機電傳動第十章交流傳動控制系統(tǒng)

1、第十章第十章 交流傳動控制系統(tǒng)交流傳動控制系統(tǒng) 本章要求：本章要求： 1、掌握交流調速的基本原理及類型；、掌握交流調速的基本原理及類型； 2、熟悉交流電機調速的特性、特點及適用、熟悉交流電機調速的特性、特點及適用場合；場合； 3、了解交流變頻調速的原理和特性。、了解交流變頻調速的原理和特性。 本章知識點：本章知識點： 1、交流變頻基本原理；、交流變頻基本原理； 2、V/F控制；控制； 3、矢量控制。、矢量控制。 交流電動機分為交流電動機分為同步電動機同步電動機與與異步電動機異步電動機兩大類。在變頻調速出現(xiàn)以前，異步電機兩大類。在變頻調速出現(xiàn)以前，異步電機除了繞線電機可通過改變轉子電阻或電抗除了

2、繞線電機可通過改變轉子電阻或電抗實現(xiàn)小范圍調速以外，幾乎都不調速。僅實現(xiàn)小范圍調速以外，幾乎都不調速。僅在結構上采取措施設計成不同極數(shù)的電機在結構上采取措施設計成不同極數(shù)的電機和電磁轉差離合器調速系統(tǒng)。隨著變頻調和電磁轉差離合器調速系統(tǒng)。隨著變頻調速技術的進步，變頻調速成為異步電機調速技術的進步，變頻調速成為異步電機調速甚至電機調速的主流。從交流電機的機速甚至電機調速的主流。從交流電機的機械特性來看，械特性來看，同步電動機同步電動機只有改變供電電只有改變供電電壓的頻率（變頻）一種調速方式；對壓的頻率（變頻）一種調速方式；對異步異步電動機電動機主要有：調壓調速；變電阻（電抗）主要有：調壓調速；變

3、電阻（電抗）調速；變頻調速。調速；變頻調速。 從原理來分，從原理來分，異步電動機的調速方法異步電動機的調速方法大致大致分為三種，即分為三種，即改變轉差率改變轉差率s、改變極對數(shù)改變極對數(shù)p、和和改變頻率改變頻率f。其中改變轉差率。其中改變轉差率s的方法，又的方法，又可以通過調節(jié)定子電壓、轉子電阻、轉子可以通過調節(jié)定子電壓、轉子電阻、轉子電壓以及定轉子供電頻率等方法來實現(xiàn)，電壓以及定轉子供電頻率等方法來實現(xiàn)，從而派生出很多種調速方法。從而派生出很多種調速方法。電磁調速電動機電磁調速電動機YCT系列系列立式立式 臥式臥式101電磁轉差離合器調速系統(tǒng)電磁轉差離合器調速系統(tǒng) 電磁轉差離合器調速系統(tǒng)是通

4、過電磁轉差離合器調速系統(tǒng)是通過改變電磁離合器改變電磁離合器的勵磁電流來實現(xiàn)調速的勵磁電流來實現(xiàn)調速的，對異步電動機本身并的，對異步電動機本身并不進行調速。這種調速系統(tǒng)的不進行調速。這種調速系統(tǒng)的特點是線路簡單、特點是線路簡單、價格便宜。價格便宜。 給定速度由電位器給定速度由電位器RP2上取得，并與電位器上取得，并與電位器RP3上的速度信號比較后送到上的速度信號比較后送到由單結晶體管由單結晶體管VU組成的組成的移相觸發(fā)電路，控制晶閘移相觸發(fā)電路，控制晶閘管的導通角，從而控制轉管的導通角，從而控制轉差離合器的耦合度，獲得差離合器的耦合度，獲得所需的速度。所需的速度。102交流調壓調速系統(tǒng)交流調壓調

