現(xiàn)代交流調(diào)速

技術(shù)西安科技大學電控學院蔡文皓現(xiàn)代交流調(diào)速

技術(shù)西安科技大學電控學院1目錄第一章緒論第二章基于靜態(tài)模型的變頻調(diào)速系統(tǒng)第三章繞線型異步電機串級調(diào)速系統(tǒng)第四章第五章異步電機的矢量控制第六章異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制目錄2第一章緒論§1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的概況§1.2異步電機的機械特性§1.3異步電機的基本調(diào)速方法返回目錄第一章緒論§1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的概況返回目錄3

一、電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程直流傳動和交流傳動分別在19世紀先后誕生。19世紀80年代以前，直流傳動是唯一的電氣傳動方式19世紀末，交流傳動開始在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用

交流電的產(chǎn)生；三相制交流電輸送與配電問題的解決；交流鼠籠式異步電動機的發(fā)明；§1.1交流調(diào)速系統(tǒng)概況一、電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程直流傳動和交流傳動4生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動系統(tǒng)在啟制動﹑正反轉(zhuǎn)﹑調(diào)速精度﹑調(diào)速范圍和靜動態(tài)特性方面提出了更高要求應用情況：高性能可逆可調(diào)速傳動領(lǐng)域都采用直流傳動；約占電氣傳動總?cè)萘?0%的不變速傳動采用交流傳動；技術(shù)性能：直流傳動具有優(yōu)良的調(diào)速性能；交流傳動因技術(shù)發(fā)展的局限性，盡管提出多種技術(shù)解決方案，但是性能無法與直流傳動相比，難于滿足生產(chǎn)要求；20世紀前半葉生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動系統(tǒng)在啟制動﹑正反轉(zhuǎn)﹑調(diào)速精度﹑5交流傳動技術(shù)獲得突破性進展直流電機具有電刷換向器，必須進行維護，轉(zhuǎn)速不高，容量小，適用范圍有限；席卷全球的石油危機迫使西方工業(yè)國家投入大量的人力物力研究高效的交流調(diào)速系統(tǒng)。技術(shù)基礎(chǔ)的發(fā)展：大規(guī)模集成電路﹑計算機控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流電氣傳動的發(fā)展創(chuàng)造了前提條件。20世紀70年代目前，交流傳動有取代直流傳動的趨勢。交流調(diào)速在各個領(lǐng)域的應用比例正在逐漸增大。技術(shù)方法：變頻調(diào)速﹑矢量控制/磁場定向控制技術(shù)﹑直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動技術(shù)獲得突破性進展技術(shù)基礎(chǔ)的發(fā)展：大規(guī)模集成電路﹑計6

1.節(jié)能大多數(shù)交流傳動裝置設(shè)計留有相當余量，而且不總在最大負荷下運行，可以在負荷變化時，采用變流技術(shù)降壓，達到節(jié)能的目的；例如，風機水泵消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺可節(jié)能20%。二、交流傳動系統(tǒng)的應用前景2.特大容量，極高轉(zhuǎn)速直流電機換向器的換向能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，其極限容量和轉(zhuǎn)速的乘積約為106KW.r/min,交流電機無此限制,因此特大容量(厚板軋機﹑礦井卷揚機)和極高轉(zhuǎn)速傳動(高速磨床﹑離心機)。3.傳統(tǒng)直流傳動系統(tǒng)的技術(shù)改造過去許多工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械用直流傳動,采用交流傳動來改造直流傳動。1.節(jié)能二、交流傳動系統(tǒng)的應用前景2.特大容量，極高轉(zhuǎn)速37交流電機有同步電機和異步電機兩大類1.異步電機調(diào)速系統(tǒng)的類型①降壓調(diào)速;②電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速;③繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速;④繞線轉(zhuǎn)子異步電機串級調(diào)速;⑤變極對數(shù)調(diào)速;⑥變壓變頻調(diào)速三、交流傳動系統(tǒng)的類型交流電機有同步電機和異步電機兩大類1.異步電機調(diào)速系統(tǒng)的類型8從轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換的角度來看，可以將異步電機調(diào)速系統(tǒng)分為三類：轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)；轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)；轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。類型調(diào)速方法特點轉(zhuǎn)差功率消耗型降壓調(diào)速;電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速;轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速;消耗全部功率；效率最低；結(jié)構(gòu)簡單；轉(zhuǎn)差功率回饋型繞線轉(zhuǎn)子異步電機串級調(diào)速.大部分轉(zhuǎn)差功率回饋利用；效率較高；需要回饋裝置轉(zhuǎn)差功率不變型變極調(diào)速;變壓變頻調(diào)速.轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變；效率高轉(zhuǎn)差功率Ps=SPm

從轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換的角度來看，可以將異步電機調(diào)速系統(tǒng)9同步電動機可采用變頻調(diào)速。根據(jù)頻率控制方式的不同，同步電動機調(diào)速系統(tǒng)可分為兩類:1．他激式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)用獨立的變頻裝置作為同步電動機的變頻電源2．自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)采用頻率閉環(huán)方式的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)是用電機軸上所裝轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻裝置觸發(fā)脈沖，使同步電動機工作在自同步狀態(tài)。2.同步電機調(diào)速系統(tǒng)的類型同步電動機可采用變頻調(diào)速。根據(jù)頻率控制方式的不同，同步電動機101.變頻調(diào)速：是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)（在電壓型和電流型基礎(chǔ)上，向PWM型變頻和多重化技術(shù)方向發(fā)展）交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)（在低速大容量應用方面有上升的趨勢）變頻器的電力半導體器件向模塊化﹑快速化﹑光控化﹑高電壓﹑大電流﹑自關(guān)斷和高可靠性方向發(fā)展；系統(tǒng)向高性能﹑高精度﹑大容量﹑微型化數(shù)字化發(fā)展。四、交流調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向1.變頻調(diào)速：是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。交-直-交變112.串級調(diào)速這是一種利用繞線式異步電機的轉(zhuǎn)差功率（相當于轉(zhuǎn)子附加電勢）的一種比較經(jīng)濟的調(diào)速方法，我國串級調(diào)速技術(shù)比較成熟，有系列化產(chǎn)品。3.雙饋電機又稱超同步串級調(diào)速，繞線式異步電機的定子由電網(wǎng)電源供電，轉(zhuǎn)子由變頻器電源供電，可以在同步速度以上運行，不但可以運行在再生制動狀態(tài)，還可以運行在電動狀態(tài)。如采用矢量控制性能類同直流調(diào)速系統(tǒng)，并可改善系統(tǒng)功率因數(shù)，是一種很有前途的調(diào)速方式。2.串級調(diào)速3.雙饋電機124.無換向器電機又稱晶體管電動機，它是具有位置檢測器由變頻器供電的同步電動機系統(tǒng)。采用位置檢測器和晶閘管代替了相當于直流電動機的電刷和換向器，無換向器電機的原理﹑啟制動和調(diào)速特性與直流電機相似。有人甚至斷言：如果說交流調(diào)速將取代直流拖動，那么無換向器電動機將取代其他交流調(diào)速方式。4.無換向器電機采用位置檢測器和晶閘管代替了相當于直流電動機13①相位控制：相位控制主要應用于交-交和交-直-交變頻器的整流控制②調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)：保持恒磁通變頻控制（恒轉(zhuǎn)矩控制）原則，要求變壓變頻控制。③轉(zhuǎn)差頻率控制：在調(diào)速過程中，保持有限的轉(zhuǎn)差頻率進行控制，可以獲得高效調(diào)速方式。在轉(zhuǎn)差率很小時，考慮到轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)差頻率及轉(zhuǎn)子電流成正比關(guān)系，因此可以利用定子電流幅值和靜態(tài)同步角速度去控制變頻器。五﹑交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展①相位控制：相位控制主要應用于交-交和交-直-交變頻器的整流14④脈寬調(diào)制控制PWM調(diào)制型變頻器由于輸入功率因數(shù)高和輸出波形好的特點，近年發(fā)展較快。調(diào)制方法：如SPWM，準SPWM，最佳開關(guān)角PWM，電流跟蹤型PWM等等。原理上：面積法，圖解法，計算法，采樣法，優(yōu)化法，斬波法，角度法，跟蹤法和次諧波法等等。脈寬調(diào)制以往多用于交-直-交電壓型變頻器，最近電流型變頻器也開始應用，如電流跟蹤型PWM就是一例。⑤矢量控制基本思想是設(shè)法模擬直流電機的控制特點對交流電機進行控制，它分為：磁場定向式矢量控制和轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制。④脈寬調(diào)制控制⑤矢量控制15⑥磁場控制磁場軌跡法：基本思想是產(chǎn)生接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，改變旋轉(zhuǎn)磁場的速度，即可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。異步電機的磁場加速法：磁場加速法是防止勵磁電流發(fā)生電磁暫態(tài)現(xiàn)象，對電機定子電流按一定規(guī)律進行控制，可以實現(xiàn)直流電機那樣的快速響應。⑦直接轉(zhuǎn)矩控制它對電機參數(shù)變化不敏感，可獲得良好的調(diào)速性能，一般PWM是靠提高調(diào)制頻率來實現(xiàn)高動態(tài)，而直接轉(zhuǎn)矩控制是通過轉(zhuǎn)矩和磁通獨立跟蹤調(diào)整來實現(xiàn)PWM高動態(tài)，逆變器成本低，效率高。⑥磁場控制⑦直接轉(zhuǎn)矩控制16高頻化技術(shù)交流電源的高頻化可使交流變頻電源的體積小﹑重量輕﹑性能好，并能節(jié)省電能。無功補償為了保證供電質(zhì)量，國家對功率因數(shù)和諧波極限提出了要求，為了達到這些指標要求必須采取相應的措施：提高自然功率因數(shù)或采用無功補償。諧波抑制對于高次諧波抑制，可將整流器接成Y/△或△/Y型，增加整流器的脈沖次數(shù)，加裝調(diào)諧濾波器。高頻化技術(shù)無功補償諧波抑制17由半導體功率變換器組成的整流器逆變器斬波器以及交-直-交變頻器、交-交變頻器等裝置在交流調(diào)速領(lǐng)域中得以廣泛應用，但是，目前還存在以下問題：高次諧波的影響①使電動機產(chǎn)生附加損耗，溫升增加，電動機出力受到限制；②使電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，在低速穩(wěn)定運行時影響較大，當脈動頻率較低，接近機械系統(tǒng)固有頻率時，容易產(chǎn)生機械共振；③電動機和電器噪聲增大，對無線電通信干擾增大。六、交流傳動系統(tǒng)存在的主要問題由半導體功率變換器組成的整流器逆變器斬波器以18瞬時停電措施電源供電系統(tǒng)因雷擊或其他原因發(fā)生接地故障時，將發(fā)生紊亂。從事故發(fā)生到瞬時事故消除或通過繼電器切斷事故回路，這段時間一般在1秒以內(nèi)，如果變頻裝置沒有瞬時停電措施，會產(chǎn)生過流或過壓，在恢復供電時可能造成逆變器換流失敗。功率因數(shù)變壞半導體功率轉(zhuǎn)換裝置采用相位控制，使它們的功率因數(shù)變壞，對供電電源質(zhì)量帶來不利的影響。在晶閘管電力變流器供電時運行的功率因數(shù)比在正弦波電源供電下運行的功率因數(shù)低8%。瞬時停電措施功率因數(shù)變壞19三相感應電動機的結(jié)構(gòu)（1）定子部分定子鐵心：由導磁性能很好的硅鋼片疊成——導磁部分。定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導電部分。機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。（2）轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。轉(zhuǎn)子繞組：1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。2）繞線式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。包括端蓋、風扇等。（3）其它部分§1.2異步電動機的工作原理及機械特性三相感應電動機的結(jié)構(gòu)（1）定子部分定子鐵心：由導磁性能很好20按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分：繞線型感應電動機籠型感應電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分：繞線型感應電動機籠型感應電動機21（1）轉(zhuǎn)動原理電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體感應電動勢和電流。電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。三相感應電動機的工作原理右手定則決定電流方向左手定則決定導條受力方向（1）轉(zhuǎn)動原理電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形22一﹑異步電機的機械特性異步電機按其結(jié)構(gòu)可以分為籠型和繞線型兩種類型，其中籠型異步電動機堅固耐用。1.基本概念同步轉(zhuǎn)速:三相異步電動機定子側(cè)通以頻率為f1的三相交流電壓,則定子與轉(zhuǎn)子氣隙間會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,其速度稱為同步轉(zhuǎn)速?！?.2異步電動機的工作原理及機械特性在電動機運行狀態(tài)下，隨負載增加，轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)差率s一﹑異步電機的機械特性1.基本概念§1.2異步電動機的工232.電壓平衡方程2.電壓平衡方程24§1.2異步電機的機械特性§1.2異步電機的機械特性25根據(jù)電機學原理，若①忽略空間時間諧波；②忽略磁飽和；③忽略鐵損耗；異步電動機的T型等值電路如右圖所示3.T型等值電路根據(jù)電機學原理，若3.T型等值電路26機械特性主要指電機電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。下面來推導異步電機的機械特性：4.機械特性機械特性主要指電機電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。4.機械特性27§1.2異步電機的機械特性§1.2異步電機的機械特性28T

