交流电动机变频调速基础.pptx
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1、第6章、交流电动机调速一、交流电动机调速的优越性交流调速的应用主要有三个方面:(1)一般性能的节能调速(2)高性能的交流调速系统和伺服系统(3)特大容量、极高转速的交流调速第一节概述二、交流电动机原理及结构第1页/共103页第6章、交流电动机调速第二节交流电动机控制基础、第2页/共103页第6章、交流电动机调速图中,为气隙(或互感)磁通在定子每相绕组中的感应电动势;为定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势;为转子全磁通在转子绕组中的感应电动势折合到定子边。、为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻;、为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感;为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电
2、感;、为定子相电压和供电角频率;为转差率。第3页/共103页第6章、交流电动机调速三、三相异步电动机的机械特性第4页/共103页第6章、交流电动机调速第四节三相异步电动机的调速第5页/共103页第6章、交流电动机调速一、变压变频调速控制基础(一)变压变频的基本控制方式1基频以下调速常值恒压频比的控制方式第6页/共103页第6章、交流电动机调速但是,在低频时和都较小,定子阻抗压降所占的份量就比较显著,不再能忽略。这时,需要人为地把电压抬高一些,以近似地补偿定子压降。第7页/共103页第6章、交流电动机调速2基频以上调速在基频以上调速时,频率应该从向上升高,但定子电压却不可能超过额定电压,最多只能
3、保持,这将迫使磁通与频率成反比地降低,相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起第8页/共103页第6章、交流电动机调速图2-8恒压恒频时异步电动机的机械特性第9页/共103页第6章、交流电动机调速图2-10恒Eg/控制时变频调速的机械特性第10页/共103页第6章、交流电动机调速图2-11不同电压频率协调控制方式时的机械特性第11页/共103页在正弦波供电时,按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。恒压频比(恒值)控制最容易实现,它的变频机械特性基本上是平行下移,硬度也较好,能够满足一般的调速要求,但低速带载能力有限,须对定子压降实行补偿。恒控
4、制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准,可以在稳态时达到为恒值,从而改善了低速性能。线性调节范围比恒压频比宽,为恒值时,恒定不变,稳态性能优于恒,但机械特性还是非线性的,产生转矩的能力仍受到限制。恒控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性,比较理想。按照转子全磁通恒定进行控制,即得恒值,在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统要实现的目标,当然实现起来是比较复杂的。第6章、交流电动机调速第12页/共103页第6章、交流电动机调速图2-12基频以上恒压变频调速时的机械特性3基频以上恒压变频时的机械特性第13页/共103页第6章、交流电动机调速二、转速开环恒压频比交流调速系统通用变频器通用变频
5、器是根据异步电动机稳态模型来涉及其控制系统,为了实现电压频率协调控制,它采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。主要可以应用在和通用的笼型异步电机配套使用,同时具有多种可供选择的功能,适用于各种不同性质的负载。近年来自动控制功能的变频器质量不断提高。第14页/共103页第6章、交流电动机调速三、转差频率控制的交流调速系统第15页/共103页第6章、交流电动机调速四、矢量控制的交流调速系统第16页/共103页第6章、交流电动机调速图2-18矢量控制系统原理结构图第17页/共103页第6章、交流电动机调速图2-19电流和转速闭环的矢量控制系统第18页/共103页7.1 7.1 概述概述1.1
