[工学]交流调速--第一章.ppt

1、交 流 调 速 系 统交 流 调 速 系 统 刘向东 教材: 电气传动与控制基础 廖晓钟 北京理工 交流调速系统 陈伯时 机械工业 直接转矩控制 陈伯时 机械工业 参考书: 现代直流伺服系统控制技术及其系统设计 秦继荣 机械工业 1993 现代交流伺服系统 秦忆 华工 1995 伺服控制系统中的传感器 曲家骐 机械工业 伺服系统设计的现代实践 (美)D.R.威尔桑 国防工业 1997 第一章 绪论 返回目录 、电气传动系统的发展历程 直流传动和交流传动分别在19世纪先后诞生。 19世纪80年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式 19世纪末，交流传动开始在工业生产中得到应用 交流电的产生；交流电

2、的产生； 三相制交流电输送与配电问题的解决；三相制交流电输送与配电问题的解决； 交流鼠笼式异步电动机的发明；交流鼠笼式异步电动机的发明； 20世纪前半叶 生产技术的发展，对电气传动系统在启制动正反转 调速精度 调速范围和静动态特性方面提出了更高要求 应用情况： 高性能可逆可调速传动领域都采用直流传动； 约占电气传动总容量80%的不变速传动采用交流传动； 技术性能： 直流传动具有优良的调速性能； 交流传动因技术发展的局限性，尽管提出多种技术解决 方案，但是性能无法与直流传动相比，难于满足生产要求； 20世纪70年代初叶，交流传动技术获得突破性进展 直流电机具有电刷换向器，必须进行维护，转速不高，

3、 容量小，适用范围有限； 席卷全球的石油危机迫使西方工业国家投入大量的人力 物力研究高效的交流调速系统 技术基础的发展： 大规模集成电路计算机控制技术和现代控制理论的发展 为交流电气传动的发展创造了前提条件。 目前，交流传动有取代直流传动的趋势 交流调速在各个公元领域的应用比例正在逐渐增大； 世界范围的设计研究重点转向交流调速； 技术方法： 变频调速矢量控制/磁场定向控制技术直接转矩控制 和解耦控制控制技术的发展，形成了一系列可以和直流传 动相比的 高性能交流调速系统。 、交流传动系统的应用前景 1.节能 大多数交流传动装置设计留有相当余量，而且不总在最 大负荷下运行，可以在负荷变化时，采用变

4、流技术降压， 达到节能的目的； 过去大量的不变速交流传动中，风机水泵压缩机等 机械总容量占工业电气传动总容量的一半，不少场合不是 不需要调速，而是因为过去交流电机本身无法调速，不得 不靠挡板和阀门来调节送风量和供水量，白白浪费了大量 的电能。如果换成交流调速系统，那么消耗在挡板和阀门 上的能量节省下来，每台风机水泵可节能20%。 2.特大容量，极高转速 直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极 限容量和转速的乘积约为106KW.r/min,超过这一数值的直 流电机设计制造比较困难,而交流电机无此限制,因此特大 容量(厚板轧机矿井卷扬机)和极高转速传动(高速磨床 离心机) 3.传统直流

5、传动系统的技术改造 过去许多工艺上需要调速的生产机械多采用直流传动,鉴 于交流电机比直流电机结构简单成本低工作可靠维护简单 转动惯量小效率高,因此采用交流传动来改造直流传动,本 身就能带来不少经济效益。 、交流传动系统的类型 交流电机有同步电机和异步电机两大类 1.异步电机调速系统的类型 降压调速; 电磁转差离合器调速; 绕线转子异步电机转子回路串电阻调速; 绕线转子异步电机串级调速; 变极对数调速; 变压变频调速 按照交流异步电机的基本原理，从定子传入转子的电磁功 率可以分为两个部分： s mmm PP sPPsP 2 )1 ( 拖动负载的有效功率 P2 =（1-S）Pm 转差功率Ps =S

6、Pm 从转差功率转换的角度来看，可以将异步电机调速系统分 为三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率回馈型调速 系统；转差功率不变型调速系统。 类型调速方法特点 转差功率消耗型 消耗全部功率；效率最低； 结构简单； 转差功率回馈型 大部分转差功率回馈利用； 效率较高；需要回馈装置 转差功率不变型 转差功率消耗基本不变； 效率高 2.同步电机调速系统的类型 同步电机没有转差，也没有转差功率，所以同步电机调速 系统只能是功率不变型（恒为零），极对数固定，只能靠 改变供电电压的频率来改变同步转速 不改变同步转速的调速方法 转子串电阻；转子斩波调速；改变定子电压；改变转子附 加电势；应用电磁转差离合器等

