机电传动控制课件

第十二章第十二章 交流传动控制系统交流传动控制系统掌握：掌握：交流电动机调速特性、特点和使用场合；交流电动机调速特性、特点和使用场合；交流调速的基本原理和类型；交流调速的基本原理和类型；各种调速系统的组成和工作原理。各种调速系统的组成和工作原理。交流电动机的转速：交流电动机的转速：本本章章将将主主要要介介绍绍异异步步电电动动机机各各种种调调速速系系统统的的基基本本原原理理及及特特性性，重重点点介介绍绍改改变变频频率的各种调速系统。率的各种调速系统。即改变转差率即改变转差率S；改变极对数改变极对数p；改变频率改变频率f。改变定子电压、定子串电阻、转子串电阻改变定子电压、定子串电阻、转子串电阻 121 电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统1 1、电磁转差离合器调速系统的特点、电磁转差离合器调速系统的特点2 2、电磁转差离合器的结构和调速原理、电磁转差离合器的结构和调速原理电枢、磁极、励磁绕组电枢、磁极、励磁绕组 理解理解“电电磁转差离合器磁转差离合器”的概念：励的概念：励磁电流是否等磁电流是否等于零，和基于于零，和基于电磁感应原理。电磁感应原理。连在一起称作连在一起称作“滑差电机滑差电机”。12122 2 交流调压调速系统交流调压调速系统 由异步电动机电磁转矩和机械特性方程由异步电动机电磁转矩和机械特性方程可知，异步电动机的转矩与定子电压的平方可知，异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比，改变异步电动机的定子电压也就是成正比，改变异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩及机械特性，从而实现调改变电动机的转矩及机械特性，从而实现调速。速。当当电电源源电电压压为为正正半半周周时时，触触发发VS1使使之之导导通通，电电压压过过零零时时，VS1自行关断；自行关断；当当电电源源电电压压为为负负半半周周时时，触触发发VS2使使之之导导通通，电电压压过过零零时时，VS1自行关断；自行关断；触发控制角为：触发控制角为：如如此此不不断断重重复复，负负载载上上便便得得到到正正负负对对称称的的交交流流电电压压。改改变变晶晶闸闸管管控控制制角角的的大大小，就可以改变负载上交流电压的大小。小，就可以改变负载上交流电压的大小。1.单相交流调压电路单相交流调压电路只需要一个脉冲信号，只需要一个脉冲信号，脉冲周期为：脉冲周期为：1800 一、采用晶闸管的交流调压电路一、采用晶闸管的交流调压电路v对于电阻性负载其电流波形与电压波形同相。v如果晶闸管调压电路带电感性负载（如异步电动机），其电流波形由于电感上电流不能突变而有滞后现象，其电路和波形如下图所示。v异步电动机的输出转矩与定子电压的平方成正比，2.三相交流调压电路三相交流调压电路 将三对反并联的晶闸管（即单将三对反并联的晶闸管（即单相调压电路）分别接至三相负载就相调压电路）分别接至三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电构成了一个典型的三相交流调压电路。路。负载可以是星形连接，也可以负载可以是星形连接，也可以是三角形连接。是三角形连接。三相负载三相负载Y形连接形连接 电电阻负载阻负载单相调压电路单相调压电路 三相交流电压三相交流电压 v三相交流调压电路的分析与单相电路的分析大同小异,但必须注意它的特殊性。1）为保证输出电压对称并有相应的控制范围，首先要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。2）其次是在感性负载或小导通角情况下，为了确保晶闸管可靠触发，如同三相全控桥式整流电路一样，要求采用控制角大于 60o 的双脉冲或宽脉冲触发电路。二、异步电动机调压调压调速系统二、异步电动机调压调压调速系统 1异步电动机调压调速特性异步电动机调压调速特性 特点如下：特点如下：v 轻载时，外加电压变化很大，转速变化很小。电动机的转速变化范围不大；轻载时，外加电压变化很大，转速变化很小。电动机的转速变化范围不大；v 重载时，降低供电压，转速下降快，甚至停转，引起电动机过热甚至烧坏；重载时，降低供电压，转速下降快，甚至停转，引起电动机过热甚至烧坏；v 如如果果要要使使电电动动机机能能在在低低速速段段运运行行，一一方方面面传传动动系系统统运运行行不不稳稳定定，另另外外，随随着着电电动机转速的降低会引起转子电流相应增大，可能引起过热而损坏电动机动机转速的降低会引起转子电流相应增大，可能引起过热而损坏电动机。1 1 转子绕组设计成较高的电阻。转子绕组设计成较高的电阻。二、异步电动机调压调压调速系统二、异步电动机调压调压调速系统 1异步电动机调压调速特性异步电动机调压调速特性 v对于笼型异步电动机，可以将电动机转子的鼠笼由铸铝材料改为电阻率较大的黄铜条，使之具有如图(b)所示的机械特性。