《自動控制系統(tǒng)》第二篇

2023/2/41電力拖動自動控制系統(tǒng)

——運動控制系統(tǒng)多媒體課件

第2篇交流拖動控制系統(tǒng)第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/43內(nèi)容提要概述交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率消耗型閉環(huán)控制的異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率不變型繞線轉(zhuǎn)子異步電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/44概述

直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先后誕生.在20世紀上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世,并已獲得實際應用,但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/45

直到20世紀60~70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應運而生，一直被認為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/46

這時，直流電機具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機的應用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機的容量和速度等缺點日益突出起來，用交流可調(diào)拖動取代直流可調(diào)拖動的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/47異步交流電機工作原理2023/2/48同步交流電機工作原理2023/2/49交流拖動控制系統(tǒng)的應用領(lǐng)域主要有三個方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/410

一般性能的節(jié)能調(diào)速

在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中,風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨?其中有不少場合并不是不需要調(diào)速,只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速,不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風和供水的流量,因而把許多電能白白地浪費了.如果換成交流調(diào)速系統(tǒng),把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來,每臺風機、水泵平均都可以節(jié)約20~30%以上的電能。但風機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高,只需要一般的調(diào)速性能。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/411

高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)

許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/412

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)第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/4133.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過106kW·r/min，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設(shè)備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動,如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/414交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型

交流電機主要分為異步電機(即感應電機)和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。現(xiàn)有文獻中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進行分類。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/4151.按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；⑤變極對數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等等。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/416~2.按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類

按照交流異步電機的原理,從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分:一部分是拖動負載的有效功率,稱作機械功率;另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率,與轉(zhuǎn)差率s成正比PmechPmPs第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/417即:Pm=Pmech+PsPs=sPm

Pmech=(1–s)Pm

從能量轉(zhuǎn)換的角度上看,轉(zhuǎn)差功率是否增大,是消耗掉還是得到回收,是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志.從這點出發(fā),可以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類.第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/418轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的(恒轉(zhuǎn)矩負載時)?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應用價值。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/419

轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/420轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/4213.同步電機的調(diào)速

同步電機沒有轉(zhuǎn)差,也就沒有轉(zhuǎn)差功率,所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型(恒等于0)的，而同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的,因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。第2篇交流拖動控制系統(tǒng)2023/2/422雙向晶閘管串接在三相電路中變壓M3~~TVC利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速

TVC——雙向晶閘管交流調(diào)壓器5.2異步電動機變壓調(diào)速電路2023/2/423

雙向晶閘管交流調(diào)壓器的變壓控制方式相位控制通斷控制5.2異步電動機變壓調(diào)速電路2023/2/424采用晶閘管反并聯(lián)供電方式,實現(xiàn)異步電動機可逆和制動.

三對晶閘管反并聯(lián)變壓5.2異步電動機變壓調(diào)速電路工作原理繼續(xù)2023/2/425直接起動一次起動軟起動5.6變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中的應用2023/2/426Us*

當負載轉(zhuǎn)矩一定時，輕載降壓節(jié)能有一個最佳電壓值,此時效率最高,這樣,=f(Us)的曲線可由試驗取得.max最佳電壓5.6變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中的應用2023/2/427異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應用面很廣，是本篇的重點。第6章籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)第6章籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(VVVF系統(tǒng))2023/2/428本章提要6.1

變壓變頻調(diào)速的基本控制方式6.2

異步電動機電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性6.3*電力電子變壓變頻器的主要類型第6章籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(VVVF系統(tǒng))2023/2/4296.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

在進行電機調(diào)速時,常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變.如果磁通太弱,沒有充分利用電機的鐵心,是一種浪費；如果過分增大磁通,又會使鐵心飽和,從而導致過大的勵磁電流,嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/430對于直流電機,勵磁系統(tǒng)是獨立的,控制m保持不變很容易做到.在交流異步電機中,磁通m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生,要保持磁通恒定就需要費一些周折.f1—定子頻率Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)KNs—基波繞組系數(shù)Φm—每極氣隙磁通量定子每相電動勢有效值：6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/431

只要控制好定子每相電動勢的有效值Eg和定子頻率f1,便可達到控制磁通m的目的,對此,需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況.6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/432

