交流调速概述概要.ppt

1、运动控制系统（交流部分）,一、教学要求： 了解交流拖动控制系统发展概况 了解交流拖动控制系统的应用领域 掌握交流调速系统的基本类型 掌握交流变压调速系统及其应用 了解交流变压系统动态特性 二、教学时间安排：3学时 重点：交流调速系统的基本类型 三、教学过程：,第六章交流调速概述,(1)直流电力拖动交流电力拖动19世纪诞生 发电：19世纪90年代第一条三相输电线 20世纪60年代,99.99同步发电机 用电：6070各种电机应用,异步电动机负荷又占其中的85% 交流电机拖动：电力拖动容量80% （不变速） 直流电机拖动： 20%（可调速）高性能,一、发展概况 1.发展历程:,6.1交流拖动系统发

2、展概况和应用领域,直流电机具有电刷和换相器,需经常检修 换向火花使直流电机应用环境受限 换向能力限制直流电机容量和速度 有效利用电动机，改进运行性能，控制电动机的转速，降低效耗.,直流电机的缺点:,(2)20世纪70年代石油危机：节能，使交流拖动控制系统成为主要发展方向。 20世纪6070年代，电力电子技术的发展 大规模集成电路和计算机控制出现 采用电力电子变换器的交流拖动系统，高性能交流调速系统出现,（1）电力电子功率器件应用：构成电力电子变换器（弱电控制强电），器件共分四代。 第一代：晶闸管SCR ，100Hz ， 20世 纪50年代，半控器件，电流控制器件。 第二代：电力晶体管BJT(G

3、TR)，2kHz 门极可关断晶闸管GTO，1kHZ 20世纪80年代，全控器件，电流控制器件。,2.交流调速系统发展现状:,GTO符号图,SCR符号图,第三代：功率MOSEET，100kHz 绝缘栅双极晶体管IGBT=MOS+BJT， 20kHz，20世纪90年代，全控器件， 电压控制器件。 第四代：复合器件，高压、大容量、 全控器件 IGCT= MOSEET + GTO，ABB公司 IEGT= IGBT + GTO，GE公司,MOSEET 符号图,IGBT符号图,控制交流电机(笼型异步电机、绕线型双馈电机、同步电机)的主要是变压变频器。 中、小功率（300kW以下)：IGBT或其它器件组成的

4、PWM变换器. 中、大功率（ 300kW10MW ）：GTO或IGCT的PWM变换器和GTO电流源变频器。 特大功率(10MW以上)：晶闸管SCR的交一交变换器和电流源型交一直一交变换器。,（2）PWM变压变频技术： 基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制,从模拟控制到数字控制，不但实现了硬件电路标准化、降低了成本，而且提高了控制方法的灵活性。 8位、l6位的单片机：MCS51、MCS96 16位、32位的数字信号处理器(DSP)：美国 TI公司：TMS320C240(2812) AD公司、MOTOROLa公司DSP 通用微型计算机：8086（486），奔腾系列 32位、64位的精简指令集计

5、算机(RISC),（3）交流调速系统的数字化控制,(4)交流电气传动应用现代(智能)控制理论,二、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,1. 一般性能的节能调速,在 “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，用挡板和阀门来调节送风和供水的流量，浪费电能。 采用交流调速系统，每台风机、水泵节约 20 30% 以上的电能，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。,2. 高性能的交流调速系统和伺服系统,交流电机控制电磁转矩困难。 矢量控制技术（20世纪

6、70年代初） 直接转矩控制（20世纪80年代）,3. 特大容量、极高转速的交流调速,直流电机的换向能力限制容量转速积不超过106 kW r /min。 交流电机无换向器，不受限，采用交流调速。 如特大容量拖动设备：厚板轧机、矿井卷扬机等。 如极高转速拖动设备：如高速磨头、离心机等。,6.2 交流调速系统的基本类型,交流电机：异步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。,（一）异步电机调速方法,一、交流调速基本类型：,2.按电动机的能量转换类型分类,从定子传入转子的电磁功率可分成两部分： 其一是拖动负载的有效功率（机械功率）； 其二是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。

7、,功率流程图如右： 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 评价调速系统效率高低的标志是其转差功率工作情况，可把调速系统分成三类 。,(1)转差功率消耗型调速系统：降电压调速； 转差离合器调速； 转子串电阻调速；,全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。（恒转矩负载）。 系统结构简单，设备成本最低，有一定的应用价值。,(2)转差功率馈送型调速系统：串级调速,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。扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率。 效率较高，需增加设备。,(3)转差功率不变型调速系统：变极对数调速； 变压变频

