交流传动控制系统

1、交流传动控制系统第1页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日交流异步电动机的调速方法交流电动机有同步电动机与异步电动机两大类。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变其同步转速；异步电动机的调速方法，从利用晶闸管控制技术来看有：控制加于电机定子绕组的电压调压调速；控制附加在转子回路的电势串级调速；控制定子的供电电压与频率变频调速；无换向器电机调速系统和电磁转差离合器调速系统等几种方法。由于交流调速技术不仅具有优良的调速性能，而且还带来节约能源、减少维护费用、节约占地面积等优点，是调速技术发展的方向。第2页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日12.1 电磁转差

2、离合器调速系统1电磁转差离合器的调速原理电磁转差离合器调速系统,就是在笼型转子异步机轴上装上一个电磁转差离合器，并由晶闸管控制装置控制离合器绕组的电流，改变这一电流，即可调速.转差离合器主要由主动部分1电枢和从动部分2磁极组成，在磁极上装有励磁绕组3. 第3页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日调速系统主要由晶闸管整流电源、电磁转差离合器和异步电动机三大部分组成。应用于无磨床饮料灌装机,油泵油嘴试验台等的控制中第4页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日2.电磁转差离合器的调速特性机械特性:激磁电流愈小，特性愈软。 左图所示的机械特性不能直接应用于速度要求比较

3、稳定的工作机械上。一般都要接入转速负反馈。机械特性如下图第5页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日例:JZT1简易式转差离合器调速系统第6页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日12.2 交流调压调速系统1.双向晶闸管交流调压电路将三个双向晶闸管分别接至三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电路。负载可以是Y形连接，也可以是形连接，Y形接法的电阻性负载如右图所示。三相交流调压电路，为保证输出电压对称并有相应的控制范围，要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差，要求采用控制角大于60的双脉冲或宽脉冲触发电路。第7页，共41页，2022年，5月20日，8点5

4、8分，星期日2.异步电动机的调压特性对于鼠笼型异步电动机，可以将电动机转子的鼠笼条由铸铝材料改为电阻率较大的黄铜条，使之具有如图(b)所示的机械特性。即使这样，调速范围仍不大，且低速时运行稳定性不好，不能满足生产机械的要求。为了既能保证低速时的机械特性硬度，又能保证一定的负载能力，一般在调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统.第8页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日12.3 线绕式异步电动机调速系统-串级调速1串级调速的一般原理异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入附加电势Ead，以调节异步电动机的转速。引入电势的方向，可与转子电动势E2方向相同或相反，其频

5、率则与转子频率相同。第9页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日2. 串级调速时的机械特性的特征右图给出了串级调速时异步电动机转速低于同步转速的一组机械特性曲线。由特性可知，若引入的附加电势愈大，则n0愈小，即电动机的转速愈低。在串调系统中,同步转速是恒定的,但它的理想空载转速能连续平滑地调节,其值为:第10页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日3.线绕式异步电动机串级调速原理方框图第11页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日线绕式异步电动机串级调速原理方框图分析上图中，线绕式异步电动机M的转子电压经不可控整流电路转换为直流电压，经平波电抗器

6、、再由晶闸管有源逆变电路将该直流电压逆变为交流，有的经变压器，有的直接反馈给交流电网。经逆变后的电压可视为加到电动机转子的电势Ead。改变逆变器中晶闸管的逆变角,就可以改变附加电势Ead的大小，从而实现了异步电动机的串级调速。 串级调速技术应用较广,如湖北葛洲坝-上海奉贤的正负500kV高压直流输电.也适用于通风机负载，其缺点是功率因数较差。第12页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日12.4 变频调速系统1变频调速的原理由可知:改变定子电源频率可以改变同步转速和电动机的转速。又由异步电动机的电势公式可知,外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比,若外加电压不变，频率降低，磁通增

7、加,将造成电动机的磁路过饱和，因此,要求频率,电压同时变化,即保持U/f=定值.第13页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日变频调速国家“电动机调速技术产业化途径与对策的研究”报告:中国发电量的66%消耗在电动机上,全国电动机总装机容量超过4亿千瓦,有70%拖动的是风机,泵,压缩机,这其中一半即7500万千瓦适合调速.从目前变频器使用情况看,平均节电30%.2005年国家“节能中长期专项规划”的十大重点节能工程中,第5项就是电机系统节能工程,“十一.五”期间,将形成200亿千瓦时的节电能力.第14页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日2变频调速系统的分类 1