即使这样，调速范围仍不大，且低速时运行稳定性不好，不能满足生产机械的要求。2异步电动机调压调速系统异步电动机调压调速系统 为为了了既既能能保保证证低低速速时时的的机机械械特特性性硬硬度度，又又能能保保证证一一定定的的负负载载能能力力，一一般般在在调调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统，其控制系统原理框图如图所示。压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统，其控制系统原理框图如图所示。特点：1）只要能平滑地改变定子电压，就能平滑调节异步电动机的转速；2）加转速负反馈后，低速的特性较硬，调速范围亦较宽。3.异步电动机调压调速时的损耗及容量限制异步电动机调压调速时的损耗及容量限制 转转差差功功率率：传传到到转转子子上上的的电电磁磁功功率率与与转转子子轴轴上上产产生生的的机机械械功功率率之之差差叫叫损损耗功率，也叫转差功率。耗功率，也叫转差功率。1)转差功率的大小由转差率转差功率的大小由转差率S决定；决定；2)这个转差功率这个转差功率,它将通过转子导体发热而消耗掉；它将通过转子导体发热而消耗掉；3)在调压调速中，如果工作在低速状态，在调压调速中，如果工作在低速状态，S将较大，即转差功率很大将较大，即转差功率很大。调调压压调调速速方方法法不不太太适适合合于于长长期期工工作作在在低低速速的的工工作作机机械械，如如要要用用于于这这种种机机械械，电动机容量就要适当选择大一些。电动机容量就要适当选择大一些。3.异步电动机调压调速时的损耗及容量限制异步电动机调压调速时的损耗及容量限制如果负载具有转矩随转速降低而减小的特性（如通风机类型的工作机械T=Kn2，则当向低速方向调速时转矩减小，电磁功率及输入功率也减小，从而使转差功率较恒转矩负载时小得多。因此，定子调压调速的方法特别适合于通风机及泵类等机械。12.2异步电动机变极调压调速系统v为了克服调压调速系统在低速运行时能量损耗大、运行效率低的缺点，可以来用调压调速与变极调速相结合的调速方式，即所谓变极调压调速。v当极对数p增加一倍时，同步转速n0下降一半，电动机的机械特性如图所示。若在此基础上再采用降压调速，则在相同的低速下转差能量损耗将较之仅采用调压调速时小得多。12.3 线绕式异步电动机串级调速系统 线绕式异步电动机调速方法及特点：转子电路串接电阻电阻上消耗大量的能量，速度越低损耗越大 转子电路串接电势把电阻上的能量加以利用，从而获得比较经济的运行效果。为了利用这部分能量，在转子电路中增加了一套交流装置。这样，就构成了由异步电动机和交流装置共同组成的串级调速系统。异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入附加电势路内引入附加电势Ead，以调节异步电动机的转速。以调节异步电动机的转速。在绕线式异步电动机转子电路中引入可控的交流附加电在绕线式异步电动机转子电路中引入可控的交流附加电动势固然可以改变电动机的转速，相当的难度。动势固然可以改变电动机的转速，相当的难度。利用直流电路来处理。利用直流电路来处理。由于直流电不存在频率与相位的问题，直流电压又容易获由于直流电不存在频率与相位的问题，直流电压又容易获得，所以可以将电动机的转子交流电动势整流成直流电动势，得，所以可以将电动机的转子交流电动势整流成直流电动势，然后引入一个直流附加电动势，控制直流附加电动势的幅值，然后引入一个直流附加电动势，控制直流附加电动势的幅值，就可以调节电动机的转数。就可以调节电动机的转数。v由于采用串级调速的电动机具有类似他励直流电动机的硬机械特性，因此，在调速精度要求不高的场合，可以直接采用开环控制。但是，如果想要得到高精度的调速，则应采用带速度负反馈的自动调速系统。也包括有电流调节器、速度调节器及电流和速度反馈环节。典型线路如图 所示。12.4晶闸管变频调速系统晶闸管变频调速系统变频调速变频调速通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。变频调速是异步电动机调速最有发展效率、宽范围和高精度的调速性能。变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。前途的一种方法。二、交二、交-直直-交变频调速系统交变频调速系统交流电交流电幅值可调的直流电幅值可调的直流电幅值、频率均可调的交流电幅值、频率均可调的交流电可控整流电路可控整流电路逆变电路逆变电路交-直-交变频调速 称带直流环节的间接变频调速系统交、交变频调速系统-直接变频调速系统在异步电动机变频调速系统中，为了得到更好的性能，可以将恒转矩调速与恒功率调速结合起来。对于鼠笼式异步电动机的变压变频调速，必须同时改变供电电源的电压和频率。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，才能获得变压变频的电源。