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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,四,章交流调速基础,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,四,章交流调速基础,*,CSSSE,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,四,章交流调速基础,*,马昕,北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心,教育部化工安全工程研究中心,国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室,北京化工大学信息科学与技术学院,第四章 交流调速基础,1,主要内容,概述,交、直流调速系统比较,交流调速的难点和复杂性,交流调速系统的技术突破,交流调速系统的主要应用领域,交流调速涉及的知识,电力变换电路,变频器的基本构成,跟踪型,PWM,控制,重点内容,（1）交、直流调速系统的比较,直流电动机的固有缺点：,工艺复杂，成本高；,换向器的换向能力限制了直流电动机的容量和速度；,电枢火花限制了直流电动机的安装环境；,转子发热，电机效率低；,可靠性较差，增加了维护和保养的工作量,（1）交、直流调速系统的比较,比较内容,直流电动机,交流电动机,结构以及制造,有电刷，制造复杂,无电刷，结构简单,重量/功率,约2倍,1倍,体积/功率,约2倍,1倍,价格/功率,几倍,1倍,最大容量,12,MW14MW,几十,MW,最大转速,1000,r/min,左右,数千,r/min,最高电枢电压,1,kV,6,kV10kV,安装环境,要求高,要求低,维护,较多,较少,调速性能,好,复杂,4,（1）交、直流调速系统的比较,交流调速优于直流调速之处：,在大功率负载情况下，交流调速性价比最优；,交流调速系统可满足高速运行要求；,在易燃易爆多尘场合，交流调速系统无需过多维护；,交流调速系统成本较之直流调速系统明显降低；,中压交流调速系统可以节省变电站容量；,交流电动机易于同某些生产机械形成机电一体化产品,（2）交流调速的难点和复杂性,交流调速系统的难点主要来自于：,交流电动机的数学模型造成转矩控制困难,与其相关的电子器件和微处理器更新换代的速度制约了交流调速系统的发展速度,调速系统的精度和成本又使交流调速系统的应用复杂化,（3）交流调速系统的技术突破,电力电子技术的发展,微机以及数字信号处理技术的发展,现代控制理论的应用以及交流调速原理的发展和成熟,（4）交流调速系统的主要应用领域,主要应用方向：,以节能为目的的改恒速为调速的系统,以少维护省力为目的的取代直流调速的系统,直流调速难以实现的领域,具体应用实例：,轧钢工业、石油工业、机械工业、化工工业,主要内容,概述,交流调速涉及的知识,电力变换电路,2. 交流调速涉及的知识,被控对象：,交流电动机,控制内容：,理论基础：,自控原理（古典控制、现代控制）,主电路,（变频器电动机）,控制电路,（硬件：单片机、,PLC、PC、DSP）,（,软件：交流电动机控制方案,（,VVVF、VCS、DTC）,）,变频器,主要内容,概述,交流调速涉及的知识,电力变换电路,变频器的基本构成,跟踪型,PWM,控制,3. 电力变换电路,整流器,（,AC=DC）,逆变器,（,DC=AC）,变频器,（,AC=AC）,双整流器反并联,（,AC=AC,）,整流器逆变器,（,AC=DC=AC,）,无源逆变,交交变频（直接变频）,交直交变频（间接变频）,变频器,变频器基本结构,变流器,平滑电路,逆变器,控制器,电源,IM,pp73,（,1,）变频器的基本构成,交交变频器,交交变频,AC AC,CVCF VVVF,50,Hz,变频器的基本构成,单相交交变频电路原理,工作原理,无环流工作方式,一组工作，,另一组封锁,两组变流器按,一定频率交替工作,给负载,输出某频率交流电,变频器的基本构成,工作原理,对反并联变流器晶闸管的控制角连续进行交变的相位调制，则可输出连续的交流电,改变控制角变化的快慢和大小，可以控制输出交流电的频率和幅值,变频器的基本构成,特点：,一次变流，直接变换效率高，但可调频率范围窄,输出电压由输入电压的某些部分构成，低频波形好,按电网电压过零自然换流，变流器容量可以很大,可以方便地实现4象限工作,所用功率元件数量较多,功率因数较低,适用范围：大容量低速传动,变频器的基本构成,交直交变频器,电压型逆变器：直流侧是电压源,电流型逆变器：直流侧是电流源,整 流,AC DC AC,CVCF,中间直流环节,VVVF,50,Hz,逆 变,变频器的基本构成,比较内容,电压型逆变器,电流型逆变器,直流回路滤波环节,电容器,电抗器,输出电压波形,矩形波,与负载有关,输出电流波形,与负载功率因数有关,矩形波,输出动态阻抗,小,大,输入功率因数,0.80.85,0.750.85,回馈制动,不能，需另设反并联逆变器,能，无需任何附加设备,过流及短路保护,困难,容易,动态响应,较慢,快,对晶闸管的要求,关断时间要短，,对耐压要求一般较低,耐压高，,对关断时间无特殊要求,线路结构,较复杂,较简单,适用范围,多机拖动，稳频稳压电源,单机拖动，可逆运行,变频器的基本构成,19,电压型逆变器的主要特点,中间直流环节采用大电容滤波，相当于恒压源,交流侧输出电压是矩形波，电流波形为正弦波,为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂均需反并联续流二极管,从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的,当电机工作在再生制动状态时，需在中间直流环节中并联电阻进行能耗制动,变频器的基本构成,当需要向交流电源反馈能量时，只能够改变直流电流,方向来实现，即反并联一套逆变器,反并联逆