运动控制系统-课件.ppt
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1、运动控制系统 7.0 引言引言 转差功率问题转差功率问题 转差功率始终是人们在研究异步电动转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题,因为节约机调速方法时所关心的问题,因为节约电能是异步电动机调速的主要目的之一电能是异步电动机调速的主要目的之一,而如何处理转差功率又在很大程度上,而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。影响着调速系统的效率。 如第如第5 5章所述,交流调速系统按转差章所述,交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型。功率的处理方式可分为三种类型。 l 交流调速系统按转差功率的分类交流调速系统按转差功率的分类1 1)转差功率消耗型转差功率消耗型异步
2、电机采用调压控制等调速方异步电机采用调压控制等调速方式,转速越低时,转差功率的消耗越大,效率越低;式,转速越低时,转差功率的消耗越大,效率越低;但这类系统的结构简单,设备成本最低,所以还有一但这类系统的结构简单,设备成本最低,所以还有一定的应用价值。定的应用价值。2 2)转差功率不变型转差功率不变型变频调速方法转差功率很小,而变频调速方法转差功率很小,而且不随转速变化,效率较高;但在定子电路中须配备且不随转速变化,效率较高;但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器,相比之下,设备成与电动机容量相当的变压变频器,相比之下,设备成本最高。本最高。3 3)转差功率馈送型转差功率馈送型控制绕线
3、转子异步电动机的转子控制绕线转子异步电动机的转子电压,利用其转差功率并达到调节转速的目的,这种电压,利用其转差功率并达到调节转速的目的,这种调节方式具有良好的调速性能和效率;但要增加一些调节方式具有良好的调速性能和效率;但要增加一些设备。设备。 7.1 异步电机双馈调速工作原理异步电机双馈调速工作原理 本节提要本节提要l概述概述l异步电机转子附加电动势的作用异步电机转子附加电动势的作用l异步电机双馈调速的五种工况异步电机双馈调速的五种工况l转差功率的利用转差功率的利用 作为异步电动机,必然有转差功率,作为异步电动机,必然有转差功率,要提高调速系统的效率,除了尽量减小转要提高调速系统的效率,除了
4、尽量减小转差功率外,还可以考虑如何去利用它。差功率外,还可以考虑如何去利用它。 但要利用转差功率,就必须使异步电但要利用转差功率,就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件,显然笼型电动机难以胜任,只有条件,显然笼型电动机难以胜任,只有绕绕线转子电动机线转子电动机才能做到。才能做到。 7.1.0 概述概述l绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机 PsP1 绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机结构如图所示,从广义结构如图所示,从广义上讲,定子功率和转差上讲,定子功率和转差功率可以分别向定子和功率可以分别向定子和转子馈入,也可以从定转子馈入,也可以从定
5、子或转子输出,故称作子或转子输出,故称作双馈电机双馈电机。l 绕线转子异步电动机转子串电阻调速绕线转子异步电动机转子串电阻调速 根据电机理论,改根据电机理论,改变转子电路的串接电变转子电路的串接电阻,可以改变电机的阻,可以改变电机的转速。转速。 转子串电阻调速转子串电阻调速的原理如图所示,调的原理如图所示,调速过程中,转差功率速过程中,转差功率完全消耗在转子电阻完全消耗在转子电阻上。上。PmPmechPsl 双馈调速的概念双馈调速的概念 所谓所谓“双馈双馈”,就是指把绕线转子异步电,就是指把绕线转子异步电机的机的定子绕组与交流电网连接定子绕组与交流电网连接,转子绕组转子绕组与其他含电动势的电路
6、相连接,使它们可与其他含电动势的电路相连接,使它们可以进行电功率的相互传递以进行电功率的相互传递。 至于电功率是馈入定子绕组和至于电功率是馈入定子绕组和/ /或转子或转子绕组,还是由定子绕组和绕组,还是由定子绕组和/ /或转子绕组馈出或转子绕组馈出,则要视电机的工况而定。,则要视电机的工况而定。 l 双馈调速的基本结构双馈调速的基本结构功率变换单元功率变换单元电网K1M3 K2TI 如上图所示,在双馈调速工作时,除了电如上图所示,在双馈调速工作时,除了电机定子侧与交流电网直接连接外,转子侧机定子侧与交流电网直接连接外,转子侧也要与交流电网或外接电动势相连,从电也要与交流电网或外接电动势相连,从
