机电传动第十章交流传动控制系统

1、第十章第十章 交流传动控制系统交流传动控制系统 本章要求：本章要求： 1、掌握交流调速的基本原理及类型；、掌握交流调速的基本原理及类型； 2、熟悉交流电机调速的特性、特点及适用、熟悉交流电机调速的特性、特点及适用场合；场合； 3、了解交流变频调速的原理和特性。、了解交流变频调速的原理和特性。 本章知识点：本章知识点： 1、交流变频基本原理；、交流变频基本原理； 2、V/F控制；控制； 3、矢量控制。、矢量控制。 交流电动机分为交流电动机分为同步电动机同步电动机与与异步电动机异步电动机两大类。在变频调速出现以前，异步电机两大类。在变频调速出现以前，异步电机除了绕线电机可通过改变转子电阻或电抗除了

2、绕线电机可通过改变转子电阻或电抗实现小范围调速以外，几乎都不调速。仅实现小范围调速以外，几乎都不调速。仅在结构上采取措施设计成不同极数的电机在结构上采取措施设计成不同极数的电机和电磁转差离合器调速系统。随着变频调和电磁转差离合器调速系统。随着变频调速技术的进步，变频调速成为异步电机调速技术的进步，变频调速成为异步电机调速甚至电机调速的主流。从交流电机的机速甚至电机调速的主流。从交流电机的机械特性来看，械特性来看，同步电动机同步电动机只有改变供电电只有改变供电电压的频率（变频）一种调速方式；对压的频率（变频）一种调速方式；对异步异步电动机电动机主要有：调压调速；变电阻（电抗）主要有：调压调速；变

3、电阻（电抗）调速；变频调速。调速；变频调速。 从原理来分，从原理来分，异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法大致大致分为三种，即分为三种，即改变转差率改变转差率s、改变极对数改变极对数p、和和改变频率改变频率f。其中改变转差率。其中改变转差率s的方法，又的方法，又可以通过调节定子电压、转子电阻、转子可以通过调节定子电压、转子电阻、转子电压以及定转子供电频率等方法来实现，电压以及定转子供电频率等方法来实现，从而派生出很多种调速方法。从而派生出很多种调速方法。电磁调速电动机电磁调速电动机YCT系列系列立式立式 卧式卧式101电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统 电磁转差离合器调速系统是通

4、过电磁转差离合器调速系统是通过改变电磁离合器改变电磁离合器的励磁电流来实现调速的励磁电流来实现调速的，对异步电动机本身并的，对异步电动机本身并不进行调速。这种调速系统的不进行调速。这种调速系统的特点是线路简单、特点是线路简单、价格便宜。价格便宜。 给定速度由电位器给定速度由电位器RP2上取得，并与电位器上取得，并与电位器RP3上的速度信号比较后送到上的速度信号比较后送到由单结晶体管由单结晶体管VU组成的组成的移相触发电路，控制晶闸移相触发电路，控制晶闸管的导通角，从而控制转管的导通角，从而控制转差离合器的耦合度，获得差离合器的耦合度，获得所需的速度。所需的速度。102交流调压调速系统交流调压调

5、速系统 交流调压调速系统，就是用第十章介绍交流调压调速系统，就是用第十章介绍的可控整流电路，控制异步电机的定子的可控整流电路，控制异步电机的定子电压，利用电机的机械特性达到调速的电压，利用电机的机械特性达到调速的目的。异步电机调压调速已较少使用，目的。异步电机调压调速已较少使用，目前市面上出售的目前市面上出售的电机软启动器主要采电机软启动器主要采用交流调压调速方式实现。用交流调压调速方式实现。104晶闸管变频调速晶闸管变频调速 一、变频调速的工作原理一、变频调速的工作原理 由由 n=60f(1-sn=60f(1-s）/p/p可知，改变可知，改变频率频率f f可以改变电机的可以改变电机的转速转速

