交流调速系统-1.

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1、机床电气控制技术 扬州大学机械工程学院 机电工程系 朱兴龙 交流调速控制系统 u交流电机的优点 n不存在换向器，转速可以更高； n直流电机电枢电压受换向器限制，单机 功率可以很大； n换向器复杂，成本高，交流电机成本低 ； n高速时输出功率较低，交流电机高速时 可以以额定功率运行； n适用于恶劣环境； n交流调速设备简单； n变频调速节能。 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n交流电动机的机械特性 l同步角速度与速度 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n交流电动机的机械特性 l转差率 l电机角速度 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n机械特性讨论 lS=0 对应同步转速n1;

2、 lS=01 电动状态曲线； lS=1 制动状态曲线； lS0 发电状态曲线。 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n生产机械的转矩特性 l恒转矩负载 摩擦类负载 传送带、搅拌机、 挤压机、采煤机、运输 机、机床进给运动。 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n生产机械的转矩特性 l恒转矩负载 位能恒转矩负载 提升机、起重机、 电梯。 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n生产机械的转矩特性 l恒功率负载 切削负载、轧钢、 造纸机等。 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n生产机械的转矩特性 l风机类负载 风机、水泵、油泵 等。 交流调速控制系统 u交流调速的基本原理 n常见的

3、调速方式 l变极调速-异步电机 l转子串电阻调速-绕线式电机 l串级调速-绕线式电机 l调压调速-特殊电机 l电磁调速-异步电机 l变频调速-异步电机 交流调速控制系统 u变频器原理 交流调速就是以交流电动机作为电能 一机械能的转换装置，通过对电能的控制 来调节交流电动机的转矩和转速。 目前，交流调速的主要方法之一是变 频调速，变频调速需要为交流电动机提供 频率和电压均可改变的交流电源，这种电 源称为变频器。 交流调速控制系统 u变频器原理 交流电动机的旋转磁场转速（即同步 转速）表达式为： 根据异步电动机转差率的定义： 可知异步电动机的转速为 交流调速控制系统 u变频器原理 变频调速被人们公

4、认为具有高效率、 宽调速范围和高精度的调速性能，因此变 频调速是交流电动机的一种比较理想的调 速方法。 为了使交流电动机得到可变的频率， 自然需要一套变频电源。 交流调速控制系统 u变频器原理 在过去是采用一套旋转变频机组或离 子变频器来得到可变的电源频率，直到晶 闸管以及功率晶体管等半导体电力开关问 后，由于它们具有接近理想开关元件的性 能，促使各种静止变频器获得了迅速的发 展，从而研制出各种类型的变频调速装置 ，并在工业上得到了推广。 交流调速控制系统 u变频器组成 n整流器：将三相（单相）交流整成直流 n中间直流环节：将整流器输出的交流成 分滤除，获得纯直流供逆变器 交流调速控制系统 u

5、变频器组成 n逆变器：将直流电重新逆变为新的三相 （单相）交流电 n控制电路由检测电路、信号输入、信号 输出、功率管驱动、各种控制信号的计算 等组成。 交流调速控制系统 u交-直-交变频器分类 n电流型：采用电感元件滤波 l电机处于再生发电状态，可方便把电能 回馈交流电网，但对交流成分的滤除受负 载影响较大，主要应用在频繁加减速的大 容量传动中。 交流调速控制系统 u交-直-交变频器分类 n电压型：采用电容元件滤波 l对交流成分的滤除受负载影响较小，空 载和满载均能获得良好的性能，但电机处 于再生发电状态，电能难以回馈交流电网 ，目前广泛使用。 交流调速控制系统 u单相交-直-交变频器 先用晶

6、闸管整流器将交流电压整流为幅 值可变的直流电压Ud，直流电压通过电容 C滤波，减小Ud 的波动。 交流调速控制系统 u单相交-直-交变频器 然后令晶闸管开关元件V1、V3和 V2 、 V4 轮流切换导通， 交流调速控制系统 u单相交-直-交变频器 在电阻负载R上得到交流输出电压U0 。 交流调速控制系统 u单相交-直-交变频器 输出电压的频率由逆变器开关元件切 换的频率所决定。开关元件切换得快，U0 的频率高，反之U0的频率低，同时U0的频 率不受电源频率的限制。 交流调速控制系统 uPAM方式 晶闸管V1-V6组成全桥式整流电流，得到 直流电Ud，C起滤波作用，控制V1-V6的 导通角，可以

7、获得不同幅值的Ud。 交流调速控制系统 uPAM方式 可关断晶闸管VT1-VT6与二极管VD1- VD6组成逆变器， VD1-VD6称续流二极管 。 交流调速控制系统 uPAM方式 R1和R2是等值的，目的是取得Ud的中间 电位点。 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lU桥 VT1导通120后截止，隔60后 ，VT4导通120后截止，隔60后， VT1 再导通120后截止，。 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lU桥 VT1导通120后截止，隔60后 ，VT4导通120后截止，隔60后， VT1 再导通120后截止，。 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lV桥 V

8、T6导通120后截止，隔60后 ，VT3导通120后截止，隔60后， VT6 再导通120后截止，。 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lV桥 VT6导通120后截止，隔60后 ，VT3导通120后截止，隔60后， VT6 再导通120后截止，。 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lW桥 VT2导通120后截止，隔60后 ，VT5导通120后截止，隔60后， VT2 再导通120后截止，。 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lW桥 VT2导通120后截止，隔60后 ，VT5导通120后截止，隔60后， VT2 再导通120后截止，。 交流调速控制系统 uPAM方式

