電氣傳動控制技術.課件

1、第一章 電氣傳動系統(tǒng)的基礎 第一節(jié) 直流調(diào)速的一般基礎 第二節(jié) 交流調(diào)速的一般基礎第一節(jié) 直流調(diào)速的一般基礎1.4 對調(diào)速系統(tǒng)的控制要求及調(diào)速指標1.1 直流電動機1.3 調(diào)速方式及機械特性1.2 可控直流電源優(yōu)點： 直流電機調(diào)速系統(tǒng)有著成熟的數(shù)學模型，調(diào)速精度 高、應用范圍廣。 具有極好的運行性能和控制特性，良好的起、制動性 能，易于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速。應用： 在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬 切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電 力拖動的領域中得到廣范應用。 為什么分析直流電機調(diào)速系統(tǒng)？電樞繞組直流電動機工作原理演示 電動機模型演示注意: 電樞和磁場電流總是相差90磁場

2、電極換向器/電刷1.1 直流電動機1.直流電動機的工作原理他勵直流電動機自勵直流電動機串勵電動機并勵電動機復勵電動機2.直流電動機的分類直流電動機3. 直流電動機的調(diào)速方式改變電樞回路電阻R減弱勵磁磁通調(diào)節(jié)電樞供電電壓U 調(diào)壓調(diào)速 改變Ud0就得到一組相互平行的機械特性曲線 如果連續(xù)改變可控電源電壓，電動機轉(zhuǎn)速就可以平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)。調(diào)壓調(diào)速的特點：機械特性較硬，負載不變時，轉(zhuǎn)速降n不變由于容許的輸出轉(zhuǎn)矩恒定，對于恒轉(zhuǎn)矩性負載的拖動調(diào)速，能充分利用電動機的容量由于電樞回路時間常數(shù)小，系統(tǒng)的動態(tài)響應快，適合于要求快速起、制動的設備的傳動系統(tǒng)中，如初軋機、龍門刨床等設備。調(diào)壓調(diào)速改變電樞回路電阻調(diào)速

3、 改變電樞回路電阻的調(diào)速方法就是在電樞回路中串接附加電阻R1、R2來改變電動機電樞端電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的。 abcn2n2n1改變電樞回路電阻調(diào)速（1）系統(tǒng)的結(jié)構簡單；（2）調(diào)速不連續(xù)，不平穩(wěn)；（3）機械特性軟，從而影響調(diào)速范圍；（4）電動機速度的改變是靠改變電樞回路串接 電阻大小來實現(xiàn)的，調(diào)速范圍越大，串入 的電阻就越大，相應地電阻上消耗的能量 就越大，這是很不經(jīng)濟的。改變電樞回路電阻調(diào)速的特點改變電動機勵磁調(diào)速 當負載電流不變時，改變可控電壓Uf，也就是說改變電動機勵磁磁通量時，電動機的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降都在變化，隨著磁通量的減少，轉(zhuǎn)速降就越來越大，機械特性也就越軟。 改變電動機勵磁

4、調(diào)速（1）機械特性軟，負載變化時轉(zhuǎn)速的波動較大；（2）可控電源容量小，一般為電動機容量的 10%以下，電源設備造價低；（3）磁場的時間常數(shù)大，系統(tǒng)的動態(tài)響應慢， 適合于起、制動快速性要求不高的設備的 傳動控制。改變勵磁調(diào)速的特點：2022/7/2813三種調(diào)速方法的性能比較 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，無級調(diào)速，并且調(diào)速范圍大。 改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速； 減弱磁通也能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，最為常見。1.2 可控直流電源G-

5、M系統(tǒng)V-M系統(tǒng)PWM系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)G-M系統(tǒng) 改變發(fā)電機勵磁電壓發(fā)電機輸出電壓直流電動機電樞電壓 改變電動機轉(zhuǎn)速即旋轉(zhuǎn)變流機組，工作過程如下：2022/7/2816旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機 組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。上世紀4060年代廣泛應用。特點：適用于對調(diào)速性能要求不高的場合；且一套系統(tǒng)至少包括兩臺電機和一臺勵磁發(fā)電機，設備多、體積大、效率低、維護不方便。目前很少采用。PWM-M系統(tǒng)交-直型電力機車PWM-M系統(tǒng)信號流動過程：2022/7/2819PWM調(diào)速系統(tǒng)特點電源采用不控整流源；系統(tǒng)頻帶寬，響應速度快，動態(tài)抗擾能力強；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，電動 機

