第十章交流调速系统

1、第十章 交流调速系统机电传动控制Page 2第十章 交流调速系统本章主要内容掌握交流调速系统的基本原理与类型；掌握交流调速系统的基本原理与类型；熟悉交流调速系统的基本组成熟悉交流调速系统的基本组成；了解了解交流调速系统的的交流调速系统的的特性、特点以及适用场合；特性、特点以及适用场合；Page 31、交流电动机和直流电动机相比的优势、交流电动机和直流电动机相比的优势2、交流调速的方法、交流调速的方法改变转差率、极对数改变转差率、极对数p和频率和频率f改变定子电压、转子电阻、转子电压可以改变转差率改变定子电压、转子电阻、转子电压可以改变转差率Smin/min/0min/0min/ )1 (60)

2、1 (rrHzrrnnpSfSnn交流调速方法10.1 变频调速系统Page 4 转子电路串接电阻电阻上消耗大量的能量，速度越低损耗越大 转子电路串接电势把电阻上的能量加以利用，从而获得比较经济的运行效果。为了利用这部分能量，在转子电路中增加了一套交流装置。这样，就构成了由异步电动机和交流装置共同组成的串级调速系统。线绕式异步电动机的串级调速方法10.1 变频调速系统Page 5串级调速原理 电动机的转子绕组端接进一个不可控的整流器，这样，为实现调速而串入的附加电势Ead就可以采用可调直流电源。当Ead=0时，电动机在接近于额定转速下运转，若改变Ead的大小就可以改变电动机转速。10.1 变频

3、调速系统Page 6串级调速时的机械特性 串级调速时异步电动机的机械特性与直流电动机的特性很相似。由特性可知，若引入的附加电势愈大，则n0愈小，即电动机的转速愈低。如果Ead用负值代入，则可以得到当附加电势与转子电势同相位时的机械特性。 2202222222222XSRSEXREI220222202XSRESEIadI2=0时S不等于0,所以其n0和定子同步转速不同。10.1 变频调速系统Page 7晶闸管串级调速系统结构 由于采用串级调速的电动机具有类似他励直流电动机的硬机械特性，因此，在调速精度要求不高的场合，可以直接采用开环控制。但是，如果想要得到高精度的调速，则应采用带速度负反馈的自动

4、调速系统。其典型结构与VS-M自动调速系统相似，也包括有电流调节器、速度调节器及电流和速度反馈环节。 10.1 变频调速系统Page 8晶闸管串级调速的基本原理 线绕转子异步电动机线绕转子异步电动机M的转子电压经不可控整流电路转换为直流电压，的转子电压经不可控整流电路转换为直流电压，经平波电抗器、再由晶闸管逆变器将该直流电压逆变为交流，有的经变压经平波电抗器、再由晶闸管逆变器将该直流电压逆变为交流，有的经变压器，有的直接反馈给交流电网。经逆变后的电压可视为加到电动机转子的器，有的直接反馈给交流电网。经逆变后的电压可视为加到电动机转子的电势。改变逆变器中晶闸管的逆变角电势。改变逆变器中晶闸管的逆

5、变角，就可以改变附加电势的大小，从就可以改变附加电势的大小，从而实现异步电动机的串级调速。而实现异步电动机的串级调速。 10.1 变频调速系统Page 9变频调速系统 通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法也是现在使用的最多的调速方法。 10.1 变频调速系统Page 10节能轻巧灵活无磨损VVVF10.1 变频调速系统Page 11M3Drive converterRectifierMotorDC link (DC busba

6、r):Capacitors with the rectified line supply voltageapprox. 1.35 400V = 540VLine supply connection:e.g. 3-ph. 400V ACVariable voltage and frequency 0 V2 V1, 0 f2 fmax21Inverter2变频器基本结构-交直交10.1 变频调速系统Page 1210.1 变频调速系统新型变频器结构-交交矩阵变频Page 13n 现代变频器中， 逆变电路是变频器的核心。 因二极管整流的直流电压幅度不可调节， 逆变器的输出电压调节靠改变电压输出脉冲的