8、) 交-直-交变频调速 (1) 从换流电路型式分类:串级电感式;串级二极管式;带辅助晶闸管(180通电型);带辅助晶闸管(120通电型).(2) 从直流电源分类:型式电压型;电流型.(3) 从调压方式分类:相位控制晶闸管整流;晶闸管直流开关;脉冲宽度调制型.2) 交-交变频调速(1) 从相数分类:单相-单相;三相-三相.(2) 从连接方式分类:反并联整流电路;交叉连接整流电路.(3) 从有无环流分类:有环流;无环流.第15页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日3交-直-交变频调速系统 1)电压型变频器 (1) 电压型变频调速系统原理框图 第16页，共41页，2022年，5月2

9、0日，8点58分，星期日(2) 典型电压型变频器 典型电压型变频器主电路:逆变器与整流器的中间环节采用电容滤波，类似于电压源。二极管的作用是将电动机的无功功率反馈给滤波电容，以提高逆变器换流工作的稳定性。第17页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日电压型变频器主电路工作原理以A相为例来说明逆变器的换流原理，其中，VS1和VS2为主晶闸管，VS1和VS2为辅助换流晶闸管，作为LC振荡电路的充放电开关。换流时，主晶闸管的关断是靠触发辅助换流晶闸管来实现的，而辅助晶闸管本身的关断则是由LC串联谐振电路中的电流反向来实现的。 第18页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星

10、期日 2)电流型变频器电流型变频器 电流型变频调速系统的特点是中间环节采用电抗器滤波，类似于电流源。电流型变频器的发展稍晚于电压型变频器。由于电流型变频器的许多优点，从而在交-直-交脉冲强迫换流(或称强迫换相)的变频器中，受到越来越多的重视。第19页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日(1)系统方框图第20页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日(2)串联二极管式电流型变频器主电路分析由晶闸管整流器、直流滤波电抗器及逆变器三部分组成，由于中间环节采用电抗器滤波，从而使输出电流比较平直，为矩形波。在强迫换流电路中，C为换向电容，它的作用是给欲关断的晶闸管施以反向

11、电压，以使其强迫关断。V为隔离二极管，是为了防止充电电压经负载放掉，使换流电路与负载之间隔离。由于隔离二极管与主晶闸管相串联，因此，称为二极管式换流电路。第21页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日4.脉宽调制型变频调速系统 1)工作原理脉冲宽度调制型(又称PWM型)变频器也是一种交-直-交变频器。常采用电压型逆变器，其基本原理是控制逆变器开关元件的导通和关断时间比(即保持脉冲幅值不变调节脉冲宽度)来控制交流电压的大小和频率。恒幅脉宽调制型变频器如图所示.调速系统由二极管整流桥和逆变器组成。通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和输出电压的频率，实现调频调压. 第22页，共41页，

12、2022年，5月20日，8点58分，星期日2)准正弦波脉宽调制变频调速控制系统(1)控制系统图 (2)各点波形(m调制系数 N半周内的脉冲数)第23页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日3)速度闭环SPWM型变频调速系统PWM型变频器的电路有多种，将一般PWM系统或准正弦波脉宽调制型变频调速系统称为SPWM系统.SPWM系统大都采用开环控制，但在机械加工领域中，有时调速精度要求较高，这就需要实行速度闭环调节。在V/F变换器前，增加速度给定环节和速度负反馈元件即可。下图所示为其简单框图。 第24页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日5交-交变频调速优点:无换流

13、环节,提高了效率;电动机谐波损耗以及转矩脉动小.缺点:主电路元件多;最高频率受电网频率的限制.应用:球磨机,电力机车,矿井提升机的传动.交-交变频是直接将固定频率的交流电能变成所需频率的电能，而不经过中间直流环节，故也称为直接变频。直接变频器能将单相交流电变换为两相或三相交流电;能将高频电源变换为低频电源.第25页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日1)单相-单相直接变频电路(a)共阴极接法主电路输出电压波形(b)共阳极接法主电路输出电压波形(c)反并联接法主电路输出电压波形第26页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日2)三相方波型交-交变频器分析(1)主电

14、路分析 三相方波型交-交变频器主电路的每一相由两组反并联的三相零式整流电路组成，1,3,5为正组，4,6,2为反组。各组导通时间为T/3(T为输出电压的周期)，每组依次相隔T6导通，同一时刻有一个正组和一个反组导通。(2)控制电路分析给定信号经电压频率变换转换为脉冲信号，然后经环形分配器分频，依次形成相差T6、持续时间为T3的选组脉冲,同时，给定信号被变换成与之相应的移相脉冲，决定每组晶闸管导通的次序及控制角的大小。移相脉冲与选组脉冲经逻辑电路确定了每个晶闸管导通时刻,低速时为了补偿定子的压降，引入了函数发生器以适当提高电压。第27页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日12.

