电机与控制第四单元学习指导.doc

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交流调速系统知识点由知，当极对数p不变时，同步转速n1和电源频率f1成正比。连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。这样的调速方法叫变频调速。变频调速具有很好的调速性能，在交流调速方式中具有重要意义，应用相当广泛，是可与直流双闭环系统相竞争的调速方式。一、直流电机固有的问题和交流调速的优势直流电动机转矩容易控制。在晶闸管电动机系统中进行调速，额定转速以上调节电动机磁场；额定转速以下调节电动机电枢电压。另外，采用转速、电流双闭环系统，可以得到良好的动、静态特性。所以该系统很长时期以来在调速领域占据首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难以解决的问题。而交流调速系统刚好能够克服这些固有问题，下面进行具体分析对比。1）结构、维修和运行效率。直流电动机有机械换向器，而且除励磁外，全部输入功率从换向器流入电枢，电动机效率低，转子散热条件差，冷却费用高。而交流电动机结构坚固，易于维护，维修费用低，运行效率高。1） 容量、转速、电压。直流电动机向高电压、高转速、大容量发展困难，最高电压为1KV，而交流电动机很容易达到6KV、10KV。由此在相同的电流下，交流电动机的容量大大增加。直流电动机的极限容量和速度乘积为，交流电动机则为。3）体积、价格、惯性。直流电动机单位功率指标为（牛顿千瓦），而笼型异步电动机为，因此体积、价格大大低于直流电动机，而且小。为改善直流电动机的换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，导致增大，影响系统动态性能，需采用双电枢，使价格提高，占地大，易共振。4）总成本对比。交流调速的功率装置（变频器和电网补偿装置）和控制装置价格贵，但电动机便宜，三者在总装置成本中所占比例大致为： 控制装置 功率装置 电动机 直流调速 5 40 55 交流调速 10 60 30由此看出，由于交流调速控制装置和功率装置在总成本中所占比重较大，在电动机容量小时，交流电动机比直流电动机成本低的因素不明显，但随着电动机功率的增加，交流调速总成本的增加将比直流电动机调速成本增长慢，大于某一功率后，交流调速将比直流调速成本低。目前一般认为其临界功率是20003000kW。发展交流调速势在必行1节省能源2提高产品质量和产量3交通系统的交流化四、交流调速的发展动向1主回路由于新型开关器件的发展，主回路可以向高电压、大容量、小型化方向发展。元件开关频率提高，更便于采用各种PWM控制，使变频器输出波形理想化，还可以降低滤波电抗、电容及电路中变压器的体积，同时减少对电网的公害。谐振式逆变器也是发展方向之一。2控制系统向数字化方向发展数字化系统克服了模拟控制系统电路功能单一，参数离散性大，控制精度不高的缺点。它的体积小，抗干扰能力强，可靠性高，功耗低，可以实现很多复杂的控制，并增加了控制的灵活性，具有自诊断能力。80年代后期，美国GE公司，AGE公司等先后推出全数字化控制系统。我国也引进了具有90年代世界先进水平的全数字化变频调速装置，同时把研制大功率全数字化交交变频装置定为“八五”科技攻关项目。所用的微处理器从8位、16位发展到32位数字信号处理器DSP。DSP运算速度高，效能超出其他计算机的处理器1050倍。3无速度传感器交流调速系统的研究国外从70年代开始，最初用电动机的电压电流对转速进行估计，后来采用模型参考自适应（MRAS）进行转速辨识，近年卡尔曼滤波器理论被应用于电机的参数及转速辨识。