交流控制技術(shù)-第一章

1、交流電機(jī)控制技術(shù)交流電機(jī)控制技術(shù) 第一章第一章 變頻調(diào)速基本原理變頻調(diào)速基本原理1.1 變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性 根據(jù)控制方式，變頻調(diào)速原則有：根據(jù)控制方式，變頻調(diào)速原則有：恒磁通變頻調(diào)速：const恒功率變頻調(diào)速： Pconst一、恒磁通變頻調(diào)速一、恒磁通變頻調(diào)速1、 保持恒磁通的原因保持恒磁通的原因1.1 變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性 1160 fnp11114.44wmEf N k111EmUEk f只改變頻率f 1合理嗎？ 異步電動(dòng)機(jī)電勢(shì)方程異步電動(dòng)機(jī)電勢(shì)方程忽略電阻壓降11mEUk f結(jié)論：在電壓一定時(shí)頻率的變化對(duì)磁通是有影響的結(jié)論：在電壓

2、一定時(shí)頻率的變化對(duì)磁通是有影響的根據(jù)磁化曲線，電機(jī)設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)為C點(diǎn)。頻率下降會(huì)引起磁通的增加，造成磁路過飽和，勵(lì)磁電流增加很快，鐵損增大，電機(jī)過熱，使電機(jī)負(fù)載能力下降、效率降低1.1 變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性 使電機(jī)負(fù)載能力下降、效率降低保持恒磁通的原因保持恒磁通的原因22cosTmTCI頻率增加將導(dǎo)致磁通下降頻率增加將導(dǎo)致磁通下降為維持恒定轉(zhuǎn)矩I2 有過流的危險(xiǎn)。111111constUUEfff造成磁路過飽和根據(jù)磁化曲線工作點(diǎn)為C點(diǎn)勵(lì)磁電流增加很快，鐵損增大，電機(jī)過熱，轉(zhuǎn)矩減小頻率下降會(huì)引起磁通頻率下降會(huì)引起磁通的增加的增加結(jié)論：不論結(jié)論：不論f上升還是下降上升還

3、是下降均應(yīng)保持均應(yīng)保持m常數(shù)。常數(shù)。變頻調(diào)速的原則之一變頻調(diào)速的原則之一2、 低速的電壓補(bǔ)償?shù)退俚碾妷貉a(bǔ)償1.1 變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性 2221122112()ekrpmUsTrfrxs211max221114(kpmUTfrrx恒磁通變頻調(diào)速恒磁通變頻調(diào)速電機(jī)的機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式當(dāng)頻率較高時(shí)1kxr當(dāng)頻率較低時(shí)1krx可以忽略xk，最大轉(zhuǎn)矩減小可以忽略r1，最大轉(zhuǎn)矩為常數(shù)111111constUUEfff221111max22111428kkpmUpmUTff LLf gg2211111max21111428kpmUpmUTffLfggg1.1 變頻調(diào)速原則及其機(jī)

4、械特性變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性 11constUf低速的電壓補(bǔ)償?shù)退俚碾妷貉a(bǔ)償在實(shí)際用應(yīng)用中，由于電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)在實(shí)際用應(yīng)用中，由于電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)E1難難以測(cè)量和控制，采用近似恒磁通原則，即以測(cè)量和控制，采用近似恒磁通原則，即11constEf在低頻時(shí)，定子電阻r1上壓降對(duì)最大轉(zhuǎn)矩有較大影響。為保持理想的恒磁通在低頻時(shí)，U1和E1差值較大在實(shí)際控制回路中加入一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，以在實(shí)際控制回路中加入一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，以補(bǔ)償?shù)皖l段定子電阻引起的壓降。補(bǔ)償?shù)皖l段定子電阻引起的壓降。藍(lán)色無補(bǔ)償有補(bǔ)償f1U1補(bǔ)償后的機(jī)械特性 為常數(shù)時(shí)的為常數(shù)時(shí)的變頻調(diào)速機(jī)械變頻調(diào)速機(jī)械特性特性 11/ fU一、恒功率變頻調(diào)

5、速一、恒功率變頻調(diào)速1、 保持恒功率的原因保持恒功率的原因1.1 變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性 1mf11114.44wmUf N k22coseTmTCI電壓不變19550eMT nP constMP 屬恒功率變頻調(diào)速屬恒功率變頻調(diào)速當(dāng)頻率f高于50Hz時(shí)，如果還按壓頻比等于常數(shù)的原則，電壓就要高于額定電壓，這顯然是不允許的。應(yīng)換另一種調(diào)速原則。1fT1constTf2、 恒功率調(diào)速原則恒功率調(diào)速原則1.1 變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性變頻調(diào)速原則及其機(jī)械特性 211max221114(kpmUTfrrx21maxmax212211NN2211221111111 NNUTTT

