电力拖动自动控制系统陈伯时6123笼型异步电机变压变频调速系统VVVF系统转差功率不变型调ppt课件

1、1笼型异步电机变压变频笼型异步电机变压变频调速系统调速系统VVVFVVVF系系统统转差功率不变转差功率不变型调速系统型调速系统第第 6 6 章章2本章主要内容本章主要内容l变压变频调速的根本控制方式变压变频调速的根本控制方式l异步电动机电压频率协调控制异步电动机电压频率协调控制时的机械特性时的机械特性l电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型l变压变频调速系统中的脉宽调制变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术技术 l基于异步电动机稳态模型的变压基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统变频调速系统3l学习要点：学习要点：1 1、变频调速的根本控制方式：、变频调速的根本控制方式

2、：基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速；基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速； 基频以上，恒压升频控制，实现恒功率调速；基频以上，恒压升频控制，实现恒功率调速； 2 2异步电动机电压频率协调控制的稳态机械特性：异步电动机电压频率协调控制的稳态机械特性：CVCFCVCF时的机械特性，电压频率协调控制下的机械时的机械特性，电压频率协调控制下的机械特性：特性：1 1Us/1=Us/1=恒值控制，恒值控制，2 2恒恒Eg/1Eg/1控制，控制， 3 3恒恒Er/1Er/1控制。控制。 重点、难点重点、难点: : 异步电动机改动电压时机械特性的变化规律异步电动机改动电压时机械特性的变化规律 46.1

3、 6.1 变压变频调速的根本控制方式变压变频调速的根本控制方式 在进展电机调速时，希望坚持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。 -假设磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； -假设过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。5异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsErsR1sIlsLrIlrLsRr6 定子每相电动势定子每相电动势mNsgSkNfE44. 41 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值(V)； gE定子频率(Hz)； 1f定子每相绕组串联匝数； sN定子基波绕组系数； Nsk每极气隙磁通量(Wb)。 m7 1.

4、基频以下调速基频以下调速 要坚持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调理时，必需同时降低 Eg ，使 1fEg常值常值-即采用电动势频率比为恒值的控制方即采用电动势频率比为恒值的控制方式。式。 8 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而以为定子相电压 ，那么 这是恒压频比的控制方式。gsEU 常值1fUs9 注：电压补偿注：电压补偿( (转矩补偿转矩补偿) ) 在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。 这时，需求人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。1

5、0 带电压补偿的恒压频比控制特性带电压补偿的恒压频比控制特性0UsUsNf 1f 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 11 2. 2. 基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不能够超越额定电压UsN，最多只能坚持Us =UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 12 变压变频控制特性变压变频控制特性f1N图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O136.2 异步电动机电压频率协调控制异步电动机电压频率协调控制 时的机械特性

6、时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性基频以下电压频率协调控制的机械特性基频以下电压频率协调控制的机械特性基频以上恒压变频控制的机械特性基频以上恒压变频控制的机械特性141. 恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性 22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT最大转矩221121max)(123lrlsssspeLLRRUnT15 机械特性机械特性nn0smsTemaxTe010TeTemax162.基频以下电压频率协调控制时的特性基频以下电压频率协调控制时的特性 由机械特性方程式6-4可以看出，对于同一组转矩 T

7、e 和转速 n或转差率s的要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种配合，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。 17 1 恒压频比控制恒压频比控制 Us /1 在恒压频比的条件下改动频率 1 时，机械特性根本上是平行下移，它们和直流他励电动机变压调速时的情况根本类似。 最大转矩 Temax 随着 1 的降低而减小，频率很低时，Temax 太小将限制电机的带载才干，采用定子压降补偿，可以加强带载才干。18 恒压频比机械特性恒压频比机械特性eT0nNn003n02n01nN11112131312111N补 偿 定 子 压补 偿 定 子 压降后的特性降后的特性192 恒恒 Eg /1 控制控制 假设

8、在电压频率协调控制中，恰假设在电压频率协调控制中，恰当地提高电压当地提高电压 Us ，使它在抑制定子阻，使它在抑制定子阻抗压降以后，能维持抗压降以后，能维持 Eg /1 为恒值，为恒值，那么无论频率高低，每极磁通那么无论频率高低，每极磁通 m 均均为常值。为常值。20异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsErsR1sIlsLrIlrLsRr21恒恒 Eg /Eg /1 1机械特性机械特性2 2122 1213lrrrgpeLsRRsEnT最大转矩21max123lrgpeLEnT当Eg /1 为恒值时，Temax 恒定不变。22 机械特性曲线机械特性曲线eT0nNn003n0

9、2n01nN11112131312111NTemax恒恒 Eg / 1控制的控制的稳态性能优于恒稳态性能优于恒 Us / 1控制，它控制，它正是恒正是恒 Us / 1控控制中补偿定子压制中补偿定子压降所追求的目的降所追求的目的233 恒恒 Er /1 控制控制 1213rrpeRsEnT 这时的机械特性是这时的机械特性是一条直线，和直流他励一条直线，和直流他励电动机机械特性一样。电动机机械特性一样。0s1ab c恒恒 Er /1 控制控制恒恒 Eg /1 控控制制恒恒 Us /1 控制控制0Te24 转子全磁通的感应电动势转子全磁通的感应电动势 Er 对应于转子对应于转子全磁通幅值全磁通幅值

