三相异步电动机的调速控制分解

三相异步电动机的调速控制一、电动机的分类：他励、异励、串励、复励二、异步电动机1磁场转速（同步转速）：2电动机转速：电机转子转动方向与磁场的选择方向一致，但是电动机转速n小于旋转磁场的转速，所以称之为异步电动机。3转差率：S0n三、异步电动机调速1电机转速公式：调速方法：1、改变磁极对数P2、改变转差率S3、改变电源电压频率f2、具体分类（1）转差率不变变极对数变频调速交-交变频器调速交-直-交变频器调速（2）转差率回馈型调速（3）转差率消耗型调速电气串级调速机械串级调速晶闸管串级调速变电源电压调速电磁转差离合器调速电机转子串电阻调速（鼠笼式）（绕线式）3调速的技术指标（1）静态指标：调速范围：静差率：指电动机在额定负载下运行时，其最高转速与最低转速的比值，电器调速范围要大于机械调速范围。静差率又称速度变化率，它反映了电动机运行时转速的相对稳定程度。调速的平滑性：电机在一定的转矩下，相邻两级转速之比称为调速的平滑性，通常用k表示。K是衡量速度逐级变化的程度，调速级数越多，k越接近1，说明平滑性越好。若为无极调速，k=1，平滑性最好。（2）动态指标：最大超调量：超调量反映了调速系统趋向于稳定性的程度，超调量小则说明动态响应较平稳。过渡过程时间：系统阶跃响应进入稳态值的百分之五范围，并不再超出这个范围所需的时间称为过渡过程时间，它反映了系统响应的快速性。4调速的名词介绍（1）有级调速和无级调速：（2）恒转矩调速和恒功率调速：有级调速又称分级调速，这种调速方法调整简单，方便，但速度变化的起伏较大。无级调速又称连续调速，指电动机的调速可以平滑进行，转速变化均匀，适应性强，易于实现调速自动化。电动机的输出功率和输出转矩是由负载的大小来决定的，对于不同的负载类型，电动机输出的转矩和功率不是一个定值。负载的性质分为两种，一类是恒转矩，一类是恒功率，为了充分利用电动机容量，常要采用与负载性质相一致的调速方法。四、异步电动机的变频调速1变频调速的工作原理2调速控制方式式中的电动机定子绕组的磁极对数p一定，改变电源频率f，即可改变电动机的同步转速。异步电动机的实际转速总是低于同步转速，而且随着同步转速而变化。电源频率增加，同步转速也增加，实际转速也增加，反之降低。这种通过改变电源频率实现调速的调速过程称为变频调速。（1）电源频率低于工频范围调节电源的工频频率为50赫兹，电动机的感应电动势为：定子电压与定子绕组感应电动势的关系为：忽略定子的漏抗：可得出可见，电动机的电磁转矩T与成正比，若下调电源频率f，同时也下调U，使比值保持为恒定量，则磁通不变。因此，转矩也保持常值，此时电动机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。（2）电源频率高于工频范围调节由于使电源频率f增加，变小，而U不能高于额定电压，在控制方式中，保持U不变，由于频率变高，由式知道，定子磁通变小，电磁转矩T也变小，但电源频率增加导致电机转速n也增加，设电动机的角速度，电动机的功率P是电磁转矩T与角速度的乘积调节过程中，使频率f与转矩的变化呈一定的协调关系，从而保持电动机的功率P为恒定量，即功率不发生变化，这种升频定压调速为恒压调速。4变频调速的核心设备—变频器（1）变频器：（2）变频器的特点：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。（3）变频器的基本组成变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、变频器和控制器。整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电能。逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。（4）变频器的分类按变换的环节分类：（1）交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。（2）可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器按直流电源性质分类：（1）电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。（2）电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。按主电路工作方法分类：电压型变频器、电流型变频器按照工作原理分类：可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等按照开关方式分类：可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器按变频器调压方法：⑴、PAM变频器是一种通过改变电压源Ud或电流源Id的幅值进行输出控制的。⑵、PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。按电压性质分类：⑴、交流变频器：AC-DC-AC（交-直-交）、AC-AC（交-交）⑵、直流变频器：DC-AC（直-交）交—直—交变频器主电路组成整流部分交-直-交变频器的整流部分所采用的是三相桥式整流电路三相桥式整流电路工作原理：在每一瞬间，根据优先导通原则。共阴极组中阳极电位最高的二极管导通；共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。