电力拖动自动控制系统第五章.讲述.ppt

1、第2篇，电力拖动自动控制系统，交流拖动控制系统，内容提要，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*绕组转子异步电机双馈调速系统滑动供电型调速系统，概述(远程教育)，直流电力拖动和交流电力拖动20世纪上半年，鉴于直流拖动具有优异的调速性能，高性能的调速拖动采用直流电机，占电力拖动总容量约80%以上的非变速拖动系统采用交流电机，这种分工在某一时期成为世界公认的结构。 交流调速系统的许多方案已经问世，虽然已经实用化，但其性能不能与直流调速系统相媲美。 另一方面，发展和现状，直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，实现了使用电力电子变换器的交流拖动系统，特别是随着大规模集成电

2、路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统诞生，一直被认为是典型地义的交流拖动按调速性能分工的结构终于二、直流与交流调速相比，1、电动机工艺复杂，增加了直流电动机的成本。 2 .换向器的换流能力限制了直流电机的容量和速度。 3 .电刷火花限制了直流电机的安装和使用环境。 4 .直流电机的大部分电力通过整流子流入电枢的转子发热多，电机效率低。 (中大容量马达需要强制空冷或水冷)、5、整流子和电刷磨损降低的可靠性。 交流电机的控制比较复杂，但结构简单，成本低，适用于安装环境要求低、易燃易爆环境，交流拖动取代直流调节拖动的呼声越来越强，交流拖动控制系统已成为目前电力拖动控制的主要发展方向。 实用交流调

3、速系统比直流调速系统有以下优点。 交流调速、1、大功率负载时，电力机车、卷扬机等控制系统。 2 .高速运转时，高速钻头、离心机等的控制转速可达到数千到数万。 3 .易燃、易爆、多尘环境。 4 .中压(6-10KV )调速系统可节省变电站容量。 吉林大学远程教育，为何交流调速系统百年发展，交流调速系统的难点和复杂性，难点在于力矩控制困难交流电机为多输入多输出、非线性、强耦合，并有时成为控制对象。 电机转矩，是吉林大学远程教育、转矩控制的难点： 1是由于定子电流和转子电流都产生两个耦合变量，一般轿厢电机不能测量，不能直接控制。 3是与转速有关的时变量，随温度变化的上式是从稳态、吉林大学远程教育、等

4、值电路导出的平均扭矩，更不用说瞬时扭矩了。 2、限制电力电子器件的发展3、限制调速系统技术和成本交流调速系统技术的突破和发展现状。 20世纪70年代石油危机席卷全球节能问题变得越来越重要，吉林大学的远程教育是占电机功耗一半以上的风扇，泵类负荷利用阀门和挡板调节流量和压力，浪费大量的电力，向发达工业国家投入大量的人力和财力效率和高性能的交流调速系统的研究1 )电力电子技术和脉宽调制的发展：吉林大学的远程教育，电力电子器件的进步，交流电机控制系统的完善，物质保证，绝缘栅双极晶体管的实用化，用于高频化的PWM技术成为可能，目前电力电子向高压、大功率、高频化、组合化、智能化发展2 )应用矢量控制技术和

5、现代控制理论，交流电机是多变量、非线性的被控制，是吉林大学的远程教育对象，过去从电机稳定方程组研究其控制特性，动态效应不理想。20世纪70年代提出一种矢量变换的方法，不仅控制其大小，而且控制其相位，不仅控制其大小，而且实现其相位转子磁场方向矢量控制(通过单坐标变换矢量控制系统、吉林大学远程教育、坐标变换和电压补偿，实现磁通根据磁场的方向，异步电机的机械特性与直流电机的机械特性相同，控制变得容易。 但是，转子的时间常数根据温度的不同有很大的变化，在某种程度上影响系统的性能。 (2)为了简化滑差频率矢量控制系统、吉林大学远程教育、控制系统的结构，直接忽略了转子磁通的过渡过程，这种系统磁通采用开环控

