机电传动控制-第10章-交流调速系统

机电传动控制第10章交流调速控制系统（1-2）第10章交流调速控制系统主要内容：掌握交流调速系统的基本原理与类型；熟悉交流调速系统的基本组成；了解变频器的结构、特点以及使用；了解交流伺服驱动器及其使用。（1-3）旧的调速方式齿轮+离合器笨重磨损低效交流调速方法概述（1-4）今天的调速节能轻巧灵活无磨损（1-5）交流调速系统分为异步电机调速和同步电机调速，三相异步电动机的控制技术使用最广。rpmrpmHzrpmrpmnnpSfSnn00/)1(60)1(（1-6）长期以来，直流调速（性能好）方案一直占主导地位。随着电力电子技术、现代控制理论的发展和应用，以及微机控制技术和大规模集成电路的发展与应用，交流调速发展飞速。20世纪90年代以来，交流调速发展和应用已逐步取代直流调速系统：－各类型鼠笼式异步电动机压频比恒定的变压变频调速系统；－同步电动机变频调速系统；－交流电动机矢量控制系统－鼠笼式异步电动机直接转矩控制系统。其应用范围几乎无所不有。目前，变频调速技术及装置是21世纪的主流技术与产品。（1-7）晶闸管变频调速通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法也是现在使用的最多的调速方法。（1-8）现代交流调速系统的构成：交流电动机、电力电子功率转换器、控制器和电量检测器等四大部分组成。其中，电力电子功率转换器与控制器及电量检测器集成一体，称为变频器（变频调速装置）。（1-9）10.1传统的交流调速方法异步电动机的转矩与定子电压的二次方成正比，改变其定子电压即改变电动机的转矩及机械特性，从而实现调速——简单方便。过去：利用交流调压器（自耦变压器）改变电压，笨重；现在：利用晶闸管“交流开关”元件组成的交流调压器调压，方便！（1-10）一、晶闸管的交流调压电路当电源电压为正半周时，触发VS1使之导通，电压过零时，VS1自行关断；当电源电压为负半周时，触发VS2使之导通，电压过零时，VS1自行关断；触发控制角为：只需要一个脉冲信号，脉冲周期为：1800晶闸管交流调压电路与晶闸管整流电路一样，也有单相与三相之分。1.单相交流调压电路：应用最广的是反并联电路。如此不断重复，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角的大小，就可以改变负载上交流电压的大小。（1-11）带电感性负载的电路及波形图由于电感性负载中电流的波形滞后于电压的波形，因此，当电压过零变为负值后电流经过一个延迟角才能降到零，从而晶闸管也要经过一个延迟角才能关断。延迟角的大小与控制角、负载功率因数角都有关系，这一点和单相整流电路带电感性负载相似。（1-12）2.三相交流调压电路必须注意：1)为保证输出电压对称并有相应的控制范围，首先要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。2)在感性负载或小导通角情况下，为了确保晶闸管可靠触发，如同三相全控桥式整流电路一样，要求采用控制角大于60度的双脉冲或宽脉冲触发电路。将三对反并联的晶闸管（即单相调压电路）分别接至三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电路。负载可以是星形连接，也可以是三角形连接。三相负载Y形连接单相调压电路三相交流电压（1-13）二、闭环控制的变压调速系统控制角a的大小决定了双晶闸管的输出电压Ud,即决定电动机的转速（a↓→Ud↑→n↑）。闭环控制可得到比较硬的机械特性：n↓→Uf↓→ΔU↑→a↓→输出电压由Ud1上升到Ud2,转速上升到接近n1的c点（1-14）三、异步电动机变极调压调速系统调速系统由调压调速电路和极对数切换电路两部分组成。速度负反馈保证了在极对数改变时，系统能运行在稳定点。（1-15）转子电路串接电阻——电阻上消耗大量的能量，速度越低损耗越大转子电路串接电势——把电阻上的能量加以利用，从而获得比较经济的运行效果。为了利用这部分能量，在转子电路中增加了一套交流装置。