《自動(dòng)控制系統(tǒng)》第二篇

2023/2/41電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)多媒體課件

第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/43內(nèi)容提要概述交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率消耗型閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率不變型繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/44概述

直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生.在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī)，而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī)，這種分工在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問(wèn)世,并已獲得實(shí)際應(yīng)用,但其性能卻始終無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/45

直到20世紀(jì)60~70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動(dòng)按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/46

這時(shí)，直流電機(jī)具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度等缺點(diǎn)日益突出起來(lái)，用交流可調(diào)拖動(dòng)取代直流可調(diào)拖動(dòng)的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈，交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/47異步交流電機(jī)工作原理2023/2/48同步交流電機(jī)工作原理2023/2/49交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個(gè)方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/410

一般性能的節(jié)能調(diào)速

在過(guò)去大量的所謂“不變速交流拖動(dòng)”中,風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康囊话胍陨?其中有不少場(chǎng)合并不是不需要調(diào)速,只是因?yàn)檫^(guò)去的交流拖動(dòng)本身不能調(diào)速,不得不依賴擋板和閥門來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量,因而把許多電能白白地浪費(fèi)了.如果換成交流調(diào)速系統(tǒng),把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來(lái),每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均都可以節(jié)約20~30%以上的電能。但風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速范圍和對(duì)動(dòng)態(tài)快速性的要求都不高,只需要一般的調(diào)速性能。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/411

高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)

許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械過(guò)去多用直流拖動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動(dòng)，顯然能夠帶來(lái)不少的效益。但是，由于交流電機(jī)原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣通過(guò)電樞電流施行靈活的實(shí)時(shí)控制。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/412

20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù),或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù),通過(guò)坐標(biāo)變換,把交流電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量,用來(lái)分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。其后,又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法,形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/4133.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

直流電機(jī)的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過(guò)106kW·r/min，超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。交流電機(jī)沒(méi)有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，如厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng),如高速磨頭、離心機(jī)等，都以采用交流調(diào)速為宜。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/414交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型

交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)(即感應(yīng)電機(jī))和同步電機(jī)兩大類，每類電機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中介紹的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進(jìn)行分類。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/4151.按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類常見(jiàn)的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線電機(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速；⑤變極對(duì)數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等等。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/416~2.按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類

按照交流異步電機(jī)的原理,從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分:一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率,稱作機(jī)械功率;另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率,與轉(zhuǎn)差率s成正比PmechPmPs第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/417即:Pm=Pmech+PsPs=sPm

Pmech=(1–s)Pm

從能量轉(zhuǎn)換的角度上看,轉(zhuǎn)差功率是否增大,是消耗掉還是得到回收,是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志.從這點(diǎn)出發(fā),可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類.第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/418轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低的(恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí))?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/419

轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類。無(wú)論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/420轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/4213.同步電機(jī)的調(diào)速

同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差,也就沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率,所以同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型(恒等于0)的，而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的,因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒(méi)有像異步電機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。在同步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來(lái)看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/2/422雙向晶閘管串接在三相電路中變壓M3~~TVC利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速

TVC——雙向晶閘管交流調(diào)壓器5.2異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路2023/2/423

雙向晶閘管交流調(diào)壓器的變壓控制方式相位控制通斷控制5.2異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路2023/2/424采用晶閘管反并聯(lián)供電方式,實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng).

三對(duì)晶閘管反并聯(lián)變壓5.2異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路工作原理繼續(xù)2023/2/425直接起動(dòng)一次起動(dòng)軟起動(dòng)5.6變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用2023/2/426Us*

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，輕載降壓節(jié)能有一個(gè)最佳電壓值,此時(shí)效率最高,這樣,=f(Us)的曲線可由試驗(yàn)取得.max最佳電壓5.6變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用2023/2/427異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)。第6章籠型異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)第6章籠型異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(VVVF系統(tǒng))2023/2/428本章提要6.1

變壓變頻調(diào)速的基本控制方式6.2

異步電動(dòng)機(jī)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性6.3*電力電子變壓變頻器的主要類型第6章籠型異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(VVVF系統(tǒng))2023/2/4296.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí),常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定值不變.如果磁通太弱,沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心,是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通,又會(huì)使鐵心飽和,從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流,嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/430對(duì)于直流電機(jī),勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的,控制m保持不變很容易做到.在交流異步電機(jī)中,磁通m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生,要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折.f1—定子頻率Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)KNs—基波繞組系數(shù)Φm—每極氣隙磁通量定子每相電動(dòng)勢(shì)有效值：6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/431

