電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制課件5-交流調(diào)速基礎(chǔ)概要

電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制課件5--交流調(diào)速基礎(chǔ)概要第一頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)2主要內(nèi)容概述交、直流調(diào)速系統(tǒng)比較交流調(diào)速的難點(diǎn)和復(fù)雜性交流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)突破交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域交流調(diào)速涉及的知識(shí)電力變換電路變頻器的基本構(gòu)成跟蹤型PWM控制重點(diǎn)內(nèi)容第二頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)3（1）交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高；換向器的換向能力限制了直流電動(dòng)機(jī)的容量和速度；電樞火花限制了直流電動(dòng)機(jī)的安裝環(huán)境；轉(zhuǎn)子發(fā)熱，電機(jī)效率低；可靠性較差，增加了維護(hù)和保養(yǎng)的工作量第三頁(yè)，共43頁(yè)。（1）交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較比較內(nèi)容直流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)以及制造有電刷，制造復(fù)雜無(wú)電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量/功率約2倍1倍體積/功率約2倍1倍價(jià)格/功率幾倍1倍最大容量12MW~14MW幾十MW最大轉(zhuǎn)速1000r/min左右數(shù)千r/min最高電樞電壓1kV6kV~10kV安裝環(huán)境要求高要求低維護(hù)較多較少調(diào)速性能好復(fù)雜第四頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)5（1）交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較交流調(diào)速優(yōu)于直流調(diào)速之處：在大功率負(fù)載情況下，交流調(diào)速性?xún)r(jià)比最優(yōu)；交流調(diào)速系統(tǒng)可滿足高速運(yùn)行要求；在易燃易爆多塵場(chǎng)合，交流調(diào)速系統(tǒng)無(wú)需過(guò)多維護(hù)；交流調(diào)速系統(tǒng)成本較之直流調(diào)速系統(tǒng)明顯降低；中壓交流調(diào)速系統(tǒng)可以節(jié)省變電站容量；交流電動(dòng)機(jī)易于同某些生產(chǎn)機(jī)械形成機(jī)電一體化產(chǎn)品第五頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)6（2）交流調(diào)速的難點(diǎn)和復(fù)雜性交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)主要來(lái)自于：交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型造成轉(zhuǎn)矩控制困難與其相關(guān)的電子器件和微處理器更新?lián)Q代的速度制約了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展速度調(diào)速系統(tǒng)的精度和成本又使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用復(fù)雜化第六頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)7（3）交流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)突破電力電子技術(shù)的發(fā)展微機(jī)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用以及交流調(diào)速原理的發(fā)展和成熟第七頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)8（4）交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用方向：以節(jié)能為目的的改恒速為調(diào)速的系統(tǒng)以少維護(hù)省力為目的的取代直流調(diào)速的系統(tǒng)直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域具體應(yīng)用實(shí)例：軋鋼工業(yè)、石油工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、化工工業(yè)第八頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)9主要內(nèi)容概述交流調(diào)速涉及的知識(shí)電力變換電路第九頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)102.交流調(diào)速涉及的知識(shí)被控對(duì)象：交流電動(dòng)機(jī)控制內(nèi)容：理論基礎(chǔ)：自控原理（古典控制、現(xiàn)代控制）

主電路（變頻器＋電動(dòng)機(jī)）

控制電路（硬件：?jiǎn)纹瑱C(jī)、PLC、PC、DSP）（軟件：交流電動(dòng)機(jī)控制方案（VVVF、VCS、DTC））變頻器第十頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)11主要內(nèi)容概述交流調(diào)速涉及的知識(shí)電力變換電路變頻器的基本構(gòu)成跟蹤型PWM控制第十一頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)123.電力變換電路整流器（AC=>DC）逆變器（DC=>AC）變頻器（AC=>AC）

雙整流器反并聯(lián)（AC=>AC）整流器＋逆變器（AC=>DC=>AC）無(wú)源逆變第十二頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)13交－交變頻（直接變頻）交－直－交變頻（間接變頻）ＰＷＭ變頻器變頻器基本結(jié)構(gòu)變流器平滑電路逆變器控制器電源IM～pp73（1）變頻器的基本構(gòu)成第十三頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)14①

