電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成

第1章電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成1當前第1頁\共有146頁\編于星期三\5點1.1電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和共性問題1.2電動機的主要類型與調(diào)速方法1.3電力電子變流器的結(jié)構(gòu)與類型1.4系統(tǒng)檢測方法1.5系統(tǒng)的控制與分析方法主要內(nèi)容2當前第2頁\共有146頁\編于星期三\5點本章要求熟練掌握電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)熟練掌握電力傳動控制系統(tǒng)的基本工作原理掌握電力傳動控制系統(tǒng)的分類熟練掌握電力傳動控制系統(tǒng)的共性問題熟練掌握各種電動機的調(diào)速方法掌握常用電力電子變流器的結(jié)構(gòu)與工作原理掌握電力傳動控制系統(tǒng)檢測方法熟練掌握電力傳動控制系統(tǒng)的要求和指標掌握PID控制器的工作原理3當前第3頁\共有146頁\編于星期三\5點1.1.2電力傳動控制系統(tǒng)的共性問題1.1.1電力傳動控制系統(tǒng)的組成與分類1.1電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和共性問題4當前第4頁\共有146頁\編于星期三\5點1、電力傳動控制系統(tǒng)的組成電力傳動——以電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運動的一種傳動方式電力傳動是現(xiàn)代生產(chǎn)機械的主要動力裝置電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，一般由電源、電能變換器、電動機、控制器、傳感器和生產(chǎn)機械（負載）組成1.1.1電力傳動控制系統(tǒng)的組成與分類5當前第5頁\共有146頁\編于星期三\5點電力傳動控制系統(tǒng)的基本工作原理——控制器根據(jù)輸入的控制指令（如速度或位置指令），由傳感器采集的系統(tǒng)檢測信號（速度、位置、電流和電壓等），經(jīng)過一定的控制運算給出相應的控制信號，通過變流器改變輸入的電源（電壓、頻率等）使電動機改變轉(zhuǎn)速或位置，再由電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械按照相應的控制要求運動，故又稱為運動控制系統(tǒng)。6當前第6頁\共有146頁\編于星期三\5點2、電力傳動控制系統(tǒng)的分類根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求，可以分為調(diào)速控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)兩大類。（1）調(diào)速控制系統(tǒng)控制指令為速度給定信號，控制器一般為速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器等，系統(tǒng)要求電動機按速度指令保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。根據(jù)所選電動機的不同，調(diào)速系統(tǒng)又可分為：(a)直流調(diào)速系統(tǒng)——采用直流電動機作為系統(tǒng)驅(qū)動器，相應的電能變換器則需選用直流變換器，比如：可控整流器、直流斬波器等；(b)交流調(diào)速系統(tǒng)——采用交流電動機作為系統(tǒng)驅(qū)動器，相應的電能變換器則需選用交流變換器，比如：交流調(diào)壓器、各種變頻器等。7當前第7頁\共有146頁\編于星期三\5點（2）位置控制系統(tǒng)這類電力傳動控制系統(tǒng)的控制指令為位置給定信號，控制器由位置控制器、速度控制器等組成，系統(tǒng)要求電動機驅(qū)動負載按位置指令準確到達指定的位置或保持所需的姿態(tài)。8當前第8頁\共有146頁\編于星期三\5點研發(fā)或應用電力傳動控制系統(tǒng)所需解決的共性問題：(1)電動機的選擇——關系到系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性。根據(jù)生產(chǎn)工藝和設備對驅(qū)動的要求，選擇合適的電動機種類及額定參數(shù)、絕緣等級等，然后通過分析電動機的發(fā)熱和冷卻、工作制、過載能力等進行電動機容量的選擇和校驗。(2)變流技術研究——電動機的控制通過改變其供電方式來實現(xiàn)。電能變換是實現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)的核心技術之一。1.1.2電力傳動控制系統(tǒng)的共性問題9當前第9頁\共有146頁\編于星期三\5點(3)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測方法——狀態(tài)檢測是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關鍵，根據(jù)反饋控制系統(tǒng)的原理，需要實時檢測系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如：電壓、電流、頻率、相位、磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。因此，研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測和觀測方法是提高電力傳動控制性能的重要課題。(4)控制策略和控制器的設計——任何自動控制系統(tǒng)的核心都是控制方法的研究和控制策略的選擇。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇適當?shù)牡目刂品椒ɑ虿呗允菍崿F(xiàn)電力傳動系統(tǒng)自動控制的主要問題。10當前第10頁\共有146頁\編于星期三\5點1.2.1直流電動機及其調(diào)速方法1.2.2交流電動機及其調(diào)速方法1.2電動機的主要類型與調(diào)速方法11當前第11頁\共有146頁\編于星期三\5點1、直流電動機直流電動機——利用電磁感應原理和電磁力定律將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機直流電動機的優(yōu)點——調(diào)速范圍廣且平滑，起、制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，易于控制，常用于對調(diào)速有較高要求的場合按勵磁方式不同，可把直流電動機分成他勵直流電動機、并勵直流電動機、串勵直流電動機和復勵直流電動機四種他勵直流電機具有機械特性硬、磁場與電樞可分別控制等優(yōu)點，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)通常采用他勵直流電動機1.2.1直流電動機及其調(diào)速方法12當前第12頁\共有146頁\編于星期三\5點2、直流電動機的調(diào)速方法直流電動機轉(zhuǎn)速和其它參量之間的穩(wěn)態(tài)關系：由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速：13當前第13頁\共有146頁\編于星期三\5點（1）改變電樞回路電阻R特點？14當前第14頁\共有146頁\編于星期三\5點（2）減弱勵磁磁通Φ特點？15當前第15頁\共有146頁\編于星期三\5點（3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ua特點？16當前第16頁\共有146頁\編于星期三\5點三種調(diào)速方法的特點：改變電阻只能有級調(diào)速減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的弱磁升速調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式既能連續(xù)平滑調(diào)速，又有較大的調(diào)速范圍，且機械特性也很硬自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主，僅在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速17當前第17頁\共有146頁\編于星期三\5點直流電動機具有如下缺點：電刷和換向器必須經(jīng)常檢查維修；換向火花使它的應用環(huán)境受到限制；換向能力限制了直流電動機的容量和速度（極限容量與轉(zhuǎn)速之積約為106kW?r/min）。這些缺點使得交流調(diào)速系統(tǒng)已取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為目前主要的電力傳動方式，特別是在大容量電力傳動控制系統(tǒng)中大都采用交流電動機。思考：交流調(diào)速系統(tǒng)已取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為目前主要的電力傳動方式，為何直流調(diào)速系統(tǒng)在電力傳動中仍然具有重要的地位？18當前第18頁\共有146頁\編于星期三\5點1、異步電動機及其調(diào)速原理異步電動機工作原理——由定子繞組接交流電源后在電機氣隙中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，由此產(chǎn)生感應電動勢e和電磁轉(zhuǎn)矩Te，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為“異步”的名稱由來——異步電動機運行時總是有n≠n0，“異步”的名稱由此而來。