第五章PLC課程ppt

1、第第 2 篇篇交流拖動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)內(nèi)容提要內(nèi)容提要n概述n交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型n交流變壓調(diào)速系統(tǒng)n交流變頻調(diào)速系統(tǒng)n*繞線轉(zhuǎn)子異步電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)n*同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 概概 述述 直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。 直到20世紀(jì)6070年代，隨著電力

2、電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。 這時，直流電機具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機的應(yīng)用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機的容量和速度等缺點日益突出起來，用交流可調(diào)拖動取代直流可調(diào)拖動的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。 交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：n一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 n高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能

3、的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) n特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 1. 一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中，風(fēng)機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨?，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費了。一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)）一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)） 如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風(fēng)機、水泵平均都可以節(jié)約 20 30% 以上的電能，效果是很可觀的。 但風(fēng)機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高

4、，只需要一般的調(diào)速性能。2. 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) 許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。 20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展。高性能的交流調(diào)

5、速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)） 其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。3. 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過106 kW r /min，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。 交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設(shè)備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。n 交流調(diào)速系統(tǒng)

6、的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型 交流電機主要分為異步電機異步電機（即感應(yīng)電機）和同步電機同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。 現(xiàn)有文獻中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進行分類。按電動機的調(diào)速方法分類按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：降電壓調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速；變壓變頻調(diào)速等等。 在研究開發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào)速的途徑，因而種類繁多是很自然的。現(xiàn)在交流調(diào)速的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，為了深入掌握其基本原理，就不能滿足于這種表面上的羅列，而要進一步探討其本質(zhì)，認(rèn)識交流調(diào)速的基本規(guī)律。按電動機的能量轉(zhuǎn)

7、換類型分類按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類 按照交流異步電機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負(fù)載的有效功率，稱作機械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。 PmechPmPs 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點出發(fā)，可以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類 。1. 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第、三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步

8、電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價值。 2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第種調(diào)速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。3. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基

9、本不變，因此效率更高，上述的第、兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。 同步電機的調(diào)速同步電機的調(diào)速 同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于 0 ）的，而同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。 在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調(diào)他控變頻調(diào)速速和自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速兩類。 自控變頻調(diào)速自控變頻

10、調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作無換向器電機調(diào)速，或無刷直流電機調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機開關(guān)磁阻電機是一種特殊型式的同步電機，有其獨特的比較簡單的調(diào)速方法，在小容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。第第 5 章章閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng) 一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 本章提要本章提要n異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)速電路n異步電異步電動動機改變電壓時的機械特性機改變電壓時的機械特性n閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性n閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)

11、變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖n轉(zhuǎn)差功率損耗分析轉(zhuǎn)差功率損耗分析n變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中的應(yīng)用中的應(yīng)用5.1 異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)速電路 變壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡便的一種。 由電力拖動原理可知，當(dāng)異步電機等效電路的參數(shù)不變時，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。 過去改變交流電壓的方法多用自耦變壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器，自從電力電子技術(shù)興起以后，這類比較笨重的電磁裝置就被晶閘管交流調(diào)壓器取代了。 目前，交流調(diào)壓

12、器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位控制改變輸出電壓。Y型接法0負(fù)載abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3型接法負(fù)載b)abcuaubucia 交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3TVC利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速TVC雙向晶閘管交流調(diào)壓器 圖5-1 利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 控制方式TVC的變壓控制方式n電路結(jié)構(gòu)：采用晶閘管反并聯(lián)供電方式，實現(xiàn)異步電動機可逆和制動。圖5-2 采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路 可逆和制動控制n 反向運行方式 圖5-2所示為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路，其中，晶閘管 16控制電

13、動機正轉(zhuǎn)運行，反轉(zhuǎn)時，可由晶閘管 1，4 和 710 提供逆相序電源，同時也可用于反接制動。n制動運行方式 當(dāng)需要能耗制動時，可以根據(jù)制動電路的要求選擇某幾個晶閘管不對稱地工作，例如讓 1，2，6 三個器件導(dǎo)通，其余均關(guān)斷，就可使定子繞組中流過半波直流電流，對旋轉(zhuǎn)著的電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動作用。必要時，還可以在制動電路中串入電阻以限制制動電流。返回目錄返回目錄5.2 異步電動機改變電壓時的機械特性異步電動機改變電壓時的機械特性 根據(jù)電機學(xué)原理，在下述三個假定條件下： 忽略空間和時間諧波， 忽略磁飽和， 忽略鐵損， 異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-3。 異步電動機等效電路圖5-3 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等

14、效電路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm 參數(shù)定義nRs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感；n Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵磁電感；n Us、1 定子相電壓和供電角頻率；n s 轉(zhuǎn)差率。電流公式由圖可以導(dǎo)出(5-1) 式中2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll 在一般情況下，LmLl1，則，C1 1 這相當(dāng)于將上述假定條件的第條改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成(5-2)2rs212rssrsllLLsRRUII 轉(zhuǎn)矩

