VVVF调速系统介绍

第六章VVVF调速系统1运动控制系统本章提要交流异步电动机交流调速基本控制结构交流调速基本类型交流变频调速系统VVVF控制变频器通用变频器2运动控制系统6.1交流异步电动机交流调速的发展在20世纪上半叶，电机拖动的格局：不变速拖动系统，占整个电力拖动容量的80%，采用交流电机；可调速拖动系统，占整个电力拖动容量的20%，采用直流电机。20世纪70年代，开始研究交流调速系统。20世纪80年代，交流调速系统开始广泛应用。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。3运动控制系统直流电机的主要缺点电刷和换相器的磨损，因而必须经常检查维修；换向火花使直流电机的应用环境受到限制；换向能力限制了直流电机的容量和速度交流调速系统的应用领域一般性能的节能调速高性能的交流调速系统特大容量、极高转速的交流调速4运动控制系统6.1.1交流电动机的主要类型交流电机主要分为异步电机和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。异步电机又有三相和单相两种。5运动控制系统6.1.2交流异步电动机原理基本原理：通过旋转磁场，与由这种旋转磁场借助感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。旋转磁场：一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。6运动控制系统三相异步电动机结构图7运动控制系统旋转磁场A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120°分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。8运动控制系统tIicosmA)120cos(mBtIi)240cos(mCtIi旋转磁场当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。9运动控制系统pfn1060式中，n0为同步转速，单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率。旋转磁场四极旋转磁场示意图10运动控制系统左手定则决定导条受力方向右手定则决定电流方向三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生以同步转速旋转的旋转磁场。转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力，于是转子就跟着旋转磁场旋转。11运动控制系统6.1.3异步电动机转速与运行状态异步电动机的工作原理决定了它的转速一般低于同步转速n0。如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。转差率s：转子转速n与旋转磁场转速n0之差称为转差，转差与磁场转速n0之比，称为转差率s。%10000nnns转差nn0的存在是异步电动机运行的必要条件。12运动控制系统6.2交流调速基本控制结构运动控制系统闭环结构示意图位置控制器速度控制器转矩控制器电矢流量控运制算功功能能交流电动机转矩检测器机械负载S13运动控制系统6.3交流调速基本类型异步电机的转矩公式：式中，Ce——转矩系数；Φm——气隙磁通；θr——转子的功率因数角异步电机的转速公式：因此，异步交流电机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转差率调速。)1(/)1(6001snpsfnrrmmecosICT14运动控制系统按电动机的调速方法分类变转差率调速：①转子串电阻调速②定子调压调速③电磁转差离合器调速④串级调速变极对数调速：⑤鼠笼型转子变频调速：⑥交交变频调速⑦交直交变频调速15运动控制系统按电动机的能量转换类型分类按照交流异步电机原理，从定子传入转子的电磁功率Pem可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率Pmech，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率Ps，与转差率s成正比。~PmechPemPs16运动控制系统即Pem=Pmech+PsPmech=(1–s)PmPs=sPm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。17运动控制系统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，上述第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，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的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。18运动控制系统转差功率馈送型调速系统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，上述第④种调速方法属于这一类。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。19运动控制系统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，上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。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。异步电动机各种调速方法性能指标的评价：参见教材P108表7.120运动控制系统6.4交流变频调速系统交流变频调速优点：改变频率f时转差率s不变，即不同转速时s不变，因而转差损耗小，调速范围宽，调速精度高，适合于调速性能要求较高的场合。缺点：变频调速的成本较高，原理较复杂。~控制器逆变器电压/电流检测转速/位置检测M给定1fus00fu~21运动控制系统6.4.1异步电动机稳态等效电路U1—定子相电压；1—电源角频率；Es—定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；E1—气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；E‘r—转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。RsI1L1sL'1rImLmE1U1,ω1R'rsI2EsE'r22运动控制系统0s0Te几种电压－频率协调控制方式的特性比较不同电压－频率协调控制方式时的机械特性恒Er/1控制恒E1/1控制恒U1/1控制abc23运动控制系统在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就比较麻烦。6.5VVVF控制24运动控制系统定子每相电动势式中，E1——气隙磁通在定子每相中的感应电动势有效值（V）；f1——定子电源频率（Hz）；N1——定子每相绕组匝数；KN1——绕组系数；Φm——每极气隙磁通量（Wb）。只要控制好E1和f1，便可达到控制磁通Φm的目的。mNKNfE111144.4VVVF控制的电压模式25运动控制系统基频以下调速常数11fE常值11fU要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低E1，使即采用恒值电动势频率比的控制方式。当电动势值较高时，可认为定子相电压U1≈E1，这是恒压频比的控制方式。26运动控制系统基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压U1却不可能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=U1N，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。按照电力拖动原理：基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”；基频以上，转速升高时转矩降低，属于“恒功率调速”。27运动控制系统6.6变频器变频器的主要任务是把恒压恒频（constantvoltageconstantfrequency,CVCF）的交流电转换为变压变频（variablevoltagevariablefrequency,VVVF）的交流电，以满足交流电机变频调速的需要。从整体结构上看，变频器可分为交–直–交变频器和交–交变频器两大类。变流器平滑电路逆变器控制器M变频器基本结构28运动控制系统此类变频器只有一个变换环节，因此又称直接式变频器。6.6.1交-交变频器+VRVFId-Id+--负载~50Hz~50Hzu0Ouot29运动控制系统交-交变频器主要特点：可直接引用成熟的直流可逆调速的技术；输出到电机的电流近似于三相正弦电流，附加损耗小；采用的元器件数量较多；输出频率不能高于电网频率的1/3～1/2，一般低于20Hz；价格不高，转速较低。30运动控制系统6.6.2交-直-交变频器此类变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC~50Hz整流变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC~50Hz调压调频C31运动控制系统SPWM变频调速原理三角波正弦波OtUd-Ud32运动控制系统6.7通用变频器所谓“通用”，包含着两方面的含义：1）可用于驱动通用性交流电动机，而不一定使用专用变频电机；2）具有各种可供选择的功能，能适应各种不同性质的负载。现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器构成交-直-交电压源型变压变频器，目前已经占领了全世界0.5～500kV·A中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。33运动控制系统绝缘栅双极晶体管IGBT三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构和电气图形符号EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1Eb)GC34运动控制系统智能功率模块优点：性能和可靠性高通态损耗和开关损耗小散热器尺寸小（IntelligentPowerModule,IPM）IPM=IGBT+驱动电路+智能控制35运动控制系统通用变频器的基本结构原理图~电压检测电流检测泵升限制M3~电流检测温度检测UIURR0R1R2RbVTb单片机PWM发生器驱动电路显示接口设定K36运动控制系统主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。限流电阻R0——为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时先限制充电电流，再延时用开关K将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。6.7.1通用变频器的基本结构功能37运动控制系统泵升限制电路——由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。6.7.1通用变频器的基本结构功能38运动控制系统控制电路——现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，并根据要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。PWM信号产生——可以由微机本身的软件产生，从其PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。检测与保护电路——电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理后，再经过A/D转换器，输入给控制器作为控制算法的依据和供显示用，同时输入至故障保护电路。故障保护有欠压、缺相