電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制理論與應(yīng)用第5章new

1、第 5 章閉環(huán)控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng) 一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 2感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 風(fēng)機(jī) 泵類 負(fù)載的節(jié)能運(yùn)行 無需優(yōu)良調(diào)速性能; 通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行 減小起動(dòng)電流,改善起動(dòng)性能； 變壓調(diào)速技術(shù) 變頻調(diào)速技術(shù)3感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 直流調(diào)速技術(shù)涉及的場(chǎng)合，包括具有高性能控制要求的伺服控制系統(tǒng)以及隨動(dòng)系統(tǒng)等 直流電機(jī)存在機(jī)械摩擦環(huán)節(jié)(電刷)，使用壽命較低 感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子無機(jī)械接觸，使用壽命長(zhǎng)，無永磁材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低 高性能動(dòng)態(tài)控制技術(shù)4感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域直流調(diào)速技術(shù)無法應(yīng)用的大容量、高轉(zhuǎn)速、高電壓等場(chǎng)合，同時(shí)解決起動(dòng)問題 受永磁體成本及

2、制造難度的限制，直流電機(jī)容量通常在100kW以下高壓變頻技術(shù)5 控制原則 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的同時(shí)，顯著改善感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械特性(寬范圍帶負(fù)載能力) 應(yīng)用于節(jié)能領(lǐng)域，應(yīng)具有較高運(yùn)行效率 保持轉(zhuǎn)差功率不變 提高電機(jī)功率因數(shù) 可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良控制性能 穩(wěn)態(tài)精度 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 調(diào)速范圍6本章提要感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的原理感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的機(jī)械特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)差功率損耗分析變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用75.0 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的原理由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有下列三種基本調(diào)速方法：（1）改變定子極對(duì)數(shù) 調(diào)速。（3

3、）改變電源頻率 調(diào)速。（2）改變轉(zhuǎn)差率 調(diào)速。8改變轉(zhuǎn)差率的方法：改變轉(zhuǎn)子電阻改變輸入電壓5.0 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的原理直流電機(jī)理想的調(diào)速方法對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)性能如何？電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式9早期 多采用自耦變壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器 精度低，體積大；效率低，低頻噪聲大目前 靜止式電子調(diào)壓電路 晶閘管相控調(diào)壓電路 IGBT斬控電路 精度高，響應(yīng)快，效率高，體積小，靜音5.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路10M3TVC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 晶閘管相控調(diào)壓電路11Y型接法0負(fù)載abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3 晶

4、閘管相控調(diào)壓電路12負(fù)載b)abcuaubucia型接法 晶閘管相控調(diào)壓電路13 控制方式TVC的變壓控制方式14電路結(jié)構(gòu)：采用晶閘管反并聯(lián)供電方式，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)。圖5-2 采用晶閘管反并聯(lián)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路 可逆和制動(dòng)控制15 反向運(yùn)行方式 圖5-2所示為采用晶閘管反并聯(lián)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路，其中，晶閘管 16控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，反轉(zhuǎn)時(shí)，可由晶閘管 1，4 和 710 提供逆相序電源，同時(shí)也可用于反接制動(dòng)。16制動(dòng)運(yùn)行方式 當(dāng)需要能耗制動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)制動(dòng)電路的要求選擇某幾個(gè)晶閘管不對(duì)稱地工作，例如讓 1，2，6 三個(gè)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

5、電流，對(duì)旋轉(zhuǎn)著的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)作用。必要時(shí)，還可以在制動(dòng)電路中串入電阻以限制制動(dòng)電流。17在交流電源u1的正半周 斬控式交流調(diào)壓電路用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道IGBT斬控式調(diào)壓電路18用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周IGBT斬控式調(diào)壓電路19 特性電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1。電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。功率因數(shù)接近1。IGBT斬控式調(diào)壓電路205.2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的機(jī)械特性 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧

6、波忽略磁飽和忽略鐵損 感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-3。21 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等效電路圖5-3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm22 參數(shù)定義Rs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感； Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵(lì)磁電感； Us、1 定子相電壓和供電角頻率； s 轉(zhuǎn)差率。23電流公式由圖可以導(dǎo)出(5-1) 式中24 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(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成(5-2)25 轉(zhuǎn)矩公式令電磁功

7、率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1 / np式中 np 極對(duì)數(shù)，則感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）26 式（5 - 3）就是感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，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(jī)械特性便如圖5-4所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。27最大轉(zhuǎn)矩公式（曲線特征點(diǎn)） 將式（5-3）對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（5-4）（5-5）28 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不

