现代交流调速技术

现代交流调速技术西安科技大学电控学院蔡文皓目录第一章绪论第二章基于静态模型的变频调速系统第三章绕线型异步电机串级调速系统第四章第五章异步电机的矢量控制第六章异步电机的直接转矩控制第一章绪论§1.1交流调速系统的概况§1.2异步电机的机械特性§1.3异步电机的基本调速方法返回目录一、电气传动系统的发展历程直流传动和交流传动分别在19世纪先后诞生。19世纪80年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式19世纪末，交流传动开始在工业生产中得到应用交流电的产生；三相制交流电输送与配电问题的解决；交流鼠笼式异步电动机的发明；§1.1交流调速系统概况生产技术的发展，对电气传动系统在启制动﹑正反转﹑调速精度﹑调速范围和静动态特性方面提出了更高要求应用情况：高性能可逆可调速传动领域都采用直流传动；约占电气传动总容量80%的不变速传动采用交流传动；技术性能：直流传动具有优良的调速性能；交流传动因技术发展的局限性，尽管提出多种技术解决方案，但是性能无法与直流传动相比，难于满足生产要求；20世纪前半叶交流传动技术获得突破性进展直流电机具有电刷换向器，必须进行维护，转速不高，容量小，适用范围有限；席卷全球的石油危机迫使西方工业国家投入大量的人力物力研究高效的交流调速系统。技术基础的发展：大规模集成电路﹑计算机控制技术和现代控制理论的发展，为交流电气传动的发展创造了前提条件。20世纪70年代目前，交流传动有取代直流传动的趋势。交流调速在各个领域的应用比例正在逐渐增大。技术方法：变频调速﹑矢量控制/磁场定向控制技术﹑直接转矩控制交流调速系统发展迅速。1.节能大多数交流传动装置设计留有相当余量，而且不总在最大负荷下运行，可以在负荷变化时，采用变流技术降压，达到节能的目的；例如，风机水泵消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台可节能20%。二、交流传动系统的应用前景2.特大容量，极高转速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量和转速的乘积约为106KW.r/min,交流电机无此限制,因此特大容量(厚板轧机﹑矿井卷扬机)和极高转速传动(高速磨床﹑离心机)。3.传统直流传动系统的技术改造过去许多工艺上需要调速的生产机械用直流传动,采用交流传动来改造直流传动。交流电机有同步电机和异步电机两大类1.异步电机调速系统的类型①降压调速;②电磁转差离合器调速;③绕线转子异步电机转子回路串电阻调速;④绕线转子异步电机串级调速;⑤变极对数调速;⑥变压变频调速三、交流传动系统的类型从转差功率转换的角度来看，可以将异步电机调速系统分为三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率回馈型调速系统；转差功率不变型调速系统。类型调速方法特点转差功率消耗型降压调速;电磁转差离合器调速;转子回路串电阻调速;消耗全部功率；效率最低；结构简单；转差功率回馈型绕线转子异步电机串级调速.大部分转差功率回馈利用；效率较高；需要回馈装置转差功率不变型变极调速;变压变频调速.转差功率消耗基本不变；效率高MM2(1)MMPsPsPPsP转差功率Ps=SPm同步电动机可采用变频调速。根据频率控制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类:1．他激式同步电动机调速系统用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源2．自控式同步电动机调速系统采用频率闭环方式的同步电动机调速系统是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。2.同步电机调速系统的类型1.变频调速：是最有发展前途的一种交流调速方式。交-直-交变频调速系统（在电压型和电流型基础上，向PWM型变频和多重化技术方向发展）交-交变频调速系统（在低速大容量应用方面有上升的趋势）变频器的电力半导体器件向模块化﹑快速化﹑光控化﹑高电压﹑大电流﹑自关断和高可靠性方向发展；系统向高性能﹑高精度﹑大容量﹑微型化数字化发展。四、交流调速系统的主要发展方向2.串级调速这是一种利用绕线式异步电机的转差功率（相当于转子附加电势）的一种比较经济的调速方法，我国串级调速技术比较成熟，有系列化产品。3.双馈电机又称超同步串级调速，绕线式异步电机的定子由电网电源供电，转子由变频器电源供电，可以在同步速度以上运行，不但可以运行在再生制动状态，还可以运行在电动状态。如采用矢量控制性能类同直流调速系统，并可改善系统功率因数，是一种很有前途的调速方式。4.无换向器电机又称晶体管电动机，它是具有位置检测器由变频器供电的同步电动机系统。采用位置检测器和晶闸管代替了相当于直流电动机的电刷和换向器，无换向器电机的原理﹑启制动和调速特性与直流电机相似。有人甚至断言：如果说交流调速将取代直流拖动，那么无换向器电动机将取代其他交流调速方式。①相位控制：相位控制主要应用于交-交和交-直-交变频器的整流控制②调压调频技术：保持恒磁通变频控制（恒转矩控制）原则，要求变压变频控制。③转差频率控制：在调速过程中，保持有限的转差频率进行控制，可以获得高效调速方式。在转差率很小时，考虑到转矩，转差频率及转子电流成正比关系，因此可以利用定子电流幅值和静态同步角速度去控制变频器。五﹑交流调速控制技术的发展④脉宽调制控制PWM调制型变频器由于输入功率因数高和输出波形好的特点，近年发展较快。调制方法：如SPWM，准SPWM，最佳开关角PWM，电流跟踪型PWM等等。原理上：面积法，图解法，计算法，采样法，优化法，斩波法，角度法，跟踪法和次谐波法等等。