5、速系統(tǒng) 交流調壓調速系統(tǒng)，就是用第十章介紹交流調壓調速系統(tǒng)，就是用第十章介紹的可控整流電路，控制異步電機的定子的可控整流電路，控制異步電機的定子電壓，利用電機的機械特性達到調速的電壓，利用電機的機械特性達到調速的目的。異步電機調壓調速已較少使用，目的。異步電機調壓調速已較少使用，目前市面上出售的目前市面上出售的電機軟啟動器主要采電機軟啟動器主要采用交流調壓調速方式實現(xiàn)。用交流調壓調速方式實現(xiàn)。104晶閘管變頻調速晶閘管變頻調速 一、變頻調速的工作原理一、變頻調速的工作原理 由由 n=60f(1-sn=60f(1-s）/p/p可知，改變可知，改變頻率頻率f f可以改變電機的可以改變電機的轉速轉速

6、n n，但光是改變頻率，但光是改變頻率f f是不夠的，因為是不夠的，因為I=U/SQRRI=U/SQRR2 2+(SX)+(SX)2 2 而而XR,XR,因此因此電流電流I I正比于正比于U/XU/X，而，而電抗電抗X X又與又與f f成正比成正比，為了保持電機在不同速度下，為了保持電機在不同速度下，電流不至于過大，在降低電機頻率電流不至于過大，在降低電機頻率f f時，要同時降低時，要同時降低供給電機的電壓供給電機的電壓U U。這就是這就是壓頻比控制壓頻比控制(V/F)(V/F)的變頻的變頻器的基本設計思想。器的基本設計思想。變頻器分為變頻器分為交交- -直直- -交交變頻和變頻和交交- -交

7、交變頻兩大類，前者常變頻兩大類，前者常用于低壓（用于低壓（380V380V以下）后者常用于高壓。以下）后者常用于高壓。 二、交一直一交變頻器的基本電路二、交一直一交變頻器的基本電路 交一直一交變頻器是指交一直一交變頻器是指變頻器的電源由變頻器的電源由交流交流整流為整流為直流直流再逆變?yōu)樵倌孀優(yōu)樗桀l率所需頻率的的交流交流的控制的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 交直一交變頻器的交直一交變頻器的基本電路包括整流電路基本電路包括整流電路和逆變電路和逆變電路，整流電路將工頻交流電整流成，整流電路將工頻交流電整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變?yōu)轭l率可直流電，逆變電路再將直流電逆變?yōu)轭l率可調的交流電。調的交流電。 據(jù)

8、變頻電源性質可分為據(jù)變頻電源性質可分為電壓型變頻器電壓型變頻器和和電流電流型變頻器。型變頻器。 *圖中，圖中，直流電源并聯(lián)有大容量濾波電容器直流電源并聯(lián)有大容量濾波電容器Cd。由于電容兩端電壓不能突變，使得由于電容兩端電壓不能突變，使得直流輸出直流輸出電壓具有電壓源特性電壓具有電壓源特性，內阻很小。這使逆變，內阻很小。這使逆變器的交流電壓被鉗位為矩形波（因為電容兩器的交流電壓被鉗位為矩形波（因為電容兩端電壓不能突變），與負載性質無關。交流端電壓不能突變），與負載性質無關。交流輸出電流的波形與相位由負載功率因數(shù)決定。輸出電流的波形與相位由負載功率因數(shù)決定。在異步電動機變頻調速系統(tǒng)中，這個大電容在

9、異步電動機變頻調速系統(tǒng)中，這個大電容同時又是緩沖負載無功功率的貯能元件。直同時又是緩沖負載無功功率的貯能元件。直流回路電感流回路電感Ld起限流作用，電感很小。起限流作用，電感很小。 改變六只功率開關的導通順序，可改變電機改變六只功率開關的導通順序，可改變電機的轉向。的轉向。*交一直一交交一直一交電流型電流型變頻器變頻器 電壓型變頻器電壓型變頻器，由于，由于再生制動再生制動時必須接入附加時必須接入附加電路，增加了電路，增加了麻煩麻煩，電流型變頻器可以彌補上，電流型變頻器可以彌補上述不足，而且主電路結構簡單、安全可靠。常述不足，而且主電路結構簡單、安全可靠。常用于四象限運行的伺服控制場合。用于四象

