交流調(diào)速概述概要.ppt

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（交流部分）,一、教學(xué)要求： 了解交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展概況 了解交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 掌握交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 掌握交流變壓調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用 了解交流變壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 二、教學(xué)時(shí)間安排：3學(xué)時(shí) 重點(diǎn)：交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 三、教學(xué)過(guò)程：,第六章交流調(diào)速概述,(1)直流電力拖動(dòng)交流電力拖動(dòng)19世紀(jì)誕生 發(fā)電：19世紀(jì)90年代第一條三相輸電線 20世紀(jì)60年代,99.99同步發(fā)電機(jī) 用電：6070各種電機(jī)應(yīng)用,異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷又占其中的85% 交流電機(jī)拖動(dòng)：電力拖動(dòng)容量80% （不變速） 直流電機(jī)拖動(dòng)： 20%（可調(diào)速）高性能,一、發(fā)展概況 1.發(fā)展歷程:,6.1交流拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)

2、展概況和應(yīng)用領(lǐng)域,直流電機(jī)具有電刷和換相器,需經(jīng)常檢修 換向火花使直流電機(jī)應(yīng)用環(huán)境受限 換向能力限制直流電機(jī)容量和速度 有效利用電動(dòng)機(jī)，改進(jìn)運(yùn)行性能，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低效耗.,直流電機(jī)的缺點(diǎn):,(2)20世紀(jì)70年代石油危機(jī)：節(jié)能，使交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)成為主要發(fā)展方向。 20世紀(jì)6070年代，電力電子技術(shù)的發(fā)展 大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制出現(xiàn) 采用電力電子變換器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn),（1）電力電子功率器件應(yīng)用：構(gòu)成電力電子變換器（弱電控制強(qiáng)電），器件共分四代。 第一代：晶閘管SCR ，100Hz ， 20世 紀(jì)50年代，半控器件，電流控制器件。 第二代：電力晶體管BJT(G

3、TR)，2kHz 門極可關(guān)斷晶閘管GTO，1kHZ 20世紀(jì)80年代，全控器件，電流控制器件。,2.交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀:,GTO符號(hào)圖,SCR符號(hào)圖,第三代：功率MOSEET，100kHz 絕緣柵雙極晶體管IGBT=MOS+BJT， 20kHz，20世紀(jì)90年代，全控器件， 電壓控制器件。 第四代：復(fù)合器件，高壓、大容量、 全控器件 IGCT= MOSEET + GTO，ABB公司 IEGT= IGBT + GTO，GE公司,MOSEET 符號(hào)圖,IGBT符號(hào)圖,控制交流電機(jī)(籠型異步電機(jī)、繞線型雙饋電機(jī)、同步電機(jī))的主要是變壓變頻器。 中、小功率（300kW以下)：IGBT或其它器件組成的

4、PWM變換器. 中、大功率（ 300kW10MW ）：GTO或IGCT的PWM變換器和GTO電流源變頻器。 特大功率(10MW以上)：晶閘管SCR的交一交變換器和電流源型交一直一交變換器。,（2）PWM變壓變頻技術(shù)： 基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制,從模擬控制到數(shù)字控制，不但實(shí)現(xiàn)了硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化、降低了成本，而且提高了控制方法的靈活性。 8位、l6位的單片機(jī)：MCS51、MCS96 16位、32位的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)：美國(guó) TI公司：TMS320C240(2812) AD公司、MOTOROLa公司DSP 通用微型計(jì)算機(jī)：8086（486），奔騰系列 32位、64位的精簡(jiǎn)指令集計(jì)

5、算機(jī)(RISC),（3）交流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化控制,(4)交流電氣傳動(dòng)應(yīng)用現(xiàn)代(智能)控制理論,二、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,1. 一般性能的節(jié)能調(diào)速,在 “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?，用擋板和閥門來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，浪費(fèi)電能。 采用交流調(diào)速系統(tǒng)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)約 20 30% 以上的電能，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。,2. 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng),交流電機(jī)控制電磁轉(zhuǎn)矩困難。 矢量控制技術(shù)（20世紀(jì)

6、70年代初） 直接轉(zhuǎn)矩控制（20世紀(jì)80年代）,3. 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速,直流電機(jī)的換向能力限制容量轉(zhuǎn)速積不超過(guò)106 kW r /min。 交流電機(jī)無(wú)換向器，不受限，采用交流調(diào)速。 如特大容量拖動(dòng)設(shè)備：厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等。 如極高轉(zhuǎn)速拖動(dòng)設(shè)備：如高速磨頭、離心機(jī)等。,6.2 交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型,交流電機(jī)：異步電機(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)。,（一）異步電機(jī)調(diào)速方法,一、交流調(diào)速基本類型：,2.按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類,從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分： 其一是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率（機(jī)械功率）； 其二是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。

7、,功率流程圖如右： 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志是其轉(zhuǎn)差功率工作情況，可把調(diào)速系統(tǒng)分成三類 。,(1)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)：降電壓調(diào)速； 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速； 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；,全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載）。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，有一定的應(yīng)用價(jià)值。,(2)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)：串級(jí)調(diào)速,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。扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率。 效率較高，需增加設(shè)備。,(3)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)：變極對(duì)數(shù)調(diào)速； 變壓變頻

8、調(diào)速。,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，效率高。 變極對(duì)數(shù)調(diào)速：是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。變壓變頻調(diào)速：應(yīng)用最廣，高動(dòng)態(tài)性能，設(shè)備成本最高。,（二）同步電機(jī)的調(diào)速,同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差，沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于 0 ），采用變壓變頻調(diào)速。 從頻率控制的方式來(lái)看，可分為： 1.自控變頻調(diào)速:利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制變壓變頻裝置換相。 2.他控變頻調(diào)速:采用獨(dú)立的變壓變頻裝置供電。,三、異步電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的機(jī)械特性,在三個(gè)假定條件下:忽略空間和時(shí)間諧波,忽略磁飽和忽略鐵損，穩(wěn)態(tài)等效電路圖5-3。,圖5-3 異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路,Lm,參數(shù)定義,R

