电力托动自动控制系统陈伯时课件第六章PPT课件.ppt

交流拖动控制系统 第2篇 自动控制系统 1 第六章 自动控制系统 交流异步电动机变压变频调速系统 2 内容提要 综述交流调速的基本类型变频调速的构成及基本要求静止式变频装置简介正弦波脉宽调制 SPWM 变频器异步电动机电压 频率协调控制的稳态机械特性转速开环 恒压频比控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 3 综述 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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106kW 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 11 第一节交流调速的基本类型 12 由电机学已知 感应电动机的转速可表示为 13 按交流电动机的调速方法分类 14 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 15 即Pm Pmech PsPmech 1 s PmPs 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 16 1 转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都转换成热能消耗掉 上述的调压 转子串电阻 电磁转差离合器调速方法均属于这一类 这类调速系统的效率最低 但因系统结构简单 所以仍有一定应用场合 17 2 转差功率回馈型调速系统 转差功率的一小部分消耗掉 大部分则通过变流装置回馈电网 或转化为机械能予以利用 串级调速属于这一类 调速效率显然比第一类要高 但要增加一些设备 18 3 转差功率不变型调速系统 无论转速高低转差功率的消耗基本不变 因此效率最高 变极数 变频调速方法属于这一类 其中变对数的调速方法 只能进行有级调速 应用场合有限 变频调速调速范围宽 平滑性好 效率高 具有优良的静态及动态特性 是应用最广的一种高性能的交流调速 19 第二节变频调速的构成及基本要求 20 一个变频调速系统主要由静止式变频装置 交流电动机和控制电路三大部分组成 静止式变频装置的输入是三相或单相恒频 恒压电源 输出则是频率和电压均可调的三相交流电 至于控制电路 一般来说 变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多 这是由于被控对象 感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致 因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担的 一 变频调速的构成 21 二 变频调速的基本要求 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 22 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 23 定子每相电动势 6 2 式中Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值 V 24 由式 6 2 可知 只要控制好Eg和f1 便可达到控制磁通 m的目的 对此 需要考虑基频 额定频率 以下和基频以上两种情况 25 1 基频以下调速 由式 6 2 可知 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 常值 即采用恒值电动势频率比的控制方式 26 27 然而 绕组中的感应电动势是难以直接控制的 当电动势值较高时 可以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 6 5 这是恒压频比的控制方式 28 但是 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 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线 无补偿的控制特性则为a线 29 带压降补偿的恒压频比控制特性 a 无补偿 b 带定子压降补偿 30 2 基频以上调速 在基频以上调速时 频率应该从f1N向上升高 但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN 最多只能保持Us UsN 这将迫使磁通与频率成反比地降低 相当于直流电机弱磁升速的情况 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起 如下图所示 31 变压变频控制特性 图6 4异步电机变频调速的控制特性 U1 mN m 32 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 则转矩基本上随磁通变化 按照电力拖动原理 在基频以下 磁通恒定时转矩也恒定 属于 恒转矩调速 性质 而在基频以上 转速升高时转矩降低 基本上属于 恒功率调速 33 因此 V F控制必须是改变频率的同时 改变逆变器的输出电压 才能保证调速电机的效率 功率因数不下降 V F控制比较简单 多用于通用型变频器 风机泵类的节能 生产流水线的工作台传动 空调和家电等 34 