交－交變頻器交－交變頻ACACCVCFVVVF50Hz變頻器的基本構(gòu)成第十四頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)15單相交－交變頻電路原理工作原理無(wú)環(huán)流工作方式一組工作，另一組封鎖兩組變流器按一定頻率交替工作給負(fù)載輸出某頻率交流電變頻器的基本構(gòu)成第十五頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)16

工作原理對(duì)反并聯(lián)變流器晶閘管的控制角連續(xù)進(jìn)行交變的相位調(diào)制，則可輸出連續(xù)的交流電改變控制角變化的快慢和大小，可以控制輸出交流電的頻率和幅值變頻器的基本構(gòu)成第十六頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)17特點(diǎn)：一次變流，直接變換效率高，但可調(diào)頻率范圍窄輸出電壓由輸入電壓的某些部分構(gòu)成，低頻波形好按電網(wǎng)電壓過(guò)零自然換流，變流器容量可以很大可以方便地實(shí)現(xiàn)4象限工作所用功率元件數(shù)量較多功率因數(shù)較低適用范圍：大容量低速傳動(dòng)變頻器的基本構(gòu)成第十七頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)18②

交－直－交變頻器電壓型逆變器：直流側(cè)是電壓源電流型逆變器：直流側(cè)是電流源整流ACDCACCVCF中間直流環(huán)節(jié)VVVF50Hz逆變變頻器的基本構(gòu)成第十八頁(yè)，共43頁(yè)。比較內(nèi)容電壓型逆變器電流型逆變器直流回路濾波環(huán)節(jié)電容器電抗器輸出電壓波形矩形波與負(fù)載有關(guān)輸出電流波形與負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)矩形波輸出動(dòng)態(tài)阻抗小大輸入功率因數(shù)0.8~0.850.75~0.85回饋制動(dòng)不能，需另設(shè)反并聯(lián)逆變器能，無(wú)需任何附加設(shè)備過(guò)流及短路保護(hù)困難容易動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢快對(duì)晶閘管的要求關(guān)斷時(shí)間要短，對(duì)耐壓要求一般較低耐壓高，對(duì)關(guān)斷時(shí)間無(wú)特殊要求線路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜較簡(jiǎn)單適用范圍多機(jī)拖動(dòng)，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源單機(jī)拖動(dòng)，可逆運(yùn)行變頻器的基本構(gòu)成第十九頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)20電壓型逆變器的主要特點(diǎn)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，相當(dāng)于恒壓源交流側(cè)輸出電壓是矩形波，電流波形為正弦波為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋能量提供通道，各臂均需反并聯(lián)續(xù)流二極管從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的當(dāng)電機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需在中間直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻進(jìn)行能耗制動(dòng)變頻器的基本構(gòu)成第二十頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)21當(dāng)需要向交流電源反饋能量時(shí)，只能夠改變直流電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn)，即反并聯(lián)一套逆變器反并聯(lián)逆變橋的電壓型逆變器變頻器的基本構(gòu)成電壓型逆變器的主要特點(diǎn)第二十一頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)22中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，相當(dāng)于恒流源交流側(cè)輸出電流是矩形波，電壓波形為正弦波因電流不能反向，故控制器件無(wú)需反并聯(lián)續(xù)流二極管從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的變頻器的基本構(gòu)成電流型逆變器的主要特點(diǎn)第二十二頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)23當(dāng)電機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，若交－直變換為可控變流器，可方便地實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)電流型逆變器的兩種運(yùn)行狀態(tài)變頻器的基本構(gòu)成電流型逆變器的主要特點(diǎn)第二十三頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)24③

PWM變頻器按照整流器是否可控，交－直－交變頻器可分為：可控整流器＋逆變器前者調(diào)壓，后者調(diào)頻不可控整流器＋PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻均由逆變器調(diào)節(jié)變頻器的基本構(gòu)成第二十四頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)25調(diào)頻和調(diào)壓分別完成，二者之間需要協(xié)調(diào)配合可控整流器對(duì)電網(wǎng)諧波造成污染，降低功率因數(shù)輸出波形為矩形波，含有一系列高次諧波（可控整流器＋基本逆變器）的不足之處：變頻器的基本構(gòu)成第二十五頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)26PWM變頻器的特點(diǎn)變流器可為不可控整流橋，簡(jiǎn)化電路，提高功率因數(shù)消除或抑制低次諧波，輸出波形非常逼近正弦波調(diào)頻同時(shí)調(diào)壓，與中間直流環(huán)節(jié)參數(shù)無(wú)關(guān)可由PWM整流器和PWM逆變器組成電壓型變頻器，允許能量雙向傳遞，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行變頻器的基本構(gòu)成第二十六頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)27PWM逆變器的主電路PWM電壓型變頻器主電路PWM電壓型變頻器的主電路包括交－直部分和直－交部分變頻器的基本構(gòu)成第二十七頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)28（2）跟蹤型PWM控制將電流、電壓或磁通的指令值作為調(diào)制波信號(hào)將電流、電壓或磁通的實(shí)際值作為載波信號(hào)通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較，構(gòu)成閉環(huán)控制，決定

