青岛科技大学运动控制系统第5章基于稳态数学模型的异步电动机调速系统.ppt_第1页
青岛科技大学运动控制系统第5章基于稳态数学模型的异步电动机调速系统.ppt_第2页
青岛科技大学运动控制系统第5章基于稳态数学模型的异步电动机调速系统.ppt_第3页
青岛科技大学运动控制系统第5章基于稳态数学模型的异步电动机调速系统.ppt_第4页
青岛科技大学运动控制系统第5章基于稳态数学模型的异步电动机调速系统.ppt_第5页
已阅读5页,还剩224页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

第 2 篇,运动控制系统,交流拖动控制系统,概 述,直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里,鉴于直流拖动具有优越的调速性能,高性能可调速拖动都采用直流电机,而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机,这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世,并已获得实际应用,但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。,概 述,直到20世纪6070年代,随着电力电子技术的发展,使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现,特别是大规模集成电路和计算机控制的出现,高性能交流调速系统便应运而生,一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。,概 述,这时,直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来,用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈,交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。,概 述,在传动系统中新的格局已形成: 交流调速系统上升到主导地位, 并逐渐取代直流调速系统。,交流调速的难点和复杂性,交流调速系统与直流调速系统相比有很多好处,但为什么自1885年交流鼠笼电机问世以来要经历100多年的历程交流调速系统才得以发展起来?,交流调速的难点和复杂性在哪儿?,交流调速的难点和复杂性,()交流电机复杂的数学模型造成其转矩控制的困难。 交流电机是一个多输入多输出、非线性、强耦合且时变的被控对象。对象的复杂性造成转矩控制的困难。 对转矩控制的困难是实现交流电机高性能调速的主要障碍。,交流调速的难点和复杂性,()调速装置中器件的发展阶段的限制。 变频器大功率电力电子器件 控制器微处理器 直到进入20世纪90年代,这些器件的发展才日见成熟,基本上能满足高性能交流调速系统的要求。 ()调速系统精度和成本的限制,交流拖动控制系统的应用领域,主要有三个方面: 一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速,1)一般性能的节能调速,在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中,风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上,其中有不少场合并不是不需要调速,只是因为过去的交流拖动本身不能调速,不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量,因而把许多电能白白地浪费了。,一般性能的节能调速(续),如果换成交流调速系统,把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来,每台风机、水泵平均都可以节约 20 30% 以上的电能,效果是很可观的。 但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高,只需要一般的调速性能。,2)高性能的交流调速系统和伺服系统,许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动,鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高,如果改成交流拖动,显然能够带来不少的效益。但是,由于交流电机原理上的原因,其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。,20世纪70年代初发明了矢量控制技术,或称磁场定向控制技术,通过坐标变换,把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量,用来分别控制电机的转矩和磁通,就可以获得和直流电机相仿的高动态性能,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。,高性能的交流调速系统和伺服系统(续),高性能的交流调速系统和伺服系统(续),其后,又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法,形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。,3) 特大容量、极高转速的交流调速,直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min,超过这一数值时,其设计与制造就非常困难了。 交流电机没有换向器,不受这种限制,因此,特大容量的电力拖动设备,如厚板轧机、矿井卷扬机等,以及极高转速的拖动,如高速磨头、离心机等,都以采用交流调速为宜。,交流调速系统的主要类型,交流电机主要分为异步电机(即感应电机)和同步电机两大类,每类电机又有不同类型的调速系统。 现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多,可按照不同的角度进行分类。,异步电动机的转速表达式,式中: f1定子供电频率 np极对数 n1同步转速,转差率,按电动机的能量转换类型分类:,按照交流异步电机的原理,从定子传入转子的电磁功率可分成两部分:一部分是拖动负载的有效功率,称作机械功率;另一部分是传输给转子电路的转差功率,与转差率 s 成正比。