第三节静止式变频装置简介 35 本节提要间接变频装置构成及控制方式电压源和电流源变频器交 直 交电压源变频器工作原理 36 变频调速系统中 静止式变频装置是系统的中心环节 它的任务是把频率和电压恒定的电网电压变成频率和电压可调的交流电 这样的装置通称为变压变频 VVVF 装置 37 从结构上看 静止变频装置可分为间接变频和直接变频两类 间接变频装置先将工频交流电源通过整流器变成直流 然后再经过逆变将直流变化为可控频率的交流 简称交 直 交变频器 因此又称有中间直流环节的变频器装置 直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流 没有中间直流环节 目前应用较多的还是间接变频装置 38 1 交 直 交变压变频器交 直 交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流 再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流 如下图所示 一 间接变频装置的构成及其控制方式 39 交 直 交变压变频器基本结构 图6 5交 直 交 间接 变压变频器 40 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个 中间直流环节 所以又称间接式的变压变频器 具体的整流和逆变电路种类很多 当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件 P MOSFET IGBT等 组成的脉宽调制 PWM 逆变器 简称PWM变压变频器 如下图所示 41 交 直 交PWM变压变频器基本结构 42 PWM变压变频器的应用之所以如此广泛 是由于它具有如下的一系列优点 1 在主电路整流和逆变两个单元中 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 43 2 输出电压波形虽是一系列的PWM波 但由于采用了恰当的PWM控制技术 正弦基波的比重较大 影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制 因而转矩脉动小 提高了系统的调速范围和稳态性能 44 3 逆变器同时实现调压和调频 动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响 系统的动态性能也得以提高 4 采用不可控的二极管整流器 电源侧功率因素较高 且不受逆变输出电压大小的影响 45 PWM变压变频器常用的功率开关器件有 P MOSFET IGBT GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT IEGT等 受到开关器件额定电压和电流的限制 对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管 SCR 并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交 直 交变压变频器 见下图 46 普通交 直 交变压变频器的基本结构 47 二 电压源 电流源变频器 在交 直 交变压变频器中 按照中间直流环节直流电源性质的不同 逆变器可以分成电压源型和电流源型两类 两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器 下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图 48 两种类型逆变器结构 49 电压源型逆变器 VoltageSourceInverter VSI 直流环节采用大电容滤波 因而直流电压波形比较平直 在理想情况下是一个内阻为零的恒压源 输出交流电压是矩形波或阶梯波 有时简称电压型逆变器 50 电流源型逆变器 CurrentSourceInverter CSI 直流环节采用大电感滤波 直流电流波形比较平直 相当于一个恒流源 输出交流电流是矩形波或阶梯波 或简称电流型逆变器 51 表6 1电压源和电流源交 直 交变频器主要特点比较 52 三 交 直交电压源变频器工作原理 交 直 交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路 以便输出三相交流变频电源 下图为6个电力电子开关器件VT1 VT6组成的三相逆变器主电路 图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件 53 三相桥式逆变器主电路结构 54 控制方式 控制各开关器件轮流导通和关断 可使输出端得到三相交流电压 在某一瞬间 控制一个开关器件关断 同时使另一个器件导通 就实现了两个器件之间的换流 在三相桥式逆变器中 有180 导通型和120 导通型两种换流方式 55 1 180 导通型控制方式 同一桥臂上 下两管之间互相换流的逆变器称作180 导通型逆变器 例如 当VT1关断后 使VT4导通 而当VT4关断后 又使VT1导通 这时 每个开关器件在一个周期内导通的区间是180 其他各相亦均如此 由于每隔60 有一个器件开关 在180 导通型逆变器中 除换流期间外 每一时刻总有3个开关器件同时导通 56 但须注意 必须防止同一桥臂的上 下两管同时导通 否则将造成直流电源短路 谓之 直通 为此 在换流时 必须采取 先断后通 的方法 即先给应关断的器件发出关断信号 待其关断后留一定的时间裕量 