电力传动课件chapt7

1、电力传动与自动控制系统 汤宁平 （第七章）第七章 异步电动机变频调速系统本章重点介绍变频调速系统的组成及其工作原理和控制规律：异步电动机变频调速的一般基础，交-直-交电压型变频调速系统交-直-交电流型变频调速系统PWM交流调速系统异步电动机转速为4.3 三相异步电动机的调速在负载转矩不变时，异步电动机转速为可见，异步电动机的调速方法有3种： (1) 变极调速改变定子绕组的极对数 nP (2) 变频调速改变供电电源的频率 f1 (3) 变转差率调速改变电动机的转差率 s a）调压调速改变定子电压； b）转子串电阻调速绕线式电动机转子电路串电阻； c）串级调速绕线式电动机转子串电势； d）电磁离合

2、器调速滑差电动机调速。 变频调速1变频与调压配合(1)基频 (额定频率fN) 以下调速电动机正常运行时，定子阻抗压降很小， f1如果U1 不变 Fm 电动机磁路饱和，励磁电流急剧增加， U1 / f1 = const Fm = const表明：在基频以下变频调速时，要实现恒磁通调速，应使 电压和频率按比例调节 恒转矩特性(2)基频以上调速 在基频以上调速时，也按比例升高电压是很困难的。 只好保持电压不变 U1 = UN1 f1 Fm 恒功率特性2. 机械特性1）磁场同步转速(与频率成正比)2) 最大转矩 当频率较高时在变频调速时，临界转差率 sm与 f1 成反比变化。 按U1/f1 常数的规律

3、调速时，最大转矩Tmax 基本上保持不变。 只有当 f1 很低时，r1 的影响不能忽略，Tmax 才逐渐减小。从基频以上调速时，电压U1不变， Tmax将随fl的升高而减小。 3）启动转矩 当频率较高时 可见：基频以下按U1 / f1 常数的规律调速时，启动转矩Tst 与 fl 近似成反比但f1很低时，r1+ r2不能忽略，随着f1的继续降低，则Tst反而减小。从基频以上调速时，fl升高而Ul不变，Tst将随fl 的升高而减小。异步电动机变频调速的控制特性7.1 变频调速系统的一般基础一、变频器的工作原理 组成类型：类型：电压型电流型AC-AC （直接变频器）AC-DC-AC（间接变频器）电压

4、型 电流型 AC-DC-AC（间接变频器） 储能元件： 电容器 电抗器晶闸管交-直-交电压型变频器功率晶体管交-直-交电压型变频器逆变器工作方式： 180导电型 120导电型180导电型 180导电型 180导电型 180导电型工作特点： 电动机正转时，逆变器中晶闸管的导通顺序：VTlVT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VTl各触发信号间相隔60电角度；在任意瞬间有3只晶闸管同时导通；每只晶闸管的导通为180电角度；两只管子之间的换流是在同一桥臂内上下两只管子之间进行,即在VTl VT4、VT3VT6、VT5 VT2之间进行相互换流。 180导电型工作特点： 电压波形：相电压是幅值为2Ud

5、/3阶梯波线电压是幅值为Ud为矩形波。输出为三相交流，各相之间互差120；三相是对称的；周期为T，改变 T 即可改变频率的大小。 线电压的有效值：相电压的有效值：120导电型 120导电型 120导电型 120导电型工作特点： 电动机正转时，逆变器中晶闸管的导通顺序：VTlVT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VTl各触发信号间相隔60电角度；在任意瞬间有2只晶闸管同时导通；每只晶闸管的导通为120电角度；两只管子之间的换流是在同极的相邻桥臂两只管子间进行,如在VTl VT3、VT3VT5之间进行相互换流。同一桥臂上两个晶闸管导通之间相隔60电角度，不易造成短路 120导电型工作特点： 电压

6、波形：相电压是幅值为Ud/2的矩形波；线电压是幅值为Ud的梯形波。线电压有效值相电压有效值由于导通时间比180导电型短，所以有效值相应较低。二、变频器的变压方式为了保持恒转矩(恒磁通)变频调速原则，在变频的同时，必须按比例地改变电压，即变压变频(VVVF) 。在交-直-交变频调速系统中，变频是由逆变器来完成的，而变压则有下述 4 种方式：自耦变压器方式相位控制方式斩波器方式脉宽调制(PWM)方式 自耦变压器方式采用二极管三相桥整流电路，直流电压Ud为恒值，不可控；逆变器的控制电路,使逆变器输出电压大小不变，而频率可调的交流电压；再通过自耦变压器改变它的变比来改变交流电压的大小。自耦变压器变比的

