電機控制技術(shù)chap7--交流傳動控制系統(tǒng)課件

1、第7章 交流傳動控制系統(tǒng)7.1 交流傳動系統(tǒng) 1.直流調(diào)速: 1)較大的起動轉(zhuǎn)矩，良好的起動、制動性能 2）較寬范圍內(nèi)性能平滑調(diào)速 3）直流閉環(huán)控制理論和應(yīng)用實踐方面較為成熟 4）產(chǎn)品特點，我國：模擬直流調(diào)速器 國外：如歐陸直流數(shù)字調(diào)速器、西門子直流數(shù)字調(diào)速器 5）體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容量受限制、價格高，但應(yīng)用量大第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2.交流調(diào)速：20世紀(jì)20年代以來 1）省去了換向器，結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實、緊湊、維修工作量小、運行效率高（95%）、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快 定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率PM，轉(zhuǎn)差功率Ps=sPM，Ps去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志:s大,則轉(zhuǎn)差功Ps大，效率低 2）易于實現(xiàn)

2、數(shù)字化，價格低廉、性能優(yōu)良 3）容易實現(xiàn)高電壓、大容量、高速化 4）交流調(diào)速發(fā)展方向： 節(jié)能調(diào)速，如風(fēng)機、閥門 高性能交流調(diào)速，如矢量變換控制系統(tǒng) 特大容量、極高轉(zhuǎn)速交流調(diào)速，如厚板軋機、離心機第7章 交流傳動控制系統(tǒng)3異步電動機調(diào)速系統(tǒng)分類 針對交流異步電動機，假設(shè)： PM定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率 Ps=sPM轉(zhuǎn)差功率,衡量電機效率的標(biāo)志 同步轉(zhuǎn)速：n1=60f1/p 轉(zhuǎn)差率s=(n1-n)/n1 根據(jù)轉(zhuǎn)差功率Ps去向，異步電動機調(diào)速系統(tǒng)分為 變s： （1）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，通過增加轉(zhuǎn)差功率換取轉(zhuǎn)速降低，效率隨之降低 （2）轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)-變s 不變s： （3）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速

3、系統(tǒng)，變同步轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)差功率基本不變，如：變極調(diào)速、變頻調(diào)速第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)變s，通過增加轉(zhuǎn)差功率換取轉(zhuǎn)速降低，效率隨之降低，如： 降電壓調(diào)速 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速第7章 交流傳動控制系統(tǒng) 1）降電壓調(diào)速 電磁轉(zhuǎn)矩T與定子繞組上的電壓U的平方成正比 實現(xiàn)方式： 20世紀(jì)50年代，在定子回路串飽和電抗器、定子側(cè)加調(diào)壓變壓器調(diào)壓，不足之處是調(diào)壓設(shè)備笨重龐大 晶閘管交流調(diào)壓、調(diào)速，特點為線路簡單、調(diào)壓裝置體積小、價格低廉、使用維修方便，四象限運行，適合繞線式異步機、高轉(zhuǎn)差率鼠籠異步機，不足之處是不改變同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差功率消耗在電機轉(zhuǎn)子

4、中，變?yōu)闊崃?，晶閘管調(diào)壓裝置輸出到定子的電壓為非正弦波電壓，影響電機出力 應(yīng)用：電梯、卷揚機械、化纖機械，產(chǎn)品涉及2.232kW第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 結(jié)構(gòu)：鼠籠式異步機、電磁轉(zhuǎn)差離合器、控制裝置 原理：鼠籠式異步機為原動機，以恒速帶動電磁離合器電樞轉(zhuǎn)動，同時，控制電磁離合器勵磁電流調(diào)節(jié)磁極速度（由直流電產(chǎn)生靜止的空間脈動磁場），該脈動磁場與電樞作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 特點：控制簡單、價格低廉 不足：效率低，低速運行損耗大、高速時效率為8085%第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)-變s，轉(zhuǎn)差功率通過變流裝置回饋電網(wǎng)或加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋功率越多，如：繞線

5、式異步電動機轉(zhuǎn)子串級調(diào)速 1）繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串級調(diào)速 2) 轉(zhuǎn)子回路串接電阻第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（3）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)不變s，變同步轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)差功率基本不變，如：變極調(diào)速、變頻調(diào)速 1）變極調(diào)速 特點：電機定子繞組有多個抽頭，再通過觸點通斷來改變電機極對數(shù) 電機轉(zhuǎn)速變化是有級的，一般有三檔，最多五檔 定型產(chǎn)品1.5200kW 系統(tǒng)的效率及功率因數(shù)就是電機固有的第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2）變頻調(diào)速 變頻器： 交-直-交 交-交 PWM變頻器 多重化電流型 特點：高性能、高精度、大容量、微型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展第7章 交流傳動控制系統(tǒng)3）無換向器電動機 結(jié)構(gòu)：具有位置檢測器

