电气传动控制技术.ppt

第一章第一章 电气传动系统的基础电气传动系统的基础 第一节 直流调速的一般基础 第二节 交流调速的一般基础 第一节第一节 直流调速的一般基础直流调速的一般基础 1.4 对调速系统的控制要求及调速指标 1.1 直流电动机 1.3 调速方式及机械特性 1.2 可控直流电源 JJ优点优点： 直流电机调速系统有着成熟的数学模型，调速精度 高、应用范围广。 具有极好的运行性能和控制特性，良好的起、制动性 能，易于在广范围内平滑调速。 FF应用应用： 在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属 切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电 力拖动的领域中得到广范应用。 为什么分析直流电机调速系统？ 电枢绕组电枢绕组 直流电动机工作原理演示直流电动机工作原理演示 电动机模型演示电动机模型演示 注意注意: : 电枢和磁场电流总是相差电枢和磁场电流总是相差9090 磁场电极磁场电极 换向器换向器/ /电刷电刷 1.1 直流电动机 1.直流电动机的工作原理 他励直流电动机 自励直流电动机 串励电动机 并励电动机 复励电动机 2.直流电动机的分类 直流电动机 3. 直流电动机的调速方式 改变电枢回路电阻R 减弱励磁磁通 调节电枢供电电压U 调压调速调压调速 改变Ud0就得到一组相互平行的机械特性曲线 如果连续改变可控电源电压，电动机转速就可以平滑连续地 调节。 调压调速的特点： 机械特性较硬，负载不变时，转速降n不变 由于容许的输出转矩恒定，对于恒转矩性负载的拖动调 速，能充分利用电动机的容量 由于电枢回路时间常数小，系统的动态响应快，适合于 要求快速起、制动的设备的传动系统中，如初轧机、龙 门刨床等设备。 调压调速调压调速 改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速 改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢回路中 串接附加电阻R1、R2来改变电动机电枢端电 压，从而实现调速的目的。 a b c n2 n2n1 改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速 （1）系统的结构简单； （2）调速不连续，不平稳； （3）机械特性软，从而影响调速范围； （4）电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接 电阻大小来实现的，调速范围越大，串入 的电阻就越大，相应地电阻上消耗的能量 就越大，这是很不经济的。 改变电枢回路电阻调速的 特点 改变电动机励磁调速改变电动机励磁调速 当负载电流不变时，改变可控电压Uf，也就是说改 变电动机励磁磁通量时，电动机的理想空载转速 和转速降都在变化，随着磁通量的减少，转速降就 越来越大，机械特性也就越软。 改变电动机励磁调速改变电动机励磁调速 （1）机械特性软，负载变化时转速的波动较大； （2）可控电源容量小，一般为电动机容量的 10%以下，电源设备造价低； （3）磁场的时间常数大，系统的动态响应慢， 适合于起、制动快速性要求不高的设备的 传动控制。 改变励磁调速的特点： *13 三种调速方法的性能比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 ，以调节电枢供电电压的方式为最好，无级调速，并 且调速范围大。 改变电阻只能实现有级调速； 减弱磁通也能够实现平滑调速，但调速范围不大 ，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上 作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速 为主，最为常见。为主，最为常见。 1.2 可控直流电源 G-M系统 V-M系统 PWM系统 直流调速系统 G-M系统 改变发电机励磁电压 发电机输出电压 直流电动机电枢电压 改变电动机转速 即旋转变流机组，工作过程如下： *16 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机 组成机组， 以获得可调的直流电压。上世纪4060年代广泛应用。 特点： 适用于对调速性能 要求不高的场合； 且一套系统至少包 括两台电机和一台 励磁发电机，设备 多、体积大、效率 低、维护不方便。 目前很少采用。 