电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt6-1,2,3笼型异步电机变压变频调速系统(VVVF系统)――转

电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统电力拖动自动控制系统第6章电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22本章主要内容变压变频调速的基本控制方式异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性电力电子变压变频器的主要类型变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33学习要点：1、变频调速的基本控制方式：基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速；基频以上，恒压升频控制，实现恒功率调速；2．异步电动机电压频率协调控制的稳态机械特性：CVCF时的机械特性，电压频率协调控制下的机械特性：（1）Us/ω1=恒值控制，（2）恒Eg/ω1控制，（3）恒Er/ω1控制。重点、难点:异步电动机改变电压时机械特性的变化规律电力拖动自动控制系统电力传动控制系统446.1变压变频调速的基本控制方式在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。--------如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；--------如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55异步电动机等效电路UsLmI0EgEsErsR1sIlsL'rI'lrLsRr'电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66定子每相电动势mNsgSkNfEΦ44.41—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V)；gE—定子频率(Hz)；1f—定子每相绕组串联匝数；sN—定子基波绕组系数；Nsk—每极气隙磁通量(Wb)。mΦ电力拖动自动控制系统电力传动控制系统771.基频以下调速要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使1fEg常值---即采用电动势频率比为恒值的控制方式。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88恒压频比的控制方式感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则这是恒压频比的控制方式。gsEU常值1fUs电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99注：电压补偿(转矩补偿)在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1010带电压补偿的恒压频比控制特性0UsUsNf1f1Na—无补偿b—带定子压降补偿电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11112.基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212变压变频控制特性f1N图6-2异步电机变压变频调速的控制特性恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf1O电力拖动自动控制系统电力传动控制系统13136.2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性基频以下电压频率协调控制的机械特性基频以上恒压变频控制的机械特性电力拖动自动控制系统电力传动控制系统14141.恒压恒频正弦波供电时的机械特性2'2122''121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT最大转矩2'21121max)(123lrlsssspeLLRRUnT电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515机械特性nn0smsTemaxTe010TeTemax电力拖动自动控制系统电力传动控制系统16162.基频以下电压频率协调控制时的特性由机械特性方程式（6-4）可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压（Us）和频率1可以有多种配合，因此可以有不同方式的电压－频率协调控制。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1717（1）恒压频比控制（Us/1）在恒压频比的条件下改变频率1时，机械特性基本上是平行下移，它们和直流他励电动机变压调速时的情况基本相似。最大转矩Temax随着1的降低而减小，频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818恒压频比机械特性eT0nNn003n02n01nN11112131312111N补偿定子压降后的特性电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919（2）恒Eg/1控制如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高电压Us，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值，则无论频率高低，每极磁通m均为常值。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2020异步电动机等效电路UsLmI0EgEsErsR1sIlsL'rI'lrLsRr'电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2121恒Eg/1机械特性2'2122''1213lrrrgpeLsRRsEnT最大转矩'21max123lrgpeLEnT当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2222机械特性曲线eT0nNn003n02n01nN11112131312111NTemax恒Eg/1控制的稳态性能优于恒Us/1控制，它正是恒Us/1控制中补偿定子压降所追求的目标电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323（3）恒Er/1控制'1213rrpeRsEnT这时的机械特性是一条直线，和直流他励电动机机械特性相同。0s1abc恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制0Te电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2424转子全磁通的感应电动势Er对应于转子全磁通幅值rm：rmNssrΦkNfE144.4按照转子全磁通为恒值进行控制，就可以获得Er/1恒定，这正是矢量控制系统所遵循的原则。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2525小结恒压频比（Us/1=恒值）控制最容易实现，变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿，可以在稳态时达到Φm恒定，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒Er/1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照Φrm恒定进行控制即得Er/1=恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统所追求的目标，当然实现起来是比较复杂的。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统26263.基频以上恒压变频时的机械特性2'2122'1'2)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT最大转矩2'21212max)(123lrlssssNpeLLRRUnT电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727基频以上恒压变频机械特性eT0nNn0cn0bn0an0N1a1b1c1恒功率调速c1b1a1N1当电源频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。1电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828作业：6-1、6-2电力拖动自动控制系统电力传动控制系统29296.3电力电子变压变频器的主要类型本节提要交-直-交和交-交变压变频器电压源型和电流源型逆变器电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030学习要点：1.静止式变频装置；间接变频——交直交变频装置直接变频——交交变频装置电压源和电流源变频器；2.正弦脉宽调制（SPWM）逆变器工作原理。重点、难点:1.正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器的控制方式。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131引言如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统32326.3.1交-直-交和交-交变压变频器从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交-直-交变压变频器交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333•交-直-交变压变频器基本结构变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC50Hz~整流电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3434由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535•交-直-交PWM变压变频器基本结构变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC50Hz~调压调频C电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636PWM变压变频器的应用广泛，具有如下的优点：（1）只有逆变单元可控，它同时调节电压和频率，结构简单。（2）采用PWM控制技术，正弦基波的比重较大，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3737PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838•普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控整流器六拍逆变器DCACAC50Hz~调频调压电力拖动自动控制系统电力传动控制系统39392.交-交变压变频器交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4040•交-交变压变频器的基本结构交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4141•交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+--+a)每相电路结构负载50Hz~50Hz~u0电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4242•交-交变压变频器的控制方式整半周控制方式正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图b所示。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4343方波型平均输出电压波形tu0正组通反组通正组通反组通•输出电压波形电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4444•控制方式（2）调制控制方式要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角由/2（对应于平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u