,1. 异步电动机的调速,即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 从能量转换的角度上看,转差功率是否增大,是消耗掉还是得到回收,是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发,可以把异步电机的调速系统分成三类 。,电磁功率,机械功率,转差功率,异步电机的调速系统:,(1)转差功率消耗型调速系统 (2)转差功率馈送型调速系统 (3)转差功率不变型调速系统,(1)转差功率消耗型调速系统,这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中:,在三类异步电机调速系统中,这类系统的效率最低,而且越到低速时效率越低,它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的(恒转矩负载时)。可是这类系统结构简单,设备成本最低,所以还有一定的应用价值。,降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速,(2) 转差功率馈送型调速系统,在这类系统中,除转子铜损外,大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入,转速越低,能馈送的功率越多。,无论是馈出还是馈入的转差功率,扣除变流装置本身的损耗后,最终都转化成有用的功率,因此这类系统的效率较高,但要增加一些设备。,绕线电机串级调速或双馈电机调速。,(3) 转差功率不变型调速系统,在这类系统中,转差功率只有转子铜损,而且无论转速高低,转差功率基本不变,因此效率更高,以下两种调速方法属于此类:,其中变极对数调速是有级的,应用场合有限。只有变压变频调速应用最广,可以构成高动态性能的交流调速系统,取代直流调速;但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器,相比之下,设备成本最高。,变极对数调速;变压变频调速,2. 同步电机的调速,同步电机没有转差,也就没有转差功率,所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型(恒等于 0 )的,而同步电机转子极对数又是固定的,因此只能靠变压变频调速,没有像异步电机那样的多种调速方法。 在同步电机的变压变频调速方法中,从频率控制的方式来看,可分为他控变频调速和自控变频调速两类。,同步电机的调速(续),自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相,类似于直流电机中电刷和换向器的作用,因此有时又称作无换向器电机调速,或无刷直流电机调速。 开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机,有其独特的比较简单的调速方法,在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。,开关磁阻电机是一种新型调速电机,调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固,调速范围宽,调速性能优异,且在整个调速范围内都具有较高效率,系统可靠性高。 近年来,开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步,已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域 。,交流调速系统从控制及方法上分类,基于交流电动机稳态数学模型,交流调速系统:,基于交流电动机动态数学模型,第 5 章,运动控制系统,基于稳态数学模型的异步电动机调速系统,5.1 稳态数学模型和调速方法,5.1.1 异步电动机的稳态数学模型,稳态时的等效电路: 描述了一定转差率下电动机的稳态电气特性,机械特性: 描述了转矩与转矩之间的稳态关系,1.异步电动机的稳态等效电路,根据电机学原理,在下述三个假定条件下: 忽略空间和时间谐波, 忽略磁饱和, 忽略铁损, 异步电机的稳态等效电路示于图5-1。,1.异步电动机的稳态等效电路,Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻; Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感; Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电感; Us、1 定子相电压和供电角频率; s 转差率。,转子电流的幅值: (折合到定子侧),其中,在一般情况下,LmLl1,则,C1 1 这相当于将上述假定条件的第条改为忽略铁损和励磁电流。这样,电流公式可简化成,简化等效电路,异步电动机传递的电磁功率: Pm = 3Ir2 Rr /s 同步机械角速度:m1 = 1 / np , np 极对数 则异步电机的电磁转矩为,2. 异步电动机的机械特性,将Ir代入,(5-5),机械特性方程,特性分析,当s很小时,可忽略上式分母中含s各项,,也就是说,当s很小时,转矩近似与s成正比,机械特性 Te = f(s)是一段直线。,(5-8),特性分析(续),当 s 接近于1时,可忽略分母中的Rr ,则,(5-9),即s接近于1时转矩近似与s成反比,这时, Te = f(s)是对称于原点的一段双曲线。,最大转矩,将式(5-5)对s求导,并令dTe/ds=0,可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩,特性分析(续),(5-6),(5-7),机械特性,当 s 为以上两段的中间数值时,机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段。,图5-3 异步电机的机械特性,异步电动机由额定电压,额定频率供电,且无外加电阻、电抗时的机械特性方程称为固有特性或自然特性。,5 .1.2 异步电动机的调速方法与气隙磁通,1 .