1、第十章,交流传动控制系统,本章要求： 1、掌握交流调速的基本原理及类型； 2、熟悉交流电机调速的特性、特点及适用场合； 3、了解交流变频调速的原理和特性。,本章知识点： 1、交流变频基本原理； 2、V/F控制； 3、矢量控制。,交流电动机分为同步电动机与异步电动机两大类。在变频调速出现以前，异步电机除了绕线电机可通过改变转子电阻或电抗实现小范围调速以外，几乎都不调速。仅在结构上采取措施设计成不同极数的电机和电磁转差离合器调速系统。随着变频调速技术的进步，变频调速成为异步电机调速甚至电机调速的主流。从交流电机的机械特性来看，同步电动机只有改变供电电压的频率（变频）一种调速方式；对异步电动机主要有
2、：调压调速；变电阻（电抗）调速；变频调速。,从原理来分，异步电动机的调速方法大致分为三种，即改变转差率s、改变极对数p、和改变频率f。其中改变转差率s的方法，又可以通过调节定子电压、转子电阻、转子电压以及定转子供电频率等方法来实现，从而派生出很多种调速方法。,电磁调速电动机YCT系列,立式 卧式,101电磁转差离合器调速系统,电磁转差离合器调速系统是通过改变电磁离合器的励磁电流来实现调速的，对异步电动机本身并不进行调速。这种调速系统的特点是线路简单、价格便宜。,给定速度由电位器RP2上取得，并与电位器RP3上的速度信号比较后送到由单结晶体管VU组成的移相触发电路，控制晶闸管的导通角，从而控制转
3、差离合器的耦合度，获得所需的速度。,102交流调压调速系统,交流调压调速系统，就是用第十章介绍的可控整流电路，控制异步电机的定子电压，利用电机的机械特性达到调速的目的。异步电机调压调速已较少使用，目前市面上出售的电机软启动器主要采用交流调压调速方式实现。,104晶闸管变频调速,一、变频调速的工作原理 由 n=60f(1-s）/p可知，改变频率f可以改变电机的转速n，但光是改变频率f是不够的，因为 I=U/SQRR2+(SX)2 而XR,因此电流I正比于U/X，而电抗X又与f成正比，为了保持电机在不同速度下，电流不至于过大，在降低电机频率f时，要同时降低供给电机的电压U。这就是压频比控制(V/F
4、)的变频器的基本设计思想。 变频器分为交-直-交变频和交-交变频两大类，前者常用于低压（380V以下）后者常用于高压。,二、交一直一交变频器的基本电路 交一直一交变频器是指变频器的电源由交流整流为直流再逆变为所需频率的交流的控制系统。 交直一交变频器的基本电路包括整流电路和逆变电路，整流电路将工频交流电整流成直流电，逆变电路再将直流电逆变为频率可调的交流电。 据变频电源性质可分为电压型变频器和电流型变频器。,*图中，直流电源并联有大容量滤波电容器Cd。由于电容两端电压不能突变，使得直流输出电压具有电压源特性，内阻很小。这使逆变器的交流电压被钳位为矩形波（因为电容两端电压不能突变），与负载性质无
5、关。交流输出电流的波形与相位由负载功率因数决定。在异步电动机变频调速系统中，这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的贮能元件。直流回路电感Ld起限流作用，电感很小。 改变六只功率开关的导通顺序，可改变电机的转向。,*交一直一交电流型变频器 电压型变频器，由于再生制动时必须接入附加电路，增加了麻烦，电流型变频器可以弥补上述不足，而且主电路结构简单、安全可靠。常用于四象限运行的伺服控制场合。 电流型逆变器的基本电路与电压型逆变器不同，直流电源上串联了大电感滤波。由于大电感的限流作用，为逆变器提供的直流电流波形平直、脉动很小，具有电流源特性。这使逆变器输出的交流电流为矩形波，与负载性质无关，而输出的交流
