天津大学 运动控制系统(二)课件 第2篇.ppt

1 电力拖动自动控制系统 运动控制系统 第2篇 交流调速系统 魏熙乐天津大学电气与自动化工程学院Tel mail xilewei 2 运动控制系统及其组成 图1 2运动控制系统及其组成 3 运动控制系统的历史与发展 直流调速系统和交流调速系统在19世纪中叶先后诞生 在20世纪前半叶 约占整个电力拖动容量80 的不可调速系统采用交流电动机 只有20 的高性能可调速系统采用直流电动机 4 直流电动机工作原理 直流电动机模型 换向器的作用 直流电动机的电枢在转子上 而定子产生固定不动的磁场 为了使直流电动机旋转 需要通过换向器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向 使两个磁场的方向始终保持相互垂直 从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转 5 运动控制系统的历史与发展 直流调速系统优点 直流电动机的数学模型简单 转矩易于控制 缺点 具有电刷和换向器 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换向能力限制了直流电机的容量和速度等 6 异步电动机工作原理 异步电动机的电枢在定子上 为三相对称的交流绕组 三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时 将在电机气隙空间产生旋转磁场 转子绕组的导体处于旋转磁场中 转子导体切割磁力线 并产生感应电势 并产生感应电流 感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 电磁力作用在转子上将产生电磁转矩 并驱动转子旋转 运动控制系统的历史与发展 7 运动控制系统的历史与发展 交流调速系统优点 无电刷 无需换向 结构点简单 成本低 工作可靠 维护方便 惯量小 效率高缺点 动态数学模型复杂具有非线性多变量强耦合的性质 8 运动控制系统的历史与发展 解决交流电动机的调速问题 依赖于以下两点 变频技术 电力电子技术的发展 如IGBT MOSFET 整流 逆变装置新兴的控制技术 9 运动控制系统的历史与发展 到20世纪60 70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的出现 使得交流调速系统实现成为可能 打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局 交流调速系统能否取代直流调速系统 10 运动控制系统的历史与发展 交流调速系统的控制方法早期方法 基于稳态数学模型新兴的控制技术 矢量控制 直接转矩控制F Blaschke 感应电机磁场定向控制原理 P C Custman 定子电压坐标变换控制 难波江章 转差型矢量控制 W Leonhard 通用高性能矢量控制系统 Depenbrook 直接转矩控制 11 运动控制系统的历史与发展 进入21世纪后 用交流调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实 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 12 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 13 一般性能调速和节能调速 风机 水泵对调速范围和动态性能的要求都不高 只要有一般的调速性能就足够了 需要调速 但对调速性能要求不高的生产机械 也属于一般性能调速 14 高性能的交流调速系统和伺服系统 矢量控制技术 直接转矩控制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 15 特大容量 极高转速的交流调速 特大容量的电力拖动设备厚板轧机 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 16 按调速方法分类 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速 变压变频调速 交流电动机调速 异步电动机调速 17 按照交流异步电机的原理 从定子传入转子的电磁功率Pm可分成 机械功率Pmech 拖动负载的有效功率 转差功率Ps 传输给转子电路的 与转差率s成正比 Pm Ps Pm Pmech Ps Pmech 1 s Pm Ps sPm 按能量转换类型分类 交流电动机调速 异步电动机调速 18 从能量转换的角度看 转差功率是否增大 能量是被消耗掉还是得到利用 是评价调速系统效率高低的标志 按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类 转差功率消耗型 转差功率馈送型 转差功率不变型 按能量转换类型分类 交流电动机调速 异步电动机调速 19 全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中 以增加转差功率的消耗来换取转速降低 恒转矩负载时 越到低速效率越低 结构简单 设备成本少 还有一定的应用价值 转差功率消耗型 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 交流电动机调速 异步电动机调速 20 转差功率一部分被消耗掉 转子铜损 大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用 功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈调速系统 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 效率较高 只能采用绕线转子感应电动机 转差功率馈送型 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 交流电动机调速 异步电动机调速 21 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 变极对数调速是有级的 应用场合有限 变压变频调速应用最广 可取代直流调速 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 转差功率不变型 交流电动机调速 异步电动机调速 22 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速 变压变频调速等 交流电动机调速 异步电动机调速 转差功率消耗型 转差功率馈送型 转差功率不变型 按调速方法分类 按能量转换类型分类 23 同步电动机没有转差 也就没有转差功率 所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型 同步电动机转子极对数是固定的 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 交流电动机调速 同步电动机调速 24 从频率控制的方式来看 同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类 他控变频调速利用独立的变压变频装置给同步电动机供电 结构简单 可能产生失步现象 自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相 又称作无换向器电动机调速 或无刷直流电动机调速 结构复杂 从根本上消除失步问题 交流电动机调速 同步电动机调速 25 两类交流调速 基于交流电动机的稳态模型 其动态性能不高 是在交流调速发展初期出现的 基于交流电动机的动态模型 能实现高动态性能 是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的 26 主要章节 第5章闭环控制的异步电动机变压调速系统第6章绕线转子异步机双馈调速系统第7章笼型异步电机变压变频调速系统第8章同步电动机变压变频调速系统 27 电机学与本课程关系密切的环节 异步电动机的稳态模型 1感应电势2等值电路3功率流程4机械特性 28 1感应电势 折算后 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电势 转子全磁通在转子每相绕组中的感应电势 气隙磁通在定子每相绕组中的感应电势 29 2等值电路 s是异步电机的一个基本参数 没有单位 它的大小反映了异步电机转子的转速n 正常运行的异步电动机 转子转速n接近于同步转速n1 转差率s很小 一般s 0 01 0 05 pec 转差率s 30 折算前稳态电路 等效稳态电路 频率折算 绕组折算 用静止转子代替旋转转子 附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率 2等值电路 31 T形等效电路在异步电动机分析中具有重要地位 2等值电路 折算原则 1 磁势不变 2 功率不变 32 pec 2等值电路 33 R1 R2 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻 Ll1 Ll2 一定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感 Lm一定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感 即励磁电感 U1 1一电动机定子相电压和供电角频率 S 转差率 2等值电路 忽略铁损 34 pec 2等值电路 35 转差功率Ps 转子铜耗Pcu2 转子机械功率Pmec P2 pmec ps 定子铜耗pcu1 铁耗pFe 电磁功率PM 电源输入功率P1 3功率流程 36 电源输入功率 定子绕组的铜耗 铁耗 pFe1定子铁心中的磁滞损耗 涡流损耗 正常运行时转子铁耗pFe2可忽略 3功率流程 定子侧 37 电磁功率 通过电磁感应由定子传递给转子 转子铜耗 转差功率 转子的机械功率 3功率流程 转子侧 38 电磁转矩 除以转子机械角速度 rad s 得异步电动机的转矩平衡方程式 电磁转矩 轴上输出转矩 空载转矩 电机轴上输出的机械功率P2要由Pmec扣除机械损耗pmec 轴承 风阻等摩擦阻转矩 和附加损耗ps 齿槽影响 谐波磁势作用 3功率流程 39 3功率流程 40 pec 根据等效电路推导机械特性有两条途径 二者本质上是一致的 4机械特性 41 途径1 1用U1表示 4机械特性 42 得异步机的机械特性方程式 根据 上式是异步机调压调速的基础 经过变化后 是恒压频比变频调速的基础 4机械特性 43 将上式对s求导 并令dTe ds 0 可求得产生最大转矩时的临界转差率 最大转矩 最大转矩与电网电压的平方成正比 最大转矩近