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1、现代交流调速系统主讲教师：杜春水主讲教师：杜春水 张承慧张承慧 1能源形势浅谈能源形势浅谈电气节能任重而道远电气节能任重而道远一次能源消费量为一次能源消费量为14.8亿吨亿吨标准煤，为世界第标准煤，为世界第大能源消费国大能源消费国一次能源产量为一次能源产量为13.87亿吨亿吨标准煤标准煤 煤炭产量13.8亿吨亿吨，居世界第1位原油1.67亿吨亿吨，居世界第5位天然气产量326.6亿立方米亿立方米，居世界第16位发电装机容量发电装机容量3.57亿千瓦亿千瓦，居世界第，居世界第2位位我国能源状况，以我国能源状况，以2002年为例年为例2目前全世界能源总消费量约为目前全世界能源总消费量约为130亿吨
2、亿吨标准煤标准煤,化化石能源占石能源占80%以上以上工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达率达30%以上以上世界能源发展趋势世界能源发展趋势3世界能源发展趋势（续）世界能源发展趋势（续）化石燃料峰值在化石燃料峰值在2030左右左右2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一半年左右可再生能源接近总能源
3、消费量的一半可再生能源可再生能源核核 能能水水 电电天然气天然气石石 油油煤煤 炭炭传统生物能传统生物能B.tce4我国能源科技的优先主题我国能源科技的优先主题加强节能加强节能提高能效提高能效以煤为主以煤为主多元化发展多元化发展可再生能源和可再生能源和氢能利用氢能利用能源科技能源科技高高 发发能能 展展效效 节节技技 能能术术 和和 提提经经 煤煤济济 炭炭清清 合合洁洁 理理技技 高高术术 效效技技 保保术术 障障支支 石石撑撑 油油体体 安安系系 全全先先进进核核能能技技术术技技 大大术术 型型研研 水水究究 电电开开 工工发发 程程力力 先先输输 进进配配 可可系系 靠靠统统 的的 电电
4、模模 可可化化 再再利利 生生用用 能能技技 源源术术 规规池池 氢氢技技 能能术术 与与 燃燃 料料 电电5以变频调速为代表的交流调速系统以其卓越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了重要手段。提高产品的产量和质量提供了重要手段。运动控制特别是交流调速系统是近代工业的重要基础，是电气传动发展的主流方向。课程的性质、目的、任务课程的性质、目的、任务 6 现代交流调速系统课程为自动化专业本科生的一门专业必修课。它以交流电机为被控对象，以控制理论为指导，以电力电子技术为强弱电媒介，以计算机技术和电子技术为手段
5、，并结合检测技术、通信技术构成一门专业性、实用性强的课程。课程的性质、目的、任务课程的性质、目的、任务 7通过本课程的学习，使大家了解现代交流调速系统的技术概况与发展趋势以及主要应用领域；掌握现代交流调速系统工作原理与控制策略；掌握变频器与感应电动机、变频器与同步电动机组成变频调速系统等电力拖动系统的组成、工作原理、运行特性；为今后工作和进一步深入应用和研究运动控制系统和电气节能技术奠定坚实的理论基础。课程的性质、目的、任务 8第一章第一章 概概 述述1.5同步电动机的基本概念及分类1.1交流调速系统的发展及其特点1.2交流调速系统的物质基础与关键技术1.3交流调速的应用1.4交流调速的分类9
6、一、变频调速技术的发展历史及现状 1、从19世纪90年代初第一条三相输电线路建成到20世纪60年代末6070的电能通过各种电机电机加以利用 电力工业的发展大体形成这样的格局：（一）变频调速技术的发展历史99.999的电能由同步电机发出电气传动领域的格局电气传动领域的格局10交流电机占80左右，其中大多数为异步电机直接拖动（人为不变速）。在其余20需要变速运行的高性能传动系统中，直流电机一直占据主导地位。直流电动机何以在早期的调速领域备受青睐?这缘于其优异的调速性能！11 如果采用改变电机转速的办法来实现流量的调节，则由于轴功率是与流量的三次方成正比轴功率是与流量的三次方成正比的，因此，可收到十
7、分明显的节电效果。大量电能无谓的损耗 由于这类机械均采用恒速交流电动机驱动，应生产工艺流量的调节要求。采用的主要调节措施有：采用的主要调节措施有：1）闸阀 2）挡板3）放空 4）回流历史回眸历史回眸122 直流调速系统的特点1）调速优良，易于控制性能静态性能动态性能静差度精度误差调速范围（深度）动态响应快13DC MOTORIa与m线性无关 是解耦的T=CmIammIa天然解耦：数学模型简单：线性2阶1阶，经典控制论足以应对1阶：SCR整流器的数学模型易于控制：电枢和励磁线圈可以独立调节14b）造价偏高）直流电机的缺点a）结构上存在的机械换向器和电刷c）维护困难，使用环境受限d）寿命短 e）在
