第8章(電力拖動(dòng)控制系統(tǒng))

1、第第8章章 異步電動(dòng)機(jī)他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)按頻率改變的原因分類：變頻調(diào)速系統(tǒng)按頻率改變的原因分類：2自控式變頻自控式變頻 3矢量控制式變頻矢量控制式變頻 “跳過(guò)跳過(guò)”頻率，直接控制轉(zhuǎn)矩（或產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩頻率，直接控制轉(zhuǎn)矩（或產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流）以達(dá)到調(diào)速目的的電流）以達(dá)到調(diào)速目的, 控制系統(tǒng)控制的控制系統(tǒng)控制的對(duì)象并沒(méi)有刻意追求對(duì)象并沒(méi)有刻意追求“變頻變頻” 調(diào)速。調(diào)速。1 他控式變頻他控式變頻 主要特征是：控制系統(tǒng)把變頻器的輸出頻率主要特征是：控制系統(tǒng)把變頻器的輸出頻率f1f1作為主控變量。作為主控變量。 為主控變量為主控變量，輸出電壓輸出電壓 是輔控變量，是輔控

2、變量， 變頻的同時(shí)使電壓配合變化變頻的同時(shí)使電壓配合變化 。1f1U變頻調(diào)速變頻調(diào)速改變輸出頻率改變輸出頻率f1。 但調(diào)速系統(tǒng)最終的控制目標(biāo)是轉(zhuǎn)速，在第但調(diào)速系統(tǒng)最終的控制目標(biāo)是轉(zhuǎn)速，在第1章中已經(jīng)分析過(guò)，電動(dòng)機(jī)速度章中已經(jīng)分析過(guò)，電動(dòng)機(jī)速度控制的本質(zhì)是對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制控制的本質(zhì)是對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制 ，因此，可以因此，可以“跳過(guò)跳過(guò)”頻率這一個(gè)變量而頻率這一個(gè)變量而直接去對(duì)轉(zhuǎn)矩（或產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流）進(jìn)行控制，同樣能達(dá)到調(diào)速的目的。直接去對(duì)轉(zhuǎn)矩（或產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流）進(jìn)行控制，同樣能達(dá)到調(diào)速的目的。 異步電機(jī)速度公式異步電機(jī)速度公式160fnp 在這類控制方案中，調(diào)速系統(tǒng)輸出電壓（或電流）的頻率并不

3、是不變的，在這類控制方案中，調(diào)速系統(tǒng)輸出電壓（或電流）的頻率并不是不變的，它們的頻率同樣也在改變，仍是變頻調(diào)速。它們的頻率同樣也在改變，仍是變頻調(diào)速。 8.1 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的交轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的交-直直-交電流源型變頻調(diào)速系統(tǒng)交電流源型變頻調(diào)速系統(tǒng)1控制策略控制策略l 采用采用“轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、恒壓頻比（或恒氣隙磁通）控制轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、恒壓頻比（或恒氣隙磁通）控制”：給定轉(zhuǎn)速等價(jià)于給定：給定轉(zhuǎn)速等價(jià)于給定頻率，穩(wěn)態(tài)誤差為速降，頻率，穩(wěn)態(tài)誤差為速降，低轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的這個(gè)值一般不大，所以就能滿足低轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的這個(gè)值一般不大，所以就能滿足調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。 l 應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合: 低轉(zhuǎn)差電

4、機(jī)，調(diào)速要求不高的場(chǎng)合低轉(zhuǎn)差電機(jī)，調(diào)速要求不高的場(chǎng)合 。8.1.1 調(diào)速系統(tǒng)的控制策略及系統(tǒng)原理圖調(diào)速系統(tǒng)的控制策略及系統(tǒng)原理圖l 恒壓頻比（或恒氣隙磁通）控制時(shí)的控制特性、機(jī)械特性：恒壓頻比（或恒氣隙磁通）控制時(shí)的控制特性、機(jī)械特性：系統(tǒng)分系統(tǒng)分5 5部分部分 （1）主電路部分）主電路部分 （2）電壓控制部分：電壓檢測(cè)、）電壓控制部分：電壓檢測(cè)、AVR、電流檢測(cè)、電流檢測(cè)、ACR、GT（3）頻率控制部分：壓頻變換）頻率控制部分：壓頻變換GVF、環(huán)形分配器、環(huán)形分配器DRC、脈沖放大、脈沖放大AP （4）給定部分）給定部分 2系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖（5）動(dòng)態(tài)校正器）動(dòng)態(tài)校正器GFC *nU+dL