这样的装置通称为变压变频(Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF)装置。现在的变压变频装置几乎无一例外地都使用静止式电力电子变压变频装置(以下简称为变频器)。1变频器的基本构成 交直交频器的基本构成如图所示，它由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。(1)整流器。整流器的作用是把三相或单相交流电变成直流电。(2)逆变器。常用的逆变器是三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关元器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。(3)中间直流环节。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，其功率因数总不会为1，因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。(4)控制电路。控制电路通常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以来用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。(1)用可控整流器变压，用逆变器变频。这种装置的调压和调频分别在两个环节上进行，二者要在控制电路上协调配合。优点是结构简单，控制方便，器件要求低；缺点是功率因数小，谐波较大，器件开关频率低。按照不同的控制方式，交一直一交变频器又可分成三种见下图 (2)用不控整流器整流，用斩被器变压，用逆变器变频。这种装置的整流环节采用二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。优点是功率因数高，整流和逆变干扰小；缺点是构成环节多，谐波较大，调速范围不宽。(3)用不控整流器整流，用PWM逆变器同时变压变频。用不控整流器整流，则功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以减小。这样，前两种装置的缺点都解决了。变频器的分类：v电压型变频器 电压型变频器的特点是在交一直一交变压变频装置的直流侧并联一个滤波电容v电流型变频器 电流型变频器的特点是在交一直一交变压变频装置的直流回路中中入大电感，逆变电路逆变电路整流电路整流电路整流电路整流电路的触发电的触发电路路逆变电路的触发电路逆变电路的触发电路 系系统统中中，晶晶闸闸管管整整流流、移移相相触触发发电电路路、脉脉冲冲放放大大器器、电电压压及及速速度度负负反反馈馈环环节节的电路和原理与直流调速系统相同。的电路和原理与直流调速系统相同。脉冲发生器电路：脉冲发生器电路：电压信号电压信号脉冲信号脉冲信号幅值大小幅值大小频率大小频率大小频率频率/电压（电压（F/V）变换器变换器：电压信号电压信号脉冲信号脉冲信号幅值大小幅值大小频率大小频率大小 环环行行计计数数器器:实实质质是是一一个个脉脉冲冲分分配配器器，它它把把来来自自频频率率发发生生器器的的脉脉冲冲6个个（或或12个）一组依次分配，经脉冲放大器后，顺序触发逆变器的个）一组依次分配，经脉冲放大器后，顺序触发逆变器的6组晶闸管来实现逆变。组晶闸管来实现逆变。电压型变频调速系统的主回路工作原理：工作原理：给定给定脉冲频率脉冲频率逆变器输出电压频率逆变器输出电压频率nF/V的输出的输出整流电路输出整流电路输出逆变器输出电压幅值逆变器输出电压幅值电压型变频调速系统的原理图 其调速特性基本保持了异步电动机固有其调速特性基本保持了异步电动机固有特性转差率小的特点，所以，具有效率高、特性转差率小的特点，所以，具有效率高、调速范围宽、调速精度高等特点、是异步电调速范围宽、调速精度高等特点、是异步电动机比较理想的调速方法。动机比较理想的调速方法。v数字式恒压频比控制交流调速系统 需要设定的控制信息主要有U/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。低频时或负载的性质和大小不同时，须靠改变E/f函数发生器的特性来补偿，使系统达到E/f恒定的功能，在通用产品中称为“电压补偿”或“转矩补偿”。实现补偿的方法有两种：一种方法是在微机中存储多条不同斜率和折线段的Uf函数，由用户根据需要选择最佳特性；另一种方法是采用霍尔电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。系统中的其他环节作简单的介绍：(1)限流电阻R0和短接开关S(2)电压检测与泵升限制(3)进线电抗器(4)温度检测(5)电流检测125矢量变换控制交流变领调速系统v矢量控制(Vector Control)又称为磁场定向控制,使交流变频调速技术在精细化方面大大迈进了一步。v现已达到了可与直流调速系统的性能姻美的程度。