交流调速系统电子教案

附件二 大连铁道学院关于教案设计编写的相关规定 教案是任课教师对所授课程设计编写的教学实施方案 教案能够体现着 教师的教学思想和教学风格 凝结着教师的教学经验 反映着教师的教学水 平 是提高教学效果和教学质量所必备的教学基本文件 授课教师应遵循专 业培养计划制订的培养目标 以教学大纲为依据 在熟悉教材的基础上 结 合教学经验 提前设计编写所授课程的教案 一 教案的基本内容 1 授课题目 章节或主题 2 授课类型 理论课 实验课 习题课等 3 教学目的 4 教学内容 知识点 包括重点与难点 5 教学方法 讨论 启发 自学 演示 辩论 难点突破等 6 教学手段 挂图 模型 实物 录像 多媒体等 7 参考书目 8 教学过程 复习 授新课 思考 讨论 作业等 二 教案的设计 课程教案设计应包括三个层面 1 课程的内容 教学基本要求 教学方法和手段等的总体设计 2 各章的内容 教学方法 要求的设计 3 每次课程的教学内容 方法 要求的设计 三 教案编写的要求 1 根据教学大纲要求 钻研教材和教学参考书 2 教案每个层面的设计编写 要确定教学目的和要求 一般应包含知 识教学 能力培养 思想教育等 3 确定授课的重点和难点 4 根据教学内容 设计授课类型 确定教学方法和手段 即各种教具 教学仪器和设备 5 设计课堂教学程序及辅助教学方法 有特色 有创意 6 根据社会发展 科技进步及人才培养新要求及时增加新的知识内容 每一轮授课内容必须有一定的更新率 7 教案原则上要求打印装订成册 教教 案案 20112011 20122012 学年学年 第一学期第一学期 教 学 单 位 电气工程教研室 课 程 名 称 交流调速 课 程 编 号 学 时 32 学 分 2 适 用 专 业 自动化 年 级 2009 授 课 教 师 邓福军 职 称 副教授 职 务 大连交通大学教务处制 课 程 教 学 实 施 计 划 授课教师邓福军辅导教师 助教 实验 实践 教学指导教师 总 学 时理论学时多媒体教学学时习题课实验学时 学 时 计 划 32284 名 称出 版 社出版时间获奖情况 使 用 教 材 交流调速高等教育出版社 2003 现代交流传动及其控制系 统 中国铁道出版社 1999 最新实用交流调速系统机械工业出版社 1998 交流调速系统上海交通大学出版社 1992 参 考 书 目 教 学 要 求 1 要求掌握的基本知识 交流调速系统的类型 构成 工作原理 专用集成芯片及单片机的应用 2 需要掌握的基本理论和方法 恒转矩和恒功率控制理论 脉宽调制理论 双轴理论 矢量变换控制理论 交流 调速系统的设计方法 各种器件 设备的选则方法 通用变频器的使用方法 3 需要掌握的基本技能 将理论应用于实际的技能 教 学 创 新 与 更 新 在讲授基本知识的基础上 增加了目前广泛应用最新实用技术 如在变频调速中 增加了变频器实用主电路构成图 加强理论与实际相结合 增加了以台达变频器 VFD A 为例的实际应用讲解及变频调速系统的应用实例 让学生在掌握理论的同时 也会实践应用 提高学生的学习兴趣 通过对新知识的讲授 让同学们了解本课程目 前的技术水平及发展前景 考核 方式 采用闭卷笔答形式 成绩计 算方法 采用试卷成绩 平时成绩 平时占 15 的形式 1 授 课 章 目录 学时 分配 教学方法与手段 进度计划 周次 绪论 1 课堂讲授 6 交流调压调速系统 3 课堂讲授 6 绕线式异步电动机的串级调速系统 4 课堂讲授 7 交流电动机变频调速系统 10 课堂讲授 8 12 异步电动机矢量变换控制系统 8 课堂讲授 13 15 通用变频器的应用 2 对照实用设备讲授 15 习题与小结 4 课堂讲授 16 2 各 章 教 学 实 施 计 划 课时安排 1 授课章名称 绪论 授课时间第 1 周 教学目的 要求 分了解 理解 掌握 三个层次要求 了解交流调速发展 现状及发展方向 理解交流调速应用的目的 掌握交流调速的种类 教学内容 包括基本内容 重点 难点 基本内容 一 电力拖动系统的分类与发展 1 分类 直流拖动系统 优点 缺点 a 交流拖动系统 优点 缺点 b 2 发展 二 交流调速系统的应用 三 交流调速的种类 同步电机 异步机 重点 交流调速系统的种类及应用目的 讨论 思考题 作业 讨论 直流拖动系统和交流拖动系统的应用发展前景的比较 参考书目 含参考书 文献等 具体内容 佟纯厚 交流电动机晶闸管调速系统 机械工业出版社 1988 5 11 周 炼 谢运祥 交流调速系统及相应电力电子技术的发展综述 微电机 1999 6 1 4 3 课 堂 教 学 实 施 计 划 第 1 课 教学过程设计 复习 授新课 讨 论 其它 授新课 授课类型 请打 理论课 讨论课 实验课 习题课 其它 教学方式 请打 讲授 讨论 示教 指导 其它 教学手段 请打 多媒体 模型 实物 挂图 音像 其它 教学内容 包括基本内容 重点 难点 绪论绪论 一 电力拖动系统的分类与发展 1 分类 直流拖动系统 以直流电机作为电能 机械能的转换装置 a 优点 调速简单 易于实现 启动 调速性能好 缺点 因具有电刷与整流子 需经常进行维修 其主要表现在以下几点 因受换向器的限制 电枢电压最高能到一千多伏 受换向器机械强度的约束 转速低 数百至一千多转 单机容量受到限制 一般为 12 14 兆瓦 直流电机体积 重量 