异步电动机的调速方法 调速:人为改变机械特性参数,使电动机的稳态工作点偏离固有特性,工作在人为机械特性上,达到调速的目的。,改变电机参数、电源电压Us和电源频率f1(或角频率1 ),2. 异步电动机的气隙磁通,式中:Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值,单位为V;,定子频率,单位为Hz;,定子每相绕组串联匝数;,基波绕组系数;,每极气隙磁通量,单位为Wb。,f1,Ns,kNs,m,定子每相电动势有效值,在进行电机调速时,常须考虑的一个重要因素是:希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。 如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;如果过分增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。,2. 异步电动机的气隙磁通,忽略定子绕组电阻和漏感抗压降后,可以认为定子相电压UsEg,则有:,要保持 m 不变,当调节频率 f1 时,必须同时调节 Eg ,使,或近似认为,5.2异步电机的调压调速,保持电源频率f1为额定频率不变,只改变定子电压Us的调速方法称为调压调速。 受电动机绝缘和磁路饱和的限制, Us只能从额定电压降低不能升高。,电动机同步转速保持为额定值不变,气隙磁通,弱磁调速,5.2.1 异步电动机调压调速的主电路,目前,交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中,用相位控制改变输出电压。,调压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。,过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器,自从电力电子技术兴起以后,这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。,晶闸管交流调压调速,TVC双向晶闸管交流调压器,三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中。 用相位控制改变输出电压。,控制方式,TVC的变压控制方式,调压调速采用相位控制,采用晶闸管反并联供电方式,实现异步电动机可逆和制动,采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路,可逆和制动控制,晶闸管 16控制电动机正转运行; 反转时,可由晶闸管 1,4 和 710 提供逆相序电源,同时也可用于反接制动,5.2 .2 异步电动机调压调速时的机械特性,机械特性方程:,当异步电机等效电路的参数不变时,在相同的转速下(或转差率一定时),电磁转矩与定子电压的平方成正比。,改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系,从而改变电机在一定负载转矩下的转速。,异步电动机不同电压下的机械特性,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,图5-5 异步电动机不同电压下的机械特性,风机类负载特性,恒转矩负载特性,UsN额定定子电压,带恒转矩负载工作时,普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C,转差率 s 的变化范围不超过 0 sm ,调速范围有限。,如果带风机类负载运行,则工作点为D、E、F,调速范围可以大一些。,转差功率损耗分析,恒频变压调速系统属于转差功率消耗型的调速系统,究竟要消耗多少转差功率是决定这类系统性能的主要因素。,转差功率损耗与调速范围和所带负载的性质有密切关系。,转差功率损耗分析,异步电动机的定子侧输入的电磁功率为,m1 同步机械角转速; 1 定子电源角频率;,带恒转矩负载转差功率损耗分析,稳态时Te = TL恒定,则有,由于TL和m1均为常数,故定子侧输入的电磁功率恒定不变,与转速无关。,定子侧输入的电磁功率,转子输出的机械功率,转子的机械角速度,定子电源角频率,带恒转矩负载转差功率损耗分析,转差功率,带恒转矩负载的减压调速是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低,而增大的转差功率全部消耗在电阻上,这就是转差功率消耗型的由来。,转速越低,转差功率越大,交流力矩电机的机械特性,n0,UsN,0.7UsN,A,B,C,0.5UsN,恒转矩负载特性,图5-6 高转子电阻电动机(交流力矩电动机)在不同电压下的机械特性,为了能在恒转矩负载下扩大调速范围,并使电机能在较低转速下运行而不致过热,就要求电机转子有较高的电阻值,带恒转矩负载时的变压调速范围增大了,堵转工作也不致烧坏电机,这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机,5.2.3 闭环控制的调压调速系统,采用普通异步电机的变电压调速时,调速范围很窄,采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围,但机械特性又变软,因而当负载变化时静差率很大,开环控制很难解决这个矛盾。,0.5UsN,1. 闭环控制的调压调速系统组成,图5-7 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统,为此,对于恒转矩性质的负载,要求调速范围大于D=2时,往往采用带转速反馈的闭环控制系统。,2. 系统静特性,当系统带负载在 A 点运行时,如果负载增大引起转速下降,反馈控制作用能提高定子电压,从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A。同理,当负载降低时,会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A,尽管异步力矩电机的机械特性很软,但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。,如果采用PI调节器,照样可以做到无静差。改变给定信号,则静特性平行地上下移动,达到调速的目的。