華科 第5章(電力拖動(dòng)控制系統(tǒng))資料

1、5.1.1 交流調(diào)速的發(fā)展(fzhn)概況交流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)：由交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好直流電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)：體積大、容量小、制造成本高、有機(jī)械換向裝置，維護(hù)困難 20世紀(jì)70年代，研究開發(fā)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，期望用它來節(jié)約能源。 同期，電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、各種控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的 飛速發(fā)展，為交流調(diào)速電力拖動(dòng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡單可靠，維護(hù)少，無機(jī)械換向火花，制造成本低51 交流調(diào)速系統(tǒng)概述 20世紀(jì)80年代，原有的交直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的分工格局被逐漸打破。 目前的許多交流調(diào)速系統(tǒng)在裝置容量上

2、、動(dòng)靜態(tài)性能上、可四象限運(yùn) 行的要求上，以至在系統(tǒng)制造成本上都可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 第5章 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 20世紀(jì)90年代，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)占到了調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。 共十九頁勵(lì)磁(l c)同步電動(dòng)機(jī) 5.1.2交流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的分類交流電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī) 永磁同步電動(dòng)機(jī) 無刷直流電動(dòng)機(jī)及開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)都滿足“定子電流的頻率與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格比例關(guān)系”的條件，所以也把它歸入同步電動(dòng)機(jī)。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率有嚴(yán)格比例關(guān)系的電動(dòng)機(jī)稱同步電動(dòng)機(jī)，無嚴(yán)格比例關(guān)系的電動(dòng)機(jī)稱異步電動(dòng)機(jī)。特種同步電動(dòng)機(jī) 無刷直流電動(dòng)機(jī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)直流無換向器電動(dòng)機(jī)交流無換向器電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)

3、機(jī)是定子繞組通入交流電(或周期脈沖電流)的電機(jī)，其定子磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)(或步進(jìn)旋轉(zhuǎn))的磁動(dòng)勢(shì)。同步電動(dòng)機(jī) 共十九頁交流(jioli)調(diào)速系統(tǒng)的分類電動(dòng)機(jī)類別調(diào)速原理電力電子變換器形式變換器的電源特性異步電動(dòng)機(jī)繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速（變轉(zhuǎn)差）交直交變頻（整流有源逆變）交交變頻電流源型鼠籠式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速交流調(diào)壓電壓源型變頻調(diào)速，他控式變頻調(diào)速，矢量控制交直交變頻（整流無源逆變）交交變頻電流源型電壓源型同步電動(dòng)機(jī)常規(guī)意義同步電動(dòng)機(jī)無換向器電機(jī)變頻調(diào)速，自控式交直交變頻（可控整流有源逆變）交交變頻電流源型無刷直流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，自控式交直交變頻電壓源型開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，自控式交直

4、交，（單極性脈動(dòng)電流）共十九頁5.1.3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的分類1.異步電動(dòng)機(jī)功率(gngl)(能量)圖從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率總機(jī)械功率轉(zhuǎn)子銅耗（轉(zhuǎn)差功率）定義：轉(zhuǎn)差功率 Ps s Pm共十九頁2.常見的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速類別（按主要特征(tzhng)分類） 調(diào)壓調(diào)速； 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子回路(hul)串電阻調(diào)速；串級(jí)調(diào)速； 變極調(diào)速；變頻調(diào)速； 定子回路串電抗調(diào)速。 3 調(diào)速系統(tǒng)按所改變的物理量分類 （1）變頻調(diào)速 （2）變極調(diào)速 （3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 4. 按轉(zhuǎn)差功率Ps 去向分類（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型（系統(tǒng)效率較低） （2）轉(zhuǎn)差功率回饋型（把部份轉(zhuǎn)差功率送回電網(wǎng)）

5、（系統(tǒng)效率稍高） （3）轉(zhuǎn)差功率不變型（系統(tǒng)效率最高） 共十九頁5.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)（交調(diào)系統(tǒng)(xtng)） 該系統(tǒng)(xtng)使用的電動(dòng)機(jī)一般是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)。5.2.1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的開環(huán)機(jī)械特性 低轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的開環(huán)機(jī)械特性 當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，盡管電壓改變很大，但速度的變化并不大。系統(tǒng)能調(diào)速的最大區(qū)域只在轉(zhuǎn)差率 之間 當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載時(shí)不再受Sm的限制， 異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性方程 風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 ，為減小損耗，電動(dòng)機(jī)在額定點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率一般在0.020.06之間，最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率也較小，在0.15左右共十九頁異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓

