交流控制技术-第一章

交流电机控制技术第一章变频调速基本原理第一章变频调速基本原理1.1变频调速原则及其机械特性1.2电压型变频器工作原理1.3逆变器换流方式1.4变频器的变压方式1.1变频调速原则及其机械特性根据控制方式，变频调速原则有：恒磁通变频调速：Φ＝const恒功率变频调速：P＝const一、恒磁通变频调速1、保持恒磁通的原因1.1变频调速原则及其机械特性1160fnp11114.44wmEfNk111EmUEkf只改变频率f1合理吗？异步电动机电势方程忽略电阻压降11mEUkf结论：在电压一定时频率的变化对磁通是有影响的根据磁化曲线，电机设计的工作点为C点。频率下降会引起磁通的增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加很快，铁损增大，电机过热，使电机负载能力下降、效率降低1.1变频调速原则及其机械特性使电机负载能力下降、效率降低保持恒磁通的原因'22cosTmTCI频率增加将导致磁通下降为维持恒定转矩→I2↑有过流的危险。'111'111constUUEfff造成磁路过饱和根据磁化曲线工作点为C点励磁电流增加很快，铁损增大，电机过热，转矩减小频率下降会引起磁通的增加结论：不论f上升还是下降均应保持Φm＝常数。变频调速的原则之一2、低速的电压补偿1.1变频调速原则及其机械特性'2'221122112[()]ekrpmUsTrfrxs211max221114[(]kpmUTfrrx恒磁通变频调速电机的机械特性参数表达式当频率较高时1kxr当频率较低时1krx可以忽略xk，最大转矩减小可以忽略r1，最大转矩为常数'111'111constUUEfff221111max22111428kkpmUpmUTffLLfgg2211111max21111428kpmUpmUTffLfggg1.1变频调速原则及其机械特性11constUf低速的电压补偿在实际用应用中，由于电机的感应电势E1难以测量和控制，采用近似恒磁通原则，即11constEf在低频时，定子电阻r1上压降对最大转矩有较大影响。为保持理想的恒磁通在低频时，U1和E1差值较大在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补偿低频段定子电阻引起的压降。蓝色无补偿有补偿f1U1补偿后的机械特性Nf''''''111Nffff'1f''1f'''1fn1n'1n''1n'''1n0T为常数时的变频调速机械特性11/fU恒磁通变频调速一、恒功率变频调速1、保持恒功率的原因1.1变频调速原则及其机械特性1mf11114.44wmUfNk'22coseTmTCI电压不变19550eMTnPconstMP属恒功率变频调速当频率f高于50Hz时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这显然是不允许的。应换另一种调速原则。1fT1constTf2、恒功率调速原则1.1变频调速原则及其机械特性211max221114[(]kpmUTfrrx21maxmax212'2'11NN2'2112'2''11111'11NNUTTTfUUTTffUUTfTfff高频时：而则有变频后因为恒功率有所以＝恒功率调速恒功率变频调速原则'11'11UUff＝恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为扩大调速范围，在基频以上采用恒功率调速；在基频以下采用恒转矩调速。恒功率变频调速在基频以上变频调速时，若要保持恒定，则=常数，定子电压需要高于额定值，这是不允许的。因此，基频以上变频调速时，应使保持额定值不变。这样，随着升高，气隙磁通将减小，相当于弱磁调速方法。m11/fU1U1fn'''1n''1n'1n1nNf'1f''1f'''1f''''''111Nffff0T不同频率下各机械特性曲线的稳定运行区段近似平行变频控制时的电动机运行状态图所示为变频器控制电机时在整个调速范围的一族机械特性曲线。在额定转速以下采用恒转矩变频调速，而在额定转速以上采用恒功率变频调速，因此调速范围明显扩大。异步电动机变频调速可以实现四象限运行。如果按照一定规律控制，异步电动机的起动、制动、反转和调速过程时间都可以缩至很短，因此在变频调速时，异步电动机可具有良好的动态特性。200010000204060(.)TNmmaxT恒P恒100Hz75Hz50Hz25Hz(min)nr异步电动机变频调速时的机械特性变频时的起动状态12341n2n3nn0TLTf3f2f1当频率由f1→f2→f3时，电动机将沿着图示虚线由点1→2→3加速，转速由n1→n2→n3，达到新的稳定运行点。为了缩短加速时间，应当使电动机在加速过程中始终保持有最大转矩，即应当使电机沿着最大转矩的包络线进行加速。异步电动机变频调速的加速过程变频时的再生发电制动状态在变频调速系统中，电动机转速的下降是通过降低频率来实现的。当异步电动机在某一频率下运转时，如果将频率迅速降低，使转差率变负，则可以使电动机处于再生发电制动状态，此时电动机运行于第二象限，如图所示。此时，电能通过逆变器回馈到变频器直流侧。在减速过程中若始终保持频率比电动机转速下降得快，那么电动机就一直维持在再生发电制动状态。A1C2B3B4B5B6B7B8BBT0LT8f7f6f5f4f3f2f1fT()nf异步电动机再生发电制动状态的机械特性1.2电压型变频器工作原理一、系统构成整流器中间电路逆变器控制电路M整流器逆变器中间电路1.整流器连接交流电源，输出直流电压。2.中间电路一个大的电抗器Ld能产生直流电流，则中间电路相当于一个电流源（电流型变频器；一个大的电容Cd，缓冲负载无功功率的储能元件，能产生直流电压，则中间电路相当于一个电压源(电压型变频器)；通过崭波器可调节直流电压。3.