叫做 死区时间 再给应导通的器件发出开通信号 57 死区时间的长短视器件的开关速度而定 器件的开关速度越快时 所留的死区时间可以越短 为了安全起见 设置死区时间是非常必要的 但它会造成输出电压波形的畸变 58 输出波形 电压型逆变电路的波形 59 2 120 导通型控制方式 120 导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左 右两管之间进行的 例如 VT1关断后使VT3导通 VT3关断后使VT5导通 VT4关断后使VT6导通等等 这时 每个开关器件一次连续导通120 在同一时刻只有两个器件导通 如果负载电机绕组是Y联结 则只有两相导电 另一相悬空 60 第四节正弦波脉宽调制 SPWM 变频器 61 主要内容问题的提出正弦波脉宽调制 SPWM 技术 62 问题的提出 早期的交 直 交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波 对于电压型逆变器 或矩形波 对于电流型逆变器 这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管 其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化 从而会有较大的低次谐波 使电机输出转矩存在脉动分量 影响其稳态工作性能 在低速运行时更为明显 63 为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能 在出现了全控式电力电子开关器件之后 科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器 由于它的优良技术性能 当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术 只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外 64 图6 14SPWM交 直 交变频器原理图 65 该电路的主要特点是 主电路只有一个可控的功率环节 简化了结构 使用了不可控的整流器 使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1 逆变器在调频的同时实现调压 而与中间直流环节的元件参数无关 加快了系统的动态响应 可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形 能抑制或消除低次谐波 使负载电机可在近似正弦波的交变电压下远行 转矩脉动小 大大扩展了拖动系统调速范围 并提高了系统的性能 所以SPWM逆变器具有结构简单 性能优良 主电路不用附加其它装置 成为当前最有发展前途的一种结构形式 66 一 SPWM变频器的工作原理 1 PWM调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形 以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波 Carrierwave 并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波 Modulationwave 当调制波与载波相交时 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻 从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波 67 图6 15与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波 动画 按照波形面积相等的原则 每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等 因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效 这种调制方法称作正弦波脉宽调制 Sinusoidalpulsewidthmodulation 简称SPWM 这种序列的矩形波称作SPWM波 68 图6 16SPWM变频器电路原理图a 主电路b 控制电路框图 69 图6 16a是全控型三相桥SPWM变频器的主电路 图中VT1 VT6是逆变器的六个功率开关器件 这里开关器件为GTR 整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压Us供电 图6 16b是它控制电路 一组三相对称的正弦参考电压信号由参考信号发生器提供 其频率决定逆变器输出的基波频率 应在所要求的输出频率范围内可调 参考信号的幅值也可在一定范围内变化 以决定输出电压的大小 三角波载波信号Ut是公用的 分别与每相参考电压比较后 给出 正 或 零 的饱和输出 产生SPWM脉冲序列波uda udb udc 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号 70 2 SPWM控制方式 如果在正弦调制波的半个周期内 三角载波只在正或负的一种极性范围内变化 所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内 叫做单极性控制方式 如果在正弦调制波半个周期内 三角载波在正负极性之间连续变化 则SPWM波也是在正负之间变化 