10、限運行的伺服控制場合。 電流型逆變器電流型逆變器的基本電路與電壓型逆變器不同，的基本電路與電壓型逆變器不同，直流電源上串聯(lián)了大電感濾波直流電源上串聯(lián)了大電感濾波。由于大電感的。由于大電感的限流作用，為逆變器提供的直流電流波形平直、限流作用，為逆變器提供的直流電流波形平直、脈動很小，脈動很小，具有電流源特性具有電流源特性。這使逆變器輸出。這使逆變器輸出的交流電流為矩形波，與負載性質無關，而輸?shù)慕涣麟娏鳛榫匦尾ǎc負載性質無關，而輸出的交流電壓波形及相位隨負載而變化。出的交流電壓波形及相位隨負載而變化。電壓型逆變器與電流型逆變器的主要區(qū)別電壓型逆變器與電流型逆變器的主要區(qū)別 電壓型逆變器電壓型逆變

11、器：直流電源并聯(lián)有大容量濾波電：直流電源并聯(lián)有大容量濾波電容器容器Cd。由于電容兩端電壓不能突變，使得直。由于電容兩端電壓不能突變，使得直流輸出電壓流輸出電壓具有電壓源特性具有電壓源特性；六只功率開關每；六只功率開關每隔隔60電角度觸發(fā)導通一只，相鄰兩相的功率電角度觸發(fā)導通一只，相鄰兩相的功率開關觸發(fā)導通時間互差開關觸發(fā)導通時間互差120。 電流型逆變器電流型逆變器：直流電源上串聯(lián)了大電感：直流電源上串聯(lián)了大電感Ld濾濾波。波。具有電流源特性具有電流源特性；一般采用；一般采用120導電型，導電型，即每只功率開關導通時間為即每只功率開關導通時間為120。電流型變。電流型變頻器無須附加任何設備，即

12、可實現(xiàn)負載電動機頻器無須附加任何設備，即可實現(xiàn)負載電動機的四象限運行。的四象限運行。不會出現(xiàn)再生制動過壓問題不會出現(xiàn)再生制動過壓問題。 三、改變變頻器壓頻比的常用調制方式：三、改變變頻器壓頻比的常用調制方式： 變頻調速的逆變器，既要控制頻率還要控變頻調速的逆變器，既要控制頻率還要控制電壓或電流制電壓或電流，能實現(xiàn)的方式很多，可參，能實現(xiàn)的方式很多，可參考相關的書籍。下面介紹最常用的兩種：考相關的書籍。下面介紹最常用的兩種： 1、三角波、三角波PWM調制法；調制法； 2、電流跟蹤、電流跟蹤PWM調制法；調制法；uR :控制信號；控制信號；u :調制波；調制波；uR u輸出輸出uP。u P:晶閘管

13、的觸晶閘管的觸發(fā)信號。發(fā)信號。圖圖b)與圖與圖c)相乘就得到圖相乘就得到圖d)：正負半波對稱的：正負半波對稱的PWM脈沖信號。脈沖信號。改變參考電壓改變參考電壓 UR 的頻的頻率和幅值率和幅值(使使 UR =Kf)就就可以改變逆變輸出的可以改變逆變輸出的交流電壓的頻率和幅交流電壓的頻率和幅值。值。倒相信號倒相信號電流跟蹤電流跟蹤PWMPWM調制法；調制法；i* 為給定參考電流，為給定參考電流， 是電流跟蹤目標；是電流跟蹤目標； if為實際負載電流反饋為實際負載電流反饋值；值；HB為滯環(huán)寬度。為滯環(huán)寬度。當當 if與參考電流與參考電流i*之差之差達到滯環(huán)的上限值時，達到滯環(huán)的上限值時，即（即（

