交流調(diào)速概述

1、中文陳伯時中文何建平中文爾桂花中文唐永哲中文童福蕘 2004年03月第三版清華大學出版社重慶大學出版社機械工業(yè)出版社 2004年04月第一版 2001年7月第一版 電力傳動自動控制系統(tǒng)參考書 電力拖動自動控制系統(tǒng)例題集 機械工業(yè)出版社電力拖動自動控制系統(tǒng)主要教材 電氣傳動 2002年10月第一版 2002年03月第一版 運動控制系統(tǒng) 西安電子科技大學出版社 運動控制系統(tǒng)（交流部分）運動控制系統(tǒng)（交流部分）一、教學要求：一、教學要求：n了解交流拖動控制系統(tǒng)了解交流拖動控制系統(tǒng)發(fā)展概況發(fā)展概況n了解交流拖動控制系統(tǒng)的應用領域了解交流拖動控制系統(tǒng)的應用領域n掌握交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型掌握交流調(diào)速系統(tǒng)

2、的基本類型n掌握交流變壓調(diào)速系統(tǒng)及其應用掌握交流變壓調(diào)速系統(tǒng)及其應用n了解交流變壓系統(tǒng)動態(tài)特性了解交流變壓系統(tǒng)動態(tài)特性二、教學時間安排：二、教學時間安排：3學時學時 重點：交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型重點：交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型三、教學過程：三、教學過程：第六章交流調(diào)速概述第六章交流調(diào)速概述(1)直流電力拖動交流電力拖動直流電力拖動交流電力拖動19世紀誕生世紀誕生n發(fā)電：發(fā)電：19世紀世紀90年代第一條三相輸電線年代第一條三相輸電線 20世紀世紀60年代年代,99.99同步發(fā)電機同步發(fā)電機n用電：用電：6070各種電機應用各種電機應用,異步電動機異步電動機負荷又占其中的負荷又占其中的85%n交流電機

3、拖動：交流電機拖動：電力拖動容量電力拖動容量80% （不變速）（不變速）n直流電機拖動：直流電機拖動： 20%（可調(diào)速）可調(diào)速）高性能高性能一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況1.發(fā)展歷程發(fā)展歷程:6.1交流拖動系統(tǒng)交流拖動系統(tǒng)發(fā)展概況和發(fā)展概況和應用領域應用領域n直流電機具有電刷和換相器直流電機具有電刷和換相器,需經(jīng)常檢修需經(jīng)常檢修n換向火花使直流電機應用環(huán)境受限換向火花使直流電機應用環(huán)境受限n換向能力限制直流電機容量和速度換向能力限制直流電機容量和速度n有效利用電動機，改進運行性能，控制有效利用電動機，改進運行性能，控制電動機的轉(zhuǎn)速，降低效耗電動機的轉(zhuǎn)速，降低效耗.直流電機的缺點直流電機的缺點:(2)

4、20世紀世紀70年代石油危機：節(jié)能，使年代石油危機：節(jié)能，使交流拖交流拖動控制系統(tǒng)成為主要發(fā)展方向。動控制系統(tǒng)成為主要發(fā)展方向。n20世紀世紀6070年代，電力電子技術(shù)的發(fā)展年代，電力電子技術(shù)的發(fā)展n大規(guī)模集成電路和計算機控制出現(xiàn)大規(guī)模集成電路和計算機控制出現(xiàn)n采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)，高采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)性能交流調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)（1 1）電力電子功率器件應用：）電力電子功率器件應用：構(gòu)成電力電子變換器（弱電控制強電），器件器件共分四代。n第一代：晶閘管SCR ，100Hz ， 20世世 紀紀50年代，半控器件，電流控制器件。n第二代：電力晶體管BJT