PWM逆變器各功率開(kāi)關(guān)元件的通斷，使實(shí)際輸出跟蹤指令信號(hào)又稱(chēng)為瞬時(shí)值控制型逆變器定義第二十八頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)29

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電流跟蹤型PWM控制實(shí)質(zhì)：bang-bang控制應(yīng)用領(lǐng)域：高性能單電動(dòng)機(jī)交流傳動(dòng)第二十九頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)30基本思想：將一個(gè)正弦波電流給定信號(hào)與電流實(shí)測(cè)信號(hào)相比較，若實(shí)際電流值大于給定值，則通過(guò)逆變器開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)作使之減少；反之使之增加。使實(shí)際輸出電流圍繞著給定的正弦波電流鋸齒形變化，并將偏差限制在一定范圍內(nèi)。與此同時(shí)，逆變器輸出的電壓波成為PWM波，快速調(diào)節(jié)電流幅值和相位，使電動(dòng)機(jī)電流得到高品質(zhì)的動(dòng)態(tài)控制。

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電流跟蹤型PWM控制第三十頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)31

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電流跟蹤型PWM控制第三十一頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)32

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電流跟蹤型PWM控制優(yōu)點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單；實(shí)時(shí)控制；無(wú)需調(diào)節(jié)逆變器電壓；閉環(huán)控制缺點(diǎn)：諧波損耗較大，開(kāi)關(guān)次數(shù)較多三相電流跟蹤型逆變器的控制第三十二頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)33

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電壓跟蹤型PWM控制第三十三頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)34

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電壓跟蹤型PWM控制第三十四頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)35

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磁通跟蹤型PWM控制第三十五頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)36（3）變頻器舉例SIEMENS變頻器緊湊型MicroMaster410基本型MicroMaster420節(jié)能型MicroMaster430矢量型MicroMaster440第三十六頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)37（3）變頻器舉例顯示/按鈕功能顯示變頻器當(dāng)前所用設(shè)定值啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止電動(dòng)機(jī)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)電動(dòng)瀏覽輔助信息、跳轉(zhuǎn)功能、確認(rèn)功能參數(shù)訪問(wèn)增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值基本操作板第三十七頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)38（3）變頻器舉例更改參數(shù)P0004數(shù)值第三十八頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)39（3）變頻器舉例端子號(hào)標(biāo)識(shí)符功能1、2-輸出+10V/0V3、4ADC1+/1-模擬輸入1(+)/1(-)5、6、7、8DIN1/2/3/4數(shù)字輸入1/2/3/49-帶電位隔離輸出+24V，最大100mA10、11ADC2+/2-模擬輸入2(+)/2(-)12、13DAC1+/1-模擬輸出1(+)/1(-)14、15PTCA/PTCB連接溫度傳感器PTC16、17DIN5/6數(shù)字輸入5/618、19、20DOUT1NC/NO/COM數(shù)字輸出1NC常閉觸頭/NO常開(kāi)觸頭/切換觸頭21、22DOUT2NO/COM數(shù)字輸出2NO常開(kāi)觸頭/切換觸頭23、24、25DOUT3NC/NO/COM數(shù)字輸出3NC常閉觸頭/NO常開(kāi)觸頭/切換觸頭26、27DAC2+/2-模擬輸出2(+)/2(-)28-帶電位隔離輸出0V，最大100mA29、30P+/P-RS485串口MicroMaster440變頻器控制端子第三十九頁(yè)，共43頁(yè)。2023/4/30第四章交流調(diào)速基礎(chǔ)40（3）變頻器舉例端子號(hào)標(biāo)識(shí)符功能1、2-輸出+10V/0V3、4ADC1+/1-模擬輸入1(+)/1(-)5、