9、 0-6060- 120 120- 180 180- 240 240- 300 300- 360 0-60 VT1+-+ VT2-+- VT3-+- VT4-+- VT5-+- VT6+-+ 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lUV 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lVW 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 lWU 交流调速控制系统 uPAM方式 n工作过程 l以上波形电压加到交流电机后，由于电 机电感的作用和二极管的续流作用，可以 获得变化的电流，形成旋转磁场，取得电 机旋转。 l通过GTO的导通频率可以获得不同同步 转速的旋转磁场，达到变频调速的目的。 l控制

10、整流晶闸管的导通角，可以获得不 同的电压，进而控制输出三相交流电压的 幅值。 交流调速控制系统 uPAM方式 n优缺点 l广泛应用于大容量的调速； l电路相对简单，对功率器件要求不高； l输出电压谐波成分较高； l低频时，由于电流的续流，不能形成平 滑的磁场，电机有蠕动步进现象。 交流调速控制系统 uPWM方式 n交-直-交变频器特点 l输出电压频率可变和输出电压幅值可变 （VVVF）方式。 lPAM方式中，逆变器完成VF作用；整流 器完成VV作用。 l将每个半周的矩形分成许多小脉冲，通 过脉冲宽度的大小，即可起动VV的作用， 即所谓的PWM方式。 交流调速控制系统 uPWM方式 nPWM可分

11、为 l等脉宽PWM l正弦波PWM l磁链追踪型PWM l电流追踪型PWM l谐波消去PWM l优化PWM l最佳PWM 交流调速控制系统 uPWM方式 目前常用的为SPWM方法，这种方法 输出的电压经滤波后，可获得等效的三相 正弦交流电压输出。 交流调速控制系统 uPWM变频器组成 l采用电压型逆变器，它由二极管整流桥 、滤波电容和逆变器组成。 l逆变器的输入为恒定不变的直流电压， 逆变器通常用功率晶体管（GTR)作开关元 件，通过逆变器调节输出电压的脉冲宽度 和输出交流电压的频率，既实现调压又实 现调频，变频变压都由逆变器承担。 l由于这种PWM型变频器输出交流电压的 幅值和频率直接由逆变

12、器决定，所以调节 速度快，系统的动态性能好。 交流调速控制系统 uPWM变频器组成 交流调速控制系统 u简单的PWM逆变器的工作原理 交流调速控制系统 u简单的PWM逆变器的工作原理 n四个二极管与功率晶体管反并联，为负 载的无功能量反馈到直流电源提供了通路 。 n当功率晶体管V1和V4饱和导通， V1和 V4截止时，R点对直流电压负极N点的电 压URN=Ud， R点对N点的电压URN0。 所以负载两端的电压URR=Ud。 n反之URR=-Ud 。 交流调速控制系统 u简单的PWM逆变器的工作原理 n在晶体管V1和V1或V4和V4同时导通时 ，负载两端对N点的电压相等，改变晶体 管V1和V4落

13、后于V1和V4导通的相位角， 就可以改变负载电压的脉冲宽度，从而改 变负载交流电压的基波幅值，这就是简单 PWM逆变器的工作原理。 n当角在0-180范围内变化时，逆变器输 出的基波电压可以从零升高到最大值。 交流调速控制系统 u高频脉宽调制逆变器的工作原理 n通常采用的交-直-交电压型晶闸管变频电 路其输出电压波形与正弦电压波相差甚远 ，由此带来了一系列问题。 n例如，由矩形电压波供电的电动机，其 效率将下降5-7左右，功率因数下降8 左右，而电流却要增大10左右。 n因此，人们为改善逆变器的输出电压波 形，并使之尽量接近正弦波进行了大量的 研究工作，脉宽调制逆变器是目前公认较 为理想的解决

14、办法之一。 交流调速控制系统 u高频脉宽调制逆变器的工作原理 脉宽调制逆变器利用逆变器具有的开 关元件，由控制线路按一定的规律控制开 关元件的通断，从而在逆变器的输出端获 得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形来近 似等效于正弦电压波。 交流调速控制系统 u高频脉宽调制逆变器的工作原理 希望得到的理想负 载电压正弦波的正 半周，并将其划分 为K等分 。这样， 由K个等幅而不等宽 的矩形脉冲所组成的 波形与正弦波的正半 周等效。 交流调速控制系统 u高频脉宽调制逆变器的工作原理 n从理论上讲，可以严格地计算出各分段 矩形脉冲的宽度，作为控制逆变器开关元 件通断的依据。 n这只能靠数字电路或微型计算机才

15、能实 现。如果计算出了各分段矩形脉冲的宽度 ，就可以用图示的具有纯电阻负载的单相 桥式逆变器 。 交流调速控制系统 u高频脉宽调制逆变器的工作原理 n由微机产生的基极控制信号Ub1、Ub3和 Ub2、Ub4 分别控制功率晶体管V1、V3和 V2、V4的通断，就可以在负载R上得到与 正弦波形电压等效的矩形脉冲波形。 n例如，在电角度1至2期间，基极控 制信号Ub1、Ub3为高电平， Ub2、Ub4 为低电平，因此晶体管V1、V3导通， V2 、V4截止，负载R上得到左正右负的正电 压UR=Ud。 交流调速控制系统 u高频脉宽调制逆变器的工作原理 nUR=Ud。在电角度2至3期间， Ub1 、Ub3和Ub2、Ub4都为低电平，所以四 个晶体管全部截止，负载R与电压Ud断开 ，UR0。 n在电角度3至4期间又重复1至2 期间的情况。 n依此类推，便可得到正负两个半周的UR 波形。负载R上的矩形脉冲的幅值为逆变 器直流侧电压Ud。 交流调速控制系统 uSPWM逆变器的工作原