PWM-M系统 交-直型电力机车 PWM-M系统信号流动过程： *19 PWM调速系统特点 电源采用不控整流源； 系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强； 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，电动 机损耗和发热较小； 电网功率因数高，效率高； 电路简单，控制方便。 受器件容量限制，只用于中、小功率的系统。 V-M系统 21 机械特性表达式 n 电动机转速（r/min）； Ud0 空载整流电压（V）； Id 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； Ce 由电机结构决定 的电动势常数； no 理想空载转速（r/min）； nop 开环转速降（r/min）； U2 整流变压器副边相电压有 效值（V） 。 对三相零式整流电路，A=1.17； 对三相全控桥式整流电路，A=2.34； 1.3 直流调速系统的调速方式及机械特性 *22 V-M系统调速的三种方式 1）调压调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲 线平行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 *23 2）调阻调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 改变增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线 变软。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 调阻调速特性曲线 * 3）调磁调速 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = Ra ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线 变软。 调磁调速特性曲线 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 *25 1.4 生产机械对调速系统的控制要求及调速指标 调速系统 速度控制 主要要求 1.调速系统控制要求 调 速 稳 速 加、减速 在一定的最高转速和最低转速 范围内，分挡地或平滑地调节 转速（静）。 以一定的精度在所需转速上稳定 运行(静) ；在可能的干扰下，不 允许有过大的转速波动(动)。 频繁起、制动的设备要求加、 减速尽量快，以提高生产率； 不宜经受剧烈速度变化的机械 则要求起、制动尽量平稳(动) 。 *26 调速范围(静态指标) 其中：nmin 和nmax 一般都指电动机额定负载时的转速。 对于负载很轻的机械，可用实际负载时的转速。 在不弱磁的调速系统中， nmaxnnom 2.调速指标 *27 静差率(静态指标) 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空 载增加到额定值时所对应的转速降落 nnom， 与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 n n01 0 IIL Un U 1 n2 nnom n02 *28 静差率与机械特性 静差率是用来衡量调速系统在负 载变化下转速的稳定度的。如果电 动机机械特性很软，转速降落大， 则静差率大，表示系统对转矩变化 敏感，即转速的稳定性差。静差率 和机械特性的硬度有关，特性越硬 ，静差率越小，转速的稳定度就越 高。 然而，静差率和机械特性硬度又 是有区别的。 29 调速范围与静差率之间的关系 （1）在同一理想空载转速no下，S越小，nnom越 小，系统的机械特性越硬。 （2）S越小，系统允许的D也变小；若增大D，则S 也随之变大。 （3）在一定的S下，减小nnom，D才能扩大。 n n0 0 IIL Un U 1 n1 nnom n0min *30 开环系统的特点 （1） S 和 D 同方向变化； （2）稳态精度越高，即S越小，则D也越小； 指系统的输出端和输入端不存在反馈关 系，系统的输出量对控制作用不发生影响的 系统。这种系统既不需要对输出量进行测量 ，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量 进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺 向作用，没有反向联系。 （3） S较大，D很小 （比较期望）。 