交直流调速系统-绪论课件

1、交直流调速系统绪论24 七月 2022工业自动化过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大运动控制：针对机械运动过程，时间常数小运动控制的研究内容：处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题。在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动运动控制系统按照被控物理量可划分为：调速系统（以转速为被控量）；伺服系统（以位移为被控量） 运动控制的认识24 七月 2022运动控制系统的应用领域：军事自动化（MA）：雷达追踪、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态等工厂自动化（FA）：加工中心、工业机器人、风机水

2、泵、轧机等动等办公自动化（OA）：磁带机、磁盘驱动器、数控绘图机、打印机等家庭自动化（HA）：录像机、CD机、冰箱、洗衣机等控制目标：位置、速度、加速度、转矩/力控制24 七月 202224 七月 2022运动控制系统结构电源主控制器运动控制器驱动器电动机机械系统反馈装置PC/PLCPLC变流装置敏捷驱动装置直流电动机伺服电动机步进电动机直线电动机旋转变压器编码器电位器测速发电机传动装置定位平台旋转平台24 七月 2022运动控制系统结构电源主控制器运动控制器驱动器电动机机械系统反馈装置部分 电力传动与系统 主控制器/运动控制器：PC/PLC 电动机 控制设备：电力电子变流装置反馈部分 运动参

3、数的测量和反馈 传感器控制策略:开环控制、闭环控制电动机分类传感器分类24 七月 2022闭环控制策略转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位置控制器速度控制器转矩控制器电流 控 制 功 能 电动机转矩检测器机械负载s24 七月 2022位置控制 将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到 另一确定的空间位置速度控制 以确定的速度曲线使负载产生运动转矩控制 维持转矩的恒定或遵循某一变化规律闭环控制策略 并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构24 七月 2022转矩控制对转矩的控制通常通过控制电流来实现 在运动控制系统中，转矩控制是最基本的控制性能评价

4、：稳态精度、动态响应速度速度控制 开、闭环（交、直流电动机）位置控制 开环（步进电机）、闭环（伺服电机）闭环控制策略24 七月 2022控制器：通用控制方法PID控制、自适应控制、Fuzzy控制等特定控制策略 针对交流电动机的转矩控制有： VVVF控制、矢量控制、直接转矩控制闭环控制策略24 七月 2022Back to 运动控制系统结构电动机直流电动机交流电动机变压器（静止不动）旋转电机同步电动机异步电动机特种电机伺服电动机：改善定位精度步进电动机：实现增量运动24 七月 2022Back to 运动控制系统结构24 七月 2022定义：以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称

5、之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。构成：中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器 交流调速技术的发展历程24 七月 2022序号意义有代表意义的行业或设备1节能风机、水泵、注塑机2提高产品质量机床、印刷、包装等生产线3改善工作环境电梯、中央空调 电气传动的目的： 根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩。 电气传动的意义：注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能24 七月 2022直流电气传动系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一

6、种调速方式性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂，有多种调速方式性能较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护20世纪70年代以前直流占统治地位，交流电机只在定速机械上使用。20世纪90年代中期交流变频调速逐渐成为调速领域的主角。 交直流电气传动的特点：直流电动机电枢电压只能做到1000多伏，转速每分钟数百转到1000多转。交流电动机电压可做到610kV，转速可达每分钟数千转。24 七月 2022交流异步电机的机械特性

7、公式 n60f/p(1-s) n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数 s：转差率 T：电机力矩N：速度n0负载1异步机机械特性负载2交流同步电机的机械特性公式 n60f/p n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数 n0负载1负载2T：电机力矩同步机机械特性异步电动机发明于19世纪八十年代，变频器成功于20世纪八十年代。为什么期盼了近百年？24 七月 2022单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改

8、变开关管导通顺序改变输出电压的相序24 七月 2022变频技术的物质基础开关器件的发展是改变同步频率的关键技术 变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在变频器中，开关器件必须要满足一定的条件，这些条件是：（1）能承受足够大的电压和电流。（2）允许长时间频繁地接通和关断。（3）接通和关断的控制十分方便。电压必须在1000V以上，电流必须在700A以上IGBT的特点： 耐压1200V 开关频率高达30 40KHZ 驱动电路电流小，功耗很少24 七月 202218 变频器开关器件种类 晶闸管（SCR）（20世纪50年代美国通用电气公司 为变频器的发展提供了划时代的基础硬件） 门极可关断晶闸管（GT