要保持m不變,當頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時,必須同時降低Eg,使:即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式

1.基頻以下調(diào)速

然而,繞組中的感應電動勢是難以直接控制的,當電動勢值較高時,可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降,而認為定子相電壓Us≈Eg,則得恒壓頻比的控制方式6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/433OUsf1f1N

但是,在低頻時Us和Eg都較小,定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著,不再能忽略.這時,需要人為地把電壓Us抬高一些,以便近似地補償定子壓降.UsNa—無補償

b—帶定子壓降補償

帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/4342.基頻以上調(diào)速

頻率從f1N向上升高,但定子電壓Us不可能超過額定電壓UsN,最多只能保持Us=UsN,這將迫使磁通與頻率成反比地降低,相當于直流電機弱磁升速的情況.

如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負載都能使電流達到額定值,即都能在允許溫升下長期運行,則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化.6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/435ΦmUsf1Of1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速

按照電力拖動原理,在基頻以下,磁通恒定時轉(zhuǎn)矩恒定,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,而在基頻以上,轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低,基本上屬于恒功率調(diào)速.6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/4366.3電力電子變壓變頻器的主要類型

如前所述,對于異步電機的變壓變頻調(diào)速,必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源,而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源,因此應該配置變壓變頻器,又稱VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)裝置.

最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機組,即由直流電動機拖動交流同步發(fā)電機,調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機輸出電壓和頻率.自從電力電子器件廣泛應用以后,旋轉(zhuǎn)變頻機組→靜止式的變壓變頻器.6.3電力電子變壓變頻器的主要類型2023/2/437本節(jié)提要6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器6.3.2電壓源型和電流源型逆變器6.3.3180o導通型和120o導通型逆變器6.3電力電子變壓變頻器的主要類型2023/2/4386.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器

從整體結(jié)構(gòu)上看,電力電子變壓變頻器可分為交—直—交和交—交兩大類.交—直—交變壓變頻器交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流,再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流,如下圖所示:變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)DC整流AC50Hz~逆變AC6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/439

這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”,所以又稱間接式的變壓變頻器.

具體的整流和逆變電路種類很多,當前應用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關(guān)器件(例如P-MOSFET,IGBT等)組成的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器,簡稱PWM變壓變頻器,如下圖所示.AC50Hz~PWM逆變器AC調(diào)壓調(diào)頻DC二極管不控整流器C6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/440

PWM變壓變頻器的優(yōu)點在主電路整流和逆變兩個單元中,只有逆變單元可控,通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率,結(jié)構(gòu)簡單.采用全控型的功率開關(guān)器件,只通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制,電路簡單,效率高.輸出電壓波形雖是一系列的PWM波,但由于采用了恰當?shù)腜WM控制技術(shù),正弦基波的比重較大,影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制,因而轉(zhuǎn)矩脈動小,提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能.6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/441逆變器同時可調(diào)壓和調(diào)頻,動態(tài)響應不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響,系統(tǒng)的動態(tài)性能得以提高.采用不可控的二極管整流器,電源側(cè)功率因素較高,且不受逆變輸出電壓大小的影響.常用的功率開關(guān)器件:P-MOSFET(小),IGBT(中小),GTO(大中)和替代GTO的電壓控制器件IGCT和IEGT等.6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/442特大容量電機的交-直-交變壓變頻器的結(jié)構(gòu)DCSCR可控整流器AC50Hz~六拍逆變器AC調(diào)頻調(diào)壓

受到開關(guān)器件額定電壓和電流的限制,對于特大容量電機的變壓變頻調(diào)速仍只好采用半控型的晶閘管(SCR),并用可控整流器調(diào)壓和六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器.6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/443交-交變壓變頻器

交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示,它只有一個變換環(huán)節(jié),把恒壓恒頻(CVCF)的交流電源直接變換成變壓變頻的交流電源(VVVF)輸出,因此又稱直接式變壓變頻器.有時為了突出其變頻功能,也稱作周波變換器(Cycloconverter).交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/444

常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路.

也就是說,每一相都相當于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路。VRVFId-Id+--+負載50Hz~50Hz~u0交-交變壓變頻器每一相的可逆線路6.3.1交-直-交和交