变频调速技术

同学们大家好！庞新民交流拖动课件制作及讲授蔡满军控制系统课程教材主要参考书一、课程的性质与任务《交流拖动控制系统》是工业自动化专业的重要专业必修课程之一。本课程着重讲授采用电力电子技术的交流调速系统的组成、基本原理、特性和应用场合，介绍交流调速系统的现状和发展动向。内容包括：变频调速的基础理论、常用电力电子器件原理及选择、变频调速原理、变频器的选择、变频调速拖动系统的构建、变频技术应用概述以及变频器的安装、维护与调试。。二、教学目标与要求通过本课程的学习，将使大家初步掌握现代交流调速的基础理论和技术，掌握变频调试系统的工作原理和分析方法，为将来解决生产实际中的拖动问题打下良好基础。第一章绪论[本章主要内容]：1.1直流电动机及其拖动系统的基础知识回顾1.2三相交流异步电动机及其拖动系统的基础知识回顾1.3交流电动机的变频调速技术概述1.1直流电动机及其拖动系统的基础知识回顾直流调速=交流调速直流调速的主要缺点：(1)维护困难，(2)设置环境受到限制，易燃易爆以及环境恶劣的地方不能适用，(3)在结构发展上，制造大容量、高转速及高电压的直流电机比较困难，(4)造价高。1.2三相交流异步电动机及其拖动系统的基础知识回顾（一）三相异步电动机的运行特点p6010fn00nnnspfs60)1(n（二）三相异步电动机的调速方案(1)调频调速(2)改变磁极对数。(3)改变转差率pfs60)1(n交流拖动调速系统的特点(1)可以扩大交流电机的容量，提高交流电机的转速和电压(2)交流电机特别是鼠笼式异步电动机设置环境适应性广(3)维护省力(4)异步机结构简单，坚固耐用，惯性小(5)具有同直流调速系统一样好的性能指标，(6)交流电机的造价低。交流调速拖动系统的发展史1.早期调速方法变极调速、定子调压（串电阻）调速、转子串电阻调速、滑差调速（滑差电机）2．近代交流调速发展分支(1)变频调速(2)串级调速利用绕线式异步电动机的转差功率，相当于转子附加电势的一种比较经济的调速方法。电气串级调速系统机械串级调速系统(3)无换向器电动机又称晶闸管电动机，它是具有位置检测器的同步电动机，由变频装置供电的电机系统。由于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机械整流器，所以无换向器电动机的原理和特性同直流电动机相似，可以等效为具有三个换向片的直流电动机。系统采用自控式，因而它的频率与转速永远保持同步关系，不会发生失步现象。它的起动、调速特性类似于直流电动机，完全克服了同步电动机原有的缺点，同时又兼有同步电动机功率因数好的优点。(4)交流步进拖动系统(5)交流伺服系统1.2.6三相异步电动机机械特性1.自然机械特性主要特点：1.同步转速n0不变；2.启动转矩TS和临界转矩TK都减少；3.临界转速nk和临界转差率nk均不变。2.人工机械特性(1)降压机械特性2.人工机械特性(2)改变转差率主要特点：1.机械特性变软；2.同步转速n0和临界转矩Tk不变；3.临界转速nk减小；4.临界转差率Sk和启动转矩Ts变大。2.人工机械特性(3)改变频率主要特点：1.同步转速n0和临界转矩Tk减少；2.临界转速nk减少；3.临界转差率Sk不变。1.2.7异步机阻转矩与转速的关系—--负载的机械特性1.恒转矩负载主要特点：1.阻（负载）转矩与转速无关；2.负载功率与转速成正比。955021000601000LLLLLLnTnTwTP2.恒功率负载主要特点：1.转速和转矩成反比；2.负载功率与转速无关。3.二次方率负载特点：1.2.2.恒功率负载1.2.8三相异步电动机拖动系统运行状况分析1.拖动系统的工作点----电机的机械特性和负载机械特性的交点Q2.负载变化时工作点的转移3.电动机参数变化时的工作点的转移1.2.9异步电动机拖动反抗性恒转矩负载系统的制动1.2.10异步电动机拖动位能性恒转矩负载系统的制动1.3交流电动机的变频调速技术概述变频器种类1.按变换环节分：1.交-直-交变频器2.交-交变频器(1)相位控制它主要应用于交-交变频器和交-直-交变频器中的整流器控制，同一般整流控制原理一样，采用相位控制原则。(2)VVVF控制为保持恒磁通变频控制(或恒转矩控制)原则，要求变压变频控制(即VVVF控制)，这是协调控制条件所要求的．通常把变频装置也称为VVVF装置。(3)脉宽调制(PWM)控制脉宽调制型变频器由于具有输入功率因数高和输出波形好的特点，近年来发展较快，其技术关键之一是PWM调制方法.(4)矢量变换控制矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术。其控制思想是设法模拟直流机的控制特点对交流机进行控制。(5)直接转矩控制直接转矩控制的特点是不需坐标变换，将检测来的定子电压和电流信号进行磁通和转矩运算，实现分别的自调整控制。2.按电压的调制方式3.按滤波方式半导体功率变换器存在的共性问题由半导体功率变换器组成的整流器、逆变器、斩波器及交-直-交变频器与交-交变频器等装置在交流调速领域中得到广泛应用，但目前还存在着如下的缺点和问题：1.高次谐波的影响（1）使电动机产生附加损耗，温升增加，电动机的出力受到限制，同时使特性严化。当用变频器供电时，电动机效率有时降低5—7％左右，而电流增加10％。因此在选用电动机容量时，应适当增加工10％左右的裕量。（2）电动机和电器的噪声增大，对无线电通讯干扰增大等等。（3）使电动机产生转矩脉动它在高速运转时影响还不大，但在低速稳定运行时影响较大。当转矩脉动频率较低，接近机械系统固有频率时，容易产生机械共振现象。即使转矩脉动很小(譬如1％)若其共振倍率为130—300．则当机械共振时，将会产生大于几倍额定转矩的力矩，超过机械充许应力，造成机械迅速破坏的严重后果。为此，调速装置应避免在共振点以下运行。为改善输出波形，要减少高次谐波成分．2．功率因数变坏异步电动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%。为此，要开发研究输出波形为正弦波及功率因数高的晶体管电力变流器，同时研究改善功率因数的有效措施。3．瞬时停电措施电源供电系统因雷击或其它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保护切断事故回路。这一段时间就是瞬时停电的含义。它不是指长时停电，而是瞬时停电，一般在1秒以下。常在o.3秒以内，如果变频装置没有瞬时停电措施，可能产生过电压或过电流现象，在恢复供电时可能造成逆变器换流失败。因此，应设有必要的瞬时停电措施，首先对瞬时停电(不管是三相或单相停电，缺相或三相电压不平衡等)耍能用响应快的仪表检测出来，一方面使吸收回路及时吸收瞬态能量，另一方面使变频装置仍能维持运行，并在恢复供电时能按顺序运转。4．元器件、装置及电动机相互配套问题