7、方法 改变同步转速的调速方法 改变定子极对数；改变定子电压频率；应用无换向器电机； 、交流传动系统的类型 1交流调速系统的主要发展方向 变频调速 变频调速是交流调速的主要研究内容，也是最有发展前途 的一种交流调速方式， 交交- -直直- -交变频调速系统（交变频调速系统（在电压型和电流型基础上，在电压型和电流型基础上， 向向PWMPWM型变频和多重化技术方向发展型变频和多重化技术方向发展） 交交- -交变频调速系统（交变频调速系统（在低速大容量应用方面有上升的在低速大容量应用方面有上升的 趋势趋势） 变频器的电力半导体器件向模块化快速化光控化 高电压大电流自关断和高可靠性方向发展； 系统向高性

8、能高精度大容量微型化数字化发展。 串级调速 这是一种利用绕线式异步电机的转差功率（相当于转子附 加电势）的一种比较经济的调速方法，我国串级调速技术 比较成熟，有系列化产品。 双馈电机 又称超同步串级调速，绕线式异步电机的定子由电网电源 供电，转子由变频器电源供电，可以在同步速度以上运行， 不但可以运行在再生制动状态，还可以运行在电动状态。 如采用矢量控制性能类同直流调速系统，并可改善系统功 率因数，是一种很有前途的调速方式。 无换向器电机 又称晶体管电动机，它是具有位置检测器由变频器供电的 同步电动机系统。 采用位置检测器和晶闸管代替了相当于直流电动机的电 刷和换向器，无换向器电机的原理启制动

9、和调速特性与 直流电机相似。 系统采用自控式，频率和转速永远保持同步方式，不会 发生失步，完全克服了同步机的缺点，由兼有同步电机功 率因数好的特点。 有人甚至断言：如果说交流调速将取代直流拖动，那么无 换向器电动机将取代其他交流调速方式。 高频化技术 交流电源的高频化可使交流变频电源的体积小重量轻 性能好，并能节省电能。 无功补偿和谐波抑制 为了保证供电质量，国家对功率因数和谐波极限提出了要 求，为了达到这些指标要求必须采取相应的措施：提高自 然功率因数或采用无功补偿。 以往通常采用移相电容器或同步调相机，最近发展的无 功动态补偿是提高功率因数的一个有效途径。 对于高次谐波抑制，可将整流器接成

10、Y/或/Y型，增 加整流器的脉冲次数，加装调谐滤波器 2交流调速控制技术的发展 相位控制 相位控制主要应用于交-交和交-直-交变频器的整流控制 调压调频技术 为了保持恒磁通变频控制（恒转矩控制）原则，要求变 压变频控制。 转差频率控制 在调速过程中，保持有限的转差频率进行控制，可以获 得高效调速方式。 在转差率很小时，考虑到转矩，转差频率及转子电流成 正比关系，因此可以利用定子电流幅值和静态同步角速 度去控制变频器。 脉宽调制控制 PWM调制型变频器由于输入功率因数高和输出波形好的 特点，近年发展较快。 调制方法：如SPWM，准SPWM，DWPWM，矢量角 PWM，最佳开关角PWM，电流跟踪型

11、PWM等等。 原理上：面积法，图解法，计算法，采样法，优化法， 斩波法，角度法，跟踪法和次谐波法等等。 脉宽调制以往多用于交直交电压型变频器，最近电流型 变频器也开始应用，如电流跟踪型PWM就是一例。 矢量控制 矢量控制的基本思想是设法模拟直流电机的控制特点对 交流电机进行控制，它分为 ：磁场定向式矢量控制和转 差频率式矢量控制。 磁场控制 磁场轨迹法 基本思想是产生接近圆形的旋转磁场，改变旋转磁场的 速度，即可调节电动机的转速。 异步电机的磁场加速法 磁场加速法是防止励磁电流发生电磁暂态现象，对电机 定子电流按一定规律进行控制，可以实现直流电机那样 的快速响应。 直接转矩控制 直接转矩控制对

12、电机参数变化不敏感，可获得良好的调 速性能，一般PWM是靠提高调制频率来实现高动态，而 直接转矩控制是通过转矩和磁通独立跟踪调整来实现 PWM高动态，逆变器成本低，效率高。 五、交流传动系统存在的主要问题 由半导体功率变换器组成的整流器逆变器斩波器以及交直交变频器 交交变频器等装置在交流调速领域中得以广泛应用，但是，目前还 存在以下问题： 高次谐波的影响 使电动机产生附加损耗，温升增加，电动机出力受到限制； 使电动机产生转矩脉动，在低速稳定运行时影响较大，当脉动频 率较低，接近机械系统固有频率时，容易产生机械共振； 电动机和电器噪声增大，对无线电通信干扰增大。 瞬时停电措施 电源供电系统因雷击