8、容量发展上受限制这为发展交流调速技术提供的机会和需求！这为发展交流调速技术提供的机会和需求！151)1)交流电机的优点交流电机的优点直流调速系统的特点(1)结构简单(2)坚固耐用 价格低廉体积小重量轻转动惯量小动态响应好这是交流调速取代直流调速提供的根本动力！这是交流调速取代直流调速提供的根本动力！16b)强非线性 T I2m c)高阶次：至少是7阶AC MOTOR T=CmI2mCOS2T不仅与I2m有关，还与n有关（COS2 与r2/s有关）有耦合关系，即多变量耦合系统)难于控制，调速性能先天不足难于控制，调速性能先天不足a)多变量耦合交流机若达到直流机的调速水平，对调速器提出了极交流机若
9、达到直流机的调速水平，对调速器提出了极高的要求：功率器件？微处理器？控制理论与方法？高的要求：功率器件？微处理器？控制理论与方法？17 此外，约占全国工业总用电量的1/3的各种风机、泵、压缩机等类的电气传动系统也理所当然地成为人们关心的主要对象。我国电网的总负荷分配：动力负荷占60；其中异步电动机负荷又占总负荷的85左右。因此，有效地利用电动机，改进其运行性能，根据需要控制电动机的转速，降低运行中的消耗，是节省电能的一个重要手段。节能降耗的出路节能降耗的出路18 以大型轧机的传动系统为例，一套2050mm的热连轧板机，精轧部分采用交流传动，比直流传动可节电1150万kWh年，节水30，转动惯量
10、减少77，响应时间缩短30，设备投资节省很多，停机维修时间缩短75。风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调节方案改造成交流电机调速方案平均可节电20，设备改造费用一般可在13年内回收。实例分析19 因此，在世界范围内掀起的来势迅猛、经久不衰的交流电机变频调速技术研究热潮，已经并将继续带来巨大的经济效益和社会效益。人们形象地看到了调速不仅可以提高工艺控制性能，而且可以节约大量的能量。历史的选择 年代的石油危机，促使了交流调速技术的发展！20 变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发
11、展。二、交流调速的物质基础21二、交流调速的物质基础二、交流调速的物质基础(续续)1、电力电子技术于、电力电子技术于80年代取得了长足的进步年代取得了长足的进步1）1956年 SCR 特点：半控型 电流驱动 开关频率低（几百赫兹）高频化低谐波快速性、安全性提高极大地降低开关变压器的体积节省材料，提高效率，便于携带谐波的危害：噪声大，震动大、增加附加损耗、发热、功率因数低、干扰其他设备。222）GTO（门极可关断晶闸管）：全控型，价格高，缺 点同SCR，开关频率低，驱动功耗高，单管容量大3）GTR:全控型 电流驱动、开关频率高，可达30kHz 缺陷：存在二次击穿问题全控型器件全控型器件4）IGB
12、T:IGBT:混合型器件混合型器件 电压驱动开关频率高电压驱动开关频率高 可达几十千赫可达几十千赫5 5）IPMIPM智能型功率模块智能型功率模块IPM=IGBT+驱动保护）IGIGT:T:集成门极换流晶闸管，电流大、电压高、开关集成门极换流晶闸管，电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点 23提高提高IGBTIGBT的电压等级的电压等级33003300V V，6000V6000V 从从 GTO GTO 到到 IGCT(IGCT(集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管)(Integrated Gate-commutated Integr
13、ated Gate-commutated ThyristorThyristor)从从 IGBT IGBT 到到 IEGT(IEGT(注入增强栅晶体管注入增强栅晶体管)(Injection Enhanced Gate Transistor)Injection Enhanced Gate Transistor)全控型器件向高压、大电流方向发展全控型器件向高压、大电流方向发展24P-MOSFET的特点的特点P-MOSFET 属于单极型器件，其优点是:1.开关速度快，不存在反向恢复问题，允许工作频率高，容易串联运行；2.通态电阻具有正温度系数，并联运行时有自均流特性。但其耐压低，当电压在300V以上时