7、电路拓扑结构上看,可认为是在转子绕组回路拓扑结构上看,可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。路中附加一个交流电动势。l 功率变换单元功率变换单元 由于转子电动势与电流的频率随转速变化,由于转子电动势与电流的频率随转速变化,即即f f2 2= =sfsf1 1,因此必须通过功率变换单元(,因此必须通过功率变换单元(Power Converter UnitCU)对不同频率的电功率进行)对不同频率的电功率进行电能变换。电能变换。 对于对于双馈系统双馈系统来说,来说,CUCU应该由应该由双向变频器双向变频器构构成,以实现功率的双向传递。成,以实现功率的双向传递。l 双馈调速的功率传输双馈调速的功
8、率传输(1)转差功率输出状态)转差功率输出状态 异步电动机由电网供电并以电动状态运行时,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时,它从电网输入(馈入)电功率,而在其轴上输出它从电网输入(馈入)电功率,而在其轴上输出机械功率给负载,以拖动负载运行;机械功率给负载,以拖动负载运行; CUP1PsM3 Pmech(2)转差功率输入状态)转差功率输入状态 当电机以发电状态运行时,它被拖着运转,当电机以发电状态运行时,它被拖着运转,从轴上输入机械功率,经机电能量变换后以电从轴上输入机械功率,经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出(馈出)到电网。功率的形式从定子侧输出(馈出)到电网。 PsP1M3 CU
9、Pmech7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用异步电机转子附加电动势的作用异步电机运行时其转子相电动势异步电机运行时其转子相电动势为为 式中式中 s s 异步电动机的转差率;异步电动机的转差率; E Er0 r0 绕线转子异步电动机在转子不动时的相绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势,或称转子开路电动势,也就是转子额定相电动势,或称转子开路电动势,也就是转子额定相电压值。电压值。0rrsEE (7-1)转子相电流的表达式为:转子相电流的表达式为:式中式中 R Rr r 转子绕组每相电阻;转子绕组每相电阻; X Xr0r0 s=s=1 1时的转子绕组每相漏抗。时的转子绕组每相漏抗。 20
10、r2r0rr)(sXRsEI(7-2)n 转子附加电动势转子附加电动势 图图7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图M30rrsEE addErI附加电动势与转子电附加电动势与转子电动势有相同的频率,动势有相同的频率,可同相或反相串接。可同相或反相串接。 引入可控的交引入可控的交流附加电动势流附加电动势有附加电动势时的转子相电流:有附加电动势时的转子相电流: 如图如图7-17-1所示,绕线转子异步电动机在外接所示,绕线转子异步电动机在外接附加电动势时,转子回路的相电流表达式附加电动势时,转子回路的相电流表达式20r2radd0rr)(sXREsE
11、I(7-3)n 转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用1. Er 与与 Eadd 同相同相l当当 E Eaddadd ,使得:使得:这里:这里: snTIEEseradd0r1add0r2add0r1EEsEEs21ss 转速上升转速上升;转子附加电动势的作用(续)l当当 Eadd ,使得:使得:这里:这里:snTIEEseradd0r1add0r2add0r1EEsEEs21ss 转速下降转速下降;转子附加电动势的作用(续)转子附加电动势的作用(续)2. Er与与Eadd反相反相 同理可知,若减少或串入反相的附加电同理可知,若减少或串入反相的附加电动势,则可使电动机的转速降低。动势,则可使
12、电动机的转速降低。 所以,所以,在绕线转子异步电动机的转子在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势,就可调节侧引入一个可控的附加电动势,就可调节电动机的转速电动机的转速。 7.1.2 异步电机双馈调速的五种工况异步电机双馈调速的五种工况 本节摘要本节摘要电机在电机在次同步次同步转速下作转速下作电动运行电动运行电机在电机在反转反转时作时作倒拉制动运行倒拉制动运行电机在电机在超同步超同步转速下作转速下作回馈制动运行回馈制动运行电机在电机在超同步超同步转速下作转速下作电动运行电动运行电机在电机在次同步次同步转速下作转速下作回馈制动运行回馈制动运行n 异步电机的功率关系异步电机的功率关系
