工学交流调速第一章课件

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1、交交 流流 调调 速速 系系 统统刘向东刘向东教材:电气传动与控制基础 廖晓钟 北京理工 交流调速系统 陈伯时 机械工业 直接转矩控制 陈伯时 机械工业参考书:现代直流伺服系统控制技术及其系统设计 秦继荣 机械工业 1993现代交流伺服系统 秦忆 华工 1995伺服控制系统中的传感器 曲家骐 机械工业伺服系统设计的现代实践 (美)D.R.威尔桑 国防工业 1997 目录目录l l第一章 绪论l l第二章 异步电机的调压调速l l第三章 绕线型异步电机的串级调速系统l l第四章 异步电机的变频调速l l第五章 异步电机的矢量控制l l第六章 异步电机的直接转矩控制第一章 绪论1.1 交流调速系统

2、的概况1.2 异步电机的机械特性1.3 异步电机的基本调速方法返回目录1.1 交流调速系统概况 一、电气传动系统的发展历程 直流传动和交流传动分别在19世纪先后诞生。19世纪80年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式19世纪末，交流传动开始在工业生产中得到应用 交流电的产生；交流电的产生；三相制交流电输送与配电问题的解决；三相制交流电输送与配电问题的解决；交流鼠笼式异步电动机的发明；交流鼠笼式异步电动机的发明；20世纪前半叶 生产技术的发展，对电气传动系统在启制动正反转调速精度 调速范围和静动态特性方面提出了更高要求应用情况：高性能可逆可调速传动领域都采用直流传动；约占电气传动总容量80%的不

3、变速传动采用交流传动；技术性能：直流传动具有优良的调速性能；交流传动因技术发展的局限性，尽管提出多种技术解决方案，但是性能无法与直流传动相比，难于满足生产要求；1.1 交流调速系统概况20世纪70年代初叶，交流传动技术获得突破性进展直流电机具有电刷换向器，必须进行维护，转速不高，容量小，适用范围有限；席卷全球的石油危机迫使西方工业国家投入大量的人力物力研究高效的交流调速系统技术基础的发展：大规模集成电路计算机控制技术和现代控制理论的发展为交流电气传动的发展创造了前提条件。1.1 交流调速系统概况目前，交流传动有取代直流传动的趋势交流调速在各个公元领域的应用比例正在逐渐增大；世界范围的设计研究重

4、点转向交流调速；技术方法：变频调速矢量控制/磁场定向控制技术直接转矩控制和解耦控制控制技术的发展，形成了一系列可以和直流传动相比的 高性能交流调速系统。1.1 交流调速系统概况1.1 交流调速系统概况 二、交流传动系统的应用前景1.节能大多数交流传动装置设计留有相当余量，而且不总在最大负荷下运行，可以在负荷变化时，采用变流技术降压，达到节能的目的；过去大量的不变速交流传动中，风机水泵压缩机等机械总容量占工业电气传动总容量的一半，不少场合不是不需要调速，而是因为过去交流电机本身无法调速，不得不靠挡板和阀门来调节送风量和供水量，白白浪费了大量的电能。如果换成交流调速系统，那么消耗在挡板和阀门上的能

5、量节省下来，每台风机水泵可节能20%。1.1 交流调速系统概况2.特大容量，极高转速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量和转速的乘积约为106KW.r/min,超过这一数值的直流电机设计制造比较困难,而交流电机无此限制,因此特大容量(厚板轧机矿井卷扬机)和极高转速传动(高速磨床离心机)3.传统直流传动系统的技术改造过去许多工艺上需要调速的生产机械多采用直流传动,鉴于交流电机比直流电机结构简单成本低工作可靠维护简单转动惯量小效率高,因此采用交流传动来改造直流传动,本身就能带来不少经济效益。1.1 交流调速系统概况三、交流传动系统的类型交流电机有同步电机和异步电机两大类1.异步

