第01章 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成

1、-1-交直流調(diào)速控制系統(tǒng)交直流調(diào)速控制系統(tǒng) 昆明學(xué)院自動(dòng)控制與機(jī)械工程學(xué)院昆明學(xué)院自動(dòng)控制與機(jī)械工程學(xué)院26 46 78 112 145-2-第第1章章 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成基本結(jié)構(gòu)與組成-3-主要內(nèi)容主要內(nèi)容-4-本章要求本章要求 熟練掌握熟練掌握電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 熟練掌握熟練掌握電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理 掌握掌握電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分類電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 熟練掌握熟練掌握電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的共性問題電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的共性問題 熟練掌握熟練掌握各種電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法各種電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 掌握掌

2、握常用電力電子變流器的結(jié)構(gòu)與工作原理常用電力電子變流器的結(jié)構(gòu)與工作原理 掌握掌握電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)方法電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)方法 熟練掌握熟練掌握電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求和指標(biāo)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求和指標(biāo) 掌握掌握PID控制器的工作原理控制器的工作原理-5-1.1 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和共性問題電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和共性問題-6- 1、電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 電力傳動(dòng)電力傳動(dòng)以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)方式的一種傳動(dòng)方式 電力傳動(dòng)電力傳動(dòng)是現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械的主要?jiǎng)恿ρb置是現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械的主要?jiǎng)恿ρb置 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)

3、的基本結(jié)構(gòu)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖如圖1-1所示，一般由電所示，一般由電源、電能變換器、電動(dòng)機(jī)、控制器、傳感器和生產(chǎn)機(jī)源、電能變換器、電動(dòng)機(jī)、控制器、傳感器和生產(chǎn)機(jī)械（負(fù)載）組成械（負(fù)載）組成1.1.1 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成與分類電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成與分類-7- 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理控制器根據(jù)輸控制器根據(jù)輸入的控制指令（如速度或位置指令），由傳感器采集入的控制指令（如速度或位置指令），由傳感器采集的系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)（速度、位置、電流和電壓等），經(jīng)的系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)（速度、位置、電流和電壓等），經(jīng)過一定的控制運(yùn)算給出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過變流器過一定的控制

4、運(yùn)算給出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過變流器改變輸入的電源（電壓、頻率等）使電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速改變輸入的電源（電壓、頻率等）使電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速或位置，再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械按照相應(yīng)的控制要或位置，再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械按照相應(yīng)的控制要求運(yùn)動(dòng)，故又稱為求運(yùn)動(dòng)，故又稱為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 。-8- 2、電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分類、電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求，可以分為根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求，可以分為調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)和和位置控制位置控制系統(tǒng)系統(tǒng)兩大類。兩大類。 （1）調(diào)速控制系統(tǒng)）調(diào)速控制系統(tǒng) 控制指令控制指令為速度給定信號(hào)，為速度給定信號(hào)，控制器控制器一般為速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)一般為速度

5、調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器等，系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)按速度指令節(jié)器等，系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)按速度指令保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。 根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)的不同，調(diào)速系統(tǒng)又可分為：根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)的不同，調(diào)速系統(tǒng)又可分為： (a) 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，相采用直流電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，相應(yīng)的電能變換器則需選用直流變換器，比如：可控整流器、應(yīng)的電能變換器則需選用直流變換器，比如：可控整流器、直流斬波器等；直流斬波器等； (b) 交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)采用交流電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，相采用交流電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，相應(yīng)的電能變換器則需選用交流變換器，比如：交流調(diào)壓器、應(yīng)的電能變換器則需選用交流變換

6、器，比如：交流調(diào)壓器、各種變頻器等。各種變頻器等。-9- （2）位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng) 這類電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的這類電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制指令控制指令為位置給定信號(hào)，為位置給定信號(hào)，控制器控制器由位置控制器、速度控制器等組成，系統(tǒng)要求由位置控制器、速度控制器等組成，系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載按位置指令電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載按位置指令準(zhǔn)確到達(dá)指定的位置或保準(zhǔn)確到達(dá)指定的位置或保持所需的姿態(tài)持所需的姿態(tài)。-10- 研發(fā)或應(yīng)用電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)所需解決的研發(fā)或應(yīng)用電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)所需解決的共性問題共性問題： (1) 電動(dòng)機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)的選擇 關(guān)系到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。關(guān)系到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)

7、備對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求，選擇合適的電動(dòng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求，選擇合適的電動(dòng)機(jī)機(jī)種類種類及及額定參數(shù)額定參數(shù)、絕緣等級(jí)絕緣等級(jí)等，然后通過分析電動(dòng)等，然后通過分析電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻、工作制、過載能力等進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容機(jī)的發(fā)熱和冷卻、工作制、過載能力等進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量的選擇和校驗(yàn)。量的選擇和校驗(yàn)。 (2) 變流技術(shù)研究變流技術(shù)研究 電動(dòng)機(jī)的控制通過改變其供電電動(dòng)機(jī)的控制通過改變其供電方式來實(shí)現(xiàn)。電能變換是實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技方式來實(shí)現(xiàn)。電能變換是實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。術(shù)之一。1.1.2 1.1.2 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的共性問題電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的共性問題-11- (3) 系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)方法系

8、統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)方法 狀態(tài)檢測(cè)是構(gòu)成系統(tǒng)反狀態(tài)檢測(cè)是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵，根據(jù)反饋控制系統(tǒng)的原理，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)饋的關(guān)鍵，根據(jù)反饋控制系統(tǒng)的原理，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如：電壓、電流、頻率、相位、系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如：電壓、電流、頻率、相位、磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。因此，研究系統(tǒng)狀態(tài)檢磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。因此，研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和觀測(cè)方法是提高電力傳動(dòng)控制性能的重要課題。測(cè)和觀測(cè)方法是提高電力傳動(dòng)控制性能的重要課題。 (4) 控制策略和控制器的設(shè)計(jì)控制策略和控制器的設(shè)計(jì) 任何自動(dòng)控制系統(tǒng)任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心都是控制方法的研究和控制策略的選擇。根據(jù)的核心都是控制方法的研究和控制策略的選擇