7、改变至是通过驱动伺服电机自动完成。特点：系统简单，输入功率因数高，启动冲击电流小等；缺点是伺服电机是惯性环节使系统动态响应变差，自耦变压器按低频设计，体积大。整流器采用三相全控桥或半控桥整流电路；电压控制回路调节触发脉冲控制角a来改变整流电压Ud；逆变器采用三相全控桥电路。由逆变器控制回路进行控制，使逆变器改变输出频率。 相位控制方式优点：系统简单，电压和频率分别控制；缺点：低电压时输入功率因数降低。相位控制变压常用于晶闸管电压型或电流型变频器，以及脉冲幅值可调的脉宽调制型变频器。 斩波器方式整流器采用三相二极管整流桥，直流电压为恒定的。逆变器采用三相全控桥;，直流侧中间加入一个斩波器电路，其

8、输出为大小可调的直流电压。开关元件VT的工作方式：脉冲频率调制(PFM)控制方式:开关导通时间d 一定，改变开关的通、断频率或周期T来改变直流电压的平均值。 斩波器方式脉宽调制(PWM)控制方式:开关频率或周期 T 一定，改变开关导通时间 d 的长短进行调压特点: 输入功率因数高，动态响应快，常用于中小功率的交-直-交变频器中 脉宽调制(PWM)方式整流器不可控，直流电压恒定；逆变器可控逆变器既可改变电压又能改变频率。既可改善输出波形，削减高次谐波影响；又可提高输人功率因数，是交-直-交变频器的重要发展方向。脉宽调制(PWM)方式正弦波脉宽调制法(SPWM)7.2 交-直-交电压型变频调速系统

9、特点: 转速开环的变频调速系统，结构简单.应用：用于对调速性能要求不高的场合。 例如风机、水泵、轧钢机生产线上的辊道传动系统等。 整流器逆变器给定积分器函数发生器电压调节器触发器电压频率变换器环形分配器脉冲输出电压反馈脉冲发生器频率给定频率控制电压控制7.2 交-直-交电压型变频调速系统特点: 转速开环的变频调速系统，结构简单，应用：用于对调速性能要求不高的场合。 例如风机、水泵、轧钢机生产线上的辊道传动系统等。 整流器逆变器给定积分器函数发生器电压调节器触发器电压频率变换器环形分配器触发器电压反馈脉冲发生器频率给定电压控制7.2 交-直-交电压型变频调速系统特点: 转速开环的变频调速系统，结

10、构简单，应用：用于对调速性能要求不高的场合。 例如风机、水泵、轧钢机生产线上的辊道传动系统等。 整流器逆变器给定积分器函数发生器电压调节器触发器电压频率变换器环形分配器触发器电压反馈脉冲发生器频率给定频率控制电压控制7.2 交-直-交电压型变频调速系统特点: 转速开环的变频调速系统，结构简单，应用：用于对调速性能要求不高的场合。 例如风机、水泵、轧钢机生产线上的辊道传动系统等。 整流器逆变器给定积分器函数发生器电压调节器触发器电压频率变换器环形分配器触发器电压反馈脉冲发生器频率给定电压控制V/F转换器LM331 7.2 交-直-交电压型变频调速系统特点: 转速开环的变频调速系统，结构简单，应用

11、：用于对调速性能要求不高的场合。 例如风机、水泵、轧钢机生产线上的辊道传动系统等。 整流器逆变器给定积分器函数发生器电压调节器触发器电压频率变换器环形分配器触发器电压反馈脉冲发生器频率给定电压控制7.2 交-直-交电压型变频调速系统特点: 转速开环的变频调速系统，结构简单，应用：用于对调速性能要求不高的场合。 例如风机、水泵、轧钢机生产线上的辊道传动系统等。 整流器逆变器给定积分器函数发生器电压调节器触发器电压频率变换器环形分配器脉冲输出电压反馈方波发生器频率给定电压控制7.2 交-直-交电流型变频调速系统特点:一种转速开环的变频调速系统，控制电路简单，可较容易实现可逆运转，再生制动和能耗制动

12、；但转速开环，其静态和动态性能不是很高。应用：适合对转速要求不高的场台，例如离心式风机、泵类压缩机、挤压机等。 恒定的交-直-交电流型变频调速系统环形分配器触发器方波发生器逻辑开关电压频率变换器绝对值运算器频率瞬态校正电流反馈电压反馈转差频率控制的交-直-交电流型变频调速系统采用转速闭环的变频调速系统；通过对电动机电磁转矩的控制来实现对转速的控制；对Us/fs= C 控制方式的一种改进。有助于改善异步电动机变频调速系统的静、动态性能1. 基本控制原理转差频率电磁转矩：电磁功率： 当ws很小时则令dTe/dws，可求出可见，当Fm 一定时，则电磁转矩Te和转差角频率ws成正比。这与直流电动机的转

13、矩特性 Te= CmF Ia 相似即:对于异步电动机在wswsm 范围内，如果保持Fm一定，就可以通过控制ws来控制电磁转矩。 且Fm= 常数2. Fm恒定的实现方法异步电动机的磁通Fm是由励磁电流Io决定的， Io = C Fm= C根据异步电动机的磁势平衡方程式 可知，Io不是一个独立的变量，它可通过定子电流I1来间接地控制Fm ，由等效电路推导：可得： 根据这个曲线可以构成函数发生器。当该函数发生器的输入为转差频率给定信号ws时，在其输出端就可以得到保持气隙磁通。恒定所需要的定子电流给定值I1(1)在下列条件下： 1）在wsw*, Dw = w *-w 0，略有超调时，ASR退饱和，w*