nT根據(jù)機械特性方程，可以畫出三相異步電機的機械特性曲線，如右下圖所示:snABCDTmsm0n1TeA點為理想空載運行點：轉(zhuǎn)速等于理想空載轉(zhuǎn)速n1；B點為額定運行點，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速均為額定值；C點為電磁轉(zhuǎn)矩最大點D點為啟動點，對應轉(zhuǎn)速為零，對應轉(zhuǎn)矩為啟動轉(zhuǎn)矩。5.機械特性曲線TnT根據(jù)機械特性方程，可以畫出三相異步電機的機械特性曲線29T

nTsnABCDTmsm0n0TeTnTsnABCDTmsm0n0Te30機械特性表達式：由電機學可知，三相異步電動機在正弦恒壓恒頻供電時，機械特性方程式為：式中：n1——電機的磁極對數(shù)；

R1、X1——定子繞組的每相電阻及漏電抗；

R2——為折算到定于側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；

X2——為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏電抗。機械特性表達式：由電機學可知，三相異步電動機在正弦恒壓恒頻供31機械特性實用表達式機械特性實用表達式32一﹑異步電動機的調(diào)速方法因此異步電動機的調(diào)速方法可以大致分為三種變轉(zhuǎn)差率變極（鼠籠轉(zhuǎn)子）變頻定子調(diào)壓調(diào)轉(zhuǎn)子電阻（繞線轉(zhuǎn)子）串級調(diào)速（繞線轉(zhuǎn)子）交-直-交交-交§1.3異步電動機的運行方式一﹑異步電動機的調(diào)速方法因此異步電動機的調(diào)速方法可以大致分為33調(diào)速原理：根據(jù)機械特性可知，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，改變定子電壓就可以改變電機的機械特性特點：理想空載轉(zhuǎn)速n1不變，臨界轉(zhuǎn)差率sm不變。注：若帶恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速范圍很??；若帶風機負載，調(diào)速范圍可以大一些。sn風機負載CTmsm0n1UnomU0.7nomU0.5nom恒轉(zhuǎn)矩負載改變定子電壓調(diào)速1.改變定子電壓調(diào)速調(diào)速原理：根據(jù)機械特性可知，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，34snTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R2+RV310改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速調(diào)速原理：根據(jù)機械特性可知，改變轉(zhuǎn)子電阻也可以改變電機的機械特性M特點：最大轉(zhuǎn)矩不變；臨界轉(zhuǎn)差率隨R2↑而↑；功耗很大；適用范圍：較小功率或通風機類負載2.改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速snTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R235調(diào)速原理：如果在轉(zhuǎn)子回路引入一個可控的交流附加電勢EADD,EADD與E2有相同的頻率,并且與E2同相或反相串接,如下圖所示MEADD分析：反相:EADD↑→s↑→n↓次同步調(diào)速同相:EADD↑→s↓→n↑超同步調(diào)速引入不同數(shù)值的附加電勢,就可以使電機獲得不同的轉(zhuǎn)速.3.串級調(diào)速調(diào)速原理：如果在轉(zhuǎn)子回路引入一個可控的交流附加電勢EADD,36MEADD特點：●附加電動勢的頻率必須與f2=sf1一致,隨轉(zhuǎn)速n一起變化;●轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié);●設(shè)備體積比較大;●調(diào)速范圍一般在1.5-2.0左右..適用范圍：繞線型異步電動機3.串級調(diào)速MEADD特點：3.串級調(diào)速37Tnn0n0/20特點：有級變速；低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩,高轉(zhuǎn)速小轉(zhuǎn)矩；克服轉(zhuǎn)動慣量過大給啟動造成的困難；適用范圍：較要求少數(shù)幾種速度的工程機械,如機床,起重機,鼓風機,泵4.變極調(diào)速Tnn0n0/20特點：4.變極調(diào)速38注意：①為了保持調(diào)速過程中電動機的最大轉(zhuǎn)矩不變，需維持磁通恒定；②在低速范圍內(nèi)，定子繞組電阻R1相對于總漏抗X1較大，所以為了補償定子繞組電阻壓降，定子電壓U1降低要比頻率少一些。5.變頻調(diào)速注意：5.變頻調(diào)速39①能夠連續(xù)調(diào)速；②調(diào)速范圍寬5-10；③機械特性平直；④效率高；⑤經(jīng)濟效益好；（一臺變頻電源可以同時給多臺同步旋轉(zhuǎn)的異步電動機供電）變頻調(diào)速的特點：①能夠連續(xù)調(diào)速；變頻調(diào)速的特點：401.降壓啟動對于幾個千瓦以上的異步電動機，為了限制啟動電流，必須采用一定的措施，通常采用降低定子繞組電壓的方法，即降壓啟動。常用降壓啟動方法有：①定子回路串電阻，電抗；②調(diào)壓啟動；③Y-△啟動；2.轉(zhuǎn)子串電阻啟動（繞線型異步電動機）方法特性類似直流它勵電動機電樞串電阻啟動方法。二﹑異步電動機的啟動1.降壓啟動2.轉(zhuǎn)子串電阻啟動（繞線型異步電動機）二﹑異步電41軟啟動是由晶閘管構(gòu)成主回路，由微機實現(xiàn)控制的啟制動方法。工作原理：采用晶閘管移相控制，實現(xiàn)降壓啟動。M控制特點：①采用串聯(lián)移相調(diào)壓方式，電機電壓始終與電網(wǎng)電壓保持同步，脫機并網(wǎng)容易。如果啟動后想脫開啟動器直接并入電網(wǎng)，只要通過接觸器將啟動器旁路，不會出現(xiàn)電流沖擊。②由微機控制可以實現(xiàn)最小輸入電流，最小輸入功率和最大功率因數(shù)；③可以分時或同時啟動多臺電機；應用場合：適用于啟動后并入電網(wǎng)的風機，水泵3.軟啟動軟啟動是由晶閘管構(gòu)成主回路，由微機實現(xiàn)控制的啟制動方法。M控42異步電機與直流電機的制動一樣，也有再生制動，反接制動和能耗制動三種。1.再生制動突然降低電機定子側(cè)供電頻率或增加電動機的極對數(shù),如圖②,電動機可以從電動狀態(tài)→發(fā)電狀態(tài),將機械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β驶仞侂娋W(wǎng),電磁功率變負起制動作用.對于位能性負載,當定子三相電源的任意兩根線對調(diào)后,電動機機械特性如圖③所示,產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩起制動作用.nTn0-n0O①③ACn0/2②B三﹑異步電動機的制動異步電機與直流電機的制動一樣，也有再生制動，反接制動和能耗制43三﹑異步電動機的制動2反接制動為了使電機停轉(zhuǎn),可以使定子三相電源中的任意兩根電源線對調(diào)使旋轉(zhuǎn)磁場反向,轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相反,電磁轉(zhuǎn)矩起制動作用.若制動目的是為了停車,則當電動機制動到停止時,應將電動機與電網(wǎng)脫離.反接制動時,電動機從電網(wǎng)吸收電能,而又通過機械軸獲取機械能,因此反接制動熱損耗比較大,應在轉(zhuǎn)子中串接電阻限流.Tn0-n0OAC三﹑異步電動機的制動2反接制動若制動目的是為了停車,則44三﹑異步電動機的制動3.直流能耗制動

