电机控制技术chap7-交流传动控制系统课件.pptx

1、第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统7.1 7.1 交流传动系统 1.1.直流调速直流调速:1)1)较大的起动转矩，良好的起动、制动性能较大的起动转矩，良好的起动、制动性能 2 2）较宽范围内性能平滑调速）较宽范围内性能平滑调速 3 3）直流闭环控制理论和应用实践方面较为成熟）直流闭环控制理论和应用实践方面较为成熟 4 4）产品特点，我国：模拟直流调速器）产品特点，我国：模拟直流调速器 国外：如国外：如欧陆欧陆直流数字调速器直流数字调速器、西门子、西门子直流数字调速器直流数字调速器 5 5）体积大、结构复杂，容量受限制、价格高，但应用量大）体积大、结构复杂，容量受限制、价格高，但应用量

2、大第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2.2.交流调速：交流调速：2020世纪世纪2020年代以来年代以来 1 1）省去了换向器，结构简单、结实、紧凑、维修工作量小、运行效率高）省去了换向器，结构简单、结实、紧凑、维修工作量小、运行效率高（95%95%）、转动惯量小、动态响应快）、转动惯量小、动态响应快 定子传入转子的电磁功率定子传入转子的电磁功率P PM M，转差功率，转差功率P Ps s=sPsPM M，P Ps s去向是调速系统效率高去向是调速系统效率高低的标志低的标志:s:s大大,则转差功则转差功PsPs大，效率低大，效率低 2 2）易于实现数字化，价格低廉、性能优良）易于实现

3、数字化，价格低廉、性能优良 3 3）容易实现高电压、大容量、高速化）容易实现高电压、大容量、高速化 4 4）交流调速发展方向：）交流调速发展方向：节能调速，如风机、阀门节能调速，如风机、阀门 高性能交流调速，如矢量变换控制系统高性能交流调速，如矢量变换控制系统 特大容量、极高转速交流调速，如厚板轧机、离心机特大容量、极高转速交流调速，如厚板轧机、离心机第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统3异步电动机调速系统分类 针对交流异步电动机，假设：PM定子传入转子的电磁功率 Ps=sPM转差功率,衡量电机效率的标志 同步转速：n1=60f1/p 转差率s=(n1-n)/n1 根据转差功率Ps去向

4、，异步电动机调速系统分为 变s：（1）转差功率消耗型调速系统，通过增加转差功率换取转速降低，效率随之降低 （2）转差功率回馈型调速系统-变s 不变s：（3）转差功率不变型调速系统，变同步转速n1，转差功率基本不变，如：变极调速、变频调速第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（1）转差功率消耗型调速系统变s，通过增加转差功率换取转速降低，效率随之降低，如：降电压调速 电磁转差离合器调速 绕线式异步电动机转子串电阻调速第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统 1）降电压调速 电磁转矩T与定子绕组上的电压U的平方成正比 实现方式：20世纪50年代，在定子回路串饱和电抗器、定子侧加调压变压器

5、调压，不足之处是调压设备笨重庞大 晶闸管交流调压、调速，特点为线路简单、调压装置体积小、价格低廉、使用维修方便，四象限运行，适合绕线式异步机、高转差率鼠笼异步机，不足之处是不改变同步转速，转差功率消耗在电机转子中，变为热量，晶闸管调压装置输出到定子的电压为非正弦波电压，影响电机出力 应用：电梯、卷扬机械、化纤机械，产品涉及2.232kW第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2）电磁转差离合器调速 结构：鼠笼式异步机、电磁转差离合器、控制装置 原理：鼠笼式异步机为原动机，以恒速带动电磁离合器电枢转动，同时，控制电磁离合器励磁电流调节磁极速度（由直流电产生静止的空间脉动磁场），该脉动磁场与电

6、枢作用而产生电磁转矩 特点：控制简单、价格低廉 不足：效率低，低速运行损耗大、高速时效率为8085%第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（2）转差功率回馈型调速系统-变s，转差功率通过变流装置回馈电网或加以利用，转速越低回馈功率越多，如：绕线式异步电动机转子串级调速 1）绕线式异步电动机转子串级调速 2)转子回路串接电阻第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（3）转差功率不变型调速系统不变s，变同步转速n1，转差功率基本不变，如：变极调速、变频调速 1）变极调速 特点：电机定子绕组有多个抽头，再通过触点通断来改变电机极对数 电机转速变化是有级的，一般有三档，最多五档 定型产品1.