13、忽略机械损耗和杂散损耗时,异步电机在任何忽略机械损耗和杂散损耗时,异步电机在任何工况下的功率关系都可写作工况下的功率关系都可写作 mmm)1 (PssPP(7-4) 式中式中 P Pm m 从电机定子传入转子(或由转子传出给定从电机定子传入转子(或由转子传出给定 子)的电磁功率子)的电磁功率 sPsPm m 输入或输出转子电路的功率,即转差功率输入或输出转子电路的功率,即转差功率 (1-(1-s s) )P Pm m 电机轴上输出或输入的功率电机轴上输出或输入的功率 由于转子侧串入附加电动势极性和大小的不同,由于转子侧串入附加电动势极性和大小的不同,s s 和和P Pm m 都可正可负,因而可
14、以有以下五种不同的工作情况都可正可负,因而可以有以下五种不同的工作情况。1. 电机在次同步转速下作电动运行电机在次同步转速下作电动运行l工作条件:工作条件: 转子侧每相加上与转子侧每相加上与E Er0r0同相的附加电动势同相的附加电动势+E+Eaddadd(E Eaddadd E Er0r0),并把转子三相回路连通。),并把转子三相回路连通。l运行工况:运行工况: 电机作电动运行,转差率为电机作电动运行,转差率为00s s11,从定子,从定子侧输入功率,轴上输出机械功率。侧输入功率,轴上输出机械功率。 l 功率流程功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a) 次同步速电
15、动状态次同步速电动状态 2. 电机在反转时作倒拉制动运行电机在反转时作倒拉制动运行l工作条件:工作条件: 轴上带有位能性恒转矩负载(这是进入轴上带有位能性恒转矩负载(这是进入倒拉制动运行的必要条件),此时逐渐倒拉制动运行的必要条件),此时逐渐减少减少+ +E Eaddadd值,并使之反相变负,只要反值,并使之反相变负,只要反相附加电动势相附加电动势E Eaddadd有一定数值,则电机有一定数值,则电机将反转。将反转。 l运行工况:运行工况: 电机进入倒拉制动运行状态,转差率电机进入倒拉制动运行状态,转差率s s 1 1,此,此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机时由电网输入电机定子的功率
16、和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率,并从转子侧馈送轴的功率两部分合成转差功率,并从转子侧馈送给电网。式(给电网。式(7-47-4)可改写作)可改写作 mmm)1 (sPPsPl 功率流程功率流程b)反转倒拉制动状态)反转倒拉制动状态 PS PS) 1(PSPTe012s-n-n1PmCU3. 电机在超同步转速下作回馈制动运行电机在超同步转速下作回馈制动运行l工作条件:工作条件: 进入这种运行状态的必要条件是有位能性机进入这种运行状态的必要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上,并使电机能在超过其械外力作用在电机轴上,并使电机能在超过其同步转速同步转速n n1 1的情况下运行。的情况下运行
17、。 此时,如果处于发电状态运行的电机转子此时,如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与回路再串入一个与sEsEr0r0反相的附加电动势反相的附加电动势+ +E Eaddadd,电机将在比未串入,电机将在比未串入+ +E Eaddadd时的转速更高的状态时的转速更高的状态下作回馈制动运行。下作回馈制动运行。l运行工况:运行工况: 电机处在发电状态工作,电机处在发电状态工作,s s 1 1,电机功率由负,电机功率由负载通过电机轴输入,经过机电能量变换分别从电载通过电机轴输入,经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。此时式(机定子侧与转子侧馈送至电网。此时式(7-47-4)可改写成
18、可改写成 mmm)1 (PssPPl 功率流程功率流程c) 超同步速回馈制动状态超同步速回馈制动状态 12nnPSPS)1 ( PSP00s11n-TePmCU4. 电机在超同步转速下作电动运行电机在超同步转速下作电动运行l工作条件:工作条件: 设电机原已在设电机原已在 00s s1 1 作电动运行,转子侧串作电动运行,转子侧串入了同相的附加电动势入了同相的附加电动势+ +E Eaddadd,轴上拖动恒转矩,轴上拖动恒转矩的反抗性负载。的反抗性负载。 当接近额定转速时,如继续加大当接近额定转速时,如继续加大+ +E Eaddadd电机电机将加速到的新的稳态下工作,即电机在超过其将加速到的新的稳
19、态下工作,即电机在超过其同步转速下稳定运行。同步转速下稳定运行。l运行工况:运行工况: 电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成,电机处于定、转子双输入状态,输入功率合成,电机处于定、转子双输入状态,其输出功率超过额定功率,式(其输出功率超过额定功率,式(7-47-4)改写成)改写成mmm)1 (PssPPl 功率流程功率流程5. 电机在次同步转速下作回馈制动运行电机在次同步转速下作回馈制动运行工作条件:工作条件: 很多工作机械为了提高其生产率,希望很多工作机械为了提高其生产率,希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间,因电力拖动装置能缩短减速