价格比同等容量的交流电机大 交流拖动系统 以交流电动机作为电能 机械能的转换装置 b 优点 结构简单 坚固耐用 几乎不用维修 克服了直流机的缺点 缺点 交流机各参量之间是非线性的 强耦合 很难控制 因而性能不如直流调速 2 发展 以时间顺序介绍 1834 年第一台直流电机问世 相继出现直流调速系统 十九世纪末交流电机问世 因多变量 非线性不好控制 只应用在一些恒速系统中 二十世纪 30 50 年代 世界各国对交流调速进行各种研究 但只是实验室阶段 都没 有达到工业实用阶段 1958 年世界上第一只晶闸管的研制成功为交流调速开辟了广阔的发展前途 60 年代后期基本解决了技术上的一些关键问题 使交流调速实现一次较大飞跃 70 年代由晶闸管构成的交流调速系统进入扩大应用及系列化 进一步提高性能阶段 80 年代随着 GTR 的出现 新型逆变技术及微型计算机控制技术的应用 使交流调速系 统取得突破性进展 大举进入调速控制的各个领域 二 交流调速系统的应用 1 代替原有的直流拖动系统 例 伸线机直流拖动系统用交流调速系统取代 2 可节约大量能源 风机 水泵类负载 例 污水处理厂 200KW 风机应用 3 满足生产工艺的需要 例 编织袋机交流调速应用 三 交流调速的种类 交流电机可分为同步电机和异步机 同步机 改变供电电压频率调速 异步机 调压调速 串级调速 变频调速 无换向电机调速 4 各 章 教 学 实 施 计 划 课时安排 3 授课章名称 交流调压调速系统 授课时间 第 1 周 教学目的 要求 分了解 理解 掌握 三个层次要求 了解三相交流调压电路的各种常用形式 理解闭环控制的调压调速系统及用单片机控制的调压调速系统 掌握调压调速的基本原理 机械特性 晶闸管三相交流调压电路的构成和原理 教学内容 包括基本内容 重点 难点 基本内容 一 调压调速的原理 二 晶闸管三相交流调压电路 三 常用的三相交流调压电路 四 闭环控制的调压调速系统极其静特性 五 用单片机控制的调压调速系统 重点 调压调速的基本原理 机械特性 晶闸管三相交流调压电路的构成和原理 难点 闭环控制的调压调速系统及其动特性 讨论 思考题 作业 讨论 三相交流调压调速系统如何解决制动问题 作业 1 三相 Y 联接调压电路给三相异步电动机供电时 电动机气隙中有无 3 次谐波磁动势 为什么 2 三相 Y 联结调压电路中时如何处理 参考书目 含参考书 文献等 具体内容 刘竟成 交流调速系统 上海交通大学出版社 1992 第一章 异步电动机的调压调速系统 课 堂 教 学 实 施 计 划 第 1 2 课 教学过程设计 复习 授新课 讨 论 其它 授新课 授课类型 请打 理论课 讨论课 实验课 习题课 其它 教学方式 请打 讲授 讨论 示教 指导 其它 教学手段 请打 多媒体 模型 实物 挂图 音像 其它 教学内容 包括基本内容 重点 难点 第一章第一章 交流调压调速系统交流调压调速系统 2 2 1 1 异步电动机调压调速的原理 已知电磁转矩方程为 2 3 2 201 2 211 2 2 1 xxsrrf srUn T P e 由机械特性方程可知 在电机参数不变的情况下 电磁转矩与成正比 若在一定 e T 2 1 U 的负载转矩下 保持不变 变化会引起转差率 S 的变化 而同步转速不变 则电机的 e T 1 U 转速 n 发生变化 调速范围在 0 Sm 之间 普通电机较小 为增加调速范围一般采用力矩电动机 机械特性曲线变化规律如下图所示 Sn 1 0 n0 0Te U1U 1U 1 U 1 U 1 U1 Sn 1 0 n0 0Te U1U 1 U 1 U 1 U 1 时 晶闸管起调压作用 当 时 同一相的另一晶闸管触发脉冲到来时 原 已导通的晶闸管尚未关断 则另一晶闸管触发脉冲不能立刻起作用 若脉冲宽度不够 当原已导通的晶闸管 电流过零而关断时 另一晶闸管触发脉冲已消失 则形成 单相半波整流 现象 所以要采用宽脉冲或双脉 冲触发 当原已导通的晶闸管电流过零而关断时 另一晶闸管触发脉冲仍存在 以避免上述现象的出现 2 3 其他常用的三相交流调压电路简介其他常用的三相交流调压电路简介 一 三相半控 Y 联结调压电路 图略 二 三相零点 联结调压电路 图略 三 带零线的三相交流调压电路 图略 2 4 闭环控制的调压调速系统极其静特性闭环控制的调压调速系统极其静特性 调压调速开环控制的缺点 采用普通电动机调速范围窄 采用力矩电动机时 调速范围虽然可以大一 些 但机械特性变软 负载变化时的静差率大 一 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统静特性 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统构成原理图和静特性曲线如图 1 3 所示 Un ASR Uct TVC TG M 3 n a 原理图 n Te TL A AA b 静特性 Un 图 1 3 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统 7 教学内容 包括基本内容 重点 难点 静特性 如果系统带负载 TL在 A 点运行 当负载增大引起转速下降时 反馈控制作用能提高定子电压 从而在新的一条机械特性上找到工作点 A 同理 当负载降低时 也会得到定子电压低一些的新工作点 A 将工作点 