5、GF0f-GIGABAVRt*iUACRtiUGTA PGFCDRCGVF*fUVIVR*VUDPI+-VU+-+TV正、反轉(zhuǎn)指令 M3給定部分給定部分電壓控制部分電壓控制部分頻率控制部分頻率控制部分*fUt主電路部分主電路部分以以 的換流時(shí)的等效電路的換流時(shí)的等效電路tttAiBiCidIdI2000上下導(dǎo)通管1 1 3 3 5 5 1 16 2 2 4 4 6 6 21. 逆變器主電路逆變器主電路 工作方式：工作方式：6拍型；拍型；輸出電流波形：輸出電流波形：120方波交流電流。方波交流電流。任何時(shí)刻上下各有一個(gè)主開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通（元任何時(shí)刻上下各有一個(gè)主開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通（元件導(dǎo)通時(shí)間件導(dǎo)通時(shí)間1

6、20 ） VF: 改變改變每一拍的每一拍的導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)通時(shí)間3. 換流分析換流分析BeLCeLAeCAACeBdIVT1VT5VD1VD5VD6VT6L32Ccau1Di5Di（1）換流前正常運(yùn)行階段：）換流前正常運(yùn)行階段：T5、T6導(dǎo)通導(dǎo)通 （2）晶閘管換流、恒流充放電階段）晶閘管換流、恒流充放電階段 （3）二極管換流階段）二極管換流階段 8.1.2 晶閘管電流源型逆變器工作原理晶閘管電流源型逆變器工作原理VT3VT5VT1C1C2C5VD3VD5BALdId+C6C4C2VD1VT6VT2VT4VD4VD6VD2CUd-BiCiAi2. 工作原理工作原理 51VTVT1電壓控制部分電壓控制部

7、分 采用電壓、電流雙閉環(huán)，電壓外環(huán)，電采用電壓、電流雙閉環(huán)，電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)流內(nèi)環(huán) ，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用了PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 2頻率控制部分頻率控制部分 （2）環(huán)形分配器）環(huán)形分配器DRC：六分頻器：六分頻器 （1）壓頻變換器）壓頻變換器GVF 8.1.3 控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)工作原理0f1Q2Q3Q4Q5Q6QTdL0fAVRt*iUACRtiUGTA PGFCDRCGVF*fUVIVR*VU+-VU+-+TVM3電壓控制部分電壓控制部分頻率控制部分頻率控制部分主電路部分主電路部分正、反轉(zhuǎn)指令正、反轉(zhuǎn)指令電壓檢測(cè)的位置直接取自電機(jī)的端電壓。電壓檢測(cè)的位置直接取自電機(jī)的

8、端電壓。 電壓指令電壓指令 。 *VU正轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的順序是正轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的順序是1234561；反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的順序是反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的順序是1654321。 （3）脈沖放大器）脈沖放大器AP依照轉(zhuǎn)向給定信號(hào)產(chǎn)生依照轉(zhuǎn)向給定信號(hào)產(chǎn)生6路路 f1 脈沖。脈沖。產(chǎn)生頻率為產(chǎn)生頻率為 f06 f1 的脈沖列。的脈沖列。3給定部分給定部分 由頻率給定產(chǎn)生相由頻率給定產(chǎn)生相應(yīng)的定子電壓給定應(yīng)的定子電壓給定 4、校正環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)GFC負(fù)載（電流）的擾動(dòng)會(huì)引起端電壓的波動(dòng)。負(fù)載（電流）的擾動(dòng)會(huì)引起端電壓的波動(dòng)。 校正環(huán)節(jié)去影響頻率給定，使輸出頻率與電壓能同步變化。校正環(huán)節(jié)去影響頻率給定，使輸出頻率與電壓能同步變化

9、。 （1）給定積分器）給定積分器GI （2）極性鑒別器）極性鑒別器DPI（3）絕對(duì)值變換器）絕對(duì)值變換器GAB（4）函數(shù)發(fā)生器）函數(shù)發(fā)生器GF（0） 速度（頻率）給定速度（頻率）給定撿出轉(zhuǎn)向信號(hào)，電路原理見(jiàn)撿出轉(zhuǎn)向信號(hào)，電路原理見(jiàn)3.3（含大小及轉(zhuǎn)向）（含大小及轉(zhuǎn)向） 是一個(gè)先積分后比例的積分比例環(huán)節(jié)是一個(gè)先積分后比例的積分比例環(huán)節(jié) 框內(nèi)的曲線是它對(duì)輸入信號(hào)的階躍響應(yīng)曲線框內(nèi)的曲線是它對(duì)輸入信號(hào)的階躍響應(yīng)曲線 變階躍（突變）為漸變變階躍（突變）為漸變 變頻器上一般稱之為變頻器上一般稱之為“升速時(shí)間升速時(shí)間”、“減速減速時(shí)時(shí) 間間”的時(shí)間值就是它的積分時(shí)間的時(shí)間值就是它的積分時(shí)間取其大小即絕對(duì)值