这样，就构成了由异步电动机和交流装置共同组成的串级调速系统。交流装置：将转子交流电动势整流成直流电动势，然后引入一个直流附加电动势，控制直流附加电动势的幅值，即可调节电动机的转速四、绕线式异步电动机串级调速系统（1-16）系统框图电动机的转子绕组端接进一个不可控的整流器，这样，为实现调速而串入的附加电势Ead就可以采用可调直流电源。当Ead=0时，电动机在接近于额定转速下运转，若改变Ead的大小就可以改变电动机转速。1.与直流电动机的特性很相似。2.转速低于（）或超（）同步转速（或）”“adE”“adEnn（1-17）串级调速时的机械特性串级调速时异步电动机的机械特性与直流电动机的特性很相似。由特性可知，若引入的附加电势愈大，则n0愈小，即电动机的转速愈低。如果Ead用负值代入，则可以得到当附加电势与转子电势同相位时的机械特性。2202222222222XSRSEXREI220222202XSRESEIadI2=0时S不等于0，所以其n0和定子同步转速不同。（1-18）晶闸管双闭环串级调速系统由于采用串级调速的电动机具有类似他励直流电动机的硬机械特性，因此，在调速精度要求不高的场合，可以直接采用开环控制。但是，如果想要得到高精度的调速，则应采用带速度负反馈的自动调速系统。其典型结构与VS-M自动调速系统相似，也包括有电流调节器、速度调节器及电流和速度反馈环节。（1-19）晶闸管串级调速的基本原理绕线式异步电动机M的转子电压经不可控整流电路转换为直流电压，经平波电抗器、再由晶闸管逆变器将该直流电压逆变为交流，有的经变压器，有的直接反馈给交流电网。经逆变后的电压可视为加到电动机转子的电势。改变逆变器中晶闸管的逆变角β（β增加，转差率s下降，转速n上升），就可以改变附加电势的大小，从而实现异步电动机的串级调速。（1-20）10.2异步电动机变频调速系统通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。变频调速是异步电动机现在使用的最多的调速方法。（1-21）10.2异步电动机变频变压调速系统变频变压调速的原理（1-22）变频调速的V/F控制曲线在额定转速以下，输出频率和电压成正比（磁通恒定），在额定频率以上，输出电压保持恒定（弱磁控制）。为提供启动转矩，在输出频率为0时需要有一个最小的输出电压Vmin。（1-23）变频器的基本构成与分类从结构上看，可分为两种形式：交－交变频器：不带直流环节的直接变频调速。将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电。交－直－交变频器：带直流环节的间接变频调速。即先把工频交流电通过整流变成直流电，然后再变成频率、电压均可控制的交流电。（1-24）无环流有环流有无环流交叉连接整流电路反并联整流电路连接方式三相三相单相单相相数交变频调速交脉冲宽度调制型晶闸管直流开关相位控制晶闸管整流调压方式电流型电压型直流电源型式通电型）带辅助晶闸管（通电型）带辅助晶闸管（串级二极管式串级电感式换流电路交变频调速直交120180（1-25）变频器的基本构成如（交－直－交），由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。(1)整流器：把三相或单相交流电变成直流电。(2)逆变器：有规律地控制其主开关元器件的通与断，可得到任意频率的三相交流电输出。（常用三相桥式逆变电路）(3)中间直流环节：其中的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲无功能量（感性负载总有无功功率）。(4)控制电路：由运算、检测、输入/输出、驱动等构成，实现对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及各种保护功能。（1-26）交－直－交变频器的调压控制方式：(1)可控整流器变压，逆变器变频：调压和调频分别在两个环节上进行，二者在控制电路上相互配合。结构简单，控制方便，器件要求低；但功率因素小，谐波较大，器件开关频率低。