A A A 联接起来便是闭环系统的静特性 由图可知闭环系统的静特性很硬 可实现无静差调速的目的 二 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统动态特性 系统动态结构图如图 1 4 所示 各个环节如下 WASR S WGT V S WMA S WFBS S n s Un s Un s 图 1 4 交流调压调速系统动态结构图 1 转速调节器 ASR 采用 PI 调节器 其传递函数为 s s KSW n n nASR 1 2 晶闸管交流调压器输出电压 U1和控制电压 Uct之间的传递函数 近似成一阶惯性环节 传递函数 三相全波 Y 联结时 可取 TS 3 3ms 1 sT K sW S VGT 3 测速反馈环节的传递函数 考虑到反馈滤波的作用 其传递函数为 1 sT sW on FBS 4 异步力矩电动机近似传递函数 推导过程同书 为 式中 为异步力矩电动机的传递系数 1 sT K sW m MA MA A A MA U s K 1 1 2 为异步力矩电动机传动系统的机电时间常数 2 1 2 2 2 1 3 Ap m Un rJ T 有了异步力矩电动机调压调速系统各环节近似传递函数后 就可进行速度调节器的工程设计了 系统固有的传递函数为 1 1 1 sTsTsT KK sW monS MAS 8 教学内容 包括基本内容 重点 难点 令 则上式可简化为 onSNMASN TTTKKK 1 1 sTsT K sW mN N 速度调节器按一阶系统设计 则应具有形式 所以 sWsWASR 1 Tss K NmnnNn TTTKKK 一般取 KT 0 5 时系统跟随性和抗干扰性都较好 因而速度调节器参数为 mn NN m n T TK T K 2 2 2 5 5 用单片机控制的调速调压系统用单片机控制的调速调压系统 因单片机课程还没开 所以此处等单片机课程讲完后采用自学方式 2 2 6 6 调压调速应用实例调压调速应用实例 交流调压器 软启动器 以塞普软启动器为例 主电路构成与 2 2 节中相同 在此图略 工作模式有三种 1 启动电压加速斜波控制 2 限流控制 3 转矩加脉冲突跳启动 应用场合 主要用于大容量风机 水泵类负载启动和调速 9 各 章 教 学 实 施 计 划 课时安排 6 授课章名称 绕线式异步电动机的串级调速系统 授课时间 第 2 3 周 教学目的 要求 分了解 理解 掌握 三个层次要求 了解串级调速的功率传动关系及基本运转状态 理解异步电动机串级调速系统的构成 系统的优缺点 掌握串级调速系统基本原理 机械特性 能量指标 教学内容 包括基本内容 重点 难点 基本内容 2 1 串级调速原理和装置 一 串级调速原理 二 串级调速的各种运行状态与功率传递方向 三 附加电动势 Eadd 的实现 四 次同步晶闸管串级调速系统主电路 2 2 串级调速系统转子整流电路的工作特性 转子整流电路的特殊工作状态 1 转子整流电路的第一工作区 2 转子整流器的第二工作区 3 转子整流器的第三工作区 2 3 串级调速系统的调速特性和机械特性 一 串调系统的调速特性 1 第一工作状态下的调速特性 2 第二工作状态下的调速特性 二 串调系统的机械特性与最大转矩 1 第一工作区的机械特性及最大转矩 2 第二工作区的机械特性及最大转矩 3 串调系统的机械特性曲线 2 4 串级调速系统的功率特性 一 串调系统的能量流图 二 串调系统的总效率 三 串调系统的总功率因数 2 5 串级调速系统设计中的几个问题 一 串调系统中异步电动机容量的选择 二 逆变变压器容量的计算 三 启动方式的选择与操作顺序 2 6 晶闸管串级调速系统的参数的工程计算 自学 重点 串级调速原理 次同步串调系统 系统主回路典型接线图 转子整流电路的特殊工作状态 串调 系统的调速特性 串调系统的转矩特性 串调系统的机械特性与最大转矩 串调系统的能量流图 串调系统总效率和总功率因数 串调系统中异步电动机容量的选择 难点 次同步串调系统 转子整流电路的特殊工作状态 串调系统的机械特性与最大转矩 讨论 思考题 作业 思考题 1 为什么转子整流电路出现特殊工作状态 作业 参考书目 含参考书 文献等 具体内容 佟纯厚 交流电动机晶闸管调速系统 机械工业出版社 1988 205 246 刘竟成 交流调速系统 上海交通大学出版社 1992 第一章 异步电动机的调压调速系统 10 课 堂 教 学 实 施 计 划 第 3 6 课 教学过程设计 复习 授新课 讨 论 其它 授新课 授课类型 请打 理论课 讨论课 实验课 习题课 其它 教学方式 请打 讲授 讨论 示教 指导 其它 教学手段 请打 多媒体 模型 实物 挂图 音像 其它 教学内容 包括基本内容 重点 难点 第二章第二章 异步电动机的串级调速系统异步电动机的串级调速系统 2 1 串级调速原理与基本类型 一 串级调速原理 1 绕线式异步机的转子串电阻调速 f R M n ML M S 1 S 2 S 1 M L S 01 机械特性 参数方程 20 MMM 电磁转矩 2 2 11 2 2 2 11 2 k r pmU S M r frx S 2 22 1 L k r S rx 与 若使不变 只要使恒定即可 从而可调速 L M 2 r L M 2 rS 缺点 调速是有级的 调速不平滑 串入较大附加电阻后 机械特性变软 