10、輸出取其大小即絕對(duì)值輸出 采用恒壓頻比加補(bǔ)償?shù)目刂品绞綍r(shí)，采用恒壓頻比加補(bǔ)償?shù)目刂品绞綍r(shí)，該曲線就是第該曲線就是第7章圖章圖7-3的控制特性曲線的控制特性曲線 給定信號(hào)分解成給定信號(hào)分解成電壓給定、頻率給電壓給定、頻率給定和轉(zhuǎn)向給定三個(gè)定和轉(zhuǎn)向給定三個(gè)給定輸出，分別去給定輸出，分別去控制變頻器的控制變頻器的*nU+GF-GIGAB*fU*VUDPI給定部分給定部分*fUt正、反轉(zhuǎn)指令正、反轉(zhuǎn)指令1回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)Tn0Nn0Nn03調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）容易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，可四象限運(yùn)行）容易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，可四象限運(yùn)行 （2）對(duì)故障電流容易實(shí)現(xiàn)保護(hù)，可靠性高）對(duì)故障電流容易實(shí)現(xiàn)保護(hù)

11、，可靠性高 （3）適用于制動(dòng)和經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的負(fù)載調(diào)速）適用于制動(dòng)和經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的負(fù)載調(diào)速（1）轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能不理想）轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能不理想, 無(wú)法適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的性能要求無(wú)法適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的性能要求 。（2）逆變器的輸出電流是方波，）逆變器的輸出電流是方波， 諧波分量大，對(duì)電網(wǎng)造成電污染。諧波分量大，對(duì)電網(wǎng)造成電污染。 反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)：改變環(huán)形分配器的脈沖相序。反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)：改變環(huán)形分配器的脈沖相序。 反轉(zhuǎn)時(shí)同樣有電動(dòng)和回饋制動(dòng)兩反轉(zhuǎn)時(shí)同樣有電動(dòng)和回饋制動(dòng)兩種狀態(tài)，這就實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行。種狀態(tài)，這就實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行。 8.1.4 回饋制動(dòng)及系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)回饋制動(dòng)及系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)4調(diào)

12、速系統(tǒng)的缺點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)：LdVIVRa)3MU Ui i回饋制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：回饋制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：2四象限運(yùn)行四象限運(yùn)行機(jī)械特性曲線：機(jī)械特性曲線：為什么速度不閉環(huán)？為什么速度不閉環(huán)？控制控制VI的頻率，使的頻率，使1n0 ，電機(jī)電機(jī)M進(jìn)入第進(jìn)入第象限發(fā)電運(yùn)行，象限發(fā)電運(yùn)行，VI整流，整流，Ui變負(fù)。變負(fù)?？刂瓶刂芕R的控制角，使進(jìn)入有源逆變，的控制角，使進(jìn)入有源逆變，系統(tǒng)就進(jìn)入了系統(tǒng)就進(jìn)入了象限回饋制動(dòng)象限回饋制動(dòng)控制系統(tǒng)要使轉(zhuǎn)差頻率不太大是很容易做到的。由控制系統(tǒng)要使轉(zhuǎn)差頻率不太大是很容易做到的。由，是異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速（反饋量、轉(zhuǎn)速閉環(huán)）之差，是異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速（反

13、饋量、轉(zhuǎn)速閉環(huán)）之差8.2 轉(zhuǎn)差頻率控制的交轉(zhuǎn)差頻率控制的交-直直-交電流源型變頻調(diào)速系統(tǒng)交電流源型變頻調(diào)速系統(tǒng)常規(guī)他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)不能轉(zhuǎn)速閉環(huán)的原因？常規(guī)他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)不能轉(zhuǎn)速閉環(huán)的原因？8.2.1 轉(zhuǎn)差頻率控制的理論基礎(chǔ)（基本原理）轉(zhuǎn)差頻率控制的理論基礎(chǔ)（基本原理）1. 定義：轉(zhuǎn)差角頻率定義：轉(zhuǎn)差角頻率 1s11,sssfsf2122120112222122220( )()( )()NNNTmNNNnrsrnETm pCnrs xrxn近似式：近似式： 221202NsTmTmNnTCCr nr022()NnNnx22( )r = = 4 4. .7 7K KA AI IN N1 1

14、+ +A AI IN N1 1- -1 12 23 34 4D DI IN N1 1D DI IN N2 2D DI IN N3 3D DI IN N4 45 56 67 78 8+ +1 15 5V V9 91 10 0A AI IN N2 2/ /P PI I+ +A AI IN N2 2/ /P PI IA A1 1O OU UT T+ +1 11 11 12 21 13 31 14 4A AO OU UT T1 15 5電電機(jī)機(jī)熱熱保保護(hù)護(hù)D DI IN N5 5D DI IN N6 61 16 61 17 71 18 81 19 92 20 02 21 12 22 22 23 32