6、电机调速系统的类型降压调速;电磁转差离合器调速;绕线转子异步电机转子回路串电阻调速;绕线转子异步电机串级调速;变极对数调速;变压变频调速1.1 交流调速系统概况按照交流异步电机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率可以分为两个部分：拖动负载的有效功率 P2=（1-S）Pm 转差功率Ps=SPm 1.1 交流调速系统概况从转差功率转换的角度来看，可以将异步电机调速系统分为三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率回馈型调速系统；转差功率不变型调速系统。类型调速方法特点转差功率消耗型消耗全部功率；效率最低；结构简单；转差功率回馈型大部分转差功率回馈利用；效率较高；需要回馈装置转差功率不变型转差功率消耗基

7、本不变；效率高1.1 交流调速系统概况2.同步电机调速系统的类型同步电机没有转差，也没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是功率不变型（恒为零），极对数固定，只能靠改变供电电压的频率来改变同步转速不改变同步转速的调速方法转子串电阻；转子斩波调速；改变定子电压；改变转子附加电势；应用电磁转差离合器等方法改变同步转速的调速方法改变定子极对数；改变定子电压频率；应用无换向器电机；1.1 交流调速系统概况四、交流传动系统的类型1交流调速系统的主要发展方向变频调速变频调速是交流调速的主要研究内容，也是最有发展前途的一种交流调速方式，交交-直直-交变频调速系统（交变频调速系统（在电压型和电流型基础上，在电

8、压型和电流型基础上，向向PWMPWM型变频和多重化技术方向发展型变频和多重化技术方向发展）交交-交变频调速系统（交变频调速系统（在低速大容量应用方面有上升的在低速大容量应用方面有上升的趋势趋势）变频器的电力半导体器件向模块化快速化光控化高电压大电流自关断和高可靠性方向发展；系统向高性能高精度大容量微型化数字化发展。1.1 交流调速系统概况串级调速这是一种利用绕线式异步电机的转差功率（相当于转子附加电势）的一种比较经济的调速方法，我国串级调速技术比较成熟，有系列化产品。双馈电机又称超同步串级调速，绕线式异步电机的定子由电网电源供电，转子由变频器电源供电，可以在同步速度以上运行，不但可以运行在再生

9、制动状态，还可以运行在电动状态。如采用矢量控制性能类同直流调速系统，并可改善系统功率因数，是一种很有前途的调速方式。1.1 交流调速系统概况无换向器电机又称晶体管电动机，它是具有位置检测器由变频器供电的同步电动机系统。采用位置检测器和晶闸管代替了相当于直流电动机的电刷和换向器，无换向器电机的原理启制动和调速特性与直流电机相似。系统采用自控式，频率和转速永远保持同步方式，不会发生失步，完全克服了同步机的缺点，由兼有同步电机功率因数好的特点。有人甚至断言：如果说交流调速将取代直流拖动，那么无换向器电动机将取代其他交流调速方式。1.1 交流调速系统概况高频化技术交流电源的高频化可使交流变频电源的体积

10、小重量轻性能好，并能节省电能。无功补偿和谐波抑制为了保证供电质量，国家对功率因数和谐波极限提出了要求，为了达到这些指标要求必须采取相应的措施：提高自然功率因数或采用无功补偿。以往通常采用移相电容器或同步调相机，最近发展的无功动态补偿是提高功率因数的一个有效途径。对于高次谐波抑制，可将整流器接成Y/或/Y型，增加整流器的脉冲次数，加装调谐滤波器1.1 交流调速系统概况2交流调速控制技术的发展相位控制相位控制主要应用于交-交和交-直-交变频器的整流控制调压调频技术为了保持恒磁通变频控制（恒转矩控制）原则，要求变压变频控制。转差频率控制在调速过程中，保持有限的转差频率进行控制，可以获得高效调速方式。

11、在转差率很小时，考虑到转矩，转差频率及转子电流成正比关系，因此可以利用定子电流幅值和静态同步角速度去控制变频器。1.1 交流调速系统概况脉宽调制控制PWM调制型变频器由于输入功率因数高和输出波形好的特点，近年发展较快。调制方法：如SPWM，准SPWM，DWPWM，矢量角PWM，最佳开关角PWM，电流跟踪型PWM等等。原理上：面积法，图解法，计算法，采样法，优化法，斩波法，角度法，跟踪法和次谐波法等等。脉宽调制以往多用于交直交电压型变频器，最近电流型变频器也开始应用，如电流跟踪型PWM就是一例。矢量控制矢量控制的基本思想是设法模拟直流电机的控制特点对交流电机进行控制，它分为：磁场定向式矢量控制和