叫做双极性控制方式 71 单相桥式PWM逆变电路 VT1 VT2 VT3 VT4 72 三相桥式PWM逆变电路 73 1 单极性PWM控制方式 74 2 双极性PWM控制方式 75 3 PWM控制电路 模拟电子电路采用正弦波发生器 三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制 数字控制电路硬件电路软件实现 76 模拟电子电路 77 1 用模拟器件实现 称为模拟控制方法 2 用数字器件实现 称为数字控制方法 数字控制方法有分为三种 a 微处理机通过软件生成SPWM波 b 使用专门用于SPWM控制的集成电路芯片产生SPWM波形 c 采用微处理机和专用集成电路相结合的方法 共同完成控制功能 目前 SPWM控制大多使用后两种方法 SPWM波形的生成方法分为 78 二 SPWM变频器的同步调制和异步调制 载波比 载波频率ft与调制信号频率fr之比N 即N ft fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况 PWM调制方式分为异步调制和同步调制 79 一 异步调制 异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式 通常保持ft固定不变 当fr变化时 载波比N是变化的 在信号波的半周期内 PWM波的脉冲个数不固定 相位也不固定 正负半周期的脉冲不对称 半周期内前后1 4周期的脉冲也不对称 80 当fr较低时 N较大 一周期内脉冲数较多 脉冲不对称产生的不利影响都较小 当fr增高时 N减小 一周期内的脉冲数减少 PWM脉冲不对称的影响就变大 81 二 同步调制 同步调制 N等于常数 并在变频时使载波和信号波保持同步 基本同步调制方式 fr变化时N不变 信号波一周期内输出脉冲数固定 三相电路中公用一个三角波载波 且取N为3的整数倍 使三相输出对称 82 为使一相的PWM波正负半周镜对称 N应取奇数 fr很低时 ft也很低 由调制带来的谐波不易滤除 fr很高时 ft会过高 使开关器件难以承受 83 同步调制三相PWM波形 84 三 分段同步调制 把fr范围划分成若干个频段 每个频段内保持N恒定 不同频段N不同 在fr高的频段采用较低的N 使载波频率不致过高 在fr低的频段采用较高的N 使载波频率不致过低 85 表6 2分段同步调制的频段和载波比 下表是一个实际系统的频段和载波比分配 HZ HZ 86 图6 20分段同步调制时ft与f2的关系曲线 87 载波比N值的选定与逆变器的输出频率 功率开关器件的允许工作频率以及所用的控制手段都有关系 为了使逆变器的输出尽量接近正弦波 应尽可能增大载波比 但若从逆变器本身看 载波比又不能太大 应受到下述关系式的限制 即 88 分段同步调制虽然比较麻烦 但在微电子技术迅速发展的今天 这种调制方式是很容易实现的 当利用微机生成SPWM脉冲波形时 还应注意使三角载波的周期大于微机的采样计算周期 89 四 混合调制 可在低频输出时采用异步调制方式 高频输出时切换到同步调制方式 这样把两者的优点结合起来 和分段同步方式效果接近 90 5 PWM逆变器主电路及输出波形 91 图6 19三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 w1t O O O O Ud2 Ud2 w1t w1t w1t w1t ura urb urc ut Ud2 Ud2 Ud2 Ud Ud2 Ud 92 图6 19为三相PWM波形 其中ura urb urc为A B C三相的正弦调制波 ut为双极性三角载波 uAO uBO uCO 为A B C三相输出与电源中性点O 之间的相电压矩形波形 uAB为输出线电压矩形波形 其脉冲幅值为 Ud和 Ud uAB为三相输出与电机中点N之间的相电压之差 93 三 电流跟踪式变频器 应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的 它可以按需要方便地控制其输出电压 为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的 94 但是 在交流电机中 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 因此 若能对电流实行闭环控制 以保证其正弦波形 显然将比电压开环控制能够获得更好的性能 95 电流跟踪控制的脉宽调制变频器由通常的PWM电压源型变频器和电流控制环组成 使变频器输出可控的正弦波电流 最常用的电流跟踪式PWM逆变器是电流滞环跟踪控制 具有电流滞环跟踪控制的PWM逆变器的一相控制原理图如图6 21所示 在这里 电流控制器是滞环的比较器 96 图6 21电流环跟踪控制的一相原理图 滞环比较方式电流跟踪控制原理 97 图中 电流控制器是带滞环的比较器 环宽为2h 将给定电流i a与输出电流ia进行比较 电流偏差 ia超过时 h 经滞环控制器HBC控制逆变器A相上 或下 桥臂的功率器件动作 B C二相的原理图均与此相同 98 采用电流滞环跟踪控制时 变压变频器的电流波形与PWM电压波形示于图6 22 如果 ia i a 且i a ia h 滞环控制器HBC输出正电平 驱动上桥臂功率开关器件VT1导通 变压变频器输出正电压 使增大 当增长到与相等时 虽然 但HBC仍保持正电平输出 保持导通 使继续增大直到达到ia i a h ia h 使滞环翻转 HBC输出负电平 关断VT1 