5、(GTR)，2kHz 門極可關斷晶閘管GTO，1kHZ 20世紀世紀80年代，全控器件，電流控制器件。2.2.交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀: :GTO符號圖符號圖SCR符號圖符號圖n第三代：功率MOSEET，100kHz 絕緣柵雙極晶體管IGBT=MOS+BJT，20kHz，20世紀世紀90年代，全控器件， 電壓控制器件。n第四代：復合器件，高壓、大容量、 全控器件 IGCT= MOSEET + GTO，ABB公司 IEGT= IGBT + GTO，GE公司MOSEET 符號圖符號圖 IGBT符號圖符號圖 n控制交流電機(籠型異步電機、繞線型雙饋電機、同步電機)的主要是變壓變頻器。

6、n中、小功率（300kW以下)：IGBT或其它器件組成的PWM變換器.n中、大功率（ 300kW10MW ）：GTO或IGCT的PWM變換器和GTO電流源變頻器。n特大功率(10MW以上)：晶閘管SCR的交一交變換器和電流源型交一直一交變換器。 （2 2）PWMPWM變壓變頻技術(shù)：變壓變頻技術(shù)：n基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制從模擬控制到數(shù)字控制，不但實現(xiàn)了硬件電路標準化、從模擬控制到數(shù)字控制，不但實現(xiàn)了硬件電路標準化、降低了成本，而且提高了控制方法的靈活性。降低了成本，而且提高了控制方法的靈活性。n8位、位、l6位的單片機：位的單片機：MCS51、MCS96n16位、位、32位的數(shù)

7、字信號處理器位的數(shù)字信號處理器(DSP)：美國：美國 TI公司：公司：TMS320C240(2812) AD公司、公司、MOTOROLa公司公司DSPn通用微型計算機：通用微型計算機：8086（486），奔騰系列），奔騰系列n32位、位、64位的精簡指令集計算機位的精簡指令集計算機(RISC) （3）交流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化控制）交流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化控制(4)(4)交流電氣傳動應用現(xiàn)代交流電氣傳動應用現(xiàn)代( (智能智能) )控制理論控制理論二、交流拖動控制系統(tǒng)的應用領域二、交流拖動控制系統(tǒng)的應用領域主要有三個方面：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)高性能的交流

8、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)能一般性能的節(jié)能調(diào)速調(diào)速 在 “不變速交流拖動”中，風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨希脫醢搴烷y門來調(diào)節(jié)送風和供水的流量，浪費電能。 采用交流調(diào)速系統(tǒng)，每臺風機、水泵節(jié)約 20 30% 以上的電能，調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高，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)n交流電機控制電磁轉(zhuǎn)矩困難。n矢量控制技術(shù)（20世紀70年代初）n直接轉(zhuǎn)矩控制（20世紀80年代）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

9、交流調(diào)速 直流電機的換向能力限制容量轉(zhuǎn)速積不超過106 kW r /min。交流電機無換向器，不受限，采用交流調(diào)速。如特大容量拖動設備：厚板軋機、礦井卷揚機等。如特大容量拖動設備：厚板軋機、礦井卷揚機等。如極高轉(zhuǎn)速拖動設備：如高速磨頭、離心機等極高轉(zhuǎn)速拖動設備：如高速磨頭、離心機等。6.2 交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 交流電機：異步電機異步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)。（一）異步電機（一）異步電機調(diào)速方法調(diào)速方法一、交流調(diào)速基本類型：一、交流調(diào)速基本類型：2.按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類 從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩

10、部分： 其一是拖動負載的有效功率（機械功率）； 其二是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。 PmechPmPs功率流程圖如右： 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志是其轉(zhuǎn)差功率工作情況，可把調(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)：降電壓調(diào)速；降電壓調(diào)速； 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速； 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速； 全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。（恒轉(zhuǎn)矩負載）。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設備成本最低，有一定的應用價值。 (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)

11、速系統(tǒng)：串級調(diào)速串級調(diào)速 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?？鄢兞餮b置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率。 效率較高，需增加設備。(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)：變極對數(shù)調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速； 變壓變頻調(diào)速。變壓變頻調(diào)速。 轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，效率高。 變極對數(shù)調(diào)速：是有級的，應用場合有限。變壓變頻調(diào)速：應用最廣，高動態(tài)性能，設備成本最高。 （二）同步電機的調(diào)速（二）同步電機的調(diào)速 同步電機沒有轉(zhuǎn)差，沒有轉(zhuǎn)差功率，只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于 0 ），采用變壓變頻調(diào)速。從頻率控制的方式來看，可分為：1.自控

