第10章 交流传动控制系统

华中科技大学机械科学与工程学院机电传动控制主讲教师机电传动控制第十章交流传动控制系统CONTENTS10.1交流调速系统概述10.2V/f变频调速和矢量控制原理10.3变频器结构原理10.1

交流调速系统概述10.1交流调速系统概述直流调速回顾：静态：平滑调节电机人为机械特性动态：直接控制电机转矩（电动机电磁转矩与定子磁通、电枢电流成正比）

10.1交流调速系统概述交流调速方法：静态：平滑调节电机人为机械特性（调转差，调频率）动态：直接控制电机转矩（矢量控制和直接转矩控制）

异步电动机无级调速装置：串级调速、变频调速

10.1交流调速系统概述线绕式异步电动机的串级调速方法转子电路串接电阻——电阻上消耗大量的能量，特性变软，速度越低，电阻越大，损耗越大转子电路串接电势——把本应消耗在电阻上的能量加以利用，从而获得比较经济的运行效果。为了利用这部分能量，在转子电路中增加了一套电力电子装置。这样，就构成了由异步电动机和电力电子装置共同组成的串级调速系统M3~10.1交流调速系统概述线绕式异步电动机的串级调速系统电动机的转子绕组端接进一个不可控的整流器，为实现调速而串入的附加电势Ead就可以采用可调直流电源。当Ead=0时，电动机在接近于额定转速下运转，若改变Ead的大小就可以改变电动机转速。可调直流电源通常用晶闸管电路实现。在20世纪80年代以前，串级调速应用较多，目前基本上已经被变频调速系统取代10.1交流调速系统概述变频调速系统（基频以下调节）通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的具有高效率、宽范围和高精度的性能，是使用最多的调速方法10.1交流调速系统概述晶闸管交-交变频调速系统用较高频率的交流电压波形的若干适当部分拼接成较低频率的电压波形10.1交流调速系统概述主流IGBT变频器结构：交直交变频器（主流变频器）电压型变频器电流型变频器异步电动机属于感性负载，负载需要向电源吸取无功能量，在间接变频器的直流环节和负载之间有无功功率的传输由于逆变器中的电力电子开关器件无法储能，为缓冲无功能量，在直流环节和负载之间必须设置储能元件10.2

V/f变频调速和矢量控制原理10.2V/f变频调速和矢量控制原理V/f开环调速原理改变定子频率，可改变定子旋转磁场转速，从而调节三相异步电机转速由异步电动机电势公式可知，若外加定子电压不变，磁通随频率变化而变化在基频以下变频调速时，要实现恒磁通调速，应使电压V和频率f按比例地配合调节，这相当于直流电动机的调压调速，也称恒压频比控制V/f控制称为变压变频（VariableVoltageandVariableFrequency，VVVF）控制V/f开环调速适用于动态响应要求不高的交流调速系统定子感应电动势10.2V/f变频调速和矢量控制原理在基频以上时，保持电压不变，不超过电动机绝缘要求的额定电压。这时频率越高，磁通越弱，这相当于直流电动机的弱磁调速，也称恒压弱磁升速控制

10.2V/f变频调速和矢量控制原理变频器的V/f开环控制曲线设定在额定转速以下，输出频率和电压成正比（磁通恒定），在额定频率以上，输出电压保持恒定（弱磁控制）启动和极低速运行时，此时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，需要对电压提供提升补偿10.2V/f变频调速和矢量控制原理斜坡函数V/f曲线定子频率设定PWM发生器逆变桥异步电机加减速设定转速指令nf*fVV/f开环控制框图10.2V/f变频调速和矢量控制原理矢量变频控制要实现高性能交流调速，需要对电机转矩进行实时控制异步交流电机模型：高阶、非线性、强耦合多变量系统矢量控制（VectorControl，VC）：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直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）：技术路线与VC不同，利用电动机模型进行转矩控制10.2V/f变频调速和矢量控制原理矢量变频控制基本思想也称为磁场定向控制（FieldOrientedControl，FOC）主要思想在1970年前后提出：K.Hasse的博士论文，西门子工程师F.Blaschke的论文如果观察者与交流电机磁场同步旋转，他看到的是一台直流电动机关键：找到坐标系变换方法10.2V/f变频调速和矢量控制原理三相异步电动机的物理模型直流电动机模型在不同坐标下所产生的磁动势完全一致10.2V/f变频调速和矢量控制原理矢量变频控制的坐标变换旋转磁动势不一定非要三相，任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势10.2V/f变频调速和矢量控制原理矢量变频控制的坐标变换10.2V/f变频调速和矢量控制原理矢量变频控制的坐标变换先把三相定子电流等效变换为交流两相绕组的电流iα、iβ，再把两相交流电流iα、iβ等效变换成两相旋转轴系d、q的直流电流id、iq，分别用于调整电机励磁和转矩

d轴控制电动机的励磁q轴控制电动机的转矩Θ转子磁通角度10.2V/f变频调速和矢量控制原理矢量变频控制的坐标变换10.2V/f变频调速和矢量控制原理基于矢量控制的异步电机调速控制框图与直流电机双闭环调速系统类似，有：

速度PI调节器转矩电流PI调节器励磁电流PI调节器磁场定向是关键技术10.3

变频器结构原理和接口变频器接口10.3变频器结构原理10.3变频器结构原理变频器主电路组成进线端子整流桥储能电容预充电回路制动晶体管制动电阻及其保护逆变桥电流互感器出线端子10.3变频器结构原理变频器进线电源变频器的进线电源可以是三相380-500V，或三相200－240V，也可以是单相200－240V；也可以是690V电源电压在690V以下称为低压变频器，1000V以上称为中压或高压变频器进线电源的相序不影响电机的转向10.3变频器结构原理变频器整流电路大多数一体式变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1.35倍，例如电网电压为400V，则这时直流母线电压为540V左右一些模块式变频器，采用晶闸管或IGBT整流，可以调节直流母线电压10.3变频器结构原理变频器预充电电路上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值1.414U的电压，对储能电容快速充电为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻；在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后，用接触器将该电阻旁路掉该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器10.3变频器结构原理变频器直流母线电容变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低处于发电（制动）过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高变频器则停止输出有些应用中，为了提高变频器的动态能力，外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。10.3变频器结构原理外接的直流电抗器直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈,因其通过的电流为直流电流,故亦成为直流扼流圈直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波，从而减少对电网的污染通常采用适当大小的直流电抗器，即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案10.3变频器结构原理变频器制动单元制动单元是一个或一组晶体管，与制动电阻串