9、。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇適當(dāng)?shù)牡目刂品椒ɑ虿呗陨a(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇適當(dāng)?shù)牡目刂品椒ɑ虿呗允菍?shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的主要問題。是實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的主要問題。 -12-1.2 電動(dòng)機(jī)的主要類型與調(diào)速方法電動(dòng)機(jī)的主要類型與調(diào)速方法-13- 1、直流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)利用電磁感應(yīng)原理和電磁力定律將直利用電磁感應(yīng)原理和電磁力定律將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)調(diào)速范圍廣且平滑，起、制動(dòng)調(diào)速范圍廣且平滑，起、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，易于控制，常用于對(duì)調(diào)速有較轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，易于控制，常用于對(duì)調(diào)速有較高要求的

10、場(chǎng)合高要求的場(chǎng)合 按勵(lì)磁方式不同，可把直流電動(dòng)機(jī)分成按勵(lì)磁方式不同，可把直流電動(dòng)機(jī)分成他勵(lì)直流電動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)四種四種 他勵(lì)直流電機(jī)具有機(jī)械特性硬、磁場(chǎng)與電樞可分別控他勵(lì)直流電機(jī)具有機(jī)械特性硬、磁場(chǎng)與電樞可分別控制等優(yōu)點(diǎn)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)通常采用制等優(yōu)點(diǎn)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)通常采用他勵(lì)直流電他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)1.2.1 直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速方法-14- 2、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其它參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其它參量之間的穩(wěn)態(tài)

11、關(guān)系： 由式（由式（1-1）可以看出，）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的有三種方法調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：aae(1 1)URInC0e(1 2)nnTeTaTCI-15-（1）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻R特點(diǎn)？-16-（2）減弱勵(lì)磁磁通）減弱勵(lì)磁磁通特點(diǎn)？-17-（3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ua特點(diǎn)？-18- 三種調(diào)速方法的特點(diǎn)：三種調(diào)速方法的特點(diǎn)： 改變電阻改變電阻只能有級(jí)調(diào)速只能有級(jí)調(diào)速 減弱磁通減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的弱磁升速往只是配合調(diào)壓方案，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的弱磁升

12、速 調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式既能連續(xù)平滑調(diào)速，又有的方式既能連續(xù)平滑調(diào)速，又有較大的調(diào)速范圍，且機(jī)械特性也很硬較大的調(diào)速范圍，且機(jī)械特性也很硬 自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主，僅在變壓調(diào)速為主，僅在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速-19- 直流電動(dòng)機(jī)具有如下缺點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)具有如下缺點(diǎn)： 電刷和換向器必須經(jīng)常檢查維修；電刷和換向器必須經(jīng)常檢查維修； 換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制；換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制； 換向能力限制了直流電動(dòng)機(jī)的容量和速度（極限容換向能力限制了直流電動(dòng)機(jī)的容量和速度（極限

13、容量與轉(zhuǎn)速之積約為量與轉(zhuǎn)速之積約為106kWr/min）。）。 這些缺點(diǎn)使得交流調(diào)速系統(tǒng)已取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為這些缺點(diǎn)使得交流調(diào)速系統(tǒng)已取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為目前主要的電力傳動(dòng)方式，目前主要的電力傳動(dòng)方式，特別是在大容量電力傳動(dòng)特別是在大容量電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)中大都采用交流電動(dòng)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)中大都采用交流電動(dòng)機(jī)。 思考：思考：交流調(diào)速系統(tǒng)已取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為目前主交流調(diào)速系統(tǒng)已取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為目前主要的電力傳動(dòng)方式，為何直流調(diào)速系統(tǒng)在電力傳動(dòng)中要的電力傳動(dòng)方式，為何直流調(diào)速系統(tǒng)在電力傳動(dòng)中仍然具有重要的地位？仍然具有重要的地位？-20- 1、異步電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速原理、異步電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速原理 異步

14、電動(dòng)機(jī)工作原理異步電動(dòng)機(jī)工作原理由定子繞組接交流電源后在由定子繞組接交流電源后在電機(jī)氣隙中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電機(jī)氣隙中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和電磁轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩Te，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 “異步異步”的名稱由來的名稱由來異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)總是有異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)總是有nn0，“異步異步”的名稱由此而來。通常把同步轉(zhuǎn)速的名稱由此而來。通常把同步轉(zhuǎn)速n0和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差，用轉(zhuǎn)差率之差稱為轉(zhuǎn)差，用轉(zhuǎn)差率s表示為表示為 0p60(1 3)sfnn1.2.2 交流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速方法交流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速方法00(1 4)nnsn-21- 根據(jù)異步

15、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程 可知其調(diào)速方式有以下幾種：可知其調(diào)速方式有以下幾種： 變供電頻率變供電頻率fs變頻調(diào)速變頻調(diào)速 改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)np 變極對(duì)數(shù)調(diào)速變極對(duì)數(shù)調(diào)速 通過改變定子電壓、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻或通過改變定子電壓、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻或外接可變電源外接可變電源改變轉(zhuǎn)差率改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速調(diào)速sp601(1 5)fnsn-22- 由此開發(fā)了異步電動(dòng)機(jī)的許多調(diào)速方法，常見的有：由此開發(fā)了異步電動(dòng)機(jī)的許多調(diào)速方法，常見的有： 降電壓調(diào)速；降電壓調(diào)速； 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速； 定子或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；定子或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速； 繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串級(jí)

