第11章交流調(diào)速系統(tǒng)

1、第第11章章 交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng) 范國偉范國偉安徽工業(yè)大學(xué)安徽工業(yè)大學(xué)交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)l20世紀(jì)世紀(jì)70年代初，隨著電力電子、微電年代初，隨著電力電子、微電子子(集成電路集成電路)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實(shí)用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。特別是大規(guī)模集成電路和計算機(jī)控制現(xiàn)。特別是大規(guī)模集成電路和計算機(jī)控制的出現(xiàn)，變頻調(diào)速技術(shù)得到了快速發(fā)展。的出現(xiàn)，變頻調(diào)速技術(shù)得到了快速發(fā)展。高性能交流調(diào)速系統(tǒng)因運(yùn)而生。高性能交流調(diào)速系統(tǒng)因運(yùn)而生。11.1 異步電機(jī)閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)異步電機(jī)閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)l由異步電動機(jī)工作原

2、理可知，從定子傳入由異步電動機(jī)工作原理可知，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率轉(zhuǎn)子的電磁功率PM可分為兩部分：可分為兩部分：l一部分是電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率一部分是電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P（1S）PM：l另一部分是轉(zhuǎn)差功率另一部分是轉(zhuǎn)差功率PsS PM，與轉(zhuǎn)差，與轉(zhuǎn)差率率S成正比。轉(zhuǎn)差功率如何處理，是消耗成正比。轉(zhuǎn)差功率如何處理，是消耗掉還是回饋電網(wǎng)，都能衡量異步電動機(jī)調(diào)掉還是回饋電網(wǎng)，都能衡量異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的效率高低。速系統(tǒng)的效率高低。11.2 籠型異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系籠型異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)(VVVF系統(tǒng)系統(tǒng))l異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(VVVF系統(tǒng)系

3、統(tǒng))是一種轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)，簡稱為是一種轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)，簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速的特點(diǎn)是：改變變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速的特點(diǎn)是：改變頻率時，轉(zhuǎn)差率不隨轉(zhuǎn)速變化，因此轉(zhuǎn)差頻率時，轉(zhuǎn)差率不隨轉(zhuǎn)速變化，因此轉(zhuǎn)差功率在不同轉(zhuǎn)速下不發(fā)生改變；轉(zhuǎn)差損耗功率在不同轉(zhuǎn)速下不發(fā)生改變；轉(zhuǎn)差損耗小；調(diào)速范圍寬；調(diào)速精度高。變頻調(diào)速??；調(diào)速范圍寬；調(diào)速精度高。變頻調(diào)速適用于調(diào)速性能要求較高的場合，在采取適用于調(diào)速性能要求較高的場合，在采取適當(dāng)?shù)目刂品椒〞r可以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能，適當(dāng)?shù)目刂品椒〞r可以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能，其性能能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，其性能能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是交

4、流調(diào)速的重點(diǎn)。現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是交流調(diào)速的重點(diǎn)。交交-交變頻器的主要特點(diǎn)是：交變頻器的主要特點(diǎn)是：l 其原理主要基于可逆整流，可直接運(yùn)用已經(jīng)其原理主要基于可逆整流，可直接運(yùn)用已經(jīng)成熟的直流可逆調(diào)速技術(shù)。成熟的直流可逆調(diào)速技術(shù)。l 輸出電流近似于三相正弦電流，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出電流近似于三相正弦電流，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動量較?。欢鴮τ谳敵鲭妷?，由于輸出電壓脈動量較小；而對于輸出電壓，由于輸出電壓的波形由三相恒壓恒頻電源波形的區(qū)段組成，的波形由三相恒壓恒頻電源波形的區(qū)段組成，為了使波形畸變較小，對輸出頻率有一定的限為了使波形畸變較小，對輸出頻率有一定的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1

5、2至至13。l 輸入功率因數(shù)較低、諧波電流含量大、頻譜輸入功率因數(shù)較低、諧波電流含量大、頻譜復(fù)雜，因此一般必須配置濾波和無功補(bǔ)償設(shè)備。復(fù)雜，因此一般必須配置濾波和無功補(bǔ)償設(shè)備。11.3 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)l本節(jié)將先介紹兩類基于靜態(tài)模型的變壓變本節(jié)將先介紹兩類基于靜態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)速開環(huán)頻調(diào)速系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)速開環(huán)-恒壓頻比控制恒壓頻比控制調(diào)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)-轉(zhuǎn)差頻率控制的方案，再轉(zhuǎn)差頻率控制的方案，再簡單介紹基于動態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速系簡單介紹基于動態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過等效電路分析了異步電機(jī)的靜態(tài)統(tǒng)。通過等效電路分析了異步電機(jī)的靜態(tài)模型，為了實(shí)現(xiàn)電壓模型，