10、rm ：rmNssrkNfE144. 4 按照转子全磁通为恒值进展控制，按照转子全磁通为恒值进展控制，就可以获得就可以获得 Er /Er /1 1恒定，这正是矢量恒定，这正是矢量控制系统所遵照的原那么。控制系统所遵照的原那么。25小结l恒压频比 Us /1 =恒值控制最容易实现，变频机械特性根本上是平行下移，硬度也较好，能满足普通的调速要求，但低速带载才干有限，须对定子压降实行补偿。l恒Eg /1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿，可以在稳态时到达m 恒定，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的才干仍遭到限制。l恒Er /1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照

11、rm恒定进展控制即得Er /1 =恒值，在动态中也尽能够坚持恒定是矢量控制系统所追求的目的，当然实现起来是比较复杂的。263.3.基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT最大转矩最大转矩221212max)(123lrlssssNpeLLRRUnT27基频以上恒压变频机械特性基频以上恒压变频机械特性eT0nNn0cn0bn0an0N1a1b1c1恒功率调速恒功率调速c1b1a1N1 当电源频率当电源频率 提高时，同提高时，同步转速随之提步转速随之提高，最大转矩高，最大转矩减小，机械特减小，机械特性上移，而外性

12、上移，而外形根本不变。形根本不变。128l作业：作业：6-1、6-2 296.3 6.3 电力电子变压变频器电力电子变压变频器的主要类型的主要类型本节提要本节提要交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器30l学习要点：学习要点： 1. 1.静止式变频安装；静止式变频安装； 间接变频间接变频交直交变频安装交直交变频安装 直接变频直接变频交交变频安装交交变频安装 电压源和电流源变频器；电压源和电流源变频器； 2. 2. 正弦脉宽调制正弦脉宽调制SPWMSPWM逆变器任务原理。逆变器任务原理。 重点、难点重点、难点: : 1. 1.正弦波脉宽

13、调制正弦波脉宽调制SPWMSPWM逆变器的控制方式。逆变器的控制方式。 31 引引 言言 如前所述，对于异步电机的变压变如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必需具备可以同时控制电压频调速，必需具备可以同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称变压变频器，又称VVVFVariable Voltage Variable Frequency安装。安装。326.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器 从整体构造上看，电力电子变压从整体构造上看，电力电子变压变频器可分为

14、交变频器可分为交-直直-交和交交和交-交两大类。交两大类。 1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交交-直直-交变压变频器先将工频交流交变压变频器先将工频交流电源经过整流器变换成直流，再经过电源经过整流器变换成直流，再经过逆变器变换成可控频率和电压的交流，逆变器变换成可控频率和电压的交流，如以下图所示。如以下图所示。33 交交-直直-交变压变频器根本构造交变压变频器根本构造变压变频变压变频(VVVF)中间直中间直流环节流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流34 由于这类变压变频器在恒频交流由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个电源和变频交流

15、输出之间有一个“中间中间直流环节，所以又称间接式的变压直流环节，所以又称间接式的变压变频器。变频器。 详细的整流和逆变电路种类很多，详细的整流和逆变电路种类很多，当前运用最广的是由二极管组成不控当前运用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制调制PWM逆变器，简称逆变器，简称PWM变变压变频器，如以下图所示。压变频器，如以下图所示。35 交交-直直-交交PWM变压变频器根本构造变压变频器根本构造变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C36 PWM变

16、压变频器的运用广泛，具有如下的优点： 1只需逆变单元可控，它同时调理电压和频率，构造简单。 2采用PWM控制技术，正弦基波的比重较大，因此转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 3逆变器同时实现调压和调频，动态呼应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 4采用不可控的二极管整流器，电源侧功率要素较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。 37 PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。 遭到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管SCR，并用可控整流器调压、六拍逆变器调频的

17、交-直-交变压变频器，见以下图。 38 普通交普通交-直直-交变压变频器的根本构造交变压变频器的根本构造SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压392. 交交-交变压变频器交变压变频器 交-交变压变频器的根本构造如以下图所示，它只需一个变换环节，把恒压恒频CVCF的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。 有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器Cycloconveter。 40 交交-交变压变频器的根本构造交变压变频器的根本构造交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF 常用的交常用的交- -交变压变频器输出的每一相都是一交

18、变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流安装反并联的可逆个由正、反两组晶闸管可控整流安装反并联的可逆线路。线路。 也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路以下图系统的反并联可逆线路以下图a a。41交交- -交变压变频器的根本电路构造交变压变频器的根本电路构造VRVFId-Id+-+a) 每相电路构造负负载载50Hz50Hzu042交交- -交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式l整半周控制方式整半周控制方式l 正、反两组按一定周期相互切正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压换，在负载上就获得