16、調(diào)速和雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速和雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速； 變極對(duì)數(shù)調(diào)速；變極對(duì)數(shù)調(diào)速； 變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速等。等。 -23- 從能量轉(zhuǎn)換的角度分類從能量轉(zhuǎn)換的角度分類 從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pem可分成兩部分：可分成兩部分： Pm=（1-s）Pem是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功機(jī)械功率率。 Ps1=sPem是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率，與轉(zhuǎn)差率成正比。成正比。 從能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉從能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率的一個(gè)指標(biāo)。還是

17、回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率的一個(gè)指標(biāo)。據(jù)此，據(jù)此，又可把異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分為三類：又可把異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分為三類： 1) 轉(zhuǎn)差功率消耗型。轉(zhuǎn)差功率消耗型。全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低掉。它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)），越向下調(diào)效率越低。這類調(diào)速方（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)），越向下調(diào)效率越低。這類調(diào)速方法的效率最低法的效率最低(變壓調(diào)速變壓調(diào)速)。-24- 2) 轉(zhuǎn)差功率饋送型。轉(zhuǎn)差功率饋送型。轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，大部轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能予以利用，分則通

18、過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低時(shí)回收的功率越多，其效率比前者高（串級(jí)轉(zhuǎn)速越低時(shí)回收的功率越多，其效率比前者高（串級(jí)調(diào)速）。調(diào)速）。 3) 轉(zhuǎn)差功率不變型。轉(zhuǎn)差功率不變型。這類調(diào)速方法無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)這類調(diào)速方法無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差率保持不變，而且很小，所以轉(zhuǎn)差功率的消耗也基差率保持不變，而且很小，所以轉(zhuǎn)差功率的消耗也基本不變且很小，因此效率最高（變頻調(diào)速）。本不變且很小，因此效率最高（變頻調(diào)速）。 籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)常用于實(shí)現(xiàn)低于同步速的調(diào)速，籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)常用于實(shí)現(xiàn)低于同步速的調(diào)速，可選擇定子變壓調(diào)速、定子變壓變頻調(diào)速等方案?？蛇x擇定子變壓調(diào)速、定子變壓變頻調(diào)速等方案。

19、 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)常用于高于同步速運(yùn)行或其他特繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)常用于高于同步速運(yùn)行或其他特殊應(yīng)用場(chǎng)合，通過定子和轉(zhuǎn)子實(shí)行雙饋調(diào)速。殊應(yīng)用場(chǎng)合，通過定子和轉(zhuǎn)子實(shí)行雙饋調(diào)速。 異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、維護(hù)方便、可在惡劣條件下工作。小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、維護(hù)方便、可在惡劣條件下工作。-25- 2、同步電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速原理、同步電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速原理 三相同步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子對(duì)稱繞組通以三定子對(duì)稱繞組通以三相對(duì)稱電流，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通以相對(duì)稱電流，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通以直

20、流勵(lì)磁電流，就在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生相應(yīng)的磁極，其極對(duì)直流勵(lì)磁電流，就在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生相應(yīng)的磁極，其極對(duì)數(shù)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)相同，且保持磁場(chǎng)恒定不數(shù)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)相同，且保持磁場(chǎng)恒定不變。在兩個(gè)磁場(chǎng)的共同作用下，轉(zhuǎn)子被定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變。在兩個(gè)磁場(chǎng)的共同作用下，轉(zhuǎn)子被定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)牽引著以同步轉(zhuǎn)速一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為牽引著以同步轉(zhuǎn)速一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。同步電動(dòng)機(jī)由此而得名。即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。同步電動(dòng)機(jī)由此而得名。0(1 6)nn-26-內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧 1、電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、共性問題、電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、共性問題 2、電力傳動(dòng)控制系

21、統(tǒng)的分類、電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng) 位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)-27- 3、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 4、異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法、異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 5、同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法、同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法aaeURInCsp601fnsns0p60 fnn-28- 同步電動(dòng)機(jī)分類：同步電動(dòng)機(jī)分類： 1) 直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī) 2) 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī) 3) 磁阻同步電動(dòng)機(jī)磁阻同步電動(dòng)機(jī) 4) 直線同步電動(dòng)機(jī)直線同步電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性具有恒轉(zhuǎn)速特性。同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性具有恒轉(zhuǎn)速特性。 可以

22、控制勵(lì)磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高可以控制勵(lì)磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到到1.0，甚至超前。，甚至超前。-29- 同步電動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，故同步電同步電動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，故同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型轉(zhuǎn)差功率不變型，而同步電動(dòng)機(jī)，而同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的，因此只能靠轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速。 在同步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的在同步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為方式來看，可分為 1) 他控變頻調(diào)速；他控變頻調(diào)速； 2) 自控變頻調(diào)速。自控變頻調(diào)

23、速。 后者利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來控制變壓變頻裝后者利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電動(dòng)機(jī)中電刷和換向器的作用，置換相，類似于直流電動(dòng)機(jī)中電刷和換向器的作用，因此有時(shí)又稱作因此有時(shí)又稱作無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速，或，或無刷直流電無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速動(dòng)機(jī)調(diào)速。 -30-1.3 電力電子變流器的結(jié)構(gòu)與類型電力電子變流器的結(jié)構(gòu)與類型-31- 變流器是一種電能變換裝置，它應(yīng)能根據(jù)供電電源的變流器是一種電能變換裝置，它應(yīng)能根據(jù)供電電源的類型（直流電源或交流電源）以及電機(jī)控制所需的電源類型（直流電源或交流電源）以及電機(jī)控制所需的電源要求提供各種電能的變換。電能變換