13、或其他原因发生接地故障时，将发生 紊乱。从事故发生到瞬时事故消除或通过继电器切断事故 回路，这段时间一般在1秒以内，如果变频装置没有瞬时 停电措施，会产生过流或过压，在恢复供电时可能造成逆 变器换流失败。 功率因数变坏 半导体功率转换装置采用相位控制，使它们的功率因数变 坏，对供电电源质量带来不利的影响。异步电机在晶闸管 电力变流器供电时运行的功率因数有时比它在正弦波电源 供电下运行的功率因数低8%。 一异步电机的机械特性 异步电机按其结构可以分为笼型和绕线型两种类型，其 中笼型异步电动机坚固耐用，可靠和便宜，绕线型转子 异步电动机价格约为笼型机的1。3倍，但调整启制动比 较方便，在工业设备电

14、气传动中得到广泛应用。 1.基本概念 理想空载角速度:三相异步电动机定子侧通以频率为f1的 三相交流电压,则定子与转子气隙间会产生旋转磁场,其角 速度称为同步角速度或理想空载角速度 1 MM PP f 11 0 2 带负载时电动机转速一般要低于0，所以转差率为 0 0 s 在电动机运行状态下，随负载增加，转速，转差率s 2.电压平衡方程 定子绕组电阻和漏抗， 定子绕组电阻和漏抗， 动势转子侧电压，电流和电， 动势定子侧电压，电流和电，式中， 22 11 222 111 222222 111111 XR XR EIU EIU EXI jRIU EXI jRIU Const X E jIII ww

15、 kk wk wk kk sEEE I k I jXsR E jsXR E I 1 21 21 21 22 11 22020 22 22 20 22 2 2 ;, / 1 / 亦亦即即载载和和负负载载时时近近似似相相同同电电动动机机的的磁磁化化电电流流在在空空 ；定定子子和和转转子子的的绕绕组组匝匝数数， ；定定子子和和转转子子的的绕绕组组系系数数， ；变变比比， ；转转子子静静止止时时的的电电动动势势， 将将其其归归算算到到定定子子侧侧， 于于是是， 1 I 1 U 10 II 1 E 2 X 1 RsR / 2 2 I 1 X X 3.T型等值电路 根据电机学原理，若 忽略空间时间谐波；

16、忽略磁饱和； 忽略铁损耗； 异步电动机的T型等值 电路如右图所示 电感绕组产生主磁通的等效，励磁电抗，亦即定子 ， 定子侧的电阻和漏抗分别为转子绕组折算到其中， X kIIEkEXkXRkR XR 2220 2 202 2 22 2 2 22, 4.机械特性 机械特性主要指电机电磁转矩与转速之间的稳态关系。 下面来推导异步电机的机械特性： 2 21 2 21 2 2 1 2 2 2 2 21 2 21 1 2 / / 3/3 / XXsRR sRU sRIP XXsRR U I T IX m ）（ 于是，电磁功率 型等值电路可以导出可以忽略不计，由 非常小，比较大，励磁电流一般情况下， 械特性

17、方程 为三相异步电机的机之间的关系，该式就称 ）（与转速磁转矩上式建立起异步电机电 的电磁转矩为 ，可以推导出异步电机再由电磁功率 snT XXsRR sRUP XXsRR sRU T TP e M e em 2 21 2 211 2 2 1 2 21 2 210 2 2 1 0 / /3 / /3 T n T 5.机械特性曲线 根据机械特性方程，可以画出三相异步电机的机械特性曲 线，如右下图所示 s n A B C D Tm sm 0 n0 Te 图中，A点为理想空载运行点： 转速等于理想空载转速n0； B点为额定运行点，电磁转矩与 转速均为额定值； C点为电磁转矩最大点 D点为启动点，对应

18、转速为零， 对应转矩为启动转矩。 界转差率求出最大转矩对应的临 ，就可以求导，并令将机械特性方程对0 / /3 / /3 2 21 2 211 2 2 1 2 21 2 210 2 2 1 ds dT s XXsRR sRUP XXsRR sRU T e M e 2 . 26 . 1 2 3 )( 2 21 2 110 2 1 2 21 2 1 2 载能力一般三相异步电机的过 的比值与额定转矩：最大电磁转矩过载能力 最大转矩： 临界转差率： n e nm m m T T TT XXRR U T XXR R s 6.实用机械特性 实际应用中,三相异步电动机的参数不易获得,实用机械特 性采用电机产

19、品目录给出的数据,得到一个比较粗糙的特 性,单实用性强,又称为近似机械特性。 q s s s s q R R s s s s s s R R RR s R R s s s R RR s R sRR s R s s R RR T T XXR XXsRRs XXRRR T T m m m m m m m m m m m e m e 2 2 12 2 2 /2 2 s R / 2 2 1 2 1 21 2 2 2 2 2 2 12 2 2 21 2 2 2 12 2 21 2 1 m 2 2 21 2 21 2 21 2 112 ，代入上式可得而 机械特性。据此关系便可决定实用 ）（ ，则有，额定转

