电力拖动自动控制系统--运动控制系统

交流调速系统山东理工大学李素玲滚镀生产线滚镀生产线环形电镀生产线直线式电镀生产线课程概论1.课程性质《交流调速系统》是自动化、电气技术、供用电技术和机电一体化等专业的必修课，是一门工程性和综合性很强的专业课。它是电机学、电力拖动、电机调速及节能技术等内容的有机结合，属于电气传动控制学科范畴。2.课程目的使学生在了解系统部件基本原理的基础上，重点掌握交流拖动控制的基本概念、基本理论，以及常见交流调速系统的方案组成、工作原理、工程应用等知识；培养学生综合运用所学知识分析、设计交流调速系统的能力和运用新技术的能力，为参加实际工作打下坚实的基础。课程概论3.课程任务1）了解交流调速系统的发展和基本类型；2）掌握各种交流调速方式的基本原理；3）掌握各种交流调速装置的主电路组成和参数计算。4）熟悉交流调速系统的控制原理、工作特点以及实现方法；5）了解交流调速技术的主要应用。1）异步机调压调速系统2）异步机变压变频调速系统3）异步机串级调速系统4）同步机变压变频调速系统课程概论4.课程内容5.课程安排本课程共40学时，其中课堂讲授32学时，实验8学时（包括4个实验）。课程概论6、课程体系结构由《自动控制理论》知：自动控制系统由控制装置和被控对象组成。而从控制对象工艺过程的角度看，自动控制系统又分为运动控制系统和过程控制系统两大类。运动控制系统通常又称为电力拖动自动控制系统。（1）运动控制系统以机械运动为主要生产方式，以电动机为执行机构。如：各类机床、轧钢机械、矿山机械、造纸机等等，其被控参数主要是转速和位移。（2）过程控制系统以化学反应或热能转换为主要生产方式，以自动化仪表及装置为检测和执行机构。如：锅炉炉温控制、气体压力储罐、水塔水位控制等等。其被控参数主要是温度、压力、流量、液（物）位和成份。课程体系结构（续）就运动控制系统而言，其执行机构可以采用直流电动机也可以采用交流电动机，这就有了直流调速系统和交流调速系统之分。异步机调压调速系统异步机变压变频调速系统异步机串级调速系统同步机变压变频调速系统自动控制系统运动控制系统过程控制系统直流调速系统交流调速系统课程体系结构（续）课程概论7、交流调速系统的发展概况众所周知，在自动控制技术迅猛发展的今天，高性能的电力拖动自动控制系统已广泛应用于工农业生产、交通运输、国防建设和航空、航天事业等领域中，而她的发展也经历了100多年的时间。直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。交流调速系统的发展概况（续）直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升。尤其是近二十多年来，可控关断的电力电子器件和由它实现的PWM技术正在中小功率范围内逐步取代晶闸管和相控整流装置，各种交流电机调速系统和随动系统已经得到普遍应用。交流调速系统的发展概况（续）直流电机具有电刷和换相器而必须经常检查维修、换向火花使其应用环境受到限制，以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，所以交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。而且数字计算机控制的交流调速系统更是日趋完善，并开拓了变结构、自适应控制、自诊断、多重化技术等模拟系统难以达到的领域。8、交流调速系统的特点课程概论交流调速系统的特点由交流电动机和交流调速装置两部分共同决定。性能优异的交流电动机调速系统是在直流电动机调速系统之后出现的，目前在绝大部分场合已取代直流电动机调速系统。交流调速系统与直流调速系统相比较，主要具有如下特点：（1）交流电动机具有更大的单机容量。（2）交流电动机的运行转速高且耐高压。（3）交流电动机的体积、重量、价格均小于同容量的直流电动机。交流调速系统的特点（续）直流电动机的主要劣势在其机械换向部分，相比而言，交流电动机构造简单、坚固耐用、经济可靠、转动惯量小。（4）交流电动机特别是鼠笼型异步电动机的环境适应性广。在恶劣环境直流电动机几乎无法使用。（5）调速装置方面，计算机技术、电力电子器件技术的发展，新控制算法的应用，使交流电动机调速装置反应速度快、精度高且可靠性高。达到与直流电动机调速系统同样的性能指标。（6）在交流电动机的专属领域----风机泵类负载拖动领域，调速就意味着节能。9、交流拖动控制系统的应用领域课程概论1）一般性能的节能调速风机、水泵等通用机械的容量占工业电力拖动总容量的一半以上，因过去的交流拖动本身不能调速，只得依赖挡板和阀门调节送风和供水的流量，造成电能浪费。如果换成交流调速系统，可以节约20%~30%以上的电能，它们的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。交流拖动控制系统的应用领域（续）2）高性能的交流调速系统和伺服系统过去交流调速不能与直流调速相抗衡的原因，是交流电机的电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术（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。交流拖动控制系统的应用领域（续）3）特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难。交流电机没有换向器，不受这种限制。因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、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。