电力托动自动控制系统陈伯时课件第六章

交流拖动控制系统第2篇自动控制系统第六章自动控制系统交流异步电动机变压变频调速系统内容提要综述交流调速的基本类型变频调速的构成及基本要求静止式变频装置简介正弦波脉宽调制（SPWM）变频器异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性转速开环、恒压频比控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统综述直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。•交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速1.一般性能的节能调速在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20%~30%以上的电能，效果是很可观的。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。2.高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。3.特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。第一节交流调速的基本类型由电机学已知，感应电动机的转速可表示为)1(60)1(10snfsnnp0n1fpns式中：──同步转速，单位为r/min；──定子频率，单位为Hz；──磁极对数；──转差率。•按交流电动机的调速方法分类型变频调速：绕线式、笼：绕线式串级调速（转差电压）电磁转差离合器调转子电阻：绕线式、调压（定子电压）变转差率调速变极调速：笼型异步机~按电动机的能量转换类型分类按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。PmechPmPs即Pm=Pmech+PsPmech=(1–s)PmPs=sPm从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。1.转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热能消耗掉。上述的调压、转子串电阻、电磁转差离合器调速方法均属于这一类。这类调速系统的效率最低。但因系统结构简单，所以仍有一定应用场合。2.转差功率回馈型调速系统转差功率的一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网，或转化为机械能予以利用。串级调速属于这一类，调速效率显然比第一类要高，但要增加一些设备。3.转差功率不变型调速系统无论转速高低转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。变极数、变频调速方法属于这一类。其中变对数的调速方法，只能进行有级调速，应用场合有限。变频调速调速范围宽、平滑性好、效率高、具有优良的静态及动态特性，是应用最广的一种高性能的交流调速。第二节变频调速的构成及基本要求一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路三大部分组成，静止式变频装置的输入是三相或单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，一般来说，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象──感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担的。一、变频调速的构成二、变频调速的基本要求在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：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。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。定子每相电动势mNs1gS44.4ΦkNfE（6-2）式中Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；—定子频率（Hz）；—定子每相绕组串联匝数；—基波绕组系数；—每极气隙磁通量（Wb）。f1NskNsm由式（6-2）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.基频以下调速由式（6-2）可知，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1gfE常值即采用恒值电动势频率比的控制方式。.1..1111..1)ω(IZEILjREUglg然而，绕组中的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Us≈Eg，则得（6-5）这是恒压频比的控制方式。常值1fUs但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。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。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。OUsf1图6-3恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿2.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。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。f1N•变压变频控制特性图6-4异步电机变频调速的控制特性恒转矩调速U1U1NΦmNΦm恒功率调速ΦmU1f1O如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。因此,V/F控制必须是改变频率的同时，改变逆变器的输出电压，才能保证调速电机的效率、功率因数不下降。V/F控制比较简单，多用于通用型变频器、风机泵类的节能、生产流水线的工作台传动、空调和家电等。第三节静止式变频装置简介本节提要间接变频装置构成及控制方式电压源和电流源变频器交-直-交电压源变频器工作原理变频调速系统中，静止式变频装置是系统的中心环节，它的任务是把频率和电压恒定的电网电压变成频率和电压可调的交流电，这样的装置通称为变压变频（VVVF）装置。从结构上看，静止变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变将直流变化为可控频率的交流（简称交-直-交变频器），因此又称有中间直流环节的变频器装置。直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节。目前应用较多的还是间接变频装置。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。一、间接变频装置的构成及其控制方式•交-直-交变压变频器基本结构图6-5交-直-交（间接）变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC~50Hz整流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（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。•交-直-交PWM变压变频器基本结构图6-6c交-直-交PWM变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC~50Hz调压调频CPWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，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，系统的动态性能也得以提高。4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。PWM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和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。•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DCACAC~50Hz调频调压图6-5a可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器二、电压源、电流源变频器在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。•两种类型逆变器结构逆变器逆变器LdIdCdUdUd++--a)电压源逆变器b)电流源逆变器电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型逆变器（VoltageSourceInverter—VSI），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。电流源型逆变器（CurrentSourceInverter—CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。表6-1电压源和电流源交-直-交变频器主要特点比较变频器类型比较项目电压源电流源直流回路滤波环节无功功率缓冲环节电容器电抗器输出电压波形矩形波决定于负载，对异步电机负载近似为正弦波输出电流波形决定于负载的功率因数，由交大的谐波分量矩形波输出阻抗小大回馈制动须在电源则侧设置反并联逆变器方便，主电路不需要附加设备调速动态响应较慢快适用范围多电机拖动，稳频稳压电源单电机拖动，可逆拖动三、交-直交电压源变频器工作原理交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1~VT6组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。•三相桥式逆变器主电路结