6、n n，但光是改变频率，但光是改变频率f f是不够的，因为是不够的，因为I=U/SQRRI=U/SQRR2 2+(SX)+(SX)2 2 而而XR,XR,因此因此电流电流I I正比于正比于U/XU/X，而，而电抗电抗X X又与又与f f成正比成正比，为了保持电机在不同速度下，为了保持电机在不同速度下，电流不至于过大，在降低电机频率电流不至于过大，在降低电机频率f f时，要同时降低时，要同时降低供给电机的电压供给电机的电压U U。这就是这就是压频比控制压频比控制(V/F)(V/F)的变频的变频器的基本设计思想。器的基本设计思想。变频器分为变频器分为交交- -直直- -交交变频和变频和交交- -交

7、交变频两大类，前者常变频两大类，前者常用于低压（用于低压（380V380V以下）后者常用于高压。以下）后者常用于高压。 二、交一直一交变频器的基本电路二、交一直一交变频器的基本电路 交一直一交变频器是指交一直一交变频器是指变频器的电源由变频器的电源由交流交流整流为整流为直流直流再逆变为再逆变为所需频率所需频率的的交流交流的控制的控制系统。系统。 交直一交变频器的交直一交变频器的基本电路包括整流电路基本电路包括整流电路和逆变电路和逆变电路，整流电路将工频交流电整流成，整流电路将工频交流电整流成直流电，逆变电路再将直流电逆变为频率可直流电，逆变电路再将直流电逆变为频率可调的交流电。调的交流电。 据

8、变频电源性质可分为据变频电源性质可分为电压型变频器电压型变频器和和电流电流型变频器。型变频器。 *图中，图中，直流电源并联有大容量滤波电容器直流电源并联有大容量滤波电容器Cd。由于电容两端电压不能突变，使得由于电容两端电压不能突变，使得直流输出直流输出电压具有电压源特性电压具有电压源特性，内阻很小。这使逆变，内阻很小。这使逆变器的交流电压被钳位为矩形波（因为电容两器的交流电压被钳位为矩形波（因为电容两端电压不能突变），与负载性质无关。交流端电压不能突变），与负载性质无关。交流输出电流的波形与相位由负载功率因数决定。输出电流的波形与相位由负载功率因数决定。在异步电动机变频调速系统中，这个大电容在

9、异步电动机变频调速系统中，这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的贮能元件。直同时又是缓冲负载无功功率的贮能元件。直流回路电感流回路电感Ld起限流作用，电感很小。起限流作用，电感很小。 改变六只功率开关的导通顺序，可改变电机改变六只功率开关的导通顺序，可改变电机的转向。的转向。*交一直一交交一直一交电流型电流型变频器变频器 电压型变频器电压型变频器，由于，由于再生制动再生制动时必须接入附加时必须接入附加电路，增加了电路，增加了麻烦麻烦，电流型变频器可以弥补上，电流型变频器可以弥补上述不足，而且主电路结构简单、安全可靠。常述不足，而且主电路结构简单、安全可靠。常用于四象限运行的伺服控制场合。用于四象

10、限运行的伺服控制场合。 电流型逆变器电流型逆变器的基本电路与电压型逆变器不同，的基本电路与电压型逆变器不同，直流电源上串联了大电感滤波直流电源上串联了大电感滤波。由于大电感的。由于大电感的限流作用，为逆变器提供的直流电流波形平直、限流作用，为逆变器提供的直流电流波形平直、脉动很小，脉动很小，具有电流源特性具有电流源特性。这使逆变器输出。这使逆变器输出的交流电流为矩形波，与负载性质无关，而输的交流电流为矩形波，与负载性质无关，而输出的交流电压波形及相位随负载而变化。出的交流电压波形及相位随负载而变化。电压型逆变器与电流型逆变器的主要区别电压型逆变器与电流型逆变器的主要区别 电压型逆变器电压型逆变

11、器：直流电源并联有大容量滤波电：直流电源并联有大容量滤波电容器容器Cd。由于电容两端电压不能突变，使得直。由于电容两端电压不能突变，使得直流输出电压流输出电压具有电压源特性具有电压源特性；六只功率开关每；六只功率开关每隔隔60电角度触发导通一只，相邻两相的功率电角度触发导通一只，相邻两相的功率开关触发导通时间互差开关触发导通时间互差120。 电流型逆变器电流型逆变器：直流电源上串联了大电感：直流电源上串联了大电感Ld滤滤波。波。具有电流源特性具有电流源特性；一般采用；一般采用120导电型，导电型，即每只功率开关导通时间为即每只功率开关导通时间为120。电流型变。电流型变频器无须附加任何设备，即