24、裝置的結(jié)構(gòu)如下圖要求提供各種電能的變換。電能變換裝置的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是將某種恒定電源轉(zhuǎn)換為可變電源的裝置。所示，它是將某種恒定電源轉(zhuǎn)換為可變電源的裝置。 -32- 目前，在電力電子技術(shù)方面，通過現(xiàn)代電力電子變流目前，在電力電子技術(shù)方面，通過現(xiàn)代電力電子變流裝置，可以在交流與直流之間實(shí)現(xiàn)各種形式的電能轉(zhuǎn)換。裝置，可以在交流與直流之間實(shí)現(xiàn)各種形式的電能轉(zhuǎn)換。 -33- 下圖表示了直流輸出變換器的基本原理，它將輸入的下圖表示了直流輸出變換器的基本原理，它將輸入的恒定交流電源，通過開關(guān)器件的控制，輸出可變得直恒定交流電源，通過開關(guān)器件的控制，輸出可變得直流電。流電。 1.3.1 1.3.1 直流輸

25、出變換器直流輸出變換器-34- 目前，電力電子直流輸出變換器主要有相控整流器、目前，電力電子直流輸出變換器主要有相控整流器、直流斬波器和直流斬波器和PWM整流器三大類：整流器三大類： 1、相控整流器、相控整流器 按其組成的開關(guān)器件分為按其組成的開關(guān)器件分為不可控、半控和全控不可控、半控和全控三種類三種類型；型； 按電路結(jié)構(gòu)可分為按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式和零式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橋式和零式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 按交流電源的相數(shù)又可分為按交流電源的相數(shù)又可分為單相電路和多相電路單相電路和多相電路； 按變壓器二次側(cè)電流的方向可分為按變壓器二次側(cè)電流的方向可分為單拍和雙拍整流器單拍和雙拍整流器。 在傳統(tǒng)的直流電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，一

26、般采用晶閘管構(gòu)成在傳統(tǒng)的直流電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，一般采用晶閘管構(gòu)成單相或三相相控型整流器，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多選擇單相或三相相控型整流器，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多選擇橋式電路。橋式電路。 -35- 如果采用晶閘管作為整流器的主開關(guān)器件組成晶閘管如果采用晶閘管作為整流器的主開關(guān)器件組成晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)），圖系統(tǒng)），圖1-5給出了給出了V-M系系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖。統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖。 -36- 在如圖在如圖V-M系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，Ud與觸發(fā)脈沖相位角與觸發(fā)脈沖相位角 的關(guān)系因的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電

27、流波形連續(xù)時(shí)，電流波形連續(xù)時(shí)，Ud = f（ ）可用下式表示）可用下式表示 V-M系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)功率放大倍數(shù)在在104以上，其門極電流可以直接用以上，其門極電流可以直接用電子控制電子控制，不再象直，不再象直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)秒級(jí)，而晶閘管整流器是，而晶

28、閘管整流器是毫秒毫秒級(jí)級(jí)，將大大提高系統(tǒng)的，將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能。dd0cos(1 7)UU-37- 晶閘管整流器是存在的問題：晶閘管整流器是存在的問題： 1）整流器輸出電流波形的脈動(dòng)）整流器輸出電流波形的脈動(dòng) 由于整流電路的脈波數(shù)是有限的，使其輸出的直流電由于整流電路的脈波數(shù)是有限的，使其輸出的直流電流是脈動(dòng)的，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況：流是脈動(dòng)的，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況： 當(dāng)當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，且電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形 當(dāng)電感量較小或負(fù)載

29、較輕時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流波形斷續(xù)當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流波形斷續(xù)情況。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來情況。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因素，也引起機(jī)械特性的非線性影響一種非線性的因素，也引起機(jī)械特性的非線性影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能。因此，實(shí)際應(yīng)用中常希望盡量避系統(tǒng)的運(yùn)行性能。因此，實(shí)際應(yīng)用中常希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。免發(fā)生電流斷續(xù)。-38- 2）整流器網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)）整流器網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)PF（power factor）的降低）的降低 PF等于位移因數(shù)等于位移因數(shù)DF（displacement factor）與電流畸）與電流畸變因數(shù)的乘積，變因數(shù)的乘積， 在輸出電

30、流連續(xù)并忽略換流過程影響在輸出電流連續(xù)并忽略換流過程影響的條件下，的條件下，DF = cos ，即隨著相控角的增加而減小，即隨著相控角的增加而減小，造成電網(wǎng)的無功損耗增加和電壓波動(dòng)。造成電網(wǎng)的無功損耗增加和電壓波動(dòng)。 3）整流器輸入電流總諧波畸變率）整流器輸入電流總諧波畸變率THD（Total Harmonic Distortion）對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的不利）對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的不利影響影響 由于諧波電流的存在，使由于諧波電流的存在，使THD增大，將增加電網(wǎng)的諧增大，將增加電網(wǎng)的諧波損耗和引起傳導(dǎo)和射頻干擾。波損耗和引起傳導(dǎo)和射頻干擾。 諧波損耗會(huì)加重電網(wǎng)諧波損耗會(huì)加重電網(wǎng)負(fù)擔(dān)；電磁干擾（

31、負(fù)擔(dān)；電磁干擾（EMI）造成對(duì)各種電氣和電子設(shè)備）造成對(duì)各種電氣和電子設(shè)備的干擾。的干擾。-39- 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 脈動(dòng)電流會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生脈動(dòng)電流會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利。主要措施是：產(chǎn)機(jī)械不利。主要措施是： 1）設(shè)置平波電抗器；）設(shè)置平波電抗器； 2）增加整流電路相數(shù)；）增加整流電路相數(shù)； 3）采用多重化技術(shù)。）采用多重化技術(shù)。 “電力公害電力公害”的解決辦法的解決辦法 對(duì)于由諧波和無功功率造成的對(duì)于由諧波和無功功率造成的“電力公害電力公害”，傳統(tǒng)的，傳統(tǒng)的辦法有：辦法有： 1）在整流器輸入端設(shè)置無源濾波器；）在整流器輸入