9、s、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻； Lls、Llr定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感； Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵(lì)磁電感； Us、1 定子相電壓和供電角頻率； s 轉(zhuǎn)差率。,電流公式,由圖可以導(dǎo)出： (5-1) 式中：,通常，LmLl1，則，C1 1 ,可簡(jiǎn)化成： (5-2),轉(zhuǎn)矩公式: 電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1 / np 式中 np 極對(duì)數(shù),異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩: （5-3）,機(jī)械特性方程式：當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。不同電壓下的機(jī)械特性便如圖5-4所示，其中，UsN表示

10、額定定子電壓。,異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性,Te,O,n,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,圖5-4 異步電動(dòng)機(jī)不同電壓下的機(jī)械特性,最大轉(zhuǎn)矩公式,將式（5-3）對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩: （5-4） （5-5）,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,變電壓時(shí)穩(wěn)定工作點(diǎn)為 A、B、C，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍不超過(guò) 0sm ，調(diào)速范圍有限。 風(fēng)機(jī)類負(fù)載，則工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍大些. 為擴(kuò)大調(diào)速范圍，采用電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的電阻值(高轉(zhuǎn)差率電機(jī),即交流力矩電機(jī)), 變壓調(diào)速范圍增大。,交流力矩電機(jī)的機(jī)械特性,n0,UsN,0.7

11、UsN,A,B,C,0.5UsN,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,圖5-5 高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（交流力矩電動(dòng)機(jī)） 在不同電壓下的機(jī)械特性,采用變電壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍很窄 采用高轉(zhuǎn)子電阻電機(jī)可增大調(diào)速范圍，機(jī)械特性變軟，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)靜差率很大 開環(huán)控制難以解決此矛盾 采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（D2）,四 、閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性,圖5-6 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng),1. 系統(tǒng)組成,2. 系統(tǒng)靜特性,e,T,O,n,n0,TL,UsN,A,A,A,Us min,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,圖5-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,U*n3,U*n1,U*n2,TLT- TL0 n Un U 定子電壓

12、 左側(cè)新特性 新工作點(diǎn) A (A的左側(cè)TTL） 。,當(dāng)系統(tǒng)在 A 點(diǎn)運(yùn)行時(shí): T=TL,從開環(huán)特性各取一工作點(diǎn)，將A、A、A 連接起來(lái)閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。 開環(huán)機(jī)械特性很軟閉環(huán)系統(tǒng)靜特性很硬。 采用PI調(diào)節(jié)器無(wú)靜差 改變給定信號(hào)靜特性平行上下移動(dòng)調(diào)速 不同于直流調(diào)速系統(tǒng)，靜特性左右兩邊都有極限，它們是額定電壓 UsN 下的機(jī)械特性和最小輸出電壓Usmin下的機(jī)械特性。如超過(guò)極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力。,3. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu),圖中： Ks = Us/Uc 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)； = Un/n 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)； ASR采用PI調(diào)節(jié)器； n =f (Us, Te )是式（5-3）機(jī)

13、械特性方程式，它是一個(gè)非線性函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，Un* = Un = n ，Te = TL Us 和Uc根據(jù)n 和TL由式（5-3）計(jì)算出,五、 閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,繪出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)。,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR：常用PI調(diào)節(jié)器消除靜差并改善動(dòng)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為,晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置：如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置，可近似成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：,其近似條件： 三相全波（ Ts = 3.3ms）,測(cè)速反饋環(huán)節(jié)： FBS的傳遞函數(shù)可寫成,異步電機(jī)近似的傳遞函數(shù)：異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是由一組非線性微分方程描述的，不能用一個(gè)傳遞函數(shù)準(zhǔn)確表示。用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的微偏

14、線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。,異步電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)為:,得到的四個(gè)傳遞函數(shù)式寫入圖5-8中各方框內(nèi)，得異步電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏線性化近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。,注意下述兩點(diǎn)： 由于它是偏微線性化模型，只能用于機(jī)械特性線性段上工作點(diǎn)附近的穩(wěn)定性判別和動(dòng)態(tài)校正，不適用于起制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速大范圍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計(jì)算有很大的近似性。,*6.3 變壓控制在軟起動(dòng)器中的應(yīng)用,軟起動(dòng)器:異步機(jī)的變壓控制,1.軟起動(dòng)器（Soft Starter）：是一種集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器。 軟起動(dòng)器構(gòu)成：三相反并聯(lián)晶閘

15、管及其電子控制電路。,交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源,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,圖5-1 利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速,起動(dòng)電流問(wèn)題: 小容量電動(dòng)機(jī)，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機(jī)容量大4倍以上），供電線路不太長(zhǎng)（起動(dòng)電流造成的瞬時(shí)電壓降落低于10%15%），可直接通電起動(dòng)。 容量大電動(dòng)機(jī)，不能直接通電起動(dòng)。,運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。,起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩公式:,起動(dòng)時(shí)，s =1，因此起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為,（5-19）,（5-20）,一般的籠型電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)其額定值的倍數(shù)大約:,起動(dòng)電流倍數(shù),起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù),起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分析:,中、大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)壓降過(guò)大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，必須采取措施降低起動(dòng)電流，常用降壓起動(dòng)。,降壓起動(dòng)的矛盾:,UIsst 、Tsst （起動(dòng)電流減少，起