电力拖动ppt课件.ppt
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1、笼型异步电机变压变频调速系统(VVVF系统)转差功率不变型调速系统,电力拖动自动控制系统,第 6 章,概 述,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化,调速范围宽,无论是高速还是低速时效率都较高,在采取一定的技术措施后能实现高动态性能,可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广,是本篇的重点。,本章提要,变压变频调速的基本控制方式 异步电动机电压频率协调控制时的机械特性 *电力电子变压变频器的主要类型 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控
2、制系统 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,6.1 变压变频调速的基本控制方式,在进行电机调速时,常须考虑的一个重要因素是:希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;如果过分增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。,对于直流电机,励磁系统是独立的,只要对电枢反应有恰当的补偿, m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中,磁通 m 由定子和转子磁势合成产生,要保持磁通恒定就需要费一些周折了。,定子每相电动势,(6-1),式中:Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值,单位为V;,定子频率
3、,单位为Hz;,定子每相绕组串联匝数;,基波绕组系数;,每极气隙磁通量,单位为Wb。,f1,Ns,kNs,m,由式(6-1)可知,只要控制好 Eg 和 f1 ,便可达到控制磁通m 的目的,对此,需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。,1. 基频以下调速,由式(6-1)可知,要保持 m 不变,当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时,必须同时降低 Eg ,使,常值 (6-2),即采用恒值电动势频率比的控制方式。,恒压频比的控制方式,然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压 Us Eg,则得 (6-3) 这是恒压频比的
4、控制方式。,但是,在低频时 Us 和 Eg 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 Us 抬高一些,以便近似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线,无补偿的控制特性则为a 线。,带压降补偿的恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,2. 基频以上调速,在基频以上调速时,频率应该从 f1N 向上升高,但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ,最多只能保持Us = UsN ,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,如下图所示。,变压变频控制特性,
5、图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值,即都能在允许温升下长期运行,则转矩基本上随磁通变化,按照电力拖动原理,在基频以下,磁通恒定时转矩也恒定,属于“恒转矩调速”性质,而在基频以上,转速升高时转矩降低,基本上属于“恒功率调速”。,6.2 异步电动机电压频率协调控制时 的机械特性,本节提要 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 基频以上恒压变频时的机械特性 恒流正弦波供电时的机械特性,6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性,第5章式(5-3)已给出异步电机在恒压恒频正
6、弦波供电时的机械特性方程式 Te= f (s)。 当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时,可以改写成如下形式:,(6-4),特性分析(续),当 s 接近于1时,可忽略式(6-4)分母中的Rr ,则,(6-6),即s接近于1时转矩近似与s成反比,这时, Te = f(s)是对称于原点的一段双曲线。,机械特性,当 s 为以上两段的中间数值时,机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段,如图所示。,sm,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的 机械特性,由式(6-4)机械特性方程式可以看出,对于同一组转矩 Te 和转速 n(或转差率s)的要求,电压 Us 和频
7、率 1 可以有多种配合。 在 Us 和 1 的不同配合下机械特性也是不一样的,因此可以有不同方式的电压频率协调控制。,1. 恒压频比控制( Us /1 ),在第6-1节中已经指出,为了近似地保持气隙磁通不变,以便充分利用电机铁心,发挥电机产生转矩的能力,在基频以下须采用恒压频比控制。这时,同步转速自然要随频率变化。,(6-7),在式(6-5)所表示的机械特性近似直线段上,可以导出,(6-9),带负载时的转速降落为,(6-8),由此可见,当 Us /1 为恒值时,对于同一转矩 Te ,s1 是基本不变的,因而 n 也是基本不变的。这就是说,在恒压频比的条件下改变频率 1 时,机械特性基本上是平行