低速时转速波动大 电机在低速时 效率低 电能损耗大 设 电磁功率 定子传到转子 机械输出功率 转差功率 2 P M P S P 则有 2MS PPP 2 1 M PS P 21 PM 2 222 3 Sf PSPIRR 11 教学内容 包括基本内容 重点 难点 其中 为转子本身每相电阻 为附加电阻 当负载不变 恒转矩 时 不变 2 R f R 2 P f RSn 越大 故转差功率损耗越大 效率越低 从节能来讲 电机不宜长期在低速下运行 S P 若在绕线式异步电动机转子回路串入与转子电势同频率的附加电势 通过改变的幅值大小 同样 f E f E 可以实现调速 这就是这里所讲的串级调速 2 串级调速原理 串级调速完全克服了转子串电阻调速方法的三大缺点 具有高效率 无级平滑调速 较硬的低速机械特 性的优点 M P 22D ESE 2 I 2 3 f I E 产生附加电 势的装置f E 定性分析 设电机在自然机械特性上运转 此时 拖动恒转矩负载 则转子电流为 0 f E 为转子开路相电势 为时转子每相漏抗 2 2 22 220 D S E I RSX 2D E 20 X1S 串入后 转子中电流将决定于转子感应电势和的相量和 f E 2 I 22D ESE f E 当与相位相反时 相位差 f E 2D SE 0 180 引起值的减少 而电机产生的转矩也相 2 2 2 22 22 2 220 20 f D Df E E S EE S I R RSX X S 2 I 22 cos M MCI 应减小 小于原平衡时的负载转矩 迫使电机降速 直到转速降到某值 使电nS 2 IM 动机转矩复原到与负载转矩又相等时 减速过程结束 电机就在此转速下稳定运行 这就是向低于同步速 方向调速的原理 当与相位相同时 f E 2D SE 12 教学内容 包括基本内容 重点 难点 当与相位相同时 则电机转速可在超同步方向调速 f E 2D SE 2 2 2 22 22 2 220 20 f D Df E E S EE S I R RSX X S 导致当值足够大时 电机必然加速超过同步速 使 2 IMn 1 nn S f E 0S 使 直到在某一转速下稳定运行 幅值越大 越高 22 0 D EES 2 I f E n 二 串级调速的功率传动关系及基本运转状态 1 低同步电动运转状态 转子绕组输出转差功率被装置吸收 再借助于装置将吸收的转差功率回馈入电网 f E f E 1 S P 2 I P SP 2 E f E SP 2 高于同步速电动运转状态 1S P P SP f E SP 电网通过装置向电机转子绕组输入转差功率 故这时电网向定子和转子绕组同时输入0S f E S P 功率 即双反馈调速系统 3 高于同步速的发电制动运转状态 装置把转差功率吸收并回馈入电网 定子向电网回馈功率 电机在超同步速下产生电气制动转矩 f E P 13 教学内容 包括基本内容 重点 难点 1S P P SP f E SP 4 低同步发电制动状态 电网通过装置向转子绕组供给转差功率 此时电机能产生电气制动转矩 f E 1 S P P SP f E SP 5 倒拉反接制动状态 此时 电动机反转 转子的转差功率的传递方向与第一种运转状态相同 1S 1SP P SP f E SP 三 串调系统的基本类型 1 超同步串级调速系统 串调系统的核心是产生交流附加电势的装置 因的频率随转速变化而变化 而必须与同 f E 2 E f E 2 E 频 故要求的频率可调 实现这种要求的装置有交 交变频器和交 直 交变频器 但系统主回路和 f E f E 控制系统较复杂 成本较高 2 低同步串调系统 14 教学内容 包括基本内容 重点 难点 目前国内外广泛采用在转子回路串入直流附加电势的方案 即在转子绕组中接进一个不可控的整流器 将转子电势整流成直流 这样 附加电势就可以是直流电压 系统复杂性大为降低 恒转矩电机型串调系统 直流附加电势采用它励直流电动机来产生 它励直流电机与异步机同轴连接 只要改变直流机的励磁电 路大小 就可实现调速 恒转矩的晶闸管串调系统 采用由晶闸管元件组成的全控整流桥来获得 f E 恒功率电机型串调系统 系统产生直流的直流它励电机与异步机同轴连接 转子转差功率经整流器送给直流电机 因二电机 f E 同轴连接 故直流机吸收的转差功率就转变为轴上的机械功率仍然输送给个负载 故具有恒功率调速特性 2 2 串级调速系统的机械特性 一 系统主回路典型接线图 L 逆变变压器的作用 电机转子电压与电网电压匹配 将电机转子电路与电网隔离 限制电流和电压突变 平波电抗器的作用 续流 平波 限制短路电流上升率 二 转子整流电路的特殊工作状态 1 转子整流电路的第一工作状态 换流重叠角 0 60 转子电流表达式 1 1 1 1 1 1cos 0 1cos 2 3 2 1cos 223 1 1cos33 d ad d St ISt iISt St ISt 15 教学内容 包括基本内容 重点 难点 转子整流器输出电压 0 2 3 2 34 D dDd XS UEI 2 转子整流器的第二工作状态 00 60 030 p 0 2 3 2 34cos p D dDpd XS UESI 2 0 6 sin 26 D dp D E I X 3 转子整流器的第三工作状态 整流电路此时处于故障状态 三 串调系统的调速特性 串调系统的主回路原理接线图 