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    伺服電機、變頻電機、普通電機的區別
    作者:郭宏晶 日期:2019年07月27日 來源:技術部 瀏覽:

    內容導讀:伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個必須的內部環節,伺服驅動器中同樣存在變頻(要進行無級調速)。但伺服將電流環速度環或者位置環都閉合進行控制,這是很大的區別。除此外,伺服電機的構造與普通電機是有區別的,要滿足快速響應和準確定位。

    今天,一起來聊聊伺服電機、變頻電機、普通電機之間的那些事!

    伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個必須的內部環節,伺服驅動器中同樣存在變頻(要進行無級調速)。但伺服將電流環速度環或者位置環都閉合進行控制,這是很大的區別。除此外,伺服電機的構造與普通電機是有區別的,要滿足快速響應和準確定位。

    現在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服,但這種電機受工藝限制,很難做到很大的功率,十幾KW以上的同步伺服價格及其昂貴,這樣在現場應用允許的情況下多采用交流異步伺服,這時很多驅動器就是高端變頻器,帶編碼器反饋閉環控制。所謂伺服就是要滿足準確、精確、快速定位,只要滿足就不存在伺服變頻之爭。

     

    一、兩者的共同點

     

    交流伺服的技術本身就是借鑒并應用了變頻的技術,在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現的,也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環節。

    變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電,然后通過可控制門極的各類晶體管(IGBT,IGCT等)通過載波頻率和PWM調節逆變為頻率可調的波形類似于正余弦的脈動電,由于頻率可調,所以交流電機的速度就可調了(n=60f/p ,n轉速,f頻率, p極對數)。

     

    二、談談變頻器

     

    簡單的變頻器只能調節交流電機的速度,這時可以開環也可以閉環,要視控制方式和變頻器而定,這就是傳統意義上的V/F控制方式。

    現在很多的變頻已經通過數學模型的建立,將交流電機的定子磁場UVW3相轉化為可以控制電機轉速和轉矩的兩個電流的分量,現在大多數能進行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩,UVW每相的輸出要加霍爾效應的電流檢測裝置,采樣反饋后構成閉環負反饋的電流環的PID調節;ABB的變頻又提出和這樣方式不同的直接轉矩控制技術,具體請查閱有關資料。

    這樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩,而且速度的控制精度優于v/f控制,編碼器反饋也可加可不加,加的時候控制精度和響應特性要好很多。

     

    三、談談伺服

     

    驅動器方面:伺服驅動器在發展了變頻技術的前提下,在驅動器內部的電流環,速度環和位置環(變頻器沒有該環)都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算,在功能上也比傳統的變頻強大很多,主要的一點可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發送的脈沖序列來控制速度和位置(當然也有些伺服內部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數設定在驅動器里),驅動器內部的算法和更快更精確的計算以及性能更優良的電子器件使之更優越于變頻器。

    電機方面:伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機(一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機),也就是說當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時,伺服電機就能根據電源變化產生響應的動作變化,響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機,電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號,而是電機本身就反應不了,所以在變頻的內部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。當然即使不設定變頻器的輸出能力還是有限的,有些性能優良的變頻器就可以直接驅動伺服電機。!

     

    四、談談交流電機

     

    交流電機一般分為同步和異步電機:

    1、交流同步電機:就是轉子是由永磁材料構成,所以轉動后,隨著電機的定子旋轉磁場的變化,轉子也做響應頻率的速度變化,而且轉子速度=定子速度,所以稱“同步”。

    2、交流異步電機:轉子由感應線圈和材料構成。轉動后,定子產生旋轉磁場,磁場切割定子的感應線圈,轉子線圈產生感應電流,進而轉子產生感應磁場,感應磁場追隨定子旋轉磁場的變化,但轉子的磁場變化永遠小于定子的變化,一旦等于就沒有變化的磁場切割轉子的感應線圈,轉子線圈中也就沒有了感應電流,轉子磁場消失,轉子失速又與定子產生速度差又重新獲得感應電流......所以在交流異步電機里有個關鍵的參數是轉差率就是轉子與定子的速度差的比率。

    3、對應交流同步和異步電機變頻器就有相映的同步變頻器和異步變頻器,伺服電機也有交流同步伺服和交流異步伺服,當然變頻器里交流異步變頻常見,伺服則交流同步伺服常見。

     

    五、應用

     

    由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同,所以應用也不大相同:

    1、在速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器,也有在上位加位置反饋信號構成閉環用變頻進行位置控制的,精度和響應都不高,F有些變頻也接受脈沖序列信號控制速度的,但好象不能直接控制位置。

    2、在有嚴格位置控制要求的場合中只能用伺服來實現,還有就是伺服的響應速度遠遠大于變頻,有些對速度的精度和響應要求高的場合也用伺服控制,能用變頻控制的運動的場合幾乎都能用伺服取代,關鍵是兩點:一是價格伺服遠遠高于變頻,二是功率的原因:變頻最大的能做到幾百KW,甚至更高,伺服最大就幾十KW。

    為什么普通電機不能當變頻電機使用?

    普通電動機是按恒頻恒壓設計的,不可能完全適應變頻器調速的要求,因此不能多做變頻電機使用。

    ◆變頻器對電機的影響主要在電動機的效率和溫升

    變頻器在運行中能產生不同程度的諧波電壓和電流,使電動機在非正弦電壓、電流下運行,里面的高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗及附加損耗增加,最為顯著的是轉子銅耗,這些損耗會使電動機額外發熱,效率降低,輸出功率減小,普通電動機溫升一般要增加10%20%。

    ◆電動機的絕緣強度問題

    變頻器載波頻率從幾千到十幾千赫,使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率,相當于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓,使電動機的匝間絕緣承受較為嚴重的考驗。

    ◆諧波電磁噪聲與震動

    普通電動機采用變頻器供電時,會使由電磁、機械、通風等因素所引起的震動和噪聲變的更加復雜。變頻電源中含有的各次諧波與電動機電磁部分固有空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力,從而加大噪聲。由于電動機的工作頻率范圍寬,轉速變化范圍大,各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各結構件的固有振動頻率。

    ◆低轉速時的冷卻問題

    當電源頻率較低時,電源中的高次諧波所引起的損耗較大;其次變通電機轉速降低時,冷卻風量與轉速的三次方成正比減小,致使電機熱量散發不出去,溫升急劇增加,難以實現恒轉矩輸出。

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