,异步电动机闭环调压调速系统的特点,不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是:静特性左右两边都有极限,不能无限延长,它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性。,当负载变化时,如果电压调节到极限值,闭环系统便失去控制能力,系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。,*5.2.4 降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用,除了调速系统以外,异步电动机的变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛的应用。,1. 软起动器,(1)直接起动带来的问题 对于小容量电动机,只要供电网络和变压器的容量足够大(一般要求比电机容量大4倍以上),而供电线路并不太长(起动电流造成的瞬时电压降落低于10%15%),可以直接通电起动,操作也很简便。 对于容量大一些的电动机,问题就不这么简单了。,起动电流和转矩公式,起动时,s =1,起动电流和起动转矩分别为,起动电流:,起动转矩:,起动电流比较大,而起动转矩并不大。对于一般的笼型电动机,起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为,起动电流倍数,起动转矩倍数,起动电流和转矩分析,起动电流和转矩分析(续),中、大容量电动机的起动电流大,会使电网压降过大,影响其他用电设备的正常运行,甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时,必须采取措施来降低其起动电流,常用的办法是降压起动。,(2) 降压起动的矛盾,当电压降低时,起动电流将随电压成正比地降低,从而可以避开起动电流冲击的高峰。 但是,起动转矩与电压的平方成正比,起动转矩的减小将比起动电流的降低更快,降压起动时又会出现起动转矩够不够的问题。,降压起动只适用于中、大容量电动机空载(或轻载)起动的场合。,传统的降压起动方法,传统的降压起动方法有: 星-三角(Y-)起动 定子串电阻或电抗起动 自耦变压器(又称起动补偿器)降压起动 它们都是一级降压起动,起动过程中电流有两次冲击,其幅值都比直接起动电流低,而起动过程时间略长。,(3)软起动方法,随着电力电子技术的发展,一种称作软起动器的新型起动设备正在工业中推广应用。这种软起动器使得电动机起动平稳,对电网冲击小,还可以实现电动机的软停车、软制动以及电动机的过载、缺相等保护,还能实现电动机的轻载节能运行。 与传统的起动设备相比,软起动器具有更好的起动控制性能,随着它的推广应用,软起动器很快成为替代传统起动设备的产品,软起动器,主电路:采用晶闸管交流调压器,用连续地改变其输出电压来保证恒流起动,稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路,以免晶闸管不必要地长期工作。,控制电路:带电流闭环控制,限制起动电流并保持恒值,转速升高后电流自动衰减下来,起动时间也短于一级降压起动。,视起动时所带负载的大小,起动电流可在 (0.54) IsN 之间调整,以获得最佳的起动效果。,三种起动过程的电流比较,异步电动机的起动过程与电流冲击,一级降压起动,软起动器,直接起动,2. 轻载降压节能运行,(1)意义: 异步电动机约占电机总数的70%,每年消耗的电能占全球发电量的50%,而且很多异步电动机在运行过程中存在着严重的能源浪费。节能提高效率意义重大。 许多异步电动机经常工作在空载或轻载状态,如工业缝纫机,车床、冲床、皮带运输机,起重机、破碎机等。,异步电动机在不同负载下的运行效率和功率因数不同。,负载越轻,效率越低, 功率因数越低,节能潜力越大,异步电动机节能一般有两种方法: 调速节能:适合于风机、泵类负载。 轻载降压节能:适合于经常轻载或空载运行的负载。,(2) 轻载降压节能的原理,电机功率损耗 三相异步电动机运行时的总损耗可用下式表示:,(5-20),电机运行效率,电动机的运行效率为,(5-21),式中, 效率; 输入电功率; 轴上输出功率。,当电动机在额定工况下运行时,由于输出功率大,总损耗只占很小的成分,所以额定效率 N 较高,一般可达 75% 95% ,最大效率发生在 ( 0.7 1.1 ) P2N 的范围内。 电动机容量越大时, N 越高。,完全空载时,理论上 P2 = 0 ,则 = 0。但实际上生产机械总有一些摩擦负载,只能算作轻载,这时,电磁转矩很小。电磁转矩可表示成 Te = KT m Ir cosr,(5-22),如果电动机承受额定电压,气隙磁通 m 基本不变,因此轻载时转子电流 Ir 很小,PCur 很小,但 PFe、 Pmech、 Ps 基本不变,而定子电流为,(5-23),受励磁电流的牵制,定子电流并没有转子电流降低得那么多。,Te = KT m Ir cosr,总之,轻载时在式(5-21)的分母中所占的成分较大,效率将急剧降低。如果电动机长期轻载运行,将无谓地消耗许多电能。,(5-21),下降,基本不变,下降幅度不大,很小,降压节能原理,为了减少轻载时的能量损耗,关键是降低气隙磁通 m ,这样可以同时降低铁损 PFe 和励磁电流 I0 ,降低定子电压可以达到这一目的。,损耗,效率,但是,如果过份降低电压和磁通,由式(5-22)可知,转子电流 Ir必然增大,则定子电流 Is 反而可能增加,铁损的降低将被铜损的增加填补,效率反而更差了。,Te = KT m Ir cosr,(5-22),轻载降压节能的效率曲线与最佳电压值,如图所示,当负载转矩一定时,轻载降压节能有一个最佳电压值,此时效率最高,这样, = f ( Us ) 的曲线可由试验取得。,Us*,最佳电压,5.3 异步电机的变压变频调速,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。,由于在调速时转差功率不随转速而变化,调速范围宽,无论是高速还是低速时效率都较高,,在采取一定的技术措施后能实现高动态性能,可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广,是本篇的重点。,5.3.1 变压变频调速的基本原理,变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法。