10、交流调速系统的分类课程概论由交流电动机的速度表达式：)1(601spfn(1)变极调速（改变p）---双速电机，两档速度(2)变转差率调速（改变s）1)调压调速---晶闸管，窄范围无级变速2)转子串电阻调速---有级变速3)串级调速---晶闸管，对绕线式异步机无级变速(3)变频调速（改变f1）---全控型电力电子器件宽范围无级变速A、按电动机的调速方法分类：交流调速系统的分类（续）B、按电动机的能量转换类型分类：按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。~PmechPmPs即Pm=Pmech+PsPmech=(1–s)PmPs=sPm按电动机的能量转换类型分类（续）从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。(1)转差功率消耗型调速系统这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，调压调速、转子串电阻调速都属于这一类。在三类调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时）。但这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。按电动机的能量转换类型分类（续）(2)转差功率回馈型调速系统在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。按电动机的能量转换类型分类（续）(3)转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速和变压变频调速就属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。11.交流调速系统的现状和发展趋势交流调速系统的目前水平：（1）从中小容量等级发展到大容量、特大容量等级，填补了直流调速系统留下的特大容量电机调速空白。（2）交流调速系统已具备高的可靠性和长期连续运行能力，能满足实际工况对可靠性要求高、长期不停机检修等特殊要求。（3）控制装置设计可以达到和直流调速控制同样良好的控制性能，交流电机设计可以满足各种工业现场，实现了交流调速系统的高性能、高精度转速控制。（4）交流调速系统已从原来作为直流调速系统的补充手段，发展到已在大部分场合取而代之的应用状态。交流调速系统的现状和发展趋势（续）交流调速系统的技术发展趋势：（1）新型开关元件和储能元件的研制。（2）最新控制思想、控制算法、控制技术不断应用于交流调速产品。（3）控制装置设计可靠性越来越高性能，不断解决瞬时停电后的装置安全及恢复正常问题。（4）高运算速度、高控制性能的微机产品在现代交流调速装置中不断应用，充分显示了现代控制手段的优越性。（5）进行大容量、特大容量等级的新型交流调速动机技术研究。同时也在进行结构精巧的高效能、高精度交流控制电机技术研究。交流调速系统的现状和发展趋势（续）交流电动机调速系统的技术应用：（1）风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进行变频、串级调速，可以节能。（2）对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。（3）纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。（4）钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。（5）有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。（6）油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。炼油行业将变频器应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。交流调速系统的现状和发展趋势（续）交流电动机调速系统的技术应用：（7）变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。（8）变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。（9）变频器在建材、陶瓷行业获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。（10）机械行业是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。课程概论从交流调速系统的应用范围和领域之广，也说明了学习《交流调速系统》课程的重要性和必要性。12.先修课程电路、电子技术、电机与拖动、自动控制原理、电力电子技术、自动检测技术、直流调速系统等。是典型的集成技术，对前期学到的专业知识进行总复习和综合运用课程概论13.参考教材1）陈伯时主编.电力拖动自动控制系统（第3版）—运动控制系统.机械工业出版社2）冯垛生主编.交流调速系统.机械工业出版社.3）姚绪梁主编.现代交流调速技术.哈尔滨工程大学出版社.4）陈伯时主编.交流调速系统.机械工业出版社.5）尔桂花主编.运动控制系统.清华大学出版社.6）班华主编.运动控制系统.电子工业出版社.7）李宁主编.运动控制系统.高等教育出版社.