6、損耗和發(fā)熱較小；電網(wǎng)功率因數(shù)高，效率高；電路簡單，控制方便。受器件容量限制，只用于中、小功率的系統(tǒng)。 V-M系統(tǒng)21機械特性表達式n 電動機轉(zhuǎn)速（r/min）；Ud0 空載整流電壓（V）；Id 電樞電流（A）；R 電樞回路總電阻（ ）； 勵磁磁通（Wb）；Ce 由電機結(jié)構決定 的電動勢常數(shù)；no 理想空載轉(zhuǎn)速（r/min）；nop 開環(huán)轉(zhuǎn)速降（r/min）；U2 整流變壓器副邊相電壓有 效值（V） 。對三相零式整流電路，A=1.17；對三相全控橋式整流電路，A=2.34； 1.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方式及機械特性2022/7/2822 V-M系統(tǒng)調(diào)速的三種方式 1）調(diào)壓調(diào)速工作條件： 保持勵磁

7、 = N ； 保持電阻 R = Ra調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線2022/7/28232）調(diào)阻調(diào)速工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；調(diào)節(jié)過程： 改變增加電阻 Ra R R n ，n0不變； 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線2022/7/283）調(diào)磁調(diào)速工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = Ra ；調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 N n ， n0 調(diào)速特性

8、： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。調(diào)磁調(diào)速特性曲線nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n32022/7/28251.4 生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的控制要求及調(diào)速指標調(diào)速系統(tǒng)速度控制主要要求1.調(diào)速系統(tǒng)控制要求調(diào) 速穩(wěn) 速加、減速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地或平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速（靜）。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行(靜) ；在可能的干擾下，不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(動)。頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)(動) 。2022/7/2826 調(diào)速范圍(靜態(tài)指標) 其中：nmin 和nmax 一般都指電動機額定負載時的轉(zhuǎn)速。 對

9、于負載很輕的機械，可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。 在不弱磁的調(diào)速系統(tǒng)中， nmaxnnom2.調(diào)速指標2022/7/2827靜差率(靜態(tài)指標) 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉(zhuǎn)速降落 nnom，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 nn01 0IILUnU 1n2nnomn02 2022/7/2828靜差率與機械特性 靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。如果電動機機械特性很軟，轉(zhuǎn)速降落大，則靜差率大，表示系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩變化敏感，即轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差。靜差率和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 然而，靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。

10、29調(diào)速范圍與靜差率之間的關系（1）在同一理想空載轉(zhuǎn)速no下，S越小，nnom越 小，系統(tǒng)的機械特性越硬。（2）S越小，系統(tǒng)允許的D也變小；若增大D，則S 也隨之變大。（3）在一定的S下，減小nnom，D才能擴大。nn00IILUnU 1n1nnomn0min2022/7/2830開環(huán)系統(tǒng)的特點（1） S 和 D 同方向變化；（2）穩(wěn)態(tài)精度越高，即S越小，則D也越??； 指系統(tǒng)的輸出端和輸入端不存在反饋關系，系統(tǒng)的輸出量對控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既不需要對輸出量進行測量，也不需要將輸出量反饋到輸入端與輸入量進行比較，控制裝置與被控對象之間只有順向作用，沒有反向聯(lián)系。（3） S較大，D很

11、小 （比較期望）。31常見機械的調(diào)速指標： 生產(chǎn)機械調(diào)速范圍靜差率熱連軋機10 300.010.005冷連軋機150.02機床主傳動240.050.1造紙機3200.010.001龍門刨床礦井提升機20400.05第二節(jié) 交流調(diào)速的一般基礎2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速2.1 交流電動機調(diào)速的基本類型 2.2 變頻調(diào)速的原則 2.3 變頻控制時的電動機運行狀態(tài) 2.4 變頻器的控制方式2.2.2 恒功率變頻調(diào)速 2.4.1 180導電型六拍變頻器2.4.2 120導電型六拍變頻器2.4.3 脈寬調(diào)制型變頻器2.3.1 變頻時的起動狀態(tài)2.3.2 變頻時的再生發(fā)電制動狀態(tài) 2.3.3 變頻時的能耗制