7、宽度来完成， 所以现代变频器产品的主导设计思想是在逆变器侧采用脉冲宽度调制（Pluse Width Modulation, PWM）技术以合成变频变压的交流输出波形。 10.1 变频调速系统PWM逆变Page 14w脉宽调制变频的设计思想源于通信系统中的载波调制技术， 1964年由德国科学家率先提出并付诸实施。 用这种技术构成的PWM变频器， 使近代交流电动机调速技术上升到了新的水平。w脉宽调制的方法从调制脉冲的极性上看有单极性和双极性之分。 变频器输出三相交流电U、 V、 W， 现以U相交流电的单极性脉宽调制波形合成为例进行说明。 10.1 变频调速系统PWM脉冲的生成-SPWM方法Page

8、 15n 参考信号为正弦波的脉冲宽度调制叫做正弦波脉冲宽度调制（SPWM）。 单极性脉宽调制方法的特征是控制信号与载波信号都是单极性弱电信号。 U相控制信号为单极性正弦波urU， 载波为高频三角波ut； 中间的倒向信号作区分正、 负半周的矩形波； uUo即为负载U相的交流输出信号。uturuturU02ttt倒向信号020uUouUo210.1 变频调速系统PWM脉冲的生成-SPWM方法Page 16n 实现了接近正弦规律的基本电压输出波形， 调节控制波可以控制它的调频与调压。 如果加大（或减小）控制波urU的幅值， 必然引起输出脉冲的宽度整体变宽， 从而使得输出电压uUo的有效值增大（或减小

9、）； 如果改变控制波urU的频率， 必然改变输出脉冲的正、 负半周交替周期， 从而改变U相输出电压uUo的频率， 使得输出的新交流电既可变压又可变频（VVVF）。 V、 W两相交流电的合成方法与U相原理相同。 uturuturU02ttt倒向信号020uUouUo210.1 变频调速系统PWM脉冲的生成-SPWM方法Page 17通用变频器的内部结构 逆 变 电 路M3变 压 变 频IGBT阻容保护过 流过 压单 片 机 控 制 系 统IGBT隔 离 驱 动 电 路SPW M专 用 集 成 电 路防 冲 击保 护频 率 给 定恒 压 恒 频交 流 电 源整 流 电 路滤 波 电 路10.1 变

10、频调速系统Page 18V/F调速原理10.1 变频调速系统Page 19变频器的V/F控制曲线10.1 变频调速系统在额定转速以下，输出频率和电压成正比（磁通恒定），在额定频率以上，输出电压保持恒定（弱磁控制）。为提供启动转矩，在输出频率为0时需要有一个最小的输出电压Vmin。Page 20变频器的四象限运行10.1 变频调速系统电机电动运行Page 21变频器的四象限运行10.1 变频调速系统电机发电运行，直流母线电容储能Page 22变频器的四象限运行10.1 变频调速系统电机发电运行，制动电阻消耗能量Page 23变频器的四象限运行10.1 变频调速系统电机发电运行，回馈电能到电网Pa

11、ge 24变频器的四象限运行10.1 变频调速系统多电机共母线运行，可通过直流母线传递能量Page 25 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。矢量控制技术10.2 交流调速的矢量控制Page 26矢量变换控制的基本思想 三相异步电动机的内部电磁关系十分复杂， 定子电压、 电流、 频率

12、和磁通、 转矩之间的对应关系要用一系列的复杂矩阵才能表达， 因此， 实现异步电动机的精确控制难度相当大。 矢量变换控制提供了将交流电动机的数学模型通过矩阵变换等效为直流电动机进行控制的基本思想， 才使交流电动机在理论和实践上获得了比直流电动机更优越的调速性能。 10.2 交流调速的矢量控制Page 27 等效交流电机绕组和直流电机绕组(a) 三相静止轴系； (b) 两相静止轴系； (c) 两相旋转轴系 UVW111(a)(b)(c)10.2 交流调速的矢量控制Page 28UVW111(a)(b)(c)n 由三相异步电动机的原理可知， 三相正弦交流电iU、 iV、 iW时， 在空间上会建立一个

