第11章交流电动机调速控制

第5节VVVF变频器产品与使用第11章交流电动机调速控制第1节交流电动机调速概述第2节交流电动机定子侧变频调速系统第3节交流电动机转子侧串级调速系统第4节无刷直流电动机调速系统交流电动机调速控制交、直流调速系统的特点：直流调速系统优点具有较好的技术性能指标,满足调速使用的要求。缺点单机容量、电压等级、转速的参数不如交流电动机;价格高、维修不方便、不能用于有爆炸性气体和有粉尘的场合。交流调速系统优点针对直流调速的缺点，得到改变。问题技术与器件等，在技术实现上存在困难;大功率器件的开发、计算机技术的应用等使交流调速应用得到快速发展和应用。1.交流电动机结构与工作原理定子转子（1）交流电动机结构第1节交流电动机调速概述（2）异步交流电动机调速原理由定子传入转子的电磁功率：调速因子：f、s、p；f因子为频率，p因子为极对数，s因子为转差率。spfsnnpfn1601601010转差功率：有效功率：sMmPPP2222s3RrIPMP交流电动机结构与工作原理2.调速系统分类类型分类方法按调速方法分类按调速效率分类按调速平滑性分类按调速装置所在位置分类按使用的电动机分类改变供电频率f1调速高效系统有级调速定子侧调速异步电动机改变极对数p调速低效系统无级调速转子侧调速同步电动机改变转差率s调速转子轴上调速交流电动机结构与工作原理调速系统的基本类型异步电动机同步电动机转差功率消耗型系统转差功率回馈型系统转差功率不变型系统他控变频调速系统自控变频调速系统交流电动机结构与工作原理1.降电压调速2.电磁转差离合器调速3.绕线转子异步电动机转子串电阻调速转差功率消耗型系统转差功率回馈型系统4.绕线转子异步电动机转子串级调速5.变级对数调速6.变频调速转差功率不变型系统3.交流调速系统特点交流电动机结构与工作原理（1）调速参数控制保持每极磁通量不变磁通量太弱，没有充分利用电动机铁芯；磁通量增大，使铁芯饱和，导致过大励磁电流；三相异步电动机定子每相电动势有效值：m11144.4ΦNfEmΦm1144.4NΦfE控制目标：调速方法：基频以上调速基频以下调速1.变频调速的基本原理第2节交流电动机定子侧变频调速系统(3)基频以上调速(2)基频以下调速11mg11fUΦKfE恒压频比控制方式n11ffn11ffn11UUm1g1ΦfKU磁通与频率成反比降低(4)变频调速控制特性变频调速的基本原理N1UN1f1f1UmΦmΦNmΦ1U恒转矩调速恒功率调速N1U2.变频器的基本结构与工作原理变频调速控制特性要求：交流供电为恒压恒频电源变频装置变压变频电源变频装置：旋转变流机组静止变频装置直接变频装置间接变频装置N1UN1f1f1UmΦmΦNmΦ1U恒转矩调速恒功率调速N1U工作原理：（1）间接变频装置整流装置逆变装置DCACAC变频变压恒压恒频50Hz中间直流环节1)整流与逆变装置电路特点：*Uo电压幅值由Ud定*Uo电压频率由逆变器开关频率定*Uo电压频率不受电源频率限制整流——逆变，按要求导通;2）三相交—直---交变频器特点：*管子作为开关用，需可靠通、断；*逆变器管子导通角60°，6管顺序导通;变频器结构：——整流器——中间滤波环节——逆变器UoaUobUoc60ttt60120180240300360*整流回路中的触发角α变化使Ud变化，从而使Uo变化；*输出波形为矩形波，与供电正弦波有差距，产生铜耗、脉动转矩、噪声；*要求：尽可能接近正弦波.变频原理分析：*逆变回路中的导通频率变化，改变输出频率f；（2）变频器分类•交—直—交变频器1——采用可控整流器变压，采用逆变器变频；•交—直—交变频器2——采用不控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频；•交—直—交变频器3——采用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频变压；M3~M3~1）常规交-直-交变频器2）SPWM交-直-交变频器（1）问题提出——整流器必须可控，调速时须同时控制整流器和逆变器；——整流器为不控，逆变器同时控制输出电压和频率；3.正弦波脉宽调制（SPWM）（2）正弦波脉宽调制（SPWM）原理等效正弦波SPWM工作目标——输出正弦波形电压、输出频率可控；SPWM工作特点——正弦波形由等幅不等宽的脉冲系列组成；——脉冲幅值由恒定直流电源提供；——通过调制方法生成开关器件的通断控制信号：[由载波（三角波）—被调制的信号、调制波—输出波形组合调制]——逆变器中开关器件的通断由严格的计算结果控制；（3）SPWM变频器电路构成原理载波（三角波）—被调制的信号调制波—输出波形参考信号振荡器调制波三角波振荡器（4）SPWM变频器调制原理正弦波脉宽调制（SPWM）双极正弦波调制原理3.