2）可控電源容量小，一般為電動機容量的10%以下，電源設備造價低；（3）磁場的時間常數大，系統的動態響應慢，適合于起、制動快速性要求不高的設備的傳動控制。16交流調速系統

17交流調速系統直流電動機的缺點：（1）成本昂貴（2）直流電機的容量和速度的限制（3）應用環境（4）轉子發熱多，電機效率低（5）系統可靠性差18三相異步電動機結構圖交流電動機電動機機殼轉子/軸承定子繞組19交流電動機定子定子鐵芯：由互相絕緣的硅鋼片疊成定子繞組：三相繞組對稱分布在定子鐵芯上機座：鑄鋼或鑄鐵定子鐵芯20定子繞組21交流電動機轉子注：轉子電路必須是閉合的轉子鐵芯：由外周有槽的硅鋼片疊成繞線式鼠籠式轉子繞組轉軸鐵芯槽內放銅條，端部用導電銅環將所有銅條短接成一個回路。或鑄鋁形成轉子繞組。鼠籠式轉子22交流電動機繞線式轉子同定子繞組一樣，也是對稱的三相繞組，并且連接成星形。23交流電動機定子作用：轉子作用：鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式：

結構簡單、價格低廉、工作可靠、使用方便繞線式：結構復雜、價格較貴、維護工作量大，適用于要求具有較大起動轉矩及一定調速范圍的場合產生旋轉磁場，并從電網吸收電能。產生電磁轉矩，并輸出機械能。24交流電動機轉動原理磁場旋轉磁鐵閉合線圈e方向用右手定則確定f方向用左手定則確定磁場與載流導體相互作用產生電磁力25交流電動機轉動原理(1)旋轉磁場的產生

定子對稱三相繞組通入三相對稱電流U1U2V1V2W1W2o26交流電動機轉動原理U1U2V1V2W1W2電流正方向：從繞組首端流入，末端流出。規定U1V2W1V1W2U2()電流入(?)電流出(1)旋轉磁場的產生27交流電動機轉動原理o動畫合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°U1

U2V2W1V1W2U1

U2V2W1V1W2U1

U2V2W1V1W2U1U2V1V2W1W228交流電動機轉動原理(2)轉動原理定子三相繞組通入三相交流電旋轉磁場

切割轉子導體右手定則感應電動勢感應電流旋轉磁場左手定則電磁力F電磁轉矩T順時針n順時針U1U2V2W1V1W2FF29n1=60f1/3若三相繞組極對數為3，每相電流的最大值隨時間變化一次，相應的合成磁場將移動1/3周。考慮到每相電流1秒內變化f次，則相應的合成磁場1秒旋轉f/3周。2極電機交流電動機轉速n1=60f1每相電流的最大值隨時間變化一次，相應的合成磁場就旋轉一周。考慮到每相電流一秒變化f次，則相應的合成磁場就一秒內就旋轉f周。6極電機n1=60f1/

PN2N極電機30交流電動機轉速n1=60f1/PNn1=60f1(1-s)/PN變頻調速：改變電源的頻率變極調速：改變電機的極對數改變轉差率：繞線電機轉子串電阻調速、定子調壓調速、串級調速、雙饋調速31交流電動機調速原則磁通Φm恒定基頻以下調速基頻以上調速磁通增大－電機負載能力降低，功率因數變壞磁通減小－電機在一定負載下有過電流危險U1NU1ff1N恒轉矩調速恒功率調速32交流調速調制技術調制方法PAM（脈幅調制）PWM（脈寬調制）變頻器在改變輸出頻率的同時，也同時改變輸出電壓的幅值。

