交流调速概要

,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,*,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,*,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,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,交流调速概要,一、教学要求：,了解交流拖动控制系统开展概况,了解交流拖动控制系统的应用领域,掌握交流调速系统的根本类型,掌握交流变压调速系统及其应用,了解交流变压系统动态特性,二、教学时间安排：3学时,重点：交流调速系统的根本类型,三、教学过程：,第六章交流调速概述,(1)直流电力拖动交流电力拖动19世纪诞生,发电：19世纪90年代第一条三相输电线,20世纪60年代,99.99同步发电机,用电：6070各种电机应用,异步电动机负荷又占其中的85%,交流电机拖动：电力拖动容量80% 不变速,直流电机拖动： 20%可调速高性能,一、开展概况,1.开展历程:,开展概况和应用领域,直流电机具有电刷和换相器,需经常检修,换向火花使直流电机应用环境受限,换向能力限制直流电机容量和速度,有效利用电动机，改进运行性能，控制电动机的转速，降低效耗.,直流电机的缺点:,(2)20世纪70年代石油危机：节能，使交流拖动控制系统成为主要开展方向。,20世纪6070年代，电力电子技术的开展,大规模集成电路和计算机控制出现,采用电力电子变换器的交流拖动系统，高性能交流调速系统出现,1电力电子功率器件应用：构成电力电子变换器弱电控制强电，器件共分四代。,第一代：晶闸管SCR ，100Hz ， 20世 纪50年代，半控器件，电流控制器件。,第二代：电力晶体管BJT(GTR)，2kHz,门极可关断晶闸管GTO，1kHZ,20世纪80年代，全控器件，电流控制器件。,2.交流调速系统开展现状:,GTO符号图,SCR符号图,第三代：功率MOSEET，100kHz,绝缘栅双极晶体管IGBT=MOS+BJT，,20kHz，,20世纪,90年代，全控器件， 电压控制器件。,第四代：复合器件，高压、大容量、 全控器件,IGCT= MOSEET + GTO，ABB公司,IEGT= IGBT + GTO，GE公司,MOSEET 符号图,IGBT符号图,控制交流电机(笼型异步电机、绕线型双馈电机、同步电机)的主要是变压变频器。,中、小功率300kW以下)：IGBT或其它器件组成的PWM变换器.,中、大功率 300kW10MW ：GTO或IGCT的PWM变换器和GTO电流源变频器。,特大功率(10MW以上)：晶闸管SCR的交一交变换器和电流源型交一直一交变换器。,2PWM变压变频技术：,基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制,从模拟控制到数字控制，不但实现了硬件电路标准化、降低了本钱，而且提高了控制方法的灵活性。,8位、l6位的单片机：MCS51、MCS96,16位、32位的数字信号处理器(DSP)：美国,TI公司：TMS320C240(2812),AD公司、MOTOROLa公司DSP,通用微型计算机：8086486，奔腾系列,32位、64位的精简指令集计算机(RISC),3交流调速系统的数字化控制,(4)交流电气传动应用现代(智能)控制理论,二、交流拖动控制系统的应用领域,主要有三个方面,：,一般性能的节能调速,高性能的交流调速系统和伺服系统,特大容量、极高转速的交流调速,1. 一般性能的节能调速,在 “不变速交流拖动中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，用挡板和阀门来调节送风和供水的流量，浪费电能。,采用交流调速系统，每台风机、水泵节约 20 30% 以上的电能，调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。,2. 高性能的交流调速系统和伺服系统,交流电机控制电磁转矩困难。,矢量控制技术20世纪70年代初,直接转矩控制20世纪80年代,3. 特大容量、极高转速的交流调速,直流电机的换向能力限制容量转速积不超过10,6,kW,r,/min。,交流电机无换向器，不受限，采用交流调速。,如特大容量拖动设备：厚板轧机、矿井卷扬机等。,如,极高转速拖动设备：如高速磨头、离心机等,。,6.2 交流调速系统的根本类型,交流电机：,异步电机,和,同步电机,两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。,一异步电机调速方法,一、交流调速根本类型：,从定子传入转子的电磁功率可分成两局部： 其一是拖动负载的有效功率机械功率； 其二是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。,P,mech,P,m,P,s,功率流程图如右：,即 Pm = Pmech + Ps,Pmech = (1 s) Pm,Ps = sPm,评价调速系统效率上下的标志是其转差功率工作情况，可把调速系统分成三类 。,(1)转差功率消耗型调速系统：,降电压调速； 转差离合器调速； 转子串电阻调速,；,全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。恒转矩负载。,系统构造简单，设备本钱最低，有一定的应用价值。,(2)转差功率馈送型调速系统：,串级调速,除转子铜损外，大局部转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入。扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率。,效率较高，需增加设备。,(3)转差功率不变型调速系统：,变极对数调速； 变压变频调速。,转差功率只有转子铜损，而且无论转速上下，转差功率根本不变，效率高。,变极对数调速：是有级的，应用场合有限。变压变频调速：应用最广，高动态性能，设备本钱最高。,二同步电机的调速,同步电机没有转差，没有转差功率，只能是转差功率不变型恒等于 0 ，采用变压变频调速。,从频率控制的方式来看，可分为：,1.自控变频调速:利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相。,2.他控变频调速:采用独立的变压变频装置供电。,三、异步电动机改变电压时的机械特性,在三个假定条件下:忽略空间和时间谐波,忽略磁饱和忽略铁损，稳态等效电路图5-3。,图5-3,异步电动机的稳态等效电路,U,s,1,R,s,L,l,s,L,l,r,L,m,R,r,/,s,I,s,I,0,I,r,L,m,参数定义,R,s,、,R,r,定子每相电阻和折合到定子侧的,转子每相电阻；,L,l,s,、,L,l,r,定子每相漏感和折合到定子侧的,转子每相漏感；,L,m,定子每相绕组产生气隙主磁通的,等效电感，即励磁电感；,U,s,、,1,定子相电压和供电角频率；,s,转差率。