7、5200kW 系统的效率及功率因数就是电机固有的第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2）变频调速 变频器：交-直-交 交-交 PWM变频器 多重化电流型 特点：高性能、高精度、大容量、微型化、数字化、智能化方向发展第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统3）无换向器电动机 结构：具有位置检测器、变频装置供电-同步电动机系统 位置检测器、晶闸管分别代替了相当直流电动机的电刷、机械整流器 特点：转速与频率永远保持同步关系，不发生失步现象 起动、调速特性类似直流电动机 克服了同步电动机缺点 兼有同步电动机功率因数高的优点第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统4.交流调速技术发展 （

8、1）相位控制：应用于交交、交直交变频器整流器控制 （2）VVVF控制：采用恒磁通变频控制（恒转矩控制，基频以下）原则第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（3）转差频率控制 调速过程保持有限的转差频率值控制，获得高效调速方式。原理：在转差小时，T、转差频率fs及转子电流I2成正比，采用定子电流幅值I1和静态同步角频率1去控制变频器第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（4）PWM控制 原理：采用一系列宽度不同、按一定时间序列排列的等幅脉冲方波来逼近一条正弦曲线，产生接近正弦的电压和电流 PWM波形生成方式：锯齿波比较法 微机查表法 实时计算法 自激振荡法第第7章章 交流传动控制系统

9、交流传动控制系统（5）矢量变换控制 原理：模拟直流电动机控制，经过坐标变换 定子电流I1分解成：磁场定向坐标的磁场电流分量I1M 转矩电流分量I1T（二者相互垂直）固定坐标系变换为旋转坐标系，解耦第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统 根据旋转坐标系定向方法不同，分为：按转子位置定向、磁场定向、电动势定向的矢量控制系统 转差频率矢量控制系统，直接转矩控制系统（不作坐标转换，直接在静止坐标系中计算磁通、转矩，分别进行控制）第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（6）现代控制理论在交流调速中的应用：自适应、状态观测器（磁通观测器、力矩观测器）、前馈控制、滑模变结构控制、模糊控制 （7）

10、微型计算机控制：模拟技术转向数字技术，实现数字化调速第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统5.电力电子器件发展类类 型型代代 号号名名 称称不可控器件D整流二极管（Diode）半控器件Th，SCR普通晶闸管，硅可控整流器（Silicon controlled Rectifier）全电流控制器件BJT（GTR）双极型晶闸管Bipolar（电力晶闸管Giant Transistor）控GTO门极关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor)器场P-MOSFET电力场效应晶体管(Power MOS Field-effect Transistor)件控IGBT绝缘栅双极晶体管(In

11、sulated-gate Bipolar Transistor)器MCT场控晶闸管(MOS-controlled Thyristor)件SIT静电感应晶体管(Static Induction Transistor)SITH静电感应晶闸管(Static Induction Thyristor)功率集成电路PIC功率集成电路(Power Integrated Circuit)第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统72 交-直-交变频调速系统 1.交-直-交电压型变频调速系统 （1）原理 整流器将交流整流成为直流-滤波-逆变器将直流电逆变成交流电供给负载 （2）特点：1）电容滤波 2）整流器为

12、电压源 3）逆变输出电压波形为矩形波 4）电机电流为近似正弦波第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（3）问题 1）电压型逆变器保护，包括短路等出现过流，切除（或断电）故障设备 2）回馈制动。整流桥输出电压极性是固定的，制动过程回馈的交流电，经过在整流侧反并联一组逆变桥，实现可再生电能回馈交流电网第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2.交-直-交电流型CSI变频调速系统（1）特点 电路简单、易于实现回馈制动、四象限运行，限流能力强、短路保护可靠第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（2）主电路与电压型逆变器区别 1）逆变器直流侧采用大电感作为滤波元件，直流电路阻抗较大、电流