20、和停车的时间,因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。机切换到制动状态下工作。 设电机原在低于同步转速下作电动运行设电机原在低于同步转速下作电动运行,其转子侧已加入一定的,其转子侧已加入一定的+ +E Eaddadd。要使之进入。要使之进入制动状态,可以在电机转子侧突加一个反相制动状态,可以在电机转子侧突加一个反相的附加电动势。的附加电动势。l 运行工况运行工况 在低于同步转速下作电动运行,在低于同步转速下作电动运行,E Eaddadd由由“+ +”变为变为“- -”,并使,并使 |-|-E Eaddadd| | 大于制动初瞬的大于
21、制动初瞬的E Er0 r0 ,电机定子侧输出功率给电网,电机成为发电机处电机定子侧输出功率给电网,电机成为发电机处于制动状态工作,并产生制动转矩以加快减速停于制动状态工作,并产生制动转矩以加快减速停车过程。电机的功率关系为车过程。电机的功率关系为 mmm)1 (PsPsPl 功率流程功率流程e) 次同步速回馈制动状态次同步速回馈制动状态 1nnPS PS)1 ( PSP01s00Pm-TeCUl五种工况小结五种工况小结图图7-2 异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 五种工况都是异步电五种工况都是异步电机转子加入附加电动势机转子加入附加电动势
22、时的运行状态。时的运行状态。 在工况在工况a,b,ca,b,c中,中,转子侧都输出功率,可转子侧都输出功率,可把转子的交流电功率先把转子的交流电功率先变换成直流,然后再变变换成直流,然后再变换成与电网具有相同电换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率压与频率的交流电功率。 a)转子输出功率的工况)转子输出功率的工况TICU2CU1sEr0M3图图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元异步电机转子侧连接的功率变换单元b)转子输入功率的工况)转子输入功率的工况 图图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元异步电机转子侧连接的功率变换单元TICU2CU1sEr0M37.2 异步电机在次同步电动状态
23、下的异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统双馈系统串级调速系统串级调速系统 本节摘要本节摘要串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 串级调速系统的其它类型串级调速系统的其它类型 基本思路基本思路 在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢?。怎样才能获得这样的电压呢? 对于只用于次同步电动状态的情况来说,比较对于只用于次同步电动状态的情况来说,比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压,然后方便的办法是将转子电压先整流成直流电压,然后再引
24、入一个附加的直流电动势,控制此直流附加电再引入一个附加的直流电动势,控制此直流附加电动势的幅值,就可以调节异步电动机的转速。动势的幅值,就可以调节异步电动机的转速。 这样,就把交流变压变频这一复杂问题,转化这样,就把交流变压变频这一复杂问题,转化为与频率无关的直流变压问题,对问题的分析与工为与频率无关的直流变压问题,对问题的分析与工程实现都方便多了。程实现都方便多了。 7.2.1 串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 n 对直流附加电动势的技术要求对直流附加电动势的技术要求 l首先,它应该是可平滑调节的,以满足首先,它应该是可平滑调节的,以满足对电动机转速平滑调节的要求;对电动机转速平
25、滑调节的要求;l其次,从节能的角度看,希望产生附加其次,从节能的角度看,希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用机转子侧传递来的转差功率并加以利用。 n 系统方案系统方案 根据以上两点要求,较好的方案是采用工作根据以上两点要求,较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源,这就形成了图附加直流电动势的电源,这就形成了图7-4a7-4a中所中所示的功率变换单元示的功率变换单元CU2CU2。 按照上述原理组成的异步电机在低于同步转按照上述原理组成
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