L R 1D R 1D X 2D R 2D X d U d I U 1B R 1B X 2B R 2B X 2B E 调 速 电 动 机 逆 变 变 压 器 整流电路工作在第一状态下的调速特性 直流输出电压 0 2 3 2 342 D dDDd XS UESRI 晶闸管逆变电路电压 2 3 2 34cos2 B BBLd X UERRI 因 故可得调速特性表达式 d UU 0 22 1 0 2 33 2 34cos22 3 2 34 DB DBdBDL D Dd XX EEIRRR nn X EI 16 教学内容 包括基本内容 重点 难点 整流电路工作在第二状态下的调速特性 0 2 3 2 34cos2 D dDpDd XS UESRI 晶闸管逆变电路电压 2 3 2 34cos2 B BBLd X UERRI 因 故可得调速特性表达式 d UU 0 22 1 0 2 33 2 34coscos22 3 2 34cos DB DpBdBDL D Dpd XX EEIRRR nn X EI 四 串调系统的转矩特性 1 第一工作状态下的转矩特性 0 2 0 2 1111 3 2 34 31 2 34 D Ddd SddD Ddd XS ESII PUIX MEII SSS 2 第二工作状态下的转矩特性 0 2 111 0 2 1 3 2 34cos 31 2 34cos D Dpdd Sdd D Dpdd XS ESII PUI M SSS X EII 以初始条件代入第二工作状态下的转矩表达式 可求得串调系统由第一工作状态转入第二工作 0 0 p 工作状态运行的交界点所对应的转子直流电流和转矩值 1 2d I 1 2 M 22 1 2 00 66 1 cos 234 DD d DD EE I XX 2 0222 1 22 10010 366271 2 34 448 DDDD D DDD XEEE ME XXX 五 串调系统的机械特性与最大转矩 1 机械特性的第一工作区及最大转矩 17 教学内容 包括基本内容 重点 难点 2 2 2 22 2 2 0 1 3 2 34 cos22 cos 33 22 BB DBDL DB D DB BDL EX ERRR EE MS E XX RRR 机械特性的第一工作区的计算最大转矩 2 2 1 10 27 6 D m D E M X 临界转矩与机械特性的第一工作区的计算最大转矩的比值为 2 2 101 2 2 21 10 27 8 0 75 27 6 D D Dm D E XM EM X 2 机械特性的第二工作区及最大转矩 022 2 100 2 2 10 3661 2 34 cossinsin 2626 9 3 sin 2 43 DDD Dppp DD D p D XEE ME XX E X 机械特性的第一工作区的计算最大转矩 2 2 2 10 9 3 4 D m D E M X 3 串调系统的机械特性曲线 n e M M A S 10 0 716 0 826 m M 1 2 M 2m M 1 21 0 0 n 第一工作区 第 二 工 作 区 固有机械特性 B C 2 2 101 2 2 2 10 27 8 0 716 3 2 D D Dm D E XM EM X 2 2 210 2 2 10 9 3 4 0 826 3 2 D mD Dm D E MX EM X 18 教学内容 包括基本内容 重点 难点 2 3 串调系统的能量指标 一 串调系统的能量流图 d I W I W P W Q 1 P1 QB Q M P S P W P 2 P 1 P M P SC P 1 P M P 2S PP S P B P 二 串调系统的总效率 效率高 且不随转速变化 2 212 1 100 100 1 M SC WS PSPP PPSPPP 三 串调系统的总功率因数 串调系统的功率因数较低 因为 1 串调系统中的逆变变压器从电网吸收无功功率 2 串调系统转子整流电路存在换流重叠现象 引起转子电流落后转子电压相位角 2 3 串调系统中的电机合逆变变压器的电流波形发生畸变 其电流的高次谐波分量引起无功的畸变功率 19 教学内容 包括基本内容 重点 难点 2 3 串调系统的能量指标 一 串调系统的能量流图 2 4 串级调速系统设计中的几个问题 一 串调系统中异步电动机容量的选择 异步电动机容量的选择 需考虑以下因素 1 串级调速最大转矩的降低 2 串级调速功率因数的降低 3 转子的集肤效应合转子损耗增大 故串调系统额定功率一般选定为 1 15 倍的正常计算的电机预选功率 二 逆变变压器容量的计算 D 为调速范围 1 1 15 1 22 D EE DB 222222 1 333 451 BBBBDDD WEIEIEI D 三 启动方式的选择与操作顺序 启动方式 1 利用串调装置直接启动方式 2 采用并联的附加启动设备的切换启动方式 3 采用串接启动电阻器的启动方式 启动操作顺序 先合控制电源 然后接通逆变器交流电源 最后才允许电动机转子接入串调装置启动 四 转子感应过电压保护与停车操作顺序 异步电动机的空载激磁电流很大 即在电机中存储着很大的能量 若转子开路时 将定子电路从电网 断开 则在转子回路中感应出异常高的电压 从而产生故障 故串调系统停车时 若转子回路或直流回路断开 课迅速将附加启动电阻器短时接入转子回路 提供一条转 子闭合回路 