12、可实现负载电动机频器无须附加任何设备，即可实现负载电动机的四象限运行。的四象限运行。不会出现再生制动过压问题不会出现再生制动过压问题。 三、改变变频器压频比的常用调制方式：三、改变变频器压频比的常用调制方式： 变频调速的逆变器，既要控制频率还要控变频调速的逆变器，既要控制频率还要控制电压或电流制电压或电流，能实现的方式很多，可参，能实现的方式很多，可参考相关的书籍。下面介绍最常用的两种：考相关的书籍。下面介绍最常用的两种： 1、三角波、三角波PWM调制法；调制法； 2、电流跟踪、电流跟踪PWM调制法；调制法；uR :控制信号；控制信号；u :调制波；调制波；uR u输出输出uP。u P:晶闸管

13、的触晶闸管的触发信号。发信号。图图b)与图与图c)相乘就得到图相乘就得到图d)：正负半波对称的：正负半波对称的PWM脉冲信号。脉冲信号。改变参考电压改变参考电压 UR 的频的频率和幅值率和幅值(使使 UR =Kf)就就可以改变逆变输出的可以改变逆变输出的交流电压的频率和幅交流电压的频率和幅值。值。倒相信号倒相信号电流跟踪电流跟踪PWMPWM调制法；调制法；i* 为给定参考电流，为给定参考电流， 是电流跟踪目标；是电流跟踪目标； if为实际负载电流反馈为实际负载电流反馈值；值；HB为滞环宽度。为滞环宽度。当当 if与参考电流与参考电流i*之差之差达到滞环的上限值时，达到滞环的上限值时，即（即（

14、if i*)HB/2时，时，使使V1关断关断V2导通，负导通，负载电压为一载电压为一U，负载，负载电流电流if下降。当（下降。当（ if i*) HB/2。即。即 if与与 i*之差到达滞环得下之差到达滞环得下限，则限，则V2截止，截止，V1导导通，负载电压变为十通，负载电压变为十U， if上升。这样，通上升。这样，通过过V1、V2的交替通断的交替通断使使 if -i* HB/2，达到电流的自动跟踪达到电流的自动跟踪的目的。如的目的。如i*为正弦为正弦电流，则电流，则if也近似为一也近似为一正弦电流。正弦电流。 四、变频器的压频比（四、变频器的压频比（V/F）控制）控制 所谓所谓压频比控制就是

15、维持压频比控制就是维持V/F=常数常数（或函（或函数）以降低启动过程的电流的控制模式。数）以降低启动过程的电流的控制模式。一般用于节能调速或调速精度要求不太高一般用于节能调速或调速精度要求不太高的调速场合。的调速场合。 采用压频比控制，采用压频比控制，低速力矩变小低速力矩变小，这是因，这是因为低速时，电机电阻不能忽略的缘故。要为低速时，电机电阻不能忽略的缘故。要解决这个问题，可采用低端电压补偿的办解决这个问题，可采用低端电压补偿的办法。法。 I=U/（R2+X2)1/2 n 较大时较大时XR I=U/Xf ( HZ)HZ)V050380理论压频比曲线理论压频比曲线低速转矩补偿低速转矩补偿风机水

16、泵特性风机水泵特性 五、采用变频调速要注意的问题：五、采用变频调速要注意的问题： 1、直流过压直流过压。超过。超过800V变频器过压保护；变频器过压保护； 2、过流过流。由于功率模块过流能力很小，一般变。由于功率模块过流能力很小，一般变频器超过额定电流频器超过额定电流150%只允许工作只允许工作1分钟，超过分钟，超过200%只允许工作只允许工作1秒，因此在选型时一定要考虑秒，因此在选型时一定要考虑负载的性质和可能过载的倍数；负载的性质和可能过载的倍数； 3、共振点的避让共振点的避让。一般的机电传动系统的数学。一般的机电传动系统的数学模型为二阶或二阶以上，其固有频率不太高，因模型为二阶或二阶以上