,电流公式,由图可以导出,：,(5-1),式中：,通常，LmLl1，那么，C1 1 ,可简化成：,(5-2),转矩公式:,电磁功率,P,m,= 3,I,r,2,R,r,/,s,同步机械角转速,m1,=,1,/,n,p,式中,n,p,极对数,异步电机的电磁转矩:,5-3,机械特性方程式：,当转速或转差率一定时，,电磁转矩与定子电压的平方成正比,。不同电压下的机械特性便如图5-4所示，其中，,U,sN,表示额定定子电压。,异步电动机机械特性,T,e,O,n,n,0,T,emax,s,m,T,L,U,sN,U,sN,A,B,C,F,D,E,U,sN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,图5-4,异步电动机,不同电压下的机械特性,最大转矩公式,将式5-3对s求导，并令dTe/ds=0，可求出临界转差率和最大转矩:,5-4,5-5,恒转矩负载,变电压时稳定工作点为 A、B、C，转差率s的变化范围不超过 0sm ，调速范围有限。,风机类负载，那么工作点为D、E、F，调速范围大些.,为扩大调速范围，采用电机转子有较高的电阻值(高转差率电机,即交流力矩电机), 变压调速范围增大。,交流力矩电机的机械特性,T,e,O,n,n,0,U,sN,U,s,N,A,B,C,T,L,U,sN,恒转矩负载特性,图5-5 高转子电阻电动机交流力矩电动机,在不同电压下的机械特性,采用变电压调速时，调速范围很窄,采用高转子电阻电机可增大调速范围，机械特性变软，当负载变化时静差率很大,开环控制难以解决此矛盾,采用带转速反响的闭环控制系统D2,四 、闭环控制的变压调速系统及其静特性,图5-6 带转速负反响闭环控制的交流变压调速系统,ASR,U,*,n,+,-,U,n,GT,+,M,3,TG,a),原理图,-,U,c,n,1. 系统组成,2. 系统静特性,e,T,O,n,n,0,T,L,U,sN,A,A,A,U,s min,恒转矩负载特性,图,5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性,U,*,n3,U,*,n1,U,*,n2,TLT- TL0 n Un U 定子电压 左侧新特性 新工作点 A (A的左侧TTL 。,当系统在,A,点运行时: T=T,L,从开环特性各取一工作点，将,A,、,A,、,A,连接起来闭环系统的静特性。,开环机械特性很软闭环系统静特性很硬。,采用PI调节器无静差,改变给定信号静特性平行上下移动调速,不同于直流调速系统，静特性左右两边都有极限，它们是额定电压,U,sN,下的机械特性和最小输出电压,U,smin,下的机械特性。如超过极限值，闭环系统便失去控制能力。,3. 系统静态构造,K,s,n=f,(,U,s,T,e,),ASR,U,*,n,U,n,U,c,U,s,-,-T,L,n,图5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态结构图,图中：,Ks = Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；, = Un/n 为转速反响系数；,ASR采用PI调节器；,n =f (Us, Te )是式5-3机械特性方程式，它是一个非线性函数。,稳态时，Un* = Un = n ，Te = TL,Us 和Uc根据n 和TL由式5-3计算出,五、 闭环变压调速系统的近似动态构造图,绘出系统动态构造图动态分析和设计。,图5-8,异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图,MA异步电机 FBS测速反馈环节,W,FBS,(,s,),U,*,n,(,s,),U,n,(,s,),U,c,(,s,),-,n,(,s,),W,ASR,(,s,),W,GT-V,(,s,),W,MA,(,s,),U,s,(,s,),转速调节器ASR,：,常用PI调节器消除静差并改善动态性能，其传递函数为,晶闸管交流调压器和触发装置,：,如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置，可近似成一阶惯性环节，其传递函数为：,其近似条件：,三相全波 Ts = 3.3ms,测速反响环节： FBS的传递函数可写成,异步电机近似的传递函数：,异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，不能用一个传递函数准确表示。用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。,异步电机的近似线性化传递函数为:,得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，得异步电机变压调速系统微偏线性化近似动态构造图。,注意下述两点：,由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。,由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。,*,6.3 变压控制在软起动器中的应用,软起动器:,异步机的变压控制,1.软起动器Soft Starter：是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，软起动器实际上是个调压器。,软起动器构成：三相反并联晶闸管及其电子控制电路。,交流变压调速系统可控电源,M,3,TVC,利用晶闸管交流调压器变压调速,TVC,双向晶闸管交流调压器,图5-1,利用晶闸管交流调压器变压调速,起动电流问题:,小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大一般要求比电机容量大4倍以上，供电线路不太长起动电流造成的瞬时电压降落低于10%15%，可直接通电起动。,容量大电动机，不能直接通电起动。,运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。,起动电流和转矩公式:,起动时，,s,=1，因此起动电流和起动转矩分别为,5-19,5-20,一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约:,起动电流倍数,起动转矩倍数,起动电流和转矩分析:,中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其他用电设备的正常运行，必须采取措施降低起动电流，常用降压起动,。,降压起动的矛盾:,UIsst 、Tsst 起动电流减少，起动转矩降低较多。,传统的降压起动方法有：,星-三角Y-起动,定子串电阻或电抗起动,自耦变压器又称起动补偿器降压起动,2.电动机的软起动 :,运用软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动完毕，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。,了解交流拖动控制系统开展概况,了解交流拖动控制系统的应用领域,掌握交流调速系统的主要类型,掌握交流变压调速系统及其应用,了解交流变压系统动态特性,概述小结,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,