制動時將電動機定子脫離交流電網(wǎng)并通以直流磁場,該磁場與轉(zhuǎn)子導體作用產(chǎn)生感應電動勢和電流,該電流與原來的電流方向相反,產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子相反的制動轉(zhuǎn)矩,使電機停.三﹑異步電動機的制動3.直流能耗制動45ENDEND46現(xiàn)代交流調(diào)速

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技術(shù)西安科技大學電控學院47目錄第一章緒論第二章基于靜態(tài)模型的變頻調(diào)速系統(tǒng)第三章繞線型異步電機串級調(diào)速系統(tǒng)第四章第五章異步電機的矢量控制第六章異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制目錄48第一章緒論§1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的概況§1.2異步電機的機械特性§1.3異步電機的基本調(diào)速方法返回目錄第一章緒論§1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的概況返回目錄49

一、電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程直流傳動和交流傳動分別在19世紀先后誕生。19世紀80年代以前，直流傳動是唯一的電氣傳動方式19世紀末，交流傳動開始在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用

交流電的產(chǎn)生；三相制交流電輸送與配電問題的解決；交流鼠籠式異步電動機的發(fā)明；§1.1交流調(diào)速系統(tǒng)概況一、電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程直流傳動和交流傳動50生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動系統(tǒng)在啟制動﹑正反轉(zhuǎn)﹑調(diào)速精度﹑調(diào)速范圍和靜動態(tài)特性方面提出了更高要求應用情況：高性能可逆可調(diào)速傳動領(lǐng)域都采用直流傳動；約占電氣傳動總?cè)萘?0%的不變速傳動采用交流傳動；技術(shù)性能：直流傳動具有優(yōu)良的調(diào)速性能；交流傳動因技術(shù)發(fā)展的局限性，盡管提出多種技術(shù)解決方案，但是性能無法與直流傳動相比，難于滿足生產(chǎn)要求；20世紀前半葉生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動系統(tǒng)在啟制動﹑正反轉(zhuǎn)﹑調(diào)速精度﹑51交流傳動技術(shù)獲得突破性進展直流電機具有電刷換向器，必須進行維護，轉(zhuǎn)速不高，容量小，適用范圍有限；席卷全球的石油危機迫使西方工業(yè)國家投入大量的人力物力研究高效的交流調(diào)速系統(tǒng)。技術(shù)基礎(chǔ)的發(fā)展：大規(guī)模集成電路﹑計算機控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流電氣傳動的發(fā)展創(chuàng)造了前提條件。20世紀70年代目前，交流傳動有取代直流傳動的趨勢。交流調(diào)速在各個領(lǐng)域的應用比例正在逐漸增大。技術(shù)方法：變頻調(diào)速﹑矢量控制/磁場定向控制技術(shù)﹑直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動技術(shù)獲得突破性進展技術(shù)基礎(chǔ)的發(fā)展：大規(guī)模集成電路﹑計52