14、通态 电阻大，只适于在小功率范围内工作。25P-MOSFET的新进展的新进展 1.Cool MOS 通态电阻只有常规MOS管的1/10左右，工作电压可以提高到1200V。2.超低通态电阻MOSFET管可用于新型汽车电源(3642V)和计算机电源(1V，甚至更低)，工作电流可达100A。3.超高频率MOSFET管工作频率达到几百MHz，甚至GHz，进入微波频段，使一系列超高频设备实现全固态化。26集成电力电子模块集成电力电子模块(IPEM)*电力电子器件制造、变换器拓扑、控制、驱动、保护等技术均已趋于成熟。*电力电子装置仍建立在分立的器件、电路、部件的基础上，电力电子行业不但是技术密集型的，而且
15、是劳动密集型的。*现代化对电力电子产品的要求：高可靠性、高效率、高功率密度、低成本、低污染。这就是当前对电力电子技术的新挑战！27集成电力电子模块（续）集成电力电子模块（续）*新挑战的要求标准化、模块化、集成化、可编程。*PIC(Power Integrated Circuit,功率集成电路)的尝试，在一块芯片上集成所有器件和电路，须要解决电绝缘和热绝缘问题，未获成功。*IPM(Intelligent Power Module,智能功率模块)是折中的解决方案，已在小功率范围内广泛应用。28集成电力电子模块（续）集成电力电子模块（续）IPEM:(Integrated Power Electron
16、ic Module,集成电力电子模块)内含功率器件、各种集成芯片、传感器、磁芯元件等完整的电力电子系统，无引线或用无感功率母线连接，采用标准模块封装技术，提供功率传输接口和数据通信接口。其他名称：PEBB,MCM,SOC,SOP,PESI，到2020年，将实现象VLSI那样革命性的成就。29碳化硅碳化硅(SiC)新型材料新型材料一种新型的高温半导体材料：工作温度可达600;PN结耐压可达510kV 导通电阻比硅器件小得多;导热性比硅好 漏电流特别小 现在碳化硅高压二极管、MOSFET管均已问世，估计1015年后耐压上万伏的功率碳化硅器件将在市场上出现。30 研制IGBT、FRD及PEBB关键技
17、术，中高压百MVA级链式及多电平变流器，电能质量复合控制技术，分布式供能系统高压变流器及软开关技术，铁路同相供电，机车牵引变流器，城市轨道牵引传动系统及能馈式牵引供电等。“十一五十一五”国家科技支撑计划重点项目国家科技支撑计划重点项目电力电子关键器件及重大装备研制312、微电子学计算机技术的发展、微电子学计算机技术的发展 微处理器（Microprocessor，简称P）于1974年进入工业设计并带来了极大的震憾，对电力电子而言，它代表了微电子与电力电子的结合，使电力电子的二次革命正式开始。数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）单片控制器由使用单片微处理器
18、的8位16位32位双微处理器单片数字信号处理器16位32位双数字信号处理器。323、信息技术、信息技术工业通讯技术进入现场信号连接领域工业通讯技术进入现场信号连接领域现场总线现场总线现场总线现场总线 计算机技术进入计算机技术进入PLCPLC控制领域控制领域 基于基于基于基于PCPCPCPC的控制器的控制器的控制器的控制器以太网技术进入工业管理领域以太网技术进入工业管理领域 工业网络系统工业网络系统工业网络系统工业网络系统 33在工业控制系统中的信号的连接在工业控制系统中的信号的连接采用串联传输方法采用串联传输方法：现场总线现场总线34传动传动技技术发展趋势术发展趋势智智能能型型传动传动控制系統
19、控制系統ChipIPMHYBRIDIPMIPEMASIPMWire-Link电缆Optical-Fibre Link光缆Field Bus现场总线V/F ControlAuto-Tuning自整定Sensor-lessControl无传感器控制Field-OrientedControl磁场定向控制Self-Diagnosis自诊断35高性能传动控制技术的演变高性能传动控制技术的演变通用传动通用传动通用传动通用传动控制技术控制技术控制技术控制技术 高性能高性能高性能高性能传动传动传动传动 与一体化与一体化与一体化与一体化控制技術控制技術控制技術控制技術 智智智智能控制与能控制与能控制与能控制与電
20、力電子電力電子電力電子電力電子系统集成系统集成系统集成系统集成智智智智能控制与能控制与能控制与能控制与电电电电力力力力电电电电子子子子系统集成系统集成系统集成系统集成 1993 2000 2005 2010 36二、变频调速中的关键控制技术二、变频调速中的关键控制技术 针对交流电动机这样一个非线性、多变量、强耦合针对交流电动机这样一个非线性、多变量、强耦合的控制对象，为实现其调速系统的有效控制，获得优异的控制对象，为实现其调速系统的有效控制，获得优异的动态性能，现代控制理论与电机控制技术相结合，涌的动态性能，现代控制理论与电机控制技术相结合，涌现出许多先进的控制方法：现出许多先进的控制方法：2
