现代交流电机控制技术基础分解课件

1、现代交流电机控制技术基础 控制科学与工程系自动化研究所 沈 安 文 87541547（O） 第一章 概 论 A：运行、生产、工艺的需要 高质量的生活，需要高性能的电机调速； B：节能的需要。 1.1 交流电机调速技术的发展 1.需要对电机进行调速 2.需要对交流电动机进行调速A：长期以来，电机调速以直流电机为主20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。原因： 直流电动机易于控制，改变电机的输入电压或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。 交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不易控制 。而交流电动机（主要指笼式异步电动机和同步电动

2、机）主要用于不需要变速的电力传动系统中.原因是:（1）不论是异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速最为方便，而且可以获得优异的调速特性。而大容量的变频电源却在长时期内没有得到很好的解决；(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路定子绕阻，致使其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地控制电动机的转速。B：直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器 直流电动机致命的弱点：机械式换向器 它给直流传动的应用带来了限制：（1）换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限容许值，约束了单台电机的转速和功率上限，超过这一极限时就只能采取多电枢方案，这就增加

3、了电机制造的难度和成本以及调速控制系统的复杂性。有些特高转速和特大功率的场合则根本无法用直流电机方案来实现。（2）由于要照顾到换向器的可靠工作，电枢及换向器的直径一般都做的比较大，因此电机的转动惯量就大，这对于有快速响应要求的调速场合或是在安装场地上有尺寸要求的场合是很不利的。 （3）换向器必须定期停机检修，运行中也要经常注意观察换向器的火花情况。因此在一些恶劣条件下或人难以接近的工作场所，使用直流电机就很难保证长期运行的安全性。C：交流电机所具有的优越性。而交流电动机，特别是笼式异步电动机，拥有结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常维修等特点，使其得到了十分广泛的应用。 如果能控制好，它具

4、有直流电机无法比拟的优越性。采用交流调速、方便、节能 一套2050mm的热连轧板机，精轧部分采用交流传动，比直流传动节电1150万kWh/年，节水30，转动惯量减少77，响应时间缩短30，设备投资少，停机维修时间缩短75。风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调节方式改造成交流电机调速方式平均可节电20，设备改造费一般可在1年3年内回收。3交流电机调速技术的发展，使交流电机传动实用化成为现实。 传统的交流电机可分为异步电动机和同步电机两大类。A.早期的交流电机调速以以下3种为主 （1）线绕式异步电机的转子外串电阻 （2）笼型异步电动机的变极调速 （3）同步电机的变极调速 后两种极对数改变有限，调速

5、范围不大。 B：50年代，异步电动机定子串饱和电抗器调速方法有了一定发展。 C：串级调速的思想： 转子串电阻，浪费大量能量，很不经济，若用电源代替电阻，即在转子回路中串入一个与转子回路频率相同的交流附加电势E2来取代电阻。（1）当E2与转子电流同相，E2相当于一个负电阻，电能输入到电机，电机转速升高；（2）当E2与转子电流反相，E2相当于一个电阻，电能从电机流到电网，电机转速降低；（3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因数。D：变频调速是交流电动机最好的调速方法（1）20世纪20年代人们就认识到了，但当时直至本世纪50年代中期，一直几乎无法实现。（2）20世纪50年代中期，晶闸管研制成功，不

6、仅开创了电力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制技术发展的一个大飞跃。（3） 20世纪70年代发展起来的矢量控制理论带交流电机控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论上和直流电机相当。（4） 20世纪80年代的直接转矩控制方法，也对交流电机控制技术发展发展起来推动作用。 E：微电子技术发展极大促进了交流电机调速技术的发展和应用。 F：电力电子技术发展为交流电机调速发展和应用打下坚实的基础 模拟和数字电子技术、集成电路、大规模和超大规模集成电路、单板机、单片机、DSP、专用芯片等等第一代、第二代、第三代等等晶闸管集成化智能化双极性自关断器件MOS+IC+MOSFETIGBTGTOBJTIG