14、s 最后使电动机稳定运行于c点， Te=Tl1(2) 负载变化调节系统的工作原理分析：设原来负载转矩为Te=Tl1,运行于 d点。Tl Te=Tl2 w Dw = （w *-w ） 速度调节器ASR 输出w *s Tew ,一方面: w*s函数发生器 I1* 保证恒磁通恒定。另一方面：w*0=（w +w*s） w1 w 最后使 w = w*, 电动机稳定运行于e点， Te=Tl2(3) 回馈制动系统的工作原理分析：a点 给定信号w*突然减小 Dw =（w *-w ） 0 速度调节器ASR 输出w *s w *s = -w*sm Te = -Temax w ,一方面: w*s函数发生器| I1*

15、 |保证恒磁通恒定。另一方面：w*0=（w +w*s） b 点w1 w 最后使 w = w*, 电动机稳定运行于c点， Te=Tl如果 w* = 0， 电动机减速，直至停车。(4)反转过程 反转过程是回馈制动加反向启动过程， 给定信号w* 07.4 PWM变频调速系统电力电子器件的飞速进步和单片机的开发应用促进了脉宽调制(pulse width modulation，简写为PWM)控制技术的发展。PWM技术是通过半导体器件的导通和关断，控制脉冲序列的调制周期和脉冲宽度来实现输出频率和电压的调节的一种技术。脉宽调制方式的不同，对PWM逆变器输出电压波形的质量和变频调速系统的性能的影响也不同。PW

16、M逆变器可以分为变幅和恒幅两种调制方式。目前，工业上广泛采用恒幅PWM逆变器，优点是主回路简单，逆变器可以直接地控制本身输出电压的大小频率，使其调节速度快，系统的动态性能好。一、脉宽调制方式1简单的多脉冲调制法2正弦波脉冲调制法（SPWM )3准正弦波脉冲调制法4单元调制PWM法5谐波消除法6电流跟踪控制PWM1简单的多脉冲调制法三相桥式逆变器主电路原理图1简单的多脉冲调制法各晶体管基极驱动信号采用峰值恒定的单极性三角波 uc (载波)与大小可变的直流电压 ur (参考波)进行比较在 uc 和 ur 的交点处发出调制信号；根据180导电型的特点，分配给VTlVT6基极驱动信号，得到逆变器三相输

17、出电压的调制波形。1简单的多脉冲调制法改变参考电压ur的大小，输出脉冲的宽度随之改变，从而可以改变输出基波电压的大小。实际控制时，可同时改变ur的大小和频率，满足变频调速系统恒磁通(uf = 常数)控制方式的要求。1简单的多脉冲调制法逆变器输出电压中，除基波以外，还含有谐波分量。分析表明：逆变器输出电压每个周波中的脉冲数较少时，谐波分量较大。特点：在半个周期内，各脉冲等幅、等宽，控制电路筒单，易于实时实现。2正弦波脉宽调制法(SPWM)在控制回路中，采用三角形载波信号uc 和正弦波的参考信号ur相比较;在uc和ur交点处发出调制信号，去驱动逆变器主回路的各晶体管的基极。2正弦波脉宽调制法(SP

18、WM)当改变参考信号ur的幅值，相电位脉冲的脉宽随之改变，从而改变了主回路基波相电压的大小。当改变参考信号ur 的频率时输出电压的频率随之改变。单极性 SPWM波2正弦波脉宽调制法(SPWM)同时改变参考电压ur 的幅值和频率，就可以实现变频调速系统u/f = 常数的要求。特点: 在半个周期内，脉冲间中心线等距，脉冲等幅、调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例。单极性 SPWM波三相 双极性 SPWM波2正弦波脉宽调制法(SPWM)2正弦波脉宽调制法(SPWM)异步调制 ： N常数。即：一般fc 不变，通过fr 改变。来改变主回路输出电压的频率当主回路输出电压频率不同时，输出电压在一个周期内的脉冲个数发生变化，且正负半周的脉冲数和相位发生不对称。载波比2正弦波脉宽调制法(SPWM)载波比同步调制：N=常数即：fc与fr同时改变。在逆变器输出电压一个周期中正负半周的脉冲数和相位对称；但低频时一个周期中脉冲数较少，谐波分量较大2正弦波脉宽调制法(SPWM)一般Ucm 不变，通过调节Urm 来改变脉冲宽度，从而改变主回路输出电压的大小。或者说调节M可以改变输出电压的大小。调制系数（调幅深度）2正弦波脉宽调制法(SPWM)采用同步调制时如图所示逆变器输出