6、fUUTTffUUT fT fff高頻時(shí)：而則有變頻后因?yàn)楹愎β视兴院愎β收{(diào)速恒功率調(diào)速恒功率變頻調(diào)速原則恒功率變頻調(diào)速原則1111UUff恒功率變頻調(diào)速適用于負(fù)載隨轉(zhuǎn)速升高而減輕的情況，如車床刀具等。恒功率變頻調(diào)速適用于負(fù)載隨轉(zhuǎn)速升高而減輕的情況，如車床刀具等。通常為通常為擴(kuò)大調(diào)速范圍，在基頻以上采用恒功率調(diào)速；在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。擴(kuò)大調(diào)速范圍，在基頻以上采用恒功率調(diào)速；在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，若要保持在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，若要保持 恒定，則恒定，則 =常常數(shù)，定子電壓需要高于額定值，這是不允許的。因此，基數(shù)，定子電壓需要高于額定值，這是不允許的。因此，基頻

7、以上變頻調(diào)速時(shí)，應(yīng)使頻以上變頻調(diào)速時(shí)，應(yīng)使 保持額定值不變。這樣，隨著保持額定值不變。這樣，隨著 升高，氣隙磁通將減小，相當(dāng)于弱磁調(diào)速方法。升高，氣隙磁通將減小，相當(dāng)于弱磁調(diào)速方法。m11/ fU1U1f 不同頻率下各機(jī)不同頻率下各機(jī)械特性曲線的械特性曲線的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)段穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)段近似平行近似平行 圖所示為變頻器控制電機(jī)時(shí)在圖所示為變頻器控制電機(jī)時(shí)在整個(gè)調(diào)速范圍的一族機(jī)械特性整個(gè)調(diào)速范圍的一族機(jī)械特性曲線。曲線。Z 在額定轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以下以下采用恒轉(zhuǎn)矩采用恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速，而在額定轉(zhuǎn)速變頻調(diào)速，而在額定轉(zhuǎn)速以上以上采用恒功率變頻調(diào)速，因此調(diào)采用恒功率變頻調(diào)速，因此調(diào)速范圍明顯擴(kuò)大。速范圍明顯擴(kuò)

8、大。Z 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速可以異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象限運(yùn)行。如果按照一象限運(yùn)行。如果按照一定規(guī)律控制，異步電動(dòng)機(jī)的定規(guī)律控制，異步電動(dòng)機(jī)的起起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速過程時(shí)過程時(shí)間都可以縮至很短，因此在變間都可以縮至很短，因此在變頻調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)可具有頻調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)可具有良好的動(dòng)態(tài)特性。良好的動(dòng)態(tài)特性。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí) 的機(jī)械特性的機(jī)械特性 當(dāng)頻率由當(dāng)頻率由f1f2f3時(shí)，時(shí)，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 將沿著圖示虛線將沿著圖示虛線由點(diǎn)由點(diǎn)123加速，轉(zhuǎn)速加速，轉(zhuǎn)速由由n1n2n3，達(dá)到新，達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。為了縮的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。為了縮短加速時(shí)間，

9、應(yīng)當(dāng)使電短加速時(shí)間，應(yīng)當(dāng)使電動(dòng)機(jī)在加速過程中始終動(dòng)機(jī)在加速過程中始終保持有最大轉(zhuǎn)矩，即應(yīng)保持有最大轉(zhuǎn)矩，即應(yīng)當(dāng)使電機(jī)沿著最大轉(zhuǎn)矩當(dāng)使電機(jī)沿著最大轉(zhuǎn)矩的包絡(luò)線進(jìn)行加速。的包絡(luò)線進(jìn)行加速。 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的加速過程異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的加速過程f 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降是通過降低頻率來實(shí)現(xiàn)的。下降是通過降低頻率來實(shí)現(xiàn)的。f 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在某一頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在某一頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果將頻率迅速降低，使轉(zhuǎn)差率變負(fù)，如果將頻率迅速降低，使轉(zhuǎn)差率變負(fù)，則可以使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀則可以使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

10、于第二第二象限，如象限，如圖所示。圖所示。P 此時(shí)，電能通過逆變器回饋到變此時(shí)，電能通過逆變器回饋到變頻器直流側(cè)。在減速過程中若始終保頻器直流側(cè)。在減速過程中若始終保持頻率比電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降得快，那么持頻率比電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降得快，那么電動(dòng)機(jī)就一直維持在電動(dòng)機(jī)就一直維持在再生發(fā)電制動(dòng)狀再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)態(tài)。 異步電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理一、系統(tǒng)構(gòu)成一、系統(tǒng)構(gòu)成整流器中間電路逆變器控制電路M整流器整流器逆變器逆變器中間電路中間電路1.1.整流器整流器連接交流電源，輸出直流電壓。2.2.中間電路中間電路一個(gè)大的電抗