6、制结构，简化了适合电流控制PWM电压型逆变器馈电的异步电动机控制系统，进而只考虑稳态方程，得到差频控制系统和开环的电压频率恒定控制系统(3直接间接转矩控制系统，直接转矩控制在直接定子坐标系上修正磁通模式和转矩大小，通过磁通和转矩的直接跟踪，只关心转矩大小吉林大学远程教育，电压取向控制是基于广义派克方程提出的磁通和转矩间接控制方法。 该方法将参考坐标系置于同步旋转磁场上，使d轴与定子电压矢量重叠，根据磁通不变的条件求出控制规则，该方法避免的复杂坐标变换可实现磁通与转矩的解耦。 吉林大学远程教育、古典控制只考虑稳态特性、启动、调速、制动控制，只研究从一种状态向另一种状态的变化，不考虑电磁过程，只重

7、视动力学过程。 (4计算机技术的发展(1)交流电机的数控系统可以是专用的硬件电路也可以是总线形式，也可以由单片机构成最小目标系统(2)数字模拟和辅助设置修订。 吉林大学远程教育，(5)高精度的交流电机运动控制、坐标矢量变换控制系统机械和电磁解耦特性是通过参考坐标系置于旋转磁场上实现的，构成运动控制系统对电流环和速度环施加上位环，调整困难，基于解耦，如下方法(1) 提出滑模变结构控制的结构简单动态性能好) (2)最优定位控制系统(简化控制系统)、吉林大学远程教育、(6)新型电机和无机传感器技术在小功率运动控制中得到重视和应用的永磁同步电机。 目前正在研究开发的开关磁阻电动机。 为了满足高性能的调

8、速，闭环控制是必不可少的。 为了实现位置和速度控制，用测速电机和光电码盘检测信号，传感器的安装，使系统成本增加，吉林大学的远程教育，可靠性降低，易受环境影响，成本合理，性能优良的无速度传感器交流系统是研究的热点该技术是一种不在马达转子和机座上安装电磁或光电传感器，利用检测出的电压电流和马达的数学模型推出马达转子的位置和速度的技术，具有不改变马达，省去机械传感器，减少维护费用，不怕粉尘、潮气的环境特点交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统的特大容量、极高转速的交流调速，1 .一般性能的节能调速，在过去大量的“不变速交流拖动”中，鼓风机、 水泵等

9、通用机械的容量占工业电力拖曳总容量的大致一半以上的一般性能的节能调速(续)，换成交流调速系统的话，节约挡板和阀门消耗的能量，每台台风机，水泵平均能节约20 30%以上的电力，效果很好。 但对风扇、水泵的调速范围和动态高速性要求不高，只需一般的调速性能。 2、高性能的交流调速系统和伺服系统，许多工艺上需要调速的生产机械过去多使用直流拖曳，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，故改用交流拖曳但是，由于交流电机的原理，其电磁转矩很难像直流电机那样用电枢电流进行灵活的实时控制。 20世纪70年代初发明了矢量控制技术或磁场取向控制技术，通过坐标变换将交流电动机的定子电

10、流分解为转矩成分和励磁成分，分别控制电动机的转矩和磁通，从而得到接近直流电动机的高动态性能，交流电动机的调速技术取得了划时代的进展。高性能的交流调速系统和伺服系统(续)、高性能的交流调速系统和伺服系统(续)，然后陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列直流调速系统可匹敌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、直流电机的换流能力限制其容量转速积不超过106 kW r /min，超过该数值，其设定和制造非常困难。 交流电机没有换向器，不受此限制，所以特大容量的电力拖曳设备如厚板轧机、矿山卷扬机等，以及极高转速的拖曳，如高速研磨头、离心分离机等，最好采用交

11、流调速。 三、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)和同步电机两种，每种电机有不同类型的调速系统。 以往文献介绍的异步电动机调速系统种类繁多，可以分为不同的角度。 按电动机调速方法分类，常见的交流调速方法有：降压调速滑差离合器的调速转子串电阻调速； 绕组电机的串级调速或双馈电机调速变极对数调速变压变频调速等。 吉林大学的远程教育，因为在研发阶段，人们从多方面探索调速的道路，所以多种多样是自然的。 现在交流调速器的发展比较成熟，要深入把握其基本原理，不能满足这种表面罗列，还需要探讨其本质，认识交流调速器的基本规律。 按照电动机的能量转换类型分类，根据交流异步电动机的原理，