只要控制好定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值Eg和定子頻率f1,便可達(dá)到控制磁通m的目的,對(duì)此,需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況.6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/432

要保持m不變,當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時(shí),必須同時(shí)降低Eg,使:即采用電動(dòng)勢(shì)頻率比為恒值的控制方式

1.基頻以下調(diào)速

然而,繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的,當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí),可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降,而認(rèn)為定子相電壓Us≈Eg,則得恒壓頻比的控制方式6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/433OUsf1f1N

但是,在低頻時(shí)Us和Eg都較小,定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著,不再能忽略.這時(shí),需要人為地把電壓Us抬高一些,以便近似地補(bǔ)償定子壓降.UsNa—無(wú)補(bǔ)償

b—帶定子壓降補(bǔ)償

帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/4342.基頻以上調(diào)速

頻率從f1N向上升高,但定子電壓Us不可能超過(guò)額定電壓UsN,最多只能保持Us=UsN,這將迫使磁通與頻率成反比地降低,相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況.

如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值,即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行,則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化.6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/435ΦmUsf1Of1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速

按照電力拖動(dòng)原理,在基頻以下,磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩恒定,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,而在基頻以上,轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低,基本上屬于恒功率調(diào)速.6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式2023/2/4366.3電力電子變壓變頻器的主要類型

如前所述,對(duì)于異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速,必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的交流電源,而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源,因此應(yīng)該配置變壓變頻器,又稱VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)裝置.

最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組,即由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī),調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率.自從電力電子器件廣泛應(yīng)用以后,旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組→靜止式的變壓變頻器.6.3電力電子變壓變頻器的主要類型2023/2/437本節(jié)提要6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器6.3.2電壓源型和電流源型逆變器6.3.3180o導(dǎo)通型和120o導(dǎo)通型逆變器6.3電力電子變壓變頻器的主要類型2023/2/4386.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器

從整體結(jié)構(gòu)上看,電力電子變壓變頻器可分為交—直—交和交—交兩大類.交—直—交變壓變頻器交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過(guò)整流器變換成直流,再通過(guò)逆變器變換成可控頻率和電壓的交流,如下圖所示:變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)DC整流AC50Hz~逆變AC6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/439

這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個(gè)“中間直流環(huán)節(jié)”,所以又稱間接式的變壓變頻器.

具體的整流和逆變電路種類很多,當(dāng)前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開(kāi)關(guān)器件(例如P-MOSFET,IGBT等)組成的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器,簡(jiǎn)稱PWM變壓變頻器,如下圖所示.AC50Hz~PWM逆變器AC調(diào)壓調(diào)頻DC二極管不控整流器C6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/440

PWM變壓變頻器的優(yōu)點(diǎn)在主電路整流和逆變兩個(gè)單元中,只有逆變單元可控,通過(guò)它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.采用全控型的功率開(kāi)關(guān)器件,只通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖進(jìn)行控制,電路簡(jiǎn)單,效率高.輸出電壓波形雖是一系列的PWM波,但由于采用了恰當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù),正弦基波的比重較大,影響電機(jī)運(yùn)行的低次諧波受到很大的抑制,因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能.6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/441逆變器同時(shí)可調(diào)壓和調(diào)頻,動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得以提高.采用不可控的二極管整流器,電源側(cè)功率因素較高,且不受逆變輸出電壓大小的影響.常用的功率開(kāi)關(guān)器件:P-MOSFET(小),IGBT(中小),GTO(大中)和替代GTO的電壓控制器件IGCT和IEGT等.6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/442特大容量電機(jī)的交-直-交變壓變頻器的結(jié)構(gòu)DCSCR可控整流器AC50Hz~六拍逆變器AC調(diào)頻調(diào)壓

受到開(kāi)關(guān)器件額定電壓和電流的限制,對(duì)于特大容量電機(jī)的變壓變頻調(diào)速仍只好采用半控型的晶閘管(SCR),并用可控整流器調(diào)壓和六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器.6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/443交-交變壓變頻器

交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示,它只有一個(gè)變換環(huán)節(jié),把恒壓恒頻(CVCF)的交流電源直接變換成變壓變頻的交流電源(VVVF)輸出,因此又稱直接式變壓變頻器.有時(shí)為了突出其變頻功能,也稱作周波變換器(Cycloconverter).交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/444

常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路.

也就是說(shuō),每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路。VRVFId-Id+--+負(fù)載50Hz~50Hz~u0交-交變壓變頻器每一相的可逆線路6.3.1交-直-交和交