第1章电气传动基础知识

变频控制技术第1章电气传动基础知识工业生产发展过程，经历了三次工业革命：第一次工业革命：18世纪60年代开始，标志是瓦特改良蒸汽机。蒸汽机的广泛使用，使生产从手工业过渡到大机器生产——“蒸汽时代”。第二次工业革命：19世纪70年代开始，以电力的广泛应用为显著特点——“电气时代”。电力的应用是以发动机和电动机为重要组成设备。发电机原理的基础：•1819年丹麦的奥斯特——电流磁效应•1831年英国的法拉第——电磁感应现象1866年德国的西门子——自激式直流发电机19世纪70年代——改进的直流发电机实际生产直流电能1882年法国的德普勒——远距离送电1882年美国的爱迪生——纽约第一个火力发电站，并联结成输电网络第二次工业革命：1885年意大利的法拉里——旋转磁场原理，对交流电机的发展重大意义19世纪80年代末90年代初——制造出三相异步电动机1891年以后——三相制交流电推广，电力工业新时代第三次工业革命：20世纪40年代——计算机技术应用——“信息时代”1.1电气传动系统概述电气传动初期是直流电气传动，后来出现了交流电气传动。早期交流传动主要应用在恒速拖动场合，需要高性能调速的使用直流电气传动。直到高性能变频器出现后，这种格局才被打破。目前，交流电气传动在电气传动中占主导地位。1.1.1电气传动概念和类型•电气传动（电机拖动）的概念：•以电动机作为原动机，驱动各种生产机械的系统总称。•电气传动的特点：•功率范围大，单个设备的功率可从几毫瓦~几百兆瓦；•调速范围宽，转速可从每分钟几转~几十万转，可达10000:1。•电气传动（电机拖动）的种类：以电动机作为原动机，驱动各种生产机械的，所以根据电动机的类型分为直流电气传动、交流电气传动和步进电气传动。直流电气传动：19世纪70年代诞生。优点：良好的起动制动性能，大范围平滑调速。•缺点：主要是从电机自身结构来讲来看需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命短；存在换向火花，难以应用于易燃易爆气体的恶劣场合；结构复杂，难以制作高转速、高电压和大容量的直流电动机。最高电压1kV，极限容量n是106kWr/min。交流电气传动：19世纪90年代诞生，应用在恒速或简单变速的场合，直到20世纪80年代，高性能的变频器诞生，才应用在高性能的调速场合。优点：主要是从电机自身结构来讲来看结构简单、坚固、工作可靠、易于维护和保养；无换向火花，可用于易燃易爆气体的恶劣场合；容易制造高转速、高电压和大容量的交流电动机。电压易达到6kV、10kV，因此相同电流下，容量可以大大提高。极限容量n是400106kWr/min~600106kWr/min。步进电气传动：20世纪20年代诞生，在许多需要精确位置控制中应用。优点：是将电脉冲激励信号转变为角位移或线位移，控制精度高。1.1.2电气传动的组成结构和作用•传动系统核心：调速装置、电动机•调速装置构成：电源装置、控制装置•主要作用：改变电动机转速或输出转矩从而改变生产机械的转速或输出转矩，从而实现工艺要求、节能、提高产品质量和改善工作环境。•电源装置类型：•母线供电装置、机组变流装置和电力电子变流装置母线供电装置：包括交流母线供电和直流母线供电机组变流装置：包括直流发电机组和变频机组电力电子装置：整流装置、交流调压装置和变频器控制装置的类型：•控制装置按所用器件分类：•电器控制、电机扩大机和磁放大器、电子控制电器控制（继电器——接触器控制）：•与母线供电装置配合使用。电机扩大机和磁放大器：•与机组供电装置配合使用，20世纪30~60年代装置。电子控制：•分为分立元件、中小规模集成电路及微机和专用大规模集成电路。•控制装置按工作原理分类：•逻辑控制和连续速度调节控制逻辑控制：•通过电气控制装置控制电动机启动、停止、正反转或有级变速，控制信号来自主令电器或可编程控制器。连续速度调节控制：•与机组或电力电子变流装置配合使用，连续改变电动机速度。有开环控制、闭环控制和负荷控制三类。•控制装置按控制信号的处理方法分类：•模拟控制、数字控制和模拟/数字混合控制1.2电气传动系统的工作原理遵循运动方程：工作原理：dtdnJTTTGLM0恒速时，当减速；时，当加速；时，当,C,,000nTTTnTTTnTTTLMLMLM工作模式：速度工作模式：保持电动机轴上输出转速恒定为目的，自动调整电动机的输出转矩以适应负载的变化。如：电梯、各类生产线。转矩工作模式：保持电动机轴上输出的转矩恒定为目的，等于负载转矩和空载转矩之和。但电动机转速不是确定的。如开卷/收卷设备。1.3电气传动系统的负载特性目的：正确地把握机械负载对象的负载特性，是选择电动机及驱动电源容量、决定其控制方式的基础。负载特性：包括负载机械特性和负载功率特性负载机械特性：是指负载阻转矩与负载轴上转速之间的关系（转速——转矩特性）；负载功率特性：是指负载所消耗的功率与负载轴上转速之间的关系（转速——功率）。负载特性种类：恒转矩负载，平方降转矩负载，恒功率负载。1.3.1恒转矩负载特性当运行时，无论其速度变化与否，负载阻转矩大小总保持恒定或基本恒定。图1-3恒转矩负载及其特性a）带式输送机b）机械特性c）功率特性rFTL恒转矩负载基本特点：负载转矩:负载的阻转矩基本恒定，即负载转矩的大小与转速无关。负载功率:负载功率与速度成正比。constrFTLnkWnTP)(9550LL恒转矩负载种类：包括反抗性恒转矩负载和位势能负载。•反抗性恒转矩负载：传送带、搅拌机、挤压成形机等摩擦负载，摩擦类负载的阻转矩的作用方向与运动方向（或旋转方向）相反，运动方向改变后，负载转矩的方向也将随之改变。•位势能恒转矩负载：吊车或升降机等重力负载，负载转矩的方向不随着运动方向的改变而改变。1.3.2恒功率负载：恒功率负载是指在改变速度是时，负载转矩与转速大致成反比，负载功率不变，与转速的高低无关。图1-4恒功率负载及其特性a）卷径最小时b）卷径较大c）卷径最大rFTLvFPL恒功率负载基本特点：负载功率:负载功率基本恒定，即负载功率的大小与转速无关。负载转矩:负载转矩与速度成反比。nnPTLL19550constvFPL恒功率负载设备：轧钢机、造纸机和塑料薄膜生产线中的开卷机、卷曲机等。