8、同電壓下的機(jī)械特性29 為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)速范圍，并使電機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過熱，就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機(jī)在變電壓時(shí)的機(jī)械特性繪于圖5-5。 顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的變壓調(diào)速范圍增大了，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機(jī)，這種電機(jī)又稱作交流力矩電機(jī)。30 交流力矩電機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)（交流力矩電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性 課程開始315.3 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 開環(huán)控制：機(jī)械特性軟，轉(zhuǎn)速控制精度低 為此，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，要求調(diào)速范圍大于D=2時(shí)，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控

9、制系統(tǒng)（見圖5-6a）。321. 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 -Ucn332. 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*n234 變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 感應(yīng)電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電機(jī)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(zhǎng)，它們是額定電壓 UsN 下的機(jī)械特性和最小輸出電壓Usmin下的機(jī)械特性。 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性剛性較大 采用PI閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，可以做到無靜差353. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu) Ksn=f(Us,TL) A

10、SRU*nUnUcUs-TLn圖5-7 感應(yīng)電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 36Ks = Us/Uc 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)； = Un/n 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；ASR采用PI調(diào)節(jié)器；n =f (Us, Te )是式（5-3）所表達(dá)的感應(yīng)電機(jī)機(jī)械特性方程式，它是一個(gè)非線性函數(shù)。 3. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu) 37 穩(wěn)態(tài)時(shí)， Un* = Un = n Te = TL 根據(jù)負(fù)載需要的 n 和TL 可由式（5-3）計(jì)算出或用機(jī)械特性圖解法求出所需的 Us 以及相應(yīng)的 Uc。3. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu) 385.4 閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，須先繪出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

11、晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置測(cè)速反饋環(huán)節(jié)感應(yīng)電機(jī)傳遞函數(shù)39 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5-8 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 MA感應(yīng)電機(jī) FBS測(cè)速反饋環(huán)節(jié) WFBS(s) U*n(s)Un(s)Uc (s)-n(s)WASR(s)WGT-V (s)WMA (s)Us(s)40 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動(dòng)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為41 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置 裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非線性的，在一定范圍內(nèi)可假定為線性函數(shù)，在動(dòng)態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣。傳遞函數(shù)可寫成42 其近似條件是 對(duì)于三相全波Y聯(lián)

12、結(jié)調(diào)壓電路，可取 Ts = 3.3ms 對(duì)其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置43 測(cè)速反饋環(huán)節(jié) 考慮到反饋濾波作用，測(cè)速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數(shù)可寫成44 感應(yīng)電機(jī)近似的傳遞函數(shù) 感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個(gè)傳遞函數(shù)來準(zhǔn)確地表示它的輸入輸出關(guān)系是不可能的。 用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。45（1）感應(yīng)電機(jī)近似的線性機(jī)械特性 由式（5-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）當(dāng) s 很小時(shí)，可以認(rèn)為且46 后者相當(dāng)于忽略感應(yīng)電機(jī)的漏感電磁慣性。在此條件下，（5-6） 這是在上述條件下感應(yīng)電機(jī)近似的線性機(jī)械特性。（1）感應(yīng)電機(jī)近似

13、的線性機(jī)械特性47（2）穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算 設(shè)A為近似線性機(jī)械特性上的一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，則在A點(diǎn)上（5-7）在A點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)， Te= TeA+Te ，Us = UsA + Us ， s = sA + s，代入式（5-6）得48（3）微偏線性化 將上式展開，并忽略兩個(gè)和兩個(gè)以上微偏量的乘積，則（5-8）49 從式（5-8）中減去式（5-7），得（5-9） 已知轉(zhuǎn)差率 ，則(5-10)（3）微偏線性化50 將式（5-10）代入式（5-9），得（5-11） 式（5-11）就是在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近微偏量Te與Us和間的關(guān)系。51 帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為 按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)