,实际转速:,同步转速:,稳态速降,在进行电机调速时,常须考虑的一个重要因素是:希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。 如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;如果过分增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。,对于直流电机,励磁系统是独立的,只要对电枢反应有恰当的补偿, m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中,磁通 m 由定子和转子磁势合成产生,要保持磁通恒定就需要费一些周折了。,控制好Eg和f1可达到控制气隙磁通的目的,1. 基频以下调速,要保持 m 不变,当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时,必须同时降低 Eg ,使,即采用电动势频率比为恒值的控制方式。,恒磁通变频所遵循的协调控制条件,恒压频比控制方式,绕组中的感应电动势是难以直接测量和控制的。,这就是恒压频比控制方式。,(1)当电动势值较高时 忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压 Us Eg,则得,恒压频比控制方式,(2)在低频时 : Us 和 Eg 都较小,定子阻抗压降所占的份量就比较显著,不再能忽略。,这时,需要人为地把电压 Us 抬高一些,以便近似地补偿定子压降。,带定子电压补偿的恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,在实际应用中,由于负载大小不同,需要补偿定子电压也不一样,在控制软件中备有不同斜率的补偿特性,以供用户选择,2. 基频以上调速,f1 f1N 保持Us = UsN,迫使磁通与频率成反比地降低,是弱磁升速的情况。,变压变频控制特性,图5-10 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值,即都能在允许温升下长期运行,则电动机允许的转矩基本上随磁通变化。 基频以下,由于磁通恒定,允许输出的转矩也恒定,属于“恒转矩调速”方式。 基频以上,转速升高时磁通减小,允许输出的转矩也随之降低,输出功率基本不变,属于“近似的恒功率调速”方式。,5.3.2 变频变压调速时的机械特性,1. 异步电动机固有机械特性 2. 基频以下恒压频比控制( Us /1 ) 3. 基频以上恒压频比控制( Us /1 ),5.3.2 变频变压调速时的机械特性,1. 异步电动机固有机械特性,恒压恒频 Us=UsN f1=f1N,2. 基频以下恒压频比控制( Us /1 ),异步电动机的 机械特性方程,(1)近似直线段:当s很小时,忽略分母中含s的各项,带负载时的转速降落为:,Us /1 为恒值时,对于同一转矩 Te n 基本不变,2. 基频以下恒压频比控制( Us /1 ) (续),在近似直线段(s很小),在恒压频比的条件下改变频率 1 时,机械特性基本上是平行下移。,(2)曲线段,当转矩增大到最大值以后,转速再降低,特性就折回来了。,恒压频比控制( Us /1 ) 基频以下机械特性曲线,恒压频比控制基频以下变频调速的机械特性,补偿定子压降后的特性,频率很低时,Temax太小将限制电机的带载能力,采用定子压降补偿,适当地提高电压Us,可以增强带载能力。,基频以下恒压频比控制( Us /1 ) (续),由于带定子压降补偿的恒压频比控制能够基本上保持气隙磁通不变,故允许输出转矩也基本不变,所以基频以下的变压变频调速属于恒转矩调速。,基频以下变压变频调速时,转差功率为:,与转速无关,转差功率不变型调速。,3. 基频以上恒压频比控制( Us /1 ),基频以上变频时,定子电压 Us= UsN 不变。,Us= UsN,O,当角频率提高时,同步转速随之提高,最大转矩减小,机械特性上移,且机械特性变软。,恒压频比控制( Us /1 ) 基频以上机械特性曲线,固有特性,恒功率调速,由于频率提高而电压不变,气隙磁通势必减弱,导致转矩的减小,但转速升高了,可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 最后,应该指出,以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波,将使机械特性受到扭曲,并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时,应尽量减少输出电压中的谐波。,5.3.3 基频以下的电压补偿控制,恒压频比控制: Us /1 =const,负载变化,定子压降变化,m变化,根据定子电流的大小改变Us,保持m恒定,定子电压补偿控制,Eg 气隙(或互感)磁通m在定子每相绕组中的感应电动势; Es 定子全磁通ms在定子每相绕组中的感应电动势; Er 转子全磁通mr在转子绕组中的感应电动势(折合到定子边),异步电动机等效电路和感应电动势,感应电动势采用电压降的表示方法,由高电位指向低电位,1. 恒定子磁通控制 2. 恒气隙磁通控制 3. 恒转子磁通控制,各种控制方法的机械特性,讨论以下三种控制方法:,1. 恒定子磁通ms控制,在调频的过程中,若保持,则,但定子电动势不好直接控制,能够直接控制的只有定子电压Us,适当提高定子电压,可补偿定子电阻压降,保持,恒ms控制时的机械特性,忽略励磁电流I0,转子电流幅值:,带入转矩关系式,得:,对 比,(恒定子磁通ms控制),当s相同时,恒定子磁通ms控制的转矩大于恒Us/1控制方式。,当负载转矩相同时,恒定子磁通ms控制的转速降落小于恒Us/1控制方式。,恒ms控制时的机械特性,不同控制控制方式时的机械特性,恒 Es /1 控制,恒 Us /1 控制,a,b,恒定子磁通ms控制临界转差率和临界转矩,变频时Tem不变,2.恒气隙磁通m控制,在调频的过程中,若保持,则,要维持Eg/1恒定,除补偿定子电阻压降外,还应补偿定子漏抗压降,2.恒气隙磁通m控制(续),由等效电路可以求出,代入电磁转矩关系式:,2.