电力拖动与运动控制课件5交流调速基础

第四章 交流调速基础CSSSE*第四章 交流调速基础2主要内容概述交、直流调速系统比较交流调速的难点和复杂性交流调速系统的技术突破交流调速系统的主要应用领域交流调速涉及的知识电力变换电路变频器的基本构成跟踪型PWM控制重点内容CSSSE*第四章 交流调速基础3（1）交、直流调速系统的比较直流电动机的固有缺点：l工艺复杂，成本高；l换向器的换向能力限制了直流电动机的容量和速度；l电枢火花限制了直流电动机的安装环境；l转子发热，电机效率低；l可靠性较差，增加了维护和保养的工作量（1）交、直流调速系统的比较比较内容直流电动机交流电动机结构以及制造有电刷，制造复杂无电刷，结构简单重量/功率约2倍1倍体积/功率约2倍1倍价格/功率几倍1倍最大容量12MW14MW几十MW最大转速1000r/min左右数千r/min最高电枢电压1kV6kV10kV安装环境要求高要求低维护较多较少调速性能好好复杂复杂CSSSE*第四章 交流调速基础5（1）交、直流调速系统的比较交流调速优于直流调速之处：l在大功率负载情况下，交流调速性价比最优；l交流调速系统可满足高速运行要求；l在易燃易爆多尘场合，交流调速系统无需过多维护；l交流调速系统成本较之直流调速系统明显降低；l中压交流调速系统可以节省变电站容量；l交流电动机易于同某些生产机械形成机电一体化产品CSSSE*第四章 交流调速基础6（2）交流调速的难点和复杂性交流调速系统的难点主要来自于：l交流电动机的数学模型造成转矩控制困难n 与其相关的电子器件和微处理器更新换代的速度制约了交流调速系统的发展速度n 调速系统的精度和成本又使交流调速系统的应用复杂化CSSSE*第四章 交流调速基础7（3）交流调速系统的技术突破l电力电子技术的发展l微机以及数字信号处理技术的发展l现代控制理论的应用以及交流调速原理的发展和成熟CSSSE*第四章 交流调速基础8（4）交流调速系统的主要应用领域主要应用方向：l以节能为目的的改恒速为调速的系统l以少维护省力为目的的取代直流调速的系统l直流调速难以实现的领域具体应用实例：轧钢工业、石油工业、机械工业、化工工业CSSSE*第四章 交流调速基础9主要内容概述交流调速涉及的知识交流调速涉及的知识电力变换电路CSSSE*第四章 交流调速基础102. 交流调速涉及的知识被控对象：交流电动机控制内容：理论基础：自控原理（古典控制、现代控制） 主电路（变频器电动机） 控制电路（硬件：单片机、PLC、PC、DSP）（软件：交流电动机控制方案（VVVF、VCS、DTC）变频器CSSSE*第四章 交流调速基础11主要内容概述交流调速涉及的知识电力变换电路变频器的基本构成跟踪型PWM控制CSSSE*第四章 交流调速基础123. 电力变换电路l整流器（AC=>DC）l逆变器（DC=>AC）l变频器（AC=>AC）l 双整流器反并联（AC=>AC）l 整流器逆变器（AC=>DC=>AC）无源逆变CSSSE*第四章 交流调速基础13l交交变频（直接变频）l交直交变频（间接变频）l变频器变频器基本结构变流器平滑电路逆变器控制器电源IMpp73pp73 （1）变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础14 交交变频器交交变频AC ACCVCF VVVF50Hz变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础15单相交交变频电路原理工作原理无环流工作方式一组工作，另一组封锁两组变流器按一定频率交替工作给负载输出某频率交流电变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础16工作原理对反并联变流 器晶闸管的控制角 连续进行交变的相 位调制，则可输出 连续的交流电改变控制角变 化的快慢和大小， 可以控制输出交流 电的频率和幅值变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础17特点：一次变流，直接变换效率高，但可调频率范围窄输出电压由输入电压的某些部分构成，低频波形好按电网电压过零自然换流，变流器容量可以很大可以方便地实现4象限工作所用功率元件数量较多功率因数较低适用范围：大容量低速传动变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础18 交直交变频器电压型逆变器：直流侧是电压源电流型逆变器：直流侧是电流源整 流AC DC ACCVCF 中间直流环节 VVVF50Hz逆 变变频器的基本构成变频器的基本构成比较内容电压型逆变器电流型逆变器直流回路滤波环节电容器电抗器输出电压波形矩形波与负载有关输出电流波形与负载功率因数有关矩形波输出动态阻抗小大输入功率因数0.80.850.750.85回馈制动不能，需另设反并联逆变器能，无需任何附加设备过流及短路保护困难容易动态响应较慢快对晶闸管的要求关断时间要短， 对耐压要求一般较低耐压高， 对关断时间无特殊要求线路结构较复杂较简单适用范围多机拖动，稳频稳压电源单机拖动，可逆运行变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础20电压型逆变器的主要特点中间直流环节采用大电容滤波，相当于恒压源交流侧输出电压是矩形波，电流波形为正弦波为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂均需反并联续流二极管从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的当电机工作在再生制动状态时，需在中间直流环节中并联电阻进行能耗制动变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础21当需要向交流电源反馈能量时，只能够改变直流电流方向来实现，即反并联一套逆变器反并联逆变桥的电压型逆变器变频器的基本构成变频器的基本构成电压型逆变器的主要特点CSSSE*第四章 