在巷取初期由于生产的物料卷的半径较小，为保持恒定线速度，物料卷必须以较高速旋转，而负载却转矩较小；但随着物料卷半径的逐渐变大，物料的转速也应随之降低，而负载转矩却必须相应增大。各种机床也属于恒功率负载，当粗加工时通常进给量大，负载转矩也就大，转速低；精加工时，进给量小，负载转矩就小，转速高，负载转矩与转速成反比。1.3.3二次方率负载特性各种离心风机、离心泵等流体机械，在低速时由于流体的流速低，负载只需很小的转矩即可旋转。随着电动机转速的上升，气体或液体的流速加快，流速增快，负载转矩和功率也越来越大。图1-3二次平方负载及其特性a）风机示图b）机械特性c）功率特性二次方率负载基本特点：负载转矩:负载的阻转矩与转速的平方成正比。负载功率:负载功率与速度的3次方成正比。2nkTTL39550nKnTPPLL1.4变频器概念及其发展1.4.1变频器的概念交流电动机的驱动控制器。改变输入电动机电源的频率达到调节电动机转速的目的。现代通用交流调速装置通常由全控式电力电子器件构成的静止交流变换器，即电力电子变频器，简称为变频器。变频器的输入是电网来的恒压恒频交流电，输出是电压和频率都可变的交流电。所以，变频器就是一种将工频交流电（三相或单相）变换成电压和频率都可连续变换的静止式交流电源变换装置，供给交流电动机实现软起动、变频调速。变频器的控制对象：三相交流异步电动机和同步电动机，标准的适配电机是2/4极电机。采用变频电气传动的优势：平滑软启动，降低启动冲击电流；提高变频器的输出频率提高电动机的速度；无级调速，提高调速精度；正反转控制容易；便于网络控制。1.4.2变频器发展随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的发展不断发展，发展的几个阶段：20世纪80年代初，诞生，模拟式；20世纪80年代中期，数字式；20世纪90年代后，智能式、多功能通用变频器。变频器发展中的特点：1.功率器件不断更新换代变频器的发展受其电力半导体器件的限制，常用功率半导体主要有:双极晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、门极可关断晶闸管GTO。20世纪80年代初，GTO，开关频率低，变频器调速性能较差。20世纪80年代后期，GTR，开关频率2kHz以下，载波频率和最小脉宽都受到限制，难以得到较为理想的正弦脉宽调制波形，并使异步电机在变频调速时产生噪声。随着IGBT（绝缘栅双极晶体管）的出现，其工作频率可在20KHz以上，与GTR相比不仅工作频率提高一个数量级，且在电流、电压指标（电流浪涌耐量、电压阻断峰值、门极驱动功耗等各项指标）均已超过GTR，因而在新一代的中小功率变频器中IGBT已基本上代替了GTR。采用IGBT的低压变频器的最大容量在380V级可达540KVA，而600V级的可达700KVA，可驱动485KW电动机进行调速，最高频率可达400~600Hz，能对中频电机进行调频控制。20世纪90年代末又出现适合中压（1KV-10KV）开关电路的IGCT（集成门极换流晶闸管）、以及现在使用的功率智能模块IPM：是以IGBT为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路，IPM的保护功能有过流、短路、过压、和过热等，还可以实现再生制动，由于IPM组成的变频器只需对桥臂上各个IGBT提供隔离的PWM信号即可，使变频器的体积逐渐趋向小型化，随着电力电子功率器件的发展，变频调速技术不断成熟。。名称代号符号控制方式最大电压电流及频率双极型晶体管BJTGTRBCE电流控制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10K-50k门极关断晶闸管绝缘栅双极晶体管GTO电流控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1K-10kIGBT电压控制Um：1800-3300VIm：800-1200AFm：20K-50kIGCTGCE集成门换流晶体管电压控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1K-10kGKA常用电力半导体器件2.应用范围不断扩大在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造纸、食品、装卸搬运等行业都有着广泛应用，随着各种专用变频器的出现，使变频器的应用领域进一步扩大，可以说有电机的地方就会有变频器。3.控制理论不断成熟◦早期，V/F◦1964年，提出SPWM控制方式◦1971年，矢量控制◦1985年，直接转矩控制矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现使得电动机变频后的机械特性可以和直流电机相媲美。变频调速控制技术不断成熟、功率电子器件不断发展，变频器应用日益广泛，在电气传动、节能领域起着重要的作用。通用变频器发展趋势：通用变频器？是指可以和通用的笼型异步电机配套使用，并具有多种可供选择的功能，可适用于各种不同性质负载的变频装置。1.低电磁噪音、静音化采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化;在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC;在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。如三菱公司的柔性PWM控制技术，实现了更低噪音运行。2.专用化新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型。如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型、单相变频器等。3.系统化除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（T