6、調(diào)速時(shí)的開環(huán)機(jī)械(jxi)特性高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)交流力矩電動(dòng)機(jī)為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(fzi)下擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速的范圍，這就要求電動(dòng)機(jī)有較大的Sm可以使用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)或者交流力矩電動(dòng)機(jī)，這兩類電機(jī)通過增大轉(zhuǎn)子電阻使電機(jī)的機(jī)械特性變軟，Sm增大，拓寬了低速運(yùn)行區(qū) 。 交流力矩電動(dòng)機(jī)允許電動(dòng)機(jī)長期堵轉(zhuǎn)及低速運(yùn)行， Sm等于1，電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)就是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，額定點(diǎn)就是堵轉(zhuǎn)點(diǎn)。 高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)兼顧了高速及低速的性能，額定轉(zhuǎn)差率一般在0.070.13之間， Sm一般在0.5左右，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也較大，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩。 共十九頁5.2.2 調(diào)壓調(diào)速主電路(dinl)串聯(lián)分段(fn dun)電抗器降壓 串聯(lián)飽和電

7、抗器降壓 串聯(lián)飽和電抗器降壓降壓調(diào)速原理缺點(diǎn)：需體積龐大且笨重的設(shè)備，自電力電子技術(shù)發(fā)展起來已很少采用。自耦變壓器調(diào)壓 現(xiàn)在調(diào)壓調(diào)速設(shè)備一般采用由晶閘管構(gòu)成的負(fù)載Y接法的晶閘管相控交流調(diào)壓器 VVC為相控交流調(diào)壓器，由三只雙向晶閘管或三對(duì)反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成，電動(dòng)機(jī)定子繞組接成Y接法 V VC工作原理早期的 方法有： VR為可控整流橋，制動(dòng)時(shí)用共十九頁5.2.3 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的系統(tǒng)(xtng)原理圖 異步電動(dòng)機(jī)速度單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)控制的對(duì)象(duxing)：電動(dòng)機(jī)的端電壓 速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出： 電壓指令信號(hào) 交流調(diào)壓器的輸出電壓 U1與移相控制角之間有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，U

8、1 與是一一對(duì)應(yīng)且是唯一的，因此速度調(diào)節(jié)器的輸出可直接作為角的指令值而不必再加電壓閉環(huán) 限流環(huán)節(jié)檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的定子電流，與給定的限流值進(jìn)行比較 GB框內(nèi)的曲線是其輸入輸出曲線 帶電流限流環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)共十九頁不但(bdn)與 角的大小有關(guān)，還與負(fù)載的功率因數(shù)角有關(guān)。 VVC，5.2.4 系統(tǒng)(xtng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其靜特性異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ASR是速度調(diào)節(jié)器，采用PI調(diào)節(jié)器 該系統(tǒng)與直流VM系統(tǒng)有許多本質(zhì)上的不同之處 是一個(gè)復(fù)雜的非線性函數(shù)，且 、 也不是一個(gè)定值，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而大幅度變化可見用穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算求解某些性能或確定控制調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)其結(jié)果是近似的。 只要改

9、變轉(zhuǎn)速給定信號(hào)就可以使靜特性平行地上下移動(dòng)，達(dá)到調(diào)速的目的。 靜特性 是一個(gè)無靜差的系統(tǒng) 左、右極限 異步電機(jī)，共十九頁5.2.5 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的制動(dòng) 交調(diào)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，通常采用在定子繞組(roz)中通入直流電流（能耗制動(dòng)）的方法。 可控制整流橋VR就是為制動(dòng)而設(shè)置的。1C斷開、2C閉合、VR工作時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，直到電機(jī)停轉(zhuǎn)。 通直流時(shí)，電機(jī)繞組的兩種常用接法： 調(diào)節(jié)可控整流電路輸出電流Id 的大小，就可改變合成磁勢(shì)Fs 的大小,就改變了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小。共十九頁a) 等效電路圖 b)波形圖 觸發(fā)VT1、VT6工作，恒關(guān)斷VT2、VT3、VT4、VT5，則A、B兩相的

10、繞組反向串聯(lián)(chunlin)后接在一個(gè)半波整流電路的輸出端上 改變控制角的大小，可改變平均(pngjn)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小。 利用交流調(diào)壓器主電路來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般較小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。 能耗制動(dòng)時(shí)，電源輸入的能量消耗在電機(jī)的定子繞組上，拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能所轉(zhuǎn)變成的電能都消耗在電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上， 利用交流調(diào)壓器的主電路來實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)發(fā)熱嚴(yán)重。共十九頁5.2.6 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的效率及電機(jī)(dinj)冷卻當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低（s增大）時(shí)，電動(dòng)轉(zhuǎn)子(zhun z)銅耗增加，電動(dòng)機(jī)的效率下降，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱將增加。交流力矩電機(jī)：電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)就允許電機(jī)長期堵轉(zhuǎn)運(yùn)行，電機(jī)出廠時(shí)就帶有他扇冷式的強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)