11、器Ld能產(chǎn)生直流電流，則中間電路相當(dāng)于一個(gè)電流源（電流型變頻器；一個(gè)大的電容Cd，緩沖負(fù)載無功功率的儲(chǔ)能元件，能產(chǎn)生直流電壓，則中間電路相當(dāng)于一個(gè)電壓源(電壓型變頻器)；通過嶄波器可調(diào)節(jié)直流電壓。3.3.逆變器逆變器變頻器核心，作為異步電動(dòng)機(jī)的變頻電源，將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷骸?.4.控制電路控制電路控制所有開關(guān)元件動(dòng)作 三相三相180導(dǎo)電型六拍變頻器一般為電壓型變頻器。導(dǎo)電型六拍變頻器一般為電壓型變頻器。整流器為可控整流器，如圖所示。整流器為可控整流器，如圖所示。 圖中，電容圖中，電容C很大，起濾波作很大，起濾波作用。直流側(cè)電壓為一恒定值，用。直流側(cè)電壓為一恒定值，相當(dāng)于電壓源。在三相逆變

12、器相當(dāng)于電壓源。在三相逆變器中，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)功率管的導(dǎo)中，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)功率管的導(dǎo)通順序是通順序是VT1、VT22、VT3、VT4、VT5、VT6，各功率管驅(qū)，各功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)間相隔動(dòng)信號(hào)間相隔60電角度。電角度。180導(dǎo)電型的特點(diǎn)是每只功導(dǎo)電型的特點(diǎn)是每只功率管的導(dǎo)通時(shí)間為率管的導(dǎo)通時(shí)間為180，在，在任意瞬間有三個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)任意瞬間有三個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通（每條橋臂上有一只功率管通（每條橋臂上有一只功率管導(dǎo)通），它們的換流是在同一導(dǎo)通），它們的換流是在同一條橋臂內(nèi)進(jìn)行，即在條橋臂內(nèi)進(jìn)行，即在VT1-VT4，VT3-VT6，VT5-VT2之間進(jìn)行之間進(jìn)行相互換流。相互換流。 三相三相180導(dǎo)電型

13、變頻器主電路圖導(dǎo)電型變頻器主電路圖1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理據(jù)脈沖信號(hào)波形不同，三相橋式逆變電路的開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)據(jù)脈沖信號(hào)波形不同，三相橋式逆變電路的開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間不同，根據(jù)元件導(dǎo)通時(shí)間分為間不同，根據(jù)元件導(dǎo)通時(shí)間分為180 、 120 、 150 導(dǎo)電型導(dǎo)電型1、180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理VT1VT2VT3VT4VT5VT6 區(qū)間區(qū)間1 1 區(qū)間區(qū)間2 區(qū)間區(qū)間3 3 區(qū)間區(qū)間4 4 區(qū)間區(qū)間5 5 區(qū)間區(qū)間6 6180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型導(dǎo)通：導(dǎo)通： 561 612 123 234 345 456設(shè)負(fù)載為星形連接，逆變器的換流

14、是瞬間完成的，若以電設(shè)負(fù)載為星形連接，逆變器的換流是瞬間完成的，若以電 動(dòng)動(dòng)機(jī)定子繞組中性點(diǎn)機(jī)定子繞組中性點(diǎn)O點(diǎn)電位為參考點(diǎn)，在不同導(dǎo)通區(qū)間的相電點(diǎn)電位為參考點(diǎn)，在不同導(dǎo)通區(qū)間的相電壓可通過圖中的等值電路求得，壓可通過圖中的等值電路求得，三相三相180導(dǎo)電型變頻器供電的等值電路導(dǎo)電型變頻器供電的等值電路1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型等值電路等值電路n561n612n123n 234 n3454561.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型相電壓相電壓UAO, UBO及線電壓及線電壓UAB波形波形2/3Ud1/3UdUdn561n區(qū)

15、間區(qū)間1 區(qū)間區(qū)間1 1 區(qū)間區(qū)間2 區(qū)間區(qū)間3 3 區(qū)間區(qū)間4 4 區(qū)間區(qū)間5 5 區(qū)間區(qū)間6 6導(dǎo)通：導(dǎo)通： 561561 612 123 234 345 456 612 123 234 345 456nUAOnUBOnUAB1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型nUAOnUBOnUABnUCOnUBCnUCA1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理波形分析波形分析2220011223TAoAoAoUu dtu d tUdT180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型uduAo2/3ud1/3ud相電壓有效值相電壓有效值2220011223TABABABUudtud tUdT