正弦波脉宽调制（SPWM）（5）SPWM变频调速实现方法——SPWM控制是由三角载波与正弦调制波的交点，确定逆变器开关的开关时刻；——自然采样法（逆变器输出的一个周期内，有2N个载波和调制波的交点）实现方法：硬件方式——模拟电子电路、数字电子电路、专用集成电路芯片；软件方式——用计算机通过软件生成SPWM波形；软件生成方法：——规则采样法——指定谐波消除法载波比：riffN载波调制波产生三相SPWM控制信号实现逆变器—交流电动机调速控制的大规模集成电路；功能1）HEF4752电路概述•提供逆变器六个功率开关器件所需的SPWM输入信号；专用芯片HEF4752•设有控制用时钟输入，实现对电动机转速、电动机定子电压、PWM载波频率、功率器件开关频率的控制。2）HEF4752电路的内部结构及工作原理8,9,10,11FCT计数器VCT计数器RCT计数器译码器实验电路输出口输出口输出口19,20,21,221,2,3,2718,13,15,16,236,7,24,2512174526输出到逆变器的驱动信号——输出口端子（A，B，C---M1、M2、C1、C2）时钟脉冲信号——计数器端子（FCT、VCT、RCT、OCT、CSP）控制输入信号——工作控制端子（CW、K、A、B、C、L、I）供电电源——直流电源接线端子（Vss、VDD）第3节电动机转子侧串级调速系统——改变消耗于转子外串电阻中的功率来改变转差率，从而达到调速的目的，是一种耗能调速的方法（转差功率消耗型系统）。1.串级调速概述在绕线式转子异步电动机的转子电路中外串电阻。转子侧串级调速是一种高效调速系统，只适用于绕线转子异步电动机。（1）绕线转子异步电动机传统的调速方法（2）绕线转子异步电动机传统的调速方法——通过转子电路中串接附加电动势Ef（相当于转子外串电阻）的方法，将原消耗在外串电阻上的功率转换为可用功率再利用，从而实现高效调速的目的。有效功率：sMmPPP转差功率：2222s3RrIP2.串级调速构成与调速原理202sEE22022202sXrsEI22022202sXrEsEIf220222022202220sXrsEIsXrEsEf转子电路中串接可控附加电动势Ef3.晶闸管串级调速系统结构与工作原理cos9.02fUEDffIEP1.永磁无刷直流电动机结构组成第4节无刷直流电动机调速系统（2）工作过程•定子电枢静止，转子磁极转动；•位置传感器检测磁极位置，通过控制装置控制定子绕组电流方向；（1）结构组成•电动机本体•控制驱动电路•磁极位置传感器普通直流电动机•电动机本体•电刷•机械换向器无刷直流电动机（1）位置传感器2.永磁无刷直流电动机调速控制•电磁式•光电式•磁敏式*磁敏式霍尔位置传感器•结构简单、体积小；•安装灵活方便；•易于实现机电一体化；种类特点•开关型；•线性型；类型•电压调整器；•霍尔元件；•放大器、触发器、输出极；组成结构•输入磁感应，输出开关量；工作过程（2）电动机工作原理21231232311,'2'2,3'1,22,'3'3,1'2,1ssssssssssiiiiiiiiii（3）电动机速度闭环控制系统1）开环调速控制•无刷直流电动机•换向控制逻辑电路；•PWM调速电路；•保护电路；组成2）闭环调速控制组成•无刷直流电动机•位置与转速检测装置•换向控制逻辑电路；•PWM调制电路；•反馈环节和保护电路；第5节变频器产品与使用1.一般变频器的基本结构通用型变频器普通开环变频变压控制型高性能闭环矢量控制型（1）VVVF型变频器概述3）特点1）控制电路组成*运算电路*检测电路*控制信号输入、输出电路*各种保护功能电路2）实施采用微处理器控制、简单硬件电路、由软件完成各种功能；通用型变频器多为：电压型变频器采用正弦波脉宽调制方式（SPWM）控制主电路：使用自关断器件为主；(2)VVVF型变频器的基本结构不带速度反馈的变频器---开环型变频器2.变频器的主要控制参数•频率指令信号选择•频率和电压范围设定•V/F的曲线选择•电动机停止方式选择•防止过电压失速功能设定•停电后再运行的情况选择•防止过电流失速功能设定3.变频器使用简介4.变频器使用实验(1)实验目的•变频器接线•变频器使用•变频器特性(3)实验内容•准备•变频器基本操作•数字量控制的基本起动运行•模拟量控制的基本起动运行•变频器输出频率、输出电压和电动机转速记录(2)实验设备•综合实验台•连接线(4)实验报告•说明参数P005、P006、P007的功能•绘制U/F协调控制曲线变频器使用实验*选择以上任意一种运行方式5.变频器输出频率、输出电压和电动机转速记录*按表1要求，改变设定频率*记录设定频率、电机转速、输出电压于表1中*改变设定频率，记录设定频率、电动机转速、输出电压于表2中12345678910设定频率Hz电机转速rpm输出电压V12345678910设定频率Hz电机转速rpm输出电压V表1表2