《自动控制系统》第二篇

2023/2/41电力拖动自动控制系统

——运动控制系统多媒体课件

第2篇交流拖动控制系统第2篇交流拖动控制系统2023/2/43内容提要概述交流调速系统的主要类型闭环控制的异步电动机变压调速系统——转差功率消耗型闭环控制的异步电动机变压变频调速系统——转差功率不变型绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统第2篇交流拖动控制系统2023/2/44概述

直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生.在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世,并已获得实际应用,但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。第2篇交流拖动控制系统2023/2/45

直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得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，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。第2篇交流拖动控制系统2023/2/46

这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。第2篇交流拖动控制系统2023/2/47异步交流电机工作原理2023/2/48同步交流电机工作原理2023/2/49交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速第2篇交流拖动控制系统2023/2/410

一般性能的节能调速

在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中,风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上,其中有不少场合并不是不需要调速,只是因为过去的交流拖动本身不能调速,不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量,因而把许多电能白白地浪费了.如果换成交流调速系统,把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来,每台风机、水泵平均都可以节约20~30%以上的电能。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高,只需要一般的调速性能。第2篇交流拖动控制系统2023/2/411

高性能的交流调速系统和伺服系统

许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。第2篇交流拖动控制系统2023/2/412

20世纪70年代初发明了矢量控制技术,或称磁场定向控制技术,通过坐标变换,把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量,用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后,又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法,形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统第2篇交流拖动控制系统2023/2/4133.特大容量、极高转速的交流调速

直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动,如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。第2篇交流拖动控制系统2023/2/414交流调速系统的主要类型

交流电机主要分为异步电机(即感应电机)和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。第2篇交流拖动控制系统2023/2/4151.按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：①降电压调速；②转差离合器调速；③转子串电阻调速；④绕线电机串级调速或双馈电机调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等等。第2篇交流拖动控制系统2023/2/416~2.按电动机的能量转换类型分类

按照交流异步电机的原理,从定子传入转子的电磁功率可分成两部分:一部分是拖动负载的有效功率,称作机械功率;另一部分是传输给转子电路的转差功率,与转差率s成正比PmechPmPs第2篇交流拖动控制系统2023/2/417即:Pm=Pmech+PsPs=sPm

Pmech=(1–s)Pm

从能量转换的角度上看,转差功率是否增大,是消耗掉还是得到回收,是评价调速系统效率高低的标志.从这点出发,可以把异步电机的调速系统分成三类.第2篇交流拖动控制系统2023/2/418转差功率消耗型调速系统

这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的(恒转矩负载时)。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。第2篇交流拖动控制系统2023/2/419

转差功率馈送型调速系统

在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第④种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。第2篇交流拖动控制系统2023/2/420转差功率不变型调速系统

在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。第2篇交流拖动控制系统2023/2/4213.同步电机的调速

同步电机没有转差,也就没有转差功率,所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型(恒等于0)的，而同步电机转子极对数又是固定的,因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。第2篇交流拖动控制系统2023/2/422双向晶闸管串接在三相电路中变压M3~~TVC利用晶闸管交流调压器变压调速

TVC——双向晶闸管交流调压器5.2异步电动机变压调速电路2023/2/423

双向晶闸管交流调压器的变压控制方式相位控制通断控制5.2异步电动机变压调速电路2023/2/424采用晶闸管反并联供电方式,实现异步电动机可逆和制动.

三对晶闸管反并联变压5.2异步电动机变压调速电路工作原理继续2023/2/425直接起动一次起动软起动5.6变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用2023/2/426Us*

当负载转矩一定时，轻载降压节能有一个最佳电压值,此时效率最高,这样,=f(Us)的曲线可由试验取得.max最佳电压5.6变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用2023/2/427异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。第6章笼型异步电动机变压变频调速系统——转差功率不变型调速系统第6章笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)2023/2/428本章提要6.1

变压变频调速的基本控制方式6.2

异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性6.3*电力电子变压变频器的主要类型第6章笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)2023/2/4296.1变压变频调速的基本控制方式

在进行电机调速时,常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变.如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费；如果过分增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。6.1变压变频调速的基本控制方式2023/2/430对于直流电机,励磁系统是独立的,控制m保持不变很容易做到.在交流异步电机中,磁通m由定子和转子磁势合成产生,要保持磁通恒定就需要费一些周折.f1—定子频率Ns—定子每相绕组串联匝数KNs—基波绕组系数Φm—每极气隙磁通量定子每相电动势有效值：6.1变压变频调速的基本控制方式2023/2/431