然后才允许定子回路跳闸断电 20 各 章 教 学 实 施 计 划 课时安排 6 授课章名称 交流电动机变频调速系统 授课时间 第 8 9 周 教学目的 要求 分了解 理解 掌握 三个层次要求 了解变频调速技术的发展 现状及发展趋势 理解变频调速基本类型及特点 掌握理解变频调速的原理 系统构成 机械特性 脉宽调制技术及专用集成芯片 教学内容 包括基本内容 重点 难点 基本内容 一 变频调速原理及机械特性 1 恒磁通变频调速 2 恒功率变频调速 3 电流控制方式 二 变频器分类及特点 三 取样 PWM 脉宽调制技术 四 专用集成芯片 重点 1 恒磁通变频调速 2 恒功率变频调速 3 取样 PWM 脉宽调制技术 4 系统主电路的构成 难点 取样 PWM 脉宽调制技术及计算计实现 讨论 思考题 作业 思考题 比较恒磁通变频调速 恒功率变频调速和恒电流控制方式的优缺点 参考书目 含参考书 文献等 具体内容 佟纯厚 交流电动机晶闸管调速系统 机械工业出版社 1988 21 课 堂 教 学 实 施 计 划 第 7 8 课 教学过程设计 复习 授新课 讨 论 其它 授新课 授课类型 请打 理论课 讨论课 实验课 习题课 其它 教学方式 请打 讲授 讨论 示教 指导 其它 教学手段 请打 多媒体 模型 实物 挂图 音像 其它 教学内容 包括基本内容 重点 难点 第三章第三章 异步电动机变频调速的一般问题异步电动机变频调速的一般问题 3 1 变频调速的发展与应用 略 3 2 变频调速原理及机械特性 由电机学可知 交流电机的转速公式为 1 0 60 1 1 f nSnS p 式中 定子供电频率 极对数 转差率 1 fps 由上可知 均匀地改变可平滑地改变电机的同步转速 1 f 变频调速控制方式一般有三种 恒磁通变频调速 恒功率变频调速 恒电流变频调速 下面将分别讨论各种控制方式的控制条件及其机械特性 一 恒磁通变频调速 由异步电动机的定子电压方程式 因定子漏阻抗压降很小 故可忽略 则上式变为 1111 UI ZE 或表示成 转矩公式 1111 1 111 1 4 44 4 44UEjf wkjf wk 111 1 4 44Uf wk 若 则 使电机允许输出转矩下降 电机利用率恶化 且 22 cos M MCI 1 UC 1 f M 使电机最大转矩下降 堵转 当 磁路过饱和 激磁电流 铁损增加 电机过热 不允许 1 f 所以 为了使磁路不饱和及能使输出最大转矩不变 必须维持磁通不变 即改变的同时 必须改 f 变定子电压或 1 U 1 E 保持的比例控制方式 11 UfC 在忽略定子漏阻抗压降后 可得出近似公式 式中 故可知只要随成 1 1 1 U C f 11 1 4 44Cwk 1 U 1 f 比例地改变 即可使近似不变 由电机学可知 对任意的及 有 将和用其额定值来表示 令 1 f 1 U 2 2 1 22 2 1112 3 2 r pU S M r frxx S 1 f 1 U 若磁通恒定时 则 则上式可变为 11Fe ff 11Fe UU 22 0 n M 1F 2F 3F 4F 1234FFFF 教学内容 包括基本内容 重点 难点 式中 为额定频率时定转子的总漏抗 稳态运行 2 12 222 112 3 2 eF eFe pUrS M fSrrSx 12eee xx x 时 S 很小 故可忽略 则有 1 Sr 2 12 222 12 3 2 eF eFe pUrS M frSx 的物理意义 即为某一频率下转速降与额定转速之比 FS 1221 111111 F eeeee fffnnn S fffnn 从的表达式可知 对应一定的负载转矩 恒定 当改变时 不变 F MfS M 1 f FS 即转速降不变 所以 不同时的机械特性为一族平行曲线 同时 根据最大转矩的公式 F 可看出 当较大时 故可以忽略 22 11 22222 111111 33 4 4 eF m keFe pUpU M f rrxfrrx 1 f 1k xr 则 与无关 但实际上 在低频时 由于与相比不能忽略 从 1 r 2 1 1 3 4 e m ee pU M f x 1 f 1 r kFe xx m M 表达式中可看出 当下降时 将减小 如图中实线所示 低频时启动转矩也将减少 甚至不能 1 f m M 带动负载 故一般采用带有补偿的控制 函数发生器 UfC 二 恒功率变频调速 当电机在额定转速以上运行时 即 若仍维持 e nn 11e ff 1 50 e fHz 11 UfC 这是不允许的 故时应保持 这时 不能保持恒转矩变频 1e UU 11e ff 1e UU M 调速 而要采用恒功率变频调速 23 教学内容 包括基本内容 重点 难点 同时 故不变 近似恒功率特性 22 cos 975 m d MCI M n P 1 f M 1 fn d P 若要比较准确地维持恒功率调速 与的关系可推导如下 1 U 1 f n M m M 0 恒M 恒P 因为 高频时 则可忽略 那么上式变为 2 1 2 2 11112 3 4 m pU M frrxx 112 rx x 1 r 式中 设电机过载系数为 2 22 111 2 1121211 33 442 m pUpUU MC fxxLLff 2 12 3 8 p C LL 则 m m m e M M 2 1 2 1 e m U MC f 当频率由变为 和分别变为 