PAM需要同時調節兩個部分：整流部分和逆變部分，二者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路復雜。變頻器在改變輸出頻率的同時，也改變輸出電壓的脈沖占空比。PWM只控制逆變器部分，與PAM相比，控制電路簡單。33正弦波脈寬調制技術SPWM脈寬調制三角波發生器調制發生器SPWM電壓輸出波形輸出電流波形34正弦波脈寬調制技術PWM波形實際上就是一組方波直流電壓。它直接應用于電動機上。產生頻率和電壓可變的三相交流波形35PowerFlex變頻器的壓頻比控制電壓/頻率控制Volts/HertzControl(V/Hz)無速度傳感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)磁場定向控制FieldOrientedControl36V/Hz控制方式斜坡函數發生器V/Hz模式形成控制脈沖發生器壓頻比控制是簡單的開環控制M37轉差頻率控制方式轉差頻率控制是簡單的“閉環”控制++M+-斜坡函數發生器V/Hz模式形成控制脈沖發生器f*38風機調速系統

風機及配套用的電機耗用電量約占全國總發電量的20%。而傳統的利用檔風板或閥門載流調節方式不符合節能需求。39風機調速系統設工作點為A，輸出風量Q1，此時風機軸功率N1與Q1H1的乘積，即和AH1OQ1所包圍的面積成正比。管網風阻特性風機在恒速下的風壓-風量特性系統工作點由A移到B。風壓反而增加，軸功率N2與面積BH2OQ2成正比工作點由原來的A點移到C點。可見在相同風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3與面積CH3OQ2成正比 從風機的工作特性來看，調速控制與風門控制調節風量比較，有著更高的節能效果。在相同風量Q2的情況下，風壓大幅度降低，功率顯著減少，節能效果十分明顯。40風機調速系統由流體力學可知風量與轉速的一次方成正比風壓與轉速的平方成正比軸功率與轉速的三次方成正比41PowerFlex“4”-系列產品Performance/FunctionalityPowerRating(KW@4000V)3.71120501101500PowerFlex400PowerFlex40/40PPowerFlex44243PowerFlex40-簡介卓越的電動機控制,0.4-11kWV/Hz或SensorlessVector(SVC)控制內置用戶接口操作員控制(start,stop,speed,direction)編程&起動面板狀態&故障指示燈內置RS-485通訊接口通用的參數結構同所有PowerFlex“4-Class”變頻器一致通用的“4Class”附件遠程操作員面板EMC濾波器動態制動電阻444.0簡單的起動程序

只需連接電源線路，即可通過內置面板控制變頻器起動

當控制激活時，指示燈會亮

10個最通用起動參數： MotorNameplateVoltage(P031) MotorNameplateFrequency(P032) MotorOverloadCurrent(P033) MinimumFrequency(P034) MaximumFrequency(P035) StartSource(P036) StopMode(P037) SpeedReference(P038) AccelTime1(P039) DecelTime1(P040)45控制/電源接線面蓋內側附有控制接線圖方便接線較大的動力及控制線端子方便接線46控制輸出1個繼電器輸出2個OPTO

輸出1個模擬量輸出簡單易用的邏輯控制控制輸入專用的

START,STOP

和

REVERSE

輸入4個用戶自定義輸入提供附加應用24VDCSINK

或SOURCE

可通過DIP開關選擇47基本邏輯、計時器和計數器功能計時器和計數器功能通過數字量命令激活基于用戶自定義的時間或數值輸出基本邏輯功能

繼電器或光電耦合輸出又設置為“邏輯輸入”的數字量輸入控制當AND、OR和外部鏈接邏輯條件為真時，輸出狀態改變48PowerFlex40-選件EMC濾波器輸入電抗器動態制動電阻外置式操作面板22-HIM-CS222-HIM-A3DSI通訊適配器DeviceNet,EtherNet/IP,ProfibusDP,CompactI/Oand22-XCOMM-DC-BaseControlnet,Lanworks(FY2005Q4)49編程和通訊內置RS-485接口DriveSerialInterface(DSI)PC編程