恒气隙磁通m控制(续),将上式对 s 求导,并令 dTe / ds = 0,可得 恒Eg /1控制特性在最大转矩时的转差率 :,和最大转矩,(5-51),变频时Tem不变,2.恒气隙磁通m控制(续),恒气隙磁通m(恒 Eg /1 )控制机械特性曲线,Temax,Eg /1 为恒值时,Temax 恒定不变,其稳态性能优于恒 Us /1 控制的性能。这正是恒 Us/1 控制中补偿定子压降所追求的目标。,恒气隙磁通m控制,3. 恒转子磁通mr控制(恒 Er /1 ),Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势(折合到定子边)。,在调频的过程中,若保持,机械特性方程,代入电磁转矩基本关系式,得,现在,不必再作任何近似就可知道,这时的机械特性完全是一条直线。,不同控制方式的特性比较,不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒 Er /1 控制(恒mr),恒 Eg /1 控制(恒m),恒 Us /1 控制,a,c,d,恒mr控制的稳态性能最好,可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能,恒 Es /1 控制(恒ms),4. 小结,控制最容易实现,它的变频机械特性基本上是平行下移,硬度也较好,能够满足一般的调速要求,但低速带载能力有些差,须对定子压降实行补偿。,补偿定子压降后的特性,恒压频比( Us /1 = Constant ),4. 小结(续),恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿,控制要复杂一些。,恒定子磁通和恒气隙磁通虽然改善了低速性能,但机械特性还是非线性的,仍受临界转矩的限制。,恒转子磁通控制方式可以获得和他励直流电动机一样的线性机械特性,性能最佳。矢量控制系统的目标。,5.4 电力电子变压变频器,对于异步电机的变压变频调速,必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源,而电网提供的是恒压恒频的电源,因此应该配置变压变频器,又称 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency),简称变频器。,电力电子变压变频器可分为: 交-直-交和交-交两大类。,交-直-交变压变频器基本结构,交-交变压变频器结构示意图,交-交(直接)变压变频器,5.4.1 交-直-交PWM变频器主电路,变压变频 (VVVF),中间直流环节,恒压恒频 (CVCF),PWM 逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,只有逆变单元可控,通过它同时调节电压和频率,结构简单。采用全控型的功率开关器件,只通过驱动电压脉冲进行控制,电路也简单,效率高。,5.4.1 交-直-交PWM变频器主电路(续),现代变频器中用得最多的是PWM技术:控制逆变器中电力电子器件的开通或关断,输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列,用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。,PWM逆变技术,正弦波脉宽调制(SPWM)技术,电流跟踪PWM(CFPWM)技术,电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术,5.4.2 正弦波脉宽调制(SPWM)技术,双极性PWM控制方式(三相桥逆变),三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120,三相PWM逆变器双极性SPWM波形,urU,urV,uc,urW,输出线电压,电动机相电压,5.4.4 电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术,SPWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的,电流波形则因负载的性质及大小而异。,在交流异步电动机中,实际需要保证的应该是正弦波电流,因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值,不含脉动分量。,所以以正弦电流为控制目标更为合适。,常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM(Current Hysteresis Band PWM CHBPWM)控制。,电流滞环跟踪 PWM控制原理,滞环比较方式电流跟踪控制举例,电流滞环跟踪控制时的电流波形,把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。 V1(或VD1)通时,i增大 V2(或VD2)通时,i减小 通过环宽为2DI的滞环比较器的控制,i就在i*+DI和i*-DI的范围内,呈锯齿状地跟踪指令电流i*。,三相的情况,三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形,三相电流跟踪型PWM逆变电路,三相电流跟踪型PWM逆变电路,具有电流滞环跟踪控制的PWM型变频器,只需改变电流给定信号的频率即可实现变频调速,无需再人为地调节逆变电压。这时,电流控制环只是系统的内环,外边应有转速外环,才能视不同负载的需要自动控制给定电流的幅值。,滞环宽度的影响 环宽过宽时,开关频率低,电流跟踪误差大; 环宽过窄时,跟踪误差小,但开关频率过高,开关损耗增大。,实际使用时,应在器件开关频率允许的前提下,尽可能选择小的环宽。,5.4.5 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术 (磁链跟踪控制技术),SPWM控制,电流跟踪控制,直接控制输出电流,使之在正弦波附近变化,然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩。,使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波,电压空间矢量PWM(SVPWM) (磁链跟踪控制技术),把逆变器和交流电动机视为一体,按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作,这种控制方法称作“磁链跟踪控制”。