15、公式令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1 / np式中 np 極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）2rs212rs1r2spr2 r1p1mme/33llLLsRRsRUnsRInPT 式（5 - 3）就是異步電機的機械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。 這樣，不同電壓下的機械特性便如圖5-4所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。最大轉(zhuǎn)矩公式 將式（5-3）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（5-4）（5-5）2rs212srm)(llLLRRs2r

16、s212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT 異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-4 異步電動機不同電壓下的機械特性 由圖5-4可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時，普通籠型異步電機變電壓時的穩(wěn)定工作點為 A、B、C，轉(zhuǎn)差率 s 的變化范圍不超過 0 sm ，調(diào)速范圍有限。如果帶風(fēng)機類負(fù)載運行，則工作點為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些。 為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴大調(diào)速范圍，并使電機能在較低轉(zhuǎn)速下運行而不致過熱，就要求電機轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機在變電壓時的機械特性繪于圖5-5。 顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時的變壓

17、調(diào)速范圍增大了，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機，這種電機又稱作交流力矩電機。 交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-5 高轉(zhuǎn)子電阻電動機（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性 返回目錄返回目錄5.3 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用普通異步電機的變電壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電機可以增大調(diào)速范圍，但機械特性又變軟，因而當(dāng)負(fù)載變化時靜差率很大（見圖5-5），開環(huán)控制很難解決這個矛盾。 為此，對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，要求調(diào)速范圍大于D=2時，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖5-6a）。1.

18、 系統(tǒng)組成圖5-6 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理圖 -Ucn2. 系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n2 圖5-6b所示的是閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載在 A 點運行時，如果負(fù)載增大引起轉(zhuǎn)速下降，反饋控制作用能提高定子電壓，從而在右邊一條機械特性上找到新的工作點 A。同理，當(dāng)負(fù)載降低時，會在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點 A。 按照反饋控制規(guī)律，將A、A、A 連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。盡管異步電機的開環(huán)機械特性和直流電機的開環(huán)

19、特性差別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機械特性上各取一個相應(yīng)的工作點，連接起來便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣的分析方法對兩種電機是完全一致的。 盡管異步力矩電機的機械特性很軟，但由系統(tǒng)放大系數(shù)決定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性卻可以很硬。 如果采用PI調(diào)節(jié)器，照樣可以做到無靜差。改變給定信號，則靜特性平行地上下移動，達到調(diào)速的目的。 變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點 異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的地方是：靜特性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們是額定電壓 UsN 下的機械特性和最小輸出電壓Usmin下的機械特性。 當(dāng)負(fù)載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)

20、特性變化。3. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu) Ksn=f(Us,Te) ASRU*nUnUcUs-TLn圖5-7 異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖5-6a所示的原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-7所示。圖中，nKs = Us/Uc 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；n = Un/n 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；nASR采用PI調(diào)節(jié)器；nn =f (Us, Te )是式（5-3）所表達的異步電機機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)時， Un* = Un = n Te = TL 根據(jù)負(fù)載需要的 n 和TL 可由式（5-3）計算出或用機械特性圖解法求出所需的 Us 以及相應(yīng)的 Uc。返回目錄返回目錄*

21、5.6 變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié) 能運行中的應(yīng)用能運行中的應(yīng)用 除了調(diào)速系統(tǒng)以外，異步電動機的變壓控制在軟起動器軟起動器和輕載降壓節(jié)能輕載降壓節(jié)能運行中也得到了廣泛的應(yīng)用。 本節(jié)主要介紹它們的基本原理，關(guān)于其運行中的一些具體問題可參看參考文獻42，43，44。*5.6.1 軟起動器軟起動器n起動電流問題 常用的三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，而且性能良好，運行可靠。對于小容量電動機，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機容量大4倍以上），而供電線路并不太長（起動電流造成的瞬時電壓降落低于10%15%），可以直接通電起動，操作也很簡便。對于容量大一些的電動機，問題就不這么簡單了。 n 起動電流和轉(zhuǎn)矩公式 在式（5-2）和式（5-3）中已導(dǎo)出異步電動機的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，起動時，s =1，因此起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為2rs212rssrstsstllLLRRUII2rs212rs1r2spest3llLLRRRUnT（5-19） （5-20） 由上述二式不難看出，在一般情況下，三相異步電動機的起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。對于一般的籠型電動機，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩對其額定值的倍數(shù)大約為74sNsstIIIK3 . 19 . 0eNestTTTK起動電流倍數(shù) 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) n 起動電流和轉(zhuǎn)矩分析起動電流和轉(zhuǎn)矩