第十章 交流調(diào)速系統(tǒng)

1、第十章 交流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)電傳動(dòng)控制Page 2第十章 交流調(diào)速系統(tǒng)本章主要內(nèi)容掌握交流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理與類型；掌握交流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理與類型；熟悉交流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成熟悉交流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成；了解了解交流調(diào)速系統(tǒng)的的交流調(diào)速系統(tǒng)的的特性、特點(diǎn)以及適用場(chǎng)合；特性、特點(diǎn)以及適用場(chǎng)合；Page 31、交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)相比的優(yōu)勢(shì)、交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)相比的優(yōu)勢(shì)2、交流調(diào)速的方法、交流調(diào)速的方法改變轉(zhuǎn)差率、極對(duì)數(shù)改變轉(zhuǎn)差率、極對(duì)數(shù)p和頻率和頻率f改變定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電壓可以改變轉(zhuǎn)差率改變定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電壓可以改變轉(zhuǎn)差率Smin/min/0min/0min/ )1 (60)

2、1 (rrHzrrnnpSfSnn交流調(diào)速方法10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 4 轉(zhuǎn)子電路串接電阻電阻上消耗大量的能量，速度越低損耗越大 轉(zhuǎn)子電路串接電勢(shì)把電阻上的能量加以利用，從而獲得比較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效果。為了利用這部分能量，在轉(zhuǎn)子電路中增加了一套交流裝置。這樣，就構(gòu)成了由異步電動(dòng)機(jī)和交流裝置共同組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。線繞式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速方法10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 5串級(jí)調(diào)速原理 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組端接進(jìn)一個(gè)不可控的整流器，這樣，為實(shí)現(xiàn)調(diào)速而串入的附加電勢(shì)Ead就可以采用可調(diào)直流電源。當(dāng)Ead=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)在接近于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，若改變Ead的大小就可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。10.1 變頻

3、調(diào)速系統(tǒng)Page 6串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 串級(jí)調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與直流電動(dòng)機(jī)的特性很相似。由特性可知，若引入的附加電勢(shì)愈大，則n0愈小，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速愈低。如果Ead用負(fù)值代入，則可以得到當(dāng)附加電勢(shì)與轉(zhuǎn)子電勢(shì)同相位時(shí)的機(jī)械特性。 2202222222222XSRSEXREI220222202XSRESEIadI2=0時(shí)S不等于0,所以其n0和定子同步轉(zhuǎn)速不同。10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 7晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于采用串級(jí)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)具有類似他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的硬機(jī)械特性，因此，在調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合，可以直接采用開(kāi)環(huán)控制。但是，如果想要得到高精度的調(diào)速，則應(yīng)采用帶速度負(fù)反饋的自動(dòng)

4、調(diào)速系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)與VS-M自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)相似，也包括有電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及電流和速度反饋環(huán)節(jié)。 10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 8晶閘管串級(jí)調(diào)速的基本原理 線繞轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)線繞轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)不可控整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，的轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)不可控整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)平波電抗器、再由晶閘管逆變器將該直流電壓逆變?yōu)榻涣鳎械慕?jīng)變壓經(jīng)平波電抗器、再由晶閘管逆變器將該直流電壓逆變?yōu)榻涣鳎械慕?jīng)變壓器，有的直接反饋給交流電網(wǎng)。經(jīng)逆變后的電壓可視為加到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的器，有的直接反饋給交流電網(wǎng)。經(jīng)逆變后的電壓可視為加到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電勢(shì)。改變逆變器中晶閘管的逆變角電勢(shì)。改變逆變器中晶閘管的逆

5、變角，就可以改變附加電勢(shì)的大小，從就可以改變附加電勢(shì)的大小，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速。而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速。 10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 9變頻調(diào)速系統(tǒng) 通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速過(guò)程中，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因而，具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能?？梢哉J(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速最有發(fā)展前途的一種方法也是現(xiàn)在使用的最多的調(diào)速方法。 10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 10節(jié)能輕巧靈活無(wú)磨損VVVF10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 11M3Drive converterRectifierMotorDC link (DC busba

6、r):Capacitors with the rectified line supply voltageapprox. 1.35 400V = 540VLine supply connection:e.g. 3-ph. 400V ACVariable voltage and frequency 0 V2 V1, 0 f2 fmax21Inverter2變頻器基本結(jié)構(gòu)-交直交10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 1210.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)新型變頻器結(jié)構(gòu)-交交矩陣變頻Page 13n 現(xiàn)代變頻器中， 逆變電路是變頻器的核心。 因二極管整流的直流電壓幅度不可調(diào)節(jié)， 逆變器的輸出電壓調(diào)節(jié)靠改變電壓輸出脈沖的