1.節(jié)能大多數(shù)交流傳動裝置設(shè)計留有相當余量，而且不總在最大負荷下運行，可以在負荷變化時，采用變流技術(shù)降壓，達到節(jié)能的目的；例如，風機水泵消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺可節(jié)能20%。二、交流傳動系統(tǒng)的應用前景2.特大容量，極高轉(zhuǎn)速直流電機換向器的換向能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，其極限容量和轉(zhuǎn)速的乘積約為106KW.r/min,交流電機無此限制,因此特大容量(厚板軋機﹑礦井卷揚機)和極高轉(zhuǎn)速傳動(高速磨床﹑離心機)。3.傳統(tǒng)直流傳動系統(tǒng)的技術(shù)改造過去許多工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械用直流傳動,采用交流傳動來改造直流傳動。1.節(jié)能二、交流傳動系統(tǒng)的應用前景2.特大容量，極高轉(zhuǎn)速353交流電機有同步電機和異步電機兩大類1.異步電機調(diào)速系統(tǒng)的類型①降壓調(diào)速;②電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速;③繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速;④繞線轉(zhuǎn)子異步電機串級調(diào)速;⑤變極對數(shù)調(diào)速;⑥變壓變頻調(diào)速三、交流傳動系統(tǒng)的類型交流電機有同步電機和異步電機兩大類1.異步電機調(diào)速系統(tǒng)的類型54從轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換的角度來看，可以將異步電機調(diào)速系統(tǒng)分為三類：轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)；轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)；轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。類型調(diào)速方法特點轉(zhuǎn)差功率消耗型降壓調(diào)速;電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速;轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速;消耗全部功率；效率最低；結(jié)構(gòu)簡單；轉(zhuǎn)差功率回饋型繞線轉(zhuǎn)子異步電機串級調(diào)速.大部分轉(zhuǎn)差功率回饋利用；效率較高；需要回饋裝置轉(zhuǎn)差功率不變型變極調(diào)速;變壓變頻調(diào)速.轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變；效率高轉(zhuǎn)差功率Ps=SPm

從轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換的角度來看，可以將異步電機調(diào)速系統(tǒng)55同步電動機可采用變頻調(diào)速。根據(jù)頻率控制方式的不同，同步電動機調(diào)速系統(tǒng)可分為兩類:1．他激式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)用獨立的變頻裝置作為同步電動機的變頻電源2．自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)采用頻率閉環(huán)方式的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)是用電機軸上所裝轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻裝置觸發(fā)脈沖，使同步電動機工作在自同步狀態(tài)。2.同步電機調(diào)速系統(tǒng)的類型同步電動機可采用變頻調(diào)速。根據(jù)頻率控制方式的不同，同步電動機561.變頻調(diào)速：是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)（在電壓型和電流型基礎(chǔ)上，向PWM型變頻和多重化技術(shù)方向發(fā)展）交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)（在低速大容量應用方面有上升的趨勢）變頻器的電力半導體器件向模塊化﹑快速化﹑光控化﹑高電壓﹑大電流﹑自關(guān)斷和高可靠性方向發(fā)展；系統(tǒng)向高性能﹑高精度﹑大容量﹑微型化數(shù)字化發(fā)展。四、交流調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向1.變頻調(diào)速：是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。交-直-交變572.串級調(diào)速這是一種利用繞線式異步電機的轉(zhuǎn)差功率（相當于轉(zhuǎn)子附加電勢）的一種比較經(jīng)濟的調(diào)速方法，我國串級調(diào)速技術(shù)比較成熟，有系列化產(chǎn)品。3.雙饋電機又稱超同步串級調(diào)速，繞線式異步電機的定子由電網(wǎng)電源供電，轉(zhuǎn)子由變頻器電源供電，可以在同步速度以上運行，不但可以運行在再生制動狀態(tài)，還可以運行在電動狀態(tài)。如采用矢量控制性能類同直流調(diào)速系統(tǒng)，并可改善系統(tǒng)功率因數(shù)，是一種很有前途的調(diào)速方式。2.串級調(diào)速3.雙饋電機584.無換向器電機又稱晶體管電動機，它是具有位置檢測器由變頻器供電的同步電動機系統(tǒng)。采用位置檢測器和晶閘管代替了相當于直流電動機的電刷和換向器，無換向器電機的原理﹑啟制動和調(diào)速特性與直流電機相似。有人甚至斷言：如果說交流調(diào)速將取代直流拖動，那么無換向器電動機將取代其他交流調(diào)速方式。4.無換向器電機采用位置檢測器和晶閘管代替了相當于直流電動機59①相位控制：相位控制主要應用于交-交和交-直-交變頻器的整流控制②調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)：保持恒磁通變頻控制（恒轉(zhuǎn)矩控制）原則，要求變壓變頻控制。③轉(zhuǎn)差頻率控制：在調(diào)速過程中，保持有限的轉(zhuǎn)差頻率進行控制，可以獲得高效調(diào)速方式。在轉(zhuǎn)差率很小時，考慮到轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)差頻率及轉(zhuǎn)子電流成正比關(guān)系，因此可以利用定子電流幅值和靜態(tài)同步角速度去控制變頻器。五﹑交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展①相位控制：相位控制主要應用于交-交和交-直-交變頻器的整流60④脈寬調(diào)制控制PWM調(diào)制型變頻器由于輸入功率因數(shù)高和輸出波形好的特點，近年發(fā)展較快。調(diào)制方法：如SPWM，準SPWM，最佳開關(guān)角PWM，電流跟蹤型PWM等等。原理上：面積法，圖解法，計算法，采樣法，優(yōu)化法，斬波法，角度法，跟蹤法和次諧波法等等。脈寬調(diào)制以往多用于交-直-交電壓型變頻器，最近電流型變頻器也開始應用，如電流跟蹤型PWM就是一例。⑤矢量控制基本思想是設(shè)法模擬直流電機的控制特點對交流電機進行控制，它分為：磁場定向式矢量控制和轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制。④脈寬調(diào)制控制⑤矢量控制61⑥磁場控制磁場軌跡法：基本思想是產(chǎn)生接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，改變旋轉(zhuǎn)磁場的速度，即可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。異步電機的磁場加速法：磁場加速法是防止勵磁電流發(fā)生電磁暫態(tài)現(xiàn)象，對電機定子電流按一定規(guī)律進行控制，可以實現(xiàn)直流電機那樣的快速響應。