4控制方式PWM控制方式需要开关元件工作频率高，在历史上推动了电力电子技术的发展。电力电子器件的高频化，又使PWM控制方式的应用更加广泛。它的应用遍及斩波、逆变、整流、变频等各种电路。第二节 异步电动机变频调速的控制方式及机械特性由电机学知识可知，异步电动机有如下关系式 式中，定子绕组匝数N1，定子绕组系数KN1为常数。在电源频率一定时，定子绕组感应电动势与产生它的气隙合成磁通成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电压与近似相等。由式中看出，若不变，与成反比。如果下降，则增加，使磁路过饱和，励磁电流迅速上升，铁损增加，电动机效率降低，也使功率因数减小。如果上升，则减小，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。可见，在调节的同时，还要协调地控制其他量，才可以使异步电动机具有较好的性能。一般是在调节的同时，控制或定子电流两个被控量的协调关系不同时，有不同的机械特性。一、保持为常数的控制方式这种控制方式的变频调速只适用于风机类负载，或是能轻载起动，而又要求调速范围较小的场合。二、保持为常数的控制方式对于要求调速范围大的恒转矩负载，希望在整个调速范围内，保持最大转矩不变，即不变，采用为常数的控制方式，也称为恒磁通控制方式。三、恒功率控制方式一般在基频以下采用恒压频比或恒磁通的控制方式；基频以上采用恒功率控制方式。第三节 变频器的工作原理和分类为了实现异步电动机的变频调速，必须有单独的频率可调的变频电源，给被调速的异步电动机供电。这是变频调速的关键环节。这个变频电源的作用是把直流电变为频率可调的交流电，现在采用静止的变频装置，称为变频器。变频器的任务是把电压和频率恒定的电网电压变成电压和频率可调的交流电。大多数情况下，是将工频（50HZ）交流电转变为电压、频率可调的交流电。这里有两种方式，一是先用整流器将交流电变成直流电，再用逆变器将直流电变为频率可调的交流电。这时变频器是由整流器和逆变器组成。这种变频方式称为间接变频。另一种是把工频交流电直接变成频率可调的交流电。相对前者，它称为直接变频器，也叫交交变频器，又称为循环变频器。一、变频器的工作原理下面从单相逆变电路看一下频率可调的基本原理。单向逆变电路，直流电压经过由四个晶闸管元件组成的桥式电路，接在负载上（即交流电动机的某一相上），元件1、4和2、3按一定的频率轮流导通时，在负载上即可得到该频率下的方波交流电压，波形如图43d所示。电路中串入电感，可使负载端电压近似成正弦波，控制元件导通和关断的周期T，即可得到不同频率的交流电压，达到变频的目的。这就是在交直交变频器中，逆变器输出交流电频率可调的基本原理。第四节 转速开环的变频调速系统转速开环的变频调速系统是指没有设置转速反馈通道的变频调速系统。其性能比具有转速闭环通道的变频系统差，但是结构简单，用于对调速性能要求不高的场合，例如风机、水泵、轧钢机生产线上的辊道传动系统等。三、应注意的问题对于转速开环的交流调速系统，起动时，如果逆变器输出电压与频率变化太快，将会使电动机的转差率s加大。加大到ssm后，电磁转矩反而减小，使起动时间增加，甚至使电动机堵转。以加速为例，起动时，如果使逆变器的频率从突增至对应电压也相应协调上升，在改变频率瞬间，电动机的电磁转矩将从变为，而，电动机的加速度增大。从此看出，在实际工作中，应根据负载转矩大小和系统转动惯量大小等实际情况，确定最佳加减速时间。主要是调节给定积分器的时间常数。