14、工作點(diǎn)A附近的微偏量運(yùn)動(dòng)方程式為（5-12）52（4）近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3np1Rr2UsASA3npU 2sA12 Rrnp JsUsTeTL+-圖5-9 忽略電磁慣性時(shí)感應(yīng)電機(jī)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 感應(yīng)電機(jī)在忽略電磁慣性時(shí)的微偏線性化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖53 如果只考慮U1到之間的傳遞函數(shù)，可先取 TL = 0，圖5-9中小閉環(huán)傳遞函數(shù)可變換成（5）感應(yīng)電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)54（5）感應(yīng)電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù) 于是，感應(yīng)電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)為55式中 KMA 感應(yīng)電機(jī)的傳遞系數(shù)， Tm 感應(yīng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)， 56 由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉(zhuǎn)體的機(jī)電慣性，感應(yīng)電機(jī)便近似

15、成一個(gè)線性的一階慣性環(huán)節(jié)，即(5-13) 把得到的四個(gè)傳遞函數(shù)式寫入圖5-8中各方框內(nèi)，即得感應(yīng)電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。57 最后，應(yīng)該再強(qiáng)調(diào)一下，具體使用這個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖時(shí)要注意下述兩點(diǎn)：由于它是偏微線性化模型，只能用于機(jī)械特性線性段上工作點(diǎn)附近的穩(wěn)定性判別和動(dòng)態(tài)校正，不適用于起制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速大范圍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計(jì)算有很大的近似性。58感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率和損耗有：輸入功率定子鐵損電磁功率機(jī)械功率輸出功率定子銅損轉(zhuǎn)子銅損5.5 轉(zhuǎn)差功率損耗分析59在等效電路上表示功率和損耗：5.5 轉(zhuǎn)差功率損耗分析60兩個(gè)重要關(guān)系式負(fù)載不變時(shí)，電磁功率幾乎不變，隨

16、著轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率變大，負(fù)載消耗功率變小，剩余部分消耗在轉(zhuǎn)子上，當(dāng)轉(zhuǎn)差率很大時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，效率下降明顯。 可見，從氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率分為兩部分，一小部分變?yōu)檗D(zhuǎn)子銅損耗，另外一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭倷C(jī)械功率。電磁功率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩直接相關(guān)！5.5 轉(zhuǎn)差功率損耗分析屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速方法與直流電動(dòng)機(jī)不同61*5.6 變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié) 能運(yùn)行中的應(yīng)用 除了調(diào)速系統(tǒng)以外，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)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(yùn)行中的一些具體問題可參看參考文獻(xiàn)。62 起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩公式起動(dòng)時(shí)，s =1，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為（5-19）

17、 （5-20） *5.6.1 軟起動(dòng)器63 對(duì)于一般的籠型電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)其額定值的倍數(shù)大約為起動(dòng)電流倍數(shù) 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分析64起動(dòng)電流產(chǎn)生的問題 直接起動(dòng)電流達(dá)額定電流47倍 對(duì)于小容量電動(dòng)機(jī)，只要供電網(wǎng)絡(luò)的容量足夠大可以直接通電起動(dòng) 對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)，造成電網(wǎng)電壓跌落 采取措施：降壓?jiǎn)?dòng)65 傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法有： 星-三角（Y-）起動(dòng)定子串電阻或電抗起動(dòng)自耦變壓器（又稱起動(dòng)補(bǔ)償器）降壓起動(dòng) 它們都是一級(jí)降壓起動(dòng)，起動(dòng)過程中電流有兩次沖擊，其幅值都比直接起動(dòng)電流低，而起動(dòng)過程時(shí)間略長(zhǎng)，如圖5-12所示。 66 軟起動(dòng)方法 電流閉環(huán)的電子控制軟起

18、動(dòng)器可以限制起動(dòng)電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動(dòng)衰減下來（圖5-12中曲線c），起動(dòng)時(shí)間也短于一級(jí)降壓起動(dòng)。 主電路采用晶閘管交流調(diào)壓器，用連續(xù)地改變其輸出電壓來保證恒流起動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可用接觸器給晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長(zhǎng)期工作。67 三種起動(dòng)過程的電流比較圖5-12 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程與電流沖擊一級(jí)降壓起動(dòng) 軟起動(dòng)器 直接起動(dòng)68 降壓起動(dòng)的矛盾 優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)電壓降低時(shí)，起動(dòng)電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開起動(dòng)電流沖擊的高峰 缺點(diǎn)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小將比起動(dòng)電流的降低更快，降壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降明顯 降壓起動(dòng)只適用于中、大容量電動(dòng)機(jī)空載（或輕載）起動(dòng)的場(chǎng)合。 69*5.6.2 輕載降壓節(jié)能運(yùn)行 電機(jī)功率損耗 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的總損耗可用下式表達(dá)（5-21）電