12、變頻調(diào)速自控變頻調(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。2.他控變頻調(diào)速他控變頻調(diào)速:采用采用獨立的變壓變頻裝置供電。 三、異步電動機改變電壓時的機械特性三、異步電動機改變電壓時的機械特性在三個假定條件下:忽略空間和時間諧波,忽略磁飽和忽略鐵損，穩(wěn)態(tài)等效電路圖5-3。 圖5-3 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm 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，即勵磁電感；Us、1 定子相電壓和供電角頻率； s 轉(zhuǎn)差

13、率。電流公式電流公式由圖可以導出：(5-1) 式中：2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll 通常，LmLl1，則，C1 1 ,可簡化成：(5-2)2rs212rssrsllLLsRRUII 轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)矩公式: 電磁功率電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機械角轉(zhuǎn)速同步機械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1 / np 式中式中 np 極對數(shù)極對數(shù) 異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩: （5-3）2rs212rs1r2spr2 r1p1mme/33llLLsRRsRUnsRInPT機械特性方程式：機械特性方程式：當轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓

14、的平方成正比電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。不同電壓下的機械特性便如圖5-4所示，其中，UsN表示額定定子電壓。 異步電動機機械特性異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖5-4 異步電動機不同電壓下的機械特性最大轉(zhuǎn)矩公式 將式（5-3）對s求導，并令dTe/ds=0，可求出臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩:（5-4）（5-5）2rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT 恒轉(zhuǎn)矩負載恒轉(zhuǎn)矩負載, ,變電壓時穩(wěn)定工作變電壓時穩(wěn)定工作點為點為 A A、B B、C C，轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差率

15、s s的變化范圍不超過的變化范圍不超過 0 0sm ，調(diào)，調(diào)速范圍有限速范圍有限。 風機類負載，則工作風機類負載，則工作點為點為D D、E E、F F，調(diào)速范，調(diào)速范圍大些圍大些. . 為擴大調(diào)速范圍，采用電機轉(zhuǎn)子有較高的電為擴大調(diào)速范圍，采用電機轉(zhuǎn)子有較高的電阻值阻值( (高轉(zhuǎn)差率電機高轉(zhuǎn)差率電機, ,即交流力矩電機即交流力矩電機), ), 變變壓調(diào)速范圍增大。壓調(diào)速范圍增大。 交流力矩電機的機械特性交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖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 采用變電壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄采用變電

16、壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄 采用高轉(zhuǎn)子電阻電機可增大調(diào)速范圍，機采用高轉(zhuǎn)子電阻電機可增大調(diào)速范圍，機械特性變軟，當負載變化時靜差率很大械特性變軟，當負載變化時靜差率很大 開環(huán)控制難以解決此矛盾開環(huán)控制難以解決此矛盾 采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（D2）四四 、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)及其靜特性圖5-6 帶轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理圖 -Ucn1. 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成2. 系統(tǒng)靜特性系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖5-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n

17、3U*n1U*n2 TLT- TL0 n Un U 定子電壓定子電壓 左側(cè)新特性左側(cè)新特性 新工作點新工作點 A (A的左側(cè)的左側(cè)TTL） 。 當系統(tǒng)在當系統(tǒng)在 A 點運行時點運行時: T=TL從開環(huán)特性各取一工作點，從開環(huán)特性各取一工作點，將將AA、A A、A A 連接起來連接起來閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。開環(huán)機械特性很軟開環(huán)機械特性很軟閉環(huán)系統(tǒng)靜特性很硬。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性很硬。 采用采用PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器無靜差無靜差改變給定信號改變給定信號靜特性平行上下移動靜特性平行上下移動調(diào)速調(diào)速不同于直流調(diào)速系統(tǒng)，靜特性左右兩邊都有不同于直流調(diào)速系統(tǒng)，靜特性左右兩邊都有極限，它們是額定電壓極