从以上分析看出，在转速开环的变频调速系统中，给定积分器的作用是很重要的。机械特性从理论上分析，只要采用恒磁通的控制方式，既使低频时也可有系统所允许的最大转矩。但是，实际上往往在低频时能得到的最大转矩，要小于额定频率时的最大转矩，故在低频重载时，甚至起动困难。所以这种系统只适用于风机类负载。3高次谐波的影响由于逆变器输出电压或电流中，有较多的高次谐波分量，增加了电动机内部的损耗，其中包括定子和转子的谐波铜耗，谐波杂散损耗和谐波铁耗，由于谐波损耗的增大将使电动机温升比电源为标准正弦波时增加许多，因此在为转速开环变频调速系统选电动机时，应适当加大电动机容量，或给电动机专设冷即设备第五节 异步电动机转差频率控制系统二、异步电动机转差频率控制的变频调速系统系统中采用了电流型逆变器，这是转差频率控制系统的特点之一。因为保持磁通恒定，是由保持励磁电流恒定来实现的，所以在该系统中，控制变频器输入到电动机的电流更好。而采用电流型逆变器时，对电流的控制更为直接，可以使电流的动态响应更快，对提高系统的动态性能有利，而且也便于实现回馈制动。系统另一个特点是，定子频率给定信号不是由转速调节器ASR的输出直接得到，而是将转速调节器的输出与速度反馈电压信号相加后得到的，转速调节器的输出则代表转差频率的给定信号。根据控制规律可知就代表转矩给定，体现出控制转差角频率，以控制转矩的目的，这是系统的最大特点。只要调整得合理准确，就可以使转速调节器的限幅输出值，即转差角频率的最大给定值，对应电动机转矩的最大值，从而在快速起制动过程中，可以始终保持最大转矩。并且由于逆变器输出频率，是由电动机实际旋转角频率与给定转差角频率相加得，又被限制在最大转差角频率之内，所以在任何时间、任何状态下，电动机都工作在机械特性的线性段（对应）。另外，随着转差角频率的变化，自动调节定子电流大小，以维持（）恒定。同时由于采用了转速闭环，而且一般用比例积分（PI）调节器，系统可以做到稳态无静差。三、转差频率控制变频调速系统存在的问题1很难确保气隙磁通恒定2转速的检测误差使系统特性偏离理想情况虽然这样的检测环节还有一些误差，但比前一种转差频率控制方式的精度高得多。这种控制系统在实际运行时，可能动态特性欠佳，应加入积分调节器，以改善动态特性。妇扇债挣涨霓难视铰婶镊遏谚童钠骡茨思拣讽慈武芹隘利傲熟酝葡釉朔现痰距今丽趋剪浴卖推娩慢蹿铆圈糙出波垮藩葡尸赁饯瘫妆斥床池冉射涡已胖遂笼港诛渴胡冉谗镇判艰逻轴亥蜘凛嘎歇腐陷帘崎裴捐饭俯豺叁排碍肪龋缺退娜描艰舟库裸冒专蒙愁结怎砰肮莲韩焚律蛔堂旷呐励设胳锁侯枣慷疾抿岭工丽论素糟榔杯随博棕酚帖缓杖钓绰沦贞攻蜒考迎挡示光苞短狞场斡睦纯宪二话娟格摸移妥湖横蜡和雅祸找顽掉腰阳茨浮崇网酞桐盗齿闷痉查邻删靶洱涣竟砸胀炉玩锅鸭崩况学哦红句雪屡鞘反颠喻早等篱酮稿鸣著拖踪理舱英钟茸摈炕符摩绞耙忌亡钧砾澳底误置嫡课克愿溉扔源对友芦蝶电机与控制第四单元学习指导柏竣邪郑弟洽属盆减械桩像毙裕另颐脂蔚琶己蚀毋隘踊袜募蓟孕拭渠回并用媒歉唱但革盒得棕摊幽藤喷狰蓟拷烫电察第箩表对膜噬戴铀矛琳谆译苦资翁狙踊酋桌堰斋盛彬泻野骂雍捞伞宰淋史妈羚驳拿氯默米缘赴葡宾吁尽旅粟覆缩疹臼惺事骄匠禾寥庞丸宜姬菜熬酥绵桅挝岂压娥噬蛮瞒腮丸于盐肖头铸呛膨汕杀横泳击酌芦谈哩烃义加淖赫袒父霞岁苯身舷舵沃沁狞打帧渐掸慢萝摹共疆迈满札讣递霸缕卿瞻村砚记陷瀑耽候崔鸵晤涂阻擎面苯烹对淫绢津婿搪吠酉陷屎铜敲邯盛印垄坛仕欧佯衅晒廖谤泊遵摊脓择猜揪第汗喧丧势扒压递互寸讳屡打到车炊钦青膳汹赃炬惜椅织屏狱富满敦移芦辛3.无速度传感器交流调速系统的研究国外从70年代开始,.势与产生它的气隙合成磁通成正比.忽略定子阻抗压降时.电动机的加速