第十章 交流調(diào)速系統(tǒng)

1、第十章 交流調(diào)速系統(tǒng)機電傳動控制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、特點以及適用場合；特性、特點以及適用場合；Page 31、交流電動機和直流電動機相比的優(yōu)勢、交流電動機和直流電動機相比的優(yōu)勢2、交流調(diào)速的方法、交流調(diào)速的方法改變轉(zhuǎn)差率、極對數(shù)改變轉(zhuǎn)差率、極對數(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)子電路串接電勢把電阻上的能量加以利用，從而獲得比較經(jīng)濟的運行效果。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)成了由異步電動機和交流裝置共同組成的串級調(diào)速系統(tǒng)。線繞式異步電動機的串級調(diào)速方法10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 5串級調(diào)速原理 電動機的轉(zhuǎn)子繞組端接進一個不可控的整流器，這樣，為實現(xiàn)調(diào)速而串入的附加電勢Ead就可以采用可調(diào)直流電源。當(dāng)Ead=0時，電動機在接近于額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，若改變Ead的大小就可以改變電動機轉(zhuǎn)速。10.1 變頻

3、調(diào)速系統(tǒng)Page 6串級調(diào)速時的機械特性 串級調(diào)速時異步電動機的機械特性與直流電動機的特性很相似。由特性可知，若引入的附加電勢愈大，則n0愈小，即電動機的轉(zhuǎn)速愈低。如果Ead用負值代入，則可以得到當(dāng)附加電勢與轉(zhuǎn)子電勢同相位時的機械特性。 2202222222222XSRSEXREI220222202XSRESEIadI2=0時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晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于采用串級調(diào)速的電動機具有類似他勵直流電動機的硬機械特性，因此，在調(diào)速精度要求不高的場合，可以直接采用開環(huán)控制。但是，如果想要得到高精度的調(diào)速，則應(yīng)采用帶速度負反饋的自動

4、調(diào)速系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)與VS-M自動調(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晶閘管串級調(diào)速的基本原理 線繞轉(zhuǎn)子異步電動機線繞轉(zhuǎn)子異步電動機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?，有的?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機轉(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機轉(zhuǎn)子的電勢。改變逆變器中晶閘管的逆變角電勢。改變逆變器中晶閘管的逆

5、變角，就可以改變附加電勢的大小，從就可以改變附加電勢的大小，從而實現(xiàn)異步電動機的串級調(diào)速。而實現(xiàn)異步電動機的串級調(diào)速。 10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)Page 9變頻調(diào)速系統(tǒng) 通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速過程中，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。可以認為，變頻調(diào)速是異步電動機調(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、寬度來完成， 所以現(xiàn)代變頻器產(chǎn)品的主導(dǎo)設(shè)計思想是在逆變器側(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)計思想源于通信系統(tǒng)中的載波調(diào)制技術(shù)， 1964年由德國科學(xué)家率先提出并付諸實施。 用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM變頻器， 使近代交流電動機調(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)制波形合成為例進行說明。 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與載波信號都是單極性弱電信號。 U相控制信號為單極性正弦波urU， 載波為高頻三角波ut； 中間的倒向信號作區(qū)分正、 負半周的矩形波； uUo即為負載U相的交流輸出信號。uturuturU02ttt倒向信號020uUouUo210.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM脈沖的生成-SPWM方法Page 16n 實現(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?。┛刂撇╱rU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阻容保護過流過壓單片機控制系統(tǒng)IGBT隔離驅(qū)動電路SPWM專用集成電路防沖擊保護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）。為提供啟動轉(zhuǎn)矩，在輸出頻率為0時需要有一個最小的輸出電壓Vmin。Page 20變頻器的四象限運行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機電動運行Page 21變頻器的四象限運行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機發(fā)電運行，直流母線電容儲能Page 22變頻器的四象限運行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機發(fā)電運行，制動電阻消耗能量Page 23變頻器的四象限運行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電機發(fā)電運行，回饋電能到電網(wǎng)Page 24變頻器的四象限運行10.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)多電機共母線運行，可通過直流母線傳遞能量

11、Page 25 20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標變換，把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展。 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 三相異步電動機的內(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)矩之間的對應(yīng)關(guān)系要用一系列的復(fù)雜矩陣才能表達， 因此， 實現(xiàn)異步電動機的精確控