8、下移,如图6-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。,所不同的是,当转矩增大到最大值以后,转速再降低,特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小,可参看第5章式(5-5),对式(5-5)稍加整理后可得,(6-10),可见最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时,Temax太小将限制电机的带载能力,采用定子压降补偿,适当地提高电压Us,可以增强带载能力,见图6-4。,机械特性曲线,图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性,补偿定子压降后的特性,2. 恒 Eg /1 控制,下图再次绘出异步电机的稳态等效电路,图中几处感应电动势的意义如下: Eg 气隙(或互感)
9、磁通在定子每相绕组中 的感应电动势; Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势; Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 (折合到定子边)。,异步电动机等效电路,特性分析,如果在电压频率协调控制中,恰当地提高电压 Us 的数值,使它在克服定子阻抗压降以后,能维持 Eg /1 为恒值(基频以下),则由式(6-1)可知,无论频率高低,每极磁通 m 均为常值。,特性分析(续),由等效电路可以看出,(6-11),代入电磁转矩关系式,得,(6-12),特性分析(续),利用与前相似的分析方法,当s很小时,可忽略式(6-12)分母中含 s 项,则,(6-13),这表明机械特性的这一段近似为一条直线。
10、,特性分析(续),当 s 接近于1时,可忽略式(6-12)分母中的 Rr2 项,则,(6-14),s 值为上述两段的中间值时,机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡,整条特性与恒压频比特性相似。,性能比较,但是,对比式(6-4)和式(6-12)可以看出,恒 Eg /1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us /1 特性中的同类项,也就是说, s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量,从而不能被忽略,因此恒 Eg /1 特性的线性段范围更宽。,性能比较(续),将式(6-12)对 s 求导,并令 dTe / ds = 0,可得恒Eg /1控制特性在最大转矩时的转差率,(6-15),和最大转矩,(6-
11、16),性能比较(续),值得注意的是,在式(6-16)中,当Eg /1 为恒值时,Temax 恒定不变,如下图所示,其稳态性能优于恒 Us /1 控制的性能。 这正是恒 Eg /1 控制中补偿定子压降所追求的目标。,机械特性曲线,Temax,恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,3. 恒 Er /1 控制,如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高,把转子漏抗上的压降也抵消掉,得到恒 Er /1 控制,那么,机械特性会怎样呢?由此可写出,(6-17),代入电磁转矩基本关系式,得,(6-18),现在,不必再作任何近似就可知道,这时的机械特性完全是一条直线,见图6-6。,几种电压频率协调控制方
12、式的特性比较,图6-6 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒 Er /1 控制,恒 Eg /1 控制,恒 Us /1 控制,a,b,c,显然,恒 Er /1 控制的稳态性能最好,可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。 现在的问题是,怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er /1 呢?,按照式(6-1)电动势和磁通的关系,可以看出,当频率恒定时,电动势与磁通成正比。在式(6-1)中,气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 m ,那么,转子全磁通的感应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm :,(6-19),由此可见,只要能够按照转
13、子全磁通幅值 rm = Constant 进 行控制,就可以获得 恒 Er /1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则,下面在第6-7节中将详细讨论。,4几种协调控制方式的比较,综上所述,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。,(1)恒压频比( Us /1 = Constant )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,但低速带载能力有些差强人意,须对定子压降实行补偿。,(2)恒Eg /1 控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rm = Constant,从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的
