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第七章 电气调速系统与变频器变频调速技术与装置

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7.1 电气调速概述7.1.1 调速系统及其性能指标 调速：通过改变电动机的参数 电源电压 电动机的参数或电源电压 电动机的参数 电源电压等方 法来改变电动机的机械特性，从而改变它与 负载特性的交点，使得电动机的稳定转速改 变。 分类：

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(1)开环和闭环调速系统：控制原理： 开环：精确度较 差； 闭环：能消除各 种干扰，精确度 较高 调速电源种类： 直流 交流

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(2)调速系统的性能指标(1)调速范围(D): (2)调速的平滑性(公比): ni 某一转速 φ= = (≈ 1, 连续调速) ni 1 最邻近的转速 n0 ne ne (3)静差度(稳定度): S= = n0 n0 静差度是根据生产工艺要求提出来的，该指标 对产品质量有很大影响，S过大会影响加工件的加工精 加工精 光洁度。 度和表面光洁度 光洁度 一般粗加工金属切创机床要求S=0.3左右，精加工机 床S=0.05~0.1左右 (龙门刨床主拖动要求s= 0.05~0.1 )。

nmax 最高转速 = D= nmin 最低转速

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S、D同时提出才有意义

表示系统调速范围、静差度、最高转速、 转速降四者之间的关系。 (4)经济性：设备费用、能源损耗、运行及 维护费用。

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7.1.2 直流电动机的调速控制(1)直流电动机的基本调速方式 他励直流电动机方程：Ud Rd n= T = n0 K tT = n0 n 2 Ceφ CeCtφ

电动机的转速由Ud,Rd,φ决定。 基本调速方法： 调压：改变电枢电压；恒转矩调速； 调速范围宽，调节细，应用广泛； 调磁：改变磁通φ;恒功率调速。 调速范围不宽 二者：调速平滑性好、稳定性好、能耗低、经济性好

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(2)直流调速系统的种类(1)直流发电机-直流电动机(G-M): 改变控制信号，从而改变发电机的输出电压，使电动机的 转速随电压而改变； (2)交磁放大机-直流电动机(SKK-M): 由高放大倍数、高性能特殊结构的直流发电机，控制直 流电动机的电枢电压，改变转速； (3)晶闸管-直流电动机(SCR-M): 根据控制信号改变晶闸管的导通角，输出不同的整流电 压，改变转速； (4)脉宽调制-直流电动机(PWM-M):用一定频率的三角 波或锯齿波，把模拟控制电压切割成与三角波同频率的矩 形波；(控制电压的幅值与矩形波的占空比成比例。)并 去触发大功率三极管的基极，使电机电流受到控制并与控 制信号成线性关系。

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直流调速系统： 优点：调速范围宽、调速精度高； 缺点：机械式整流装置(整流子、碳刷)必 须经常维护，环境条件要求可靠；容量有限， 成本高，体积大。

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7.1.3 交流电动机的调速控制交流电动机结构简单，成本低，维护方便。 调速： 60 f1n = (1 s )n1 = p (1 s)

n1为

旋转磁场的转速 调速方法：变极调速、变转差率调速和变频调 速：

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(2)交流电动机的调速方法变极调速：改变电机绕组的接线方式→改变极对数 →有极调速 设备简单，价格低廉，工作可靠； 绕组结构复杂，应用较少；

变转差率调速：调节串连在转子绕组中的电阻值(调阻); 转子电路中引入附加的转差电压(串极调速); 调整电机定子电压(调压调速); 电磁转差离合器(电磁离合器调速)改变气隙磁 场； 大容量风景、水泵等的调速节能手段。

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变频调速60 f1 n = (1 s )n1 = (1 s) p

改变定子供电频率→改变同步转速→调速 优点：效率高、范围宽、精度高

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7.1.4 调速系统的发展

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7.2 变频调速的原理与调速方法7.2.1 变频调速的基本原理通过改变电源的频率实现调速控制； 还需考虑有效利用电动机磁场，抑制起 动电流和得到理想的转矩特性等问题；

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E1 = 4.44 f1ω1k1φ U1 = I1Z1 + E1

高频时，略去定子阻抗电压降(较小) 高频时

U1 ≈ E1 = 4.44 f1ω1k1φ 电机(电磁)转矩为： T = CtφI 2 cos 2U1不变 f1增大：电机输出转矩减小，电动机利用率降低； f1减小：磁路饱和，励磁电流增大，铁心过热； 调频的同时，需改变定子电压 改变定子电压，以维持气隙磁 调频 改变定子电压 通不变；U和f不同比例，将有不同的变频调速方式。

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7.2.2 基频以下恒磁通变频调速U1 = 4.44ω1k1φ E1和f1较高时： f1恒磁通变频调速(恒转矩 恒转矩调速); 恒转矩 U1 = const f1

随着f1的降低，定子电阻的压降已不可忽略，E1 = 4.44 f1ω1k1φ U1 = I1Z1 + E1

T = CtφI 2 cos 2

应适当提高 1,以补偿定子电阻压降的 适当提高U 适当提高 影响，使气隙磁通保持不变(曲线2)

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7.2.3 基频以上的弱磁变频调速当n>ne时，即f1>f1e,若维持U1/ f1=c,则U1 >U1e,不允许； 采用定子电压不在升高，保持U1 =U1e ;此时 气隙磁通小于额定磁通，转矩减小 转矩减小(弱磁调 转矩减小 速); 恒功率调速：改变定子供电频率的同时，按 恒功率 f1 U1 = U1e 调整定子电压，可使功率等于电 f1e 动机额定功率，而 T = Te 转矩随f1/ f1e 或 f1 / f1e f1的增加而减小。