12、从定子传递到转子的电磁电力可以分为两个部分：一部分是牵引负载的有效电力，另一部分是传递到转子电路的滑动电力，与滑动率s成正比。 即，Pm=Pmech Ps Pmech=(1 s) Pm Ps=sPm是从能量变换的观点来看，滑动功率增大还是被消耗还是被回收是对调速系统的效率的高低进行评价的标志。 在这方面，异步电动机的调速系统可分为三类。1 .一种滑动功耗型调速系统，将所有滑动功率转换为热能由转子电路消耗，上述第一、第三调速方法都属于这一类。在三种异步电动机调速系统中，这些系统的效率最低，而且越低效率越低，它们以转速下降为代价增加滑动功耗(在恒转矩负载时)。 但该系统结构简单，设备成本最低，具有

13、一定的应用价值。 2 .在这种系统中，上述第一调速方法属于这一类，除了转子铜损，在大部分转子侧通过逆变器装置供给或供给，转速越低，能够供给的电力越多。 不管是供电还是供电，减去后的电力都会减去逆变器装置自身的损失，最终变换为有用的电力，因此这样的系统效率很高，但是需要追加几个设备。 3、滑动功率不变型调速系统，在这种系统中，滑动功率仅为转子铜损，而且与转速的高低无关，滑动功率几乎不变，所以效率更高，上述第一、第二调速方法属于这类。 其中变极对数调速有级，应用情况有限。 变压变频调速的应用最广泛，可以代替直流调速构成高动态性能的交流调速系统，但是定子电路需要装备相当于电动机容量的变压变频器，与此

14、相比设备成本最高。 同步电动机的调速，同步电动机没有滑差，也没有滑差功率，所以同步电动机的调速系统只有滑差功率不变(一定为0 )，同步电动机的转子极对数是固定的，所以只有变压逆变器进行调速，没有像异步电动机那样的多种调速方法。 同步电动机的变压变频调速方法，从频率控制的方式分为他控变频调速和自控变频调速2种。 自动变频调速利用转子磁极位置的检测信号控制变压变频装置的反相，由于类似于直流电机中的刷子和整流子的作用，因此也称为无整流子电机调速或无刷直流电机调速。 开关磁阻电动机是一种特殊型号的同步电动机，有独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电动机的调速系统中有着前景。 第5章，电力拖动自动控制

15、系统，闭环控制的异步电动机变压调速系统一种差功耗型调速系统，在本章中是异步电动机变压调速电路异步电动机改变电压时的机械特性闭环控制的变压调速系统及其静态特性，5.1异步电动机变压调速电路，变压调速是异步电动机调速方法从电力拖动的原理可以看出，当异步电机等效电路的残奥仪表不变时，由于以相同的转速，电磁扭矩与定子电压的平方成比例，因此改变定子外加电压可以改变机械特性的函数关系，可以改变电机在恒定负载扭矩下的转速。 吉林大学的远程教育中，过去改变交流电压的方法多使用自耦变压器和带直流磁化线圈的饱和电抗器，电力电子技术兴盛以来，这种较重的电磁装置已经被晶闸管交流调节器所取代。 目前，交流稳压器一般将三

16、对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串联连接在三相电路上，主电路连接法有几种方案，用相位控制改变输出电压。y型接合法、型法、交流变压调速系统采用控制电源、可控硅交流调压器变压调速TVC双向可控硅交流调压器、图5-1可控硅交流调压器变压调速、控制方式、TVC变压控制方式、电路结构：可控硅逆并联供电方式，实现异步电动机的可逆和制动。 图5-2表示晶闸管反并联的异步电动机可逆制动电路、可逆制动控制、反转运行方式图5-2表示晶闸管反并联的异步电动机可逆制动电路，晶闸管16控制电动机的正转运行，在反转时可以从晶闸管1、4、710供给反相顺电源，进行反相吉林大学远程教育、制动运行方式需要能量消耗制动时，可根据制动电路的要求，选择几个晶闸管使其非对称工作。 例如，如果使1、2、6这3个器件导通，切断其侗都，则能够在定子线圈中流过一半的直流电流，对旋转的电动机的转子施加制动作用。 如果需要，也可以在制动回路中串联接通电阻来限制制动电流。 5.2异步电动机改变电压时的机械特性，根据机电学原理，无视空间和时间谐波，无视磁饱和，无视铁损，异步电动机的稳态等效电路如图5-3所示。 另外一方面，异步电动机等效电路、残奥仪表定义、Rs、Rr定子每相电阻和向定子侧折叠的转