6、、變頻裝置供電-同步電動機系統(tǒng) 位置檢測器、晶閘管分別代替了相當(dāng)直流電動機的電刷、機械整流器 特點：轉(zhuǎn)速與頻率永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不發(fā)生失步現(xiàn)象 起動、調(diào)速特性類似直流電動機 克服了同步電動機缺點 兼有同步電動機功率因數(shù)高的優(yōu)點第7章 交流傳動控制系統(tǒng)4.交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展 （1）相位控制：應(yīng)用于交交、交直交變頻器整流器控制 （2）VVVF控制：采用恒磁通變頻控制（恒轉(zhuǎn)矩控制，基頻以下）原則第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（3）轉(zhuǎn)差頻率控制 調(diào)速過程保持有限的轉(zhuǎn)差頻率值控制，獲得高效調(diào)速方式。 原理： 在轉(zhuǎn)差小時，T、轉(zhuǎn)差頻率fs及轉(zhuǎn)子電流I2成正比，采用定子電流幅值I1和靜態(tài)同步角頻率1去控制變頻器第7

7、章 交流傳動控制系統(tǒng)（4）PWM控制 原理： 采用一系列寬度不同、按一定時間序列排列的等幅脈沖方波來逼近一條正弦曲線，產(chǎn)生接近正弦的電壓和電流 PWM波形生成方式： 鋸齒波比較法 微機查表法 實時計算法 自激振蕩法第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（5）矢量變換控制 原理： 模擬直流電動機控制，經(jīng)過坐標(biāo)變換 定子電流I1分解成： 磁場定向坐標(biāo)的磁場電流分量I1M 轉(zhuǎn)矩電流分量I1T（二者相互垂直） 固定坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，解耦第7章 交流傳動控制系統(tǒng) 根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系定向方法不同，分為： 按轉(zhuǎn)子位置定向、磁場定向、電動勢定向的矢量控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（不作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，直接在靜

8、止坐標(biāo)系中計算磁通、轉(zhuǎn)矩，分別進(jìn)行控制） 第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（6）現(xiàn)代控制理論在交流調(diào)速中的應(yīng)用：自適應(yīng)、狀態(tài)觀測器（磁通觀測器、力矩觀測器）、前饋控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制 （7）微型計算機控制：模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)速第7章 交流傳動控制系統(tǒng)5.電力電子器件發(fā)展類 型代 號名 稱不可控器件D整流二極管（Diode）半控器件Th，SCR普通晶閘管，硅可控整流器（Silicon controlled Rectifier）全電流控制器件BJT（GTR）雙極型晶閘管Bipolar（電力晶閘管Giant Transistor）控GTO門極關(guān)斷晶閘管(Gate Turn-off

9、Thyristor)器場P-MOSFET電力場效應(yīng)晶體管(Power MOS Field-effect Transistor)件控IGBT絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gate Bipolar Transistor)器MCT場控晶閘管(MOS-controlled Thyristor)件SIT靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor)SITH靜電感應(yīng)晶閘管(Static Induction Thyristor)功率集成電路PIC功率集成電路(Power Integrated Circuit)第7章 交流傳動控制系統(tǒng)72 交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng) 1.交-直-

10、交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng) （1）原理 整流器將交流整流成為直流-濾波-逆變器將直流電逆變成交流電供給負(fù)載 （2）特點： 1）電容濾波 2）整流器為電壓源 3）逆變輸出電壓波形為矩形波 4）電機電流為近似正弦波第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（3）問題 1）電壓型逆變器保護(hù)，包括短路等出現(xiàn)過流，切除（或斷電）故障設(shè)備 2）回饋制動。整流橋輸出電壓極性是固定的，制動過程回饋的交流電，經(jīng)過在整流側(cè)反并聯(lián)一組逆變橋，實現(xiàn)可再生電能回饋交流電網(wǎng)第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2.交-直-交電流型CSI變頻調(diào)速系統(tǒng) （1）特點 電路簡單、易于實現(xiàn)回饋制動、四象限運行，限流能力強、短路保護(hù)可靠第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（2）主電