DriveExplorer軟件DriveExecutive軟件RS485toRS232串行轉換器多支路網絡支持

與

SLC500、CompactLogix和ControlLogix兼容支持ModbusRTU50編程和通訊PC控制多個PF4或PF40變頻器使用DF1連接Allen-Bradley控制器*注意–需要22-SCM-232串行轉換器ABRS232toRS485ConverterRS485Repeater#1#2#31etc.DF1RTU#1#2#31etc.DF1RTU51編程和通訊22-COMM-D/22-XCOMM-DC-Base外置的DSIComm選件用于RA核心網絡Upto4PowerFlex4’sor40’sPowerFlex40Multi-DriveRS-485EtherNet/IPTerminatingResistorTerminatingResistor一個站點可帶5臺變頻器AK-U0-RJ45-TB2PRJ45TerminalBlocksPowerFlex40Multi-DriveDeviceNetTerminatingResistorTerminatingResistorUpto4PowerFlex4’sor40’sRS-485AK-U0-RJ45-TB2PRJ45TerminalBlocks52PowerFlex40–應用實用于僅要求簡單的V/Hz控制的應用如風機食品加工機械電動工具水泵攪拌機運輸帶包裝機械木工加工機械自動卷簾門等(車庫,隔斷門).或其它對低頻輸出轉矩要求較高的應用(SVC)

或要求網絡連接功能的應用.

53矢量控制技術在DC電機中,磁場是一個獨立的繞組產生(激磁繞組)因此電機電樞電流和磁通電流可以單獨控制.分別控制電機的磁通和力矩可以實現優化的控制性能－零速時的高輸出力矩，負載變化時的快速響應.在AC電機中,定子繞組電流包含勵磁和轉矩部分，因此很難單獨控制電機的力矩和磁通.僅僅控制電流幅值，不能實現電機的力矩和磁通的單獨控制，所以矢量控制必須同時控制電流的幅值和相位54三相-兩相變換（3/2變換）在三相對稱繞組中，通以三相平衡電流，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢，它在空間呈正弦分布，以同步轉速（即電流的角頻率）旋轉。但旋轉磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，任意對稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產生旋轉磁動勢，當然以兩相最為簡單。55三相-兩相變換（3/2變換）A-B-C和α-β兩個坐標系中的磁動勢矢量，將兩個坐標系原點并在一起，使A軸和α軸重合。三相坐標系和兩相坐標系中的磁動勢矢量56磁動勢相等原則按照磁動勢相等的等效原則，三相合成磁動勢與二相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在α-β軸上的投影都應相等，因此有：573/2變換矩陣考慮變換前后總功率不變，匝數比應為583/2變換矩陣逆變換矩陣（2/3變換矩陣）得到3/2變換矩陣59兩相-兩相旋轉變換（2s/2r變換）兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產生旋轉磁動勢。如果令兩相繞組旋轉起來，且旋轉角速度等于合成磁動勢的旋轉角速度，則兩相繞組通以直流電流就可產生同樣空間旋轉磁動勢。靜止兩相坐標系到旋轉兩相坐標系變換aibiaububa2s/2r變換1wOOdq602s/2r變換電流之間存在下列關系

兩相靜止和旋轉坐標系中的磁動勢矢量612s/2r變換陣兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換陣逆變換陣62矢量控制分類矢量控制技術轉子磁場定向定子磁場定向合成磁場定向63基于轉子磁鏈定向的矢量控制技術64基于定子磁鏈定向的直接轉矩控制直接轉矩控制（DTC）65矢量控制與直接轉矩控制的比較相同點：兩者都采用轉矩和磁鏈分別控制

不同點：矢量控制強調磁場與轉矩的解耦，有利于分別設計轉速與磁鏈調節器；實行連續控制，調速范圍寬，可達1:100以上DTC控制按轉子磁場定向時受電機轉子參數影響，降低了魯棒性