12、转差频率式矢量控制。1.1 交流调速系统概况磁场控制磁场轨迹法基本思想是产生接近圆形的旋转磁场，改变旋转磁场的速度，即可调节电动机的转速。异步电机的磁场加速法磁场加速法是防止励磁电流发生电磁暂态现象，对电机定子电流按一定规律进行控制，可以实现直流电机那样的快速响应。直接转矩控制直接转矩控制对电机参数变化不敏感，可获得良好的调速性能，一般PWM是靠提高调制频率来实现高动态，而直接转矩控制是通过转矩和磁通独立跟踪调整来实现PWM高动态，逆变器成本低，效率高。1.1 交流调速系统概况五、交流传动系统存在的主要问题由半导体功率变换器组成的整流器逆变器斩波器以及交直交变频器交交变频器等装置在交流调速领域

13、中得以广泛应用，但是，目前还存在以下问题：高次谐波的影响使电动机产生附加损耗，温升增加，电动机出力受到限制；使电动机产生转矩脉动，在低速稳定运行时影响较大，当脉动频率较低，接近机械系统固有频率时，容易产生机械共振；电动机和电器噪声增大，对无线电通信干扰增大。瞬时停电措施电源供电系统因雷击或其他原因发生接地故障时，将发生紊乱。从事故发生到瞬时事故消除或通过继电器切断事故回路，这段时间一般在1秒以内，如果变频装置没有瞬时停电措施，会产生过流或过压，在恢复供电时可能造成逆变器换流失败。功率因数变坏半导体功率转换装置采用相位控制，使它们的功率因数变坏，对供电电源质量带来不利的影响。异步电机在晶闸管电力

14、变流器供电时运行的功率因数有时比它在正弦波电源供电下运行的功率因数低8%。1.2 异步电机的机械特性一异步电机的机械特性 异步电机按其结构可以分为笼型和绕线型两种类型，其中笼型异步电动机坚固耐用，可靠和便宜，绕线型转子异步电动机价格约为笼型机的1。3倍，但调整启制动比较方便，在工业设备电气传动中得到广泛应用。1.基本概念理想空载角速度:三相异步电动机定子侧通以频率为f1的三相交流电压,则定子与转子气隙间会产生旋转磁场,其角速度称为同步角速度或理想空载角速度1.2 异步电机的机械特性带负载时电动机转速一般要低于0，所以转差率为在电动机运行状态下，随负载增加，转速，转差率s2.电压平衡方程1.2

15、异步电机的机械特性1.2 异步电机的机械特性3.T型等值电路根据电机学原理，若忽略空间时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损耗；异步电动机的T型等值电路如右图所示1.2 异步电机的机械特性4.机械特性机械特性主要指电机电磁转矩与转速之间的稳态关系。下面来推导异步电机的机械特性：1.2 异步电机的机械特性1.2 异步电机的机械特性T nT5.机械特性曲线根据机械特性方程，可以画出三相异步电机的机械特性曲线，如右下图所示s nABCDTmsm0n0Te图中，A点为理想空载运行点：转速等于理想空载转速n0；B点为额定运行点，电磁转矩与转速均为额定值；C点为电磁转矩最大点D点为启动点，对应转速为零，对应转矩为

16、启动转矩。1.2 异步电机的机械特性6.实用机械特性实际应用中,三相异步电动机的参数不易获得,实用机械特性采用电机产品目录给出的数据,得到一个比较粗糙的特性,单实用性强,又称为近似机械特性。1.3 异步电动机的运行方式一异步电动机的调速方法因此异步电动机的调速方法可以大致分为三种变转差率变极（鼠笼转子）变频定子调压调转子电阻（绕线转子）串级调速（绕线转子）交-直-交交-交1.3 异步电动机的运行方式1.改变定子电压调速调速原理：根据机械特性可知，电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电机的机械特性特点：理想空载转速n0不变，临界转差率sm不变。注：若带恒转矩负载，调速范围很小；

