交流调速系统概述

交流调速系统概述1.1、交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类,这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的。所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。相比于直流电动机，交流电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。随着电力电子技术，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，交流可调传动得到了广泛的发展，诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。1.2交流调速系统的应用由于交流调速系统的优越性，其已经普遍应用于现代工业中，主要由以下几个方面：（1）、风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进行变频、串级调速，可以节能。（2）、对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。（3）、纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。（4）、钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。（5）、有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。（6）、油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。（7）、变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。（8）、变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。（9）、变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。（10）、机械行业是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。1.3、交流调速系统分类交流调速系统分为交流异步电动机调速系统和交流同步电动机调速系统两大类。1、在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率mp可以分成两部分：一部分mmechps-1p）（是拖动负载的有效功率，另一部分是msspp与转差率s成正比的转差功率，转差功率的流向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的流向向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：（1）、转差功率消耗型调速系统这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率msspp增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率sp愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。（2）、转差功率馈送型调速系统这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。（3）、转差功率不变型调速系统这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速0n，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变0n的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。2、在交流同步电动机中，由于其转差功率恒为零，从定子传入的电磁功率mP全部变为机械轴上输出的机械功率mechP，只能是转差功率不变型的调速系统。其表达式为p1nf60nn,同步电动机的调速只能通过改变同步转速1n实现，由于同步电动机极对数是固定的，只能采用变压变频调速。交流调速系统的调速2.1三大调速方案由电机与拖动技术知，交流异步电动机的转速公式如下：n1ps-1f60n）（（1-1）式中np——电动机定子绕阻的磁极对数；1f——电动机定子电压供电频率；s——电动机的转差率。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是m11gN4.44fE（1-2）式中gE—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；1f—定子频率（Hz）；1N—定子每相绕组串联匝数；m—每极磁通量（Wb）。从上两式中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。1、变压变频调速当异步电动机的磁极对数np一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率1f可以达到调速目的，为了达到良好的控制效果，常采用电压——频率协调控制，电动机转速n基本上与电源的频率1f成正比，因此，就能平滑地调节供电电源的频率，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，只要控制好gE和1f便可达到控制气隙磁通m的目的，对此有基频（额定频率50Hzf）以下和基频以上两种情况，基频50Hzf以下，保持气隙磁通不变，属于恒转矩调速方式；在基频50Hzf以上，保持定子电压不变，属于恒功率调速方式。（1)、基频以下调速在基频一下调速时，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通m为额定值Nm不变，这就要求频率1f从额定值N1f向下调节时，必须同时降gE使m11gN4.44fE常数,即保持电动势与频率之比常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但是，gE难于直接检测和直接控制。（当gE和1f的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压sU和频率1f的比值为常数，即认为gEU1，保持1fsU常数即可）,这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。低频时，1U和gE都较小，定子电阻和漏磁感抗压降（主要是定子电阻压降）所占的分量比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地适当提高定子电压sU，以便近似地补偿定子阻抗压降，使气隙磁通基本保持不变。图1基频以下调速机械特性（2）、基频以下电流补偿控制基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的有点，但负载的变化将导致磁通的改变，因此采用需要采用定子电流补偿，根据电子电流的大小改变电子电压，保持磁通恒定。有保持定子磁通ms（曲线a）、气隙磁通m（曲线b）和转子磁通mr（曲线c）恒定的三种控制方法，以下图2是这三种控制方法的特性曲线图2不同控制方式下，异步电动机的机械特性与恒压频比控制相比，恒定子磁通ms、恒气隙磁通m和恒转子磁通mr的控制方式均需要定子电流补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通ms和恒气隙磁通m的控制方式虽然改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力受到限制。恒转子磁通mr的控制方式，可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。（3）、基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从N1f往上升高，但受电机绝缘耐压的限制，定子电压sU却不能超过额定电压，最多只能保持sNUUs额定电压不变。由式（1-2）可知，这必然会导致主磁通m随着1f的上升而降低，使异步电动机工作在弱磁状态，允许输出转矩减小，但转速却升高了，可以认为允许输出转功率基本不变，属于近似的恒功率调速方式。其机械特性曲线在固有特性曲线之上。2、改变电动机的极对数调速由异步电动机的同步转速n11pf60n可知，在供电电源频率1f不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数np，即可改变异步电动机的同步转速1n，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只需有级调速的场合。3、改变电动机的变转差率调速由式（1-1）知，可以通过改变异步电动机的转差率s来改变电动机转速。改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速、电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速和串级调速等。（1）、异步电动机定子调压调速定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。（2）、电磁转差离合器调速电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。（3）、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。（4）、绕线式异步电动机串级调速绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势fE，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势fE，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。fE越大，电动机转速越低。上述这些调速的共同特点是在调速过程中没有改变电动机的同步转速0n，所以低速时转差率s较大。2.2、异步电动机的调速系统1、脉冲宽度调制技术在异步电动机变频调速时，为了得到理想的控制效果需要有电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。这就涉及到了交流PWM变频技术，即脉冲宽度调制技术，这是现代变频器中用得最多的控制技术。脉冲宽度调制（PWM)的基本思想是：控制逆变器中的电力电子器件的开通或关断，输出电压为高度相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。传统的交流PWM技术是用正玄波来调制等腰三角波，称为正弦脉冲宽度调制（SPWM)，随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术和电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术。（1）、正弦脉冲宽度调制（SPWM)SPWM是以频率与期望值得输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率与期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。SPWM采用三相分别调制，在调制度为1时，输出相电压的基波幅值为2Ud，输出线电压的基波幅值为d23U，直流电压的利用率为9866.0。若调制度大于1，直流电压的利用率可以提高，但会产生失真现象，谐波分量增加。这是普通SPWM变频器的一个短处，其输出电压带有一定得谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机的转矩脉动，在SPWM的基础上衍生出“消除指定次数谐波”的SHEPWM控制技术。（2）、电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术SPWM控制技术的目的只在于使输出电压接近正玄波，并为考虑到电流波形因负载的性质及大小的影响。对了、交流电动机来说，应该保证为正玄波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，这就是以正弦波电流为控制目标的优越性，电流跟踪PWM就能实现这种控制。CFPWM的控制方法是在原有主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电