逆变器变频器核心，作为异步电动机的变频电源，将直流电压逆变为交流电压。4.控制电路控制所有开关元件动作三相180°导电型六拍变频器一般为电压型变频器。整流器为可控整流器，如图所示。图中，电容C很大，起滤波作用。直流侧电压为一恒定值，相当于电压源。在三相逆变器中，电动机正转时功率管的导通顺序是VT1、VT22、VT3、VT4、VT5、VT6，各功率管驱动信号间相隔60°电角度。180°导电型的特点是每只功率管的导通时间为180°，在任意瞬间有三个功率管同时导通（每条桥臂上有一只功率管导通），它们的换流是在同一条桥臂内进行，即在VT1-VT4，VT3-VT6，VT5-VT2之间进行相互换流。AC1VT~dU3VT5VT4VT6VT2VTOBC三相180°导电型变频器主电路图1.2电压型变频器工作原理•据脉冲信号波形不同，三相桥式逆变电路的开关元件的导通时间不同，根据元件导通时间分为180°、120°、150°导电型1、180°导电型1.2电压型变频器工作原理VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6区间1区间2区间3区间4区间5区间6180°导电型导通：561612123234345456设负载为星形连接，逆变器的换流是瞬间完成的，若以电动机定子绕组中性点O点电位为参考点，在不同导通区间的相电压可通过图中的等值电路求得，AAOABCOBCOBCdUdUAOBCdUdUAOCBdUOCBAdUIIIIIIIVVVI三相180°导电型变频器供电的等值电路1.2电压型变频器工作原理180°导电型等值电路5616121232343454561.2电压型变频器工作原理180°导电型相电压UAO,UBO及线电压UAB波形2/3Ud1/3UdUdOBCdUA561区间1区间1区间2区间3区间4区间5区间6导通：561612123234345456UAOUBOUAB1.2电压型变频器工作原理180°导电型UAOUBOUABUCOUBCUCA1.2电压型变频器工作原理波形分析2220011223TAoAoAoUudtudtUdT180°导电型uduAo2/3ud1/3ud相电压有效值2220011223TABABABUudtudtUdT线电压有效值o2111(sinsin5sin7sin115711AuUdtttt＋＋）31112(sinsin5sin7sin115711ABuUdtttt）谐波分析波形不含有3的n次倍数的谐波谐波分析UAOUAB1.2电压型变频器工作原理180°导电型特点：每只开关元件的导通时间是180电角度；在任意时刻有三只管子同时导通；开关顺序：561－612－123－234－345－456；同一桥臂一个管子截止，另一个管子导通，如VT1截止－VT4导通；控制电路发出一个触发信号，依次送给VT1~VT6号晶闸管。对于晶闸管这样的半控器件，如何保证同一桥臂一个管子截止，而另一个管子导通？将某只导通的晶闸管中的电流转移到另一只中去，后者导通时前者必须可靠关断(换流过程)需要研究换流方式要求每只开关元件的导通时间是120电角度；在任意时刻有二只管子同时导通；每60°控制电路发出一个触发信号，依次送给VT1~VT6号晶闸管。1.2电压型变频器工作原理导通规则2、120°导电型逆变器的工作方式三相120°导电型变频器主电路图AC1VT~dU3VT5VT4VT6VT2VTOBC1.2电压型变频器工作原理120°导电型区间1区间2区间3区间4区间5区间6导通：611223344556VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6设负载为星形连接，120°导电型三相逆变器供电时各区间的等值电路如图所示：AOBCdIAOBCdIAOBCdIAOBCdIAOBCdIAOBCdIIIIIIIIVVVI三相120°导电型逆变器供电的等值电路1.2电压型变频器工作原理120°导电型1.2电压型变频器工作原理区间1区间2区间3区间4区间5区间6导通：611223344556120°导电型1/2Ud-1/2UdUdUAOAOBCdUIUBOUAB611.2电压型变频器工作原理120°导电型相电压UAO,UBO及线电压UAB波形UAOUBOUCOUABUBCUCA1.2电压型变频器工作原理波形分析2220011126TAoAoAoUudtudtUdT120°导电型相电压有效值线电压有效值1/2ud2220011122TABABABdUudtudtUTud无论是线电压还是相电压均低于180导电型，很自然因为导通时间短。1.2电压型变频器工作原理180°导电型特点：每只开关元件的导通时间是120电角度；在任意时刻有二只管子同时导通；开关顺序：61－12－23－34－45－56；同一桥臂的两只管子之间隔了60电角度才导通，所以换流比较安全；VT1截止－VT3导通，而两个管子处在相邻桥臂，换流在相邻桥臂进行（与180不同）；控制电路发出一个触发信号，依次送给VT1~VT6号晶闸管。对于晶闸管这样的半控器件，如何保证换流？需要研究换流方式1.2电压型变频器工作原理写报告一：120°导电型控制方法要求：分析120°导电型原理；描述其工作过程；写出开关管导通顺序和120°导电型特点；画出120各导通区间等值电路画出120°导电型波形；写出相电压有效值和线电压有效值计算公式作业：1.3逆变器换流方式一、电网电压换流特点：利用电网电压自动过零并变负的性能来换流；适用于整流器和交交变频器。自然换流在这一区间内电压vBvAVT3承受的是正向电压，给一个触发信号VT3，VT1承受的是反向电压就会关断。不必另加换流电路。1.3逆变器换流方式二、负载反电势换流特点：利用负载的反电势来换流；适用于对同步电动机供电。自然换流换流前电流路径存在换流超前角vAB=eA-eB0存在反电势换流后电流路径1.3逆变器换流方式三、强迫换流特点：利用专门的换流电路使晶