32、端設(shè)置無源濾波器； 2）在網(wǎng)側(cè)增設(shè)無功補(bǔ)償裝置。）在網(wǎng)側(cè)增設(shè)無功補(bǔ)償裝置。-40- 近年來，隨著新型電力電子器件問世和電能質(zhì)量控制近年來，隨著新型電力電子器件問世和電能質(zhì)量控制技術(shù)的進(jìn)展，各種新的諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置不斷技術(shù)的進(jìn)展，各種新的諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置不斷涌現(xiàn)。這些新的電能質(zhì)量控制技術(shù)和裝置有：涌現(xiàn)。這些新的電能質(zhì)量控制技術(shù)和裝置有： 1）開發(fā)各種有源電力濾波器（）開發(fā)各種有源電力濾波器（APF-active power filters），比如：串聯(lián)型），比如：串聯(lián)型APF、并聯(lián)型、并聯(lián)型APF以及混合型以及混合型APF； 2）引入功率因數(shù)校正（）引入功率因數(shù)校正（PFC-powe

33、r factor correction）電路；電路； 3）有源濾波與功率因數(shù)混合校正技術(shù)。）有源濾波與功率因數(shù)混合校正技術(shù)。-41- 2. 直流斬波器直流斬波器 解決晶閘管相控整流器問題的辦法之一是采用二極管解決晶閘管相控整流器問題的辦法之一是采用二極管整流器先將交流電轉(zhuǎn)換為不可控的直流，然后再通過整流器先將交流電轉(zhuǎn)換為不可控的直流，然后再通過直流直流-直流變換器（直流變換器（DC/DC Converter）得到可控的直）得到可控的直流輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖流輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。所示。-42- 直流直流-直流變換器又稱為直流變換器又稱為直流斬波器直流斬波器，降壓斬波電路，降壓斬波電路Bu

34、ck電路）和升壓斬波電路（電路）和升壓斬波電路（Boost電路）是最基本電路）是最基本的斬波電路。的斬波電路。 由由Buck電路構(gòu)成的直流斬波器電路構(gòu)成的直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖示電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖示于圖于圖1-7a。當(dāng)。當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Ud0加到電動(dòng)機(jī)加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)上；當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得電樞端電續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形壓波形u=f(t)，如圖，如圖1-7b，好象是電源電壓，好象是電源電壓Ud0在在ton時(shí)時(shí)間內(nèi)被接上，又在間內(nèi)

35、被接上，又在(T-ton )時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱“斬?cái)夭úā薄?43-44- 直流斬波器輸出電壓的平均值為直流斬波器輸出電壓的平均值為 可見在可見在Buck電路中，通過調(diào)節(jié)電路中，通過調(diào)節(jié)S即可得到連續(xù)可調(diào)的即可得到連續(xù)可調(diào)的直流輸出。但是，采用基本直流輸出。但是，采用基本Buck電路只能實(shí)現(xiàn)直流電電路只能實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的正向電動(dòng)運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)正反向運(yùn)行，動(dòng)機(jī)的正向電動(dòng)運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)正反向運(yùn)行，常采用常采用H型可逆脈寬調(diào)制（型可逆脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱PWM）變換器。）變換器。ondd0d0(1 8)tUUUT-45-與

36、晶閘管相控整流器相比，直流斬波器的優(yōu)越性在于：與晶閘管相控整流器相比，直流斬波器的優(yōu)越性在于：1) 主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；2) 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小；熱都較小；3) 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；4) 系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；5) 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；頻率適

37、當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；6) 直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。器高。 -46-內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧 1、 相控整流器相控整流器 2、直流斬波器、直流斬波器-47- 3. PWM整流器整流器 解決晶閘管相控整流器問題的另一種辦法是在整流電路中用全解決晶閘管相控整流器問題的另一種辦法是在整流電路中用全控型電力電子開關(guān)器件代替晶閘管，采用控型電力電子開關(guān)器件代替晶閘管，采用PWM控制輸出電壓，控制輸出電壓，并同時(shí)改善功率因數(shù)和抑制電流諧波。并同時(shí)改善功率因數(shù)和抑制電流諧波。 一個(gè)單相一個(gè)單相PWM整流電路如圖整流電路如圖1

38、-8所示，采用單相全控橋整流電所示，采用單相全控橋整流電路拓?fù)?，由全控型器件和續(xù)流二極管構(gòu)成不對(duì)稱雙向開關(guān)。路拓?fù)?，由全控型器件和續(xù)流二極管構(gòu)成不對(duì)稱雙向開關(guān)。（1）換流模式）換流模式 該整流電路有三種工作模式：該整流電路有三種工作模式：-48-1) 模式模式I：S1和和S3閉合，或閉合，或S2和和S4閉合，此時(shí)，交流閉合，此時(shí)，交流電源經(jīng)電感電源經(jīng)電感L短路，整流器輸入電壓短路，整流器輸入電壓 us= 0，整流，整流器輸出電流器輸出電流id= 0，其等效電路如圖，其等效電路如圖1-12b所示。所示。-49-1) 模式模式I：S1和和S3閉合，或閉合，或S2和和S4閉合，此時(shí)，交流閉合，此時(shí)，

39、交流電源經(jīng)電感電源經(jīng)電感L短路，整流器輸入電壓短路，整流器輸入電壓 us= 0，整流，整流器輸出電流器輸出電流id= 0，其等效電路如圖，其等效電路如圖1-12b所示。所示。-50-2) 模式模式II：S1和和S4閉閉合，合，us = Ud，id 0，其等效，其等效電路如圖電路如圖1-12c所示。所示。-51-3) 模式模式III：S2和和S3閉合，閉合，us = -Ud，id 0，其等效電路如圖，其等效電路如圖1-12d所示。所示。-52-設(shè)交流電源電壓為設(shè)交流電源電壓為 msin(1 9)uUt假定交流輸入電流的相位滯后于電源電壓的相位差為假定交流輸入電流的相位滯后于電源電壓的相位差為ms