13、源 三相整流桥交流侧输入电流120方波交流电流 三相逆变桥交流侧输入电流120方波交流电流 大电感能够有效抑制故障电流上升率，实现较理想保护性能第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2）设有与逆变桥反并联的反馈二极管桥，整流桥、逆变桥的电流方向始终不变，再生能量可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反相，将能量返送交流电网，快速实现四象限运行，适用于频繁加速、减速、变动负载场合3）逆变器依靠逆变桥内电容器和负载电感谐振换流，逆变桥内没有电感，简化了主回路设计与制作第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（3）种类 1）串联二极管式逆变电路的电流型变频器 结构：晶闸管整流器、直流滤波电抗

14、器、逆变器三部分第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统 原理：逆变器为120通电型换流电器，任意瞬间只有两个晶闸管导通，电机轮流形成两相通电 正转触发顺序VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6 反转触发顺序VT6、VT5、VT4、VT3、VT2、VT1 各触发间相隔60电度角，每个晶闸管导通120，三相对称，互差120 突然降低逆变器输出频率，电机进入发电状态，逆变器工作于整流、整流器处于逆变，回馈交流电网 第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2）采用集中电容换相的电流源逆变器 结构：用一只电容，晶闸管分为主管、辅管 特点：换相可靠（集中电容确保换相电压），主电路动态性能

15、好，允许中间回路电源有较大脉动，起动性能好，正反转运行过渡方便，6个关断脉冲，电机频率达到200Hz，需要8个关断主管的辅助晶闸管第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统 3）采用GTO换相的电流源逆变器 原理：VT1-VT6之间换向由GTO及附属二极管和换向电容构成电路实现 特点：换相可靠，换相电容不需要预充电装置、电路接通后换相电压便自动建立，因无反充电过程，换相过程较上述主电路来得快，中间回路电流允许有较大的脉动，发电工况有较高限制功率，电机绕组间的换相与主晶闸管触发脉冲同时发生，适合进行矢量控制第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统4）电流型变频器的多重化技术 一重化电流型变

16、频器：电流波形为矩形波，必然产生高次谐波（5、7次），使得转矩产生脉动、引起附加损耗，导致电动机发热、出力减少、效率降低第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统多重化技术：一只主晶闸管元件作为一个桥臂，往往不能满足逆变器输出电流值要求 采取简单把多只晶闸管并联求得大容量，造成每次换相承受较大的无功能量，换相回路极不经济 多重化技术分开了主晶闸管、换向回路，每次换相值与多重度成反比，使换相量减小，负载(电动机)得到近似正弦波第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统特点：输出为近似正弦阶梯波，避开了通常的传动机械系统的谐波频率，提高了负载运行效率 每次换相能量减小、可以选用容量小、耐压低的

17、换向电容器 主晶闸管耐压等级降低、经济 电流型逆变器多重化连接：由几个三相桥式逆变器直接并联或经变压器并联组成，换相功率与多重度n成反比，换相装置容量可以相对减小 适用于风机、泵类机械流量控制 适合大、中容量电动机传动系统第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统73 PWM变频调速系统1.PWM型变频器工作原理 （1）基本控制方式 交直交变频器，由整流器、中间环节、逆变器组成第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统逆变器：电压型逆变器，根据逆变器的直流电压是否可变，分为两种基本控制方式：1）变幅PWM型变频器 2）恒幅PWM型变频器第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统1）变幅P

18、WM型变频器 特点：晶闸管整流器、滤波电容器C、晶闸管逆变器组成 输出电压、频率分别调节 调压-晶闸管整流器，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压 调频-晶闸管逆变器，6只开关器件，按照脉冲调制方式进行第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2）恒幅PWM型变频器 特点：二极管整流桥、滤波电容、逆变器组成 逆变器输入为恒定直流电压 调压-逆变器 调频-逆变器 优点：主电路、控制电路结构简单，只有一个可控功率级；二极管整流器代替了晶闸管整流器，有助于提高变频电源对交流电网的功率因数；系统动态性能得到改善，频率与电压都在逆变器内控制与调节，速度快