11、路與電壓型逆變器區(qū)別 1）逆變器直流側(cè)采用大電感作為濾波元件，直流電路阻抗較大、電流源 三相整流橋交流側(cè)輸入電流120方波交流電流 三相逆變橋交流側(cè)輸入電流120方波交流電流 大電感能夠有效抑制故障電流上升率，實現(xiàn)較理想保護(hù)性能第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2）設(shè)有與逆變橋反并聯(lián)的反饋二極管橋，整流橋、逆變橋的電流方向始終不變，再生能量可以通過整流橋和逆變橋的直流電壓同時反相，將能量返送交流電網(wǎng)，快速實現(xiàn)四象限運行，適用于頻繁加速、減速、變動負(fù)載場合3）逆變器依靠逆變橋內(nèi)電容器和負(fù)載電感諧振換流，逆變橋內(nèi)沒有電感，簡化了主回路設(shè)計與制作第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（3）種類 1）串聯(lián)二極管式逆變電路的電

12、流型變頻器 結(jié)構(gòu)：晶閘管整流器、直流濾波電抗器、逆變器三部分第7章 交流傳動控制系統(tǒng) 原理：逆變器為120通電型換流電器，任意瞬間只有兩個晶閘管導(dǎo)通，電機輪流形成兩相通電 正轉(zhuǎn)觸發(fā)順序VT1、 VT2、 VT3、 VT4、 VT5、 VT6 反轉(zhuǎn)觸發(fā)順序VT6、 VT5、 VT4、 VT3、 VT2、 VT1 各觸發(fā)間相隔60電度角，每個晶閘管導(dǎo)通120，三相對稱，互差120 突然降低逆變器輸出頻率，電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，逆變器工作于整流、整流器處于逆變 ，回饋交流電網(wǎng) 第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2）采用集中電容換相的電流源逆變器 結(jié)構(gòu)：用一只電容，晶閘管分為主管、輔管 特點：換相可靠（集中電容確保

13、換相電壓），主電路動態(tài)性能好，允許中間回路電源有較大脈動，起動性能好，正反轉(zhuǎn)運行過渡方便，6個關(guān)斷脈沖，電機頻率達(dá)到200Hz，需要8個關(guān)斷主管的輔助晶閘管第7章 交流傳動控制系統(tǒng) 3）采用GTO換相的電流源逆變器 原理：VT1-VT6之間換向由GTO及附屬二極管和換向電容構(gòu)成電路實現(xiàn) 特點：換相可靠，換相電容不需要預(yù)充電裝置、電路接通后換相電壓便自動建立，因無反充電過程，換相過程較上述主電路來得快，中間回路電流允許有較大的脈動，發(fā)電工況有較高限制功率，電機繞組間的換相與主晶閘管觸發(fā)脈沖同時發(fā)生，適合進(jìn)行矢量控制第7章 交流傳動控制系統(tǒng)4）電流型變頻器的多重化技術(shù) 一重化電流型變頻器：電流波形

14、為矩形波，必然產(chǎn)生高次諧波（5、7次），使得轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動、引起附加損耗，導(dǎo)致電動機發(fā)熱、出力減少、效率降低第7章 交流傳動控制系統(tǒng)多重化技術(shù)： 一只主晶閘管元件作為一個橋臂，往往不能滿足逆變器輸出電流值要求 采取簡單把多只晶閘管并聯(lián)求得大容量，造成每次換相承受較大的無功能量，換相回路極不經(jīng)濟(jì) 多重化技術(shù)分開了主晶閘管、換向回路， 每次換相值與多重度成反比，使換相量減小，負(fù)載(電動機)得到近似正弦波第7章 交流傳動控制系統(tǒng)特點： 輸出為近似正弦階梯波，避開了通常的傳動機械系統(tǒng)的諧波頻率，提高了負(fù)載運行效率 每次換相能量減小、可以選用容量小、耐壓低的換向電容器 主晶閘管耐壓等級降低、經(jīng)濟(jì) 電流型逆

15、變器多重化連接：由幾個三相橋式逆變器直接并聯(lián)或經(jīng)變壓器并聯(lián)組成，換相功率與多重度n成反比，換相裝置容量可以相對減小 適用于風(fēng)機、泵類機械流量控制 適合大、中容量電動機傳動系統(tǒng)第7章 交流傳動控制系統(tǒng)73 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)1.PWM型變頻器工作原理 （1）基本控制方式 交直交變頻器，由整流器、中間環(huán)節(jié)、逆變器組成第7章 交流傳動控制系統(tǒng)逆變器：電壓型逆變器，根據(jù)逆變器的直流電壓是否可變，分為兩種基本控制方式： 1）變幅PWM型變頻器 2）恒幅PWM型變頻器第7章 交流傳動控制系統(tǒng)1）變幅PWM型變頻器 特點：晶閘管整流器、濾波電容器C、晶閘管逆變器組成 輸出電壓、頻率分別調(diào)節(jié) 調(diào)壓-晶閘管整流