40、in()(1 10)iIt根據(jù)上述開關(guān)狀態(tài)，整流器交流輸入電壓根據(jù)上述開關(guān)狀態(tài)，整流器交流輸入電壓us可表為可表為 ddII0I(1 11)-IIIsUuU模式模式模式-53- 整流器輸出電流為整流器輸出電流為dm0I(1 12)sin()IIIIIiiIt模式模式 和模式-54- 由于高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要變流器既能改變電壓由于高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要變流器既能改變電壓又能改變頻率，因此，現(xiàn)代交流變流器是一種變壓變頻又能改變頻率，因此，現(xiàn)代交流變流器是一種變壓變頻裝置，通常稱為變頻器。目前，電力電子交流變換器主裝置，通常稱為變頻器。目前，電力電子交流變換器主要有要有交交-直直-交變頻器交變

41、頻器和和交交-交變頻器交變頻器兩類：兩類：1.3.2 交流輸出變換器交流輸出變換器-55-1、交、交-直直-交變頻器交變頻器 交交-直直-交變頻器的交變頻器的基本原理基本原理是：首先將交流電通過整是：首先將交流電通過整流器變成直流電，然后再通過逆變器變成交流電。由于流器變成直流電，然后再通過逆變器變成交流電。由于中間直流環(huán)節(jié)的存在，故而稱為交中間直流環(huán)節(jié)的存在，故而稱為交-直直-交變頻器，又可交變頻器，又可稱為間接式的變壓變頻器。目前，有多種方式實(shí)現(xiàn)交稱為間接式的變壓變頻器。目前，有多種方式實(shí)現(xiàn)交-直直-交變頻器的電能變換，主要應(yīng)用于電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的交變頻器的電能變換，主要應(yīng)用于電力傳動(dòng)控制

42、系統(tǒng)的有下面三種方式：有下面三種方式： -56-（1）采用相控整流器與六拍逆變器組成的交）采用相控整流器與六拍逆變器組成的交-直直-交變頻交變頻器器 這是較為早期的一種交這是較為早期的一種交-直直-交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)如交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)如圖圖1-11所示。所示。-57- （a）逆變器的換流模式）逆變器的換流模式 交交-直直-交變壓變頻器中的逆變器一般接成三相橋式電交變壓變頻器中的逆變器一般接成三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻電壓，圖路，以便輸出三相交流變頻電壓，圖1-12為為6個(gè)晶閘管個(gè)晶閘管VT1-VT6組成的三相逆變器主電路，控制各開關(guān)器件輪組成的三相逆變器主電路，控制各開關(guān)器件輪流

43、導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓。流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓。 FC為頻為頻率控制器，根據(jù)輸入的頻率控制信號(hào)率控制器，根據(jù)輸入的頻率控制信號(hào)U*fr，產(chǎn)生一定頻率，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，并分配去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。在某一瞬間，控的脈沖，并分配去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。在某一瞬間，控制一個(gè)開關(guān)器件關(guān)斷，同時(shí)使另一個(gè)器件導(dǎo)通，制一個(gè)開關(guān)器件關(guān)斷，同時(shí)使另一個(gè)器件導(dǎo)通， 就實(shí)現(xiàn)就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)器件之間的換流。在三相橋式逆變器中，有了兩個(gè)器件之間的換流。在三相橋式逆變器中，有180導(dǎo)通型和導(dǎo)通型和120導(dǎo)通型兩種換流方式。導(dǎo)通型兩種換流方式。 -58-59- 現(xiàn)以現(xiàn)以180導(dǎo)通型換流模式為例來分

44、析其逆變?cè)怼?dǎo)通型換流模式為例來分析其逆變?cè)怼?在一個(gè)交流電源周期里，每個(gè)在一個(gè)交流電源周期里，每個(gè)60觸發(fā)一個(gè)晶閘管，在觸發(fā)一個(gè)晶閘管，在同一橋臂上、下兩管之間互相換流。同一橋臂上、下兩管之間互相換流。 例如，當(dāng)例如，當(dāng)VT1關(guān)斷關(guān)斷后，使后，使VT4導(dǎo)通，而當(dāng)導(dǎo)通，而當(dāng)VT4關(guān)斷后，又使關(guān)斷后，又使VT1導(dǎo)通。導(dǎo)通。 這時(shí)，這時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間是每個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間是180，其它各，其它各相亦均如此。表相亦均如此。表1-1給出了在一個(gè)交流電源周期里，給出了在一個(gè)交流電源周期里，180導(dǎo)通型換流模式正相序的觸發(fā)順序和開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通型換流模式正相序的觸發(fā)順

45、序和開關(guān)狀態(tài)。 -60-序號(hào)導(dǎo)通區(qū)間開關(guān)狀態(tài)1060S5、S6、S1260120 S6、S1、S23120180 S1、S2、S34180240 S2、S3、S45240300 S3、S4、S56300360 S4、S5、S6-61- 按此換流模式，并忽略換流時(shí)間，得到理想的電壓型按此換流模式，并忽略換流時(shí)間，得到理想的電壓型逆變器輸出波形見圖逆變器輸出波形見圖1-12。 根據(jù)根據(jù)180導(dǎo)通電壓型逆變器的輸出波形，可推導(dǎo)出逆導(dǎo)通電壓型逆變器的輸出波形，可推導(dǎo)出逆變器輸出的相電壓和線電壓方程：變器輸出的相電壓和線電壓方程： 1adcdc1122sinsin 6161kkuUtUktk1abdcd

