VVVF調(diào)速系統(tǒng)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,運動控制系統(tǒng),第六章,VVVF,調(diào)速系統(tǒng),1,本章提要,交流異步電動機,交流調(diào)速基本控制結(jié)構(gòu),交流調(diào)速基本類型,交流變頻調(diào)速系統(tǒng),VVVF,控制,變頻器,通用變頻器,2,6.1,交流異步電動機,交流調(diào)速的發(fā)展,在,20,世紀上半葉，電機拖動的格局：不變速拖動系統(tǒng)，占整個電力拖動容量的,80%,，采用交流電機；可調(diào)速拖動系統(tǒng)，占整個電力拖動容量的,20%,，,采用直流電機。,20,世紀,70,年代，開始研究交流調(diào)速系統(tǒng)。,20,世紀,80,年代，交流調(diào)速系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用。,交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動

2、控制的主要發(fā)展方向。,3,直流電機的主要缺點,電刷和換相器的磨損，因而必須經(jīng)常檢查維修；,換向火花使直流電機的應(yīng)用環(huán)境受到限制；,換向能力限制了直流電機的容量和速度,交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,一般性能的節(jié)能調(diào)速,高性能的交流調(diào)速系統(tǒng),特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速,4,6.1.1,交流電動機的主要類型,交流電機主要分為異步電機和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。,同步電機的轉(zhuǎn)速與交流電源頻率之間存在嚴格的對應(yīng)關(guān)系。,異步電動機定子接上交流電源后，形成旋轉(zhuǎn)磁場，依靠電磁感應(yīng)作用，使轉(zhuǎn)子繞組感生電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。異步電機又有三相和單相兩種。,5,6.1.2,交流異步電

3、動機原理,基本原理：,通過旋轉(zhuǎn)磁場，與由這種旋轉(zhuǎn)磁場借助感應(yīng)作用在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所感生的電流相互作用，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)拖動作用。,旋轉(zhuǎn)磁場：,一種極性和大小不變，并且以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。,6,三相異步電動機結(jié)構(gòu)圖,7,旋轉(zhuǎn)磁場,A-X,、,B-Y,、,C-Z,三個線圈在空間上彼此互隔,120,分布在定子鐵心內(nèi)圓的圓周上，構(gòu)成了對稱三相繞組。,8,旋轉(zhuǎn)磁場,當(dāng)三相對稱繞組接上三相對稱電源，就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。,9,式中，,n,0,為同步轉(zhuǎn)速，單位,r/min,；,p,為極對數(shù)；,f,1,為交流電源的頻率。,旋轉(zhuǎn)磁場,四極旋轉(zhuǎn)磁場示意圖,10,左手定則,決定導(dǎo)條,受力方向,右手定則決定,電流方向,三

4、相異步電動機的工作原理,三相異步電動機的定子鐵心上嵌有三相對稱繞組，接通三相對稱電源后，在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場切割，在導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生感生電流，磁場又對導(dǎo)條產(chǎn)生電磁力，于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。,11,6.1.3,異步電動機轉(zhuǎn)速與運行狀態(tài),異步電動機的工作原理決定了它的轉(zhuǎn)速一般低于同步轉(zhuǎn)速,n,0,。,如果異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速，則旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條之間不再有相對運動，因而不可能在導(dǎo)條內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電動勢，也不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來拖動機械負載。,轉(zhuǎn)差率,s,：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,n,與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速,n,0,之差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與磁場轉(zhuǎn)速,n,0,之比，

