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1、机电传动控制,第四部分：设备调速控制技术,第八章 交流电动机调速控制,3,第八章 交流电动机调速控制,8- 1 交流电动机调速控制概述 8- 2 交流电动机定子侧变频调速系统 8- 3 交流电动机转子侧串级调速系统 8- 4 无刷直流电动机调速系统 8- 5 VVF变频器产品与使用,4,8- 1 交流电动机调速控制概述,8.1.1 三相异步电动机的结构和工作原理 结构,5,8- 1 交流电动机调速控制概述,机座,端盖,风扇,接线盒,定子绕组,鼠笼转子,端环,散热筋,轴,轴承,6,8- 1 交流电动机调速控制概述,7,1、当三相感应电动机定子接三相电源时，在气隙中产生以同步转速n0旋转的旋转磁场
2、。,8- 1 交流电动机调速控制概述,工作原理,2、旋转磁场切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势。,3、转子绕组自行闭合，转子中产生电流。,4、转子绕组在磁场中受力，产生电磁转矩，驱动转子旋转。,5、转差率定义为转差与同步速之比,8,8- 1 交流电动机调速控制概述,8.1.2 交流电动机调速系统分类,9,8- 1 交流电动机调速控制概述,8.1.2 交流电动机调速系统分类 交流调速系统分类 按调速方法分：改变f1、p、s 按调速效率分：高效和低效系统 按调速平滑性分：有级调速和无级调速 按调速装置位置分：定子侧、转子侧和转子轴 按使用电动机分：异步电动机和同步电动机,10,8- 1 交流
3、电动机调速控制概述,8.1.2 交流电动机调速系统分类 常用有级调速系统 变磁极对数调速 转子串电阻调速系统 常用无级调速系统 定子侧控制 定子调压系统 定子调频系统 转子侧控制,11,8.2 交流电动机定子侧变频调速系统,机械功率=电磁功率-转差功率 转差功率Ps可以分成三种： 1、转差功率Ps消耗型：调压调速，效率低，装置简单 2、转差功率Ps馈送型：串级调速，只能用在绕线电机上，效率较高，装置最复杂。 3、转差功率Ps不变型：变频（变压）调速，效率最高，装置较复杂。,12,8.2.1 变频调速的基本原理,三相异步电动机每相定子绕组电动势 每相定子电动势的有效值E1：E1=4.44f1Nm
4、 f1定子绕组的供电频率 N定子绕组的有效匝数 m每极气隙磁通 问题： m m太小铁心没充分利用，相同转子电流时，电磁转矩小，负载能力降低 m太大过励磁，励磁电流大，功率因数低，铁损增加，电动机发热，为使不过热，负载能力降低,13,8.2.1 变频调速的基本原理,理想要求：在变速过程中，磁通m保持在额定值不变（改变E1和f1）,两种方式： 基频以下调速 基频以上调速,14,8.2.1 变频调速的基本原理,1、基频以下的恒磁通变频调速 在降低供电频率的同时，降低感应电动势 调速过程中，恒磁通转矩近似不变恒转矩调速方式,15,8.2.1 变频调速的基本原理,1、基频以下的恒磁通变频调速 当E1和f
5、1的值较高时： 可忽略定子绕组的电阻和感抗压降，则定子U1=E1， 控制方案：使定子电压U1和f1的比值为常数恒压频比控制方式,16,8.2.1 变频调速的基本原理,1、基频以下的恒磁通变频调速 当E1和f1的值较低时：不能忽略定子绕组的电阻和感抗压降，则人为地提高定子电压以补偿定子电阻压降,17,8.2.1 变频调速的基本原理,2、基频以上的弱磁变频调速 f1从额定值增加（转速上升）定子电压最大为额定值，不能增加从公式可知，磁通减少输出转矩下降恒功率调速方式（输出功率近似不变）,18,8.2.1 变频调速的基本原理,3、变频调速装置变频器 运行效率高、调速范围大、静态性能好、可靠性高、使用方
6、便，因而广泛应用。 两大类： 交直交变频 交交变频,19,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 主电路（Main Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。,20,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,2）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于
7、信息电子器件，一般都要安装散热器。,21,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,3）电力电子器件的损耗：,主要损耗,关断损耗,开通损耗,通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,22,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。,电力电子器件在实际应用中的系统组成,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,电气隔离,控制电路,23,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,半控型器件（SCR） 通过控制信号可以
8、控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（GTO、MOSFET） 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。 不可控器件（ Power Diode ） 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,24,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,电流驱动型（BJT） 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。 电压驱动型（GTO） 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,25,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,双极型器件（BJ