并经延时后驱动VT4 99 但此时未必能够导通 由於电机绕组的电感作用 电流不会反向 而是通过二极管续流 使受到反向钳位而不能导通 此后 逐渐减小 直到时 到达滞环偏差的下限值 使HBC再翻转 又重复使导通 这样 与交替工作 使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内 在正弦波上下作锯齿状变化 从图6 22中可以看到 输出电流是十分接近正弦波的 100 滞环比较方式的指令电流和输出电流 图6 22电流滞环跟踪控制时的电流波形 a 电流波形 b 电压波形 101 图6 23给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形 可以看出 在半个周期内围绕正弦波作脉动变化 不论在的上升段还是下降段 它都是指数曲线中的一小部分 其变化率与电路参数和电机的反电动势有关 102 三相电流跟踪型PWM逆变电路 三相电流跟踪型PWM逆变电路 103 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 104 因此 输出相电压波形呈PWM状 但与两侧窄中间宽的SPWM波相反 两侧增宽而中间变窄 这说明为了使电流波形跟踪正弦波 应该调整一下电压波形 105 电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关 同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约 当环宽选得较大时 可降低开关频率 但电流波形失真较多 谐波分量高 如果环宽太小 电流波形虽然较好 却使开关频率增大了 这是一对矛盾的因素 实用中 应在充分利用器件开关频率的前提下 正确地选择尽可能小的环宽 106 小结 电流滞环跟踪控制方法的精度高 响应快 且易于实现 但受功率开关器件允许开关频率的限制 仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率 在其他情况下 器件的允许开关频率都未得到充分利用 为了克服这个缺点 可以采用具有恒定开关频率的电流控制器 或者在局部范围内限制开关频率 但这样对电流波形都会产生影响 107 第五节异步电动机电压 频率协调控制的稳态机械特性 108 概述 第二节已经简要说明了变频调速系统电压和频率的基本控制原则 由于变频调速系统中的电压和频率是两个可以独立控制的变量 使得传动系统速度的调节和转矩的控制变得非常灵活 方便 可以根据不同需要采用不同的电压频率协调控制方案 使电动机在特定的电压 频率关系下运行 以获得期望的转矩特性或运行经济性 109 本节主要内容 恒压恒频时异步电动机的机械特性电压 频率协调控制下的机械特性 110 具有代表性的电压 频率协调运行方式有 恒压频比运行 恒气隙磁通运行 恒转子磁通运行 这三种运行方式都是以改善转矩特性为出发点的 适用于基频以下的调速情况 恒电压运行方式适合于基频以上的调速情况 111 这些磁通都感应电势 把气隙磁通感应的电势叫气隙电势 即定子每相电动势 用表示 把定子全磁通 用表示 和转子全磁通 用表示 感应的电势分别叫做定子电势和转子电势 分别用和表示 感应电机中的磁通分为主磁通和漏磁通两大类 主磁通是定 转子绕组电流共同产生的 通过气隙 并与定 转子同时铰链的磁通 也就是气隙磁通 112 各类磁通与它们产生的感应电势之间存在下列关系 113 一 恒压恒频时异步电动机的机械特性 根据电机学原理 做下述假定条件下 忽略空间和时间谐波忽略磁饱和忽略铁损 可得 式中 114 在一般情况下 则C 1 这相当于将上述假定条件的第 3 条改为忽略铁损和励磁电流 这样电流公式可简化成 115 则当定子电压U1和电源角频率 1恒定时 电磁转矩为 6 9 116 特性分析 当s很小时 可忽略上式分母中含s各项 则 6 10 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 见图6 25 117 当s接近于1时 可忽略式 6 9 分母中的Rr 则 6 11 即s接近于1时转矩近似与s成反比 这时 TM f s 是对称于原点的一段双曲线 118 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 如图所示 119 二 电压 频率协调控制下的机械特性 由机械特性方程式可以看出 对于同一组转矩TM和转速n 或转差率s 的要求 电压U1和频率 1可以有多种配合 在U1和 1的不同配合下机械特性也是不一样的 因此可以有不同方式的电压 频率协调控制 120 一 恒压频比控制 U1 1 为了近似地保持气隙磁通不变 以便充分利用电机铁心 发挥电机产生转矩的能力 在基频以下须采用恒压频比控制 这时 同步转速自然要随频率变化 121 在式 6 10 所表示的机械特性近似直线段上 可以导出 6 13 带负载时的转速降落为 122 由此可见 当U1 1为恒值时 对于同一转矩Te s 1是基本不变的 因而 n也是基本不变的 这就是说 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 123 所不同的是 当转矩增大到最大值以后 转速再降低 特性就折回来了 而且频率越低时最大转矩值越小 将式 6 9 对s求导 并令 整理后可得 6 10 124 可见最大转矩TMmax是随着的 1降低而减小的 频率很低时 