第8章(电力拖动控制系统)

1、第第8章章 异步电动机他控式变频调速系统异步电动机他控式变频调速系统变频调速系统按频率改变的原因分类：变频调速系统按频率改变的原因分类：2自控式变频自控式变频 3矢量控制式变频矢量控制式变频 “跳过跳过”频率，直接控制转矩（或产生转矩频率，直接控制转矩（或产生转矩的电流）以达到调速目的的电流）以达到调速目的, 控制系统控制的控制系统控制的对象并没有刻意追求对象并没有刻意追求“变频变频” 调速。调速。1 他控式变频他控式变频 主要特征是：控制系统把变频器的输出频率主要特征是：控制系统把变频器的输出频率f1f1作为主控变量。作为主控变量。 为主控变量为主控变量，输出电压输出电压 是辅控变量，是辅控

2、变量， 变频的同时使电压配合变化变频的同时使电压配合变化 。1f1U变频调速变频调速改变输出频率改变输出频率f1。 但调速系统最终的控制目标是转速，在第但调速系统最终的控制目标是转速，在第1章中已经分析过，电动机速度章中已经分析过，电动机速度控制的本质是对电动机转矩的控制控制的本质是对电动机转矩的控制 ，因此，可以因此，可以“跳过跳过”频率这一个变量而频率这一个变量而直接去对转矩（或产生转矩的电流）进行控制，同样能达到调速的目的。直接去对转矩（或产生转矩的电流）进行控制，同样能达到调速的目的。 异步电机速度公式异步电机速度公式160fnp 在这类控制方案中，调速系统输出电压（或电流）的频率并不

3、是不变的，在这类控制方案中，调速系统输出电压（或电流）的频率并不是不变的，它们的频率同样也在改变，仍是变频调速。它们的频率同样也在改变，仍是变频调速。 8.1 转速开环的交转速开环的交-直直-交电流源型变频调速系统交电流源型变频调速系统1控制策略控制策略l 采用采用“转速开环、恒压频比（或恒气隙磁通）控制转速开环、恒压频比（或恒气隙磁通）控制”：给定转速等价于给定：给定转速等价于给定频率，稳态误差为速降，频率，稳态误差为速降，低转差率异步电动机的这个值一般不大，所以就能满足低转差率异步电动机的这个值一般不大，所以就能满足调速要求不高的场合。调速要求不高的场合。 l 应用场合应用场合: 低转差电

4、机，调速要求不高的场合低转差电机，调速要求不高的场合 。8.1.1 调速系统的控制策略及系统原理图调速系统的控制策略及系统原理图l 恒压频比（或恒气隙磁通）控制时的控制特性、机械特性：恒压频比（或恒气隙磁通）控制时的控制特性、机械特性：系统分系统分5 5部分部分 （1）主电路部分）主电路部分 （2）电压控制部分：电压检测、）电压控制部分：电压检测、AVR、电流检测、电流检测、ACR、GT（3）频率控制部分：压频变换）频率控制部分：压频变换GVF、环形分配器、环形分配器DRC、脉冲放大、脉冲放大AP （4）给定部分）给定部分 2系统原理图系统原理图（5）动态校正器）动态校正器GFC *nU+dL

5、GF0f-GIGABAVRt*iUACRtiUGTA PGFCDRCGVF*fUVIVR*VUDPI+-VU+-+TV正、反转指令 M3给定部分给定部分电压控制部分电压控制部分频率控制部分频率控制部分*fUt主电路部分主电路部分以以 的换流时的等效电路的换流时的等效电路tttAiBiCidIdI2000上下导通管1 1 3 3 5 5 1 16 2 2 4 4 6 6 21. 逆变器主电路逆变器主电路 工作方式：工作方式：6拍型；拍型；输出电流波形：输出电流波形：120方波交流电流。方波交流电流。任何时刻上下各有一个主开关元件导通（元任何时刻上下各有一个主开关元件导通（元件导通时间件导通时间1

6、20 ） VF: 改变改变每一拍的每一拍的导通时间导通时间3. 换流分析换流分析BeLCeLAeCAACeBdIVT1VT5VD1VD5VD6VT6L32Ccau1Di5Di（1）换流前正常运行阶段：）换流前正常运行阶段：T5、T6导通导通 （2）晶闸管换流、恒流充放电阶段）晶闸管换流、恒流充放电阶段 （3）二极管换流阶段）二极管换流阶段 8.1.2 晶闸管电流源型逆变器工作原理晶闸管电流源型逆变器工作原理VT3VT5VT1C1C2C5VD3VD5BALdId+C6C4C2VD1VT6VT2VT4VD4VD6VD2CUd-BiCiAi2. 工作原理工作原理 51VTVT1电压控制部分电压控制部