14、if i*)HB/2時，時，使使V1關斷關斷V2導通，負導通，負載電壓為一載電壓為一U，負載，負載電流電流if下降。當（下降。當（ if i*) HB/2。即。即 if與與 i*之差到達滯環(huán)得下之差到達滯環(huán)得下限，則限，則V2截止，截止，V1導導通，負載電壓變?yōu)槭ǎ撦d電壓變?yōu)槭甎， if上升。這樣，通上升。這樣，通過過V1、V2的交替通斷的交替通斷使使 if -i* HB/2，達到電流的自動跟蹤達到電流的自動跟蹤的目的。如的目的。如i*為正弦為正弦電流，則電流，則if也近似為一也近似為一正弦電流。正弦電流。 四、變頻器的壓頻比（四、變頻器的壓頻比（V/F）控制）控制 所謂所謂壓頻比控制就是

15、維持壓頻比控制就是維持V/F=常數(shù)常數(shù)（或函（或函數(shù)）以降低啟動過程的電流的控制模式。數(shù)）以降低啟動過程的電流的控制模式。一般用于節(jié)能調速或調速精度要求不太高一般用于節(jié)能調速或調速精度要求不太高的調速場合。的調速場合。 采用壓頻比控制，采用壓頻比控制，低速力矩變小低速力矩變小，這是因，這是因為低速時，電機電阻不能忽略的緣故。要為低速時，電機電阻不能忽略的緣故。要解決這個問題，可采用低端電壓補償?shù)霓k解決這個問題，可采用低端電壓補償?shù)霓k法。法。 I=U/（R2+X2)1/2 n 較大時較大時XR I=U/Xf ( HZ)HZ)V050380理論壓頻比曲線理論壓頻比曲線低速轉矩補償?shù)退俎D矩補償風機水

16、泵特性風機水泵特性 五、采用變頻調速要注意的問題：五、采用變頻調速要注意的問題： 1、直流過壓直流過壓。超過。超過800V變頻器過壓保護；變頻器過壓保護； 2、過流過流。由于功率模塊過流能力很小，一般變。由于功率模塊過流能力很小，一般變頻器超過額定電流頻器超過額定電流150%只允許工作只允許工作1分鐘，超過分鐘，超過200%只允許工作只允許工作1秒，因此在選型時一定要考慮秒，因此在選型時一定要考慮負載的性質和可能過載的倍數(shù)；負載的性質和可能過載的倍數(shù)； 3、共振點的避讓共振點的避讓。一般的機電傳動系統(tǒng)的數(shù)學。一般的機電傳動系統(tǒng)的數(shù)學模型為二階或二階以上，其固有頻率不太高，因模型為二階或二階以上

17、，其固有頻率不太高，因此在調速過程中有可能出現(xiàn)共振。選擇工作頻率此在調速過程中有可能出現(xiàn)共振。選擇工作頻率時不允許選在共振點附近；時不允許選在共振點附近； 4、壓頻比的選擇壓頻比的選擇。要根據(jù)負載的性質和負荷大。要根據(jù)負載的性質和負荷大小來選擇。小來選擇。六、交六、交-交變頻調速交變頻調速 交交-交變頻是交變頻是直接把固定頻率的交流電轉直接把固定頻率的交流電轉變成所需頻率的交流電。變成所需頻率的交流電。但只能降頻不但只能降頻不能升頻。能升頻。一般用于高壓、大功率、低速一般用于高壓、大功率、低速設備的調速。設備的調速。任何時候都有一相高任何時候都有一相高于其它兩相；可共用于其它兩相；可共用一個觸

