三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制

1、BY LZJTU 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制BY LZJTU一、電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)：他勵(lì)、異勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)他勵(lì)、異勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)BY LZJTU二、異步電動(dòng)機(jī)n1磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）：磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）： BY LZJTUn2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速： 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)的選擇方向一致，但是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 ，所以稱(chēng)之為異步電動(dòng)機(jī)。 n3轉(zhuǎn)差率：轉(zhuǎn)差率：S0nBY LZJTU三、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速n1電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：調(diào)速方法：調(diào)速方法：1、改變磁極對(duì)數(shù)P2、改變轉(zhuǎn)差率S3、改變電源電壓頻率fBY LZJTUn2、具體分類(lèi)、具體分類(lèi)（1）轉(zhuǎn)差率不變變極對(duì)數(shù)變頻調(diào)速交-交變頻

2、器調(diào)速交-直-交變頻器調(diào)速（2）轉(zhuǎn)差率回饋型調(diào)速（3）轉(zhuǎn)差率消耗型調(diào)速電氣串級(jí)調(diào)速機(jī)械串級(jí)調(diào)速晶閘管串級(jí)調(diào)速變電源電壓調(diào)速電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（鼠籠式）（鼠籠式）（繞線(xiàn)式）（繞線(xiàn)式）n3調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)（1）靜態(tài)指標(biāo)：調(diào)速范圍：靜差率：指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，其最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比值，電器調(diào)速范圍要大于機(jī)械調(diào)速范圍。靜差率又稱(chēng)速度變化率，它反映了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定程度。BY LZJTU調(diào)速的平滑性： 電機(jī)在一定的轉(zhuǎn)矩下，相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比稱(chēng)為調(diào)速的平滑性，通常用k表示。K是衡量速度逐級(jí)變化的程度，調(diào)速級(jí)數(shù)越多，k越接近1，說(shuō)明平滑性越好。若為無(wú)極調(diào)速，k

3、=1，平滑性最好。（2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：最大超調(diào)量：超調(diào)量反映了調(diào)速系統(tǒng)趨向于穩(wěn)定性的程度，超調(diào)量小則說(shuō)明動(dòng)態(tài)響應(yīng)較平穩(wěn)。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間：系統(tǒng)階躍響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的百分之五范圍，并不再超出這個(gè)范圍所需的時(shí)間稱(chēng)為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它反映了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。n 4調(diào)速的名詞介紹調(diào)速的名詞介紹 （1）有級(jí)調(diào)速和無(wú)級(jí)調(diào)速：（2）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速： 有級(jí)調(diào)速又稱(chēng)分級(jí)調(diào)速，這種調(diào)速方法調(diào)整簡(jiǎn)單，方便，但速度變化的起伏較大。 無(wú)級(jí)調(diào)速又稱(chēng)連續(xù)調(diào)速，指電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可以平滑進(jìn)行，轉(zhuǎn)速變化均勻，適應(yīng)性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)調(diào)速自動(dòng)化。 電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載的大小來(lái)決定的，對(duì)于不同的負(fù)載類(lèi)型，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和功率不是

4、一個(gè)定值。負(fù)載的性質(zhì)分為兩種，一類(lèi)是恒轉(zhuǎn)矩，一類(lèi)是恒功率，為了充分利用電動(dòng)機(jī)容量，常要采用與負(fù)載性質(zhì)相一致的調(diào)速方法。BY LZJTU四、異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速n1變頻調(diào)速的工作原理變頻調(diào)速的工作原理n2調(diào)速控制方式調(diào)速控制方式 式中的電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p一定，改變電源頻率f，即可改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速，而且隨著同步轉(zhuǎn)速而變化。電源頻率增加，同步轉(zhuǎn)速也增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加，反之降低。這種通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速的調(diào)速過(guò)程稱(chēng)為變頻調(diào)速。（1）電源頻率低于工頻范圍調(diào)節(jié)電源的工頻頻率為50赫茲，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：定子電壓 與定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 的關(guān)系為：忽

5、略定子的漏抗：可得出BY LZJTU 可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與 成正比，若下調(diào)電源頻率f，同時(shí)也下調(diào)U，使 比值保持為恒定量，則磁通 不變。因此，轉(zhuǎn)矩也保持常值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的能力不發(fā)生改變，這種控制方式為恒磁通調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速，也叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（2）電源頻率高于工頻范圍調(diào)節(jié) 由于使電源頻率f增加， 變小，而U不能高于額定電壓，在控制方式中，保持U不變，由于頻率變高，由 式知道，定子磁通 變小，電磁轉(zhuǎn)矩T也變小，但電源頻率增加導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速n也增加，設(shè)電動(dòng)機(jī)的角速度 ，電動(dòng)機(jī)的功率P是電磁轉(zhuǎn)矩T與角速度 的乘積 調(diào)節(jié)過(guò)程中，使頻率f與轉(zhuǎn)矩的變化呈一定的協(xié)調(diào)關(guān)系，從而保持電動(dòng)機(jī)的功率P為恒定量