6、电压波形及相位随负载而变化。,电压型逆变器与电流型逆变器的主要区别,电压型逆变器：直流电源并联有大容量滤波电容器Cd。由于电容两端电压不能突变，使得直流输出电压具有电压源特性；六只功率开关每隔60电角度触发导通一只，相邻两相的功率开关触发导通时间互差120。 电流型逆变器：直流电源上串联了大电感Ld滤波。具有电流源特性；一般采用120导电型，即每只功率开关导通时间为120。电流型变频器无须附加任何设备，即可实现负载电动机的四象限运行。不会出现再生制动过压问题。,三、改变变频器压频比的常用调制方式： 变频调速的逆变器，既要控制频率还要控制电压或电流，能实现的方式很多，可参考相关的书籍。下面介绍最
7、常用的两种： 1、三角波PWM调制法； 2、电流跟踪PWM调制法；,uR :控制信号； u :调制波； uR u输出uP。 u P:晶闸管的触发信号。,图b)与图c)相乘就得到图d)：正负半波对称的PWM脉冲信号。,改变参考电压 UR 的频率和幅值(使 UR =Kf)就可以改变逆变输出的交流电压的频率和幅值。,倒相信号,电流跟踪PWM调制法；,i* 为给定参考电流， 是电流跟踪目标； if为实际负载电流反馈值；HB为滞环宽度。当 if与参考电流i*之差达到滞环的上限值时，即（ if i*)HB/2时，使V1关断V2导通，负载电压为一U，负载电流if下降。当（ if i*) HB/2。即 if与
8、 i*之差到达滞环得下限，则V2截止，V1导通，负载电压变为十U， if上升。这样，通过V1、V2的交替通断使 if -i* HB/2，达到电流的自动跟踪的目的。如i*为正弦电流，则if也近似为一正弦电流。,四、变频器的压频比（V/F）控制 所谓压频比控制就是维持V/F=常数（或函数）以降低启动过程的电流的控制模式。一般用于节能调速或调速精度要求不太高的调速场合。 采用压频比控制，低速力矩变小，这是因为低速时，电机电阻不能忽略的缘故。要解决这个问题，可采用低端电压补偿的办法。,I=U/（R2+X2)1/2 n 较大时XR I=U/X,f ( HZ),V,0,50,380,理论压频比曲线,低速转
9、矩补偿,风机水泵特性,五、采用变频调速要注意的问题： 1、直流过压。超过800V变频器过压保护； 2、过流。由于功率模块过流能力很小，一般变频器超过额定电流150%只允许工作1分钟，超过200%只允许工作1秒，因此在选型时一定要考虑负载的性质和可能过载的倍数； 3、共振点的避让。一般的机电传动系统的数学模型为二阶或二阶以上，其固有频率不太高，因此在调速过程中有可能出现共振。选择工作频率时不允许选在共振点附近； 4、压频比的选择。要根据负载的性质和负荷大小来选择。,六、交-交变频调速,交-交变频是直接把固定频率的交流电转变成所需频率的交流电。但只能降频不能升频。一般用于高压、大功率、低速设备的调
10、速。,任何时候都有一相高于其它两相；可共用一个触发信号。,交-直-交变频通过控制晶闸管的导通角来控制晶闸管的导通时间，电压幅值不变。而交-交变频的电源就是电网电源，随着导通角的变化，电压幅值也发生变化。,七、交-交变频的输出频率与调速范围： fo/fi=p/6 fo=p fi/6 fo 输出频率； fi 输入（电源）频率； p 变频器的脉波数 当允许谐波小于2.5%时 （fo/fi）max=0.33(p=3)； （fo/fi）max=0.5(p=6) （fo/fi）max=0.75(p=12) 输出频率越高波形失真越大。,八、交-交变频器的特点：,1、直接变换，转换效率高； 2、输出电压波形是