7、分 采用电压、电流双闭环，电压外环，电采用电压、电流双闭环，电压外环，电流内环流内环 ，两个调节器都采用了两个调节器都采用了PI调节器。调节器。 2频率控制部分频率控制部分 （2）环形分配器）环形分配器DRC：六分频器：六分频器 （1）压频变换器）压频变换器GVF 8.1.3 控制系统工作原理控制系统工作原理0f1Q2Q3Q4Q5Q6QTdL0fAVRt*iUACRtiUGTA PGFCDRCGVF*fUVIVR*VU+-VU+-+TVM3电压控制部分电压控制部分频率控制部分频率控制部分主电路部分主电路部分正、反转指令正、反转指令电压检测的位置直接取自电机的端电压。电压检测的位置直接取自电机的

8、端电压。 电压指令电压指令 。 *VU正转时，输出的顺序是正转时，输出的顺序是1234561；反转时，输出的顺序是反转时，输出的顺序是1654321。 （3）脉冲放大器）脉冲放大器AP依照转向给定信号产生依照转向给定信号产生6路路 f1 脉冲。脉冲。产生频率为产生频率为 f06 f1 的脉冲列。的脉冲列。3给定部分给定部分 由频率给定产生相由频率给定产生相应的定子电压给定应的定子电压给定 4、校正环节、校正环节GFC负载（电流）的扰动会引起端电压的波动。负载（电流）的扰动会引起端电压的波动。 校正环节去影响频率给定，使输出频率与电压能同步变化。校正环节去影响频率给定，使输出频率与电压能同步变化

9、。 （1）给定积分器）给定积分器GI （2）极性鉴别器）极性鉴别器DPI（3）绝对值变换器）绝对值变换器GAB（4）函数发生器）函数发生器GF（0） 速度（频率）给定速度（频率）给定捡出转向信号，电路原理见捡出转向信号，电路原理见3.3（含大小及转向）（含大小及转向） 是一个先积分后比例的积分比例环节是一个先积分后比例的积分比例环节 框内的曲线是它对输入信号的阶跃响应曲线框内的曲线是它对输入信号的阶跃响应曲线 变阶跃（突变）为渐变变阶跃（突变）为渐变 变频器上一般称之为变频器上一般称之为“升速时间升速时间”、“减速减速时时 间间”的时间值就是它的积分时间的时间值就是它的积分时间取其大小即绝对值

10、输出取其大小即绝对值输出 采用恒压频比加补偿的控制方式时，采用恒压频比加补偿的控制方式时，该曲线就是第该曲线就是第7章图章图7-3的控制特性曲线的控制特性曲线 给定信号分解成给定信号分解成电压给定、频率给电压给定、频率给定和转向给定三个定和转向给定三个给定输出，分别去给定输出，分别去控制变频器的控制变频器的*nU+GF-GIGAB*fU*VUDPI给定部分给定部分*fUt正、反转指令正、反转指令1回馈制动回馈制动Tn0Nn0Nn03调速系统的优点：调速系统的优点：（1）容易实现回馈制动，可四象限运行）容易实现回馈制动，可四象限运行 （2）对故障电流容易实现保护，可靠性高）对故障电流容易实现保护

11、，可靠性高 （3）适用于制动和经常正反转的负载调速）适用于制动和经常正反转的负载调速（1）转速开环，系统的动静态性能不理想）转速开环，系统的动静态性能不理想, 无法适应负载转矩变化时的性能要求无法适应负载转矩变化时的性能要求 。（2）逆变器的输出电流是方波，）逆变器的输出电流是方波， 谐波分量大，对电网造成电污染。谐波分量大，对电网造成电污染。 反转的实现：改变环形分配器的脉冲相序。反转的实现：改变环形分配器的脉冲相序。 反转时同样有电动和回馈制动两反转时同样有电动和回馈制动两种状态，这就实现了四象限运行。种状态，这就实现了四象限运行。 8.1.4 回馈制动及系统优缺点回馈制动及系统优缺点4调

12、速系统的缺点：调速系统的缺点：LdVIVRa)3MU Ui i回馈制动的实现：回馈制动的实现：2四象限运行四象限运行机械特性曲线：机械特性曲线：为什么速度不闭环？为什么速度不闭环？控制控制VI的频率，使的频率，使1n0 ，电机电机M进入第进入第象限发电运行，象限发电运行，VI整流，整流，Ui变负。变负。控制控制VR的控制角，使进入有源逆变，的控制角，使进入有源逆变，系统就进入了系统就进入了象限回馈制动象限回馈制动控制系统要使转差频率不太大是很容易做到的。由控制系统要使转差频率不太大是很容易做到的。由，是异步电动机的同步转速与实际转速（反馈量、转速闭环）之差，是异步电动机的同步转速与实际转速（反

