电力拖动自动控制系统第2版教学课件作者李华德6课件幻灯片

《电力拖动自动控制系统第2版教学课件作者李华德6课件幻灯片》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动自动控制系统第2版教学课件作者李华德6课件幻灯片（115页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章,基于稳态数学模型的异步电动机变压变频调速系统,交流调速部分,内容概要,基于稳态数学模型的异步电机变压变频调速系统控制方式； 电力电子变频调速装置及其电源特性； 电压源型转速开环恒压频比控制的异步电机变压变频调速系统； 电流型转速开环恒压频比控制的异步电机变压变频调速系统； 异步电机转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统。,本章讲述：,2019年6月8日9时27分,交流电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，在交流电动机的应用过程中，为了满足生产工艺的要求，人们发明了多种调速方法。,2019年6月8日9时27分,目前，电力拖动交流调速系统的应用领域主要有下述三个方面：,1）节能调速和要求

2、一般的工艺调速。 2）高性能交流调速系统的广泛应用。 3）特大容量、极高转速的交流调速。,2019年6月8日9时27分,现代交流电动机调速系统类型及控制方式,1.异步电动机调速系统 （1）转差功率馈送型调速系统 （2）转差功率不变型调速系统 电压-频率协调控制方式； 转差频率控制方式； 矢量控制方式； 直接转矩控制方式； 定子磁链轨迹控制方式。 2.同步电动机调速系统,2019年6月8日9时27分,本章介绍恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统和转差频率控制的异步电动机变压变频调速系统，主要讲述控制方式、机械特性、系统的基本组成，以及系统分析。,2019年6月8日9时27分,6-1基于异步电

3、动机稳态数学模型的变压变频调速系统控制方式,异步电动机转速公式为,2019年6月8日9时27分,由式上式可知，如果均匀地改变异步电动机的定子供电频率fs，就可以平滑地调节电动机转速 。然而，在实际应用中，不仅要求调节转速，同时还要求调速系统具有优良的调速性能。,因此，在调速过程中不仅要改变定子供电频率fs，而且还要保持（控制）磁通恒定。,2019年6月8日9时27分,6-1.1 电压-频率协调控制方式,1. 恒压频比（Us / fs = Const）控制方式及其机械特性 （1）基频以下Us / fs = Const的电压、频率协调控制方式 气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值Es(V)为：

4、,，写成,2019年6月8日9时27分,该式表示了感应电动势有效值 与频率 之比为常数的控制方式，通常称为恒Es/fs控制。可以看出，在这种控制方式下，当 由基频降至低频的变速过程中都能保持磁通 ，可以获得 的控制效果。,2019年6月8日9时27分,异步电动机的等值电路图,稳态情况下，依据上图所示的异步电动机等值电路图，则异步电动机定子每相电压与每相感应电动势的关系为：,2019年6月8日9时27分,当定子频率 较高时，感应电动势的有效值 也较大，这时可以忽略定子绕组的阻抗压降，可认为定子相电压有效值不变 ，为此在实际工程中是以 代替 ，而获得电压与频率之比为常数的恒压频比控制方程式，即为：

5、,2019年6月8日9时27分,恒压频比控制特性,由于恒压频比控制方式成立的前提条件是忽略了定子阻抗压降，在 较低时，由式（6-4）可知，定子感应电动势 变小了，其中惟有 项并不减小，与 相比， 比重加大， 不再成立，也就是说 较低时定子阻抗压降不能再忽略了。,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,（2） 控制方式的机械特性,三相异步电动机在工频供电时的机械特性方程式为：,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,电网直接供电时异步电动机的机械特性,变压变频时，以上特性方程式可以改为：,2019年6月8日9时27分,2019

6、年6月8日9时27分,以上两组公式相比，二者只是形式的变化，并无实质性的改变，可想而知，变压变频情况下的机械特性曲线形状与正弦波恒压恒频供电时的机械特性曲线形状必定相似。其基本特点如下：,1）同步转速 随着频率（ 或 ）的变化而改变。 2）对于同一转矩 而言，带载时的转速降落 随着频率的变化而基本不变。 3）当 时 ， 随着 的降低而减小（如下图中实线所示），这将限制调速系统的带载能力。,2019年6月8日9时27分,基频以下机械特性,基频以下的恒压频比控制方式基本满足了气隙磁通 的要求，可以实现恒转矩调速运行。,2019年6月8日9时27分,2.基频以上恒压变频控制方式及其机械特性 （1）基

7、频以上恒压变频控制方式,2019年6月8日9时27分,把基频以下和基频以上两种情况结合起来，得到下图所示的异步电动机变频调速控制特性。,异步电动机变频调速控制特性,2019年6月8日9时27分,（2）基频以上恒压变频控制方式的机械特性,最大转矩表达式可改写为,2019年6月8日9时27分,基频 以上恒压变频调速的机械特性,2019年6月8日9时27分,由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减少，导致最大转矩的减小，但转速却提高了，可以认为输出功率基本不变，所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速方式。 需要指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波供电下的理想情况，然而变压变频调速时对于电机定子为近似

8、正弦波供电，因此其机械特性的形状与理想情况下相比有一定的区别。,2019年6月8日9时27分,3.弱磁倍数,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,6-1.2 转差频率控制方式,2019年6月8日9时27分,1.转差频率控制的基本思想,异步电动机电磁转矩也可以写成：,可以看出，气隙磁通、转子电流、转子功率因数都影响电磁转矩。,2019年6月8日9时27分,根据异步电动机的等值电路图，可以求出异步电动机转子电流有效值：,正常运行时，因 很小，所以，可以将分母中 忽略，则得到：,2019年6月8日9时27分,进而得到：,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分