只要控制好定子每相电动势的有效值Eg和定子频率f1,便可达到控制磁通m的目的,对此,需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况.6.1变压变频调速的基本控制方式2023/2/432

要保持m不变,当频率f1从额定值f1N向下调节时,必须同时降低Eg,使:即采用电动势频率比为恒值的控制方式

1.基频以下调速

然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压Us≈Eg,则得恒压频比的控制方式6.1变压变频调速的基本控制方式2023/2/433OUsf1f1N

但是,在低频时Us和Eg都较小,定子阻抗压降所占的份量就比较显著,不再能忽略.这时,需要人为地把电压Us抬高一些,以便近似地补偿定子压降.UsNa—无补偿

b—带定子压降补偿

带压降补偿的恒压频比控制特性6.1变压变频调速的基本控制方式2023/2/4342.基频以上调速

频率从f1N向上升高,但定子电压Us不可能超过额定电压UsN,最多只能保持Us=UsN,这将迫使磁通与频率成反比地降低,相当于直流电机弱磁升速的情况.

如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值,即都能在允许温升下长期运行,则转矩基本上随磁通变化.6.1变压变频调速的基本控制方式2023/2/435ΦmUsf1Of1N恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速

按照电力拖动原理,在基频以下,磁通恒定时转矩恒定,属于恒转矩调速,而在基频以上,转速升高时转矩降低,基本上属于恒功率调速.6.1变压变频调速的基本控制方式2023/2/4366.3电力电子变压变频器的主要类型

如前所述,对于异步电机的变压变频调速,必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源,而电网提供的是恒压恒频的电源,因此应该配置变压变频器,又称VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)装置.

最早的VVVF装置是旋转变频机组,即由直流电动机拖动交流同步发电机,调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率.自从电力电子器件广泛应用以后,旋转变频机组→静止式的变压变频器.6.3电力电子变压变频器的主要类型2023/2/437本节提要6.3.1交-直-交和交-交变压变频器6.3.2电压源型和电流源型逆变器6.3.3180º导通型和120º导通型逆变器6.3电力电子变压变频器的主要类型2023/2/4386.3.1交-直-交和交-交变压变频器

从整体结构上看,电力电子变压变频器可分为交—直—交和交—交两大类.交—直—交变压变频器交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流,再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流,如下图所示:变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)DC整流AC50Hz~逆变AC6.3.1交-直-交和交-交变压变频器2023/2/439

这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”,所以又称间接式的变压变频器.

具体的整流和逆变电路种类很多,当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件(例如P-MOSFET,IGBT等)组成的脉宽调制(PWM)逆变器,简称PWM变压变频器,如下图所示.AC50Hz~PWM逆变器AC调压调频DC二极管不控整流器C6.3.1交-直-交和交-交变压变频器2023/2/440

PWM变压变频器的优点在主电路整流和逆变两个单元中,只有逆变单元可控,通过它同时调节电压和频率,结构简单.采用全控型的功率开关器件,只通过驱动电压脉冲进行控制,电路简单,效率高.输出电压波形虽是一系列的PWM波,但由于采用了恰当的PWM控制技术,正弦基波的比重较大,影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制,因而转矩脉动小,提高了系统的调速范围和稳态性能.6.3.1交-直-交和交-交变压变频器2023/2/441逆变器同时可调压和调频,动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响,系统的动态性能得以提高.采用不可控的二极管整流器,电源侧功率因素较高,且不受逆变输出电压大小的影响.常用的功率开关器件:P-MOSFET(小),IGBT(中小),GTO(大中)和替代GTO的电压控制器件IGCT和IEGT等.6.3.1交-直-交和交-交变压变频器2023/2/442特大容量电机的交-直-交变压变频器的结构DCSCR可控整流器AC50Hz~六拍逆变器AC调频调压

受到开关器件额定电压和电流的限制,对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管(SCR),并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器.6.3.1交-直-交和交-交变压变频器2023/2/443交-交变压变频器

交-交变压变频器的基本结构如下图所示,它只有一个变换环节,把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成变压变频的交流电源(VVVF)输出,因此又称直接式变压变频器.有时为了突出其变频功能,也称作周波变换器(Cycloconverter).交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF6.3.1交-直-交和交-交变压变频器2023/2/444

常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路.

也就是说,每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。VRVFId-Id+--+负载50Hz~50Hz~u0交-交变压变频器每一相的可逆线路6.3.1交-直-交和交