异步电动机变频调速系统课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,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,*,*,主要内容：,变频调速的一般基础,电压型变频调速系统,电流型变频调速系统,转差频率控制的变频调速系统,脉宽调制（PWM）变频调速系统,第七章 异步电动机变频调速系统,1,异步电动机转速的计算公式为：,在极对数,n,p,不变的情况下，转速跟电源频率,f,1,成正比。如果连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速，这种调速方法称为,变频调速。,交流调速有很多方法，例如调压调速、转子串电阻调速、转差离合器调速、变极对数调速等，这些方法技术落后、调速性能差、效率低，使用越来越少，取而代之的是变频调速系统。,目前，变频调速系统使用较为普遍，例如工农业生产、家用电器等领域，且具有节能、调速效率较高等特点。变频调速系统正向着高性能、高精度、大容量、微型化、数字化和智能化方向发展。,2,实际应用的异步电动机变压变频调速系统主要有四种控制方式：,电压频率协调控制方式,依据异步电动机的稳态数学模型,转差频率控制方式,仅对交流电量的幅值进行控制,矢量控制方式,依据异步电动机的动态数学模型,直接转矩控制方式,控制交流电量的幅值、相位,思路：掌握,控制规律（方法）、系统的基本组成、,机械特性、系统分析。,属于,标量,控制方式,属于,矢量,控制方式,3,7.1,变频调速的一般基础,一、变频调速的控制方式,实现异步电动机变频调速，要求变频与调压合理配合。,在基频（额定频率,f,N,）以下调速时，为了防止磁路饱和，应该保持气隙磁通 不变，这一点是通过,恒压频比,控制实现的。,在基频以上调速时，电压的调节受到限制（不能超过额定电压），于是在保持电压不变的情况下，通过调磁（减弱磁通）来配合调频率，实现变频调速。,不难看出，实现变频调速需要完成：,频率与电压的配合控制,、以及,频率与磁通的配合控制。,（,属于恒功率调速,）,（，属于恒转矩调速）,4,二、变频器的工作原理,在变频调速过程中，电源频率的改变依靠变频器实现。变频器的任务就是,把电压和频率恒定的交流电变成电压和频率可调的交流电。,以下以“交直交”变频器主回路为例，说明其原理（只画出一相）。,该单相变频器由整流器、中间环节、和逆变器组成。其中：,整流器的作用是把频率恒定的交流电变成直流电；,中间环节起滤波作用，得到更加稳定的直流电；,逆变器把直流电变成频率可调的交流电。,5,1、调频的实现,就逆变器来说，在一个周期中，上半周让VT,1,、VT,4,导通，下半周让VT,3,、VT,2,导通，在输出端可得到以下波形：,若在半个周期内，晶闸管,反复通断多次，并使输出矩形脉冲波下的面积接近于对应正弦波下的面积，,则逆变器的输出电压就接近基波电压。,6,通常，变频器为三相供电。三相桥式逆变器分为180,0,导电型和120,0,导电型，其主要差别是控制晶闸管持续导通的时间不同。三相逆变器的输出为三相交流电，各相互差120,0,，周期为,T,。,由于交流频率 ，控制并改变周期,T,就能改变频率,f,，所以可以得到所要求的频率。在变频调速系统中，变频与变压需要配合进行，即在变频的同时，按比例改变电压；反之亦然。,2、调压的实现,电压的调节方式多种多样、在变频器中的调压位置也各不相同。,相位控,制调压,斩波控,制调压,脉宽调,制调压,自耦变,压调压,7,三、变频器的变压方式,在实现恒转矩变频调速时，变频器在变频的同时，需要按比例改变电压。以下介绍几种变压方法。,1、自耦变压器变压,输出电压不变、,频率可调交流电,按要求控制,频率的大小,频率变成对应的控制电压,给定值与反馈值比较、,差值驱动伺服电动机,电机带动变压器抽,头触点滑动、调压,优点：系统简单、输入功率因数高；缺点：动态响应差、体积大。