通常把同步轉(zhuǎn)速n0和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差，用轉(zhuǎn)差率s表示為1.2.2交流電動機及其調(diào)速方法19當前第19頁\共有146頁\編于星期三\5點根據(jù)異步電動機的轉(zhuǎn)速方程可知其調(diào)速方式有以下幾種：變供電頻率fs——變頻調(diào)速改變電動機極對數(shù)np——變極對數(shù)調(diào)速通過改變定子電壓、繞線轉(zhuǎn)子電動機轉(zhuǎn)子串電阻或外接可變電源——改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速20當前第20頁\共有146頁\編于星期三\5點由此開發(fā)了異步電動機的許多調(diào)速方法，常見的有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③定子或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線轉(zhuǎn)子電動機串級調(diào)速和雙饋電動機調(diào)速；⑤變極對數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等。21當前第21頁\共有146頁\編于星期三\5點從能量轉(zhuǎn)換的角度分類從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pem可分成兩部分：Pm=（1-s）Pem是拖動負載的有效功率，稱作機械功率。Ps1=sPem是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率的一個指標。據(jù)此，又可把異步電動機的調(diào)速方法分為三類：1)轉(zhuǎn)差功率消耗型。全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低（恒轉(zhuǎn)矩負載時），越向下調(diào)效率越低。這類調(diào)速方法的效率最低(變壓調(diào)速)。22當前第22頁\共有146頁\編于星期三\5點2)轉(zhuǎn)差功率饋送型。轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低時回收的功率越多，其效率比前者高（串級調(diào)速）。3)轉(zhuǎn)差功率不變型。這類調(diào)速方法無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差率保持不變，而且很小，所以轉(zhuǎn)差功率的消耗也基本不變且很小，因此效率最高（變頻調(diào)速）?；\型轉(zhuǎn)子異步電動機常用于實現(xiàn)低于同步速的調(diào)速，可選擇定子變壓調(diào)速、定子變壓變頻調(diào)速等方案。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機常用于高于同步速運行或其他特殊應用場合，通過定子和轉(zhuǎn)子實行雙饋調(diào)速。異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應快、維護方便、可在惡劣條件下工作。23當前第23頁\共有146頁\編于星期三\5點2、同步電動機及其調(diào)速原理三相同步電動機的工作原理——定子對稱繞組通以三相對稱電流，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子勵磁繞組通以直流勵磁電流，就在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生相應的磁極，其極對數(shù)與定子旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)相同，且保持磁場恒定不變。在兩個磁場的共同作用下，轉(zhuǎn)子被定子旋轉(zhuǎn)磁場牽引著以同步轉(zhuǎn)速一起旋轉(zhuǎn)，此時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以同步轉(zhuǎn)速運行。同步電動機由此而得名。24當前第24頁\共有146頁\編于星期三\5點內(nèi)容回顧1、電力傳動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、共性問題2、電力傳動控制系統(tǒng)的分類調(diào)速控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)25當前第25頁\共有146頁\編于星期三\5點3、直流電動機的調(diào)速方法4、異步電動機的調(diào)速方法5、同步電動機的調(diào)速方法26當前第26頁\共有146頁\編于星期三\5點同步電動機分類：1)直流勵磁同步電動機2)永磁同步電動機3)磁阻同步電動機4)直線同步電動機同步電動機的優(yōu)點：同步電動機的機械特性具有恒轉(zhuǎn)速特性?？梢钥刂苿畲艁碚{(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。27當前第27頁\共有146頁\編于星期三\5點同步電動機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，故同步電動機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型，而同步電動機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速。在同步電動機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為1)他控變頻調(diào)速；2)自控變頻調(diào)速。后者利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電動機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作無換向器電動機調(diào)速，或無刷直流電動機調(diào)速。28當前第28頁\共有146頁\編于星期三\5點1.3.1直流輸出變換器1.3.2交流輸出變換器1.3電力電子變流器的結(jié)構(gòu)與類型29當前第29頁\共有146頁\編于星期三\5點變流器是一種電能變換裝置，它應能根據(jù)供電電源的類型（直流電源或交流電源）以及電機控制所需的電源要求提供各種電能的變換。電能變換裝置的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是將某種恒定電源轉(zhuǎn)換為可變電源的裝置。30當前第30頁\共有146頁\編于星期三\5點目前，在電力電子技術方面，通過現(xiàn)代電力電子變流裝置，可以在交流與直流之間實現(xiàn)各種形式的電能轉(zhuǎn)換。31當前第31頁\共有146頁\編于星期三\5點下圖表示了直流輸出變換器的基本原理，它將輸入的恒定交流電源，通過開關器件的控制，輸出可變得直流電。1.3.1直流輸出變換器32當前第32頁\共有146頁\編于星期三\5點目前，電力電子直流輸出變換器主要有相控整流器、直流斬波器和PWM整流器三大類：1、相控整流器按其組成的開關器件分為不可控、半控和全控三種類型；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式和零式拓撲結(jié)構(gòu)；按交流電源的相數(shù)又可分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向可分為單拍和雙拍整流器。在傳統(tǒng)的直流電力傳動系統(tǒng)中，一般采用晶閘管構(gòu)成單相或三相相控型整流器，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)多選擇橋式電路。33當前第33頁\共有146頁\編于星期三\5點如果采用晶閘管作為整流器的主開關器件組成晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），圖1-5給出了V-M系統(tǒng)的簡單原理圖。34當前第34頁\共有146頁\編于星期三\5點在如圖V-M系統(tǒng)中，Ud與觸發(fā)脈沖相位角的關系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時，Ud=f（）可用下式表示V-M系統(tǒng)的優(yōu)點——晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用電子控制，不再象直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。35當前第35頁\共有146頁\編于星期三\5點晶閘管整流器是存在的問題：1）整流器輸出電流波形的脈動由于整流電路的脈波數(shù)是有限的，使其輸出的直流電流是脈動的，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況：當V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形當電感量較小或負載較輕時，會出現(xiàn)電流波形斷續(xù)情況。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因素，也引起機械特性的非線性影響系統(tǒng)的運行性能。因此，實際應用中常希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。36當前第36頁\共有146頁\編于星期三\5點2）整流器網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)PF（powerfactor）的降低PF等于位移因數(shù)DF（displacementfactor）與電流畸變因數(shù)的乘積，在輸出電流連續(xù)并忽略換流過程影響的條件下，DF=cos