21、、无速度传感器矢量控制技术、无速度传感器矢量控制技术1、矢量控制技术3、直接转矩控制技术4、PWM控制技术5、数字化控制技术6、高压变频调速技术7、先进的控制理论、先进的控制理论变结构控制自适应控制精确反馈线性化控制反步法自抗扰控制智能控制37 转速闭环控制需要转速反馈信号，高性能系统一般都转速闭环控制需要转速反馈信号，高性能系统一般都用光电码盘，如果能取消光电码盘而保持良好的控制性能，用光电码盘，如果能取消光电码盘而保持良好的控制性能，显然会大受欢迎。显然会大受欢迎。高性能的通用变频器都希望采用无速度传感器控制，高性能的通用变频器都希望采用无速度传感器控制，通过容易测量的定子电压和电流信号间
22、接求得转速。通过容易测量的定子电压和电流信号间接求得转速。（2 2）无速度传感器控制）无速度传感器控制38常用的方法常用的方法1.1.从电机模型推导转速方程，计算转速。从电机模型推导转速方程，计算转速。2.2.用电机模型计算转差频率，进行补偿。用电机模型计算转差频率，进行补偿。3.3.按模型参考自适应理论，选择参考模型和可调整按模型参考自适应理论，选择参考模型和可调整模型，同时辨识转速和转子磁链。模型，同时辨识转速和转子磁链。4.4.利用其它辨识或估计方法求得转速。利用其它辨识或估计方法求得转速。5.5.利用电机的齿谐波电势计算转速。利用电机的齿谐波电势计算转速。第第1 1、2 2类方法比较实
23、用类方法比较实用39无速度传感器控制存在的问题无速度传感器控制存在的问题1.1.计算和辨识的精度不高计算和辨识的精度不高,动态转速准确度有限。动态转速准确度有限。2.2.实实用用的的无无速速度度传传感感器器调调速速系系统统只只能能实实现现一一般般的的动动态性能，高精度的调速范围有限。态性能，高精度的调速范围有限。已已有有若若干干品品种种无无速速度度传传感感器器的的高高性性能能通通用用变变频器问世，但研究工作仍在继续。频器问世，但研究工作仍在继续。407.1.7.1.非线性系统精确线性化解耦控制：非线性系统精确线性化解耦控制：理论分析证明：按转子磁链定向的矢量控制系统是理论分析证明：按转子磁链定
24、向的矢量控制系统是非线性系统精确线性化解耦控制的一类实现非线性系统精确线性化解耦控制的一类实现7.2.7.2.非线性系统无源性理论非线性系统无源性理论 按无源性理论得到的控制系统与转差型的间接矢量按无源性理论得到的控制系统与转差型的间接矢量控制系统十分相似。控制系统十分相似。7.3.7.3.智能控制智能控制智能控制系统是不依赖于或较少依赖于对象数学模型的控制系统智能控制系统是不依赖于或较少依赖于对象数学模型的控制系统异步电动机有较确定的数学模型异步电动机有较确定的数学模型模糊控制实际上是多级的砰模糊控制实际上是多级的砰-砰控制砰控制神经网络需多层次计算，不利于实时控制神经网络需多层次计算，不利
25、于实时控制由单神经元构成自适应由单神经元构成自适应PIDPID控制器，可提高控制系统的鲁棒性控制器，可提高控制系统的鲁棒性41应用举例三、交流调速系统的应用矿井矿井/水泥制造水泥制造 高速铁路高速铁路/城市轻轨城市轻轨轧钢轧钢舰船推进舰船推进石油石油/石化石化发电发电造纸造纸污水处理污水处理42直线同步电机直线同步电机大功率变流系统大功率变流系统 上海高速磁浮交通上海高速磁浮交通43舰船推进：“玛丽女王二世玛丽女王二世 Queen Mary 2Queen Mary 2”号是全球最大的邮轮号是全球最大的邮轮,长长345345米（比美国最大的航米（比美国最大的航空母舰还长），排水量空母舰还长），排
26、水量1515万吨，航速可达万吨，航速可达3030节节,由由AlstomAlstom制造，驱动制造，驱动157000157000匹马力匹马力 44452、从性能上来看主要有三个方面：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46（1）一般性能的节能调速 在过去大量的所谓“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，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。47一般性能的节能调速（续）如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上