,磁链轨迹的控制是交替使用不同的电压空间矢量得到的,所以又称: 电压空间矢量PWM(SVPWM,Space Vector PWM)控制,1. 空间矢量的定义,交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的,如果考虑到它们所在绕组的空间位置,可以定义为空间矢量。,uAO, uBO , uCO分别加在三相定子绕组上 。,A,B,C表示定子三相绕组的轴线,定义三个电压空间矢量 uAO, uBO , uCO,合成矢量,某一时刻的合成矢量,定子电流和磁链的空间矢量,与定子电压空间矢量相仿,可以定义定子电流和磁链的空间矢量 is 和s 。,按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则可导出,空间矢量表达式,当定子相电压为三相平衡正弦电压时的三相合成矢量,合成空间矢量 us 以电源角频率1 为电气角速度作恒速旋转。幅值为相电压幅值的,当某一相电压为最大值时,合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上,电压合成矢量,当定子相电压为三相平衡正弦电压时的三相合成矢量,在三相平衡正弦电压供电时,若电动机转速以稳定,则定子电流和磁链的幅值恒定,以电源角频率1为电气角速度在空间恒速旋转.,电流和磁链合成矢量,2.电压与磁链空间矢量的关系,当异步电动机的三相对称绕组由三相平衡正弦电压供电时,每一相的电压平衡方程式为:,三相的电压平衡方程式相加,即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为,近似关系,当电动机转速不是很低时,定子电阻压降在式中所占的成分很小,可忽略不计,则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为,或,忽 略,这说明,电压空间矢量的大小等于磁链的变化率,而方向与 的运动方向一致。,三相平衡正弦电压供电时磁链轨迹,当电动机由三相平衡正弦电压供电时,电动机定子磁链幅值恒定,其空间矢量以恒速旋转,磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形(一般简称为磁链圆)。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示:,m是定子磁链s的幅值, 是定子磁链矢量的空间角度。 1为其旋转角速度。,如何表示电压空间矢量?,三相平衡正弦电压供电时电压空间矢量与磁链的关系,上式表明,当磁链幅值一定时, 的大小与(或供电电压频率)成正比,其方向则与磁链矢量正交,即磁链圆的切线方向。,磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系,当磁链矢量在空间旋转一周时,电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度。,旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,电压空间矢量的运动轨迹也是圆,将电压矢量的参考点放在一起,这样,电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系,旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,电压空间矢量的运动轨迹也是圆,3. PWM变频器基本输出电压矢量,三相逆变器-异步电动机调速系统主电路等效原理图,虽然直流电源中性点O与交流电动机的中性点O的电位不等,但合成电压矢量的表达式相等。因此三相合成电压空间矢量与参考点无关。,逆变器的八种工作状态,为使电动机对称工作,必须三相同时供电,即在同一时刻一定有不同桥臂的三个器件同时导通,而另外三个处于关断状态。六个功率器件共有8种工作状态。,6, 1, 2导通, 1, 2, 3导通, 2, 3, 4导通 3, 4, 5导通, 4, 5, 6导通, 5, 6, 1导通,,1, 3, 5导通 4, 6, 2导通,八个基本空间矢量,6, 1, 2导通: (SA,SB,SC)=(1,0,0),上桥臂导通用数字“1”表示,下桥臂导通用数字“0”表示。,八个基本空间矢量,1, 2, 3导通: (SA,SB,SC)=(1,1,0),基本空间矢量表,基本空间矢量图,六个有效空间矢量u1u6,幅值为:,在空间互差,另外两个为零矢量,4. 正六边形空间旋转磁场,令六个有效矢量按u1u6的顺序分别作用t时间:,即每个有效矢量作用/3电角度,六个有效工作矢量完成一个周期,输出基波电压角频率,定子磁链增量与电压矢量和作用时间的关系,t时间内,us保持不变,k =16,定子磁链轨迹,在一个周期内,6个有效工作矢量按顺序各作用一次,得定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。,定子磁链的幅值,要保持正六边形定子磁链不变,必须使Ud/1=常数,这意味着改变频率的同时要调节直流电压Ud,增加了控制的复杂性。,如何解决该问题?,当零矢量作用时,定子磁链矢量的增量,表明定子磁链矢量停留不动。,有效的方法是插入零矢量,令,有效矢量作用,零矢量作用,在时间t1段内,定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。,在时间t0段内,零矢量起作用,定子磁链矢量轨迹停留在原地,等待下一个有效工作矢量的到来。,正六边形定子磁链的最大值,在Ud不变的条件下,要保持磁链的幅值恒定,只要t1为常数即可。,零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转角度的矛盾。,5. 期望的电压空间矢量的合成,每个有效工作矢量在一个周期只作用一次的方式只能生成正六边形的旋转磁场,与正弦波供电时产生的圆形旋转磁场相差甚远,六边形旋转磁场带有较大的谐波分量,这将导致转矩和转速的脉动。