，即隨著相控角的增加而減小，造成電網(wǎng)的無功損耗增加和電壓波動。3）整流器輸入電流總諧波畸變率THD（TotalHarmonicDistortion）對電網(wǎng)和其他用電設備的不利影響由于諧波電流的存在，使THD增大，將增加電網(wǎng)的諧波損耗和引起傳導和射頻干擾。諧波損耗會加重電網(wǎng)負擔；電磁干擾（EMI）造成對各種電氣和電子設備的干擾。37當前第37頁\共有146頁\編于星期三\5點抑制電流脈動的措施脈動電流會增加電動機的發(fā)熱，產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利。主要措施是：1）設置平波電抗器；2）增加整流電路相數(shù)；3）采用多重化技術?！半娏Α钡慕鉀Q辦法對于由諧波和無功功率造成的“電力公害”，傳統(tǒng)的辦法有：1）在整流器輸入端設置無源濾波器；2）在網(wǎng)側(cè)增設無功補償裝置。38當前第38頁\共有146頁\編于星期三\5點近年來，隨著新型電力電子器件問世和電能質(zhì)量控制技術的進展，各種新的諧波抑制和無功補償裝置不斷涌現(xiàn)。這些新的電能質(zhì)量控制技術和裝置有：1）開發(fā)各種有源電力濾波器（APF-activepowerfilters），比如：串聯(lián)型APF、并聯(lián)型APF以及混合型APF；2）引入功率因數(shù)校正（PFC-powerfactorcorrection）電路；3）有源濾波與功率因數(shù)混合校正技術。39當前第39頁\共有146頁\編于星期三\5點2.直流斬波器解決晶閘管相控整流器問題的辦法之一是采用二極管整流器先將交流電轉(zhuǎn)換為不可控的直流，然后再通過直流-直流變換器（DC/DCConverter）得到可控的直流輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。40當前第40頁\共有146頁\編于星期三\5點直流-直流變換器又稱為直流斬波器，降壓斬波電路Buck電路）和升壓斬波電路（Boost電路）是最基本的斬波電路。由Buck電路構(gòu)成的直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖示于圖1-7a。當S導通時，直流電源電壓Ud0加到電動機上；當S關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，得電樞端電壓波形u=f(t)，如圖1-7b，好象是電源電壓Ud0在ton時間內(nèi)被接上，又在(T-ton)時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。41當前第41頁\共有146頁\編于星期三\5點42當前第42頁\共有146頁\編于星期三\5點直流斬波器輸出電壓的平均值為可見在Buck電路中，通過調(diào)節(jié)S即可得到連續(xù)可調(diào)的直流輸出。但是，采用基本Buck電路只能實現(xiàn)直流電動機的正向電動運行。為實現(xiàn)直流電動機正反向運行，常采用H型可逆脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，簡稱PWM）變換器。43當前第43頁\共有146頁\編于星期三\5點與晶閘管相控整流器相比，直流斬波器的優(yōu)越性在于：主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。44當前第44頁\共有146頁\編于星期三\5點內(nèi)容回顧1、相控整流器2、直流斬波器45當前第45頁\共有146頁\編于星期三\5點3.PWM整流器解決晶閘管相控整流器問題的另一種辦法是在整流電路中用全控型電力電子開關器件代替晶閘管，采用PWM控制輸出電壓，并同時改善功率因數(shù)和抑制電流諧波。一個單相PWM整流電路如圖1-8所示，采用單相全控橋整流電路拓撲，由全控型器件和續(xù)流二極管構(gòu)成不對稱雙向開關。（1）換流模式該整流電路有三種工作模式：46當前第46頁\共有146頁\編于星期三\5點模式I：S1和S3閉合，或S2和S4閉合，此時，交流電源經(jīng)電感L短路，整流器輸入電壓us=0，整流器輸出電流id=0，其等效電路如圖1-12b所示。47當前第47頁\共有146頁\編于星期三\5點模式I：S1和S3閉合，或S2和S4閉合，此時，交流電源經(jīng)電感L短路，整流器輸入電壓us=0，整流器輸出電流id=0，其等效電路如圖1-12b所示。48當前第48頁\共有146頁\編于星期三\5點2)模式II：S1和S4閉合，us=Ud，id<0；或D1和D4導通，us=Ud，id>0，其等效電路如圖1-12c所示。49當前第49頁\共有146頁\編于星期三\5點3)模式III：S2和S3閉合，us=-Ud，id<0；或D2和D3導通，us=-Ud，id>0，其等效電路如圖1-12d所示。50當前第50頁\共有146頁\編于星期三\5點設交流電源電壓為假定交流輸入電流的相位滯后于電源電壓的相位差為φ根據(jù)上述開關狀態(tài)，整流器交流輸入電壓us可表為51當前第51頁\共有146頁\編于星期三\5點整流器輸出電流為52當前第52頁\共有146頁\編于星期三\5點由于高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要變流器既能改變電壓又能改變頻率，因此，現(xiàn)代交流變流器是一種變壓變頻裝置，通常稱為變頻器。目前，電力電子交流變換器主要有交-直-交變頻器和交-交變頻器兩類：1.3.2交流輸出變換器53當前第53頁\共有146頁\編于星期三\5點1、交-直-交變頻器交-直-交變頻器的基本原理是：首先將交流電通過整流器變成直流電，然后再通過逆變器變成交流電。由于中間直流環(huán)節(jié)的存在，故而稱為交-直-交變頻器，又可稱為間接式的變壓變頻器。目前，有多種方式實現(xiàn)交-直-交變頻器的電能變換，主要應用于電力傳動控制系統(tǒng)的有下面三種方式：54當前第54頁\共有146頁\編于星期三\5點（1）采用相控整流器與六拍逆變器組成的交-直-交變頻器這是較為早期的一種交-直-交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。55當前第55頁\共有146頁\編于星期三\5點（a）逆變器的換流模式交-直-交變壓變頻器中的逆變器一般接成三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻電壓，圖1-12為6個晶閘管VT1-VT6組成的三相逆變器主電路，控制各開關器件輪流導通和關斷，可使輸出端得到三相交流電壓。FC為頻率控制器，根據(jù)輸入的頻率控制信號U*fr，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，并分配去觸發(fā)相應的晶閘管。在某一瞬間，控制一個開關器件關斷，同時使另一個器件導通，就實現(xiàn)了兩個器件之間的換流。在三相橋式逆變器中，有180°導通型和120°導通型兩種換流方式。56當前第56頁\共有146頁\編于星期三\5點57當前第57頁\共有146頁\編于星期三\5點現(xiàn)以180°導通型換流模式為例來分析其逆變原理。在一個交流電源周期里，每個60°觸發(fā)一個晶閘管，在同一橋臂上、下兩管之間互相換流。例如，當VT1關斷后，使VT4導通，而當VT4關斷后，又使VT1導通。這時，每個開關器件在一個周期內(nèi)導通的區(qū)間是180°，其它各相亦均如此。表1-1給出了在一個交流電源周期里，180°導通型換流模式正相序的觸發(fā)順序和開關狀態(tài)。58當前第58頁\共有146頁\編于星期三\5點序號導通區(qū)間開關狀態(tài)10~60S5、S6、S1260~120S6、S1、S23120~180S1、S2、S34180~240S2、S3、S45240~300S3、S4、S56300~360S4、S5、S659當前第59頁\共有146頁\編于星期三\5點按此換流模式，并忽略換流時間，得到理想的電壓型逆變器輸出波形見圖1-12。根據(jù)180°導通電壓型逆變器的輸出波形，可推導出逆變器輸出的相電壓和線電壓方程：60當前第60頁\共有146頁\編于星期三\5點可見，三相180°導通電壓型逆變器的輸出電壓并非理想的正弦波，除了正弦基波分量外，還含有多項的高次諧波。為了改善電壓波形，可以采取其他控制策略和措施，比如：PWM控制、多重化技術等。61當前第61頁\共有146頁\編于星期三\5點在實際應用時，180°導通型逆變器中，除換流期間外，每一時刻總有3個開關器件同時導通。因此，必須防止同一橋臂的上、下兩管“直通”。為此，換流時，必須先給應關斷的器件發(fā)出關斷信號，待其關斷后留有一定的時間裕量，叫做“死區(qū)時間”，再給應導通的器件發(fā)出開通信號。死區(qū)時間的長短視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快時，所留的死區(qū)時間可以越短。為了安全起見，設置死區(qū)時間是非常必要的，但它會造成輸出電壓波形的畸變。62當前第62頁\共有146頁\編于星期三\5點在逆變器的一個交流輸出周期中，每個開關管導通一次，每隔60°總有一個管子導通和關斷，使逆變器的輸出電壓或電流有一次變化。這樣在一個電源周期360°電角度中共有6個開關管輪流導通，然后重新開始循環(huán)，由此又稱為六拍逆變器。恒壓恒頻的交流電源經(jīng)過交-直-交的變換，成為變壓變頻的交流電源。如果六拍逆變器開關管的觸發(fā)順序按S1S2