5、稱為轉(zhuǎn)差率,s,。,轉(zhuǎn)差,n,n,0,的存在是異步電動機運行的必要條件。,12,6.2,交流調(diào)速基本控制結(jié)構(gòu),運動控制系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖,位,置,控,制,器,速,度,控,制,器,轉(zhuǎn),矩,控,制,器,電矢,流量,控運,制算,功功,能能,交,流,電,動,機,轉(zhuǎn),矩,檢,測,器,機,械,負,載,S,13,6.3,交流調(diào)速基本類型,異步電機的轉(zhuǎn)矩公式,：,式中，,C,e,轉(zhuǎn)矩系數(shù)；,m,氣隙磁通,；,r,轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)角,異步電機的轉(zhuǎn)速公式,：,因此，異步交流電機的調(diào)速方法可分為,變頻調(diào)速,、,變極對數(shù)調(diào)速,和,變轉(zhuǎn)差率調(diào)速,。,14,按電動機的調(diào)速方法分類,變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：,轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,定子調(diào)壓調(diào)

6、速,電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速,串級調(diào)速,變極對數(shù)調(diào)速：,鼠籠型轉(zhuǎn)子,變頻調(diào)速：,交,交變頻調(diào)速,交,直,交變頻調(diào)速,15,按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類,按照交流異步電機原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率,P,em,可分成兩部分：一部分是,拖動負載的有效功率,P,mech,，稱作機械功率；另一部分是,傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率,P,s,，與轉(zhuǎn)差率,s,成正比。,P,mech,P,em,P,s,16,即,P,em,=,P,mech,+,P,s,P,mech,=(1,s,),P,m,P,s,=,sP,m,從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是,評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低,的標(biāo)志。,17,轉(zhuǎn)差功

7、率消耗型調(diào)速系統(tǒng),這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述第、三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的,效率最低,，而且越到低速時效率越低，它是以,增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低,的（恒轉(zhuǎn)矩負載時）。可是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價值。,18,轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng),在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多,，上述第種調(diào)速方法屬于這一類,。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。,19,轉(zhuǎn)

8、差功率不變型調(diào)速系統(tǒng),在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第、兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。,異步電動機各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的評價：,參見教材,P108,表,7.1,20,6.4,交流變頻調(diào)速系統(tǒng),交流變頻調(diào)速優(yōu)點：,改變頻率,f,時轉(zhuǎn)差率,s,不變，即不同轉(zhuǎn)速時,s,不變，因而轉(zhuǎn)差損耗小，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，適合于調(diào)速性能要求較高的場合。,缺點：,變頻調(diào)速

9、的成本較高，原理較復(fù)雜。,控制器,逆變器,電壓,/,電流檢測,轉(zhuǎn)速,/,位置檢測,M,給定,21,6.4.1,異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路,U,1,定子相電壓；,1,電源角頻率；,E,s,定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢；,E,1,氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢；,E,r,轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢（折合到定子邊）。,22,0,s,0,T,e,幾種電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較,不同電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性,恒,E,r,/,1,控制,恒,E,1,/,1,控制,恒,U,1,/,1,控制,a,b,c,23,在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：,希望保持電機中

10、每極磁通量,m,為額定值不變,。,如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。,對于,直流電機,，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a償，,m,保持不變是很容易做到的。,在,交流異步電機,中，磁通,m,由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就比較麻煩。,6.5 VVVF,控制,24,定子每相電動勢,式中，,E,1,氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動勢有效值（,V,）；,f,1,定子電源頻率（,Hz,）；,N,1,定子每相繞組匝數(shù)；,K,N,1,繞組系數(shù)；,m,每極氣隙磁通量（,Wb,）。,只要控制

11、好,E,1,和,f,1,，便可達到控制磁通,m,的目的。,VVVF,控制的電壓模式,25,基頻以下調(diào)速,要保持,m,不變，當(dāng)頻率,f,1,從額定值,f,1N,向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低,E,1,，使,即采用,恒值電動勢頻率比,的控制方式。,當(dāng)電動勢值較高時，可認為定子相電壓,U,1,E,1,，,這是,恒壓頻比,的控制方式。,26,基頻以上調(diào)速,在基頻以上調(diào)速時，頻率應(yīng)該從,f,1N,向上升高，但定子電壓,U,1,卻不可能超過額定電壓,U,1N,，,最多只能保持,U,1,=U,1N,，,這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。,按照電力拖動原理：,基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒

12、定，屬于,“,恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,”,；,基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于,“,恒功率調(diào)速,”,。,27,6.6,變頻器,變頻器的主要任務(wù)是把,恒壓恒頻（,constant voltage constant frequency,CVCF,）,的交流電轉(zhuǎn)換為,變壓變頻（,variable voltage variable frequency,VVVF,）,的交流電，以滿足交流電機變頻調(diào)速的需要。,從整體結(jié)構(gòu)上看，變頻器可分為交,直,交變頻器和交,交變頻器兩大類。,變流器,平滑電路,逆變器,控制器,變頻器基本結(jié)構(gòu),28,此類變頻器只有一個變換環(huán)節(jié)，因此又稱直接式變頻器。,6.6.1,交,-,交變頻器,+

13、,VR,VF,I,d,-I,d,+,-,-,負,載,50Hz,50Hz,u,0,O,u,o,w,t,29,交,-,交變頻器主要特點：,可直接引用成熟的直流可逆調(diào)速的技術(shù)；,輸出到電機的電流近似于三相正弦電流，附加損耗?。?采用的元器件數(shù)量較多；,輸出頻率不能高于電網(wǎng)頻率的,1/3,1/2,，一般低于,20Hz,；,價格不高，轉(zhuǎn)速較低。,30,6.6.2,交,-,直,-,交變頻,器,此類變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式變壓變頻器。,變壓變頻,(VVVF),中間直流環(huán)節(jié),恒壓恒頻,(CVCF),逆變,DC,AC,AC,50Hz,整流,變壓變頻,(VVVF

14、),中間直流環(huán)節(jié),恒壓恒頻,(CVCF),PWM,逆變器,DC,AC,AC,50Hz,調(diào)壓調(diào)頻,C,31,SPWM,變頻調(diào)速原理,三角波,正弦波,O,w,t,U,d,-,U,d,32,6.7,通用變頻器,所謂,“,通用,”,，包含著兩方面的含義：,1,）可用于驅(qū)動通用性交流電動機，而不一定使用專用變頻電機；,2,）具有各種可供選擇的功能，能適應(yīng)各種不同性質(zhì)的負載。,現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件,IGBT,或功率模塊,IPM,組成的,PWM,逆變器構(gòu)成交,-,直,-,交電壓源型變壓變頻器，目前已經(jīng)占領(lǐng)了全世界,0.5,500kVA,中,、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場

15、。,33,絕緣柵雙極晶體管,IGBT,三端器件：柵極,G,、,集電極,C,和發(fā)射極,E,IGBT,的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,E,G,C,N,+,N,-,a),P,N,+,N,+,P,N,+,N,+,P,+,發(fā)射極,柵極,集電極,注入?yún)^(qū),緩沖區(qū),漂移區(qū),J,3,J,2,J,1,E,b),G,C,34,智能功率模塊,優(yōu)點：,性能和可靠性高,通態(tài)損耗和開關(guān)損耗小,散熱器尺寸小,（,Intelligent Power Module,IPM,）,IPM=IGBT+,驅(qū)動電路,+,智能控制,35,通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)原理圖,36,主電路,由二極管整流器,UR,、,PWM,逆變器,UI,和中間直流電路三部分組成

16、，一般都是電壓源型的，采用大電容,C,濾波，同時兼有無功功率交換的作用。,限流電阻,R,0,為了避免大電容,C,在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時先限制充電電流，再延時用開關(guān),K,將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。,6.7.1,通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)功能,37,泵升限制電路,由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容,C,充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。為了便于散熱，制動電阻器常作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊。,6.7.1,通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)功能,38,控制電路,現(xiàn)代,PWM,變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，并根據(jù)要求形成驅(qū)動逆變器工作的,PWM,信號。,PWM,信號產(chǎn)生,可以由微機本身的軟件產(chǎn)生，從其,PWM,