6、為了實(shí)現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨福@就是常用的通用變頻器控的控制方案，這就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)、如果要求更高一些的調(diào)速范圍和制系統(tǒng)、如果要求更高一些的調(diào)速范圍和啟、制動性能，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻啟、制動性能，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的方案。率控制的方案。11.4 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的變頻調(diào)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)l采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制時，異步電動機(jī)在采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制時，異步電動機(jī)在不同頻率下都能獲得較硬的機(jī)械特性，如不同頻率下都能獲得較硬的機(jī)械特性，如果生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)

7、速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要果生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求不高，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低求不高，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨?。由于這種控制系頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨?。由于這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，風(fēng)機(jī)、水泵等的統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能調(diào)速經(jīng)常采用這種方式。節(jié)能調(diào)速經(jīng)常采用這種方式。11.5 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)l轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般平滑轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般平滑調(diào)速的要求，但靜、動態(tài)性能都有限。要調(diào)速的要求，但靜、動態(tài)性能都有限。要提高靜、動態(tài)性能，首先要用轉(zhuǎn)速反饋閉提高靜、動態(tài)性

8、能，首先要用轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制，因?yàn)檗D(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)控制，因?yàn)檗D(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)，但是，怎樣才能真正提高系統(tǒng)環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)，但是，怎樣才能真正提高系統(tǒng)的動態(tài)性能呢的動態(tài)性能呢?由電力傳動的基本控制規(guī)由電力傳動的基本控制規(guī)律。律。11.6 基于動態(tài)模型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)基于動態(tài)模型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)l前節(jié)論述的基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)前節(jié)論述的基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但是，如果遇到軋鋼機(jī)、數(shù)控機(jī)床、調(diào)速，但是，如果遇到軋鋼機(jī)、數(shù)控機(jī)床、載客電梯等需要高動態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)或載客電梯等需要高動態(tài)性能的調(diào)速系

9、統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，就不能完全適應(yīng)了。要實(shí)現(xiàn)高伺服系統(tǒng)，就不能完全適應(yīng)了。要實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認(rèn)真研究異步動態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認(rèn)真研究異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 1. 直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)l直流電機(jī)的磁通由勵磁繞組產(chǎn)生，可以在直流電機(jī)的磁通由勵磁繞組產(chǎn)生，可以在電樞合上電源以前建立起來而不參與系統(tǒng)電樞合上電源以前建立起來而不參與系統(tǒng)的動態(tài)過程（弱磁調(diào)速時除外），因此它的動態(tài)過程（弱磁調(diào)速時除外），因此它的動態(tài)數(shù)學(xué)模型只是一個單輸入和單輸出的動態(tài)數(shù)學(xué)模型只是一個單輸入和單輸出系統(tǒng)。在工程上能夠允許的一些假定條件系統(tǒng)。在工程上能夠允許的一些假定條

10、件下，可以描述成單變量（單輸入單輸出）下，可以描述成單變量（單輸入單輸出）的三階線性系統(tǒng)，完全可以應(yīng)用經(jīng)典的線的三階線性系統(tǒng)，完全可以應(yīng)用經(jīng)典的線性控制理論和由它發(fā)展出來的工程設(shè)計方性控制理論和由它發(fā)展出來的工程設(shè)計方法進(jìn)行分析與設(shè)計。法進(jìn)行分析與設(shè)計。2. 交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)l（1）異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速時需要進(jìn)行電壓（或電流）異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速時需要進(jìn)行電壓（或電流）和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓（電流）和頻率兩種獨(dú)立的和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓（電流）和頻率兩種獨(dú)立的輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也得算一個輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也得算一個獨(dú)立的輸

11、出變量。獨(dú)立的輸出變量。l（2）在異步電機(jī)中，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁）在異步電機(jī)中，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應(yīng)電動勢，由于它們都是同時變化的，在數(shù)學(xué)通得到感應(yīng)電動勢，由于它們都是同時變化的，在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個變量的乘積項(xiàng)。模型中就含有兩個變量的乘積項(xiàng)。l（3）三相異步電機(jī)定子有三個繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為）三相異步電機(jī)定子有三個繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個繞組，每個繞組產(chǎn)生磁通時都有自己的電磁慣性，三個繞組，每個繞組產(chǎn)生磁通時都有自己的電磁慣性，再算上運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)電慣性，和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，再算上運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)電慣性，和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一

12、個八階系統(tǒng)。即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個八階系統(tǒng)。多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)l總起來說，異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線總起來說，異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。l在研究異步電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型時，常作如在研究異步電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型時，常作如下假設(shè)：下假設(shè)：（1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間互差）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間互差120電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；（3）忽略鐵心損耗；）忽略鐵心損耗；（4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