46、c112 32 3sinsin616616kkuUtUktk-62- 可見，三相可見，三相180導(dǎo)通電壓型逆變器的輸出電壓并非理導(dǎo)通電壓型逆變器的輸出電壓并非理想的正弦波，除了正弦基波分量外，還含有多項(xiàng)的高次想的正弦波，除了正弦基波分量外，還含有多項(xiàng)的高次諧波。為了改善電壓波形，可以采取其他控制策略和措諧波。為了改善電壓波形，可以采取其他控制策略和措施，比如：施，比如：PWM控制、多重化技術(shù)等?？刂?、多重化技術(shù)等。 -63- 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，180導(dǎo)通型逆變器中，除換流期間外，導(dǎo)通型逆變器中，除換流期間外，每一時(shí)刻總有每一時(shí)刻總有3個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。因此，必須防止同個(gè)開關(guān)器件同時(shí)

47、導(dǎo)通。因此，必須防止同一橋臂的上、下兩管一橋臂的上、下兩管 “直通直通”。為此，換流時(shí)，必須先。為此，換流時(shí)，必須先給應(yīng)關(guān)斷的器件發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留有一定的給應(yīng)關(guān)斷的器件發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留有一定的時(shí)間裕量，叫做時(shí)間裕量，叫做“死區(qū)時(shí)間死區(qū)時(shí)間”，再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出，再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)。開通信號(hào)。 死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開關(guān)速度而定，器件的開死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快時(shí)，所留的死區(qū)時(shí)間可以越短。為了安全起關(guān)速度越快時(shí)，所留的死區(qū)時(shí)間可以越短。為了安全起見，設(shè)置死區(qū)時(shí)間是非常必要的，但它會(huì)造成見，設(shè)置死區(qū)時(shí)間是非常必要的，但它會(huì)造成輸出電壓輸

48、出電壓波形的畸變波形的畸變。 -64- 在逆變器的一個(gè)交流輸出周期中，每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通一在逆變器的一個(gè)交流輸出周期中，每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通一次，每隔次，每隔60總有一個(gè)管子導(dǎo)通和關(guān)斷，使逆變器的輸總有一個(gè)管子導(dǎo)通和關(guān)斷，使逆變器的輸出電壓或電流有一次變化。這樣在一個(gè)電源周期出電壓或電流有一次變化。這樣在一個(gè)電源周期360電電角度中共有角度中共有6個(gè)開關(guān)管輪流導(dǎo)通，然后重新開始循環(huán)，由個(gè)開關(guān)管輪流導(dǎo)通，然后重新開始循環(huán)，由此又稱為此又稱為六拍逆變器六拍逆變器。 恒壓恒頻的交流電源經(jīng)過交恒壓恒頻的交流電源經(jīng)過交-直直-交的變換，成為變壓交的變換，成為變壓變頻的交流電源。如果六拍逆變器開關(guān)管的觸發(fā)順序按變頻

49、的交流電源。如果六拍逆變器開關(guān)管的觸發(fā)順序按 S1 S2 S3 S4 S5 S6的正相序循環(huán)，則輸出三相的正相序循環(huán)，則輸出三相正相序交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行；反之，如果正相序交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行；反之，如果按按S6 S5 S4 S3 S2 S1的負(fù)相序觸發(fā)開關(guān)管，的負(fù)相序觸發(fā)開關(guān)管，則輸出三相負(fù)相序交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行。則輸出三相負(fù)相序交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行。-65- (b)電壓源型逆變器和電流源型逆變器電壓源型逆變器和電流源型逆變器 由于在逆變器與負(fù)載之間除了有功功率的傳送外，還由于在逆變器與負(fù)載之間除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換，因此需要采用

50、儲(chǔ)能元件來緩沖無存在無功功率的交換，因此需要采用儲(chǔ)能元件來緩沖無功能量。還有為了使輸入到逆變器直流電源平穩(wěn)，需要功能量。還有為了使輸入到逆變器直流電源平穩(wěn)，需要在交在交-直直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)設(shè)置濾波器。一般采交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)設(shè)置濾波器。一般采用電容器或電感器來滿足上述兩項(xiàng)需求。根據(jù)直流中間用電容器或電感器來滿足上述兩項(xiàng)需求。根據(jù)直流中間環(huán)節(jié)所采用的儲(chǔ)能元件的不同，交環(huán)節(jié)所采用的儲(chǔ)能元件的不同，交-直直-交變頻器又分為交變頻器又分為電壓源型電壓源型和和電流源型電流源型兩種變流器：兩種變流器： -66- 1) 電壓源型電壓源型 如果直流環(huán)節(jié)采用大電容作為儲(chǔ)能元件，如果直流環(huán)節(jié)采用大電

51、容作為儲(chǔ)能元件，由于電容器的濾波作用，使直流電壓波形比較平穩(wěn)，在由于電容器的濾波作用，使直流電壓波形比較平穩(wěn)，在理想情況下可看作是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，因此稱為理想情況下可看作是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，因此稱為電壓源型逆變器（電壓源型逆變器（VSI，Voltage Source Inverter），有），有時(shí)簡(jiǎn)稱電壓型逆變器。電壓型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖時(shí)簡(jiǎn)稱電壓型逆變器。電壓型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1-13a所示，其輸出的交流電壓是矩形波或階梯波。所示，其輸出的交流電壓是矩形波或階梯波。 -67- 2) 電流源型電流源型 如果直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能元件，如果直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能元件，由于

52、電感濾波作用，使直流電流波形比較平直，相當(dāng)于由于電感濾波作用，使直流電流波形比較平直，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，因此稱為電流源型逆變器（一個(gè)恒流源，因此稱為電流源型逆變器（CSI，Current Source Inverter），或簡(jiǎn)稱電流型逆變器。電流型逆變），或簡(jiǎn)稱電流型逆變器。電流型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1-13b所示，其輸出的交流電流是矩形所示，其輸出的交流電流是矩形波或階梯波。波或階梯波。 -68- 兩類逆變器在主電路上雖然只是直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件兩類逆變器在主電路上雖然只是直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現(xiàn)如下：不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表