9、,2.转差频率控制规律,异步电动机的电磁功率及同步机械角速度为：,2019年6月8日9时27分,则电磁转矩表达式可表示为：,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,所以,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,2019年6月8日9时27分,6-2电力电子变频调速装置及其电源特性,现代交流电动机变压变频调速系统主要由交流电动机、电力电子变频器两大部分组成。 为交流电动机所配备的静止式电力电子变压变频（Variable Voltage Va

10、riable Frequency, VVVF）调速装置通常称为变频器（图中框线部分），可分为主电路（也称作电力电子变换电路或称作电力电子变流电路）、控制器，以及电量检测器三个主要部分。,2019年6月8日9时27分,变频器及变频调速系统,2019年6月8日9时27分,电力电子变换电路（主电路）的拓扑结构分为两种，一种是交-直-交（AC-DC-AC）结构形式，也称间接变频，如下图a所示；另一种是交-交(AC-AC)结构形式，也称直接变频，如下图b所示。,a)交直交变压变频装置主电路结构 b)交交变压变频装置主电路结构,2019年6月8日9时27分,对于主电路为交-直-交结构形式的变频器，因其整流

11、电路输出的直流电压或直流电流中含有频率为电源频率6倍的电压或电流纹波，所以，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少直流电压或电流的波动，为此在整流电路与逆变电路之间设置中间直流滤波环节。,2019年6月8日9时27分,根据带有中间直流环节的直流电源性质不同，交-直-交型变频器可以分为电压源型和电流源型两类。两种类型的实际区别在于主电路中间直流环节所采用的滤波器不同。交-直-交型变频器中的整流电路和逆变电路一般接成两电平三相桥式电路。,2019年6月8日9时27分,近几年来为适应中压变频器的发展需要，交-直-交型电压源型变频器中的整流电路和逆变电路接成了多电平电路和级联式单元串联式电路；交-直-交

12、电流源型变频器中的整流器和逆变器多接成为多重化的形式。 对于交-交结构形式的变频器虽然没有中间直流环节，但是，根据供电电源的性质不同也可以分为电压源型和电流源型两种类型。,2019年6月8日9时27分,1.电压源型变频器,交-直-交电压源型变频器的主电路结构如下图所示。这类变频器主电路中的中间直流环节是采用大电容滤波，可以使直流电压波形比较平直，对于负载来说，是一个内阻抗为零的恒压源，所以，把这类变频器称作电压源型变频器。对于交-交变频装置虽然没有滤波电容器，但供电电源的低阻抗使其具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。,2019年6月8日9时27分,a) 电压源型变频器主电路及PWM控制 b

13、) 电压源型变频器主电路(UCR为相控方式) c) 双PWM电压源型变频器主电路,a)所示的交-直-交电压源型PWM(SPWM或SVPWM)变频器主电路，其整流侧采用二极管组成的不可控整流器；其逆变侧采用自关断器件（IGBT、IGCT或IEGT等）组成的PWM逆变器。,2019年6月8日9时27分,b)所示的交-直-交电压源型PWM变频器主电路，其整流器采用了相控方式，优点是输出直流电压可以控制，缺点是增加了系统的复杂性。 c)所示的交-直-交电压源型PWM变频器主电路，其整流器采用了PWM控制方式，称为PWM整流器，这种具有PWM整流器、PWM逆变器的电力电子变频调速装置称作双PWM变频器。

14、,2019年6月8日9时27分,电压源型变频器的特性如下：,（1）无功能量的缓冲 对于变压变频调速系统来说，变频器的负载是异步电动机，属感性负载，在中间直流环节与电动机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关器件不能储能，所以无功能量只能靠直流环节中作为滤波器的储能元件来缓冲，使它不致于影响到交流电网。电压源型变频器的储能元件为大电容滤波器，用它来作为无功能量的缓冲。,2019年6月8日9时27分,（2）回馈制动 电压源型变频器的调速系统要实现回馈制动和四象限运行是比较困难的，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，使其无法反向，因而电流也不能反向，所以

15、无法实现回馈制动。需要制动时，对于小容量的变频器，采用在直流环节中并联电阻的能耗制动。,2019年6月8日9时27分,能耗制动,2019年6月8日9时27分,对于中、大容量的变频器，可在整流器的输出端反并联另外一组有源逆变器，制动时使其工作在有源逆变状态，以通过反向的制动电流，实现回馈制动。,回馈制动,2019年6月8日9时27分,2.电流源型变频器,交-直-交电流源型变频器的主电路结构下图所示。这类变频器主电路中的中间直流环节采用大电感滤波，可以使直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个恒流源，所以，把这类变频器称作电流源型变频器。有的交-交变频器的主电路中串入电抗器

16、，使其具有电流源的性质，因此，这类交交变频器属于电流源型变频器。,2019年6月8日9时27分,电流源型变频器的主电路结构,如上所示的交-直-交电流源型变频器的逆变电路也采用PWM控制方式，这对改善低频时的电流波形（使其接近于正弦波）有明显效果。,2019年6月8日9时27分,电流源型变频器的特性：,1）无功能量的缓冲 电流源型变频器的储能元件为大电感滤波器，用它来作为无功能量缓冲。 2）回馈制动 电流源型变频器的显著特点是容易实现回馈制动。,2019年6月8日9时27分,当可控整流器UCR工作在整流状态（，电动机处于电动状态。,电流源型变压变频调速系统的两种运行状态 a)电动运行； b)回馈制动,当电动机减速制动时s ，可控整流器的控制角大于90，异步电动机进入发电状态，直流回路电压Ud立即反向，但电流Id方向不变（见上图b)），于是，逆变器变成整流器，