18、發(fā)信號。一個觸發(fā)信號。 交交-直直-交變頻通過控制晶閘管的導通角來控交變頻通過控制晶閘管的導通角來控制晶閘管的導通時間，電壓幅值不變。而制晶閘管的導通時間，電壓幅值不變。而交交-交變頻的電源就是電網電源交變頻的電源就是電網電源，隨著導通，隨著導通角的變化，電壓幅值也發(fā)生變化。角的變化，電壓幅值也發(fā)生變化。 七、交七、交-交變頻的輸出頻率與調速范圍：交變頻的輸出頻率與調速范圍： fo/fi=p/6 fo=p fi/6 fo 輸出頻率；輸出頻率； fi 輸入（電源）頻率；輸入（電源）頻率； p 變頻器的脈波數(shù)變頻器的脈波數(shù) 當允許諧波小于當允許諧波小于2.5%時時 （fo/fi）max=0.33(

19、p=3)； （fo/fi）max=0.5(p=6) （fo/fi）max=0.75(p=12) 輸出頻率越高波形失真越大輸出頻率越高波形失真越大。八、交八、交-交變頻器的特點：交變頻器的特點： 1、直接變換，、直接變換，轉換效率高轉換效率高； 2、輸出電壓波形是原電網波形的一部分，、輸出電壓波形是原電網波形的一部分，諧波分量少、低速波形好、噪聲低諧波分量少、低速波形好、噪聲低； 3、過零自然換相，、過零自然換相，可用普通的晶閘管可用普通的晶閘管； 4、所用晶閘管數(shù)量多；、所用晶閘管數(shù)量多； 5、功率因數(shù)較低；、功率因數(shù)較低； 6、只能降速調速只能降速調速，適用于高壓、大功率的，適用于高壓、大功

20、率的應用場合。應用場合。101055異步電機矢量控制原理異步電機矢量控制原理 異步電機異步電機本質上是一個本質上是一個高階高階、多變量多變量（有（有轉、定子電阻、自感、互感、主磁通、漏轉、定子電阻、自感、互感、主磁通、漏磁通等）、磁通等）、強耦合強耦合(變量之間互相影響互不變量之間互相影響互不獨立）、獨立）、非線性非線性（如（如n、T間的關系）、間的關系）、時時變變（如電阻等受溫度的影響，隨時間變化）（如電阻等受溫度的影響，隨時間變化）系統(tǒng)。而系統(tǒng)。而直流電機直流電機的定子勵磁磁場與電樞的定子勵磁磁場與電樞磁勢互相垂直。因而磁勢互相垂直。因而影響轉速的勵磁電流影響轉速的勵磁電流If與影響力矩的

21、電樞電流與影響力矩的電樞電流Ia是互相獨立（解是互相獨立（解耦）近似線性的?？煞謩e調整。耦）近似線性的?？煞謩e調整。 直流電機與異步電機的區(qū)別：直流電機與異步電機的區(qū)別： 一、一、直流電機直流電機 1、磁極固定在電機定子座上，在、磁極固定在電機定子座上，在空間上能產生一個固空間上能產生一個固定的磁場定的磁場； 2、電樞繞組固定在轉子鐵心槽里，在空間能產生一個、電樞繞組固定在轉子鐵心槽里，在空間能產生一個穩(wěn)定的穩(wěn)定的電樞磁勢電樞磁勢，并保持，并保持與定子磁場垂直與定子磁場垂直； 3、勵磁電流勵磁電流（定子電流）和（定子電流）和電樞電流電樞電流（轉子電流即工（轉子電流即工作電流）在各自的繞組中作電

22、流）在各自的繞組中分別可調、可控分別可調、可控。 二、二、異步電機異步電機 1、定子通進三相對稱交流電，產生一個隨時間、空間、定子通進三相對稱交流電，產生一個隨時間、空間都變化的旋轉磁場（即都變化的旋轉磁場（即磁場幅值隨時間變化，峰值位置磁場幅值隨時間變化，峰值位置在空間不固定在空間不固定）；）； 2、轉子磁勢和定子旋轉磁場之間不垂直轉子磁勢和定子旋轉磁場之間不垂直； 3、轉子是短路的，轉子磁勢和定子旋轉磁場均由定子、轉子是短路的，轉子磁勢和定子旋轉磁場均由定子電流產生，即電流產生，即勵磁電流和工作電流不能分別調節(jié)和控制勵磁電流和工作電流不能分別調節(jié)和控制。 *我們希望我們希望類似直流電機類似