31 常见机械的调速指标：常见机械的调速指标： 生产机械调速范围静差率 热连轧机 10 300.010.005 冷连轧机 15 0.02 机床主传动24 0.050.1 造纸机 320 0.010.001 龙门刨床 矿井提升机 20400.05 第二节第二节 交流调速的一般基础交流调速的一般基础 2.2.1 恒磁通变频调速 2.1 交流电动机调速的基本类型 2.2 变频调速的原则 2.3 变频控制时的电动机运行状态 2.4 变频器的控制方式 2.2.2 恒功率变频调速 2.4.1 180导电型六拍变频器 2.4.2 120导电型六拍变频器 2.4.3 脉宽调制型变频器 2.3.1 变频时的起动状态 2.3.2 变频时的再生发电制动状态 2.3.3 变频时的能耗制动状态 主讲人：汪刚 2.12.1交流电动机调速的基本类型交流电动机调速的基本类型 同步电动机的调速可以用改变供电频率，从而改变同步转速的方法来实现。 这样，交流电动机就有很多不同的调速方法，总结如下： 2.12.1交流电动机调速的基本类型交流电动机调速的基本类型 在上述各种调速方法中，异步电动机的变频调速及同步电动机在上述各种调速方法中，异步电动机的变频调速及同步电动机 调速很受人们的重视，并且已在工业中获得了广泛应用。调速很受人们的重视，并且已在工业中获得了广泛应用。 2.12.1交流电动机调速的基本类型交流电动机调速的基本类型 为了使交流电动机供电频 率可变，需要一套变频电 源。于是就产生了变频器 。 现在的变频电源是采用可 关断功率器件和应用先进 计算机的频率可连续调节 的变频器。 2.12.1交流电动机调速的基本类型交流电动机调速的基本类型 变变 频频 器器 分分 类类 如如 图图 现代电力电子器件种类现代电力电子器件种类 晶闸管型： SCR-普通晶闸管 GTO-门极可关断晶闸管 GCT-门极换向晶闸管 IGCT-集成门极换向晶闸管 SGCT-对称门极换流晶闸管 晶体管型： GTR-普通电力晶体管 BJT-双极型晶体管 IGBT-绝缘栅双极型晶体管 IPM-智能功率模块 IEGT-电子注入增强栅晶体管 2.12.1交流电动机调速的基本类型交流电动机调速的基本类型 变变 频频 器器 分分 类类 如如 图图 2.2 2.2 变频调速的原则变频调速的原则 三相异步电动机当极对数一定时，其同步转速与定子电源的频率f1成 正比，改变f1即可以改变同步转速，达到调速的目的。 通常把异步电动机定子的额定频率称为基频（特殊情况下，可以定义 基频为指定频率）。 根据控制方式的不同，主要有两种不同的变频调速原则： （1）恒磁通变频调速通常在基频以下采用 （2）恒功率变频调速通常在基频以上采用 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 依据电磁感应定律以及三相异步电动机的特性， 则三相异步电动机的每相电势有效值为： 从上式可得电动机磁通为： 其中， 为常数。 如果忽略定子压降，则 ，上式可写成： 在变频调速时，如果只降低定子频率 而定子每 相电压保持额定值不变，则 要增大 。 由于在 时，电动机的主磁路就已接近饱和， 再增大，主磁路必然过饱和，这将使励磁电流急剧增大，铁损 耗增加， 下降。反之如果频率往上升高，磁通减少，在一定 的负载下有过电流的危险，这也是不允许的。为此通常要求磁 通保持恒定，即 恒压频比控制特性 1-无低频补偿 2-有低频补偿 在基频以下变频调速时， 采用恒磁通控制，也就是 压频比恒定控制。 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 基频以下调速时，恒压频比控制的方法主要有以下两种： （1）保持 等于常数 电动机的电磁转矩为： 这说明保持 =常数 进行变频调速时，不同 频率下电动机产生的最 大转矩不变。 保持 等于常数，即进行恒磁通变 频调速时的机械特性如图所示 ： 这种调速方法与他励直流电动机 调压调速相似，具有机械特性较 硬、在一定静差率要求下调速范 围宽、低速下运行时稳定性好等 优点。由于频率可以连续调节， 所以变频(频率)调速为无极调速， 调速的平滑性好。此外，电动机 拖动正常负载在不同转速下运行 时，转差率较小，因此转子铜耗 小，效率高。 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 （2）保持 =常数 由于电动机电势不能直接检测，常用 来近似计算，所以 等于常数的恒压频比控制是 一种近似恒磁通控制方式，也是异步电动机变频调速常采用 的一种配合控制方式。 电动机的电磁转矩为： 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 最大转矩： 下面考虑两种极端情况：下面考虑两种极端情况： （1 1）当频率较高时，当频率较高时， 可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为： （2 2）当频率较低时，当频率较低时， 可忽略，则最大转矩可简化为：可忽略，则最大转矩可简化为： 低频时有时会拖不动 负载，所以要进行补 偿。 