,如何用八个基本矢量生成接近于圆形的旋转磁场?,要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场,就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择。,圆形旋转磁场逼近方法,PWM逆变器只有8个基本电压矢量,能否用这8个基本矢量合成出其他多种不同的矢量呢?,电压空间矢量PWM(SVPWM)的基本思想: 按照空间矢量的平行四边形合成法则,用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量。,圆形旋转磁场逼近方法,圆形旋转磁场逼近方法,PWM控制显然可以适应上述要求,问题是,怎样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场?,六个扇区,每个/3,用两个有效工作矢量合成期望的输出矢量,按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区,每个扇区对应/3,当期望输出电压矢量落在某个扇区时,就用与期望输出电压矢量相邻的两个有效的工作矢量等效地合成期望输出矢量。,us,us,期望的,期望的,以第1扇区的期望输出矢量为例:用两个基本电压空间矢量u1, u2的线性组合构成期望的电压矢量 us,在一个开关周期 T0内: u1的作用时间为t1 u2的作用时间为t2,图5-28 期望输出电压矢量的合成,由正弦定理可得,解得:,或由,两个基本矢量作用时间满足:,其余时间可用零矢量 u0 或 u7来填补。,由于扇区的对称性,以上分析可以推广到其它各个扇区,6. SVPWM的实现方法,原则:开关损耗和谐波分量都较小。,如何安排基本矢量和零矢量的作用顺序?,减少开关次数,使PWM波尽量对称,SVPWM的实现方法,(1)零矢量集中的实现方法 (2)零矢量分散的实现方法,(1)零矢量集中的实现方法,以第1扇区为例,方法一:,方法二:,按开关次数最少的原则选择零矢量。,零矢量集中的实现方法,按照对称原则,将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后,安放在开关周期的首端和末端。 零矢量的作用时间放在开关周期的中间,并按开关次数最少的原则选择零矢量。 在一个开关周期内,有一相的状态保持不变,从一个矢量切换到另一个矢量时,只有一相状态发生变化,因而开关次数少,开关损耗小。,图5-29 零矢量集中的SVPWM实现,(2)零矢量分散的实现方法,以零矢量开始,并以零矢量结束。,从一个矢量切换到另一个矢量时,只有一个状态发生变化。 开关损耗大于零矢量集中的方法,7. SVPWM控制的定子磁链,将占据/3的定子磁链矢量轨迹等分为N个小区间,每个小区间所占的时间,定子磁链矢量轨迹为正6N边形,轨迹更接近于圆,谐波分量小,能有效减小转矩脉动。,SVPWM控制的定子磁链,在每个小区间内,定子磁链矢量的增量为,图5-31 期望的定子磁链矢量轨迹,us(k)为非基本电压矢量,必须用两个基本矢量合成。,为了产生,定子磁链矢量的增量为,采用零矢量分散的实现方法,各基本矢量作用的顺序和时间为:,在T0时间内,定子磁链矢量的运动轨迹分七步完成:,7步完成的定子磁链,图5-32定子磁链矢量的运动的7步轨迹,弧度内实际的定子,图5-33 N=4时,实际的定子磁链矢量轨迹,磁链矢量轨迹,SVPWM控制的定子磁链,弧度的定子,图5-34 定子旋转磁链矢量轨迹,磁链矢量轨迹,定子磁链矢量轨迹,小 结,1) 逆变器共有8个基本输出矢量,有六个有效工作矢量和两个零矢量。在一个旋转周期内,每个有效矢量只作用一次只能生成正六边形的旋转磁链,谐波分量大,将造成转矩脉动。,SVPWM控制模式有以下特点:,2)用基本有效工作矢量,可合成任意的期望输出电压矢量,使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小越接近于圆,但功率器件的开关频率也越高。,小 结,3) 利用电压空间矢量直接生成三相PWM波,计算简便。,4) 采用SVPWM控制时,逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压,这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。,5.5 转速开环变压变频调速系统,不少机械负载,例如风机和水泵,并不需要很高的动态性能,只要在一定范围内能实现高效率的调速就行,因此可以根据电机的稳态模型,采用转速开环电压-频率协调控制方案。,这就是常用的通用变频器控制系统。,所谓“通用”,包含着两方面的含义: (1)可以和通用的笼型异步电机配套使用; (2)具有多种可供选择的功能,适用于各种不同性质的负载。,5.5.1转速开环变压变频调速系统的结构,SPWM 或SVPWM,给定积分,系统本身没有自动限制起动电流的作用,因此频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号。,电压频率特性,给定积分算法,从额定频率 下降到0的时间,从0上升到额定频率 的时间,电压频率特性,一般是带低速补偿的恒压频比控制,恒压频比控制变频调速的机械特性,开环控制,5.5.2 系统实现,数字通用变频器-异步电动机调速系统硬件结构图,系统分析,主电路 由二极管整流器和PWM逆变器组成,交-直-交电压源型变频器。逆变器由IGBT或功率模块IPM组成。 泵升限制电路:由VTb和Rb组成。 限流电阻R0:,1. 主电路与驱动电路,驱动电路:将微机控制电路产生的PWM信号经功率放大后,控制电力电子器件的开通或关断,起到弱电控制强电的作用。,2.信号采集与故障综合电路,3.微机数字控制电路: 现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路,其功能主要是接受各种设定信息和指令,再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号,再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机,或用32位的DSP,现在已有应用RISC的产品出现。PWM信号可由微机本身的软件产生,由PWM端口输出,也可由专

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论