,8,2、相位控制变压,相位控制变压原理图如下（采用三相全控桥或半控桥整流电路）：,一路送逆变控制器，控制逆变器的输出频率；,一路通过频率/电压变换器变换成电压，与电压反馈值比较后，用差值信号调节整流器的控制角，改变整流输出电压。,频率发生器,产生,频率信号,频率/电压,变换器实现,优点：系统简单、电压和频率分开控制；缺点：功率因数低。,9,3、斩波器调压,斩波器调压原理图如下：,整流器采用三相二极管整流桥，把交流电变换成直流电；,逆变器采用三相全控桥，实现变频；,斩波器采用,脉频调制,或,脉宽调制，,输出大小可调的直流电压。,特点：斩波器调压的特点是输入功率因数高，动态响应快。,上述三种变压方法把电压和频率分别进行控制,斩波器：调压,逆变器：调频,换流器LC,10,脉频调制（PFM）原理,开关导通时间 一定，改变相临两次导通的时间间隔，来改变平均输出电压值。换句话说，,脉冲宽度一定，改变周期,T,，,来改变平均输出电压值。周期越小（频率越高），输出的直流平均电压越高。,在整流后，获得直流电压。通过斩波器，可进行电压大小的调整。斩波器的核心是作为开关元件的晶闸管。依据开关元件的工作方式不同，可分为,脉频调制,和,脉宽调制,控制方式。（还有一种方法称为,跨频调制,）。,11,脉宽调制（PWM）原理,开关周期T一定，改变导通时间 的长短，,来改变输出平均电压值。显然，导通时间越长，直流平均电压越高。,脉频调制和脉宽调制方式用来控制斩波器的开关元件，就能实现直流电压的调节，常用于中小功率的交直交变频器中。,12,4、脉宽调制型变压,在脉宽调制型“交直交”变频器中，整流器不可控，整流后直流电压恒定；逆变器可控，逆变器自身既可改变电压又可改变频率，并通过控制逆变器本身的开关元件，满足恒磁通调速,U/f=C,的控制条件。例如通过改变PWM波形的,占空比,来控制逆变器输出交流电压的大小、而通过改变逆变桥的,工作周期,来控制输出频率，详细内容将在后续内容中讨论。,脉宽调制既能改善输出波形的品质、消减高次谐波，又可提高功率因数值，具有节能降耗的特点，是交直交变频器的发展方向。,与前三种方式不同，脉宽调制型变压与变频同时在逆变器中实现。,13,四、概念解释,1、,间接变频：,先通过整流器把交流电变成直流电，再通过逆变器把直流电转变成频率可调的交流电，这种方式称为间接变频，所用变频器称为“交直交”变频器。,2、,直接变频：,把工频交流电（即50Hz交流电）直接变成频率可调的交流电，称为直接变频。所用变频器称为“交交”变频器。,14,3、,电压型变频器：,整流器和逆变器的中间环节采用电容器滤波时，电源阻抗很小，类似于电压源，称为电压型变频器。,4、,电流型变频器：,整流器和逆变器的中间环节采用电抗器滤波时，电源阻抗很大，类似于电流源，称为电流型变频器。,滤波,电容,缓冲无功能量,而且,无法,实现回馈制动,可以,在,空载,情况下运行,滤波,电感,缓冲无功能量,而且,容易,实现回馈制动,不能,在,空载,情况下运行,应用多,应用少,15,7.2,交直交电压型变频调速系统,交直交电压型变频调速系统是一种转速开环的变频调速系统，结构简单、但调速性能不高，常用于水泵、风机等传动系统中。,积分器：,将阶跃给定信号变换为斜坡信号，消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使电压、电流、频率和转速稳步上升或下降。,函数发生器：,为实现恒压频比控制方式设置，如不同负载下压频的调整、高于基频工作时保证电压为额定值、轻载工作时适当降低电压进行节能控制等。,压频变换器：,把电压信号变成相应频率的脉冲信号，即在一定的频率范围内，使输出脉冲信号的频率与输入电压成正比。实现电路见书中图710。,环形分配器：,将压频变换器输出的脉冲信号变换成周期性的循环脉冲信号，去触发逆变器功率主回路的半导体器件。三相逆变器一般采用六分频计数。