19、、频率与电压配合好，动态性能好；负载供电波形接近正弦波，改善电机运行性能第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统 不足：低频、调制频率与输出频率之比固定时，高次谐波影响较大，电机转矩脉动噪声较大 调制频率与输出频率之比变化大时，控制电路复杂 器件工作与调制频率有关，部分器件开关损耗和换相电路损耗较大，且需要采用导通和关断时间短的器件第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（2）简单的PWM型变频器工作原理 频率：改变T1、T4和T2、T3交替导通时间（调制周期）见图8.9（a）幅值：改变每半周期内T1、T4和T2、T3的通、断时间比（改变脉冲宽度）见图8.9（b）第第7章章 交流传动控

20、制系统交流传动控制系统（3）单极性正弦波PWM调制原理 脉宽调制方法：ur-参考信号,单极性正弦波 调制信号-决定频率 uc-三角形载频取样信号,要求大9倍(参考信号频率)以上 载波信号决定幅值第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统调制脉冲极性单极性、双极性 载频信号uc和参考信号ur（调制信号）频率之间的关系同步式、异步式第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统正弦波脉宽调制SPWM：参考信号Ur为正弦波，脉宽调制产生的调制波为等幅、等距、不等宽脉冲列单极性脉宽调制波形 脉冲宽度基本成正弦分布，各脉冲与正弦曲线对应的面积近似成正比，比一般PWM调制波形更加接近正弦波 SPWM逆变器

21、输出基波电压大小和频率均由ur控制 变ur幅值-改变脉宽、改变输出电压大小 变ur频率-改变脉宽、改变输出电压频率第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统（4）双极性正弦波PWM调制原理 单极性：需要”倒向控”制信号 双极性：不需要倒向控制信号第第7章章 交流传动控制系统交流传动控制系统2.PWM变频调速系统的控制方法 （1）PWM控制的要求 1）三相工作：把1/4正弦波以表的形式存储在存储器中，利用三相指示字就可以读出整个周期 2）电压/周期要求：基频50Hz以下，恒转矩工作 大部分频率范围内，保持电压/周期恒定，即维持恒定磁通量 低频时（0,转子向增大方向运动，到达曲线2新的平衡点Ob

22、；2）电动机带轻载TL1=Ta1（平衡点于曲线1的a1点），跳跃到曲线2上b1点，Tb1 TL1,转子向增大方向运动，到达曲线2新的平衡点b1点；3）电动机带重载TL2=Ta2（平衡点于曲线1的a2点），跳跃到曲线2上b2点，Tb2 TL2,转子无法转动4）Ts：最大负载转矩、步进转矩，TsTmax，步距角越小，Ts越大，接近Tmax3.连续运行 （1）提高控制系统的响应速度，要求增加输入信号脉冲频率，电动机转子不是一步一步地作步进运动，而是处于连续旋转状态 （2）转子总是在本拍达到平衡位置之前就已切换到下一拍运行，需要检查新的工作点上电磁转矩是否足以带动负载继续向前旋转 （3）稳定裕量：角度

23、区间（b1,oa），步距角越小，稳定裕量越大，电动机转子更加容易实现连续过渡 （4）步进电动机矩频特性：兼顾定子绕组驱动回路中的电感、电阻，转子轴系转动惯量等，步进电动机存在一个最高工作频率、一个最高起动频率三、步进电动机的驱动控制电路 1.驱动电源构成 （1）驱动电源向转子提供励磁电流 （2）构成：环行分配器接收输入脉冲信号、旋转方向指令，每来一个信号脉冲，输出状态改变一次 功率放大器与步进电动机各相绕组相连，每一相绕组串接一个功放管，控制绕组电流的导通、截止，最高电压、电流2.功率放大器分类：（1）电压型功放电路：电流上升、下降过程控制 （2）斩波恒流型功放电路1）续流电阻R2）滞环比较，控制电流幅值在一个小范围内波动（3）特点：斩波恒流型功放电路较电压型功放电路能够更加有效地控制驱动电流波形，改善电动机输出转矩平稳性，明显提高步进电动机系统的高频响应特性（4）其他电路：双电压、升频升压、角度细分功放电路步进电机：BYG系列永磁感应式（混合式）步进电机