6、.交流电动机的调速方法交流电动机的调速方法 1)同步电动机的调速通过改变供电电压的频率来改变其同步转速。第19页/共103页2)异步电动机的调速(利用晶闸管控制技术)l调压调速控制加于电动机定子绕组的电压;l串级调速控制附加在转子回路的电势;l变频调速控制定子的供电电压与频率;l异步电动机矢量变换控制系统;l无换向器电机调速系统;l电磁转差离合器调速系统等。第20页/共103页2.2.交流调速技术的优点交流调速技术的优点(半导体变流技术)1)优良的调速性能;2)节约能源;3)减少维护费用;4)节约占地面积;5)用于大容量或恶劣环境场合。第21页/共103页由上式可知,异步电动机的调速方法分为三
7、种:l l 改改变变转转差差率率S调节定子电压、转子电阻、转子电压、定转子供电频率等。l l改变极对数改变极对数l l改变频率改变频率3.3.主要公式主要公式第22页/共103页4.4.电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统 通过改变电磁离合器的励磁电流来实现调速(异步电动机本身并不调速)。第23页/共103页1)优点:l线路简单,价格便宜;l速度负反馈后调速相当精确(平滑调速)。2)缺点:l低速运行时损耗较大(增加了滑差离合器);l调速效率较低。第24页/共103页12.2 12.2 交流调压调速系统交流调压调速系统 改变异步电动机的定子电压,即改变电动机的转矩(TU2)及机械特性,从
8、而实现调速。采用晶闸管的交流调速电路采用晶闸管的交流调速电路1.1.单相交流调压电路单相交流调压电路 应用最广的是反并联电路 1)电阻性负载第25页/共103页l电源电压正半周,VS1导通;负半周,VS2导通。l波形与 波形同相。注注:在在同同一一控控制制角角 下下,负负载载上上得得到到正正负负对对称称的的交交流流电电压压。第26页/共103页 l波形滞后于 波形(延迟角);l延迟角与 (负载功率因数角)有关。2)电感性负载第27页/共103页2)要求:l触发信号应与交流电源有一致的相序和相位差。l在感性负载或小导通角情况下,如三相全控桥式电路,采用 (脉宽 )的双脉冲或宽脉冲触发电路。2.2
9、.三相交流调压电路三相交流调压电路 常用 1)Y形接法的电阻性负载A-B-C-AA-C-B-A第28页/共103页异步电动机的调压特性异步电动机的调压特性1.改变定子电压,调速范围不大(如a、b、c三点)。2.低速时运行稳定性不好(如d点),转子电流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热,要求电动机转子绕组有较高的电阻。第29页/共103页3.采用转速负反馈闭环调速系统(既保证低速时机械特性硬度,又保证一定负载能力)。注注:电电源源电电压压;控控制制电电压压;可可变变电电压压(输输出出电压);电压);给定信号;给定信号;反馈信号。反馈信号。第30页/共103页1),与 平衡。注:机械特性基本上
10、是一簇平行的特性。注:机械特性基本上是一簇平行的特性。2)特点:特点:l平滑改变定子电压,就平滑调速;l低速的特性较硬;l调速范围较宽。第31页/共103页调压调速时的损耗及容量限制调压调速时的损耗及容量限制1.转差功率为(电磁功率)(机械功率)(电磁功率)(机械功率)低速时,损耗 。2.不适合于长期工作在低速的工作机械。3.特别适合于通风机及泵类等机械。(TL=Kn2)第32页/共103页12.3 12.3 线绕式异步电动机调速系统线绕式异步电动机调速系统 由异步电动机和交流装置组成串级调速系统。(转子电路串接电阻能耗大或串接电势)第33页/共103页串级调速的一般原理串级调速的一般原理在异
11、步电动机转子电路内引入附加电势 ,以调节异步电动机的转速。1.1.附加电势的方向(或相位)附加电势的方向(或相位)l与转子电势E2相同超同步转速调速 l与转子电势E2相反低于同步转速调速 2.2.的频率的频率与E2的频率相同第34页/共103页串级调速时的机械特性串级调速时的机械特性1.与直流电动机的特性很相似。2.转速低于()或超()同步转速(或 )。第35页/共103页第36页/共103页串级调速的优缺点串级调速的优缺点 1.调速范围宽;2.效率高(转差功率可反馈电网);3.容量大;4.应用范围广(通风机或恒T型负载);5.功率因素 较差(电容补偿,)。作业:作业:P:34812.67第3
12、7页/共103页12.4 12.4 晶闸管变频调速系统晶闸管变频调速系统变频调速原理变频调速原理 1.1.变频调速变频调速 改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速。l具有高效率、宽范围和高精度的调速性能;l变频调速是异步电动机调速的主要发展方向。第38页/共103页1.1.变频调速原理变频调速原理 1)实质电压 与频率 成比例变化。2)恒T变频调速中,定值,保证过载能力 不变,磁通 基本不变。3)恒P变频调速中,l 定值,不变,变;l 定值,变,基本不变。第39页/共103页变频调速系统的分类变频调速系统的分类1.交交直直交交变变频频调调速速带直流环节的间接变频调速 2.交交交交变变频