,脉冲输出：,将环形分配器的输出信号进行功率放大，确保可靠触发逆变器中的主功率元件。图中，GHF为方波方生器，以配合脉冲输出电路正常工作。,变频器：,包括三部分：,主回路，,实现能量变换，电压型；,电压控制，,通过电压调节器、触发器，控制整流器的输出电压值；,频率控制，,按恒压频比条件调节频率。,16,主回路：,整流桥为三相全控桥，逆变器为180,0,导电型，中间环节采用电容器滤波，所以为电压型变频调速系统。,电压控制回路：,包括积分器G、函数发生器GF、电压调节器AVR、触发器GT,1,。改变转速给定值，就可以改变晶闸管的控制角，从而改变整流器输出直流电压的大小；同时，电压闭环可以保证实际电压与给定电压大小一致。,频率控制回路：,包括压频变换器GVF、环形分配器DRC、脉冲输出GT,2,。改变转速给定值，可改变积分器的输出值，经过压频变换器，改变频率给定值，从而控制逆变器输出频率的大小。,电压与频率的协调：,两个控制回路（电压、频率）由一个转速给定环节控制。电压和频率的协调,通过函数发生器GF,和,压频变换器GVF,实现。这种协调作用保证：在工频以下，U/f=C的恒磁通调速；在工频以上，U=C（UN）的恒功率调速；轻载时实现节能控制。,17,7.3,交直交电流型变频调速系统,一、交直交电流型变频调速系统是一种转速开环的变频调速系统。结构简单、容易实现可逆运转、再生制动和能耗制动；但由于开环，调速性能不够高，常用于离心式风机、压缩机等传动系统。,变频器：,包括三部分：,主回路，,实现能量变换，电流型；,电压控制，,电压、电流双闭环，控制整流器输出电压；,频率控制，,按恒压频比控制频率、超前补偿.,绝对值运算器：,本变频器能可逆运行，给定值可正、可负。设绝对值运算器的作用是将正、负极性的输入信号变成单一极性的信号，但大小和原信号相同。,逻辑开关：,逻辑开关的作用是根据给定信号，决定系统正向封锁、还是反向封锁，从而实现异步电动机正转和反转控制,。电流型逆变器易于实现可逆运行。,频率瞬时校正器：,其作用是在动态过程中，当电压发生变化时，来产生补偿电压，而在稳态时不起作用。因此能始终保持U/f=C恒压频比的变频控制条件。,18,主回路：,整流桥为三相全控桥，逆变器为120,0,导电型，中间环节采用电抗器滤波，为电流型变频调速系统。,电压控制回路：,采用电压外环、电流内环的双闭环结构。电压控制回路采用了相位控制技术。关于电压控制回路的说明：,采用闭环控制电压，来保证实际电压与给定电压相一致。,电流调节器的给定值为电压调节器的输出值，而反馈值为电动机电流的实际值。一方面，采用闭环控制电流，可保证实际电流与给定电流一致，且在动态过程中，能够保证恒流加速或减速。另一方面，如果按电机最大允许电流设计电压调节器的限幅值，能保证主回路电流不超过最大允许电流，提高了可靠性。,频率控制回路：,和电压型变频器相比，电流型变频器增加了绝对值运算器GAB、频率瞬态校正环节GFC、和逻辑开关环节DLS。由此实现恒压频比控制，且具有可逆运行、电能量回馈等特性。,19,关于频率控制回路的说明：,开环频率控制回路无自动调节功能，但设置了频率瞬态校正环节（微分环节），提供超前补偿量，使系统在瞬态过程中仍能保持U/f=C的关系，以改善系统的性能。（例如电源电压变化）。,绝对值运算器将输入信号变换成单极性信号，以满足电压控制回路和频率控制回路对给定信号单级性的要求。是否该系统只能正转？逻辑开关DLS可根据给定信号的极性，控制环形分配器的输出，改变逆变器输出电流的相序，从而控制电动机正转或反转。,考虑突然降低定子电流角频率给定值的情况。由于机械惯性转速不会立即变化，旋转磁场的同步转速低于转子转速，转差率s U,c m,时出现的特殊情况：,正弦参考波和载波三角形失去交点，槽宽消失，使系统处于非线性控制。为此，必须限制：,M1。,（调制系数,M=U,r m,/U,c m,）,该限制条件下，在逆变器输出线电压中，,基波分量的最大值只有供电线电压的0.866倍，,降