7、CTIPMPI-IPMDrive ICDirectFETiPowIRLDOSwitchingControllerCommunicationsComputerConsumerCarIndustrialPower ManagementPower ElectronicsTotal SolutionTotal SolutionFlipFETBBI （1）无刷直流电机，亦称无换向器电机，70年代在国外得到应用，它是未来电动汽车等的首选电机本质上是同步电动机 G：新型交流电机的出现丰富和推动了交流电机的应用（2）开关磁阻电动机，也是70年代兴起的，它在国外发展迅猛，大有和异步电动机、同步电动机三分天下之趋

8、势。4.我们的机遇与挑战中国正在成为世界电动机的生产基地，机遇与挑战？可持续发展战略下，电机系统节能的巨大市场： 美国： 电动机进步，节电246亿kWh/年 变频供电，节电 606亿kWh/年 中国： 500亿/年的市场，1000亿kWh/年变频调速对电动机发展的推动作用电力电子与运动控制： 传统产业通向信息社会的桥梁与纽带。1.2 变频调速的一般概念交流电机的转速公式为： 异步电机：n=60 f (1-s) / p 同步电机：n=60 f / p 交流电动机的调速方法实际上只有两大类：改变ns和改变s。 高效调速方法：变ns 低效调速方法：变S变频调速是交流电机最理想的调速方式变频调速的核心

9、是变频器变频器的分类 1) 交-交变频器（直接变频器） 用于大容量,低速调速系统, 不需减速齿轮箱. 如:轧钢机,球磨机,水泥回转窑等. 2) 交-直-交变频器（间接变频器）主要适用于：中小功率、转速较高、负载较平稳的场合，如：压缩机、挤压机、给水泵等。频率调节范围宽,功率因数高. 3）两种变频器的比较两种变频器之比较结构上交直交变频器可分为四个主要部分1、整流器不控整流相控整流器单相PFC PWM整流器三相PFC PWM整流器单相可逆PWM整流器三相可逆PWM整流器2、中间直流环节作用：储能，滤波 可分为电流源型和电压源型两大类电流源型：电压源型3、逆变器在逆变器中定义开关函数SU、SV、S

10、W为：T1通T4截止时SU =1，反之SU =0；T3通T6截止时 SV =1，反之SV =0；T2通T5截止时SW =1，反之SW =0。4、控制电路是变频器的核心。A. 输出电压调节方式:1)PAM方式：脉冲幅值调节方式（Pulse Amplitude Modulation-PAM）是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的2)PWM方式：变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器按PWM方式调节。B. 导通模式:1) 180导通模式:任意时刻有三个管子同时导通（每个桥臂上有一个管子），换流是在同一桥臂内上下两个管子之间进行的，不会过电压，但可能直通。2

11、) 120导通模式:同一桥臂中的两个管子之间存在30的导通间隔，因而避免了直通的短路事故发生。C. 变频器的控制方法:压频比恒定控制转差频率控制矢量控制直接转矩控制1.3 交流电机控制技术的发展趋势以省电为目的：改原来交流不调速为交流调速以减少维护为目的：改直流调速为交流调速原直流调速达不到的领域：大功率、高压、高速场合应用交流调速系统 1现代控制理论的成果在交流电机控制系统中应用 包括：解耦控制方法、非线性状态反馈、自适应控制方法、控制、智能控制等等。 因为：我们有了高速发展的微电子技术这个强有力的工具。 2高功率变换性能绿色交流电机控制系统 包括：负载侧的高传动性能和电网侧的高功率交换性能网侧: (1)高功率因数与能量可递 (2)低谐波 (3)EMC这是以电力电子技术发展为基础的。3信息技术起入传动领域 也就是网络电气传动系统。 RS232/RS485现场总线局域网广域网教学内容及考查方式计划学时数：32，其中包括实验学时数4。考查方式：开卷考试，并结合小论文第二章 坐标变换与异步电机等值电路第三章 VVVF变频器原理及PWM方法第四章 磁场定向矢量控制和直接转矩控制第五章 同步电机的数学模型第六章 同步电机的变频调速系统参考书目许大中. 交流电机调速理论. 杭州:浙江大学出