8、调速。,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，效率高。 变极对数调速：是有级的，应用场合有限。变压变频调速：应用最广，高动态性能，设备成本最高。,（二）同步电机的调速,同步电机没有转差，没有转差功率，只能是转差功率不变型（恒等于 0 ），采用变压变频调速。 从频率控制的方式来看，可分为： 1.自控变频调速:利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相。 2.他控变频调速:采用独立的变压变频装置供电。,三、异步电动机改变电压时的机械特性,在三个假定条件下:忽略空间和时间谐波,忽略磁饱和忽略铁损，稳态等效电路图5-3。,图5-3 异步电动机的稳态等效电路,Lm,参数定义,R

9、s、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻； Lls、Llr定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感； Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感； Us、1 定子相电压和供电角频率； s 转差率。,电流公式,由图可以导出： (5-1) 式中：,通常，LmLl1，则，C1 1 ,可简化成： (5-2),转矩公式: 电磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步机械角转速 m1 = 1 / np 式中 np 极对数,异步电机的电磁转矩: （5-3）,机械特性方程式：当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。不同电压下的机械特性便如图5-4所示，其中，UsN表示

10、额定定子电压。,异步电动机机械特性,Te,O,n,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,图5-4 异步电动机不同电压下的机械特性,最大转矩公式,将式（5-3）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出临界转差率和最大转矩: （5-4） （5-5）,恒转矩负载,变电压时稳定工作点为 A、B、C，转差率s的变化范围不超过 0sm ，调速范围有限。 风机类负载，则工作点为D、E、F，调速范围大些. 为扩大调速范围，采用电机转子有较高的电阻值(高转差率电机,即交流力矩电机), 变压调速范围增大。,交流力矩电机的机械特性,n0,UsN,0.7

11、UsN,A,B,C,0.5UsN,恒转矩负载特性,图5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性,采用变电压调速时，调速范围很窄 采用高转子电阻电机可增大调速范围，机械特性变软，当负载变化时静差率很大 开环控制难以解决此矛盾 采用带转速反馈的闭环控制系统（D2）,四 、闭环控制的变压调速系统及其静特性,图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统,1. 系统组成,2. 系统静特性,e,T,O,n,n0,TL,UsN,A,A,A,Us min,恒转矩负载特性,图5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性,U*n3,U*n1,U*n2,TLT- TL0 n Un U 定子电压

12、 左侧新特性 新工作点 A (A的左侧TTL） 。,当系统在 A 点运行时: T=TL,从开环特性各取一工作点，将A、A、A 连接起来闭环系统的静特性。 开环机械特性很软闭环系统静特性很硬。 采用PI调节器无静差 改变给定信号静特性平行上下移动调速 不同于直流调速系统，静特性左右两边都有极限，它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性。如超过极限值，闭环系统便失去控制能力。,3. 系统静态结构,图中： Ks = Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数； = Un/n 为转速反馈系数； ASR采用PI调节器； n =f (Us, Te )是式（5-3）机

13、械特性方程式，它是一个非线性函数。 稳态时，Un* = Un = n ，Te = TL Us 和Uc根据n 和TL由式（5-3）计算出,五、 闭环变压调速系统的近似动态结构图,绘出系统动态结构图动态分析和设计。,转速调节器ASR：常用PI调节器消除静差并改善动态性能，其传递函数为,晶闸管交流调压器和触发装置：如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置，可近似成一阶惯性环节，其传递函数为：,其近似条件： 三相全波（ Ts = 3.3ms）,测速反馈环节： FBS的传递函数可写成,异步电机近似的传递函数：异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，不能用一个传递函数准确表示。用稳态工作点附近的微偏

14、线性化方法求出一种近似的传递函数。,异步电机的近似线性化传递函数为:,得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，得异步电机变压调速系统微偏线性化近似动态结构图。,注意下述两点： 由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。 由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。,*6.3 变压控制在软起动器中的应用,软起动器:异步机的变压控制,1.软起动器（Soft Starter）：是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，软起动器实际上是个调压器。 软起动器构成：三相反并联晶闸

15、管及其电子控制电路。,交流变压调速系统可控电源,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,图5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速,起动电流问题: 小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上），供电线路不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%15%），可直接通电起动。 容量大电动机，不能直接通电起动。,运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。,起动电流和转矩公式:,起动时，s =1，因此起动电流和起动转矩分别为,（5-19）,（5-20）,一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约:,起动电流倍数,起动转矩倍数,起动电流和转矩分析:,中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其他用电设备的正常运行，必须采取措施降低起动电流，常用降压起动。,降压起动的矛盾:,UIsst 、Tsst （起动电流减少，起