16、器，采用相位控制，通過改變觸發(fā)脈沖的延遲角獲得與逆變器輸出頻率相對應(yīng)的不同大小的直流電壓 調(diào)頻-晶閘管逆變器，6只開關(guān)器件，按照脈沖調(diào)制方式進(jìn)行第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2）恒幅PWM型變頻器 特點：二極管整流橋、濾波電容、逆變器組成 逆變器輸入為恒定直流電壓 調(diào)壓-逆變器 調(diào)頻-逆變器 優(yōu)點：主電路、控制電路結(jié)構(gòu)簡單，只有一個可控功率級；二極管整流器代替了晶閘管整流器，有助于提高變頻電源對交流電網(wǎng)的功率因數(shù)；系統(tǒng)動態(tài)性能得到改善，頻率與電壓都在逆變器內(nèi)控制與調(diào)節(jié)，速度快、頻率與電壓配合好，動態(tài)性能好；負(fù)載供電波形接近正弦波，改善電機運行性能第7章 交流傳動控制系統(tǒng) 不足： 低頻、調(diào)制頻率與輸出

17、頻率之比固定時，高次諧波影響較大，電機轉(zhuǎn)矩脈動噪聲較大 調(diào)制頻率與輸出頻率之比變化大時，控制電路復(fù)雜 器件工作與調(diào)制頻率有關(guān)，部分器件開關(guān)損耗和換相電路損耗較大，且需要采用導(dǎo)通和關(guān)斷時間短的器件第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（2）簡單的PWM型變頻器工作原理 頻率：改變T1、T4和T2、T3交替導(dǎo)通時間（調(diào)制周期）見圖8.9（a） 幅值：改變每半周期內(nèi)T1、T4和T2、T3的通、斷時間比（改變脈沖寬度） 見圖8.9（b）第7章 交流傳動控制系統(tǒng)（3）單極性正弦波PWM調(diào)制原理 脈寬調(diào)制方法： ur -參考信號,單極性正弦波 調(diào)制信號-決定頻率 uc-三角形載頻取樣信號,要求大9倍(參考信號頻率)以上

18、 載波信號決定幅值第7章 交流傳動控制系統(tǒng)調(diào)制脈沖極性單極性、雙極性 載頻信號uc和參考信號ur（調(diào)制信號）頻率之間的關(guān)系同步式、異步式第7章 交流傳動控制系統(tǒng)正弦波脈寬調(diào)制SPWM： 參考信號Ur為正弦波，脈寬調(diào)制產(chǎn)生的調(diào)制波為等幅、等距、不等寬脈沖列單極性脈寬調(diào)制波形 脈沖寬度基本成正弦分布，各脈沖與正弦曲線對應(yīng)的面積近似成正比，比一般PWM調(diào)制波形更加接近正弦波 SPWM逆變器輸出基波電壓大小和頻率均由ur控制 變ur幅值-改變脈寬、改變輸出電壓大小 變ur頻率-改變脈寬、改變輸出電壓頻率第7章 交流傳動控制系統(tǒng) （4）雙極性正弦波PWM調(diào)制原理 單極性：需要”倒向控”制信號 雙極性：不需要倒向控制信號第7章 交流傳動控制系統(tǒng)2.PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法 （1）PWM控制的要求 1）三相工作：把1/4正弦波以表的形式存儲在存儲器中，利用三相指示字就可以讀出整個周期 2）電壓/周期要求：基頻50Hz以下，恒轉(zhuǎn)矩工作 大部分頻率范圍內(nèi)，保持電壓/周期恒定，即維持恒定磁通量 低頻時（0,轉(zhuǎn)子向增大方向運動，到達(dá)曲線2新的平衡點Ob；2）電動機帶輕載TL1= Ta1（平衡點于曲線1的a1點），跳躍到曲線2上b1點，Tb1 TL1,轉(zhuǎn)子向增大方向運動，到達(dá)曲線2新的平衡點b1點；3）電動機帶重載TL2= Ta2（平衡點于曲線1的a2點），跳躍到