S3

S4

S5

S6的正相序循環(huán)，則輸出三相正相序交流電，驅(qū)動交流電動機正向運行；反之，如果按S6

S5

S4

S3

S2

S1的負相序觸發(fā)開關管，則輸出三相負相序交流電，驅(qū)動交流電動機反向運行。63當前第63頁\共有146頁\編于星期三\5點(b)電壓源型逆變器和電流源型逆變器由于在逆變器與負載之間除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換，因此需要采用儲能元件來緩沖無功能量。還有為了使輸入到逆變器直流電源平穩(wěn)，需要在交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)設置濾波器。一般采用電容器或電感器來滿足上述兩項需求。根據(jù)直流中間環(huán)節(jié)所采用的儲能元件的不同，交-直-交變頻器又分為電壓源型和電流源型兩種變流器：64當前第64頁\共有146頁\編于星期三\5點

1)電壓源型如果直流環(huán)節(jié)采用大電容作為儲能元件，由于電容器的濾波作用，使直流電壓波形比較平穩(wěn)，在理想情況下可看作是一個內(nèi)阻為零的恒壓源，因此稱為電壓源型逆變器（VSI，VoltageSourceInverter），有時簡稱電壓型逆變器。電壓型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1-13a所示，其輸出的交流電壓是矩形波或階梯波。65當前第65頁\共有146頁\編于星期三\5點

2)電流源型如果直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能元件，由于電感濾波作用，使直流電流波形比較平直，相當于一個恒流源，因此稱為電流源型逆變器（CSI，CurrentSourceInverter），或簡稱電流型逆變器。電流型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1-13b所示，其輸出的交流電流是矩形波或階梯波。66當前第66頁\共有146頁\編于星期三\5點

兩類逆變器在主電路上雖然只是直流環(huán)節(jié)的儲能元件不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現(xiàn)如下：

1)無功能量的緩沖電壓型逆變器采用電容器來緩沖無功能量和直流濾波；而電流型逆變器則采用電感器來緩沖無功能量和直流濾波。

2)能量的回饋采用電流源型逆變器，由于功率交換時電流方向不變，容易實現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。而對于電壓源型逆變器，由于其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動。67當前第67頁\共有146頁\編于星期三\5點

3)動態(tài)響應正由于交-直-交電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓極性可以迅速改變，所以動態(tài)響應比較快，而電壓源型則要差一些。

