交流调速基础剖析.ppt

张凤,沈阳建筑大学信息学院,第五章交流调速基础,2020/6/11,第五章交流调速基础,2,主要内容,概述,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。,直到20世纪6070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和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。,2020/6/11,第五章交流调速基础,4,（1）交、直流调速系统的比较,直流电动机的固有缺点：工艺复杂，成本高；换向器的换向能力限制了直流电动机的容量和速度；电枢火花限制了直流电动机的安装环境；转子发热，电机效率低；可靠性较差，增加了维护和保养的工作量,（1）交、直流调速系统的比较,2020/6/11,第五章交流调速基础,7,（1）交、直流调速系统的比较,交流调速优于直流调速之处：在大功率负载情况下，交流调速性价比最优；交流调速系统可满足高速运行要求；在易燃易爆多尘场合，交流调速系统无需过多维护；交流调速系统成本较之直流调速系统明显降低；中压交流调速系统可以节省变电站容量；交流电动机易于同某些生产机械形成机电一体化产品,2020/6/11,第五章交流调速基础,8,（2）交流调速的难点和复杂性,交流调速系统的难点主要来自于：交流电动机的数学模型造成转矩控制困难,与其相关的电子器件和微处理器更新换代的速度制约了交流调速系统的发展速度调速系统的精度和成本又使交流调速系统的应用复杂化,2020/6/11,第五章交流调速基础,9,（3）交流调速系统的技术突破,电力电子技术的发展微机以及数字信号处理技术的发展现代控制理论的应用以及交流调速原理的发展和成熟,2020/6/11,第五章交流调速基础,10,（4）交流调速系统的主要应用领域,主要应用方向：以节能为目的的改恒速为调速的系统以少维护省力为目的的取代直流调速的系统直流调速难以实现的领域具体应用实例：轧钢工业、石油工业、机械工业、化工工业,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。,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2030%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。,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。,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。,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。,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106kWr/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。,2020/6/11,第五章交流调速基础,14,主要内容,概述交流调速涉及的知识电力变换电路,2020/6/11,第五章交流调速基础,15,2.交流调速涉及的知识,被控对象：交流电动机控制内容：,理论基础：自控原理（古典控制、现代控制）主电路（变频器电动机）控制电路（硬件：单片机、PLC、PC、DSP）（软件：交流电动机控制方案（VVVF、VCS、DTC）,变频器,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。,按电动机的调速方法分类,常见的交流调速方法有：降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变压变频调速等等。,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。,即Pm=Pmech+PsPmech=(1s)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。,1.转差功率消耗型调速系统,这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。,2.转差功率馈送型调速系统,在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。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，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。,3.转差功率不变型调速系统,在这类系统中，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，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，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。,同步电机的调速,同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此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。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。,自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。,2020/6/11,第五章交流调速基础,21,主要内容,概述交流调速涉及的知识电力变换电路变频器的基本构成跟踪型PWM控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,22,3.电力变换电路,整流器（AC=DC）逆变器（DC=AC）变频器（AC=AC）双整流器反并联（AC=AC）整流器逆变器（AC=DC=AC）,无源逆变,2020/6/11,第五章交流调速基础,23,交交变频（直接变频）交直交变频（间接变频）变频器,pp73,（1）变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,24,交交变频器,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,25,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,26,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,27,适用范围：大容量低速传动,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,28,交直交变频器,电压型逆变器：直流侧是电压源电流型逆变器：直流侧是电流源,变频器的基本构成,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,30,电压型逆变器的主要特点,中间直流环节采用大电容滤波，相当于恒压源交流侧输出电压是矩形波，电流波形为正弦波为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂均需反并联续流二极管从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的当电机工作在再生制动状态时，需在中间直流环节中并联电阻进行能耗制动,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,31,变频器的基本构成,电压型逆变器的主要特点,2020/6/11,第五章交流调速基础,32,中间直流环节采用大电感滤波，相当于恒流源交流侧输出电流是矩形波，电压波形为正弦波因电流不能反向，故控制器件无需反并联续流二极管从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的,变频器的基本构成,电流型逆变器的主要特点,2020/6/11,第五章交流调速基础,33,变频器的基本构成,电流型逆变器的主要特点,2020/6/11,第五章交流调速基础,34,PWM变频器,按照整流器是否可控，交直交变频器可分为：可控整流器逆变器前者调压，后者调频不可控整流器PWM逆变器调压调频均由逆变器调节,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,35,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,36,PWM变频器的特点变流器可为不可控整流桥，简化电路，提高功率因数消除或抑制低次谐波，输出波形非常逼近正弦波调频同时调压，与中间直流环节参数无关可由PWM整流器和PWM逆变器组成电压型变频器，允许能量双向传递，实现四象限运行,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,37,PWM逆变器的主电路,PWM电压型变频器主电路,PWM电压型变频器的主电路包括交直部分和直交部分,变频器的基本构成,2020/6/11,第五章交流调速基础,38,（2）跟踪型PWM控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,39,电流跟踪型PWM控制,实质：bang-bang控制应用领域：高性能单电动机交流传动,2020/6/11,第五章交流调速基础,40,基本思想：将一个正弦波电流给定信号与电流实测信号相比较，若实际电流值大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减少；反之使之增加。使实际输出电流围绕着给定的正弦波电流锯齿形变化，并将偏差限制在一定范围内。与此同时，逆变器输出的电压波成为PWM波，快速调节电流幅值和相位，使电动机电流得到高品质的动态控制。,电流跟踪型PWM控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,41,电流跟踪型PWM控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,42,电流跟踪型PWM控制,优点：硬件简单；实时控制；无需调节逆变器电压；闭环控制缺点：谐波损耗较大，开关次数较多,三相电流跟踪型逆变器的控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,43,电压跟踪型PWM控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,44,电压跟踪型PWM控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,45,磁通跟踪型PWM控制,2020/6/11,第五章交流调速基础,46,（3）变频器举例,SIEMENS变频器紧凑型MicroMaster410基本型MicroMaster420节能型MicroMaster430矢量型MicroMaster440,2020/6/11,第五章交流调速基础,47,（3）变频器举例,基本操作板,2020/6/11,第五章交流调速基础,48,（3）变频器举例,更改参数P0004数值,2020/6/11,第五章交流调速基础,49,（3）变频器举例,MicroMaster440变频器控制端子,2020/6/11,第五章交流调速基础,50,（3）变频器举例,MicroMaster440变频器与水泵接线图,2020/6/11,第五章交流调速基础,51,本章小结,随着计算机和微处理器的迅速发展，电力电子器件的日新月异，现代控制理论和智能控制方法的日益成熟，使得交流调速系统的开发和应用如日中天交交变频器无中间直流环