13、频调调速速不带直流环节的直接变频调速第40页/共103页第41页/共103页交直交变频调速系统交直交变频调速系统 l电压型变频调速系统电压型变频调速系统第42页/共103页1.1.主电路主电路 整流器、逆变器(逆变电路和换流电路)和电容(中间环节、滤波)。2.2.逆变器的换流原理逆变器的换流原理 工作方式180o、120o 通电型。以单相为例,C预充电 稳态导通阶段 开始换流阶段 振荡换流阶段 振荡衰减阶段 反馈阶段 换流结束阶段。第43页/共103页 1)1)VS1、VS2主晶闸管,VS1、VS2辅助换流晶闸管,作为LC振荡电路的充放电开关。2)2)通过触发VS1、VS2,反向关断VS1、V
14、S2。3)3)通过LC串联谐振电路中的电流反向,关断VS1、VS2。第44页/共103页l电流型变频调速系统电流型变频调速系统1.1.主电路主电路 整流器、逆变器和直流滤波电抗器(中间环节)。l常用串联二极管式逆变电路。l电抗器滤波,输出电流较平直,为矩形波。第45页/共103页2.2.强迫换向电路强迫换向电路 1)C为换向电容,V为隔离二极管,与主晶闸管串联。2)换流电路为120o导电型,同一相两只SCR同时导通,脉冲间隔(相位差)为180o。3)两只相邻SCR,脉冲间隔为60o(正转时触发VS1、2、3、4、5、6、1,反转时触发VS6、5、4、3、2、1、6)。4)两相轮流导通,脉冲间隔
15、为120o(1-3-5或2-4-6)。注:注:l l 电电压压型型变变频频调调速速系系统统,采采用用电电容容滤滤波波,电电源源阻阻抗抗很很小小,类似类似电压源电压源。l 电电流流型型变变频频调调速速系系统统,采采用用电电抗抗器器滤滤波波,电电源源阻阻抗抗很很大大,类似类似电流源电流源。第46页/共103页l差别:差别:1.电流型直流侧采用大电感L滤波(而形成直流源)。2.三相整流桥、逆变器的交流侧输入电流都为120o方波交流电流。3.L有保护性能,抑制故障电流上升。4.逆变桥内无电感,简化主回路。5.整流桥和逆变桥方向不变(反馈二极管桥不与逆变桥反并联)。6.整流桥和逆变桥的直流电压同时反号,
16、能量返送交流电网,系统可再生。7.适用于频繁加减速和变动负载的场合。第47页/共103页脉宽调制型变频调速系统脉宽调制型变频调速系统(PWM)一般采用电压型逆变器。1.1.种类种类 1)变幅PWM型变频器(直流电压可变)l整流器晶闸管整流器,用来调压;l逆变器用来调频(输出频率)。2)恒幅PWM型变频器(直流电压恒定)l整流器二极管整流桥;l逆变器输入恒定的直流电压,调节输出电压的脉冲宽度和频率(实现调压和调频)。第48页/共103页3)特点:l电路简单;l调节速度快;l动态响应好。注:注:a)a)改变调制周期改变调制周期改变输出频率。改变输出频率。b)b)调调制制方方法法:单单极极性性调调制
17、制和和双双极极性性调制调制。c)c)按按载载波波信信号号 和和参参考考信信号号 频频率率之之间间的的关关系系分分为为:同同步步式式调调制制和和非同步式调制。非同步式调制。第49页/共103页2.2.单极性正弦波脉宽调制法单极性正弦波脉宽调制法1)正弦波 与三角波 相交,得到一组幅值 、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。2)矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号。这一组矩形脉冲可用正弦波(虚线)等效。第50页/共103页3)输出电压的大小和频率由 (正弦参考电压)控制。改变 幅值,就改变脉宽,从而改变输出电压大小;改变 频率,就改变输出电压频率。4)正弦波最大幅值必须小于三角波幅值。基本恒定。5)三
18、角波和正弦波的频率成正比例地改变,称为同步式调制。注:图注:图12.2012.20所示的是所示的是单相单相脉宽调制波。脉宽调制波。对于对于三相逆变器三相逆变器,载频三角波可共用,必须有一个,载频三角波可共用,必须有一个三相可变频变幅的正弦波发生器,两者相比较,产生三相可变频变幅的正弦波发生器,两者相比较,产生三三相相脉冲调制波脉冲调制波。第51页/共103页3.3.准正弦波脉宽调制变频调速控制系统准正弦波脉宽调制变频调速控制系统(SPWM)第52页/共103页 输入脉冲列 载波信号 阶梯波 脉宽调制波形 监相波形 最后调制波形 逆变器输出波形第53页/共103页第54页/共103页4.4.适用
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