17、，其固有频率不太高，因此在调速过程中有可能出现共振。选择工作频率此在调速过程中有可能出现共振。选择工作频率时不允许选在共振点附近；时不允许选在共振点附近； 4、压频比的选择压频比的选择。要根据负载的性质和负荷大。要根据负载的性质和负荷大小来选择。小来选择。六、交六、交-交变频调速交变频调速 交交-交变频是交变频是直接把固定频率的交流电转直接把固定频率的交流电转变成所需频率的交流电。变成所需频率的交流电。但只能降频不但只能降频不能升频。能升频。一般用于高压、大功率、低速一般用于高压、大功率、低速设备的调速。设备的调速。任何时候都有一相高任何时候都有一相高于其它两相；可共用于其它两相；可共用一个触

18、发信号。一个触发信号。 交交-直直-交变频通过控制晶闸管的导通角来控交变频通过控制晶闸管的导通角来控制晶闸管的导通时间，电压幅值不变。而制晶闸管的导通时间，电压幅值不变。而交交-交变频的电源就是电网电源交变频的电源就是电网电源，随着导通，随着导通角的变化，电压幅值也发生变化。角的变化，电压幅值也发生变化。 七、交七、交-交变频的输出频率与调速范围：交变频的输出频率与调速范围： fo/fi=p/6 fo=p fi/6 fo 输出频率；输出频率； fi 输入（电源）频率；输入（电源）频率； p 变频器的脉波数变频器的脉波数 当允许谐波小于当允许谐波小于2.5%时时 （fo/fi）max=0.33(

19、p=3)； （fo/fi）max=0.5(p=6) （fo/fi）max=0.75(p=12) 输出频率越高波形失真越大输出频率越高波形失真越大。八、交八、交-交变频器的特点：交变频器的特点： 1、直接变换，、直接变换，转换效率高转换效率高； 2、输出电压波形是原电网波形的一部分，、输出电压波形是原电网波形的一部分，谐波分量少、低速波形好、噪声低谐波分量少、低速波形好、噪声低； 3、过零自然换相，、过零自然换相，可用普通的晶闸管可用普通的晶闸管； 4、所用晶闸管数量多；、所用晶闸管数量多； 5、功率因数较低；、功率因数较低； 6、只能降速调速只能降速调速，适用于高压、大功率的，适用于高压、大功

20、率的应用场合。应用场合。101055异步电机矢量控制原理异步电机矢量控制原理 异步电机异步电机本质上是一个本质上是一个高阶高阶、多变量多变量（有（有转、定子电阻、自感、互感、主磁通、漏转、定子电阻、自感、互感、主磁通、漏磁通等）、磁通等）、强耦合强耦合(变量之间互相影响互不变量之间互相影响互不独立）、独立）、非线性非线性（如（如n、T间的关系）、间的关系）、时时变变（如电阻等受温度的影响，随时间变化）（如电阻等受温度的影响，随时间变化）系统。而系统。而直流电机直流电机的定子励磁磁场与电枢的定子励磁磁场与电枢磁势互相垂直。因而磁势互相垂直。因而影响转速的励磁电流影响转速的励磁电流If与影响力矩的

21、电枢电流与影响力矩的电枢电流Ia是互相独立（解是互相独立（解耦）近似线性的。可分别调整。耦）近似线性的。可分别调整。 直流电机与异步电机的区别：直流电机与异步电机的区别： 一、一、直流电机直流电机 1、磁极固定在电机定子座上，在、磁极固定在电机定子座上，在空间上能产生一个固空间上能产生一个固定的磁场定的磁场； 2、电枢绕组固定在转子铁心槽里，在空间能产生一个、电枢绕组固定在转子铁心槽里，在空间能产生一个稳定的稳定的电枢磁势电枢磁势，并保持，并保持与定子磁场垂直与定子磁场垂直； 3、励磁电流励磁电流（定子电流）和（定子电流）和电枢电流电枢电流（转子电流即工（转子电流即工作电流）在各自的绕组中作电