为常数时的 变频调速机械 特性 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 2.2.1 2.2.1 恒磁通变频调速恒磁通变频调速 低速的电压补偿低速的电压补偿 在实际用应用中，由于电机的感应电势在实际用应用中，由于电机的感应电势E E 1 1 难以难以 测量和控制，采用近似恒磁通原则，即测量和控制，采用近似恒磁通原则，即 在低频时，定子电阻在低频时，定子电阻r r 1 1 上压降对最大转矩有较上压降对最大转矩有较 大影响。为保持理想的恒磁通大影响。为保持理想的恒磁通 在低频时，在低频时，U U 1 1 和和E E 1 1 差值较大差值较大 在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补 偿低频段定子电阻引起的压降。偿低频段定子电阻引起的压降。 蓝色无补偿蓝色无补偿 有补偿有补偿 f1f1 U1U1 补偿后的机械特性补偿后的机械特性 2.2.2 2.2.2 恒功率变频调速恒功率变频调速 在基频以上变频调速时，若要保持 恒定，则 =常数 ，定子电压需要高于额定值，这是不允许的。因此，基频 以上变频调速时，应使 保持额定值不变。这样，随着 升高，气隙磁通将减小，相当于弱磁调速方法。 不同频率下各机 械特性曲线的稳 定运行区段近似 平行 1 1、 保持恒功率的原因保持恒功率的原因 电压不变电压不变 属恒功率变频调速 当频率当频率f f高于高于50Hz50Hz时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这 显然是不允许的。应换另一种调速原则。显然是不允许的。应换另一种调速原则。 2.2.2 2.2.2 恒功率变频调速恒功率变频调速 n n P=F*P=F* v v /1000 /1000 n n F=T/RF=T/R n n v v = 2R= 2R n n /60/60 n n 线速度线速度= =周长周长* *每秒转速每秒转速(n)=2R*(n)=2R*每分转速每分转速(n)/60=R*n/30(n)/60=R*n/30 P- P-计算功率计算功率 KWKW， F-F-所需拉力所需拉力 N N v v - -工作机线速度工作机线速度 m/Sm/S，T-T-转矩转矩NmNm R-R-作用半径作用半径mm，n n- -每分转数每分转数 P*1000=/30*T*P*1000=/30*T*n n 30000/*P=T*30000/*P=T*n n 30000/3.1415926*P=T*30000/3.1415926*P=T*n n 9549.297*P=T*9549.297*P=T*n n 2.2.2 2.2.2 恒功率变频调速恒功率变频调速 2、 恒功率调速原则 恒功率变频调速原则 恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为 扩大调速范围，在基频以上采用恒功率调速；在基频以下采用恒转矩调速。 2.2.2 2.2.2 恒功率变频调速恒功率变频调速 2.2.2 2.2.2 恒功率变频调速恒功率变频调速 异步电机 变压变频 控制特性 2.2.2 2.2.2 恒功率变频调速恒功率变频调速 2.3 2.3 变频控制时的电动机运行状态变频控制时的电动机运行状态 图所示为变频器控制电机时在 整个调速范围的一族机械特性 曲线。 Z 在额定转速以下采用恒转矩 变频调速，而在额定转速以上 采用恒功率变频调速，因此调 速范围明显扩大。 Z 异步电动机变频调速可以实 现四四象限运行。如果按照一定 规律控制，异步电动机的起动 、制动、反转和调速过程时间 都可以缩至很短，因此在变频 调速时，异步电动机可具有良 好的动态特性。 异步电动机变频调速时 的机械特性 2.3.1 2.3.1 变频时的启动状态变频时的启动状态 当频率由f1f2f3时， 电动机 将沿着图示虚线 由点123加速，转速 由n1n2n3，达到新 的稳定运行点。为了缩短 加速时间，应当使电动机 在加速过程中始终保持有 最大转矩，即应当使电机 沿着最大转矩的包络线进 行加速。 异步电动机变频调速的加速过程 2.3.2 2.3.2 变频时的再生发电制动状态变频时的再生发电制动状态 f 在变频调速系统中，电动机转速的 下降是通过降低频率来实现的。 f 当异步电动机在某一频率下运转时 ，如果将频率迅速降低，使转差率变 负，则可以使电动机处于再生发电制 动状态，此时电动机运行于第二象限 ，如图所示。 P 此时，电能通过逆变器回馈到变频 器直流侧。在减速过程中若始终保持 频率比电动机转速下降得快，那么电 动机就一直维持在再生发电制动状态 。 