v 矢量变换控制属闭环控制方式，是异步电动机调速实用化的最新技术。异步电动机矢量控制方式近些年来交流异步电机在调速技术方面能急剧发展并推广应用异步电动机矢量变换控制原理;VVVF交流调速系统解决了异步电动机平滑调速的问题，使系统，特别是中、小功率的交流调速系统，能够满足许多工业应用的要求。然而，其调速后的静、动态性能仍无法与直流双闭环调速系统相比.他励直流电动机的励磁电路和电枢电路是互相独立的，电枢电流的变化并不影响磁场。而异步电动机的励磁电流和“负载电流”(转子电流通过电磁耦台，在定子电路中增加的电流)都在定子电路内(定子电流为励磁电流与转子电流折合过来的“负载电流”之和)，彼此相互叠加，其电流、电压、磁通和电磁转矩各量是相互关联的，而且属于强耦合状态，因此，交流异步电动机的控制问题变得相当复杂。在异步电动机中能对负载电流和励磁电流分别加以控制就是矢量控制的基本思想。实际上，产生旋转磁场不一定非要三相不可，二相、四相等任意的多相对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁场。图129(b)所示是两相固定绕组(位置上相差90。)通以两相平衡交流电流(时间上差90。)时所产生的旋转磁场，当旋转磁场的大小和转速都相同时，图129(a)和(b)所示的两套绕组等效。图129(c)中有两个匝数相等、互相垂直的绕组M和T，分别通以直流电流M和T，产生位置固定的磁通。如果使两个绕组同时以同步转速旋转，那么磁通自然随着旋转起来，这样也可以认为和图129(a)与图129(b)所示的绕组是等效的。异步电动机的矢量控制的目的就是仿照直流电动机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流(相当励磁电流)和转矩分量电流(相当负载电流)分别加以控制。可以想象，当观察者站到铁芯上和绕组一起旋转时，他所看到的是两个通以直流的相互垂直的固定绕组。如果取磁通由的位置和绕组M的平面正交，就和等效的直流电动机绕组没有差别了。其中，绕组M相当于励磁绕组，绕组T相当于电枢绕组。由此可见，特异步电动机模拟成直流电动机进行控制，需要先将A、B、c静止坐标系表示的异步电动机矢量变换到按转子磁通方向为磁场定向并以同步速度旋转的MOT直角坐标系上，即进行矢量的坐标变换。可以证明，在MOT直角坐标系上，异步电动机的数学模型和直流电动机的数学模型是极为相似的。因此，人们可以像控制直流电动机一样去控制异步电动机，以获得优越的调速性能。三、交三、交-交变频调速系统交变频调速系统交流电交流电频率幅值可调的交流电频率幅值可调的交流电1.交流调频电路交流调频电路共共阴极组阴极组共共阳极组阳极组分析可知：分析可知：共共阴极组整流电路可以把交流电变为正半周的直流电压；阴极组整流电路可以把交流电变为正半周的直流电压；共阴极组整流电路可以把交流电变为负半周的直流电压；共阴极组整流电路可以把交流电变为负半周的直流电压；直流电压的大小由控制角控制；直流电压的大小由控制角控制；把共阳极组和共阴极组整流电路组合起来就可构成交流调频调压电路。把共阳极组和共阴极组整流电路组合起来就可构成交流调频调压电路。输入电压输入电压 f1和和2管交替导通管交替导通 频率为频率为 f1、3、4、2 管顺管顺序导通序导通 频率为频率为 f/21、3、1、2、4、2管顺序导通管顺序导通 频率为频率为 f/31、3、1、3、4、2、4、2管顺序管顺序导通导通 频率为频率为 f/4 改变改变4只可控硅通电顺序可改变输出电压的频率；只可控硅通电顺序可改变输出电压的频率；改变可控硅控制角可改变输出电压的大小。改变可控硅控制角可改变输出电压的大小。共共阴极组阴极组共共阳极组阳极组根据交-交变频器其输出电压的波形，可以分为方波型及正弦波型两种。图给出了三相方波型交-交变频器的主电路。2.交交-交变频系统交变频系统 3.特点特点v 交交-交变频系统，电路简单；交变频系统，电路简单；v 频率不能连续。频率不能连续。v图中给定信号经电压/频率变换转换成与给定信号成比例的脉冲信号，然后经环行分配器分频，依次形成相差T/6、持续时间为T/3 的选组脉冲。v选组脉冲规定了什么时间允许哪组晶闸管工作。与此同时，给定信号被变换成与之相应的移相脉冲，从而决定每组晶闸管导通的次序及控制角的大小。移相脉冲与选组脉冲经逻辑电路确定了每个晶闸管的导通时刻，低速时为了补偿定子的压降，引入了函数发生器以适当提高电压。v在异步电动机调速系统中，常用的是正弦型交-交变频器。其目的是使每组整流器的输出平均电压随时间按正弦规律变化。电路的型式实质上是由两组反并联的可控整流器所组成，和直流可逆系统不同之处仅仅是角需不断调制，使输出平均电压为正弦波。v交-交变频调速与交-直-交变频调速相比，其优点是：节省了换流环节，提高了效率；v在低频时波形较好，电动机谐波损耗及转矩的脉动大大减小。其缺点是：最高频率受电网频率的限制，且主回路元件数量多。故一般适用于低速、大容量的场合，如球磨机、矿井提升机、电力机车及轧机的传动。