12、動狀態(tài)主講人：汪剛2.1交流電動機調(diào)速的基本類型 同步電動機的調(diào)速可以用改變供電頻率，從而改變同步轉(zhuǎn)速的方法來實現(xiàn)。這樣，交流電動機就有很多不同的調(diào)速方法，總結(jié)如下：2.1交流電動機調(diào)速的基本類型 在上述各種調(diào)速方法中，異步電動機的變頻調(diào)速及同步電動機調(diào)速很受人們的重視，并且已在工業(yè)中獲得了廣泛應用。2.1交流電動機調(diào)速的基本類型 為了使交流電動機供電頻率可變，需要一套變頻電源。于是就產(chǎn)生了變頻器。 現(xiàn)在的變頻電源是采用可關斷功率器件和應用先進計算機的頻率可連續(xù)調(diào)節(jié)的變頻器。 2.1交流電動機調(diào)速的基本類型 變頻器分類如圖現(xiàn)代電力電子器件種類晶閘管型：SCR-普通晶閘管GTO-門極可關斷晶閘管

13、GCT-門極換向晶閘管IGCT-集成門極換向晶閘管SGCT-對稱門極換流晶閘管晶體管型：GTR-普通電力晶體管BJT-雙極型晶體管IGBT-絕緣柵雙極型晶體管IPM-智能功率模塊IEGT-電子注入增強柵晶體管 2.1交流電動機調(diào)速的基本類型 變頻器分類如圖2.2 變頻調(diào)速的原則 三相異步電動機當極對數(shù)一定時，其同步轉(zhuǎn)速與定子電源的頻率f1成正比，改變f1即可以改變同步轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的。通常把異步電動機定子的額定頻率稱為基頻（特殊情況下，可以定義基頻為指定頻率）。 根據(jù)控制方式的不同，主要有兩種不同的變頻調(diào)速原則： （1）恒磁通變頻調(diào)速通常在基頻以下采用 （2）恒功率變頻調(diào)速通常在基頻以上采

14、用2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速 依據(jù)電磁感應定律以及三相異步電動機的特性，則三相異步電動機的每相電勢有效值為： 從上式可得電動機磁通為： 其中， 為常數(shù)。 如果忽略定子壓降，則 ，上式可寫成： 在變頻調(diào)速時，如果只降低定子頻率 而定子每相電壓保持額定值不變，則 要增大 。 由于在 時，電動機的主磁路就已接近飽和， 再增大，主磁路必然過飽和，這將使勵磁電流急劇增大，鐵損耗增加， 下降。反之如果頻率往上升高，磁通減少，在一定的負載下有過電流的危險，這也是不允許的。為此通常要求磁通保持恒定，即 恒壓頻比控制特性1-無低頻補償 2-有低頻補償 在基頻以下變頻調(diào)速時，采用恒磁通控制，也就是壓頻比恒定控制。

15、 2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速基頻以下調(diào)速時，恒壓頻比控制的方法主要有以下兩種：（1）保持 等于常數(shù) 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為： 這說明保持 =常數(shù)進行變頻調(diào)速時，不同頻率下電動機產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩不變。 保持 等于常數(shù)，即進行恒磁通變頻調(diào)速時的機械特性如圖所示 ： 這種調(diào)速方法與他勵直流電動機調(diào)壓調(diào)速相似，具有機械特性較硬、在一定靜差率要求下調(diào)速范圍寬、低速下運行時穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，所以變頻(頻率)調(diào)速為無極調(diào)速，調(diào)速的平滑性好。此外，電動機拖動正常負載在不同轉(zhuǎn)速下運行時，轉(zhuǎn)差率較小，因此轉(zhuǎn)子銅耗小，效率高。2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速（2）保持 =常數(shù) 由于

16、電動機電勢不能直接檢測，常用 來近似計算，所以 等于常數(shù)的恒壓頻比控制是一種近似恒磁通控制方式，也是異步電動機變頻調(diào)速常采用的一種配合控制方式。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為： 2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速最大轉(zhuǎn)矩：下面考慮兩種極端情況： （1）當頻率較高時， 可忽略，則最大轉(zhuǎn)矩可簡化為： （2）當頻率較低時， 可忽略，則最大轉(zhuǎn)矩可簡化為： 低頻時有時會拖不動負載，所以要進行補償。 為常數(shù)時的變頻調(diào)速機械特性 2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速2.2.1 恒磁通變頻調(diào)速低速的電壓補償在實際用應用中，由于電機的感應電勢E1難以測量和控制，采用近似恒磁通原則，即在低頻時，定子電阻r1上壓降對最