18、限，它們是額定電壓 U UsN sN 下的機械特性下的機械特性和最小輸出電壓和最小輸出電壓U Usminsmin下的機械特性。如超下的機械特性。如超過極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力。過極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力。3. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)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 圖中：圖中： Ks = Us/Uc 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；的放大系數(shù)； = Un/n 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)； ASR采用采用PI調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器； n =f (Us, Te )是式（是式（5-

19、3）機械特性方程式，）機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。它是一個非線性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)時，Un* = Un = n ，Te = TLUs 和和Uc根據(jù)根據(jù)n 和和TL由式（由式（5-3）計算出）計算出五、五、 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)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪出系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪出系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖動態(tài)分析和設計動態(tài)分析和設計。圖5-8 異步電動機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 MA異步電機 FBS測速反饋環(huán)節(jié) WFBS(s) U*n(s)Un(s)Uc (s)-n(s)WASR(s)WGT-V (s)WMA (s)Us(s) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR：常用PI調(diào)節(jié)器消除靜差并

20、改善動態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為ssKsWnnnASR1)( 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置：如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置，可近似成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：1)(ssVGTsTKsW其近似條件：其近似條件：三相全波三相全波（ Ts = 3.3ms）sc31T 測速反饋環(huán)節(jié)：測速反饋環(huán)節(jié)： FBS的傳遞函數(shù)可寫成1)(onFBSsTsW 異步電機近似的傳遞函數(shù)：異步電機近似的傳遞函數(shù)：異步電機的動態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，不能用一個傳遞函數(shù)準確表示。用穩(wěn)態(tài)工作點附近的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。 異步電機的近似線性化傳遞函數(shù)為異步電機的近似線性化

21、傳遞函數(shù)為: 1132323)()()(mMA2sA2pr21sA1Ar212sAppAsAr1psMAsTKsUnRJUsRUnsnJsURnsUssW得到的四個傳遞函數(shù)式寫入圖5-8中各方框內(nèi)，得異步電機變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏線性化近似動態(tài)近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖。 注意下述兩點：注意下述兩點： 由于它是偏微線性化模型，只能用于機械特性線性段上工作點附近的穩(wěn)定性判別和動態(tài)校正，不適用于起制動時轉(zhuǎn)速大范圍變化的動態(tài)響應。 由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計算有很大的近似性。*6.3 變壓控制在軟起動器中的應用變壓控制在軟起動器中的應用軟起動器軟起動器:異步機的變壓控制 1.軟起動器（軟起動器（Soft

22、 Starter）：是一種集電機軟起：是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，軟起動器實際上是個調(diào)壓器。穎電機控制裝置，軟起動器實際上是個調(diào)壓器。軟起動器構(gòu)成：軟起動器構(gòu)成：三相反并聯(lián)三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制閘管及其電子控制電路。電路。 交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3TVC利用晶閘管交流調(diào)利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速壓器變壓調(diào)速TVC雙向晶閘雙向晶閘管交流調(diào)壓器管交流調(diào)壓器 圖5-1 利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 起動電流問題起動電流問題: 小容量電動機，只要供電網(wǎng)絡和變壓器的容量足夠小容

23、量電動機，只要供電網(wǎng)絡和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機容量大大（一般要求比電機容量大4倍以上），供電線路倍以上），供電線路不太長（起動電流造成的瞬時電壓降落低于不太長（起動電流造成的瞬時電壓降落低于10%15%），可直接通電起動。），可直接通電起動。 容量大電動機，不能直接通電起動容量大電動機，不能直接通電起動。 運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導通角，運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。實現(xiàn)不同的功能。n 起動電流和轉(zhuǎn)矩公式起動電流和轉(zhuǎn)矩公式:起動時，起動時，s =1，因此起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為，因此起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為ssstrst222sr1srllUIIRRLL2psrest2221sr1sr3lln U RTRRLL