53、現(xiàn)如下： 1) 無功能量的緩沖無功能量的緩沖 電壓型逆變器采用電容器來緩沖無電壓型逆變器采用電容器來緩沖無功能量和直流濾波；而電流型逆變器則采用電感器來緩功能量和直流濾波；而電流型逆變器則采用電感器來緩沖無功能量和直流濾波。沖無功能量和直流濾波。 2) 能量的回饋能量的回饋 采用電流源型逆變器，由于功率交換時(shí)采用電流源型逆變器，由于功率交換時(shí)電流方向不變，容易實(shí)現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限電流方向不變，容易實(shí)現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運(yùn)行，適用于需要回饋制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。運(yùn)行，適用于需要回饋制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。而對(duì)于電壓源型逆變器，由于其中間直流環(huán)節(jié)有大電容而對(duì)于電壓源

54、型逆變器，由于其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實(shí)單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)?，F(xiàn)回饋制動(dòng)。 -69- 3) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng) 正由于交正由于交-直直-交電流源型變壓變頻調(diào)速系交電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓極性可以迅速改變，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，統(tǒng)的直流電壓極性可以迅速改變，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，而電壓源型則要差一些。而電壓源型則要差一些。 4) 應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合 電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)

55、慢，不易波動(dòng)，所以適于做多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的應(yīng)慢，不易波動(dòng)，所以適于做多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺(tái)電動(dòng)機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快供電電源，或單臺(tái)電動(dòng)機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快速減速的場(chǎng)合。速減速的場(chǎng)合。 采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快速起制動(dòng)和可逆運(yùn)適用于多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快速起制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。行的要求。 -70- 六拍變流器的六拍變流器的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是：在整流環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)壓控制，在是：在整流環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)壓控制，在逆變環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)頻控制，兩種控制分開實(shí)現(xiàn)，概念清楚，逆變環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)頻控制，兩種控制分開實(shí)現(xiàn)，概

56、念清楚，控制簡(jiǎn)便。但由于采用晶閘管整流和逆變，帶來了如下控制簡(jiǎn)便。但由于采用晶閘管整流和逆變，帶來了如下不足不足： 1) 由于采用晶閘管相控整流，在交流輸入端造成網(wǎng)側(cè)由于采用晶閘管相控整流，在交流輸入端造成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低和高次諧波大的問題；功率因數(shù)低和高次諧波大的問題； 2) 六拍逆變器由于晶閘管的工作頻率的限制，變頻控六拍逆變器由于晶閘管的工作頻率的限制，變頻控制范圍有限，且輸出不是正弦，諧波含量高。制范圍有限，且輸出不是正弦，諧波含量高。 -71-2PWM變頻器變頻器 PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1-14所示，采用二極管整所示，采用二極管整流器將恒壓恒頻的交流電變換為不可

57、控的直流輸出，再流器將恒壓恒頻的交流電變換為不可控的直流輸出，再通過通過PWM逆變器變換為變壓變頻（逆變器變換為變壓變頻（VVVFVariable Voltage Variable Frequency）的交流電輸出。）的交流電輸出。 -72- （1）PWM逆變器的主電路拓?fù)渑c調(diào)制原理逆變器的主電路拓?fù)渑c調(diào)制原理 PWM逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D1-15所示，由所示，由6個(gè)開關(guān)個(gè)開關(guān)器件器件S1-S6及續(xù)流二極管組成，開關(guān)器件可以根據(jù)逆變器及續(xù)流二極管組成，開關(guān)器件可以根據(jù)逆變器的容量選用的容量選用IGBT、PMOSFET或或BJT等全控型器件。目等全控型器件。目前，對(duì)于中、小

58、容量的變頻器，大都采用復(fù)合型器件前，對(duì)于中、小容量的變頻器，大都采用復(fù)合型器件IGBT作為主電路開關(guān)。這種采用三相橋式二極管整流器作為主電路開關(guān)。這種采用三相橋式二極管整流器與三相橋式與三相橋式IGBT逆變器構(gòu)成的逆變器構(gòu)成的PWM變頻器成為當(dāng)今最變頻器成為當(dāng)今最為流行的變頻器形式，又稱為為流行的變頻器形式，又稱為通用變頻器通用變頻器。 -73-74- 交流交流PWM調(diào)制的基本原理調(diào)制的基本原理 以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的波高得多的等腰三角波等腰三角波作為作為載波載波，并用頻率和期望波，并用頻率和期望波相同的相同的正弦

59、波正弦波作為作為調(diào)制波調(diào)制波 當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波 按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)正弦波脈寬調(diào)制（制（SPWM），

60、），這種序列的矩形波稱作這種序列的矩形波稱作SPWM波波 -75- （2）PWM調(diào)制方法調(diào)制方法 由于由于PWM變頻器能克服晶閘管變頻器的不足，性能得變頻器能克服晶閘管變頻器的不足，性能得到很大提高，因此引起人們的重視，相繼開發(fā)出許多種到很大提高，因此引起人們的重視，相繼開發(fā)出許多種PWM調(diào)制方法。這里簡(jiǎn)要介紹幾種主要方法：調(diào)制方法。這里簡(jiǎn)要介紹幾種主要方法： 1）正弦波脈寬調(diào)制）正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方法方法 這種方法的基本原這種方法的基本原理如上所述，理如上所述，SPWM控制技術(shù)有單極性控制和雙極性控控制技術(shù)有單極性控制和雙極性控制兩種方式。如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載制兩種方