脉宽调制以往多用于交-直-交电压型变频器，最近电流型变频器也开始应用，如电流跟踪型PWM就是一例。⑤矢量控制基本思想是设法模拟直流电机的控制特点对交流电机进行控制，它分为：磁场定向式矢量控制和转差频率式矢量控制。⑥磁场控制磁场轨迹法：基本思想是产生接近圆形的旋转磁场，改变旋转磁场的速度，即可调节电动机的转速。异步电机的磁场加速法：磁场加速法是防止励磁电流发生电磁暂态现象，对电机定子电流按一定规律进行控制，可以实现直流电机那样的快速响应。⑦直接转矩控制它对电机参数变化不敏感，可获得良好的调速性能，一般PWM是靠提高调制频率来实现高动态，而直接转矩控制是通过转矩和磁通独立跟踪调整来实现PWM高动态，逆变器成本低，效率高。高频化技术交流电源的高频化可使交流变频电源的体积小﹑重量轻﹑性能好，并能节省电能。无功补偿为了保证供电质量，国家对功率因数和谐波极限提出了要求，为了达到这些指标要求必须采取相应的措施：提高自然功率因数或采用无功补偿。谐波抑制对于高次谐波抑制，可将整流器接成Y/△或△/Y型，增加整流器的脉冲次数，加装调谐滤波器。由半导体功率变换器组成的整流器逆变器斩波器以及交-直-交变频器、交-交变频器等装置在交流调速领域中得以广泛应用，但是，目前还存在以下问题：高次谐波的影响①使电动机产生附加损耗，温升增加，电动机出力受到限制；②使电动机产生转矩脉动，在低速稳定运行时影响较大，当脉动频率较低，接近机械系统固有频率时，容易产生机械共振；③电动机和电器噪声增大，对无线电通信干扰增大。六、交流传动系统存在的主要问题瞬时停电措施电源供电系统因雷击或其他原因发生接地故障时，将发生紊乱。从事故发生到瞬时事故消除或通过继电器切断事故回路，这段时间一般在1秒以内，如果变频装置没有瞬时停电措施，会产生过流或过压，在恢复供电时可能造成逆变器换流失败。功率因数变坏半导体功率转换装置采用相位控制，使它们的功率因数变坏，对供电电源质量带来不利的影响。在晶闸管电力变流器供电时运行的功率因数比在正弦波电源供电下运行的功率因数低8%。三相感应电动机的结构（1）定子部分定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。（2）转子部分转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。包括端盖、风扇等。（3）其它部分§1.2异步电动机的工作原理及机械特性按转子结构分：绕线型感应电动机笼型感应电动机（1）转动原理电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。三相感应电动机的工作原理右手定则决定电流方向左手定则决定导条受力方向一﹑异步电机的机械特性异步电机按其结构可以分为笼型和绕线型两种类型，其中笼型异步电动机坚固耐用。1.基本概念同步转速:三相异步电动机定子侧通以频率为f1的三相交流电压,则定子与转子气隙间会产生旋转磁场,其速度称为同步转速。1§1.2异步电动机的工作原理及机械特性1160(r/min)fnp11100%(4-3)nnsn在电动机运行状态下，随负载增加，转速n，转差率s1111112222221112221122UIRjIXEUIRjIXEUIEUIERXRX式中，，，—定子侧电压，电流和电动势，，—转子侧电压，电流和电动势，—定子绕组电阻和漏抗，—转子绕组电阻和漏抗2.电压平衡方程20222222222020211221212112/1/,;EEIRjsXRsjXIIkEEEskwkkkwkkwwEIIIjX于是，将其归算到定子侧，—转子静止时的电动势，；—变比，；，—定子和转子的绕组系数；，—定子和转子的绕组匝数；电动机的磁化电流在空载和负载时近似相同亦即常数§1.2异步电机的机械特性1I1U10II1E2X1RsR/22I1XX根据电机学原理，若①忽略空间时间谐波；②忽略磁饱和；③忽略铁损耗；异步电动机的T型等值电路如右图所示电感绕组产生主磁通的等效，励磁电抗，亦即定子，，，定子侧的电阻和漏抗分别为转子绕组折算到其中，XkIIEkEXkXRkRXR222022022222222,3.T型等值电路机械特性主要指电机电磁转矩与转速之间的稳态关系。下面来推导异步电机的机械特性：22122122122222122112//3/3/XXsRRsRUsRIPXXsRRUITIXm）（于是，电磁功率型等值电路可以导出可以忽略不计，由非常小，比较大，励磁电流一般情况下，4.机械特性§1.2异步电机的机械特性械特性方程为三相异步电机的机之间的关系，该式就称）（与转速磁转矩上式建立起异步电机电的电磁转矩为，可以推导出异步电机再由电磁功率snTXXsRRsRUPXXsRRsRUTTPeMeem221221122122122102210//3//3TnT根据机械特性方程，可以画出三相异步电机的机械特性曲线，如右下图所示:snABCDTmsm0n1TeA点为理想空载运行点：转速等于理想空载转速n1；B点为额定运行点，电磁转矩与转速均为额定值；C点为电磁转矩最大点D点为启动点，对应转速为零，对应转矩为启动转矩。5.机械特性曲线TnTsnABCDTmsm0n0Te界转差率求出最大转矩对应的临，就可以求导，并令将机械特性方程对0//3//322122112212212210221dsdTsXXsRRsRUPXXsRRsRUTeMe2.26.123)(221211021221212载能力一般三相异步电机的过的比值与额定转矩：最大电磁转矩过载能力最大转矩：临界转差率：nenmmmTTTTXXRRUTXXRRs机械特性表达式：由电机学可知，三相异步电动机在正弦恒压恒频供电时，机械特性方程式为：2'2'2'2112123/[(/)()]seipURsTRRsXX