6、，即功率不發(fā)生變化，這種升頻定壓調(diào)速為恒壓調(diào)速。BY LZJTU4變頻調(diào)速的核心設(shè)備變頻調(diào)速的核心設(shè)備變頻器變頻器（1）變頻器：（2）變頻器的特點(diǎn)： 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能 實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。（3）變頻器的基本組成 變頻器通常分為變頻器通常分為4部分：部分：整流單元、高容量電容、變頻器和控制器。 整流單元：整流單元：將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 高容量電容：高容量電容：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。 逆變器：逆變器：由大功率開(kāi)關(guān)晶體管陣列組成電子開(kāi)關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成

7、不同頻率、寬度、幅度的方波。 控制器：控制器：按設(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。 （4）變頻器的分類(lèi)按變換的環(huán)節(jié)分類(lèi)：按變換的環(huán)節(jié)分類(lèi)： （1）交-直-交變頻器，則是先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱(chēng)間接式變頻器，是目前廣泛應(yīng)用的通用型變頻器。 （2）可分為交-交變頻器，即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱(chēng)直接式變頻器 按直流電源性質(zhì)分類(lèi)：按直流電源性質(zhì)分類(lèi)： （1）電壓型變頻器 電壓型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較

8、小，相當(dāng)于電壓源，故稱(chēng)電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。 （2）電流型變頻器 電流型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，緩沖無(wú)功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱(chēng)電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負(fù)載電流變化較大的場(chǎng)合。 按主電路工作方法分類(lèi)：按主電路工作方法分類(lèi)：電壓型變頻器、電流型變頻器 按照工作原理分類(lèi)：按照工作原理分類(lèi)：可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等 按照開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)：按照開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)：可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PW

9、M控制變頻器 按變頻器調(diào)壓方法：按變頻器調(diào)壓方法： 、PAM變頻器是一種通過(guò)改變電壓源Ud 或電流源Id的幅值進(jìn)行輸出控制的。 、PWM變頻器方式是在變頻器輸出波形的一個(gè)周期產(chǎn)生個(gè) 脈沖波個(gè)脈沖，其等值電壓為正弦波，波形較平滑。 按電壓性質(zhì)分類(lèi)：按電壓性質(zhì)分類(lèi)： 、交流變頻器：AC-DC-AC（交-直-交）、AC-AC（交-交） 、直流變頻器：DC-AC（直-交） BY LZJTUn交交直直交變頻器交變頻器主電路組成整流部分整流部分交-直-交變頻器的整流部分所采用的是三相橋式整流電路三相橋式整流電路三相橋式整流電路共陰極組中陽(yáng)極電位最高的二極管導(dǎo)通；共陰極組中陽(yáng)極電位最高的二極管導(dǎo)通；晶閘管及

10、輸出整流電壓的情況晶閘管及輸出整流電壓的情況三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)（1）兩個(gè)管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1，且不能為同1相器件。（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與與VT4，VT3與與VT6，VT5與與VT2，脈沖相差180。（3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖 可采用兩種方法：一種是

11、寬脈沖觸發(fā) 一種是雙脈沖觸發(fā)（常用） (5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。按逆變器開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)：按逆變器開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)：PAM、PWM、高載頻、高載頻PWM1 PAM脈沖振幅調(diào)制控制：脈沖振幅調(diào)制控制：是改變電壓源幅值或電流源幅值的一種控制輸出方式。整流電路整流電路輸出幅度可調(diào)節(jié)直流電壓輸出幅度可調(diào)節(jié)直流電壓(流流),相控整流或斬波。相控整流或斬波。逆變電路逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變與調(diào)頻實(shí)現(xiàn)逆變與調(diào)頻,開(kāi)關(guān)頻率與輸出電壓頻率相同開(kāi)關(guān)頻率與輸出電壓頻率相同 。優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì):電機(jī)運(yùn)行噪聲小電機(jī)運(yùn)行噪聲小,效率高效率高.缺點(diǎn)缺點(diǎn):調(diào)電壓與調(diào)頻率分開(kāi)調(diào)電壓與調(diào)頻率分開(kāi)

12、,控制電路復(fù)雜控制電路復(fù)雜;電機(jī)低速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大電機(jī)低速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大.2 PWM脈寬調(diào)制控制：脈寬調(diào)制控制：PWN控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需的波形。PWN逆變電路的控制方法：（1）計(jì)算法： 根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。（2）調(diào)制法：結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。以u(píng)o正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4

