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1、现代交流调速技 术,西安科技大学电控学院蔡文皓,目录第一章 绪论第二章 基于静态模型的变频调速系统第三章 绕线型异步电机串级调速系统第四章第五章 异步电机的矢量控制第六章 异步电机的直接转矩控制,第一章 绪论,1.1 交流调速系统的概况1.2 异步电机的机械特性1.3 异步电机的基本调速方法,返回目录,一、电气传动系统的发展历程,直流传动和交流传动分别在19世纪先后诞生。19世纪80年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式19世纪末，交流传动开始在工业生产中得到应用,交流电的产生； 三相制交流电输送与配电问题的解决； 交流鼠笼式异步电动机的发明；,1.1 交流调速系统概况,生产技术的发展，对电气
2、传动系统在启制动正反转调速精度 调速范围和静动态特性方面提出了更高要求,应用情况：高性能可逆可调速传动领域都采用直流传动；约占电气传动总容量80%的不变速传动采用交流传动；,技术性能：直流传动具有优良的调速性能；交流传动因技术发展的局限性，尽管提出多种技术解决方案，但是性能无法与直流传动相比，难于满足生产要求；,20世纪前半叶,交流传动技术获得突破性进展直流电机具有电刷换向器，必须进行维护，转速不高，容量小，适用范围有限；席卷全球的石油危机迫使西方工业国家投入大量的人力物力研究高效的交流调速系统。,技术基础的发展：大规模集成电路计算机控制技术和现代控制理论的发展，为交流电气传动的发展创造了前提
3、条件。,20世纪70年代,目前，交流传动有取代直流传动的趋势。交流调速在各个领域的应用比例正在逐渐增大。,技术方法： 变频调速矢量控制/磁场定向控制技术直接转矩控制交流调速系统发展迅速。,1.节能大多数交流传动装置设计留有相当余量，而且不总在最大负荷下运行，可以在负荷变化时，采用变流技术降压，达到节能的目的；例如，风机水泵消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台可节能20%。,二、交流传动系统的应用前景,2.特大容量，极高转速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量和转速的乘积约为106KW.r/min, 交流电机无此限制,因此特大容量(厚板轧机矿井卷扬机)和极高转速传动(高速磨
4、床离心机)。,3.传统直流传动系统的技术改造过去许多工艺上需要调速的生产机械用直流传动, 采用交流传动来改造直流传动。,交流电机有同步电机和异步电机两大类,1.异步电机调速系统的类型降压调速;电磁转差离合器调速;绕线转子异步电机转子回路串电阻调速;绕线转子异步电机串级调速;变极对数调速;变压变频调速,三、交流传动系统的类型,从转差功率转换的角度来看，可以将异步电机调速系统分为三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率回馈型调速系统；转差功率不变型调速系统。,转差功率Ps =SPm,同步电动机可采用变频调速。根据频率控制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类:,1他激式同步电动机调速系统 用独立的
5、变频装置作为同步电动机的变频电源,2自控式同步电动机调速系统 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。,2.同步电机调速系统的类型,1.变频调速：是最有发展前途的一种交流调速方式。,变频器的电力半导体器件向模块化快速化光控化高电压大电流自关断和高可靠性方向发展；系统向高性能高精度大容量微型化数字化发展。,四、交流调速系统的主要发展方向,2.串级调速 这是一种利用绕线式异步电机的转差功率（相当于转子附加电势）的一种比较经济的调速方法，我国串级调速技术比较成熟，有系列化产品。,3.双馈电机 又称超同步串级调速，绕线式异
6、步电机的定子由电网电源供电，转子由变频器电源供电，可以在同步速度以上运行，不但可以运行在再生制动状态，还可以运行在电动状态。如采用矢量控制性能类同直流调速系统，并可改善系统功率因数，是一种很有前途的调速方式。,4.无换向器电机 又称晶体管电动机，它是具有位置检测器由变频器供电的同步电动机系统。,采用位置检测器和晶闸管代替了相当于直流电动机的电刷和换向器，无换向器电机的原理启制动和调速特性与直流电机相似。,有人甚至断言：如果说交流调速将取代直流拖动，那么无换向器电动机将取代其他交流调速方式。,相位控制：相位控制主要应用于交-交和交-直-交变频器的整流控制,调压调频技术：保持恒磁通变频控制（恒转矩
