2023/2/41電力拖動自動控制系統

——運動控制系統多媒體課件

第2篇交流拖動控制系統第2篇交流拖動控制系統2023/2/43內容提要概述交流調速系統的主要類型閉環控制的異步電動機變壓調速系統——轉差功率消耗型閉環控制的異步電動機變壓變頻調速系統——轉差功率不變型繞線轉子異步電機雙饋調速系統——轉差功率饋送型調速系統第2篇交流拖動控制系統2023/2/44概述

直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先后誕生.在20世紀上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優越的調速性能，高性能可調速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總容量80%以上的不變速拖動系統則采用交流電機，這種分工在一段時期內已成為一種舉世公認的格局。交流調速系統的多種方案雖然早已問世,并已獲得實際應用,但其性能卻始終無法與直流調速系統相匹敵。第2篇交流拖動控制系統2023/2/45

直到20世紀60~70年代，隨著電力電子技術的發展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統得以實現，特別是大規模集成電路和計算機控制的出現，高性能交流調速系統便應運而生，一直被認為是天經地義的交直流拖動按調速性能分工的格局終于被打破了。第2篇交流拖動控制系統2023/2/46

這時，直流電機具有電刷和換相器因而必須經常檢查維修、換向火花使直流電機的應用環境受到限制、以及換向能力限制了直流電機的容量和速度等缺點日益突出起來，用交流可調拖動取代直流可調拖動的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統已經成為當前電力拖動控制的主要發展方向。第2篇交流拖動控制系統2023/2/47異步交流電機工作原理2023/2/48同步交流電機工作原理2023/2/49交流拖動控制系統的應用領域主要有三個方面：一般性能的節能調速高性能的交流調速系統和伺服系統特大容量、極高轉速的交流調速第2篇交流拖動控制系統2023/2/410

一般性能的節能調速

在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中,風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業電力拖動總容量的一半以上,其中有不少場合并不是不需要調速,只是因為過去的交流拖動本身不能調速,不得不依賴擋板和閥門來調節送風和供水的流量,因而把許多電能白白地浪費了.如果換成交流調速系統,把消耗在擋板和閥門上的能量節省下來,每臺風機、水泵平均都可以節約20~30%以上的電能。但風機、水泵的調速范圍和對動態快速性的要求都不高,只需要一般的調速性能。第2篇交流拖動控制系統2023/2/411

高性能的交流調速系統和伺服系統

許多在工藝上需要調速的生產機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。第2篇交流拖動控制系統2023/2/412

20世紀70年代初發明了矢量控制技術,或稱磁場定向控制技術,通過坐標變換,把交流電機的定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量,用來分別控制電機的轉矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態性能，從而使交流電機的調速技術取得了突破性的進展。其后,又陸續提出了直接轉矩控制、解耦控制等方法,形成了一系列可以和直流調速系統媲美的高性能交流調速系統和交流伺服系統第2篇交流拖動控制系統2023/2/4133.特大容量、極高轉速的交流調速

直流電機的換向能力限制了它的容量轉速積不超過106kW·r/min，超過這一數值時，其設計與制造就非常困難了。交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉速的拖動,如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調速為宜。第2篇交流拖動控制系統2023/2/414交流調速系統的主要類型

交流電機主要分為異步電機(即感應電機)和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調速系統。現有文獻中介紹的異步電機調速系統種類繁多，可按照不同的角度進行分類。第2篇交流拖動控制系統2023/2/4151.按電動機的調速方法分類常見的交流調速方法有：①降電壓調速；②轉差離合器調速；③轉子串電阻調速；④繞線電機串級調速或雙饋電機調速；⑤變極對數調速；⑥變壓變頻調速等等。第2篇交流拖動控制系統2023/2/416~2.按電動機的能量轉換類型分類

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

Pmech=(1–s)Pm

從能量轉換的角度上看,轉差功率是否增大,是消耗掉還是得到回收,是評價調速系統效率高低的標志.從這點出發,可以把異步電機的調速系統分成三類.第2篇交流拖動控制系統2023/2/418轉差功率消耗型調速系統

這種類型的全部轉差功率都轉換成熱能消耗在轉子回路中，上述的第①、②、③三種調速方法都屬于這一類。在三類異步電機調速系統中，這類系統的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低的(恒轉矩負載時)。可是這類系統結構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。第2篇交流拖動控制系統2023/2/419

轉差功率饋送型調速系統

在這類系統中，除轉子銅損外，大部分轉差功率在轉子側通過變流裝置饋出或饋入，轉速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉化成有用的功率，因此這類系統的效率較高，但要增加一些設備。第2篇交流拖動控制系統2023/2/420轉差功率不變型調速系統

在這類系統中，轉差功率只有轉子銅損，而且無論轉速高低，轉差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調速方法屬于此類。其中變極對數調速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調速應用最廣，可以構成高動態性能的交流調速系統，取代直流調速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當的變壓變頻器，相比之下，設備成本最高。第2篇交流拖動控制系統2023/2/4213.同步電機的調速

同步電機沒有轉差,也就沒有轉差功率,所以同步電機調速系統只能是轉差功率不變型(恒等于0)的，而同步電機轉子極對數又是固定的,因此只能靠變壓變頻調速，沒有像異步電機那樣的多種調速方法。在同步電機的變壓變頻調速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調速和自控變頻調速兩類。第2篇交流拖動控制系統2023/2/422雙向晶閘管串接在三相電路中變壓M3~~TVC利用晶閘管交流調壓器變壓調速

TVC——雙向晶閘管交流調壓器5.2異步電動機變壓調速電路2023/2/423

雙向晶閘管交流調壓器的變壓控制方式相位控制通斷控制5.2異步電動機變壓調速電路2023/2/424采用晶閘管反并聯供電方式,實現異步電動機可逆和制動.

