第10章-交流自动调速控制系统.ppt

交流调速系统,第15讲,概述交流调速系统的主要类型交流变压调速系统交流变频调速系统*绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率馈送型调速系统*同步电动机变压变频调速系统,调速系统及其组成,交流调速系统的基本控制量是位置、速度、转矩这三个物理量,位置控制将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到另一确定的空间位置。例如数控机床和机器人就是典型的位置控制系统即伺服系统。速度控制以确定的速度曲线使负载产生运动。例如风机水泵通过调速来调节流量，电梯通过速度和加速度调节来实现平稳升降。转矩控制维持转矩的恒定或遵循某一变化规律。如轧钢机械、造纸机械和传送带中的张力控制等。,闭环控制策略,1、交直流调速系统的格局,19世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速系统20世纪60年代以前80%交流定速运行18%直流可调速运行2%交流可调速运行70年代以前直流占统治地位。70年代电力电子技术的发展开创了交流可调速传的新纪元。目前，交流调速是调速领域的主要发展方向。,1.概述,直流调速系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护优点：数学模型简单，转矩易于控制。,交流调速系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂,调速方式多电机无电刷，无换向火化问题转速高、耐压高容量大（交流电机本身容量大）电机不易损坏，适应恶劣现场体积小、重量轻，基本免维护节能显著缺点:动态数学模型复杂具有非线性多变量强耦合的性质,交、直流调速的特点,交流调速系统的应用领域,主要有三个方面：一般性能的节能调速需要调速，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、直接转矩控制特大容量、极高转速的交流调速厚板轧机、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。,交流调速系统的主要类型,交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。,由转速公式可归纳出三类基本的调速方法：变极对数p的调速、变电源频率f1调速及变转差率s调速。,异步电动机调速,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,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Pm-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=Pm+Ps,Pm=(1s)PM,Ps=sPM,按能量转换类型分类,异步电动机调速,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,异步电动机调速,科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率馈送型调速系统转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。特点：效率高。串级调速和双馈调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。,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,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,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。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。,交流电动机调速同步电动机调速,异步电动机调压调速系统,当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比；,异步电机的电磁转矩公式,一、交流异步电动机调压调速原理,图4-1异步电动机在不同电压下的机械特性,调压调速的三种方法：1.自耦调压器-对小容量电机,体积重量大。2.饱和电抗器-控制铁心电感的饱和程度改变串联阻抗，体积重量大。3.晶闸管交流调压器-用电力电子装置调压调速，体积小，轻便。,二、异步电动机调压调速方法,三、转速闭环调压调速系统的组成,普通异步电动机的开环机械特性很软,且开环调压调速范围太小,对于恒转矩的负载，要求调速范围D大于2时，往往采用带转速负反馈的闭环控制系统。,当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点B。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点。速度调节器ASR常采用PI调节器，可以做到无静差并改善动态性能。,绕线式异步电动机转子串电阻调速,调速原理根据前面的分析已知，在绕线式异步电动机的转子回路串入对称电阻的人为机械特性的特点是：理想空载转速不变，最大转矩不变，临界转差率正比于转子总电阻。假设转子绕组本身电阻为r2，串入不同电阻时，其机械特性如下图所示。当拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩TN，电动机的转差率发生明显变化。显然，所串电阻越大，转速越低。,调速方式对于异步电动机而言，当电源电压仍为额定电压时，气隙磁通基本保持不变，如果调速前转子电流为额定值，希望调速后仍为额定值，则有：式中R是转子回路所串联的电阻。,必然有（1）转子回路功率因数为：已知电磁转矩为:,根据（1）可以看出，如果保持调速前后转子电流不变，电磁转矩也不变。因此，转子回路串电阻调速适用于恒转矩的系统，属于恒转矩调速方式。,调速的性能和特点,调速范围这种调整方法对应的最高转速不超过理想空载转，低速运行时机械特性太软，静差度大，因而限制了调速范围.平滑性由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重，抽头不易，所以调速的平滑性也不好,基本上属有级调整.经济性这种方法简单、容易实现，初期投资较少。但低速运行时效率低。,鼠笼式三相异步电动机变极调速,变极的原理异步电动机旋转磁场的同步转速与电机极对数成反比，改变鼠笼式三相异步电动机定子绕组的极对数，就改变了旋转磁场的同步转速，实现变极调速。下面以四极变两极为例，简单说明变极的原理。,图为一台四极三相异步电动机定子A相绕组接线图。每相绕组由两个等效集中线圈正向串联而成，以A相为例，AX绕组为a1x1与a2x2头尾串联。当流过电流时，由绕组产生的磁极数便是四极的。,如果把图中的接线方式改变一下，每相绕组不再是两个线圈头尾串联，而变成为两个线圈尾尾串联，即为反向串联，如图(a)所示。或者为反向并联，如图(b)所示。改变后的相绕组流过电流时产生的脉振磁势的极数都是二极的如图（c）。,从上面分析可以看出，若把三相鼠笼式异步电动机的定子绕组每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化（称为倍极比变极）。