17、若带风机负载，调速范围可以大一些。s n风机负载CTmsm0n0UnomU0.7nomU0.5nom恒转矩负载改变定子电压调速1.3 异步电动机的运行方式s nT0n0UnomU0.7nomU0.5nomABC10高转子电阻电动机在不同电压下的机械特性为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，可以在转子电路内串接电阻。左下图给出了高转子电阻电机在变电压调速时的机械特性。特点：理调速范围增大；机械特性太软；过载能力低。注：若一般采用闭环控制系统。1.3 异步电动机的运行方式s nTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R2+RV310改变转子电阻调速调速原理：根据机械特性可知，改变转子电阻也可以

18、改变电机的机械特性M特点：最大转矩不变；临界转差率随R2而；功耗很大；适用范围：较小功率或通风机类负载2.改变转子电阻调速3.串级调速调速原理：如果在转子回路引入一个可控的交流附加电势EADD,EADD与E2有相同的频率,并且与E2同相或反相串接,如下图所示MEADD分析：反相:EADDs n次同步调速同相:EADDs n超同步调速引入不同数值的附加电势,就可以使电机获得不同的转速.特点：附加电动势的频率必须与f2=sf1一致,随转速n一起变化;转速可以连续调节;设备体积比较大;调速范围一般在1.5-2.0左右.适用范围：绕线型异步电动机1.3 异步电动机的运行方式4.变极调速Tnn0n0/2

19、0特点：有级变速；低转速大转矩,高转速小转矩；克服转动惯量过大给启动造成的困难；适用范围：较要求少数几种速度的工程机械,如机床,起重机,鼓风机,泵5.变频调速注意：为了保持调速过程中电动机的最大转矩不变，需维持磁通恒定；在低速范围内，定子绕组电阻R1相对于总漏抗X1较大，所以为了补偿定子绕组电阻压降，定子电压U1降低要比频率少一些。Tn0变频调速的机械特性U1nomfnf1nomU1/f1关系变频调速的特点：能够连续调速；调速范围宽5-10；机械特性平直；效率高；经济效益好；（一台变频电源可以同时给多台同步旋转的异步电动机供电）1.3 异步电动机的运行方式1.3 异步电动机的运行方式二异步电动

20、机的启动1.降压启动对于几个千瓦以上的异步电动机，为了限制启动电流，必须采用一定的措施，通常采用降低定子绕组电压的方法，即降压启动。常用降压启动方法有：定子回路串电阻，电抗；调压启动；Y-启动；2.转子串电阻启动（绕线型异步电动机）方法特性类似直流它励电动机电枢串电阻启动方法。3.软启动软启动是由晶闸管构成主回路，由微机实现控制的启制动方法。工作原理：采用晶闸管移相控制，实现降压启动。1.3 异步电动机的运行方式M控制特点：采用串联移相调压方式，电机电压始终与电网电压保持同步，脱机并网容易。如果启动后想脱开启动器直接并入电网，只要通过接触器将启动器旁路，不会出现电流冲击。由微机控制可以实现最小

21、输入电流，最小输入功率和最大功率因数；可以分时或同时启动多台电机；应用场合：适用于启动后并入电网的风机，水泵1.3 异步电动机的运行方式三异步电动机的制动异步电机与直流电机的制动一样，也有再生制动，反接制动和能耗制动三种。1.再生制动突然降低电机定子侧供电频率或增加电动机的极对数,如图,电动机可以从电动状态发电状态,将机械功率转变为电功率回馈电网,电磁功率变负起制动作用.对于位能性负载,当定子三相电源的任意两根线对调后,电动机机械特性如图所示,产生负转矩起制动作用.nTn0-n0OACn0/2B1.3 异步电动机的运行方式三异步电动机的制动2反接制动为了使电机停转,可以使定子三相电源中的任意两根电源线对调使旋转磁场反向,转子与旋转磁场转向相反,电磁转矩起制动作用.若制动目的是为了停车,则当电动机制动到停止时,应将电动机与电网脱离.反接制动时,电动机从电网吸收电能,而又通过机械轴获取机械能,因此反接制动热损耗比较大,应在转子中串接电阻限流.Tn0-n0OAC1.3 异步电动机的运行方式三异步电动机的制动3.直流能耗制动制动时将电动机定子脱离交流电网并通以直流磁场,该磁场与转子导体作用产生感应电动势和电流,该电流与原来的电流方向相反,产生一个与转子相反的制动转矩,使电机停.