三對晶閘管反并聯變壓5.2異步電動機變壓調速電路工作原理繼續2023/2/425直接起動一次起動軟起動5.6變壓控制在軟起動器和輕載降壓節能運行中的應用2023/2/426Us*

當負載轉矩一定時，輕載降壓節能有一個最佳電壓值,此時效率最高,這樣,=f(Us)的曲線可由試驗取得.max最佳電壓5.6變壓控制在軟起動器和輕載降壓節能運行中的應用2023/2/427異步電機的變壓變頻調速系統一般簡稱為變頻調速系統。由于在調速時轉差功率不隨轉速而變化，調速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術措施后能實現高動態性能，可與直流調速系統媲美。因此現在應用面很廣，是本篇的重點。第6章籠型異步電動機變壓變頻調速系統——轉差功率不變型調速系統第6章籠型異步電動機變壓變頻調速系統(VVVF系統)2023/2/428本章提要6.1

變壓變頻調速的基本控制方式6.2

異步電動機電壓－頻率協調控制時的機械特性6.3*電力電子變壓變頻器的主要類型第6章籠型異步電動機變壓變頻調速系統(VVVF系統)2023/2/4296.1變壓變頻調速的基本控制方式

在進行電機調速時,常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變.如果磁通太弱,沒有充分利用電機的鐵心,是一種浪費；如果過分增大磁通,又會使鐵心飽和,從而導致過大的勵磁電流,嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。6.1變壓變頻調速的基本控制方式2023/2/430對于直流電機,勵磁系統是獨立的,控制m保持不變很容易做到.在交流異步電機中,磁通m由定子和轉子磁勢合成產生,要保持磁通恒定就需要費一些周折.f1—定子頻率Ns—定子每相繞組串聯匝數KNs—基波繞組系數Φm—每極氣隙磁通量定子每相電動勢有效值：6.1變壓變頻調速的基本控制方式2023/2/431

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

要保持m不變,當頻率f1從額定值f1N向下調節時,必須同時降低Eg,使:即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式

1.基頻以下調速

然而,繞組中的感應電動勢是難以直接控制的,當電動勢值較高時,可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降,而認為定子相電壓Us≈Eg,則得恒壓頻比的控制方式6.1變壓變頻調速的基本控制方式2023/2/433OUsf1f1N

但是,在低頻時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,需要人為地把電壓Us抬高一些,以便近似地補償定子壓降.UsNa—無補償

b—帶定子壓降補償

帶壓降補償的恒壓頻比控制特性6.1變壓變頻調速的基本控制方式2023/2/4342.基頻以上調速

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

如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值,即都能在允許溫升下長期運行,則轉矩基本上隨磁通變化.6.1變壓變頻調速的基本控制方式2023/2/435ΦmUsf1Of1N恒轉矩調速UsUsNΦmNΦm恒功率調速

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

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

最早的VVVF裝置是旋轉變頻機組,即由直流電動機拖動交流同步發電機,調節直流電動機的轉速就能控制交流發電機輸出電壓和頻率.自從電力電子器件廣泛應用以后,旋轉變頻機組→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導通型和120o導通型逆變器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

從整體結構上看,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整流器變換成直流,再通過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)中間直流環節恒壓恒頻(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“中間直流環節”,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,當前應用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關器件(例如P-MOSFET,IGBT等)組成的脈寬調制(PWM)逆變器,簡稱PWM變壓變頻器,如下圖所示.AC50Hz~PWM逆變器AC調壓調頻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變壓變頻器的優點在主電路整流和逆變兩個單元中,只有逆變單元可控,通過它同時調節電壓和頻率,結構簡單.采用全控型的功率開關器件,只通過驅動電壓脈沖進行控制,電路簡單,效率高.輸出電壓波形雖是一系列的PWM波,但由于采用了恰當的PWM控制技術,正弦基波的比重較大,影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制,因而轉矩脈動小,提高了系統的調速范圍和穩態性能.6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器2023/2/441逆變器同時可調壓和調頻,動態響應不受中間直流環節濾波器參數的影響,系統的動態性能得以提高.采用不可控的二極管整流器,電源側功率因素較高,且不受逆變輸出電壓大小的影響.常用的功率開關器件: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特大容量電機的交-直-交變壓變頻器的結構DCSCR可控整流器AC50Hz~六拍逆變器AC調頻調壓

受到開關器件額定電壓和電流的限制,對于特大容量電機的變壓變頻調速仍只好采用半控型的晶閘管(SCR),并用可控整流器調壓和六拍逆變器調頻的交-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構如下圖所示,它只有一個變換環節,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由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路.

也就是說,每一相都相當于一套直流可逆調速系統的反并聯可逆線路。VRVFId-Id+--+負載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