17、大轉(zhuǎn)矩有較大影響。為保持理想的恒磁通在低頻時，U1和E1差值較大在實際控制回路中加入一個函數(shù)發(fā)生器，以補償?shù)皖l段定子電阻引起的壓降。藍色無補償有補償f1U1補償后的機械特性2.2.2 恒功率變頻調(diào)速 在基頻以上變頻調(diào)速時，若要保持 恒定，則 =常數(shù)，定子電壓需要高于額定值，這是不允許的。因此，基頻以上變頻調(diào)速時，應使 保持額定值不變。這樣，隨著 升高，氣隙磁通將減小，相當于弱磁調(diào)速方法。 不同頻率下各機械特性曲線的穩(wěn)定運行區(qū)段近似平行 1、 保持恒功率的原因電壓不變屬恒功率變頻調(diào)速當頻率f高于50Hz時，如果還按壓頻比等于常數(shù)的原則，電壓就要高于額定電壓，這顯然是不允許的。應換另一種調(diào)速原則。

18、2.2.2 恒功率變頻調(diào)速P=F*v/1000F=T/Rv= 2Rn/60線速度=周長*每秒轉(zhuǎn)速(n)=2R*每分轉(zhuǎn)速(n)/60=R*n/30P-計算功率KW，F(xiàn)-所需拉力Nv-工作機線速度m/S，T-轉(zhuǎn)矩Nm R-作用半徑m，n-每分轉(zhuǎn)數(shù)P*1000=/30*T*n30000/*P=T*n30000/3.1415926*P=T*n9549.297*P=T*n2.2.2 恒功率變頻調(diào)速2、 恒功率調(diào)速原則恒功率變頻調(diào)速原則恒功率變頻調(diào)速適用于負載隨轉(zhuǎn)速升高而減輕的情況，如車床刀具等。通常為擴大調(diào)速范圍，在基頻以上采用恒功率調(diào)速；在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2.2.2 恒功率變頻調(diào)速2.2.2

19、恒功率變頻調(diào)速異步電機變壓變頻控制特性2.2.2 恒功率變頻調(diào)速2.3 變頻控制時的電動機運行狀態(tài) 圖所示為變頻器控制電機時在整個調(diào)速范圍的一族機械特性曲線。 在額定轉(zhuǎn)速以下采用恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速，而在額定轉(zhuǎn)速以上采用恒功率變頻調(diào)速，因此調(diào)速范圍明顯擴大。 異步電動機變頻調(diào)速可以實現(xiàn)四象限運行。如果按照一定規(guī)律控制，異步電動機的起動、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速過程時間都可以縮至很短，因此在變頻調(diào)速時，異步電動機可具有良好的動態(tài)特性。異步電動機變頻調(diào)速時 的機械特性2.3.1 變頻時的啟動狀態(tài) 當頻率由f1f2f3時，電動機 將沿著圖示虛線由點123加速，轉(zhuǎn)速由n1n2n3，達到新的穩(wěn)定運行點。為了縮短加速時

20、間，應當使電動機在加速過程中始終保持有最大轉(zhuǎn)矩，即應當使電機沿著最大轉(zhuǎn)矩的包絡線進行加速。 異步電動機變頻調(diào)速的加速過程2.3.2 變頻時的再生發(fā)電制動狀態(tài) 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)速的下降是通過降低頻率來實現(xiàn)的。 當異步電動機在某一頻率下運轉(zhuǎn)時，如果將頻率迅速降低，使轉(zhuǎn)差率變負，則可以使電動機處于再生發(fā)電制動狀態(tài)，此時電動機運行于第二象限，如圖所示。 此時，電能通過逆變器回饋到變頻器直流側(cè)。在減速過程中若始終保持頻率比電動機轉(zhuǎn)速下降得快，那么電動機就一直維持在再生發(fā)電制動狀態(tài)。 異步電動機再生發(fā)電制動狀態(tài)的機械特性2.3.3 變頻時的能耗制動狀態(tài) 交流異步電動機在定子繞組中通入直流電流，就