直接進行轉矩控制，避開了旋轉坐標變換；控制定子磁鏈，而不是轉子磁鏈，不受轉子參數影響產生轉矩脈動，降低了調速性能

優點/缺點66PowerFlex變頻器的矢量控制電壓/頻率控制Volts/HertzControl(V/Hz)無速度傳感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)磁場定向控制FieldOrientedControl無速度傳感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)67磁通矢量控制FVC磁通矢量控制通過電機的電流反饋，使用電動機轉子的速度和位置來調節電動機的輸出電流和轉矩。編碼器提供電動機的速度和位置信息L1L2L3電流反饋MotorEVC68磁場定向控制FOC磁場定向控制與磁通矢量控制的技術一樣，但增加了電壓反饋自調整來優化和適應電動機溫度的變化L1L2L3電壓反饋MotorEVC電流反饋TEMP69無速度傳感器矢量控制SVC利用自適應控制算法通過電壓和電流模型運算，從而實現磁通和轉矩的解耦，并分別進行控制。L1L2L3

MotorCurrentSensorsVC(FVC+SpeedEstimator)70PowerFlex變頻器的控制方式PowerFlex4變頻器采用V/Hz控制PowerFlex40、40P變頻器采用V/Hz和SensrlsVect控制PowerFlex400變頻器采用普通V/Hz及用戶自定義的V/Hz控制PowerFlex70、700變頻器采用Fan/PmpV/Hz、CustomV/Hz、SensrlsVect控制PowerFlex70EC、700VC變頻器Firmwareversions2.0以上的可以采用FVC控制PowerFlex700S、PowerFlex700S2變頻器采用FOC、FOC2、PmagMotor（永磁電機）和V/Hz控制71PowerFlex“7”-系列產品特性/功能功率范圍(KW)3.77.515371321500PowerFlex700SPowerFlex700LPowerFlex700VCPowerFlex70

PowerFlex700H5007273PowerFlex70安裝類型NEMA1/IP20(50℃)Flange(50℃)Front=NEMA1/IP20Backside=NEMA4X/IP66 (Indoor&Outdoor)NEMA4X(40℃)AlsoNEMA12&IP66(indooronly)74PowerFlex70框架A,B,C,D,E0.5-25HP(0.37-7.5kW)@200/240V0.5-50HP(0.37-37kW)@400/480V0.5-50HP(0.37-37kW)@600V75簡單通用的人機接口HIM大面幅

LCD顯示本地和遠程面板多種語言用戶自定義的顯示計算器式的數字鍵盤通用的編程工具DriveExplorer

及DriveExplorerLite 簡單，靈活，可編程在線監控和組態。DriveToolsSP 界面友好，操作靈活，可對變頻器分別進行在線監控和離線組態。76通訊能力支持多種通訊選件：DeviceNet RemoteI/O ControlNet ProfibusDP InterbusS RS485-DF1 EtherNet/IP RS-485HVAC MetasysN2/FLNP1/ModbusRTULonWorks CompactI/O 無須外部電源無須外部空間77DeviceNetControlCommandfromPLCPeerControlDataChange-of-StateStatusData通訊能力先進的點對點(Peer-to-Peer)及I/O通訊提高網絡性能及通訊效率78優越的控制性能用戶可定制的U/F曲線——可設置轉折頻率風機/泵U/F曲線40:1/0.5%開環:120:1/0.1%閉環:120:1/0.001%80:1/0.1%U/Hz控制無速度傳感器矢量控制無速度傳感器矢量控制節能方式FORCE矢量控制（增強型）特點：可實現在寬調速范圍內的高轉矩輸出。適應不同的電動機特性。當電動機電流減小到一定值時，變頻器自動降低輸出電壓，實現節能。79PowerFlex70其他特點優異的低頻轉矩特性零速滿轉矩80PowerFlex70其他特點反應快速的電流限制功能可實現電動機以最大加速度運行而不會出現跳閘。防止了負載沖擊引起的轉矩波動。反應快速的母線電壓調節功能可設置調