7、寬度來(lái)完成， 所以現(xiàn)代變頻器產(chǎn)品的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想是在逆變器側(cè)采用脈沖寬度調(diào)制（Pluse Width Modulation, PWM）技術(shù)以合成變頻變壓的交流輸出波形。 10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM逆變Page 14脈寬調(diào)制變頻的設(shè)計(jì)思想源于通信系統(tǒng)中的載波調(diào)制技術(shù)， 1964年由德國(guó)科學(xué)家率先提出并付諸實(shí)施。 用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM變頻器， 使近代交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)上升到了新的水平。脈寬調(diào)制的方法從調(diào)制脈沖的極性上看有單極性和雙極性之分。 變頻器輸出三相交流電U、 V、 W， 現(xiàn)以U相交流電的單極性脈寬調(diào)制波形合成為例進(jìn)行說(shuō)明。 10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM脈沖的生成-SPWM方法Page 1

8、5n 參考信號(hào)為正弦波的脈沖寬度調(diào)制叫做正弦波脈沖寬度調(diào)制（SPWM）。 單極性脈寬調(diào)制方法的特征是控制信號(hào)與載波信號(hào)都是單極性弱電信號(hào)。 U相控制信號(hào)為單極性正弦波urU， 載波為高頻三角波ut； 中間的倒向信號(hào)作區(qū)分正、 負(fù)半周的矩形波； uUo即為負(fù)載U相的交流輸出信號(hào)。uturuturU02ttt倒向信號(hào)020uUouUo210.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM脈沖的生成-SPWM方法Page 16n 實(shí)現(xiàn)了接近正弦規(guī)律的基本電壓輸出波形， 調(diào)節(jié)控制波可以控制它的調(diào)頻與調(diào)壓。 如果加大（或減小）控制波urU的幅值， 必然引起輸出脈沖的寬度整體變寬， 從而使得輸出電壓uUo的有效值增大（或減?。?；

9、 如果改變控制波urU的頻率， 必然改變輸出脈沖的正、 負(fù)半周交替周期， 從而改變U相輸出電壓uUo的頻率， 使得輸出的新交流電既可變壓又可變頻（VVVF）。 V、 W兩相交流電的合成方法與U相原理相同。 uturuturU02ttt倒向信號(hào)020uUouUo210.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM脈沖的生成-SPWM方法Page 17通用變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 逆變電路M3變壓變頻IGBT阻容保護(hù)過(guò)流過(guò)壓?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路SPWM專用集成電路防沖擊保護(hù)頻率給定恒壓恒頻交流電源整流電路濾波電路10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 18V/F調(diào)速原理10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 19變頻器的V/F控

10、制曲線10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速以下，輸出頻率和電壓成正比（磁通恒定），在額定頻率以上，輸出電壓保持恒定（弱磁控制）。為提供啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在輸出頻率為0時(shí)需要有一個(gè)最小的輸出電壓Vmin。Page 20變頻器的四象限運(yùn)行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行Page 21變頻器的四象限運(yùn)行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行，直流母線電容儲(chǔ)能Page 22變頻器的四象限運(yùn)行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行，制動(dòng)電阻消耗能量Page 23變頻器的四象限運(yùn)行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行，回饋電能到電網(wǎng)Page 24變頻器的四象限運(yùn)行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)多電機(jī)共母線運(yùn)行，可通過(guò)直流母線傳遞能量

11、Page 25 20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來(lái)分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。 其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。矢量控制技術(shù)10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 26矢量變換控制的基本思想 三相異步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系十分復(fù)雜， 定子電壓、 電流、 頻率和磁通、 轉(zhuǎn)矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系要用一系列的復(fù)雜矩陣才能表達(dá)， 因此， 實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的精確控

12、制難度相當(dāng)大。 矢量變換控制提供了將交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)矩陣變換等效為直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的基本思想， 才使交流電動(dòng)機(jī)在理論和實(shí)踐上獲得了比直流電動(dòng)機(jī)更優(yōu)越的調(diào)速性能。 10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 27 等效交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組(a) 三相靜止軸系； (b) 兩相靜止軸系； (c) 兩相旋轉(zhuǎn)軸系 UVW111(a)(b)(c)10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 28UVW111(a)(b)(c)n 由三相異步電動(dòng)機(jī)的原理可知， 三相正弦交流電iU、 iV、 iW時(shí)， 在空間上會(huì)建立一個(gè)轉(zhuǎn)速為n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 如圖(a)所示。 事實(shí)上， 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不一定非要三相繞組， 取空