15、5 异步电动机矢量变换控制1矢量变换控制的基本原理矢量变换控制的基本思路，是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系。产生旋转磁场不一定非要三相不可，二相、四相等任意的多相对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁场。 将异步电动机模拟成直流电动机相似进行控制，就是将A、B、C三相异步电动机矢量变换到按转子磁通方向为磁场定向并以同步速度旋转的M-T直角坐标系上，即进行矢量的坐标变换。可以像控制直流电动机一样去控制异步电动机，以获得优越的调速性能。第28页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日2坐标变换与矢量

16、变换任何在空间按正弦形式分布的物理量都可以用空间向量表示。经过数学推导,可以得到三相二相变换方程式。同样经过数学变换，亦可得到二相三相反变换式。经过矢量旋转变换，可以将二相、绕组和直流M、T绕组之间进行变换，这是一种静止的直角坐标系统与旋转的直角坐标系统之间的变换。实际的异步电动机矢量变换控制系统结构形式很多，并且在不断地发展。将交流电动机模拟成直流电动机加以控制，其控制系统也可以完全模拟直流电动机的双闭环调速系统，所不同的是其控制信号要从直流量变换到交流量，而反馈信号则必须从交流量变换成直流量。第29页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日12.6 无换向器电动机及其调速系统

17、无换向器电动机或称无整流子电动机，是由一台同步电动机和一套简单的逆变器组成.1.无换向器电动机的原理和构造 (1)结构:右图为直流电动机的磁极和电枢的结构;第30页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日无换向器电动机三相定子绕组示意图第31页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日(2)无换向器电动机的工作原理从直流电动机电枢绕组和定子磁场之间的相互作用看，它们实际上是一台同步电动机。这个同步电动机和直流电源之间是通过换向器和电刷把它们联系起来的.在直流电动机中，电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以，电刷的位

18、置决定着电动机中电流换向的地点。也就是说，直流电动机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。无换向器电动机也是一台同步电动机。只是普通直流电动机中用的是一个机械接触的逆变器换向器，而无换向器电动机中是用晶闸管(或晶体管)组成的逆变器来代替。所以，习惯上往往把这个半导体逆变器称为晶闸管换向器，尽管两者构造不同，但它们起的作用却是完全相同的。 第32页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日2无换向器电动机的机械特性 当励磁磁通和换流超前角0保持不变时，无换向器电动机的机械特性公式为一直线方程式。调节直流电压，即改变控制角值，可以得到一组互相平行的机械特性曲线，其特性曲线与直流电动机的

19、机械特性十分相似。一般，无换向器电动机的机械特性都比较硬，且有较宽的调速范围，在开环控制时可以达到D=1020的调速范围。主电路及波形图第33页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日3 无换向器电动机的调速系统下图所示为典型的无换向器(交-直-交系统)调速系统的框图。假如电动机原来作正向电动机运行，在某一时刻触发信号使A、Y导通。电动机中的电流从a相端点流入，b相端点流出。如果改变电动机电流方向，使它进入制动状态，则只要把触发信号改为输送到X、B即可，这时电流将由b相的端点流入，而自a相的端点流出。随着电流方向的变反，电动机的转矩也将改变方向，使电动机进入制动状态。第34页，共

20、41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日典型无换向器调速系统框图 第35页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日无换向器电动机本身的控制系统无换向器电动机本身的控制系统，主要包括一个位置检测器PS和一个脉冲分配器.脉冲分配器受调速系统逻辑单元的控制。根据四象象限运行的需要，把相应的脉冲分配输送到各个晶闸管的触发放大器，经放大后去触发电动机侧逆变器的晶闸管。位置检测器除提供各晶闸管的触发信号以外，每当导电的晶闸管需要切换时，它还产生一个逆变桥晶闸管换流时刻检出的信号，作为断流指令加到断流控制系统，以引起电动机断流，从而解决电动机在起动和低速运行时晶闸管的换流问题。 第36页，共41页，2022年，5月20日，8点58分，星期日4.无换向器电动机调速系统与直流电动机调速系的 比较1)结构直流电动机:本身是一台同步电动机,有机械接触的逆变器换向器;无换向器电动机:本身是一台同步电动机,逆变器由晶闸管或晶体管等电子器件组成.2)转速表达式直流电动机 3)调速系统直流电动机:采用两组整流桥反并联形式,双闭环,改变控制角调速;无换向器电动机:只需一组整流桥,双闭环,改