TMmax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U1 可以增强带载能力 见图6 26 125 机械特性曲线 图6 26恒压频比控制时变频调速的机械特性 补偿定子压降后的特性 126 二 恒Eg 1控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路 图中几处感应电动势的意义如下 Eg 气隙 或互感 磁通在定子每相绕组中的感应电动势 Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 折合到定子边 127 128 特性分析 如果在电压 频率协调控制中 恰当地提高电压U1的数值 使它在克服定子阻抗压降以后 能维持Eg 1为恒值 基频以下 则由式 6 3 可知 无论频率高低 每极磁通 m均为常值 129 由等效电路可以看出 6 16 代入电磁转矩关系式 得 6 17 130 利用与前相似的分析方法 当s很小时 可忽略式 6 17 分母中含s项 则 6 18 这表明机械特性的这一段近似为一条直线 131 当s接近于1时 可忽略式 6 17 分母中的R2 2项 则 6 18 s值为上述两段的中间值时 机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡 整条特性与恒压频比特性相似 132 性能比较 但是 对比式 6 17 和式 6 9 可以看出 恒Eg 1特性分母中含s项的参数要小于恒Us 1特性中的同类项 也就是说 s值要更大一些才能使该项占有显著的份量 从而不能被忽略 因此恒Eg 1特性的线性段范围更宽 133 将式 6 17 对s求导 并令dTM ds 0 可得恒Eg 1控制特性在最大转矩时的转差率 6 19 和最大转矩 6 20 134 性能比较 续 值得注意的是 当Eg 1为恒值时 TMmax恒定不变 如下图所示 其稳态性能优于恒Us 1控制的性能 这正是恒Eg 1控制中补偿定子压降所追求的目标 135 机械特性曲线 TMmax 恒Eg 1控制时变频调速的机械特性 136 三 恒Er 1控制 如果把电压 频率协调控制中的电压再进一步提高 把转子漏抗上的压降也抵消掉 得到恒Er 1控制 那么 机械特性会怎样呢 由此可写出 6 21 137 代入电磁转矩基本关系式 得 6 22 这时的机械特性完全是一条直线 见图6 28 138 几种电压 频率协调控制方式的特性比较 图6 28不同电压 频率协调控制方式时的机械特性 恒Er 1控制 恒Eg 1控制 恒U1 1控制 a b c 139 显然 恒Er 1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 现在的问题是 怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er 1呢 140 按照电动势和磁通的关系 可以看出 当频率恒定时 电动势与磁通成正比 气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值 m 那么 转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值 rm 141 由此可见 只要能够按照转子全磁通幅值 rm 恒值进行控制 就可以获得恒Er 1了 这正是矢量控制系统所遵循的原则 将在第八章中详细讨论 142 几种协调控制方式的比较 1 恒压频比 U1 1 恒值 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强人意 须对定子压降实行补偿 143 2 恒Eg 1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准 可以在稳态时达到 2m 恒值 从而改善了低速性能 但机械特性还是非线性的 产生转矩的能力仍受到限制 144 3 恒E2 1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性 按照转子全磁通 2m恒定进行控制 即得E2 1 恒值而且 在动态中也尽可能保持 rm恒定是矢量控制系统的目标 当然实现起来是比较复杂的 145 四 基频以上的恒电压运行 性能分析在基频以上变频调速时 由于定子电压U1 U1N不变 机械特性方程式可写成 146 性能分析 续 而最大转矩表达式可改写成 6 23 同步转速的表达式仍为 147 机械特性曲线 恒功率调速 由此可见 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 而形状基本不变 如图所示 图6 29基频以上变频调速机械特性 148 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 149 第六节转速开环 恒压频比控制的变频调速系统 150 变频调速系统可分为转速开环和转速闭环两大类 在不要求动态特性或电机经常处于恒速运行的传动系统中 可以采用转速开环方案 其结构简单 成本比较低 例如风机 水泵等的节能调速就经常采用这一方案 此外 在由一台变频器向多台电机供电的传动系统中 不可能使用测速反馈 也只能采用转速开环方案 但是如果稳态精度要求较高 并有快速加 减速的要求时 转速开环方案不能满足要求 必须采用转速闭环方案 151 一 电压源逆变器供电的转速开环系统 恒压频比控制 转速开环变频调速系统的基本结构如图6 