4)應用場合電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應慢，不易波動，所以適于做多臺電動機同步運行時的供電電源，或單臺電動機調(diào)速但不要求快速起制動和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電動機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求。68當前第68頁\共有146頁\編于星期三\5點六拍變流器的優(yōu)點是：在整流環(huán)節(jié)進行調(diào)壓控制，在逆變環(huán)節(jié)進行調(diào)頻控制，兩種控制分開實現(xiàn)，概念清楚，控制簡便。但由于采用晶閘管整流和逆變，帶來了如下不足：1)由于采用晶閘管相控整流，在交流輸入端造成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低和高次諧波大的問題；2)六拍逆變器由于晶閘管的工作頻率的限制，變頻控制范圍有限，且輸出不是正弦，諧波含量高。69當前第69頁\共有146頁\編于星期三\5點2．PWM變頻器PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1-14所示，采用二極管整流器將恒壓恒頻的交流電變換為不可控的直流輸出，再通過PWM逆變器變換為變壓變頻（VVVF—VariableVoltageVariableFrequency）的交流電輸出。70當前第70頁\共有146頁\編于星期三\5點

（1）PWM逆變器的主電路拓撲與調(diào)制原理PWM逆變器的主電路拓撲如圖1-15所示，由6個開關器件S1-S6及續(xù)流二極管組成，開關器件可以根據(jù)逆變器的容量選用IGBT、PMOSFET或BJT等全控型器件。目前，對于中、小容量的變頻器，大都采用復合型器件IGBT作為主電路開關。這種采用三相橋式二極管整流器與三相橋式IGBT逆變器構(gòu)成的PWM變頻器成為當今最為流行的變頻器形式，又稱為通用變頻器。71當前第71頁\共有146頁\編于星期三\5點72當前第72頁\共有146頁\編于星期三\5點交流PWM調(diào)制的基本原理以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波

73當前第73頁\共有146頁\編于星期三\5點

（2）PWM調(diào)制方法由于PWM變頻器能克服晶閘管變頻器的不足，性能得到很大提高，因此引起人們的重視，相繼開發(fā)出許多種PWM調(diào)制方法。這里簡要介紹幾種主要方法：

1）正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方法這種方法的基本原理如上所述，SPWM控制技術有單極性控制和雙極性控制兩種方式。如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，稱為單極性控制方式。如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也在正負之間變化，稱為雙極性控制方式。三相橋式PWM逆變器一般都采用雙極性控制方式。74當前第74頁\共有146頁\編于星期三\5點此外，在PWM控制電路中，定義三角載波頻率fT與調(diào)制頻率fM之比N=fT/fM為載波比，根據(jù)載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式又可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種方式。

異步調(diào)制是保持三角載波頻率fT固定不變，僅改變調(diào)制頻率fM的一種PWM調(diào)制方式，較為簡單。但調(diào)制時，隨著fM的變化，調(diào)制比N也是變化的，因而在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，PWM脈沖數(shù)隨著fM的升高而減少，并且正負半周期內(nèi)脈沖不對稱，相位也不固定，特別是高頻調(diào)制時，上述問題更為嚴重。75當前第75頁\共有146頁\編于星期三\5點

同步調(diào)制是同時改變載波頻率fT和調(diào)制頻率fM，使調(diào)制比N保持不變。這樣，在整個調(diào)制過程中，PWM脈沖數(shù)對稱不變，且相位固定。但當逆變器輸出頻率很低時，同步調(diào)制的載波頻率也隨之降低，使輸出諧波增大。為此，發(fā)展了分段同步調(diào)制和混合調(diào)制等辦法，以改善輸出波形。76當前第76頁\共有146頁\編于星期三\5點內(nèi)容回顧1、PWM整流器2、PWM變頻器77當前第77頁\共有146頁\編于星期三\5點

3)PWM跟蹤控制方法PWM跟蹤控制方法的基本思想是以希望逆變器輸出的電壓或電流波形作為指令信號，將檢測的實際電壓或電流作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號的變化。在跟蹤控制法中常用滯環(huán)比較方式或三角波比較方式。這里，僅以電流滯環(huán)跟蹤PWM（CHBPWM，CurrentHysteresisBandPWM）為例介紹PWM跟蹤控制方法。電流滯環(huán)跟蹤PWM控制的PWM變頻器工作原理如圖1-19a所示，圖中僅以a相為例，B、C二相的原理圖均與此相同。78當前第78頁\共有146頁\編于星期三\5點電流正半周：ia<i*a-h,T1on,T4off,ia↑；ia=i*a+h,T1off,T4on，實際是D4續(xù)流，ia↓；T1和D4交替導通。電流負半周：T4和D1交替導通79當前第79頁\共有146頁\編于星期三\5點電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約當環(huán)寬選得較大時，可降低開關頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關頻率增大了實用中，應在充分利用器件開關頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬80當前第80頁\共有146頁\編于星期三\5點

4)電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術（或稱磁鏈跟蹤控制技術）電壓空間矢量（SpaceVectorPWM–SVPWM）控制法與載波調(diào)制等方法不同，它是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想圓形磁通為基準，用逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由比較的結(jié)果決定逆變器的開關，形成PWM波形。81當前第81頁\共有146頁\編于星期三\5點設三相對稱正弦電壓的瞬時值為則它們對應的電壓空間矢量定義為

空間算子82當前第82頁\共有146頁\編于星期三\5點由三相正弦電壓合成的電壓空間矢量以角轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，見圖1-20。如果用三相正弦電壓向三相交流電動機定子供電，其形成的氣隙磁場也是以角轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的圓形磁場。83當前第83頁\共有146頁\編于星期三\5點三相電壓型逆變器主電路如圖1-21所示，如果采用180方波控制方式，根據(jù)不同的開關組合，其輸出三相電壓的空間矢量u共有8種狀態(tài)，如表1-2所示，其中：u1~u6的幅值為直流電壓2Ud/3，u0和u7為零矢量。84當前第84頁\共有146頁\編于星期三\5點

