交流调速系统-标量控制与电压空间矢量技术

交流调速系统徐州中矿大传动与自动化有限公司——标量控制与电压空间矢量技术目录•1、现代交流调速系统概述•2、异步电动机稳态数学模型和调速方法•3、异步电动机变压变频调速•4、电力电子变压变频器•5、电压空间矢量脉宽调制技术•6、转速开环变压变频调速系统2一般性能调速和节能调速风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足够了。需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属于一般性能调速。高性能的交流调速系统和伺服系统矢量控制技术、直接转矩控制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。特大容量、极高转速的交流调速特大容量的电力拖动设备厚板轧机、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。1.异步电动机调速转差功率从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类。转差功率消耗型全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。以增加转差功率的消耗来换取转速降低（恒转矩负载时），越到低速效率越低。结构简单，设备成本少，还有一定的应用价值。转差功率馈送型转差功率一部分被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈调速系统。效率较高，只能采用绕线转子感应电动机。转差功率不变型变压变频调速，转子铜损基本不变，转子电路中没有附加的损耗，效率最高。须配置与电动机容量相当的变压变频器，设备成本最高。变极对数调速也是转差功率不变型调速系统，属于有级调速。2.同步电动机调速同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。2.同步电动机调速从频率控制的方式来看，同步电动机调速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检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。两类交流调速基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。基于交流电动机的动态模型，能实现高动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。一、异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。1.1异步电动机稳态数学模型转差率与转速的关系11nnsn1(1)nsn或电动机极对数供电电源频率同步转速1160pfnn1fpn异步电动机稳态等效电路图1异步电动机T型等效电路假定条件：①忽略空间和时间谐波，②忽略磁饱和，③忽略铁损异步电动机稳态等效电路式中转子相电流（折合到定子侧）2'1212'1'lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111异步电动机稳态等效电路图2异步电动机简化等效电路忽略励磁电流异步电动机稳态等效电路2'212''lrlsrssrsLLsRRUII简化等效电路的相电流异步电动机的机械特性异步电动机传递的电磁功率机械同步角速度sRIPrrm'2'3pmn11异步电动机的机械特性异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）2'2122'1'22'212'1'2'2'113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT异步电动机的机械特性对s求导，并令0dsdTe最大转矩，又称临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性。图3异步电动机的机械特性1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLL2异步电动机调压调速保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。异步电动机调压调速调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变气隙磁通随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn1Φ4.44SsmsNUfNk2.2异步电动机调压调速的机械特性可调调压调速的机械特性表达式2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLLsU电磁转矩与定子电压的平方成正比2.2异步电动机调压调速的机械特性图5异步电动机调压调速的机械特性2.2异步电动机调压调速的机械特性增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。缺点是机械特性较软。图6高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性软起动器当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。3异步电动机变压变频调速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn260601113.1变压变频调速的基本原理异步电动机的实际转速1111(1)nsnnsnnn稳态速降1snn随负载大小变化气隙磁通控制只要控制14.44ΦSgsmNEfNk14.44ΦSsgsmNUEfNk便可控制气隙磁通基频以下调速当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速当频率从额定值向下调节时，必须使14.44ΦSgsNmNENkf常值基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。恒压频比的控制方式当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，gsEU基频以下调速低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。基频以下调速通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。a——无补偿b——带定子电压补偿图9恒压频比控制特性基频以上调速在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速图10异步电动机变压变频调速的控制特性3.2变压变频调速时的机械特性基频以下采用恒压频比控制异步电动机机械特性方程式改写为2'2122''121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT变压变频调速时的机械特性图5-11异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速”方式。3.3基频以下电压补偿控制在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。三种磁通气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势14.44ΦSgsmNEfNk定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势14.44ΦSssmsNEfNk14.44ΦSrsmrNEfNk不同控制方式下的机械特性图5-13异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制不同控制方式的比较恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。不同控制方式下的比较恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。4电力电子变压变频器异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。4电力电子变压变频器交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。4电力电子变压变频器图14变频器结构示意图a）交-直-交变频器b）交-交变频器4.1PWM变频器主回路图15交-直-交变频器主回路结构图4.1PWM变频器主回路左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。直流母线供电采用直流母线供电给多台逆变器，可以减少整流装置的电力电子器件，逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。直流母线供电图16直流母线方式的变频器主回路结构图能量回馈与泵升电压采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不能从直流侧回馈至电网，交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。泵升电压的限制图36带制动电阻的交-直-交变频器主回路泵升电压的限制图38PWM可控整流的交-直-交变频器主回路对电网的污染由于直流侧存在较大的滤波电容，只有当输入交流线电压幅值大于电容电压时，才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便终止。电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。图39电网侧输入电流波形4.2脉冲宽度调制技术现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规