9、T） 参与导电的载流子既有电子，又有空穴。 单极型器件（MOS管） 参与导电的载流子是电子或者空穴中的一种。 混合型器件（IGBT） 两种器件的组合,按照导电机理的性质，分为三类：,26,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,可控性 电流 or 电压驱动,学习要点：,27,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,一、变频器中的功率开关器件,晶闸管（SCR） 门极可关断晶闸管（GTO） 电力晶体管（GTR，BJT） 场效应管（MOSFET） 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,28,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,晶闸管是晶体闸流管的简称，是具有PNPN四层结构的各种开关
10、器件的总称 普通晶闸管也称可控硅整流管（Silicon Controlled RectifierSCR） 由门极G、阳极A和阴极K组成,1、晶闸管（SCR）,29,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,螺栓型晶闸管,平板型晶闸管外形及结构,常用晶闸管的结构：螺栓型和平板型,阴极K 阳极A 门极G,阳极能与散热器紧密联接且安装方便 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间,30,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,1、晶闸管（SCR）,VgT2导通 IC2=2IGIC1=1IC2 正反馈T1导通,31,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,导通条件 阳极和阴极间加正向电压
11、 门极和阴极间也加正向电压，形成触发电流 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用 关断条件 使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下或阳极和阴极间加反向电压 属于电压半控型电力电子器件,1、晶闸管（SCR）,32,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,Gate Turn Off Thyristor 可以通过在门极施加反向电压，形成负的脉冲电流使其关断 属于电压全控型器件。无须强迫换相装置，损耗小，装置效率高，易于实现PWM控制,2、门极可关断晶闸管（GTO）,33,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,电力晶体管（Giant
12、 TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 驱动电路复杂，功率大 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被电力MOSFET和IGBT取代。,3、电力晶体管（GTR，BJT）,34,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,与普通晶体管的区别：后者用于放大小功率信号，GTR作为功率开关使用 通过基极电流实现全控 有足够大的容量，较高的开关速度,3、电力晶体管（GTR，BJT）,35,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子
13、器件,由三层半导体（组成两个PN结）构成 基极、集电极、发射极 一般为NPN结构，PNP结构耐压低,3、电力晶体管（GTR，BJT）,36,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS管（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用
14、于功率不超过10kW的电力电子装置 。,4、电力场效应晶体管,37,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,栅极G、漏极D和源极S 单极型（与GTR构成两种常用的三极管） 通过栅源电压UGS和漏源电压UDS实现全控 截止：栅源极间电压为零 导通：漏源极间加正电源，栅源极间加正电压UGS,4、电力场效应晶体管,38,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。,两类器件取长
15、补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）,5、绝缘栅双极型晶体管IGBT,39,8.2.1 变频调速的基本原理：电力电子器件,三端器件：栅极G、集电极C和发射极E 电压全控型 当栅极加正向电压时，IGBT导通；当栅极加负电压或不加时，IGBT关断。,5、绝缘栅双极型晶体管IGBT,40,8.2.1 变频调速的基本原理：晶闸管整流,单相半波可控整流电路及波形,变压器T起变换电压和电气隔离的作用。 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。,单相半波可控整流电路,41,8.2.1 变频调速的
16、基本原理：晶闸管整流,VT的a 移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,首先，引入两个重要的基本概念： 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。,基本数量关系,直流输出电压平均值为,(2-1),42,8.2.1 变频调速的基本原理：晶闸管整流,单相全波可控整流电路,续流二极管,43,8.2.1 变频调速的基本原理：晶闸管整流,a),工作原理及波形分析 VT1和VT3组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT4组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,单相桥式全控整流电路,44,8.2.1 变频调速的基本原理：晶闸管整流,单相全波与单相全控桥