变桥的电压型逆变器,变频器的基本构成,电压型逆变器的主要特点,中间直流环节采用大电感滤波，相当于恒流源,交流侧输出电流是矩形波，电压波形为正弦波,因电流不能反向，故控制器件无需反并联续流二极管,从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的,变频器的基本构成,电流型逆变器的主要特点,当电机工作在再生制动状态时，若交直变换为可控,变流器，可方便地实现再生制动,电流型逆变器的两种运行状态,变频器的基本构成,电流型逆变器的主要特点,PWM,变频器,按照整流器是否可控，交直交变频器可分为：,可控整流器逆变器,前者调压，后者调频,不可控整流器,PWM,逆变器,调压调频均由逆变器调节,变频器的基本构成,调频和调压分别完成，二者之间需要协调配合,可控整流器对电网谐波造成污染，降低功率因数,输出波形为矩形波，含有一系列高次谐波,（可控整流器基本逆变器）的不足之处：,变频器的基本构成,PWM,变频器的特点,变流器可为不可控整流桥，简化电路，提高功率因数,消除或抑制低次谐波，输出波形非常逼近正弦波,调频同时调压，与中间直流环节参数无关,可由,PWM,整流器和,PWM,逆变器组成电压型变频器，允许能量双向传递，实现四象限运行,变频器的基本构成,PWM,逆变器的主电路,PWM,电压型变频器主电路,PWM,电压型变频器的,主电路,包括交直部分和直交部分,变频器的基本构成,（2）跟踪型,PWM,控制,将电流、电压或磁通的,指令值,作为调制波信号,将电流、电压或磁通的,实际值,作为载波信号,通过两者的瞬时值比较，构成,闭环控制,，决定,PWM,逆变器各功率开关元件的通断，使实际,输出跟踪指令信号,又称为瞬时值控制型逆变器,定义,电流跟踪型,PWM,控制,实质：,bang-bang,控制,应用领域：,高性能单电动机交流传动,基本思想：,将一个正弦波电流给定信号与电流实测信号相比较，若 实际电流值大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作 使之减少；反之使之增加。使实际输出电流围绕着给定 的正弦波电流锯齿形变化，并将偏差限制在一定范围内。,与此同时，逆变器输出的电压波成为,PWM,波，快速调节 电流幅值和相位，使电动机电流得到高品质的动态控制。,电流跟踪型,PWM,控制,电流跟踪型,PWM,控制,电流跟踪型,PWM,控制,优点：硬件简单；实时控制；无需调节逆变器电压；闭环控制,缺点：谐波损耗较大，开关次数较多,三相电流跟踪型逆变器的控制,电压跟踪型,PWM,控制,电压跟踪型,PWM,控制,磁通跟踪型,PWM,控制,（,3,）变频器举例,SIEMENS,变频器,紧凑型,MicroMaster410,基本型,MicroMaster420,节能型,MicroMaster430,矢量型,MicroMaster440,（,3,）变频器举例,基本操作板,（,3,）变频器举例,更改参数,P0004,数值,（,3,）变频器举例,端子号,标识符,功能,1,、,2,-,输出,+10V/0V,3,、,4,ADC1+/1-,模拟输入,1(+)/1 (-),5,、,6,、,7,、,8,DIN1/2/3/4,数字输入,1/2/3/4,9,-,带电位隔离输出,+24V,，最大,100mA,10,、,11,ADC2+/2-,模拟输入,2(+)/2(-),12,、,13,DAC1+/1-,模拟输出,1(+)/1 (-),14,、,15,PTCA/PTCB,连接温度传感器,PTC,16,、,17,DIN5/6,数字输入,5/6,18,、,19,、,20,DOUT1 NC/NO/COM,数字输出,1 NC,常闭触头,/NO,常开触头,/,切换触头,21,、,22,DOUT2 NO/COM,数字输出,2 NO,常开触头,/,切换触头,23,、,24,、,25,DOUT3 NC/NO/COM,数字输出,3 NC,常闭触头,/NO,常开触头,/,切换触头,26,、,27,DAC2+/2-,模拟输出,2(+)/2 (-),28,-,带电位隔离输出,0V,，最大,100mA,29,、,30,P+/P-,RS485,串口,MicroMaster440,变频器控制端子,（,3,）变频器举例,端子号,标识符,功能,1,、,2,-,输出,+10V/0V,3,、,4,ADC1+/1-,模拟输入,1(+)/1 (-),5,、,6,DIN1/2,数字输入,1/2,9,-,带电位隔离输出,+24V,，最大,100mA,10,、,11,ADC2+/2-,模拟输入,2(+)/2(-),12,、,13,DAC1+/1-,模拟输出,1(+)/1 (-),19,、,20,DOUT1 NO/COM,数字输出,1 NO,常开触头,/,切换触头,26,、,27,DAC2+/2-,模拟输出,2(+)/2 (-),28,-,带电位隔离输出,0V,，最大,100mA,MicroMaster440,变频器,与水泵接线图,本章小结,随着计算机和微处理器的迅速发展，电力电子器件的日新月异，现代控制理论和智能控制方法的日益成熟，使得交流调速系统的开发和应用如日中天,交交变频器无中间直流环节，为直接变频，效率高，但可调频率范围在1/2额定频率以下。适用于大容量、低速传动,交直交变频器根据中间直流环节不同，分为电压型逆变器和电流型逆变器两种,PWM,电压型逆变器兼有电压型和电流型的优点，是目前变频器的主流,跟踪型,PWM,控制是根据电流、电压或磁通的指令值直接控制逆变器的上述输出量，它是瞬时值控制，动态响应好。跟踪型,PWM,控制有三种类型：电流型、电压型和磁通型,本章重点内容,跟踪型,PWM,控制的概念和类型,END,Back to PWM,电压型变频器主电路,PWM,电压型交直交变频器主回路,三相整流桥,限流电阻,滤波电容,制动电阻,电源指示,制动单元,续流二极管,缓冲电路,三相逆变桥,43,
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