因此，同步转速n1也成倍变化，对拖动恒转矩负载运行的电机来讲，运行的转速也接近成倍改变。绕线式异步电动机转子极对数不能自动随定子极对数变化，如果同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变极调速。该方法主要适用于鼠笼式异步电动机。需要说明的是，为了保证变极调速时电动机的转向不变，变极调速的同时，需要改变绕组的相序或者说是电源的相序。理由很简单，要使电动机转向不变，就要求磁通势旋转方向不变。,变压变频（VVVF）调速系统,概述异步电机的变压变频（VVVF，是VariableVoltageandVariableFrequency）调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是交流调速的重点。,变频调速,改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，从而达到调速的目的。如果电源频率连续可调，可以平滑调节电动机转速。忽略定子漏阻抗压降，三相异步电动机每相电压,式中，定子绕组匝数N1，定子绕组系数Kdp1为常数。在电源频率f1一定时，定子绕组感应电动势E1与产生它的气隙合成磁通1成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电压U1与E1近似相等。若U1不变，f1与1成反比。f1如果下降，则1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，这是电机不允许的。如果f1上升，则1减小，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。可见调速时为维持恒磁通不变，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，才可以使异步电动机具有较好的性能。,降低电源电压，有两种控制方法。,1.保持常数降低电源频率f1的同时，保持常数，则1=常数，是恒磁通控制方式。,令可求得：,最大转矩为常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速落降相等，也就是不同频率的各条机械特性是近似平行的，硬度相同。,图为保持常数时，变频调速的机械特性,下面分析恒磁通变频调速的性质。如p316,以上分析表明，恒磁通变频调速属于恒转矩调速方式。,2.保持常数当降低电源频率时，保持常数，则气隙每极磁通1常数。这时电动机的电磁转矩为,由上式可以看出，保持U1/f1=常数，当减小f1时，最大转矩不等于常数。已知(x1+x2)与f1成正比变化，R1与f1无关。因此，在f1接近额定频率时，R1(x1+x2)，随着f1的减小，Tm减小得不多；但是，当f1较低时，(x1+x2)比较小，R1相对变大了。这样一来，随着f1的降低，Tm就减小了。在低频低速的机械特性变坏了。,保持U1/f1=常数降低频率调速近似为恒转矩调速方式，证明从略。,保持常数的变频调速机械特性,从基频向上变频调速,升高频率向上调速时，升高电源电压是不允许的，只能保持电压不变，频率越高，磁通越低，因此是一种弱磁升速的方法，类似他励直流电动机弱磁调速。调速过程中，电动机电磁转矩为,忽略R1的影响,正常运行时，若保持UN额定不变，s变化就很小，可近似认为PM是不变的。属于恒功率调速方式。,保持UN不变升频调速的机械特性,综上所述，三相异步电动机变频调速具有以下几个特点：从基频向下调速，为恒转矩调速；从基频向上调速，近似为恒功率调速；调速范围大；机械特性较硬，静差率小，相对稳定性好；运行时较小，效率高；频率可以连续调节，变频调速为无级调速。,电力电子变压变频器的主要类型,引言,如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置。,380V50HZ,f=0500HZ,变频调速,变频调速f变极对数调速P变转差率调速S,1.变频调速原理,通用变频器,变频器简介,变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。变频器的问世，使得交流调速在很大程度上取代了直流调速。,变频器的基本类型,变频器,交-交变频器,交-直-交变频器,1、按变频的原理分类,交-直-交和交-交变压变频器,从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。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。,交-直-交变压变频器基本结构,交-直-交（间接）变压变频器,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。,交-直-交PWM变压变频器基本结构,图6-10交-直-交PWM变压变频器,变压变频(VVVF),中间直流环节,恒压恒频(CVCF),PWM逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交直交电压型变频器,中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直交电流型变频器,变频器对输出波形的调制既要变频，又要变压，变频是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变频器有PAM、PWM和SPWM等多种方式,变频器电压调节方式,PWM方式-脉冲宽度调节方式,变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器PWM方式调节。PWM信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断。,SPWM方式-正弦脉冲宽度调节方式,用可控整流器调压、逆变器调频,用斩波器调压的交直交变频器,用PWM逆变器同时调压调频,变频器电压调节方式,调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调,整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频,用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值,2、按变频器的控制方式分类,（2）SF控制变频器（转差频率控制）,变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。,在S很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。,控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。,（3）VC变频器（矢量控制）,将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制。,矢量控制从原理上说可以得到与直流电动机相同的控制性能，但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数。,（1）U/f控制变频器（压频比控制）,对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性,2.