11、原电网波形的一部分，谐波分量少、低速波形好、噪声低； 3、过零自然换相，可用普通的晶闸管； 4、所用晶闸管数量多； 5、功率因数较低； 6、只能降速调速，适用于高压、大功率的应用场合。,105异步电机矢量控制原理,异步电机本质上是一个高阶、多变量（有转、定子电阻、自感、互感、主磁通、漏磁通等）、强耦合(变量之间互相影响互不独立）、非线性（如n、T间的关系）、时变（如电阻等受温度的影响，随时间变化）系统。而直流电机的定子励磁磁场与电枢磁势互相垂直。因而影响转速的励磁电流If与影响力矩的电枢电流Ia是互相独立（解耦）近似线性的。可分别调整。,直流电机与异步电机的区别： 一、直流电机 1、磁极固定在
12、电机定子座上，在空间上能产生一个固定的磁场； 2、电枢绕组固定在转子铁心槽里，在空间能产生一个稳定的电枢磁势，并保持与定子磁场垂直； 3、励磁电流（定子电流）和电枢电流（转子电流即工作电流）在各自的绕组中分别可调、可控。 二、异步电机 1、定子通进三相对称交流电，产生一个随时间、空间都变化的旋转磁场（即磁场幅值随时间变化，峰值位置在空间不固定）； 2、转子磁势和定子旋转磁场之间不垂直； 3、转子是短路的，转子磁势和定子旋转磁场均由定子电流产生，即励磁电流和工作电流不能分别调节和控制。,*我们希望类似直流电机那样，通过改变励磁电流控制电机的速度，改变电枢最大允许电流来控制电机的输出力矩，这是矢量
13、控制的基本思路。从力学上我们知道，一个力可以分解成两个或多个分力，它们对物体的作用是等效的。如果类似力的合成与分解，把电机的定子磁场与转子磁势通过某些数学处理，建立一个正交的数学模型，它的性能与原异步电机等效，则可以类似直流电机那样分别对转速和力矩进行控制。异步电机的矢量控制就是基于这一数学特征而设计的。 事实上，只要把直角坐标建立在转子上，随转子一起旋转，把异步电机转、定子各物理量向这一旋转坐标分解就可以把异步电机的转速和力矩进行解耦。,力F可以分解成分力FA、FB，或F1、F2、F3,矢量控制的数学模型很多，有电压矢量控制、电流矢量控制、转差矢量控制、直接转矩控制等。 本教材介绍的是最基本
14、的3/2（三相/二相）变换。其思路是：先把空间相差120o三相异步电机等效变换成两相正交的异步电机（即把三相电流矢量向直角坐标分解），然后把建立在静止的直角坐标的数学模型向与电机转子同速旋转的直角坐标变换。 矢量控制的实质就是把普通变频三相同频同幅的控制，变成三相同频不同幅的控制。 关于这方面的内容可参考相关的书籍。 1、现代交流调速技术胡崇岳主编 机工出版社 2、交流电机调速理论许大中主编 浙大出版社,图中两相电机的电流it、im分别由三相电机的ia、和ib与ic等效,基准信号,106无换向器电动机及其调速系统,无换向器电动机（又叫无刷直流机）它是由永磁同步电机加上转子位置检测器组成并利用转
15、子位置控制定子电流换向的交流电机，转子磁势与定子磁场总是相差一个固定的角度（为了补偿电枢反应的影响，略大于或略小于90度电角）。 无换向器电动机的数学模型与直流电机相同，工作原理类似直流电机（用电子换向代替电刷换向），因此机械特性类似直流电机，故又叫无刷直流机。 无换向器电动机是目前作为动力驱动的交流伺服电机的一种，可四象限运行、响应快、调速范围大、低速特性好、无火花，由于自主变频，因此不存在失步问题。,无换向器电机控制器，类似变频器，采用交-直-交调速系统，所不同的是晶闸管触发方式，前者利用转子位置检测器检测到的信号，组成脉冲分配器，进行触发；后者采用基准信号与载波信号比较，利用载波信号的下降沿与基准信号的交点作为触发信号。 转子位置检测器由三个空间上错开120度电角，导通180度电角的磁敏元件组成。也可以用绝对编码器通过计算机产生。,关于无刷直流机及控制系统的内容，可参考 1、直流无刷电动机原理及应用 张琛编著 机械工业工出版社 2、同步电动机调速系统 李志民、张遇杰编著 机械工业工出版社,