13、馈量、转速闭环）之差8.2 转差频率控制的交转差频率控制的交-直直-交电流源型变频调速系统交电流源型变频调速系统常规他控式变频调速系统不能转速闭环的原因？常规他控式变频调速系统不能转速闭环的原因？8.2.1 转差频率控制的理论基础（基本原理）转差频率控制的理论基础（基本原理）1. 定义：转差角频率定义：转差角频率 1s11,sssfsf2122120112222122220( )()( )()NNNTmNNNnrsrnETm pCnrs xrxn近似式：近似式： 221202NsTmTmNnTCCr nr022()NnNnx22( )r = = 4 4. .7 7K KA AI IN N1 1

14、+ +A AI IN N1 1- -1 12 23 34 4D DI IN N1 1D DI IN N2 2D DI IN N3 3D DI IN N4 45 56 67 78 8+ +1 15 5V V9 91 10 0A AI IN N2 2/ /P PI I+ +A AI IN N2 2/ /P PI IA A1 1O OU UT T+ +1 11 11 12 21 13 31 14 4A AO OU UT T1 15 5电电机机热热保保护护D DI IN N5 5D DI IN N6 61 16 61 17 71 18 81 19 92 20 02 21 12 22 22 23 32

15、24 4+ +5 5V VR RL L1 1R RL L2 22 25 52 26 62 27 71 13 3N N- -P P- -A A2 2O OU UT T+ +A AO OU UT TP PE E- -+ +2 24 4V VV V: :0 0 1 10 0V V O OR R 2 2 1 10 0V VI I: :0 0 2 20 0m mA A O OR R 4 4 2 20 0m mA AR RS S4 48 85 5P PJopDC+DC-控控制制面面板板2电压源型交电压源型交-直直-交交SPWM转速开环控制系统原理图转速开环控制系统原理图*rf*1U载波比N三相VVVF参考

16、正弦发生器SPWM调制三角发生器*tf逻辑分配WSPWMWsin驱动加减速时间设定 V / f 曲线选择 函数发生器 单片机 调制模式选择 给定积分VIVRM3 正、反转设定变频器的工作模式：变频器的工作模式：转速开环控制转速开环控制转差频率控制转差频率控制矢量控制矢量控制交互式参数设定（面板）交互式参数设定（面板）intintinAuinAi1tabudUdU1tai)a)b)c电压源型交电压源型交-直直-交变频器的电压、电流波形交变频器的电压、电流波形a)输入电流输入电流b)输出线电压输出线电压c)输出电流输出电流3制动及泵升电压制动及泵升电压 DCDC0VD0R0VTC限制泵升电压的能耗

17、制动电路限制泵升电压的能耗制动电路 见4.2节 见4.2节VIVR2dU3M02dU1VT6VT4VT5VT3VT2VTAu1VD4VD2VD6VD5VD3VD8.4 异步电动机电压源型交异步电动机电压源型交-交变频调速系统交变频调速系统8.4.1 交交-交变频电路概述交变频电路概述( (不讲不讲) )l 交交-交变频电路也有电压源型与电流源型之分交变频电路也有电压源型与电流源型之分 l 交交-交变频电路的基础是第交变频电路的基础是第3章的章的V-M可逆系统可逆系统 l 对电压源型交对电压源型交- -交变频器，追求的是输出电压正、负的交替变化及其正交变频器，追求的是输出电压正、负的交替变化及其

18、正弦性，可以电压开环控制或电压闭环控制，称之为电压控制型的电压源型交弦性，可以电压开环控制或电压闭环控制，称之为电压控制型的电压源型交- -交变频器。交变频器。l 若采用电流闭环控制直接去控制交流电流的波形及与电机转矩成正比的电若采用电流闭环控制直接去控制交流电流的波形及与电机转矩成正比的电流基波分量的大小，使变频器输出的电流是近似的正弦电流，这种控制方式的流基波分量的大小，使变频器输出的电流是近似的正弦电流，这种控制方式的变频器则称之为电流控制型的电压源型交变频器则称之为电流控制型的电压源型交- -交变频器交变频器 8.4.2 电压源型交电压源型交-交变频调速系统主电路交变频调速系统主电路b

19、)a)c)d)电压源型交电压源型交-交变频器主电路交变频器主电路a)公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 b)电机丫接方式电机丫接方式 c) a图的简图图的简图 d)b图的简图图的简图 8.4.3 电压源型交电压源型交-交变频电路触发脉冲的控制方式交变频电路触发脉冲的控制方式余弦交点法余弦交点法移相角移相角的产生方法的产生方法 可控整流电路输出电压的平均值可表述为可控整流电路输出电压的平均值可表述为 cos)(dmdUU为了使输出电压为为了使输出电压为 tUum2sin则就应有则就应有 tUtUmdm2sin)(cos若在控制电路中能产生一个给定正弦电压若在控制电路中能产生一个给定正弦电压 tUum2sin并想法在控制回路中得到一个余弦同步电压并想法在控制回路中得到一个余弦同步电压tUudmU1cos并使并使mdmmdmUUUU则前两式所表示的两个电压波的交点处必有则前两式所表示的两个电压波的交点处必有1211sincostU