机电传动与运动控制 教学课件 作者 范国伟 第11章 交流调速系统

第11章交流调速系统范国伟安徽工业大学第11章交流调速系统范国伟1交流调速系统20世纪70年代初，随着电力电子、微电子(集成电路)和微机技术的飞速发展，采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现。特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，变频调速技术得到了快速发展。高性能交流调速系统因运而生。交流调速系统20世纪70年代初，随着电力电子、微电子(集成电211.1异步电机闭环控制变压调速系统由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率PM可分为两部分：一部分是电动机轴上输出的机械功率P＝（1－S）PM：另一部分是转差功率Ps＝SPM，与转差率S成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈电网，都能衡量异步电动机调速系统的效率高低。11.1异步电机闭环控制变压调速系统由异步电动机工作原理可311.2笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)异步电机的变压变频调速系统(VVVF系统)是一种转差功率不变型调速系统，简称为变频调速系统。变频调速的特点是：改变频率时，转差率不随转速变化，因此转差功率在不同转速下不发生改变；转差损耗小；调速范围宽；调速精度高。变频调速适用于调速性能要求较高的场合，在采取适当的控制方法时可以实现高动态性能，其性能能与直流调速系统相媲美。因此，现在应用面很广，是交流调速的重点。11.2笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)异步4交-交变频器的主要特点是：①其原理主要基于可逆整流，可直接运用已经成熟的直流可逆调速技术。②输出电流近似于三相正弦电流，电动机转矩脉动量较小；而对于输出电压，由于输出电压的波形由三相恒压恒频电源波形的区段组成，为了使波形畸变较小，对输出频率有一定的限制，一般不能高于电网频率的1／2至1／3。③输入功率因数较低、谐波电流含量大、频谱复杂，因此一般必须配置滤波和无功补偿设备。交-交变频器的主要特点是：①其原理主要基于可逆整流，可直511.3变压变频调速系统本节将先介绍两类基于静态模型的变压变频调速系统，即转速开环-恒压频比控制调和转速闭环-转差频率控制的方案，再简单介绍基于动态模型的变压变频调速系统。通过等效电路分析了异步电机的静态模型，为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统、如果要求更高一些的调速范围和启、制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。11.3变压变频调速系统本节将先介绍两类基于静态模型的变压611.4转速开环恒压频比控制的变频调速系统采用电压频率协调控制时，异步电动机在不同频率下都能获得较硬的机械特性，如果生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。由于这种控制系统结构简单，成本较低，风机、水泵等的节能调速经常采用这种方式。11.4转速开环恒压频比控制的变频调速系统采用电压频率协调711.5转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速开环变频调速系统可以满足一般平滑调速的要求，但静、动态性能都有限。要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制，因为转速闭环系统的静特性比开环系统强，但是，怎样才能真正提高系统的动态性能呢?由电力传动的基本控制规律。11.5转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速开环变频调811.6基于动态模型变压变频调速系统前节论述的基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。11.6基于动态模型变压变频调速系统前节论述的基于稳态数学91.直流电机数学模型的性质直流电机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外），因此它的动态数学模型只是一个单输入和单输出系统。在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量（单输入单输出）的三阶线性系统，完全可以应用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析与设计。1.直流电机数学模型的性质直流电机的磁通由励磁绕组产生，可102.交流电机数学模型的性质（1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。（2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。（3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。2.交流电机数学模型的性质（1）异步电机变压变频调速时需要11多变量系统总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。多变量系统总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性123、坐标变换和变换矩阵虽已推导出异步电机的动态数学模型，但是，要分析和求解这组非线性方程显然是十分困难的。在实际应用中必须设法予以简化，简化的基本方法是坐标变换。3、坐标变换和变换矩阵虽已推导出异步电机的动态数学模型，但是13第11章交流调速系统范国伟安徽工业大学第11章交流调速系统范国伟14交流调速系统20世纪70年代初，随着电力电子、微电子(集成电路)和微机技术的飞速发展，采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现。特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，变频调速技术得到了快速发展。高性能交流调速系统因运而生。交流调速系统20世纪70年代初，随着电力电子、微电子(集成电1511.1异步电机闭环控制变压调速系统由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率PM可分为两部分：一部分是电动机轴上输出的机械功率P＝（1－S）PM：另一部分是转差功率Ps＝SPM，与转差率S成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈电网，都能衡量异步电动机调速系统的效率高低。11.1异步电机闭环控制变压调速系统由异步电动机工作原理可1611.2笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)异步电机的变压变频调速系统(VVVF系统)是一种转差功率不变型调速系统，简称为变频调速系统。变频调速的特点是：改变频率时，转差率不随转速变化，因此转差功率在不同转速下不发生改变；转差损耗小；调速范围宽；调速精度高。变频调速适用于调速性能要求较高的场合，在采取适当的控制方法时可以实现高动态性能，其性能能与直流调速系统相媲美。因此，现在应用面很广，是交流调速的重点。11.2笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)异步17交-交变频器的主要特点是：①其原理主要基于可逆整流，可直接运用已经成熟的直流可逆调速技术。②输出电流近似于三相正弦电流，电动机转矩脉动量较小；而对于输出电压，由于输出电压的波形由三相恒压恒频电源波形的区段组成，为了使波形畸变较小，对输出频率有一定的限制，一般不能高于电网频率的1／2至1／3。③输入功率因数较低、谐波电流含量大、频谱复杂，因此一般必须配置滤波和无功补偿设备。交-交变频器的主要特点是：①其原理主要基于可逆整流，可直1811.3变压变频调速系统本节将先介绍两类基于静态模型的变压变频调速系统，即转速开环-恒压频比控制调和转速闭环-转差频率控制的方案，再简单介绍基于动态模型的变压变频调速系统。通过等效电路分析了异步电机的静态模型，为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统、如果要求更高一些的调速范围和启、制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。11.3变压变频调速系统本节将先介绍两类基于静态模型的变压1911.4转速开环恒压频比控制的变频调速系统采用电压频率协调控制时，异步电动机在不同频率下都能获得较硬的机械特性，如果生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。由于这种控制系统结构简单，成本较低，风机、水泵等的节能调速经常采用这种方式。11.4转速开环恒压频比控制的变频调速系统采用电压频率协调2011.5转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速开环变频调速系统可以满足一般平滑调速的要求，但静、动态性能都有限。要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制，因为转速闭环系统的静特性比开环系统强，但是，怎样才能真正提高系统的动态性能呢?由电力传动的基本控制规律。11.5转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速开环变频调2111.6基于动态模型变压变频调速系统前节论述的基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。11.6基于动态模型变压变频调速系统前节论述的基于稳态数学221.直流电机数学模型的性质直流电机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外），因此它的动态数学模型只是一个单输入和单输出系统。在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量（单输入单输出）的三阶线性系统，完全可以应用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析与设计。1.直流电机数学模型的性质直流电机的磁通由励磁绕组产生，可232.交流电机数学模型的性质（1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。（2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。（3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。2.交流电机数学模型的性质（1）异步电机变压变频调速时需要24多变量系统总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互