(2)不可控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频：整流环节采用二极管不控整流器，增设斩波器，用脉宽调压。功率因素高，整流逆变干扰小；但构成环节多，谐波较大，调速范围不宽。（1-27）交－直－交变频器的调压控制方式：(3)不可控整流器整流，PWM逆变器同时变压变频：调用不可控整流器整流，则功率因素高；用PWM逆变，则谐波减小，解决了前两种方式的缺点。采用可控关断的全控式器件，可大大提高开关频率，减小谐波，输出波形几乎是非常逼真的正弦波。若采用SPWM逆变器，则调速性能可进一步改善。SPWM变压变频器特点：①主电路只有一组可控功率环节，简化了结构；②采用不可控整流器，使电网功率因素接近于1，且与输出电压大小无关；③逆变器同时调频调压，动态响应不受中间直流环节影响；④可获得逼真的正弦输出波形,转矩脉冲小,调速范围宽，调速性能好。（1-28）根据储能元件的不同，变频器可分为电压型和电流型：电压型变频器：在直流侧并联大滤波电容，用来储存能量以缓冲直流回路与电动机之间的无功功率传输。因并联大电容，其等效阻抗很小，电源的电压具有恒压源的特性，逆变器输出的电压为比较平直的矩形波。电流型变频器：在直流回路中串入大电感，利用大电感来限制电流的变化，以吸收无功功率。因串入大电感，电源内阻很大，类似恒流电源，逆变器输出的电流为比较平直的矩形波。（1-29）脉宽调制（PWM）变频调速系统一般采用电压型逆变器。种类：（1)变幅PWM型变频器（直流电压可变）l整流器——晶闸管整流器，用来调压；l逆变器——用来调频（输出频率）。（2)恒幅PWM型变频器（直流电压恒定）l整流器——二极管整流桥；l逆变器——输入恒定的直流电压，调节输出电压的脉冲宽度和频率（实现调压和调频）。（1-30）脉宽调制（PWM）变频调速系统特点：l电路简单；l调节速度快；l动态响应好。注：a)改变调制周期→改变输出频率。b)调制方法：单极性调制和双极性调制。c)按载波信号和参考信号频率之间的关系分为：同步式调制和非同步式调制。curu（1-31）单极性正弦波脉宽调制法1)正弦波与三角波相交，得到一组幅值、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。2)矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号。这一组矩形脉冲可用正弦波（虚线）等效。rucumU单极性脉冲宽度调制（1-32）单极性正弦波脉宽调制法3)输出电压的大小和频率由（正弦参考电压）控制。改变幅值，就改变脉宽，从而改变输出电压大小；改变频率，就改变输出电压频率。4)正弦波最大幅值必须小于三角波幅值。基本恒定。5)三角波和正弦波的频率成正比例地改变，称为同步式调制。注：上图所示的是单相脉宽调制波。对于三相逆变器，载频三角波可共用，必须有一个三相可变频变幅的正弦波发生器，两者相比较，产生三相脉冲调制波。rururufUx（1-33）主流PWM变频器基本结构(交-直-交)DClink(DCbusbar):Capacitorswiththerectifiedlinesupplyvoltageapprox.1.35·400V=540VLinesupplyconnection:e.g.3-ph.400VACVariablevoltageandfrequency0V2V1,0f2fmaxM3~DriveconverterRectifierMotorÛ2Û1InverterÛ2（1-34）交-交矩阵变频器（1-35）现代变频器中，逆变电路是变频器的核心。因二极管整流的直流电压幅度不可调节，逆变器的输出电压调节靠改变电压输出脉冲的宽度来完成。现代变频器产品的主导设计思想是在逆变器侧采用脉冲宽度调制（PWM）技术以合成变频变压的交流输出波形。（1-36）参考信号为正弦波的脉冲宽度调制叫做正弦波脉冲宽度调制(SPWM)。单极性脉宽调制方法的特征是控制信号与载波信号都是单极性弱电信号。U相控制信号为单极性正弦