第6章 异步电动机调速系统及主轴驱动.ppt

异步电动机调速系统及主轴驱动 内容提要 第1节 异步电动机变频调速系统 第2节 数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求 第3节 直流主轴控制单元 第4节 交流主轴控制单元 第5节 主轴定向控制 第1节 异步电动机变频调速系统 在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性的进展。70年代初提出的矢量控制理论，使交流调速获得了与直流调速同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代，80年代中期又提出了直接转矩控制理论，其控制结构简单，便于实现数字化，所以变频调速是最有前途的一种交流调速方式。 1. 调速原理 根据电机学原理可知，异步电动机的转速为： 三相异步电动机定子每相感应电动势的有效值是： （6-3） 式中， —— 定子绕组每相串联匝数， —— 基波绕组系数， —— 每极气隙磁通。 由式(6-3)可见，只要控制好E1和f 1，便可达到控制磁通的目的，对此，需考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 由式(6-3)可知，要保持磁通不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低E1使: 常数 即采用恒电动势频比控制方式。 当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E1，则得： 常数 这是恒压频比的控制方式。 在基频以上调速时，频率可以从 往上提高，但电压 却不能在额定电压上增加了，最多只能保持 不变。由式(6-3)可知，这将迫使磁通与频率成反比地减少，相当于直流电动机弱磁升速的情况。 图6-1 恒压频比控制特性 图6-2 异步电动机变频调速控制特性 （一）SPWM逆变器的工作原理 1. 基本概念 为了更好地控制异步电动机速度，不但要求变频器输出频率和电压大小可调，而且要求输出波形尽可能接近正弦波（尽量减少谐波损耗）。即要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电。 在采样控制理论中有一个重要结论，冲量（窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同-----该结论是PWM控制的重要理论基础。 将图6-3(a)所示的正弦波分成N等份，即把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成。这些脉冲宽度相等（均为π/N），但幅值不等，其幅值是按正弦规律变化的曲线。 我们把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦脉冲的中点重合，且使各矩形脉冲面积与相应各正弦部分面积相等，就得到图6-3(b)所示的脉冲序列。根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。 同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 由图6-3可见，各矩形脉冲在幅值不变的条件下，其宽度随正弦规律变化。这种宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的矩形脉冲序列称为SPWM波形。 图6-3(b)的矩形脉冲系列就是所期望的变频器输出波形。通常将输出为SPWM波形的变频器称为SPWM型变频器。 当变频器各开关器件工作在理想状态下时，驱动相应开关器件的信号也应为与图6-3(b)形状相似的一系列脉冲波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，即变频器中的变流器采用不可控的二极管整流器就可以了。 图6-4(a)是SPWM变频器的主回路。VT1-VT6是逆变器的六个功率开关器件， VD1-VD6用于处理无功功率反馈的二极管。整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压US供电。 图6-4(b)是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号UrA、 UrB 、UrC由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所有要求的输出频率范围内可调；其幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压的大小。 三角波载波信号Ut是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生脉冲序列波：UdA,UdB,UdC，作为逆变器功率开关元件的输出控制信号。 图6-5 单极性脉宽调制模式（单相） 图6-6 双极性脉宽调制模式（单相） 在SPWM逆变器中，三角波电压频率f t与参照