7、控制）原则，要求变压变频控制。,转差频率控制： 在调速过程中，保持有限的转差频率进行控制，可以获得高效调速方式。 在转差率很小时，考虑到转矩，转差频率及转子电流成正比关系，因此可以利用定子电流幅值和静态同步角速度去控制变频器。,五交流调速控制技术的发展,脉宽调制控制 PWM调制型变频器由于输入功率因数高和输出波形好的特点，近年发展较快。调制方法：如SPWM，准SPWM，最佳开关角PWM，电流跟踪型PWM等等。原理上：面积法，图解法，计算法，采样法，优化法，斩波法，角度法，跟踪法和次谐波法等等。脉宽调制以往多用于交-直-交电压型变频器，最近电流型变频器也开始应用，如电流跟踪型PWM就是一例。,矢
8、量控制 基本思想是设法模拟直流电机的控制特点对交流电机进行控制，它分为 ： 磁场定向式矢量控制和转差频率式矢量控制。,磁场控制磁场轨迹法：基本思想是产生接近圆形的旋转磁场，改变旋转磁场的速度，即可调节电动机的转速。异步电机的磁场加速法：磁场加速法是防止励磁电流发生电磁暂态现象，对电机定子电流按一定规律进行控制，可以实现直流电机那样的快速响应。,直接转矩控制 它对电机参数变化不敏感，可获得良好的调速性能，一般PWM是靠提高调制频率来实现高动态，而直接转矩控制是通过转矩和磁通独立跟踪调整来实现PWM高动态，逆变器成本低，效率高。,高频化技术交流电源的高频化可使交流变频电源的体积小重量轻性能好，并能
9、节省电能。,无功补偿 为了保证供电质量，国家对功率因数和谐波极限提出了要求，为了达到这些指标要求必须采取相应的措施：提高自然功率因数或采用无功补偿。,谐波抑制 对于高次谐波抑制，可将整流器接成Y/或/Y型，增加整流器的脉冲次数，加装调谐滤波器。,由半导体功率变换器组成的整流器逆变器斩波器以及交-直-交变频器、交-交变频器等装置在交流调速领域中得以广泛应用，但是，目前还存在以下问题：,高次谐波的影响使电动机产生附加损耗，温升增加，电动机出力受到限制；使电动机产生转矩脉动，在低速稳定运行时影响较大，当脉动频率较低，接近机械系统固有频率时，容易产生机械共振；电动机和电器噪声增大，对无线电通信干扰增大
10、。,六、交流传动系统存在的主要问题,瞬时停电措施 电源供电系统因雷击或其他原因发生接地故障时，将发生紊乱。从事故发生到瞬时事故消除或通过继电器切断事故回路，这段时间一般在1秒以内，如果变频装置没有瞬时停电措施，会产生过流或过压，在恢复供电时可能造成逆变器换流失败。,功率因数变坏 半导体功率转换装置采用相位控制，使它们的功率因数变坏，对供电电源质量带来不利的影响。 在晶闸管电力变流器供电时运行的功率因数比在正弦波电源供电下运行的功率因数低8%。,三相感应电动机的结构,（1）定子部分,定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,机座：固定定子铁心及端盖
11、，具有较强的机械强度和刚度。,（2）转子部分,转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,包括端盖、风扇等。,（3）其它部分,1.2 异步电动机的工作原理及机械特性,按转子结构分：,绕线型感应电动机,笼型感应电动机,（1）转动原理,电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,三
12、相感应电动机的工作原理,一异步电机的机械特性 异步电机按其结构可以分为笼型和绕线型两种类型，其中笼型异步电动机坚固耐用。,1.基本概念 同步转速:三相异步电动机定子侧通以频率为f1的三相交流电压,则定子与转子气隙间会产生旋转磁场,其速度称为同步转速。,1.2 异步电动机的工作原理及机械特性,在电动机运行状态下，随负载增加，转速n，转差率s,2.电压平衡方程,1.2 异步电机的机械特性,根据电机学原理，若忽略空间时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损耗；异步电动机的T型等值电路如右图所示,3.T型等值电路,机械特性主要指电机电磁转矩与转速之间的稳态关系。下面来推导异步电机的机械特性：,4.机械特性,1.