22、流）在各自的绕组中分别可调、可控分别可调、可控。 二、二、异步电机异步电机 1、定子通进三相对称交流电，产生一个随时间、空间、定子通进三相对称交流电，产生一个随时间、空间都变化的旋转磁场（即都变化的旋转磁场（即磁场幅值随时间变化，峰值位置磁场幅值随时间变化，峰值位置在空间不固定在空间不固定）；）； 2、转子磁势和定子旋转磁场之间不垂直转子磁势和定子旋转磁场之间不垂直； 3、转子是短路的，转子磁势和定子旋转磁场均由定子、转子是短路的，转子磁势和定子旋转磁场均由定子电流产生，即电流产生，即励磁电流和工作电流不能分别调节和控制励磁电流和工作电流不能分别调节和控制。 *我们希望我们希望类似直流电机类似

23、直流电机那样，通过那样，通过改变励磁电改变励磁电流控制电机的速度流控制电机的速度，改变电枢最大允许电流来控改变电枢最大允许电流来控制电机的输出力矩制电机的输出力矩，这是，这是矢量控制的基本思路矢量控制的基本思路。从力学上我们知道，一个力可以分解成两个或多从力学上我们知道，一个力可以分解成两个或多个分力，它们对物体的作用是等效的。如果类似个分力，它们对物体的作用是等效的。如果类似力的合成与分解，力的合成与分解，把电机的定子磁场与转子磁势把电机的定子磁场与转子磁势通过某些数学处理，建立一个正交的数学模型，通过某些数学处理，建立一个正交的数学模型，它的性能与原异步电机等效它的性能与原异步电机等效，则

24、可以类似直流电，则可以类似直流电机那样分别对转速和力矩进行控制。异步电机的机那样分别对转速和力矩进行控制。异步电机的矢量控制就是基于这一数学特征而设计的。矢量控制就是基于这一数学特征而设计的。 事实上，只要把直角坐标建立在转子上，随转子事实上，只要把直角坐标建立在转子上，随转子一起旋转，把异步电机转、定子各物理量向这一一起旋转，把异步电机转、定子各物理量向这一旋转坐标分解就可以把异步电机的转速和力矩进旋转坐标分解就可以把异步电机的转速和力矩进行解耦。行解耦。 力F可以分解成分力FA、FB，或F1、F2、F3 矢量控制的数学模型很多，有电压矢量控制、电流矢量控制的数学模型很多，有电压矢量控制、电

25、流矢量控制、转差矢量控制、直接转矩控制等。矢量控制、转差矢量控制、直接转矩控制等。 本教材介绍的是最基本的本教材介绍的是最基本的3/2（三相（三相/二相）变换。其二相）变换。其思路是：思路是：先把空间相差先把空间相差120o三相异步电机等效变换三相异步电机等效变换成两相正交的异步电机（即把三相电流矢量向直角成两相正交的异步电机（即把三相电流矢量向直角坐标分解），然后把建立在静止的直角坐标的数学坐标分解），然后把建立在静止的直角坐标的数学模型向与电机转子同速旋转的直角坐标变换。模型向与电机转子同速旋转的直角坐标变换。 矢量控制的实质矢量控制的实质就是把普通变频三相同频同幅的控就是把普通变频三相同

26、频同幅的控制，制，变成三相同频不同幅的控制变成三相同频不同幅的控制。 关于这方面的内容可参考相关的书籍。关于这方面的内容可参考相关的书籍。 1、现代交流调速技术现代交流调速技术胡崇岳主编胡崇岳主编 机工出版社机工出版社 2、交流电机调速理论交流电机调速理论许大中主编许大中主编 浙大出版社浙大出版社 图中两相电机的电流it、im分别由三相电机的ia、和ib与ic等效基准信号106106无换向器电动机及其调速系统无换向器电动机及其调速系统 无换向器电动机（又叫无刷直流机）它是无换向器电动机（又叫无刷直流机）它是由永磁由永磁同步电机同步电机加上加上转子位置检测器转子位置检测器组成并组成并利用转子位利用转子位置控制定子电流换