13、間上相互垂直的兩相繞組、 ， 且在、 繞組中通以互差90的兩相平衡交流電流i、 i時(shí)， 也能建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 如圖(b)所示。 當(dāng)該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小和轉(zhuǎn)向與三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同時(shí)， 則認(rèn)為i、 i與iU、 iV、 iW等效。 10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 29UVW111(a)(b)(c)n 因上述兩圖中產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子繞組都是靜止的， 因而可將圖(a)稱為三相靜止軸系， 將圖(b)稱為兩相靜止軸系， 這是從三相靜止軸系iU、 iV、 iW等效變換到兩相靜止軸系i、 i的變換思路。 10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 30UVW111(a)(b)(c)n 圖(c)中也有兩

14、個(gè)空間上相互垂直的繞組M、 T， 如分別通入直流電流im、 it， 則可以建立一個(gè)不會(huì)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)， 但如果讓M、 T軸都以n1的同步速旋轉(zhuǎn)起來(lái)， 也可以獲得與上述兩圖同樣效果的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 圖(c)被稱為兩相旋轉(zhuǎn)軸系， 在該軸系中， 因?yàn)槭褂脙蓚€(gè)互相獨(dú)立的直流電流im、 it進(jìn)行控制， im為勵(lì)磁分量， it為轉(zhuǎn)矩分量， 所以可以實(shí)現(xiàn)類似于直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。 10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 31n 矢量變換控制的基本思想是通過(guò)數(shù)學(xué)上的坐標(biāo)變換， 先把交流三相繞組的電流iU、 iV、 iW等效變換為交流兩相繞組的電流i、 i， 稱為3/2變換； 再把兩相交流電流i、 i等效變換成兩相旋轉(zhuǎn)

15、軸系M、 T的直流電流im、 it。 實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)數(shù)學(xué)變換把三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流iU、 iV、 iW分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量， 以便像直流電動(dòng)機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)精確控制。10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 3210.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 33n 矢量變換控制的應(yīng)用 由于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展， 矢量控制在各類電動(dòng)機(jī)的控制中均獲得普遍應(yīng)用。 矢量變換控制對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)， 主要用于變頻器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)或交流伺服系統(tǒng)（尤其是在大功率伺服場(chǎng)合）。 10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 34 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)又稱為無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)， 由永磁式同步電動(dòng)機(jī)、 磁極位置傳感器和功率電子開(kāi)關(guān)電路三部分組

16、成。 永磁式同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組可采用三相或多相繞組， 空間上均勻分布， 只要通以錯(cuò)開(kāi)一定相位的交流電就能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 其轉(zhuǎn)子磁極由永久磁體構(gòu)成， 當(dāng)定子通電時(shí)， 轉(zhuǎn)子受旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的牽引作同步旋轉(zhuǎn)。 磁極位置傳感器安裝于永磁式同步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部， 用來(lái)檢出轉(zhuǎn)子磁極的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置， 常用傳感器有光電器件、 霍爾元件或旋轉(zhuǎn)編碼器位置傳感器。 10.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速Page 35無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)物定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子線圈定子線圈轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)子磁極10.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速Page 36三相繞組無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體示意圖三相繞組無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體示意圖 BABNCCVP1VP3VP2S

17、NSACBSSABCNAVP1VP3VP2(a)(b)ABSCANBCVP1VP3VP2(c)NSN10.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速Page 37n 電子開(kāi)關(guān)電路則根據(jù)位置傳感器檢出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)， 運(yùn)算判斷后決定下一步向定子繞組的哪些相送電， 以維持轉(zhuǎn)子的繼續(xù)受力轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于電子開(kāi)關(guān)電路的作用與直流電動(dòng)機(jī)的電刷換向功能類似， 且上述三部分結(jié)合之后的整體控制性能可以達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能， 故使用了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)這個(gè)術(shù)語(yǔ)。 但就控制對(duì)象（永磁式同步電動(dòng)機(jī)）來(lái)講， 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)屬于交流電動(dòng)機(jī)的控制范疇。 10.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速Page 38VT3VT2VT1CCBBAA隔 離驅(qū) 動(dòng)運(yùn) 算判斷VP1VP2VP3傳感器交流電源無(wú)刷直流電機(jī)的單相半控橋式電子開(kāi)關(guān)電路示意圖。 電路接受三個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器的電平信號(hào)， 將它們送到運(yùn)算判斷電路及功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路， 控制功率開(kāi)關(guān)VT1、 VT2、 VT3按特定通電模式運(yùn)行， 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。10.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速Page 39三相全控橋式電子開(kāi)關(guān)主電路 由于三相半控橋式電路每次只通電一只管子， 一相繞組供電， 定子