晶闸管及输出整流电压的情况三相桥式全控整流电路的特点（1）两个管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）(5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。按逆变器开关方式分类：PAM、PWM、高载频PWM1PAM—脉冲振幅调制控制：是改变电压源幅值或电流源幅值的一种控制输出方式。整流电路—输出幅度可调节直流电压(流),相控整流或斩波。逆变电路—实现逆变与调频,开关频率与输出电压频率相同。优势:电机运行噪声小,效率高.缺点:调电压与调频率分开,控制电路复杂;电机低速运行转矩波动大.2PWM—脉宽调制控制：PWN控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需的波形。PWN逆变电路的控制方法：（1）计算法：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。（2）调制法：结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0。负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。电压型变频器和电流型变频器之间的性能差异1.无功能量的缓冲变频器的负载是异步电动机，属感性负载，中间直流环节与电机之间除了传递有功功率外，还存在无功功率的交换。由于电力电子开关器件无法储能，无功能量只能靠储能元件(滤波器)来缓冲。两类变频器的区别在于用什么储能元件来缓冲无功能量。2.再生制动二者有很大区别。3.调速时的动态响应电流型变频器的直流电压可以迅速改变大小和方向，所以由它供电的调速系统动态响应比较快。相比之下，电压型变频器，由于滤波电容的充放电作用使直流电压变化缓慢，故其动态响应也慢。4.适用范围电压型变频器适用于不可逆调速系统且无需经常加减速的场合，并适用于多电机传动。电流型变频器则适用于要求快速制动及可逆运行的场合。正弦电压波形与SPWN逆变器输出电压波形电流跟踪型PWM（滞环电流跟踪）正弦波脉宽调制（SPWM）着眼于对电压进行控制，使输出电压尽可能等效成正弦波。实际上，对电动机电流的控制更为重要，电流跟踪型PWM直接控制输出电流，使之跟踪正弦给定电流的变化。在电流跟踪型PWM方法中，将电流波形作为指令信号，将实际电流作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路相关功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号的变化。M3~逻辑控制－＋R1R2－＋i*iVT1VT4＋Ud－U电流检测电流指令电流反馈VccVT3VT2VT5VT6滞环比较器滞环上限滞环下限滞环电流型跟踪PWN逆变器结构电压SPWN波形的产生矢量变频控制一、矢量控制基本概念1.控制策略：矢量控制理论上世纪70年代西门子公司工程师F.Blaschke首先提出，用来解决交流电动机控制问题。磁场定向原理：分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转距的目的。利用“等效”的概念，将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅度和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。2.矢量控制的性能特点：（1）不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机的转距。（2）异步电动机上需同轴安装编码器，用于转子角位移测量和转速测量。（3）矢量变频器具有异步电动机参数自动检测、辩识和自适应等功能。在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对异步电动机进行有效的矢量控制。二、电动机参数的自动测量1．矢量控制需要的参数：（1）电动机的铭牌数据——电压、电流、转速、磁极对数、效率等。（2）电动机的绕组数据——定子电阻、定子漏磁电抗、转子等效电阻、转子等效漏磁电抗、空载电流等。3.矢量等效变换三相—两相坐标系的变换矩阵两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵4.矢量控制框图四、直接转矩控制直接转矩控制DTC（DirectTorqueControl）是继矢量控制VC之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，于1985年由德国M.Depnbrock首先提出来。直接转矩控制是因为利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩而得名。直接转矩控制是建立在定子静止两相坐标基础上的，采用定子磁场定向方法，这与矢量控制不同，矢量控制采用转子磁场定向方法。直接转矩控制在低速时转矩有脉动现象，且调速范围不够宽。直接转矩控制的基本特点:1直接转矩控制策略采用电磁转转矩闭环结构将逆变器与电机结合为一体，利用空间电压矢量直接控制电磁转矩。2直接转矩控制没有电流环，直接在定子静止坐标系中建立算法的模型，不需要坐标的旋转变换。这使直接转矩控制相对于矢量控制减小的很多的计算量矩阵式交—交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生