⑦直接轉(zhuǎn)矩控制它對電機參數(shù)變化不敏感，可獲得良好的調(diào)速性能，一般PWM是靠提高調(diào)制頻率來實現(xiàn)高動態(tài)，而直接轉(zhuǎn)矩控制是通過轉(zhuǎn)矩和磁通獨立跟蹤調(diào)整來實現(xiàn)PWM高動態(tài)，逆變器成本低，效率高。⑥磁場控制⑦直接轉(zhuǎn)矩控制62高頻化技術(shù)交流電源的高頻化可使交流變頻電源的體積小﹑重量輕﹑性能好，并能節(jié)省電能。無功補償為了保證供電質(zhì)量，國家對功率因數(shù)和諧波極限提出了要求，為了達到這些指標要求必須采取相應的措施：提高自然功率因數(shù)或采用無功補償。諧波抑制對于高次諧波抑制，可將整流器接成Y/△或△/Y型，增加整流器的脈沖次數(shù)，加裝調(diào)諧濾波器。高頻化技術(shù)無功補償諧波抑制63由半導體功率變換器組成的整流器逆變器斬波器以及交-直-交變頻器、交-交變頻器等裝置在交流調(diào)速領(lǐng)域中得以廣泛應用，但是，目前還存在以下問題：高次諧波的影響①使電動機產(chǎn)生附加損耗，溫升增加，電動機出力受到限制；②使電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，在低速穩(wěn)定運行時影響較大，當脈動頻率較低，接近機械系統(tǒng)固有頻率時，容易產(chǎn)生機械共振；③電動機和電器噪聲增大，對無線電通信干擾增大。六、交流傳動系統(tǒng)存在的主要問題由半導體功率變換器組成的整流器逆變器斬波器以64瞬時停電措施電源供電系統(tǒng)因雷擊或其他原因發(fā)生接地故障時，將發(fā)生紊亂。從事故發(fā)生到瞬時事故消除或通過繼電器切斷事故回路，這段時間一般在1秒以內(nèi)，如果變頻裝置沒有瞬時停電措施，會產(chǎn)生過流或過壓，在恢復供電時可能造成逆變器換流失敗。功率因數(shù)變壞半導體功率轉(zhuǎn)換裝置采用相位控制，使它們的功率因數(shù)變壞，對供電電源質(zhì)量帶來不利的影響。在晶閘管電力變流器供電時運行的功率因數(shù)比在正弦波電源供電下運行的功率因數(shù)低8%。瞬時停電措施功率因數(shù)變壞65三相感應電動機的結(jié)構(gòu)（1）定子部分定子鐵心：由導磁性能很好的硅鋼片疊成——導磁部分。定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導電部分。機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。（2）轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。轉(zhuǎn)子繞組：1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。2）繞線式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。包括端蓋、風扇等。（3）其它部分§1.2異步電動機的工作原理及機械特性三相感應電動機的結(jié)構(gòu)（1）定子部分定子鐵心：由導磁性能很好66按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分：繞線型感應電動機籠型感應電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分：繞線型感應電動機籠型感應電動機67（1）轉(zhuǎn)動原理電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體感應電動勢和電流。電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。三相感應電動機的工作原理右手定則決定電流方向左手定則決定導條受力方向（1）轉(zhuǎn)動原理電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形68一﹑異步電機的機械特性異步電機按其結(jié)構(gòu)可以分為籠型和繞線型兩種類型，其中籠型異步電動機堅固耐用。1.基本概念同步轉(zhuǎn)速:三相異步電動機定子側(cè)通以頻率為f1的三相交流電壓,則定子與轉(zhuǎn)子氣隙間會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,其速度稱為同步轉(zhuǎn)速?！?.2異步電動機的工作原理及機械特性在電動機運行狀態(tài)下，隨負載增加，轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)差率s一﹑異步電機的機械特性1.基本概念§1.2異步電動機的工692.電壓平衡方程2.電壓平衡方程70§1.2異步電機的機械特性§1.2異步電機的機械特性71根據(jù)電機學原理，若①忽略空間時間諧波；②忽略磁飽和；③忽略鐵損耗；異步電動機的T型等值電路如右圖所示3.T型等值電路根據(jù)電機學原理，若3.T型等值電路72機械特性主要指電機電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。下面來推導異步電機的機械特性：4.機械特性機械特性主要指電機電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。4.機械特性73§1.2異步電機的機械特性§1.2異步電機的機械特性74T