85當前第85頁\共有146頁\編于星期三\5點逆變器開關狀態(tài)和電壓空間矢量開關狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)狀態(tài)序號S1S2S3S4S5S6S7S8SaSbSc001010011100101110111000空間電壓矢量uu1u2u3u4u5u6u7u0u1(001)u2(010)u3(011)u4(100)u5(101)u6(110)u7(111)u0(000)0086當前第86頁\共有146頁\編于星期三\5點根據(jù)電壓型六拍逆變器的換流過程，其電壓空間矢量為一個正六邊形，如圖1-22所示。由于六拍逆變器的電壓矢量的軌跡不是一個圓，因而其定子磁鏈也非圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，由此使電動機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩。為了減小電動機的轉(zhuǎn)矩脈動，提出了SVPWM控制技術，使輸出的電壓矢量接近圓形。SVPWM控制的基本思想是：將六邊形的6個扇區(qū)進一步細分（圖1-23），在每個扇區(qū)中再插入一些中間矢量，這些中間矢量由8個基本電壓矢量的線性組合產(chǎn)生，構(gòu)成一個多邊形來逼近圓形，如圖1-24所示。87當前第87頁\共有146頁\編于星期三\5點88當前第88頁\共有146頁\編于星期三\5點中間矢量的組合方式如圖1-25所示:（1-27）89當前第89頁\共有146頁\編于星期三\5點三相合成電壓的幅值為式中：m為調(diào)制比，定義如下將式（1-27）用直角坐標系表示為90當前第90頁\共有146頁\編于星期三\5點根據(jù)式（1-30）和（1-31）可計算出插入中間矢量的作用時間，也就是PWM的脈沖時間。為了保證同一橋臂的上下兩個開關管不會出現(xiàn)短路，每次調(diào)制時總是從零矢量開始，又以零矢量來結(jié)束。比如：從u0開始到u7結(jié)束，或從u7開始到u0結(jié)束。通常兩個零矢量的作用時間相等，即有t0=t7。由Tsw=t1+t2+t0+t7可得（1-31）（1-30）（1-32）91當前第91頁\共有146頁\編于星期三\5點按照上述方法，可以合成電壓矢量u，如圖1-25b所示。另外，為了減少開關損耗，每次換流時只允許有一個開關改變狀態(tài)。根據(jù)上述規(guī)定，可得到的開關序列如表1-3所示。扇區(qū)uuuuIu7u6u4u0IIu7u6u2u0IIIu7u3u2u0IVu7u3u1u0Vu7u5u1u0VIu7u5u4u0Iu0u4u6u7IIu0u2u6u7IIIu0u2u3u7IVu0u1u3u7Vu0u1u5u7VIu0u4u5u7表1-3SVPWM開關序列表92當前第92頁\共有146頁\編于星期三\5點例如：開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序為111110100000；或者：111110010000。根據(jù)開關序列表，可以組合成相應的電壓空間矢量，使其構(gòu)成的多邊形逼近圓形。由此可見，采用SVPWM調(diào)制方法，所組成的中間電壓矢量越多，就越接近圓形。但這需要高頻的開關切換。93當前第93頁\共有146頁\編于星期三\5點PWM變壓變頻器的優(yōu)點：1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元是可控的，通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單。采用全控型的功率開關器件，通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制，驅(qū)動電路簡單，效率高。2）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用了恰當?shù)腜WM控制技術，正弦基波的比重較大，影響電動機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。3）逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響應不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動態(tài)性能也得以提高。4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因素較高，且不受逆變器輸出電壓大小的影響。94當前第94頁\共有146頁\編于星期三\5點3．雙PWM變頻器雙PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1-26所示，變頻器的整流電路也由全控型器件，比如IGBT組成，并采用PWM控制，由此可實現(xiàn)電能在電網(wǎng)和負載之間的雙向流動。95當前第95頁\共有146頁\編于星期三\5點

雙PWM變頻器有兩種工作模式：（1）當電動機電動運行時，對變頻器的網(wǎng)側(cè)變流電路進行PWM整流控制，將電壓和頻率恒定的交流電變成直流電，負載側(cè)變流器進行PWM逆變控制，輸出電壓和頻率可調(diào)的交流電，此時電能由電網(wǎng)向電動機傳遞。96當前第96頁\共有146頁\編于星期三\5點（2）當電動機發(fā)電運行時，則反過來對變頻器的負載側(cè)變流器進行PWM整流控制，將交流電變成直流電，網(wǎng)側(cè)變流電路進行PWM逆變控制，輸出電壓和頻率恒定的交流電反饋回電網(wǎng)，此時電能由電機向電網(wǎng)傳遞。雙PWM變頻器的特點是：①可方便的實現(xiàn)四象限運行；②采用PWM整流控制，可任意調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，

使功率因數(shù)小于1、等于1或大于1；③也可大大減小電流諧波。97當前第97頁\共有146頁\編于星期三\5點1.3.2.2交-交變頻器交-直-交變頻器由于存在直流環(huán)節(jié)，帶來轉(zhuǎn)換損耗和時滯效應。而交-交直接變頻器可省去直流環(huán)節(jié)，可提高一次功率變換效率和加快響應速度。它是由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)組成的可逆線路。三相負載中的一相98當前第98頁\共有146頁\編于星期三\5點圖1-28給出了一個單相交-交變頻器結(jié)構(gòu)，由兩組晶閘管整流電路反并聯(lián)組成，其基本原理是控制正、反兩組整流器輪流工作，當正組整流時，VF輸出直流電壓，在負載上流過正向電流+Id；當反組整流時，VR輸出極性相反的直流電壓，在負載上流過反向電流-Id。這樣，正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓uo，uo的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角，uo的頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波。99當前第99頁\共有146頁\編于星期三\5點如要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間不斷改變其控制角。常用的方法是采用調(diào)制控制方式，其控制原理是：在正向組導通的半個周期中，使控制角由/2（對應于平均電壓uo=0）逐漸減小到0（對應于uo最大），然后再逐漸增加到/2（uo再變?yōu)?），當角按正弦規(guī)律變化時，半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波；對反向組負半周的控制也是這樣，其輸出電壓和電流波形如圖1-29所示。100當前第100頁\共有146頁\編于星期三\5點101當前第101頁\共有146頁\編于星期三\5點三相交交變頻電路可以由3個單相交交變頻電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含6個晶閘管（當每一橋臂都是單管時），則三相可逆線路共需36個晶閘管，即使采用零式電路也須18個晶閘管。102當前第102頁\共有146頁\編于星期三\5點與交-直-交變頻器相比，交-交變頻器的優(yōu)點是：1)采用電網(wǎng)自然換流，由一次換流即可實現(xiàn)變壓變頻，換流效率高；2)能量回饋方便，容易實現(xiàn)四象限運行；3)低頻時輸出波形接近正弦。103當前第103頁\共有146頁\編于星期三\5點但是，普通交-交變頻器也存在一些缺點：1)使用晶閘管數(shù)量多，接線復雜；2)輸出頻率范圍窄，只能在1/2~1/3電網(wǎng)頻率以下