异步电动机再生发电制动状态的机械特性 2.3.3 2.3.3 变频时的能耗制动状态变频时的能耗制动状态 交流异步电动机在定子绕组中通入直流电流， 就会产生能耗制动。 变频控制时，为了加快制动过程，缩短制动时 间，防止传动系统在停机后继续爬行，在再生制 动方式下先将转速下降到一定程度，然后通过逆 变器向电动机的两相绕组中通入直流，使电动机 进行直流能耗制动，如图所示。 2.3.3 2.3.3 变频时的能耗制动状态变频时的能耗制动状态 异步电动机能耗制动状态的机械特性 2.4 2.4 变频器的控制方式变频器的控制方式 变频器 交流交流 交流交流 频率、电压 可调 频率、电压 恒定 变流方式变流方式 交-交变频器 交-直-交变频器 直接变流器 间接变流器 2.4 2.4 变频器的控制方式变频器的控制方式 目前，实际应用最多的是交-直-交变频器。交-直-交变 频器的基本构成如图所示，由整流器、逆变器、滤波 器和控制电路组成。 变频器的基本组成 2.4.1 2.4.1 180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器 三相180导电型六拍变频器一般为电压型变频器。 整流器为可控整流器，如图所示。 图中，电容C很大，起滤波作 用。直流侧电压为一恒定值， 相当于电压源。在三相逆变器 中，电动机正转时功率管的导 通顺序是VT1、VT22、VT3、 VT4、VT5、VT6，各功率管驱 动信号间相隔60电角度。180 导电型的特点是每只功率管的 导通时间为180，在任意瞬间 有三个功率管同时导通（每条 桥臂上有一只功率管导通）， 它们的换流是在同一条桥臂内 进行，即在VT1-VT4，VT3- VT6，VT5-VT2之间进行相互 换流。 三相180导电型六拍变频器主电路图 设负载为星形连接，逆变器的换流是瞬间完成的，若以电 动 机定子绕组中性点O点电位为参考点，在不同导通区间的相电 压可通过图中的等值电路求得， 三相180导电型六拍逆变器供电的等值电路 2.4.1 2.4.1 180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器 在区间中，561导通，则: 区间 ? 功率管VT1VT1、VT2VT2、VT3VT3、 VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6顺次导通时 的电压波形如图所示。 2.4.1 2.4.1 180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器 180导电型六拍逆变器电压波形 问题： 结合右侧波形，说明电机如何 是调速的？ 相电压和线电压的有效值，为 ： 2.4.1 2.4.1 180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器 对线电压和相电压进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数 ，为 ： 2.4.1 2.4.1 180180导电型六拍变频器导电型六拍变频器 三相120导电型六拍变频器一般为电流型变频器，整流器为 可控整流器，如图所示。 图中，电感L很大，起滤波 作用。直流侧电流为一恒定 值，相当于电流源。在三相 逆变器中，电动机正转时功 率管的导通顺序是VT1、 VT2、VT3、VT4、VT5、 VT6，各功率管驱动信号间 相隔60电角度。120导电 型的特点是每只功率管的导 通时间为120，任意瞬间有 两只功率管同时导通，它们 的换流在相邻桥臂中进行。 三相120导电型六拍变频器主电路图 2.4.2 2.4.2 120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器 2.4.2 2.4.2 120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器 设负载为星形连接，120导电型三相逆变器供电时各区间的等值电 路如图所示 ： 三相120导电型六拍逆变器供电的等值电路 在区间中，61导通，则: 区间 ? 2.4.2 2.4.2 120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器 其各功率管导通区 间、相电流波形如 图 120导电型六拍逆变器电流波形 2.4.2 2.4.2 120120导电型六拍变频器导电型六拍变频器 逆变器输出电流的有效值，为 ： 对逆变器输出电流进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数 ，为 ： 当电动机绕组为三角形连接时，电动机相电流分解成傅氏级数为 : 2.4.3 2.4.3 脉宽调制型变频器脉