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1、1,交流电机控制技术,2,交流调速是80年代新兴的一门边缘学科。狭义上：如何控制电机；广义上：是以电机为控制对象，研究如何将电力电子、信息控制等最新技术成果应用于实际系统的设计。 本课特点：理论与实际相结合。 学习方法：理解 消化原理、理解过程、掌握分析方法 教材：近代交流调速佟纯厚主编,3,课时要求,本课总学时：40学时 其中：实验6 学时，每次3学时 去年成绩评定： 试卷85分；平时成绩15分 平时成绩包括：作业测验5分、 出勤率5 分、实验5分。,4,讲课主要内容,1.交流调速的一般基础 1234节 2.交直交电压型变频调速系统 1234节 3.交直交电流型变频调速系统 1234节，56
2、节为自学内容 5.PWM逆变器 123节 6.交交变频器 12节 7.异步电机矢量控制 16节 8.直接转矩控制、模糊控制在交流调速中的应用,5,参考书： 1.电力拖动自动控制系统（第2篇交流拖动控制系统） 陈伯时 机械工业出版社 2.电力拖动控制系统（第2篇交流电力拖动控制系统） 李华德 电子工业出版社 3.大功率变频器及交流传动 Bin Wu 机械工业出版社 4.现代电力电子学与交流传动 Bimal K. Bose 机械工业出版社 Modern Power Electronics and AC Drives,6,一、直流调速的特点,在过去的学习中我们知道直流电机具有良好 的调速性能，在过去
3、相当长的时间内，直流 拖动一直占据调速领域的统治地位。直流调 速的有许多优点如：调速范围宽、静差小、 稳定性好、有良好的动态特性等。 （机械特性） 问题：直流电机由于其本身的结构特点（机械换 向）使其 难于有更进一步的发展空间。,7,直流调速的缺点,1.转速受限：换向器表面线速度不允许转速过高; 2.容量受限：机械换向器限制直流电机最高电压； 3.动态特性受限：为了换向器可靠，要增大电枢和换向器的直径（转动惯量增加），影响快速响应； 4.检修困难：机械换向结构复杂，更换电刷费用高; 5.使用环境受限：机械换向产生电火花、电刷腐蚀 6.造价高，同一级别、同一容量的直流电机要比交流电机造价高出许多
4、。,8,二、交流调速的特点,1.容量大、转速高、耐高压。 2.对环境适应性强。 3.结构简单、造价低。 4. 调速系统性能不断提高。 （机械特性 控制复杂）,9,三、交流调速系统,10,四、交流调速的发展和现状,1、有需求： 交流电动机结构简单，造价低，耐用，事故率低，容易维护，所以应用广泛，国民经济的各个方面电动机负荷占总发电量的6070。 2、问题：调速困难，性能指标不佳。 3、问题的原因：交流调速理论需要突破和电子器件不能满足交流调速理论的应用。,11,四、交流调速的发展和现状,4、技术的发展： 电力电子技术的发展（功率半导体器件制造技术和电力变换技术的发展）为交流调速的发展提供了技术条
5、件和物质基础。（各种大功率半导体器件的出现为交流调速系统的实现提供了物质基础；各种半导体功率变换器AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC实现了变压、变流、变频使交流调速的理论得以成为现实。） 交流电机控制技术（包括变频调速理论）的发展 全数字化控制技术。,12,四、交流调速的发展和现状,5、交流调速技术的发展主要依赖以下几个方面： 开关元件的自关断化(从半控全控） 变频装置的高性能化（矢量控制技术的应用） PWM技术的应用（改善波型、提高响应能力） 全数字控制技术(引入计算机，实现复杂控制) 电力变换技术,13,变频调速技术中常见的电力电子器件,14,变频调速技术中常见的电力电子器件,
6、晶闸管 SCR （silicon controlled rectifier）：半控器件，可控制导通不能自行关断。,镙栓型,平板型,15,变频调速技术中常见的电力电子器件,门极可关断晶闸管GTO（gate turn-off thyristor）：全控器件，用在大容量高压变频系统中。门极加正信号导通、加负信号关断。,16,变频调速技术中常见的电力电子器件,功率晶体管GTR（giant transistor）日本产品； 双极型功率晶体管BJT（bipolar junction transistor）欧美产品，全控器件。 正向基极电流使其导通，反向关断。 GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，由
7、它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，但其驱动电流较大，正逐步被IGBT取代。,17,变频调速技术中常见的电力电子器件,绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）：全控器件。,IGBT模块,18,变频调速技术中常见的电力电子器件,IGCT（integrated gatecommutated thyristors）集成门极换向晶闸管,19,变频调速技术中常见的电力电子器件,MOS场效应晶体管MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor）（中文：金属氧化物半导体场效
8、应管 ），全控器件。 比GTR的开关速度快、损耗低、驱动电流小。门极信号为电压，分为N型和P型。,20,变频调速技术中常见的电力电子器件,MOS控制晶闸管MCT ：全控器件。综合了晶闸管耐高压、大电流和MOSFET快速关断的特点，负电压脉冲导通，导通压降低，通态压降是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。触发功率小，是很有发展前途的器件。,21,变频调速技术中常见的电力电子器件,功率集成电路 PIC 主要开关元件是IGBT（1-1000kw）和GTO（1000-10000kw） PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保