21、會產(chǎn)生能耗制動。 變頻控制時，為了加快制動過程，縮短制動時間，防止傳動系統(tǒng)在停機后繼續(xù)爬行，在再生制動方式下先將轉(zhuǎn)速下降到一定程度，然后通過逆變器向電動機的兩相繞組中通入直流，使電動機進行直流能耗制動，如圖所示。2.3.3 變頻時的能耗制動狀態(tài)異步電動機能耗制動狀態(tài)的機械特性2.4 變頻器的控制方式變頻器交流交流頻率、電壓可調(diào)頻率、電壓恒定變流方式交-交變頻器交-直-交變頻器直接變流器間接變流器2.4 變頻器的控制方式 目前，實際應用最多的是交-直-交變頻器。交-直-交變頻器的基本構成如圖所示，由整流器、逆變器、濾波器和控制電路組成。變頻器的基本組成2.4.1 180導電型六拍變頻器 三相18

22、0導電型六拍變頻器一般為電壓型變頻器。整流器為可控整流器，如圖所示。 圖中，電容C很大，起濾波作用。直流側(cè)電壓為一恒定值，相當于電壓源。在三相逆變器中，電動機正轉(zhuǎn)時功率管的導通順序是VT1、VT22、VT3、VT4、VT5、VT6，各功率管驅(qū)動信號間相隔60電角度。180導電型的特點是每只功率管的導通時間為180，在任意瞬間有三個功率管同時導通（每條橋臂上有一只功率管導通），它們的換流是在同一條橋臂內(nèi)進行，即在VT1-VT4，VT3-VT6，VT5-VT2之間進行相互換流。 三相180導電型六拍變頻器主電路圖設負載為星形連接，逆變器的換流是瞬間完成的，若以電 動機定子繞組中性點O點電位為參考點

23、，在不同導通區(qū)間的相電壓可通過圖中的等值電路求得，三相180導電型六拍逆變器供電的等值電路2.4.1 180導電型六拍變頻器在區(qū)間中，561導通，則:區(qū)間 ? 功率管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6順次導通時的電壓波形如圖所示。2.4.1 180導電型六拍變頻器 180導電型六拍逆變器電壓波形問題： 結(jié)合右側(cè)波形，說明電機如何是調(diào)速的？相電壓和線電壓的有效值，為 ：2.4.1 180導電型六拍變頻器對線電壓和相電壓進行諧波分析，可將其分解成傅氏級數(shù) ，為 ：2.4.1 180導電型六拍變頻器 三相120導電型六拍變頻器一般為電流型變頻器，整流器為可控整流器，如圖所示。 圖中，電感

24、L很大，起濾波作用。直流側(cè)電流為一恒定值，相當于電流源。在三相逆變器中，電動機正轉(zhuǎn)時功率管的導通順序是VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，各功率管驅(qū)動信號間相隔60電角度。120導電型的特點是每只功率管的導通時間為120，任意瞬間有兩只功率管同時導通，它們的換流在相鄰橋臂中進行。 三相120導電型六拍變頻器主電路圖2.4.2 120導電型六拍變頻器2.4.2 120導電型六拍變頻器設負載為星形連接，120導電型三相逆變器供電時各區(qū)間的等值電路如圖所示 ： 三相120導電型六拍逆變器供電的等值電路在區(qū)間中，61導通，則:區(qū)間 ? 2.4.2 120導電型六拍變頻器 其各功率管導通區(qū)間、相電流波形如圖120導電型六拍逆變器電流波形2.4.2 120導電型六拍變頻器逆變器輸出電流的有效值，為 ：對逆變器輸出電流進行諧波分析，可將其分解成傅氏級數(shù) ，為 ：當電動機繞組為三角形連接時，電動機相電流分解成傅氏級數(shù)為 :2.4.3 脈寬調(diào)制型變頻器脈寬調(diào)制型變頻器簡稱PWM（Pulse Width Modulation）變頻器。 概念整流器為不可控整流器，逆變器多為電壓型逆變器，如圖所示 三相PWM變頻器主電路圖 電壓型SPWM逆變器的脈沖控制波形 PWM變頻器與六拍變頻器相比，具有以下優(yōu)點：