27、的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20%30%以上的电能，效果是很可观的。但风机、水泵的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。48（2）高性能的交流调速系统和伺服系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。49 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机
28、的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。高性能的交流调速系统和伺服系统（续）50高性能的交流调速系统和伺服系统（续）其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。51（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了它的容量转速积不超过106 kWr/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。523
29、、交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。53按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：降电压调速转差离合器调速转子串电阻调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速变极对数调速变压变频调速等54 在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。55按电动机的能量转换类型分类 一部分是拖动负载的有效功率，称
30、作机械功率；PmechPmPs 按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。56 即 Pm=Pmech+Ps Pmech=(1 s)Pm Ps=sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。571）转差功率消耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转
31、矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。582）转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。593）转差功率不变型调速系统 只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基
32、本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。60 同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于 0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统61同步电动机变压变频调速系统的类型同步电动机变压变频调速系统的类型（1 1）他控变频调速系统）他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。（2 2）自控
33、变频调速系统）自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。621 1、他控变频同步电动机调速系统、他控变频同步电动机调速系统转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统 (1)由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统(2)由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统.632 2、自控变频同步电动机调速系统、自控变频同步电动机调速系统基本结构与原理基本结构与原理梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统 正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统BQ转子位置检测器转子位置检测器MS同步电动机同步电动机UI逆变器逆变器控制控制UI输入电压就控制输入电压就控制了了MS的转速的转速64课下作业题交流调速系统的调速方法有哪些？根据电动机转差功率的去向，交流调速系统可分成哪几类？并将调速方法分类65