調(diào)頻；3)由于采用相控整流，功率因數(shù)低。由此，采用晶閘管的普通交-交變頻器常用于大功率低速電力傳動系統(tǒng)，比如：大型碎礦機、水泥球磨機、卷揚機、礦井提升機、軋鋼機、船舶電力推進等。104當前第104頁\共有146頁\編于星期三\5點1.4.1直接檢測方法1.4.2信號處理1.4.3狀態(tài)觀測和參數(shù)估計1.4系統(tǒng)檢測方法自學105當前第105頁\共有146頁\編于星期三\5點通常需要檢測的參數(shù)：電壓、電流、頻率、相位、磁場（磁鏈）、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和位置等。信號檢測的方法有直接檢測和間接檢測直接檢測——采用各種傳感器直接獲取檢測信號間接檢測——對于難于通過直接檢測獲得的信號，用其他可測信號通過數(shù)學模型和函數(shù)關系推算出所需信號，稱為狀態(tài)觀測器和估計器檢測方法。106當前第106頁\共有146頁\編于星期三\5點一、轉(zhuǎn)速檢測傳感器常用的轉(zhuǎn)速檢測傳感器有測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器等。測速發(fā)電機輸出的是轉(zhuǎn)速的模擬量信號；旋轉(zhuǎn)編碼器則為數(shù)字測速裝置。1.測速發(fā)電機測速發(fā)電機的作用是把輸入的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號，對測速發(fā)電機的基本要求：1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有嚴格的正比關系，以達到高精度的要求；2）在一定的轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的電動勢及電壓應盡可能的大，以達到高靈敏度的要求。測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩類：1.4.1直接檢測方法107當前第107頁\共有146頁\編于星期三\5點

(1)直流測速發(fā)電機

其基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流發(fā)電機相同，采用直流測速發(fā)電機檢測轉(zhuǎn)速的電路如圖1-31所示：108當前第108頁\共有146頁\編于星期三\5點當主磁通Φ一定時，直流發(fā)電機電樞繞組的感應電動勢為Ea=CeΦn，若取樣電阻為R2，則其輸出電壓為（1-33）109當前第109頁\共有146頁\編于星期三\5點

(2)交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機的定子上嵌有兩相繞組，一相是勵磁繞組，另一相是輸出繞組，它們在空間互差90o電角度，如圖1-32所示。勵磁繞組，施加頻率為f1的交流電輸出繞組110當前第110頁\共有146頁\編于星期三\5點內(nèi)容回顧1、PWM跟蹤控制方法2、SVPWM控制技術(1)空間矢量的概念(2)SVPWM控制的基本思想3、雙PWM變頻器的兩種工作模式4、交-交變頻器的工作原理5、直流測速發(fā)電機的工作原理111當前第111頁\共有146頁\編于星期三\5點6、交流測速發(fā)電機的工作原理勵磁繞組，施加頻率為f1的交流電輸出繞組112當前第112頁\共有146頁\編于星期三\5點2.旋轉(zhuǎn)編碼器（光電編碼器）測速發(fā)電機常用于模擬控制系統(tǒng)中，測速精度有限。光電式旋轉(zhuǎn)編碼常用在作為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件數(shù)字測速中。光電編碼器測速原理如圖1-33所示，在一個金屬圓盤上開許多小槽，有槽的地方可以透光，其他地方不透光，光源LED與光電探測器放置在圓盤兩邊，圓盤旋轉(zhuǎn)時，利用透明區(qū)和被不透明區(qū)光線穿越或阻擋兩種情況，光電探測器輸出高、低兩個電平的脈沖。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器也可利用光源對反射區(qū)與非反射區(qū)不同作用，以及干涉條紋來實現(xiàn)。由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。113當前第113頁\共有146頁\編于星期三\5點114當前第114頁\共有146頁\編于星期三\5點二、電流和電壓傳感器1.電流互感器電流互感器類似于一個升壓變壓器，它的一次繞組匝數(shù)N1很少，一般只有一匝到幾匝；二次繞組匝數(shù)N2很多。使用時，一次繞組串聯(lián)在被測線路中，流過被測電流，而二次繞組與電流表等阻抗很小的儀表接成閉路，如圖1-34所示。115當前第115頁\共有146頁\編于星期三\5點若忽略勵磁電流，根據(jù)磁動勢平衡關系可得：（1-34）由上式可知，利用一、二次繞組的不同匝數(shù)，電流互感器可將線路上的大電流轉(zhuǎn)成小電流來測量。116當前第116頁\共有146頁\編于星期三\5點

電流互感器通常用來檢測交流電流，圖1-35給出了采用電流互感器檢測三相交流電路電流的電路原理，由電流互感器檢測到與三相交流電流成正比的交流電壓，通過三相橋式二極管整流輸出直流電壓信號Ui。117當前第117頁\共有146頁\編于星期三\5點2.電壓互感器電壓互感器實質(zhì)上就是一個降壓變壓器，其工作原理和結(jié)構(gòu)與雙繞組變壓器基本相同。圖1-36是電壓互感器的原理圖，它的一次繞組匝數(shù)N1很多，直接并聯(lián)到被測的高壓線路上；二次繞組匝數(shù)N2較少，接高阻抗的測量儀表（如電壓表或其它儀表的電壓線圈）。118當前第118頁\共有146頁\編于星期三\5點（1-35）由于電壓互感器的二次繞組所接儀表的阻抗很高，二次側(cè)電流很小，近似等于零，所以電壓互感器正常運行時相當于降壓變壓器的空載運行狀態(tài)。根據(jù)變壓器的變壓原理，有