19、交变的输出电压 u0 u0 ，u0 u0 的幅值决议于各组可控整流的幅值决议于各组可控整流安装的控制角安装的控制角 ，u0 u0 的频率决议于的频率决议于正、反两组整流安装的切换频率。假正、反两组整流安装的切换频率。假设控制角不断不变，那么输出平均电设控制角不断不变，那么输出平均电压是方波，如以下图压是方波，如以下图 b b 所示。所示。43方波型平均输出电压波形方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形输出电压波形44 控制方式控制方式 2 l 调制控制方式调制控制方式l 要获得正弦波输出，就必需在每一要获得正弦波输出，就必需在每一组整流安装导通

20、期间不断改动其控制角。组整流安装导通期间不断改动其控制角。l例如：在正向组导通的半个周期中，使控例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角制角 由由 /2对应于平均电压对应于平均电压 u0 = 0逐逐渐减小到渐减小到 0对应于对应于 u0 最大，然后再逐最大，然后再逐渐添加到渐添加到 /2 u0 再变为再变为0，如以下图，如以下图所示。所示。452AO t 0 2 BCDEFu0交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形输出电压波形46 当当角按正弦规律变化时，半角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的所示的正弦波

21、。对反向组负半周的控制也是这样。控制也是这样。47 单相交交变频电路输出电压和电单相交交变频电路输出电压和电流波形流波形1OO23456图4-20uoiott48 三相交交变频电路三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由3 3个单相个单相交交- -交变频电路组成，其根本构造如以交变频电路组成，其根本构造如以下图所示。下图所示。 假设每组可控整流安装都用桥式假设每组可控整流安装都用桥式电路，含电路，含6 6个晶闸管当每一桥臂都是个晶闸管当每一桥臂都是单管时，那么三相可逆线路共需单管时，那么三相可逆线路共需3636个晶闸管，即使采用零式电路也须个晶闸管，即使采用零式电路也须1

22、818个晶闸管。个晶闸管。49 三相交交变频器的根本构造三相交交变频器的根本构造50 输出星形结合方式三相交交变频电路输出星形结合方式三相交交变频电路51三相桥式交交变频电路52 因此，这样的交-交变压变频器虽然在构造上只需一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。 不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流安装，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。53 这类交这类交- -交变频器的其他缺陷是：交变频器的其他缺陷是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无频谱复杂

23、，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。功补偿设备。 其最高输出频率不超越电网频率的其最高输出频率不超越电网频率的 1/3 1/21/3 1/2，普通主要用于轧机主传动、，普通主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。54 近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运转，但当输出电压必需为正弦波时，最大

24、输出输入电压比只需0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其开展前景是很好的。 556.3.2 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在交在交- -直直- -交变压变频器中，按照中间交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实践区别在于直流环节采用怎样的滤型的实践区别在于直流环节采用怎样的滤波器。以下图绘出了电压源型和电流源型波器。以下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的表示图。逆变器的表示图。56 两种类型逆变器构造两种类型逆变器构造逆变器逆变器L

25、dIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器电压源逆变器b) 电流源逆变器电流源逆变器电压源型和电流源型逆变器表示图电压源型和电流源型逆变器表示图57l电压源型逆变器电压源型逆变器Voltage Source Voltage Source Inverter -VSI Inverter -VSI ，直流环节采用大电容，直流环节采用大电容滤波，因此直流电压波形比较平直，在滤波，因此直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。简称电压型逆变器。58l电流源型逆变器电流源型

26、逆变器Current Source Current Source Inverter- CSIInverter- CSI，直流环节采用大电感，直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。阶梯波，或简称电流型逆变器。 59 性能比较性能比较 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差别，主要表现如下： 1无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的

27、交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。60 因此，两类逆变器的区别还表如今采用什么储能元件电容器或电感器来缓冲无功能量。 2能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运转，适用于需求回馈制动和经常正、反转的消费机械。61 下面以由晶闸管可控整流器下面以由晶闸管可控整流器UCRUCR和电和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSICSI构构成的交成的交- -直直- -交变压变频调速系统如以下交变压变频调速系统如以下图所示为例，阐明电动运转和回馈制动图所示为例

28、，阐明电动运转和回馈制动两种形状。两种形状。62 电动运转形状电动运转形状电流源型交电流源型交-直直-交变压变频调速系统的两种运转形状交变压变频调速系统的两种运转形状63 当电动运转时，当电动运转时，UCRUCR的控制角的控制角 90 1 ，电动机以转速运转，电功率的传送，电动机以转速运转，电功率的传送方向如上图方向如上图a a所示。所示。64电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运转形状M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCR逆变运转形状逆变运转形状Pb逆变运转逆变运转65l假设降低变压变频器的输出频率假设降低变压变频器的输出频率 1 1，或从机械上抬高电机转速或从机械上抬高电机转速 ，使，使 1 1 90 90 ，那么异步电机转入发电形状，逆变器转那么异步电机转入发电形状，逆变器转入整流形状，而可控整流器转入有源逆入整流形状，而可控整流器转入有源逆变形状，此时直流电压变形状，此时直流电压Ud Ud 立刻