交-交变压变频器,交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。,交-交（直接）变压变频器,电压源型和电流源型逆变器,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型和电流型两类，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。,两种类型逆变器结构,电压源型逆变器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。电流源型逆变器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。,变压变频调速(PWM)控制技术,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。,正弦波脉宽调制(SPWM)技术,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。,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。SPWM波形是一系列幅值不变，宽度变化的矩形波。,PWM控制技术:利用调制波与三角波信号比较后获得一系列等幅不等宽的脉冲序列，在PWM电压型逆变器中实现电压、频率协调控制。SPWM控制技术：就是以正弦波做为调制信号波的正弦脉宽控制。,PWM调制方法,载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比N，既N=fc/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，分段同步调制。异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。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。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；,异步电动机动态数学模型的性质,前节论述的基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。,交流电机数学模型的性质,（1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。,多变量、强耦合的模型结构,由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，可以先用右图来定性地表示。,图6-43异步电机的多变量、强耦合模型结构,模型的非线性,（2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。,引言,转差功率问题转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能是异步电动机调速的主要目的之一，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型。,交流调速系统按转差功率的分类,（1）转差功率消耗型异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低；但这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。（2）转差功率不变型变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；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。,交流调速系统按转差功率的分类,（3）转差功率馈送型控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些设备。前面已分别讨论了转差功率消耗型和不变型两种调速方法，本节将讨论转差功率馈送型调速方法。,转差功率的利用众所周知，作为异步电动机，必然有转差功率，要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。但要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。,概述,绕线转子异步电动机,Ps,P1,绕线转子异步电动机结构如图所示，从广义上讲，定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入，也可以从定子或转子输出，故称作双馈电机。,绕线转子异步电动机转子串电阻调速,根据电机理论，改变转子电路的串接电阻，可以改变电机的转速。转子串电阻调速的原理如图所示，调速过程中，转差功率完全消耗在转子电阻上。,双馈调速的概念,所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。,双馈调速的基本结构,如上图所示，在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。,功率变换单元,由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即f2=sf1，因此必须通过功率变换单元（PowerConverterUnitPCU）对不同频率的电功率进行电能变换。对于双馈系统来说，PCU应该由双向变频器构成，以实现功率的双向传递。,双馈调速的功率传输,（1）转差功率输出状态,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行；,转差功率输入状态,当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。,异步电机转子附加电动势的作用,转子相电流的表达式为：式中R2转子绕组每相电阻；X2s=1时的转子绕组每相漏抗。,转子附加电动势,绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图,附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。,引入可控的交流附加电动势,如图所示，绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式,1.E2与U2同相当U2，使得：这里：,转速上升；,转速下降；,2.E2与U2反相同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。,电机在次同步转速下作电动运行电机在反转时作倒拉制动运行电机在超同步转速下作回馈制动运行电机在超同步转速下作电动运行电机在次同步转速下作回馈制动运行,异步电机双馈调速的五种工况,*向下调速的低于同步速的串级调速。（次同步串级调速）,*向上调速的高于同步速的串级调速。（超同步串级调速）,异步电机的功率关系,忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的功率关系都可写作,式中PM从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率，sPM输入或输出转子电路的功率，即转差功率，(1-s)PM电机轴上输