13、交替通斷。負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud 。V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=0。負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間， V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud 。V4關(guān)斷V3開(kāi)通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0。uo總可得到Ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)啵琕3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。電壓型變頻器和電流型變頻器之間的性能差異電壓型變頻器和電流型變頻器之間的性能差異 1.無(wú)功能量的緩沖變頻器的負(fù)載是異步電動(dòng)機(jī)，屬感性負(fù)載，中間直流

14、環(huán)節(jié)與電機(jī)之間除了傳遞有功功率外，還存在無(wú)功功率的交換。由于電力電子開(kāi)關(guān)器件無(wú)法儲(chǔ)能，無(wú)功能量只能靠?jī)?chǔ)能元件(濾波器)來(lái)緩沖。兩類(lèi)變頻器的區(qū)別在于用什么儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖無(wú)功能量。 2.再生制動(dòng)二者有很大區(qū)別。 3.調(diào)速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)電流型變頻器的直流電壓可以迅速改變大小和方向，所以由它供電的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快。相比之下，電壓型變頻器，由于濾波電容的充放電作用使直流電壓變化緩慢，故其動(dòng)態(tài)響應(yīng)也慢。 4.適用范圍電壓型變頻器適用于不可逆調(diào)速系統(tǒng)且無(wú)需經(jīng)常加減速的場(chǎng)合，并適用于多電機(jī)傳動(dòng)。電流型變頻器則適用于要求快速制動(dòng)及可逆運(yùn)行的場(chǎng)合。正弦電壓波形與SPWN逆變器輸出電壓波形電流跟蹤型電流跟蹤型P

15、WM（滯環(huán)電流跟蹤）（滯環(huán)電流跟蹤） 正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）著眼于對(duì)電壓進(jìn)行控制，使輸出電壓盡可能等效成正弦波。實(shí)際上，對(duì)電動(dòng)機(jī)電流的控制更為重要，電流跟蹤型PWM直接控制輸出電流，使之跟蹤正弦給定電流的變化。 在電流跟蹤型PWM方法中，將電流波形作為指令信號(hào)，將實(shí)際電流作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路相關(guān)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)的變化。M3邏輯邏輯控制控制R1R2i*iVT1VT4UdU電電流流檢檢測(cè)測(cè)電流電流指令指令電流反饋電流反饋VccVT3VT2VT5VT6滯環(huán)比較滯環(huán)比較器器滯環(huán)上限滯環(huán)上限滯環(huán)下滯環(huán)下限限滯環(huán)電流型跟蹤PWN逆變器結(jié)構(gòu)電壓SP

16、WN波形的產(chǎn)生矢量變頻控制矢量變頻控制一、矢量控制基本概念一、矢量控制基本概念1. 控制策略：控制策略： 矢量控制理論上世紀(jì)70年代西門(mén)子公司工程師F.Blaschke首先提出，用來(lái)解決交流電動(dòng)機(jī)控制問(wèn)題。 磁場(chǎng)定向原理：分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距的目的。 利用“等效”的概念，將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅度和相位，即控制定子電流矢量，所以稱(chēng)這種控制方式稱(chēng)為矢量控制方式。2. 矢量控制的性能特點(diǎn)：矢量控制的性能特點(diǎn)：（1）不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)

17、機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距。 （2）異步電動(dòng)機(jī)上需同軸安裝編碼器，用于轉(zhuǎn)子角位移測(cè)量和轉(zhuǎn)速測(cè)量。 （3）矢量變頻器具有異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、辯識(shí)和自適應(yīng)等功能。在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。二、電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量二、電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量1矢量控制需要的參數(shù)：矢量控制需要的參數(shù)：（1）電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、磁極對(duì)數(shù)、效率等。（2）電動(dòng)機(jī)的繞組數(shù)據(jù)定子電阻、定子漏磁電抗、轉(zhuǎn)子等效電阻、轉(zhuǎn)子等效漏磁電抗、空載電流等。3. 矢量等效變換矢量等效變換三相兩相坐標(biāo)

18、系的變換矩陣兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣4. 矢量控制框圖矢量控制框圖四、直接轉(zhuǎn)矩控制四、直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制DTC（Direct Torque Control）是繼矢量控制VC之后發(fā)展起來(lái)的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，于1985年由德國(guó)M.Depnbrock首先提出來(lái)。直接轉(zhuǎn)矩控制是因?yàn)槔棉D(zhuǎn)矩反饋直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩而得名。直接轉(zhuǎn)矩控制是建立在定子靜止兩相坐標(biāo)基礎(chǔ)上的，采用定子磁場(chǎng)定向方法，這與矢量控制不同，矢量控制采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方法。直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)現(xiàn)象，且調(diào)速范圍不夠?qū)挕Ｖ苯愚D(zhuǎn)矩控制的基本特點(diǎn):1 直接轉(zhuǎn)矩控制策略采用電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)結(jié)構(gòu)將逆變器與電機(jī)結(jié)合為一體，利用空間電壓