馬昕教授電力拖動與運動控制交流調速基礎.ppt

馬 昕,北京化工大學計算機模擬與系統(tǒng)安全工程研究中心 教育部化工安全工程研究中心 國家安全生產監(jiān)督管理總局危險化學品生產系統(tǒng)故障預防及監(jiān)控基礎實驗室 北京化工大學信息科學與技術學院,第四章 交流調速基礎,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,2,主要內容,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,3,（1）交、直流調速系統(tǒng)的比較,直流電動機的固有缺點： 工藝復雜，成本高； 換向器的換向能力限制了直流電動機的容量和速度； 電樞火花限制了直流電動機的安裝環(huán)境； 轉子發(fā)熱，電機效率低； 可靠性較差，增加了維護和保養(yǎng)的工作量,（1）交、直流調速系統(tǒng)的比較,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,5,（1）交、直流調速系統(tǒng)的比較,交流調速優(yōu)于直流調速之處： 在大功率負載情況下，交流調速性價比最優(yōu)； 交流調速系統(tǒng)可滿足高速運行要求； 在易燃易爆多塵場合，交流調速系統(tǒng)無需過多維護； 交流調速系統(tǒng)成本較之直流調速系統(tǒng)明顯降低； 中壓交流調速系統(tǒng)可以節(jié)省變電站容量； 交流電動機易于同某些生產機械形成機電一體化產品,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,6,（2）交流調速的難點和復雜性,交流調速系統(tǒng)的難點主要來自于： 交流電動機的數學模型造成轉矩控制困難,與其相關的電子器件和微處理器更新?lián)Q代的速度制約了交流調速系統(tǒng)的發(fā)展速度 調速系統(tǒng)的精度和成本又使交流調速系統(tǒng)的應用復雜化,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,7,（3）交流調速系統(tǒng)的技術突破,電力電子技術的發(fā)展 微機以及數字信號處理技術的發(fā)展 現代控制理論的應用以及交流調速原理的發(fā)展和成熟,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,8,（4）交流調速系統(tǒng)的主要應用領域,主要應用方向： 以節(jié)能為目的的改恒速為調速的系統(tǒng) 以少維護省力為目的的取代直流調速的系統(tǒng) 直流調速難以實現的領域 具體應用實例： 軋鋼工業(yè)、石油工業(yè)、機械工業(yè)、化工工業(yè),2019/7/17,第四章 交流調速基礎,9,主要內容,概述 交流調速涉及的知識 電力變換電路,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,10,2. 交流調速涉及的知識,被控對象：交流電動機 控制內容：,理論基礎：自控原理（古典控制、現代控制） 主電路（變頻器電動機） 控制電路 （硬件：單片機、PLC、PC、DSP） （軟件：交流電動機控制方案（VVVF、VCS、DTC）,變頻器,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,11,主要內容,概述 交流調速涉及的知識 電力變換電路 變頻器的基本構成 跟蹤型PWM控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,12,3. 電力變換電路,整流器（AC=DC） 逆變器（DC=AC） 變頻器（AC=AC） 雙整流器反并聯(lián)（AC=AC） 整流器逆變器（AC=DC=AC）,無源逆變,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,13,交交變頻（直接變頻） 交直交變頻（間接變頻） 變頻器,pp73,（1）變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,14, 交交變頻器,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,15,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,16,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,17,適用范圍：大容量低速傳動,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,18, 交直交變頻器,電壓型逆變器：直流側是電壓源 電流型逆變器：直流側是電流源,變頻器的基本構成,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,20,電壓型逆變器的主要特點,中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，相當于恒壓源 交流側輸出電壓是矩形波，電流波形為正弦波 為了給交流側向直流側反饋能量提供通道，各臂均需反并聯(lián)續(xù)流二極管 從直流側向交流側傳送的功率是脈動的 當電機工作在再生制動狀態(tài)時，需在中間直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻進行能耗制動,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,21,變頻器的基本構成,電壓型逆變器的主要特點,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,22,中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，相當于恒流源 交流側輸出電流是矩形波，電壓波形為正弦波 因電流不能反向，故控制器件無需反并聯(lián)續(xù)流二極管 從直流側向交流側傳送的功率是脈動的,變頻器的基本構成,電流型逆變器的主要特點,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,23,變頻器的基本構成,電流型逆變器的主要特點,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,24, PWM變頻器,按照整流器是否可控，交直交變頻器可分為： 可控整流器逆變器 前者調壓，后者調頻 不可控整流器PWM逆變器 調壓調頻均由逆變器調節(jié),變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,25,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,26,PWM變頻器的特點 變流器可為不可控整流橋，簡化電路，提高功率因數 消除或抑制低次諧波，輸出波形非常逼近正弦波 調頻同時調壓，與中間直流環(huán)節(jié)參數無關 可由PWM整流器和PWM逆變器組成電壓型變頻器，允許能量雙向傳遞，實現四象限運行,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,27,PWM逆變器的主電路,PWM電壓型變頻器主電路,PWM電壓型變頻器的主電路包括交直部分和直交部分,變頻器的基本構成,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,28,（2）跟蹤型PWM控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,29, 電流跟蹤型PWM控制,實質：bang-bang控制 應用領域：高性能單電動機交流傳動,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,30,基本思想： 將一個正弦波電流給定信號與電流實測信號相比較，若 實際電流值大于給定值，則通過逆變器開關器件的動作 使之減少；反之使之增加。使實際輸出電流圍繞著給定 的正弦波電流鋸齒形變化，并將偏差限制在一定范圍內。 與此同時，逆變器輸出的電壓波成為PWM波，快速調節(jié) 電流幅值和相位，使電動機電流得到高品質的動態(tài)控制。, 電流跟蹤型PWM控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,31, 電流跟蹤型PWM控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,32, 電流跟蹤型PWM控制,優(yōu)點：硬件簡單；實時控制；無需調節(jié)逆變器電壓；閉環(huán)控制 缺點：諧波損耗較大，開關次數較多,三相電流跟蹤型逆變器的控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,33, 電壓跟蹤型PWM控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,34, 電壓跟蹤型PWM控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,35, 磁通跟蹤型PWM控制,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,36,（3）變頻器舉例,SIEMENS變頻器 緊湊型MicroMaster410 基本型MicroMaster420 節(jié)能型MicroMaster430 矢量型MicroMaster440,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,37,（3）變頻器舉例,基本操作板,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,38,（3）變頻器舉例,更改參數P0004數值,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,39,（3）變頻器舉例,MicroMaster440 變頻器控制端子,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,40,（3）變頻器舉例,MicroMaster440變頻器 與水泵接線圖,2019/7/17,第四章 交流調速基礎,41,本章小結,隨著計算機和微處理器的迅速發(fā)展，電力電子器件的日新月異，現代控制理論和智能控制方法的日益成熟，使得交流調速系統(tǒng)的開發(fā)和應用如日中天 交交變頻器無中間直流環(huán)節(jié)，為直接變頻，效率高，但可調頻率范圍在1/2額定頻率以下。適用于大容量、低速傳動 交直交變頻器根據中間直流環(huán)節(jié)不同，分為電壓型逆變器和電流型逆變器兩種 PWM電壓型逆變器兼有電壓型和電流型的優(yōu)點，是目