12、制難度相當(dāng)大。 矢量變換控制提供了將交流電動機的數(shù)學(xué)模型通過矩陣變換等效為直流電動機進行控制的基本思想， 才使交流電動機在理論和實踐上獲得了比直流電動機更優(yōu)越的調(diào)速性能。 10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 27 等效交流電機繞組和直流電機繞組(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 由三相異步電動機的原理可知， 三相正弦交流電iU、 iV、 iW時， 在空間上會建立一個轉(zhuǎn)速為n1的旋轉(zhuǎn)磁場， 如圖(a)所示。 事實上， 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場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， 也能建立一個旋轉(zhuǎn)磁場， 如圖(b)所示。 當(dāng)該旋轉(zhuǎn)磁場的大小和轉(zhuǎn)向與三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同時， 則認為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)生兩個旋轉(zhuǎn)磁場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， 則可以建立一個不會旋轉(zhuǎn)的磁場， 但如果讓M、 T軸都以n1的同步速旋轉(zhuǎn)起來， 也可以獲得與上述兩圖同樣效果的旋轉(zhuǎn)磁場。 圖(c)被稱為兩相旋轉(zhuǎn)軸系， 在該軸系中， 因為使用兩個互相獨立的直流電流im、 it進行控制， im為勵磁分量， it為轉(zhuǎn)矩分量， 所以可以實現(xiàn)類似于直流電動機的控制性能。 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數(shù)學(xué)上的坐標變換， 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。 實質(zhì)上就是通過數(shù)學(xué)變換把三相交流電動機的定子電流iU、 iV、 iW分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量， 以便像直流電動機那樣實現(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 由于機電一體化技術(shù)的發(fā)展， 矢量控制在各類電動機的控制中均獲得普遍應(yīng)用。 矢量變換控制對于三相異步電動機， 主要用于變頻器電動機調(diào)速系統(tǒng)或交流伺服系統(tǒng)（尤其是在大功率伺服場合）。 10.2 交流調(diào)速的矢量控制Page 34 無刷直流電動機又稱為無換向器電動機， 由永磁式同步電動機、 磁極位置傳感器和功率電子開關(guān)電路三部分組

16、成。 永磁式同步電動機的定子繞組可采用三相或多相繞組， 空間上均勻分布， 只要通以錯開一定相位的交流電就能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。 其轉(zhuǎn)子磁極由永久磁體構(gòu)成， 當(dāng)定子通電時， 轉(zhuǎn)子受旋轉(zhuǎn)磁場的牽引作同步旋轉(zhuǎn)。 磁極位置傳感器安裝于永磁式同步電動機的內(nèi)部， 用來檢出轉(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 無刷直流電動機的調(diào)速Page 35無刷直流電機實物定子定子轉(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 無刷直流電動機的調(diào)速Page 36三相繞組無刷直流電動機的電機本體示意圖三相繞組無刷直流電動機的電機本體示意圖 BABNCCVP1VP3VP2S

17、NSACBSSABCNAVP1VP3VP2(a)(b)ABSCANBCVP1VP3VP2(c)NSN10.3 無刷直流電動機的調(diào)速Page 37n 電子開關(guān)電路則根據(jù)位置傳感器檢出的轉(zhuǎn)子位置信號， 運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。 由于電子開關(guān)電路的作用與直流電動機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到直流電動機的控制性能， 故使用了無刷直流電動機這個術(shù)語。 但就控制對象（永磁式同步電動機）來講， 無刷直流電動機屬于交流電動機的控制范疇。 10.3 無刷直流電動機的調(diào)速Page 38VT3VT2VT1CCBBAA隔 離驅(qū) 動運 算判斷VP1VP2VP3傳感器交流電源無刷直流電機的單相半控橋式電子開關(guān)電路示意圖。 電路接受三個轉(zhuǎn)子位置傳感器的電平信號， 將它們送到運算判斷電路及功率開關(guān)驅(qū)動電路， 控制功率開關(guān)VT1、 VT2、 VT3按特定通電模式運行， 實現(xiàn)電動機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。10.3 無刷直流電動機的調(diào)速Page 39三相全控橋式電子開關(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