交流调速基础22中间直流环节采用大电感滤波，相当于恒流源交流侧输出电流是矩形波，电压波形为正弦波因电流不能反向，故控制器件无需反并联续流二极管从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的变频器的基本构成变频器的基本构成电流型逆变器的主要特点CSSSE*第四章 交流调速基础23当电机工作在再生制动状态时，若交直变换为可控变流器，可方便地实现再生制动电流型逆变器的两种运行状态变频器的基本构成变频器的基本构成电流型逆变器的主要特点CSSSE*第四章 交流调速基础24 PWM变频器按照整流器是否可控，交直交变频器可分为：Ø 可控整流器逆变器前者调压，后者调频Ø 不可控整流器PWM逆变器调压调频均由逆变器调节变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础25Ø 调频和调压分别完成，二者之间需要协调配合Ø 可控整流器对电网谐波造成污染，降低功率因数Ø 输出波形为矩形波，含有一系列高次谐波（可控整流器基本逆变器）的不足之处：变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础26PWM变频器的特点变流器可为不可控整流桥，简化电路，提高功率因数消除或抑制低次谐波，输出波形非常逼近正弦波调频同时调压，与中间直流环节参数无关可由PWM整流器和PWM逆变器组成电压型变频器，允许能量双向传递，实现四象限运行变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础27PWM逆变器的主电路PWM电压型变频器主电路PWM电压型变频器的主电路包括交直部分和直交部分变频器的基本构成变频器的基本构成CSSSE*第四章 交流调速基础28（2）跟踪型PWM控制将电流、电压或磁通的指令值作为调制波信号将电流、电压或磁通的实际值作为载波信号通过两者的瞬时值比较，构成闭环控制，决定PWM逆变器各功率开关元件的通断，使实际输出跟踪指令信号又称为瞬时值控制型逆变器定义定义CSSSE*第四章 交流调速基础29 电流跟踪型PWM控制实质：bang-bang控制 应用领域：高性能单电动机交流传动CSSSE*第四章 交流调速基础30基本思想：v 将一个正弦波电流给定信号与电流实测信号相比较，若 实际电流值大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作 使之减少；反之使之增加。使实际输出电流围绕着给定 的正弦波电流锯齿形变化，并将偏差限制在一定范围内。v 与此同时，逆变器输出的电压波成为PWM波，快速调节 电流幅值和相位，使电动机电流得到高品质的动态控制。 电流跟踪型PWM控制CSSSE*第四章 交流调速基础31 电流跟踪型PWM控制CSSSE*第四章 交流调速基础32 电流跟踪型PWM控制优点：硬件简单；实时控制；无需调节逆变器电压；闭环控制 缺点：谐波损耗较大，开关次数较多三相电流跟踪型逆变器的控制CSSSE*第四章 交流调速基础33 电压跟踪型PWM控制CSSSE*第四章 交流调速基础34 电压跟踪型PWM控制CSSSE*第四章 交流调速基础35 磁通跟踪型PWM控制CSSSE*第四章 交流调速基础36（3）变频器举例SIEMENS变频器u紧凑型MicroMaster410u基本型MicroMaster420u节能型MicroMaster430u矢量型MicroMaster440CSSSE*第四章 交流调速基础37（3）变频器举例显示/按钮功能显示变频器当前所用设定值启动电动 机停止电动机改变电动 机转向电动机电动浏览辅 助信息、跳转功能、确认功能参数访问增加面板上显示的参数数值减少面板上显示的参数数值基本操作板CSSSE*第四章 交流调速基础38（3）变频器举例更改参数P0004数值CSSSE*第四章 交流调速基础39（3）变频器举例端子号标识符功能1、2-输出+10V/0V3、4ADC1+/1-模拟输入1(+)/1 (-)5、6、7、8DIN1/2/3/4数字输入1/2/3/4 9-带电位隔离输出+24V，最大100mA 10、11ADC2+/2-模拟输入2(+)/2(-)12、13DAC1+/1-模拟输出1(+)/1 (-)14、15PTCA/PTCB连接温度传感器PTC16、17DIN5/6数字输入5/618、19、20DOUT1 NC/NO/COM数字输出1 NC常闭触头/NO 常开触头/切换触 头 21、22DOUT2 NO/COM数字输出2 NO常开触头/切换触头23、24、25DOUT3 NC/NO/COM数字输出3 NC常闭触头/NO 常开触头/切换触 头 26、27DAC2+/2-模拟输出2(+)/2 (-)28-带电位隔离输出0V，最大100mA29、30P+/P-RS485串口MicroMaster440变频器控制端子CSSSE*第四章 交流调速基础40（3）变频器举例端子号标识符功能1、2-输出+10V/0V3、4ADC1+/1-模拟输入1(+)/1 (-)5、6DIN1/2数字输入1/2 9-带电位隔离输出+24V，最大 100mA 10、11ADC2+/2-模拟输入2(+)/2(-)12、13DAC1+/1-模拟输出1(+)/1 (-)19、20DOUT1 NO/COM数字输出1 NO 常开触头/切换触头26、27DAC2+/2-模拟输出2(+)/2 (-)28-带电位隔离输出0V，最大100mAMicroMaster440变频器 与水泵接线图CSSSE*第四章 交流调速基础41本章小结l随着计算机和微处理器的迅速发展，电力电子器件的日新月异，现代控制理论和智能控制方法的日益成熟，使得交流调速系统的开发和应用如日中天l交交变频器无中间直流环节，为直接变频，效率高，但可调频率范围在1/2额定频率以下。适用于大容量、低速传动l交直交变频器根据中间直流环节不同，分为电压型逆变器和电流型逆变器两种lPWM电压型逆变器兼有电压型和电流型的优点，是目前变频器的主流l跟踪型PWM控制是根据电流、电压或磁通的指令值直接控制逆变器的上述输出量，它是瞬时值控制，动态响应好。