9、O） （20世纪60年代） 电力晶体管（GTR） （20世纪70年代） 电力场效应晶体管（MOSFET） （20世纪70年代） 绝缘栅双极晶体管（IGBT） （20世纪80年代） 集成门极换流晶闸管（IGCT） （20世纪90年代） 智能功率模块（IPM）-组件）（20世纪90年代） 变频器起步于晶闸管，普及归功GTR，提高全靠IGBT24 七月 2022 名称代号控制方式最大电压电流及频率双极型晶体管BJTGTR电流控制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10KHz-50KHz门极关断晶闸管GTO电流控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1KHz-10KH

10、z绝缘栅双极晶体管IGBT电压控制Um：1800-3300VIm：800-1200AFm：20KHz-50KHz集成门换流晶体管IGCT电压控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1KHz-10KHz24 七月 2022变频技术的理论基础控制理论不断成熟早期通用变频器主要采用恒压频比（V/F） PWM控制方式，随着矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现使得电动机变频后的机械特性可以和直流电机相媲美。 U/f控制 矢量控制 直接转矩控制 绿色变频器2.调速系统的发展历程 （1） 定速拖动： 电机转速不可调 （2）直流调速 ：直流电机体积大、造价高、维护复杂、不节能；调速性能较好（

11、调速方便、调速连续性、机械特性硬度） （3）交流调速：电机体积小、价格低、性能好、维护方便、节能、控制精度高。 （4）U/f控制 矢量控制 直接转矩控制 绿色变频器24 七月 20221.变频器概念： 由计算机控制电力电子器件，将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备，用于驱动交流电动机进行连续平滑的变频调速。24 七月 2022调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速，系统简单，最多4段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低系统简单，性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高系统

12、复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美早晚发 展 时 间在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用3.交流电气传动系统的发展历程24 七月 20224.变频调速的优势 变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency）变频器的控制对象： 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极序号优 点1平滑软启动，降

13、低启动电流，减少变压器占有量，确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度3无级调速，调速精度大大提高；节能。4电机正反向无需通过接触器切换5非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）24 七月 20225.变频调速的发展历程电机控制算法功率器件V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSP IGBT大容量化更高速率和容量如：矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP

14、专用芯片00年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化 更大容量 更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用24 七月 20226. 变频器的发展趋势1、低电磁噪音、静音化 新型通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化外(载波频率越高,电磁噪音越小,漏电流噪声越大),还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，而在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。如三菱公

15、司的柔性PWM控制技术，实现了更低噪音运行。 2、专用化 新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、 交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。24 七月 20223、系统化 通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（TIA）平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等集成配置，甚至自动化和驱动系统、通讯和数据管

16、理系统都可以像驱动装置通常嵌入“全集成自动化”系统那样进行，目的是为用户提供最佳的系统功能。 4、网络化 新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通讯。如西门子、VACON、富士、日立、三菱、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。5、操作傻

17、瓜化 新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一种称为“易于使用”的成功概念，使得在连接技术、安装和调试方面的操作变得非常简单。24 七月 2022 7. 我国变频器的应用现状 （1）起步较晚； 20世纪80年代国外规模化应用 ，1982年我国初次应用，93年前后企业开始应用。 （2）目前，进入“黄金时期”； 98年开始用量快速上升，2002年开始应用广泛，现在仍然处于应用量上升的高峰期。 （3）变频调速的效果：节能、提高速度和精度、提高生产率和产品质量、延长设备使

18、用寿命、增加使用者的舒适度； （4）变频器的应用目前不足五分之一，原因是变频器应用人才的缺乏。 20世纪80年代初，大连电机厂引进日本东芝的变频技术。接着日本三垦公司、日本富士电机公司把变频器推进中国，使我国的电机调速打破了直流调速的垄断局面，开始了交流电机变频调速时代。 24 七月 2022中国市场变频器竞争情况竞争品牌红色：主要对手蓝色：需关注的对手欧美品牌西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB 丹佛斯、ROCKWELL、VACON、 AB、西威 日本品牌富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙 松下电器、松下电工、东芝、明电舍国产品牌汇川、英威腾、欧瑞（烟台惠丰）、森兰、安邦信、佳灵、康沃、科姆龙港台品牌台达、普传、台安、东元、美高韩国品牌LG 、现代、三星、收获24 七月 2022开课目的掌握基于电气传动的交直流调速系统的有关理论和技术应用。课程基础电路、电机与拖动、电