11、這類電動(dòng)機(jī)不用再考慮發(fā)熱問題。 低轉(zhuǎn)差率電機(jī)：電機(jī)只能在轉(zhuǎn)差小于額定轉(zhuǎn)差下連續(xù)運(yùn)行，低速運(yùn)行時(shí)一方面電機(jī)發(fā)熱增加，另一方面因轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)軸上風(fēng)扇的通風(fēng)效果減弱，使電機(jī)會(huì)產(chǎn)生過熱。這類電機(jī)只能短時(shí)間內(nèi)低速運(yùn)行，或應(yīng)重新考慮電動(dòng)機(jī)的散熱條件，防止電機(jī)過熱而燒毀。高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)：介于上述兩種電機(jī)之間，使用中根據(jù)實(shí)際的工況來決定是否需要加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。 效率及電機(jī)發(fā)熱 電機(jī)冷卻共十九頁5.2.7 系統(tǒng)(xtng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 交流電動(dòng)機(jī)中的機(jī)、電、磁三種物理量的多變量之間的強(qiáng)耦合，參數(shù)的時(shí)變性及參數(shù)之間關(guān)系的非線性，使得建立交流調(diào)速系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型極為(j wi)困難。 只能在一些強(qiáng)假定條件

12、下簡化后，來建立其近似的數(shù)學(xué)模型： 異步電動(dòng)機(jī)的微偏線性化近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 傳遞函數(shù)為： 共十九頁53 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的應(yīng)用與節(jié)能缺點(diǎn)：調(diào)速范圍不大，調(diào)速精度低，調(diào)速時(shí)電機(jī)(dinj)發(fā)熱嚴(yán)重優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，成本低廉主要的應(yīng)用領(lǐng)域 1需要調(diào)速運(yùn)行的場(chǎng)合2異步電動(dòng)機(jī)“軟起動(dòng)”裝置3風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速節(jié)能 交流調(diào)壓象限，能耗制動(dòng)象限，配合接觸器四象限 因此，需要調(diào)速運(yùn)行的工作機(jī)械或負(fù)載，理論上都可以使用調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn) ，例“交調(diào)”電梯。（注意：選用合適電機(jī)，電機(jī)冷卻問題） 異步電動(dòng)機(jī)的“軟起動(dòng)裝置”：利用帶有限流環(huán)節(jié)的交流調(diào)壓器 就可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)，起動(dòng)電流

13、的最大值可限定。 若使軟起動(dòng)裝置同時(shí)帶有一定的調(diào)速功能，則稱之為： 異步電動(dòng)機(jī)的“多功能控制器”。 風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速節(jié)能是調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用得最多的領(lǐng)域之一。共十九頁風(fēng)機(jī)(fn j)、泵類的調(diào)速節(jié)能 應(yīng)用條件風(fēng)機(jī)、水泵用不調(diào)速的交流電機(jī)，依賴于風(fēng)門檔板和閥門來調(diào)節(jié)(tioji)流量，使大量的電功率白白消耗在檔板和閥門上。 選用的理由風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，因此對(duì)調(diào)速范圍的要求不大，調(diào)速的精度要求也不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更是幾乎沒有要求，這些特征都使廉價(jià)的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)成為風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速改造的首選系統(tǒng)。 節(jié)能原理當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，電機(jī)損耗增加，效率降低，電機(jī)本身在這個(gè)過程中不

14、但沒有節(jié)能，反而是增加了損耗。但風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)省的能量大于電機(jī)所增加的損耗，從總體效果上看是節(jié)能了。轉(zhuǎn)速（r/min)輸出功率(kW)轉(zhuǎn)差功率(kW )輸入功率(kW)電機(jī)原狀態(tài)1450 (s=0.0333)1003.45103.45電機(jī)現(xiàn)狀態(tài)1305 (s=0.13)1000.93 =72.910.8983.79共十九頁5.4 電磁(dinc)轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)同極性磁場(chǎng)的電磁轉(zhuǎn)差離合器結(jié)構(gòu)圖1.從動(dòng)軸 2.左端蓋 3.磁通4.勵(lì)磁線圈 5.機(jī)座 6.圓筒形電樞7.齒輪(chln)形磁極 8.異步電動(dòng)機(jī) 9.主動(dòng)軸異極性磁場(chǎng)分布的電磁轉(zhuǎn)差離合器 電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生示意圖 工作原理 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理（以異極性磁場(chǎng)為例） 在同一轉(zhuǎn)差下，轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁電流的增大而增大 在同一勵(lì)磁電流下，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差的增大而增大共十九頁電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)(xtng)原理圖 靜特性(txng)理想空載點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，而不是同步速n1 無靜差調(diào)速系統(tǒng) 速度單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 共十九頁內(nèi)容摘要5.1.1 交流調(diào)速的發(fā)展概況。20世紀(jì)80年代，原有的交直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的分工格局被逐漸打破。繞線轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速。為了(wi le)能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速的