9、护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。,22,变频调速技术中常见的电力电子器件,智能功率模块IPM （intelligent power module）：是以IGBT为开关元件的一种集成电路，除了驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU。它真正实现了功率器件与电路的集成；强电与弱电的集合；信息与动力的统一，是建立在高新技术进步基础之上的。,23,功率开关元件的年代划分,第一代：分立换流关断器件SCR； 第二代：自关断器件GTO、BJT、IGBT； 第三代：功率集成电路PIC、IPM。 IPM电力电子
10、器件驱动电路保护电路故障检测电路微机接口电路,第一章,24,节能效果对比,风量Q,消耗功率,100 80 60 40 20 0,0 20 40 60 80 100,节电量,用变频器控制,用挡板控制,例,25,五、交流调速分类,变极调速：改变极对数，有级、不连续； 变转差率：电机效率下降； 变频调速：效果好。,26,交流调速分类变极调速,改变磁极对数p实际上就是改变定子旋转磁场的转速。所以，磁极对数的改变是通过改变定子绕组的接法来实现的，机械特性如图,27,交流调速分类变转差率调速,1、转子串电阻 改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的。所以，这种方法只适用于绕线转子异步电动机，如图,28
11、,交流调速分类变转差率调速,2、调解定子电压 利用双向晶闸管来调节异步电动机的输入电压，可以在一定范围内实现无级调速，如图,29,交流调速分类变转差率调速,3、串级调速 所谓串级调速，就是向转子绕组里加入与转子电流频率相同的电动势，来影响转子电流。这种方法也只能应用于绕线转子异步电动机，如图,30,交流调速分类变转差率调速,4、电磁离合器（电磁调速电动机 ） 电磁调速电动机的基本结构如图所示，它相当于两级异步电动机：,31,交流调速分类变频调速,变频可以调速，而且可以无级调速改变了频率，就改变了同步转速，也就改变了转子转速。,32,交流调速分类变频调速,分类： 恒磁通或近似恒磁通 （恒转矩性质
12、） 恒流 （恒转矩性质） 恒功率 （弱磁调速） （恒功率性质）,33,交流电源变频器交流电机,在上述交流调速方法中最传统的是变转差率调速，但在低速区转差率s大，因此转差功率 也大，所以电机效率较低。变频调速与变转差率调速有很大区别，从计算公式上看 ，随着频率的降低同步转速也降低，从高速到低速转差率是固定的，也就是说即使在较低的转速下，转差功率也不会增加。因此变频调速具有高效率、宽范围、高精度的调速特性。,34,六、变频器分类,为使交流电机获得变频调速电源就需要有一套变频装置，按电路形式划分变频器可以分为交直交变频器（间接）和交交变频器（直接）。 （教材P8）,35,间接变频器,调压方式 直流电
13、源 换流电路 导通时间,自耦变压器 相位控制 崭波 PWM调压方式,串联电感 串联二极管 辅助晶闸管,36,直接变频器,相数 连接方式 环流,有环流 无环流,单相 三相,反并联 交叉 开口三角 环型,37,38,第一章 变频调速,39,第一节 变频调速原则及其机械特性,根据控制方式，变频调速原则有： 1.恒磁通变频调速 const 2.恒功率变频调速 Pconst 3.恒流变频调速（略） I1const,40,恒磁通变频调速,如果简单从公式表面看： 似乎只要改变频率f就能够实现平滑改变同步转速的目的，从而实现无级调速。其实不然。由电机原理的理论我们知道异步电动机电势方程 如果忽略定子压降,41
14、,恒磁通变频调速,由上式可知，在电压一定时频率的变化对磁通是有影响的。即： 而从磁化曲线上看，电机设计的工作点在膝点，也就是图中的C点。因此频率下降会引起磁通的增加，造成磁路过饱和，励磁电流If增加很快，铁损增大，电机过热，使电机负载能力下降、效率降低。,42,43,恒磁通变频调速,反之，频率增加将导致磁通下降，由下式可知： f1 m为维持恒定转矩I2 有过流的危险。 不论f上升还是下降均应保持m常数。 磁通恒定是变频调速的原则之一 因此得知：定子电压必须随频率成比例变化。,44,恒磁通变频调速时的机械特性,由电机的机械特性参数表达式 可得到最大转矩,45,当频率较高时 可以忽略r1，最大转矩
15、为常数 当频率较低时 可以忽略xk，最大转矩减小,46,即，在低频时定子电阻r1上的压降，对最大转矩有较大影响。为保持理想的恒磁通变频调速应满足： E1/f1=const 上式为恒磁通、恒最大转矩变频调速的协调控制原则。 但电机的感应电势E1难以测量和控制，所以在实际中，在低频段采用一种近似方法： 控制回路中加入一个函数发生器，以补偿低频段定子电阻引起的压降。,47,补偿特性如图：,蓝色无补偿,有补偿,f1,U1,48,有了低频段的电压补偿，可以得出恒磁通的变频调速原则： 属恒转矩调速性质。 补偿后的机械特性如图。,49,恒功率变频调速,电动机在正常运行时，是在额定电压下，此时的频率为工频。
16、当频率f高于50Hz时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这显然是不允许的。应换另一种调速原则。 如果： 电压不变,属恒功率变频调速,50,恒功率变频调速,可作以下证明：,51,恒功率变频调速,因此得到恒功率变频调速原则：,恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为扩大调速范围，在基频以上采用恒功率调速；在基频以下采用恒转矩调速。,（1-27）,52,变频调速时异步电动机四象限运行,备注,53,提供频率使电动机加速的情况,备注,54,结论（p13的下数三行）,异步电动机变频调速可以实现四象限运行。如果按照一定的规律控制，异步电动机的起动、制动、翻转和调速过程时间都可以缩至很短。因此在变频调速时异步电动机也可以具有良好的动态特性。,55,变频器是