13、转速为n1的旋转磁场， 如图(a)所示。 事实上， 产生旋转磁场不一定非要三相绕组， 取空间上相互垂直的两相绕组、 ， 且在、 绕组中通以互差90的两相平衡交流电流i、 i时， 也能建立一个旋转磁场， 如图(b)所示。 当该旋转磁场的大小和转向与三相绕组产生的旋转磁场相同时， 则认为i、 i与iU、 iV、 iW等效。 10.2 交流调速的矢量控制Page 29UVW111(a)(b)(c)n 因上述两图中产生两个旋转磁场的定子绕组都是静止的， 因而可将图(a)称为三相静止轴系， 将图(b)称为两相静止轴系， 这是从三相静止轴系iU、 iV、 iW等效变换到两相静止轴系i、 i的变换思路。 1

14、0.2 交流调速的矢量控制Page 30UVW111(a)(b)(c)n 图(c)中也有两个空间上相互垂直的绕组M、 T， 如分别通入直流电流im、 it， 则可以建立一个不会旋转的磁场， 但如果让M、 T轴都以n1的同步速旋转起来， 也可以获得与上述两图同样效果的旋转磁场。 图(c)被称为两相旋转轴系， 在该轴系中， 因为使用两个互相独立的直流电流im、 it进行控制， im为励磁分量， it为转矩分量， 所以可以实现类似于直流电动机的控制性能。 10.2 交流调速的矢量控制Page 31n 矢量变换控制的基本思想是通过数学上的坐标变换， 先把交流三相绕组的电流iU、 iV、 iW等效变换为

15、交流两相绕组的电流i、 i， 称为3/2变换； 再把两相交流电流i、 i等效变换成两相旋转轴系M、 T的直流电流im、 it。 实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流iU、 iV、 iW分解成转矩分量和励磁分量， 以便像直流电动机那样实现精确控制。10.2 交流调速的矢量控制Page 3210.2 交流调速的矢量控制Page 33n 矢量变换控制的应用 由于机电一体化技术的发展， 矢量控制在各类电动机的控制中均获得普遍应用。 矢量变换控制对于三相异步电动机， 主要用于变频器电动机调速系统或交流伺服系统（尤其是在大功率伺服场合）。 10.2 交流调速的矢量控制Page 34 无刷直流电

16、动机又称为无换向器电动机， 由永磁式同步电动机、 磁极位置传感器和功率电子开关电路三部分组成。 永磁式同步电动机的定子绕组可采用三相或多相绕组， 空间上均匀分布， 只要通以错开一定相位的交流电就能产生旋转磁场。 其转子磁极由永久磁体构成， 当定子通电时， 转子受旋转磁场的牵引作同步旋转。 磁极位置传感器安装于永磁式同步电动机的内部， 用来检出转子磁极的当前旋转位置， 常用传感器有光电器件、 霍尔元件或旋转编码器位置传感器。 10.3 无刷直流电动机的调速Page 35无刷直流电机实物定子定子转子转子定子线圈定子线圈转子磁极转子磁极10.3 无刷直流电动机的调速Page 36三相绕组无刷直流电动

17、机的电机本体示意图三相绕组无刷直流电动机的电机本体示意图 BABNCCVP1VP3VP2SNSACBSSABCNAVP1VP3VP2(a)(b)ABSCANBCVP1VP3VP2(c)NSN10.3 无刷直流电动机的调速Page 37n 电子开关电路则根据位置传感器检出的转子位置信号， 运算判断后决定下一步向定子绕组的哪些相送电， 以维持转子的继续受力转动。 由于电子开关电路的作用与直流电动机的电刷换向功能类似， 且上述三部分结合之后的整体控制性能可以达到直流电动机的控制性能， 故使用了无刷直流电动机这个术语。 但就控制对象（永磁式同步电动机）来讲， 无刷直流电动机属于交流电动机的控制范畴。 10.3 无刷直流电动机的调速Page 38VT3VT2VT1CCBBAA隔 离驱 动运 算判断VP1VP2VP3传感器交流电源无刷直流电机的单相半控桥式电子开关电路示意图。 电路接受三个转子位置传感器的电平信号， 将它们送到运算判断电路及功率开关驱动电路， 控制功率开关VT1、 VT2、 VT3按特定通电模式运行， 实现电动机的连续运转。10.3 无刷直流电动机的调速Page 39三相全控桥式电子开关主电路 由于三相半控桥式电路每次只通电一只管子， 一相绕组供电，