nT根據(jù)機械特性方程，可以畫出三相異步電機的機械特性曲線，如右下圖所示:snABCDTmsm0n1TeA點為理想空載運行點：轉(zhuǎn)速等于理想空載轉(zhuǎn)速n1；B點為額定運行點，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速均為額定值；C點為電磁轉(zhuǎn)矩最大點D點為啟動點，對應轉(zhuǎn)速為零，對應轉(zhuǎn)矩為啟動轉(zhuǎn)矩。5.機械特性曲線TnT根據(jù)機械特性方程，可以畫出三相異步電機的機械特性曲線75T

nTsnABCDTmsm0n0TeTnTsnABCDTmsm0n0Te76機械特性表達式：由電機學可知，三相異步電動機在正弦恒壓恒頻供電時，機械特性方程式為：式中：n1——電機的磁極對數(shù)；

R1、X1——定子繞組的每相電阻及漏電抗；

R2——為折算到定于側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；

X2——為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏電抗。機械特性表達式：由電機學可知，三相異步電動機在正弦恒壓恒頻供77機械特性實用表達式機械特性實用表達式78一﹑異步電動機的調(diào)速方法因此異步電動機的調(diào)速方法可以大致分為三種變轉(zhuǎn)差率變極（鼠籠轉(zhuǎn)子）變頻定子調(diào)壓調(diào)轉(zhuǎn)子電阻（繞線轉(zhuǎn)子）串級調(diào)速（繞線轉(zhuǎn)子）交-直-交交-交§1.3異步電動機的運行方式一﹑異步電動機的調(diào)速方法因此異步電動機的調(diào)速方法可以大致分為79調(diào)速原理：根據(jù)機械特性可知，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，改變定子電壓就可以改變電機的機械特性特點：理想空載轉(zhuǎn)速n1不變，臨界轉(zhuǎn)差率sm不變。注：若帶恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速范圍很??；若帶風機負載，調(diào)速范圍可以大一些。sn風機負載CTmsm0n1UnomU0.7nomU0.5nom恒轉(zhuǎn)矩負載改變定子電壓調(diào)速1.改變定子電壓調(diào)速調(diào)速原理：根據(jù)機械特性可知，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，80snTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R2+RV310改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速調(diào)速原理：根據(jù)機械特性可知，改變轉(zhuǎn)子電阻也可以改變電機的機械特性M特點：最大轉(zhuǎn)矩不變；臨界轉(zhuǎn)差率隨R2↑而↑；功耗很大；適用范圍：較小功率或通風機類負載2.改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速snTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R281調(diào)速原理：如果在轉(zhuǎn)子回路引入一個可控的交流附加電勢EADD,EADD與E2有相同的頻率,并且與E2同相或反相串接,如下圖所示MEADD分析：反相:EADD↑→s↑→n↓次同步調(diào)速同相:EADD↑→s↓→n↑超同步調(diào)速引入不同數(shù)值的附加電勢,就可以使電機獲得不同的轉(zhuǎn)速.3