右式表明，利用一、二次繞組的不同匝數(shù)，電壓互感器可將被測量的高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓供測量等。電壓互感器常用來檢測交流電壓，直流電壓可采用電阻分壓器法或電容分壓器法等檢測方法。119當前第119頁\共有146頁\編于星期三\5點3.霍爾傳感器1879年，霍爾（EdwinH.Hall）發(fā)現(xiàn)：當載流體或半導體處于與電流相垂直的磁場中時，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。利用霍爾效應制成的霍爾元件可作為檢測磁場、電流、位移等傳感器。圖1-37是采用霍爾傳感器檢測電流的電路。120當前第120頁\共有146頁\編于星期三\5點通過施加直流電壓后產(chǎn)生原電流Ic，由被測電流產(chǎn)生磁場，按霍爾效應輸出相應的電位差UH，即有由霍爾器件輸出的電壓UH再經(jīng)過放大器A1放大后，輸出電流檢測信號Ui?；魻柍?shù)磁通密度控制電流121當前第121頁\共有146頁\編于星期三\5點三、磁場（磁鏈）傳感器磁感應強度和磁場強度的測量分為永久磁鐵和通電線圈兩種形式：(1)用永久磁鐵作為磁感應傳感器一般都由質(zhì)子核磁共振儀來校準磁感應強度的量值，其誤差為0.01%~0.001%。(2)利用通電線圈，比如螺旋管線圈和亥姆霍茲線圈，所產(chǎn)生的空間磁場可以感測磁場強度和磁感應強度。傳統(tǒng)的磁場測量方法有沖擊法和磁通計法等。122當前第122頁\共有146頁\編于星期三\5點

霍爾傳感器也可用來檢測磁場強度，其原理如上節(jié)所述，是利用霍爾元件輸出的電壓與被測磁感應強度成正比，通過檢測霍爾傳感器的輸出電壓實現(xiàn)磁場測量。采用霍爾傳感器檢測磁場的優(yōu)點在于：它可以測量靜態(tài)和動態(tài)磁場，簡單方便。而采用沖擊法或磁通量計法測量恒定磁場時，則需要人為的改變磁場，比較麻煩。因此，霍爾效應法是目前工程上最常用的磁場測量方法。123當前第123頁\共有146頁\編于星期三\5點1.5.1電力傳動控制的要求和指標

1.5.2PID控制器

1.5.3先進控制方法1.5.4系統(tǒng)分析和仿真1.5系統(tǒng)控制方法124當前第124頁\共有146頁\編于星期三\5點電力傳動系統(tǒng)的控制是實現(xiàn)系統(tǒng)自動化和提高系統(tǒng)性能的主要手段，其基本思路就是引入信號反饋，對系統(tǒng)的主要參數(shù)，比如：轉(zhuǎn)速、電流、磁場等實施閉環(huán)控制，以提高系統(tǒng)性能。由于電力傳動系統(tǒng)是一個較為復雜的多變量非線性系統(tǒng)，采用何種方法對其進行控制始終是該領域的研究熱點，發(fā)展了各種控制方法和形式多樣的解決方案。125當前第125頁\共有146頁\編于星期三\5點1.5.1電力傳動控制的要求和指標電力傳動控制系統(tǒng)主要目的往往是調(diào)速，即使是位置控制也首先需要有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，因此大部分的電力傳動系統(tǒng)又稱為調(diào)速系統(tǒng)。對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有：（1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速——頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。126當前第126頁\共有146頁\編于星期三\5點為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標：調(diào)速范圍和靜差率。這兩個指標合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標；而起動和制動為系統(tǒng)的動態(tài)過程，常用動態(tài)響應時間等動態(tài)性能指標來衡量。1.調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指電動機在額定負載下可能達到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，通常用D來表示，即（1-44）127當前第127頁\共有146頁\編于星期三\5點調(diào)速范圍D反映了生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求，不同的生產(chǎn)機械對電動機的調(diào)速范圍有不同的要求，對于一些經(jīng)常輕載運行的生產(chǎn)機械，可以用實際負載時的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比來計算調(diào)速范圍D。要擴大調(diào)速范圍，必須盡可能提高nmax與降低nmin，而最高轉(zhuǎn)速nmax受電動機的換向及機械強度限制，最低轉(zhuǎn)速nmin受生產(chǎn)機械對低速靜差率的限制。2.靜差率靜差率是指在同一條機械特性上，從理想空載到額定負載時的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比。用百分比表示為128當前第128頁\共有146頁\編于星期三\5點

靜差率δ反映了拖動系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。不同的生產(chǎn)機械，其允許的靜差率是不同的。而且，靜差率δ值與機械特性的硬度及理想空載轉(zhuǎn)速n0有關。當理想空載轉(zhuǎn)速n0一定時，機械特性越硬，額定速降ΔnN越小，則靜差率越小。調(diào)速范圍D與靜差率δ兩項性能指標是互相制約的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的，如果以電動機的額定轉(zhuǎn)速nN作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負載下的轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即129當前第129頁\共有146頁\編于星期三\5點于是，最低轉(zhuǎn)速為而調(diào)速范圍為上式表示調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系?？梢?，對于一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。130當前第130頁\共有146頁\編于星期三\5點3.平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，則認為調(diào)速越平滑。平滑性用平滑系數(shù)來衡量，它是相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比ρ越接近于1，則系統(tǒng)調(diào)速的平滑性越好。當ρ=1時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)，采用調(diào)壓調(diào)速的方法可實現(xiàn)系統(tǒng)的無級調(diào)速。4.經(jīng)濟性主要考慮調(diào)速設備的初投資、調(diào)速時電能的損耗及運行時的維修費用等。131當前第131頁\共有146頁\編于星期三\5點1.5.2PID控制器為了滿足上述系統(tǒng)指標，通常需要采用閉環(huán)反饋控制，而控制器成為實現(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)的關鍵，其中最為經(jīng)典的控制方法仍是采用PID控制器，常用的PID控制器有模擬PID調(diào)節(jié)器和數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器。1．模擬式PID調(diào)節(jié)器由給定值與反饋