16、線電壓有效值線電壓有效值o2111(sinsin5sin7sin115711AuUdtttt）31112(sinsin5sin7sin115711ABuUdtttt ）諧波分析諧波分析波形不含有波形不含有3 3的的n n次倍數(shù)的諧波次倍數(shù)的諧波諧波分析諧波分析nUAOnUAB1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型特點(diǎn)：特點(diǎn)：每只開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間是180電角度；在任意時(shí)刻有三只管子同時(shí)導(dǎo)通；開關(guān)順序：561612123234345456；同一橋臂一個(gè)管子截止，另一個(gè)管子導(dǎo)通，如VT1截止VT4導(dǎo)通；控制電路發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，依次送給VT1VT6號(hào)晶閘管。對(duì)于晶閘管

17、這樣的半控器件，如何保證同一橋臂一個(gè)管子截止，而另一個(gè)管子導(dǎo)通？ 將某只導(dǎo)通的晶閘管中的電流轉(zhuǎn)移到另一只中去，后者導(dǎo)通時(shí)前者必須可靠關(guān)斷(換流過程換流過程)需要研究換流方式要求要求n每只開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間是120電角度；n在任意時(shí)刻有二只管子同時(shí)導(dǎo)通；n每60 控制電路發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，依次送給VT1VT6號(hào)晶閘管。1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理導(dǎo)通規(guī)則導(dǎo)通規(guī)則2、120 導(dǎo)電型導(dǎo)電型逆變器的工作方式逆變器的工作方式 三相三相120導(dǎo)電型變頻器主電路圖導(dǎo)電型變頻器主電路圖1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理120 導(dǎo)電型導(dǎo)電型 區(qū)間區(qū)間1 1 區(qū)間區(qū)間2 區(qū)間區(qū)間

18、3 3 區(qū)間區(qū)間4 4 區(qū)間區(qū)間5 5 區(qū)間區(qū)間6 6導(dǎo)通：導(dǎo)通： 61 12 23 34 45 5661 12 23 34 45 56VT1VT2VT3VT4VT5VT6設(shè)負(fù)載為星形連接，設(shè)負(fù)載為星形連接，120導(dǎo)電型三相逆變器供電時(shí)各區(qū)間的等值導(dǎo)電型三相逆變器供電時(shí)各區(qū)間的等值電路如圖所示電路如圖所示 ： 三相三相120導(dǎo)電型逆變器供電的等值電路導(dǎo)電型逆變器供電的等值電路1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理120 導(dǎo)電型導(dǎo)電型1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理 區(qū)間區(qū)間1 1 區(qū)間區(qū)間2 區(qū)間區(qū)間3 3 區(qū)間區(qū)間4 4 區(qū)間區(qū)間5 5 區(qū)間區(qū)間6 6導(dǎo)通：導(dǎo)通：

19、61 12 23 34 45 5661 12 23 34 45 56120 導(dǎo)電型導(dǎo)電型1/2Ud-1/2UdUdnUAOnUBOnUABn611.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理120 導(dǎo)電型導(dǎo)電型相電壓相電壓UAO, UBO及線電壓及線電壓UAB波形波形nUAOnUBOnUCOnUABnUBCnUCA1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理波形分析波形分析2220011126TAoAoAoUu dtu d tUdT120 導(dǎo)電型導(dǎo)電型相電壓有效值相電壓有效值線電壓有效值線電壓有效值1/2ud2220011122TABABABdUudtud tUTud無論是線電壓還是相電

20、壓均低于無論是線電壓還是相電壓均低于180180導(dǎo)電型，很自然因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)間短。導(dǎo)電型，很自然因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)間短。1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理180 導(dǎo)電型導(dǎo)電型特點(diǎn)：特點(diǎn)：每只開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間是120電角度；在任意時(shí)刻有二只管子同時(shí)導(dǎo)通；開關(guān)順序：611223344556；同一橋臂的兩只管子之間隔了60電角度才導(dǎo)通，所以換流比較安全；VT1截止VT3導(dǎo)通，而兩個(gè)管子處在相鄰橋臂，換流在相鄰橋臂進(jìn)行（與180不同） ；控制電路發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，依次送給VT1VT6號(hào)晶閘管。對(duì)于晶閘管這樣的半控器件，如何保證換流？ 需要研究換流方式1.2 電壓型變頻器工作原理電壓型變頻器工作原理寫報(bào)告一：寫報(bào)告一：120導(dǎo)電型控制方法導(dǎo)電型控制方法要求：要求：作業(yè)：作業(yè)：1.3 逆變器換流方式逆變器換流方式一、電網(wǎng)電壓換流一、電網(wǎng)電壓換流特點(diǎn)：特點(diǎn)：利用電網(wǎng)電壓自動(dòng)過零并變負(fù)的性能來換流；適用于整流器和交交變頻器。自然換流在這一區(qū)間內(nèi)電壓vB vAVT3承受的是正向電壓，給一個(gè)觸發(fā)信號(hào)VT3，VT1承受的是反向電壓就會(huì)關(guān)斷。不必另加換流電路。1.3 逆