和 且 则有 1 f 1 f 1 U e M m 1 U e M m 2 1 2 1 e m U MC f 为使逆变前后过载能力不变 即 则 对于恒功率调速 22 11 11 em em MUf MUf mm 11 11 e e MUf UfM 有 或 则可知 或 即 只要满足为常数 即 11ee MM 11ee M fM f 11 11 Uf Uf 11 11 UU ff 1 1 U f 可维持恒功率调速 三 恒电流控制方式 在变频调速时 保持异步电动机定子电流为恒值 就叫做恒流控制 这种变频电源属于恒流源 1 I 的恒定是通过带有 PI 调节器的电流闭环调节作用而实现的 这种系统不仅安全可靠 而且具有良好的特 1 I 性 24 教学内容 包括基本内容 重点 难点 3 3 变频电源 一 变频器分类 变频器一般可分为交 直 交变频器和交 交变频器两种 其中 交 直 交变频器 间接变频器 若 按调压方式分 可分为相控 二极管整流和 PWM 控制三种方式 若按直流电源型式 可分为电压型 电容滤 波 和电流型 电感滤波 若按换流电路分 可分为串联电感式 串联二极管式和带辅助晶闸管式 若按 逆变导电时间分 可分为导电型和导电型 而交 交变频器 直接变频器或周波变频器 若按相 0 180 0 120 数分 可分为单相和三相 若按连接方式分 可分为反并联 交叉 和开口三角形 环形 若按有无环流 分 可分为有环流型和无环流型 三 PWM 型变频器主电路构成 1 压敏电阻 若接入高于本身的电压 则压敏电阻器短路 前端的空开跳 从而保护整个装置 即电源 过电压保护 2 整流桥 二极管不可控整流 16 DD 3 电容充电限流电阻 需计算 0 R 直流电压 或 2 2 34cosU 1 35cos C U 与并联的接触器触点 在限流给电容充电后 触点闭合 将短路 以防止消耗能量 0 R 0 R 0 R 0 R 4 电容 电容滤波作用 与电机之间进行无功功率交换 三相 380V 需用两个电容串联 电解电 1 C 2 C 容 电容耐压值为 400 450V 整流后的直流电压为 513V 高于一个电容的耐压值 故并联两个分压 若 三相 220V 供电 则直流电压为 300V 左右 故一个电容即可 5 均压作用 放电作用 电机制动时 反向电动势经逆变器反并联二极管整流成直流电压加在两 1 R 2 R 电容器上 此电压一般为 800V 及以上 故如两电容两端不能平均分配此电压 25 M ZR 1 D 3 D 5 D 4 D 6 D 2 D 3 380 3 220 513V 0 R 1 C 2 C 1 R 2 R P N RD 7 V 1 B 2 B 3 R 0 C 1 V 3 V 5 V 4 V 6 V 2 V 1 VD 3 VD 5 VD 4 VD 6 VD 2 VD 输入输出P N 1 B 2 B 3 R 教学内容 包括基本内容 重点 难点 可能造成电容损坏 再有电容精度为 故只电容分压 会造成每个电容电压不平衡 而电阻精度为20 精度高于电容 故用电阻分压 此电阻一般为 50k 5W 水泥电阻 此外 上的能量必须被5 1 C 2 C 放电 否则 P N 处有 500V 高压 危险 1 R 2 R 6 快速熔断器 直流用 起保护作用 RD 7 组成逆变电路 逆变出三相交流电 16 VV 8 高频滤波 浪涌吸收 1左右的普通电容 0 CF 9 能耗制动回路 当制动能量经反并联二极管到达时 控制开通 使能量传到来消 7 V 3 R 7 V 7 V 3 R 耗掉 3 4 取样 PWM 脉宽调制技术 一 简单脉宽调制逆变器的工作原理 改变晶体管 相对于 的导通间隔相位角 即可改变负载两端的电压 缺点 在输出电 1 T 4 T 1 T 4 T 压降低时 谐波成分升高 晶闸管的利用率低 输出电压的畸变引起交流电动机过热 故必须限制其最低速 度 二 脉宽调制逆变器的工作原理 采样控制理论 冲量相等 面积 而形状不通的窄脉冲加在具有惯性的环节上 其效果基本相同 根据上述原理 将正弦波分成若干份 用脉冲宽度不等 幅度相等 的矩形脉冲来近似等效正弦电压波 形 脉宽调制逆变器就是利用逆变器具有的开关器件 利用控制线路按一定的规律控制开关元件的通断 从 而得到等效矩形脉冲波形 26 R 1 KZ 4 KZ 1 D 4 D 1 KZ 4 KZ 1 D 4 D P N R 负载 RN V R N V RR V 1 KZ 1 KZ 4 KZ 1 KZ 1 KZ 4 KZ t t t 导通导通 导通导通 导通 导通 教学内容 包括基本内容 重点 难点 通常采用正弦波 被调制波 与三角波 载波 相交的方案确定各元件通断的时刻 从而确定分段矩形 脉冲的宽度 用这组矩形脉冲作为逆变器各元件的控制信号 则在逆变器输出端可以获得一组类似的矩形脉冲 幅值 为 而宽度按正弦规律变化 d U 三 SPWM 的控制方法 1 计算法 2 调制法 将希望产生的信号波形称为调制波 把接受调制的信号称为载波 通过对载波的调制得到 希望的波形 称为调制法 此处的调制波为正弦波 载波为等腰三角波 或锯齿波 单极性调制 在正弦波的正半周期 使元件 1 始终导通 控制元件 4 或通或断 当时 使元件 4导通 当 rc uu 时 使元件 4 截止 在正弦波负半周 控制方法类似与正半周的控制方法 同时 元件 1 和 3 2 和 rc uu 