15、24 4+ +5 5V VR RL L1 1R RL L2 22 25 52 26 62 27 71 13 3N N- -P P- -A A2 2O OU UT T+ +A AO OU UT TP PE E- -+ +2 24 4V VV V: :0 0 1 10 0V V O OR R 2 2 1 10 0V VI I: :0 0 2 20 0m mA A O OR R 4 4 2 20 0m mA AR RS S4 48 85 5P PJopDC+DC-控控制制面面板板2電壓源型交電壓源型交-直直-交交SPWM轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖*rf*1U載波比N三相VVVF參考

16、正弦發(fā)生器SPWM調(diào)制三角發(fā)生器*tf邏輯分配WSPWMWsin驅(qū)動(dòng)加減速時(shí)間設(shè)定 V / f 曲線選擇 函數(shù)發(fā)生器 單片機(jī) 調(diào)制模式選擇 給定積分VIVRM3 正、反轉(zhuǎn)設(shè)定變頻器的工作模式：變頻器的工作模式：轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制矢量控制矢量控制交互式參數(shù)設(shè)定（面板）交互式參數(shù)設(shè)定（面板）intintinAuinAi1tabudUdU1tai)a)b)c電壓源型交電壓源型交-直直-交變頻器的電壓、電流波形交變頻器的電壓、電流波形a)輸入電流輸入電流b)輸出線電壓輸出線電壓c)輸出電流輸出電流3制動(dòng)及泵升電壓制動(dòng)及泵升電壓 DCDC0VD0R0VTC限制泵升電壓的能耗

17、制動(dòng)電路限制泵升電壓的能耗制動(dòng)電路 見(jiàn)4.2節(jié) 見(jiàn)4.2節(jié)VIVR2dU3M02dU1VT6VT4VT5VT3VT2VTAu1VD4VD2VD6VD5VD3VD8.4 異步電動(dòng)機(jī)電壓源型交異步電動(dòng)機(jī)電壓源型交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng)8.4.1 交交-交變頻電路概述交變頻電路概述( (不講不講) )l 交交-交變頻電路也有電壓源型與電流源型之分交變頻電路也有電壓源型與電流源型之分 l 交交-交變頻電路的基礎(chǔ)是第交變頻電路的基礎(chǔ)是第3章的章的V-M可逆系統(tǒng)可逆系統(tǒng) l 對(duì)電壓源型交對(duì)電壓源型交- -交變頻器，追求的是輸出電壓正、負(fù)的交替變化及其正交變頻器，追求的是輸出電壓正、負(fù)的交替變化及其

18、正弦性，可以電壓開(kāi)環(huán)控制或電壓閉環(huán)控制，稱之為電壓控制型的電壓源型交弦性，可以電壓開(kāi)環(huán)控制或電壓閉環(huán)控制，稱之為電壓控制型的電壓源型交- -交變頻器。交變頻器。l 若采用電流閉環(huán)控制直接去控制交流電流的波形及與電機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比的電若采用電流閉環(huán)控制直接去控制交流電流的波形及與電機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比的電流基波分量的大小，使變頻器輸出的電流是近似的正弦電流，這種控制方式的流基波分量的大小，使變頻器輸出的電流是近似的正弦電流，這種控制方式的變頻器則稱之為電流控制型的電壓源型交變頻器則稱之為電流控制型的電壓源型交- -交變頻器交變頻器 8.4.2 電壓源型交電壓源型交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路交變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路b

19、)a)c)d)電壓源型交電壓源型交-交變頻器主電路交變頻器主電路a)公共交流母線進(jìn)線方式公共交流母線進(jìn)線方式 b)電機(jī)丫接方式電機(jī)丫接方式 c) a圖的簡(jiǎn)圖圖的簡(jiǎn)圖 d)b圖的簡(jiǎn)圖圖的簡(jiǎn)圖 8.4.3 電壓源型交電壓源型交-交變頻電路觸發(fā)脈沖的控制方式交變頻電路觸發(fā)脈沖的控制方式余弦交點(diǎn)法余弦交點(diǎn)法移相角移相角的產(chǎn)生方法的產(chǎn)生方法 可控整流電路輸出電壓的平均值可表述為可控整流電路輸出電壓的平均值可表述為 cos)(dmdUU為了使輸出電壓為為了使輸出電壓為 tUum2sin則就應(yīng)有則就應(yīng)有 tUtUmdm2sin)(cos若在控制電路中能產(chǎn)生一個(gè)給定正弦電壓若在控制電路中能產(chǎn)生一個(gè)給定正弦電壓 tUum2sin并想法在控制回路中得到一個(gè)余弦同步電壓并想法在控制回路中得到一個(gè)余弦同步電壓tUudmU1cos并使并使mdmmdmUUUU則前兩式所表示的兩個(gè)電壓波的交點(diǎn)處必有則前兩式所表示的兩個(gè)電壓波的交點(diǎn)處必有1211sincostU