20、速据有额定功率一般电机给出的铭牌数 的实用机械特性。这就是三相异步电动机 因此上式可以简化为而在任何值下显然 范围内到大约在，式中 1 2 , 2, 2, ,2 . 01 . 02/2 2 21 Nm Nm NN m m m e m m mmm ss TT nP s s s s T T q s s s s ssRRsq 一异步电动机的调速方法 ）（）（ 因此，转速 ，就可推出而 根据转差率的定义 s P f snn P f n P f n n s M M M 1 60 1 60 2 60 2 11 1 0 1 00 1 0 000 0 因此异步电动机的调速方法可以大致分为三种 变转差率 变极（

21、鼠笼转子） 变频 定子调压 调转子电阻（绕线转子） 串级调速（绕线转子） 交-直-交 交-交 1.改变定子电压调速 调速原理：根据机械特性可知，电磁转矩与定子电压的 平方成正比，改变定子电压就可以改变电机的机械特性 2 21 2 211 2 2 1 / /3 XXsRR sRUP T M e 特点：理想空载转速n0不变，临 界转差率sm不变。 注：若带恒转矩负载，调速范围 很小；若带风机负载，调速范围 可以大一些。 s n 风机负载 C Tm sm 0 n0 UnomU0.7nomU0.5nom 恒转矩负载 改变定子电压调速 s n T 0 n0 UnomU0.7nomU0.5nom A B

22、C 10 高转子电阻电动机在不 同电压下的机械特性 为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，可以在转子电路内串接电 阻。左下图给出了高转子电阻电机在变电压调速时的机械特性。 特点：理调速范围增大； 机械特性太软； 过载能力低。 注：若一般采用闭环控制系统。 s n Tm sm 0 n0 sm1 R2 R2+RV1 R2+RV2 R2+RV3 10 改变转子电阻调速 调速原理：根据机械特性可知，改变转子电阻也可以改 变电机的机械特性 2 21 2 211 2 2 1 / /3 XXsRR sRUP T M e M 特点： 最大转矩不变； 临界转差率随R2 而； 功耗很大； 适用范围：较小功 率或通风机

23、类负载 2.改变转子电阻调速 3.串级调速 调速原理：如果在转子回路引入一个可控的交流附加电势EADD, EADD与E2有相同的频率,并且与E2同相或反相串接,如下图所示 M EADD 分析： 反相: EADDs n次同步调速 同相: EADDs n超同步调速 引入不同数值的附加电势,就可以使电 机获得不同的转速. 特点： 附加电动势的频率必须与f2=sf1一 致,随转速n一起变化; 转速可以连续调节; 设备体积比较大; 调速范围一般在1.5-2.0左右. 适用范围：绕线型异步电动机 流为恒值。无论转速高低，转子电 近似认为若带恒转矩负载，可以 表达式为此时，转子回路的电流 2 2 2 2 2

24、0 2 sXR EsE I ADD 4.变极调速 T n n0 n0/2 0 特点： 有级变速； 低转速大转矩,高转速小转矩； 克服转动惯量过大给启动造成 的困难； 适用范围：较要求少数几种速 度的工程机械,如机床,起重机, 鼓风机,泵 速，进而实现调速。的同步角速度和实际转 即可改变电动机因此改变定子磁极对数 ）（ ，转速根据转差率的定义可知 调速原理： M M P P sf n 160 1 5.变频调速 从而实现调速。滑地改变电机的转速， ，就可以平率若均匀改变定子供电频 ）（ 公式根据交流电动机的转速 调速原理： 1 1 160 f P sf n M 注意： 为了保持调速过程中电动机的最

25、大转矩不变，需维持磁通恒定； 在低速范围内，定子绕组电阻R1相对于总漏抗X1较大，所以为了 补偿定子绕组电阻压降，定子电压U1降低要比频率少一些。 2 1 1 21 2 1111 2 211 2 111 2 1 10 1 0 22 211211 8 3 , 24 3 2 2 f U LL P T RRXf LLfRRf UP T TX P f LL LLfXXX M m M m m M ，可以忽略相对较大时，考虑到 最大转矩 的表达式，得到代入最大转矩和将 角速度的漏感，另外同步机械 侧转子定子漏感和折算到定子， ）（总漏抗 T n 0 变频调速的机械特性 U1nom f n f1nom U1/f1关系 变频调速的特点： 能够连续调速； 调速范围宽5-10； 机械特性平直； 效率高； 经济效益好； （一台变频电源可以同时给多台同步旋转的异步电动机供电） 二异步电动机的启动 1.降压启