4 不能同时导通 否则造成短路 单极性调制 在的正半周内 载波只在一个方向上变化 负载得到的波形 也只在一个方向上变化 r u 27 m U m U t t 123456789101112 123456789101112 0 0 教学内容 包括基本内容 重点 难点 双极性调制 当时 控制元件 1 和 4 导通 则负载电压为正 当时 控制元件 2 和 3 导通 负载电压 rc uu rc uu 为负 元件 1 和 4 2 和 3 互补导通 异步调制 调制波 正弦波 r f 载波 等腰三角形 c f 当变化时 不变 N 变化 c r f N f r f c f 28 1 3 2 4 d U P Q L R u r u c u 0 0t t u u r u c u 0 0t t u 教学内容 包括基本内容 重点 难点 优点 因不变 故产生的电路参数不变 c f c f 缺点 高频时 脉冲数少 对称性差 不同频率时 脉冲相位不同 因脉冲个数不同 r f 同步调制 常数 即变 也变 c r f NC f r f c f 优点 波形对称 相位相同 无论频率怎样变化 每个正弦波都含有相同的脉冲 并且每个脉冲对应 的电角度也相同 即高频性好 但低频性较差 分段同步调制 普遍应用 把的变化区间 0 50HZ 分成若干段 每一段的 N 不变 同一段内的 N 相同 有专用集成块 r f 4752 或微机产生 三 SPWM 波形的计算机实现方法 1 表格法 把所变化的区段内 将算好的数据存储在 EPROM 中 目前很少采用 r f 2 实时计算 当变化时 实时计算出结果 再去执行 首先应建立数学模型 有多种建立方法 本课介绍采样 r f 法 自然采样法 对称规则采样法 不对称规则采样法 五 三相 SPWM 集成电路及应用 1 HEF4752 的引脚功能 12 个驱动输出端 4 个时钟输入端 r fN 0 50HZ 0 10HZ 10 20HZ 20 30HZ 30 40HZ 40 50HZ 201 169 120 70 10 29 教学内容 包括基本内容 重点 难点 7 个控制端 3 个控制输出端 电源端 2 工作原理 原理 HEF4752 共分 8 个载波区段 载波比 N 15 21 30 42 60 84 120 168 调制比 M 与时 钟频率有关 在相同的载波比 N 下 越高 则 M 越小 使输出电压越低 FCT 时钟经 3360 分频后 VCT f VCT f 得到输出频率 而开关频率则是 FCT 时钟经与载波比 N 的 8 个值对应的 8 组分频器分频后得到 这 8 组ff 分频数分别为 224 N 15 160 21 112 30 80 42 56 60 40 84 28 120 20 168 当元件的最大开关频率确定后 则可利用 280的关系确定时钟频率 则也确定 maxr f RCT f minr f 3 应用举例 采用晶闸管逆变器 B C 端也接地 依据死区时间确定 令 取死区时间为0I OCT f1K 30 则 16 30 533 取 GTR 的开关频率 则 采用方s OCT fs Z H max 1 rZ fKH 280 RCTZ fKH 波发生器 时钟控制频率 若 则在 1 68 200之 min 600 rZ fH 3660 FCT ff 50 60 Z fH FCT f Z KH 间可调 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 1OBC 2OBM 1OBM RCT CW OCT K 1ORM 2ORM 1ORC 2ORC FCT A SS U B C CT V CSP 2OYC 1OYC 2OYM 1OYM RSYN L I AV V 2OBC DD V 4752HEF 30 各 章 教 学 实 施 计 划 课时安排 6 授课章名称 异步电动机矢量变换控制系统 授课时间 9 10 教学目的 要求 分了解 理解 掌握 三个层次要求 了解矢量变换控制变频调速系统的构成 理解并掌握矢量变换控制的基本思想 矢量变换及异步电动机的数学模型 教学内容 包括基本内容 重点 难点 基本内容 一 矢量变换控制的基本思想 二 坐标变换和矢量变换 三 交流异步电动机的数学模型 四 矢量变换控制变频调速系统的构成 重点 矢量变换控制的基本思想 矢量变换及异步电动机的数学模型 难点 异步电动机的数学模型 讨论 思考题 作业 作业 推导矢量旋转变换方程式 参考书目 含参考书 文献等 具体内容 佟纯厚 交流电动机晶闸管调速系统 机械工业出版社 1988 31 课 堂 教 学 实 施 计 划 第 10 12 课 教学过程设计 复习 授新课 讨 论 其它 授新课 授课类型 请打 理论课 讨论课 实验课 习题课 其它 教学方式 请打 讲授 讨论 示教 指导 其它 教学手段 请打 多媒体 模型 实物 挂图 音像 其它 教学内容 包括基本内容 重点 难点 第四章第四章 异步电动机矢量变换控制系统异步电动机矢量变换控制系统 4 1 矢量变换控制的基本思想 矢量变换控制的基本思想 是按照产生同样旋转磁场这一等效原则建立起来的 当旋转磁场的大小和转速都相同时 认为他们是等效的 当我们将三相电流 通过一定的解耦 a i b i c i 变换 变换成 或 则控制电流 就可象直流机一样 矢量变换就是实现了这种思想的一i i M i