30所示 图中UR是可控整流器 用电压控制环节控制它的输出电压 USI VoltageSourceInverter 是电压源逆变器 用频率控制环节控制它输出频率 电压和频率控制采用同一个控制信号 以保证二者的协调 152 153 系统中各环节的功能说明如下 1 给定积分器GI给定积分器作用是当转速给定信号发生阶跃变化时 防止逆变器的频率和电压也发生阶跃变化 否则 由于电动机的转速不能快速跟上频率和电压的变化 必然使其运行于大转差下 引起很大的电流冲击 经过GI后 阶跃的转速给定信号变为按规定斜率上升的斜坡信号 使逆变器的输出频率和电压都能平缓上升 从而可限制冲击电流 154 155 156 2 绝对值变换器GAB 绝对值变换器GAB的作用 只要改变三相逆变器输出的电压的相序 就可以使电动机转速改变方向 因此 不论转速给定信号为正还是为负 即不论要求正转还是反转 逆变器输出电压和频率的指令值均为正值 但是 经给定积分器GI后的转速给定信号却有正有负 因此需要经过绝对值变化器GAB将变换成只输出其绝对值信号 来控制逆变器的输出频率 157 158 3 电压控制环节 电压控制环节一般采用电压 电流双闭环的结构如下图所示 内环设电流调节器ACR用以限制动态电流 兼起保护作用 外环设电压调节器AVR 用以控制输出电压 电压 频率控制信号加到电压调节器上以前 应先通过函数发生器GF 把电压给定信号提高一些 以补偿定子阻抗压降 改善调速时 特别是低速时 的机械特性 159 160 由绝对值变换器GAB输出的频率指令信号分为两路 一路通过频率控制环节控制逆变器的输出频率 另一路通过电压控制环节控制逆变器的输出电压 由于变频调速系统中 频率和电压之间必须满足一定关系 为此 二者的指令信号和之间也必须满足对应的关系 这一关系由函数发生器GF实现 161 图a中绘出了函数发生器GF的原理图 其输入信号为 输出信号为AVR的给定电压 通过调节电位器RP1和RP2能够获得图b所示的函数特性 162 4 频率控制环节 频率控制环节主要由压频变换器GVF 环形分配器DRC和脉冲放大器AP三部分组成将电压 频率控制信号转变成具有一定频率的脉冲列 再按六个脉冲一组依次分配给逆变器 分别触发桥臂上相应的六个晶闸管 163 压频变换器GVF是一个由电压控制的振荡器 它的作用是将电压信号转变成一系列脉冲信号 脉冲列的频率与控制电压的大小成正比 从而得到恒压频比的控制作用 如果逆变器输出的最高频率是 则压频变换器应能给出最高频率6 以便在逆变器的一个工作周期内发出六个触发脉冲 分别触发六个桥臂的晶闸管 其电路见有关参考书 变频调速系统对压频变换器的主要要求有 有较好的电压 频率变化线性度 有较好的频率稳定性 能方便地改变参数来调节变频范围 164 变频调速系统对压频变换器的主要要求有 1 有较好的电压 频率变化线性度 2 有较好的频率稳定性 3 能方便地改变参数来调节变频范围 165 N1积分器 N2电压比较器 其反向输入电位为比较电压 VT1导通时N2的下限电压为0 3V VT1截止时N2反向电压为 166 压频变换器各点电压波形 167 令t t1时 UA UB 脉冲周期T 168 环形分配器DRC是一个具有六分频的环形计数器 它将GVF输出脉冲类分配成六个一组相互间隔的具有一定宽度的脉冲信号 169 对于可逆调速系统 只要用改变晶闸管触发顺序的方法来改变输出电压的相序 就可改变电动机的转向 这时 采用可逆计数器就可以了 当计数器做 1运算时 按6 1的顺序触发晶闸管 得到负相序电压 加 减法运算由正 反向信号来控制 正 反向信号从经极性鉴别器DPI获得 170 脉冲放大器AP的主要任务是脉冲功率的放大和触发脉冲宽度的保证 当逆变器输出功率在50Hz以上时 采用一般功放电路就可以了 当输出频率在50Hz以下时 为了减小脉冲变压器的体积 同时还能得到很好的脉冲波形 须对DRC送来的脉冲信号施加高频调制 高频载波频率一般3 5kHz 171 此外 在频率指令信号和压频变化器GVF之间还可加入频率给定动态校正环节GFC 这是因为在交 直 交电压源变频调速系统中 由于中间直流回路存在大滤波电容 它使动态过程中电压的变化比较缓慢 但频率控制环节的响应却比较快 这势必造成动态过程中压频比的大幅度变化 从而引起磁通的波动 为此 在GVF前设置GFC 其作用是让频率的变化也慢一些 例如采用一阶惯性环节 使它与电压的变化在动态中基本保持一致 GFC的具体参数只能在调试中确定 172 第七节转速闭环转差频率控制的变频调速系统 173 0 问题的提出前节所述的转速开环变频调速系统可以满足一般平滑调速的要求 但静 动态性能都有限 要提高静 动态性能 首先要用转速反馈的闭环控制 转速闭环系统的静特性比开环系统强 这是肯定无疑的 但怎样才能真正提高系统的静 动态性能呢 174 电力传动的基本控制规律 我们知道 任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率d dt 根据基本运动方程式 控制电磁转矩就能控制d dt 因此 归根结底 调速系统的动态性能就是控制转矩的能力 175 在异步电机变压变频调速系统中 需要控制的是电压 或电流 和频率 怎样能够通过控制电压 电流 和频率来控制电磁转矩 这是寻求提高动态性能时需要解决的问题 176 将 按照前面介绍的恒Eg 1控制 即恒 m控制 时的电磁转矩公式重写为 一 转差频率控制的基本概念 177 代入上式 得 6 27 令 s s 1 并定义为转差角频率 是电机的结构