23、直流電機那樣，通過那樣，通過改變勵磁電改變勵磁電流控制電機的速度流控制電機的速度，改變電樞最大允許電流來控改變電樞最大允許電流來控制電機的輸出力矩制電機的輸出力矩，這是，這是矢量控制的基本思路矢量控制的基本思路。從力學上我們知道，一個力可以分解成兩個或多從力學上我們知道，一個力可以分解成兩個或多個分力，它們對物體的作用是等效的。如果類似個分力，它們對物體的作用是等效的。如果類似力的合成與分解，力的合成與分解，把電機的定子磁場與轉子磁勢把電機的定子磁場與轉子磁勢通過某些數(shù)學處理，建立一個正交的數(shù)學模型，通過某些數(shù)學處理，建立一個正交的數(shù)學模型，它的性能與原異步電機等效它的性能與原異步電機等效，則

24、可以類似直流電，則可以類似直流電機那樣分別對轉速和力矩進行控制。異步電機的機那樣分別對轉速和力矩進行控制。異步電機的矢量控制就是基于這一數(shù)學特征而設計的。矢量控制就是基于這一數(shù)學特征而設計的。 事實上，只要把直角坐標建立在轉子上，隨轉子事實上，只要把直角坐標建立在轉子上，隨轉子一起旋轉，把異步電機轉、定子各物理量向這一一起旋轉，把異步電機轉、定子各物理量向這一旋轉坐標分解就可以把異步電機的轉速和力矩進旋轉坐標分解就可以把異步電機的轉速和力矩進行解耦。行解耦。 力F可以分解成分力FA、FB，或F1、F2、F3 矢量控制的數(shù)學模型很多，有電壓矢量控制、電流矢量控制的數(shù)學模型很多，有電壓矢量控制、電

25、流矢量控制、轉差矢量控制、直接轉矩控制等。矢量控制、轉差矢量控制、直接轉矩控制等。 本教材介紹的是最基本的本教材介紹的是最基本的3/2（三相（三相/二相）變換。其二相）變換。其思路是：思路是：先把空間相差先把空間相差120o三相異步電機等效變換三相異步電機等效變換成兩相正交的異步電機（即把三相電流矢量向直角成兩相正交的異步電機（即把三相電流矢量向直角坐標分解），然后把建立在靜止的直角坐標的數(shù)學坐標分解），然后把建立在靜止的直角坐標的數(shù)學模型向與電機轉子同速旋轉的直角坐標變換。模型向與電機轉子同速旋轉的直角坐標變換。 矢量控制的實質矢量控制的實質就是把普通變頻三相同頻同幅的控就是把普通變頻三相同

26、頻同幅的控制，制，變成三相同頻不同幅的控制變成三相同頻不同幅的控制。 關于這方面的內容可參考相關的書籍。關于這方面的內容可參考相關的書籍。 1、現(xiàn)代交流調速技術現(xiàn)代交流調速技術胡崇岳主編胡崇岳主編 機工出版社機工出版社 2、交流電機調速理論交流電機調速理論許大中主編許大中主編 浙大出版社浙大出版社 圖中兩相電機的電流it、im分別由三相電機的ia、和ib與ic等效基準信號106106無換向器電動機及其調速系統(tǒng)無換向器電動機及其調速系統(tǒng) 無換向器電動機（又叫無刷直流機）它是無換向器電動機（又叫無刷直流機）它是由永磁由永磁同步電機同步電機加上加上轉子位置檢測器轉子位置檢測器組成并組成并利用轉子位利用轉子位置控制定子電流換