现代交流调速技术课件.ppt

1、现代交流调速现代交流调速技技 术术西安科技大学电控学院蔡文皓第一章 绪论返回目录、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；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%的不变速传动采用交流传动；技术性能：直

2、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；20世纪前半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。20世纪70年代目前，交流传动有取代直流传动的趋势。交流调速在各个领域的应用比例正在逐渐增大。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交流调速系统发展迅速。1.节能大多数

3、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；例如，风机水泵消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台可节能20%。、交流传动系统的应用前景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,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用直流传动,采用交流传动来改造直流传动。交流电机有同步电机和异步电机两大类1.异步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

4、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、交流传动系统的类型 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 降压调速;电磁转差离合器调速;转子回路串电阻调速;消耗全部功率；效率最低；结构简单；转差功率回馈型绕线转子异步电机串级调速.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变极调速;变压变频调速.转差功率消耗基本不变；效率高MM2(1)MMPsP sPP sP 转差功率Ps=SPm v同步电动机可采用变频调速。根据频率控

5、制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类:1 1他激式同步电动机调速系统他激式同步电动机调速系统 用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源2 2自控式同步电动机调速系统自控式同步电动机调速系统 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。2.同步电机调速系统的类型1.变频调速：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

6、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。、交流调速系统的主要发展方向2.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。3.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。4.无

7、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。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。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：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。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。五交

8、流调速控制技术的发展脉宽调制控制 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，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 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转差频率式矢量控制。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

9、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 它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。高频化技术交流电源的高频化可使交流变频电源的体积小重量轻性能好，并能节省电能。无功补偿 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。谐波抑制 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。由半导

10、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。六、交流传动系统存在的主要问题瞬时停电措施 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

11、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。在晶闸管电力变流器供电时运行的功率因数比在正弦波电源供电下运行的功率因数低8%。三相感应电动机的结构三相感应电动机的结构（1）定子部分）定子部分 定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。导磁部分。定子绕组：放在定子铁心内圆槽内定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。导电部分。机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。（2）转子部分）转子部分 转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。转子铁

12、心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。转子绕组：转子绕组：1 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。导条，形成一个多相对称短路绕组。2 2）绕线式转子：转子绕组）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。包括端盖、风扇等。包括端盖、风扇等。（3）其它部分）其它部分1.2 1.2 异步电动机的工作原理及机械特性异步电动机的工作原理及机械特性按转子结构分按转子结构分：绕线型感应电动机绕线型感应电动机笼型感应电动机笼型感应电动机（1）转动原理）转动原理 电生磁电生磁：三相对

13、称绕组通往三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁三相对称电流产生圆形旋转磁场。场。磁生电磁生电：旋转磁场切割转子旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。导体感应电动势和电流。电磁力电磁力：转子载流（有功分转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为动电动机旋转，将电能转化为机械能。机械能。三相感应电动机的工作原理三相感应电动机的工作原理右手定则右手定则决定电流决定电流方向方向左手定则左手定则决定导条决定导条受力方向受力方向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

14、中笼型异步电动机坚固耐用。1.基本概念 同步转速: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,其速度称为同步转速。11.2 1.2 异步电动机的工作原理及机械特性异步电动机的工作原理及机械特性1160 (r/min)fnp11100%(4-3)nnsn在电动机运行状态下，随负载增加，转速n，转差率s1111112222221112221122 UI RjI XEUI RjI XEUIEUIERXRX式中，定子侧电压，电流和电动势，转子侧电压，电流和电动势，定子绕组电阻和漏抗，转子绕组电阻和漏抗2.电压平衡方程2 0222222222 02 0211221

15、212112/1/,;EEIRjsXRsjXIIkEEEsk wkkk wkkwwEIIIjX 于 是，将 其 归 算 到 定 子 侧，转 子 静 止 时 的 电 动 势，；变 比，；，定 子 和 转 子 的 绕 组 系 数；，定 子 和 转 子 的 绕 组 匝 数；电 动 机 的 磁 化 电 流 在 空 载 和 负 载 时 近 似 相 同亦 即常 数1I1U10II1E2X1RsR/22I1XX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电感绕组产生主磁通的等效，励磁电抗，亦即定子，定子侧的电阻和漏抗分别为转子绕组折算到其中，XkIIEkEX

16、kXRkRXR222022022222222,3.T型等值电路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：22122122122222122112/3/3/XXsRRsRUsRIPXXsRRUITIXm）（于是，电磁功率型等值电路可以导出可以忽略不计，由非常小，比较大，励磁电流一般情况下，4.机械特性械特性方程为三相异步电机的机之间的关系，该式就称）（与转速磁转矩上式建立起异步电机电的电磁转矩为，可以推导出异步电机再由电磁功率snTXXsRRsRUPXXsRRsRUTTPeMeem221221122122122102210/3 /3T nT根据机械特性方程，可

17、以画出三相异步电机的机械特性曲线，如右下图所示:s nABCDTmsm0n1TeA点为理想空载运行点：转速等于理想空载转速n1；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，对应转矩为启动转矩。5.机械特性曲线T nTs nABCDTmsm0n0Te界转差率求出最大转矩对应的临，就可以求导，并令将机械特性方程对0/3 /322122112212212210221dsdTsXXsRRsRUPXXsRRsRUTeMe2.26.123)(221211021221212载能力一般三相异步电机的过的比值与额定转矩：最大电磁转矩过载能力最大转矩：临界转差率：n

18、enmmmTTTTXXRRUTXXRRs机械特性表达式：由电机学可知，三相异步电动机在正弦恒压恒频供电时，机械特性方程式为：2222112123/(/)()seipU RsTRRsXX式中：n1电机的磁极对数；R1、X1定子绕组的每相电阻及漏电抗；R2为折算到定于侧的转子绕组每相电阻；X2为折算到定子侧的转子每相漏电抗。22 1memmNNmNmNTTssssPnTTss这就是三相异步电动机的实用机械特性。一般电机给出的铭牌数据有额定功率，额定转速，则有（）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

19、）交-直-交交-交1160(1)(1)fnnssp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n1不变，临界转差率sm不变。注：若带恒转矩负载，调速范围很小；若带风机负载，调速范围可以大一些。s n风机负载CTmsm0n1UnomU0.7nomU0.5nom恒转矩负载改变定子电压调速1.改变定子电压调速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改变电机的机械特性2212211221/3XXsRRsRUPTMeM特点：最大转矩不变；临界转

20、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.流为恒值。无论转速高低，转子电近似认为若带恒转矩负载，可以表达式为此时，转子回路的电流2222202sXREsEIADD3.串级调速MEADD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

21、.适用范围：绕线型异步电动机3.串级调速Tnn0n0/20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,泵速，进而实现调速。的同步角速度和实际转即可改变电动机因此改变定子磁极对数）（，转速根据转差率的定义可知调速原理：MMPPsfn16014.变极调速从而实现调速。滑地改变电机的转速，就可以平率若均匀改变定子供电频）（公式根据交流电动机的转速调速原理：11160fPsfnM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

22、子绕组电阻压降，定子电压U1降低要比频率少一些。5.变频调速能够连续调速；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）变频调速的特点：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。二异步电动机的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。M控制特点：采

23、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3.软启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-n0OACn0/2B三异步电动机的制动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-n0OAC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.END