13、2 异步电机的机械特性,T,n,T,根据机械特性方程，可以画出三相异步电机的机械特性曲线，如右下图所示:,A点为理想空载运行点：转速等于理想空载转速n1；B点为额定运行点，电磁转矩与转速均为额定值；C点为电磁转矩最大点D点为启动点，对应转速为零，对应转矩为启动转矩。,5.机械特性曲线,T,n,T,机械特性表达式：,由电机学可知，三相异步电动机在正弦恒压恒频供电时，机械特性方程式为：,式中： n1电机的磁极对数； R1、X1定子绕组的每相电阻及漏电抗； R2为折算到定于侧的转子绕组每相电阻；X2为折算到定子侧的转子每相漏电抗。,机械特性实用表达式,一异步电动机的调速方法,1.3 异步电动机的运行
14、方式,调速原理：根据机械特性可知，电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电机的机械特性,特点：理想空载转速n1不变，临界转差率sm不变。注：若带恒转矩负载，调速范围很小；若带风机负载，调速范围可以大一些。,1.改变定子电压调速,调速原理：根据机械特性可知，改变转子电阻也可以改变电机的机械特性,2.改变转子电阻调速,调速原理：如果在转子回路引入一个可控的交流附加电势EADD, EADD与E2有相同的频率,并且与E2同相或反相串接,如下图所示,分析：反相: EADDs n次同步调速同相: EADDs n超同步调速引入不同数值的附加电势,就可以使电机获得不同的转速.,3.串级调速,特
15、点：附加电动势的频率必须与f2=sf1一致,随转速n一起变化;转速可以连续调节;设备体积比较大;调速范围一般在1.5-2.0左右.适用范围：绕线型异步电动机,3.串级调速,4.变极调速,注意：为了保持调速过程中电动机的最大转矩不变，需维持磁通恒定；在低速范围内，定子绕组电阻R1相对于总漏抗X1较大，所以为了补偿定子绕组电阻压降，定子电压U1降低要比频率少一些。,5.变频调速,能够连续调速；调速范围宽5-10；机械特性平直；效率高；经济效益好；（一台变频电源可以同时给多台同步旋转的异步电动机供电）,变频调速的特点：,1.降压启动对于几个千瓦以上的异步电动机，为了限制启动电流，必须采用一定的措施，
16、通常采用降低定子绕组电压的方法，即降压启动。常用降压启动方法有：定子回路串电阻，电抗；调压启动；Y-启动；,2.转子串电阻启动（绕线型异步电动机）方法特性类似直流它励电动机电枢串电阻启动方法。,二异步电动机的启动,软启动是由晶闸管构成主回路，由微机实现控制的启制动方法。工作原理：采用晶闸管移相控制，实现降压启动。,特点：采用串联移相调压方式，电机电压始终与电网电压保持同步，脱机并网容易。如果启动后想脱开启动器直接并入电网，只要通过接触器将启动器旁路，不会出现电流冲击。由微机控制可以实现最小输入电流，最小输入功率和最大功率因数；可以分时或同时启动多台电机；,应用场合：适用于启动后并入电网的风机，
17、水泵,3.软启动,异步电机与直流电机的制动一样，也有再生制动，反接制动和能耗制动三种。,1.再生制动 突然降低电机定子侧供电频率或增加电动机的极对数,如图,电动机可以从电动状态发电状态,将机械功率转变为电功率回馈电网,电磁功率变负起制动作用. 对于位能性负载,当定子三相电源的任意两根线对调后,电动机机械特性如图所示,产生负转矩起制动作用.,三异步电动机的制动,三异步电动机的制动,2反接制动 为了使电机停转,可以使定子三相电源中的任意两根电源线对调使旋转磁场反向,转子与旋转磁场转向相反,电磁转矩起制动作用.,若制动目的是为了停车,则当电动机制动到停止时,应将电动机与电网脱离.,反接制动时,电动机从电网吸收电能,而又通过机械轴获取机械能,因此反接制动热损耗比较大,应在转子中串接电阻限流.,三异步电动机的制动,3.直流能耗制动 制动时将电动机定子脱离交流电网并通以直流磁场,该磁场与转子导体作用产生感应电动势和电流,该电流与原来的电流方向相反,产生一个与转子相反的制动转矩,使电机停.,END,