14、,产生转矩的能力仍受到限制。,(3)恒 Er /1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性,按照转子全磁通 rm 恒定进行控制,即得 Er /1 = Constant 而且,在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标,当然实现起来是比较复杂的。,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性,性能分析 在基频以上变频调速时,由于定子电压 Us= UsN 不变,式(6-4)的机械特性方程式可写成,(6-20),性能分析(续),而式(6-10)的最大转矩表达式可改写成 (6-21) 同步转速的表达式仍和式(6-7)一样。,机械特性曲线,恒功率调速,由此可见,当角频率提高时,同步转速随之提
15、高,最大转矩减小,机械特性上移,而形状基本不变,如图所示。,图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性,由于频率提高而电压不变,气隙磁通势必减弱,导致转矩的减小,但转速升高了,可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 最后,应该指出,以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波,将使机械特性受到扭曲,并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时,应尽量减少输出电压中的谐波。,6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特性,在变频调速时,保持异步电机定子电流的幅值恒定,叫作恒流控制,电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的,这种系统不仅安全可靠而且具
16、有良好的动静态性能。 恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同,现进行分析。,转子电流计算,设电流波形为正弦波,即忽略电流谐波,由异步电动机等效电路图所示的等效电路在恒流供电情况下可得,转子电流计算(续),电流幅值为 (6-22),电磁转矩公式,将式(6-22)代入电磁转矩表达式得 (6-23),最大转矩及其转差率,取dTe /dt = 0,可求出恒流机械特性的最大转矩值 (6-24) 产生最大转矩时的转差率为 (6-25),机械特性曲线,按上式绘出不同电流、不同频率下的恒流机械特性示于图6-8。,性能比较,第5章式(5-4)和(5-5)给出了恒压机械特性的最大转差率和最大转矩,现再录
17、如下: (5-4) (5-5),性能比较(续),比较恒流机械特性与恒压机械特性,由上述表达式和特性曲线可得以下的结论: (1)恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似,都有理想空载转速点(s=0,Te= 0)和最大转矩点( sm ,Temax )。,性能比较(续),(3)恒流机械特性的最大转矩值与频率无关,恒流变频时最大转矩不变,但改变定子电流时,最大转矩与电流的平方成正比。,性能比较(续),变压变频器简介 一、交直交和交交变频器 1、交直交变频器:二极管组成整流电路,全控型功率器件组成脉宽调制逆变器。 特点结构简单调速范围和稳态性能好 提高动态性能电源侧功率因数高 2、交交变频,二、电压源和电流
18、源型逆变器 1、区别:中间环节 2、性能区别: 无功能量缓冲能量回馈 动态响应应用场合,6.2.5异步电机的几种稳态等效电路,(1)异步电机等效电路的通用形式 假设1、忽略空间和时间的谐波 2、忽略磁饱和 3、忽略铁损 电机学中把转子侧的量折算到定子侧,折算的原则:保持电机气隙磁通不变,但是这种方法不是唯一的,例如按定子总磁链恒定的原则进行折算,按转子总磁链恒定的原则进行折算。其中按转子总磁链恒定的原则进行折算,有重要意义。,6.2.5异步电机的几种稳态等效电路,因为只有在按转子总磁链恒定的情况下异步电动机电磁转矩才与转差成正比。这是转差控制和转差矢量控制的理论基础。 为折算系数转子折算到定子
19、侧的电压和电流为 正弦波稳定供电时异步机已电感表示的通用稳态等效电路如下,,吉林大学远程教育,下图为通用稳态电路 时异步电机稳态等值电路 励磁回路代表电机的气隙磁链其电路是电机学中的等值电路,U1,I1,R1,R2/S,I2,Im,Em,6.2.5异步电机的几种稳态等效电路,时的突出转子磁链的”T-1”型等值电路励磁回路代表转子总磁链,用于分析转子磁链守恒的情况,电路和向量图如下,U1,I1,R1,I2/,Im,R2/S,R2/S,“T-1型”等值电路,6.2.5异步电机的几种稳态等效电路,“T-1”型等值电路的相量图如下,0,6.2.5异步电机的几种稳态等效电路,6.2.5异步电机的几种稳态
20、等效电路,转矩电流定义为 ,定子电流可以分 解为励磁电流分量 和转矩电流 分量,相量图以 为中心,不出现气隙磁通 进而又转矩表达式 T-1型电路适用于矢量控制分别对 ,进行控制使转矩在静态和动态都得到控制。,6.2.6变压变频器,一、交直交变频器 1、结构简单 2、调速范围宽、稳态性能好 3、有良好的动态性能 4、电源侧功率因数高 二、交交变频器,三、电压源性变频器和电流源性变频器 性能区别 1、无功能量的缓冲 2、能量的回馈 3、动态响应 4、应用场合,小 结,电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量,在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。 在基频以下,有三种协
21、调控制方式。采用不同的协调控制方式,得到的系统稳态性能不同,其中恒Er /1控制的性能最好。 在基频以上,采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。,6.4 变压变频调速系统中的脉宽调制 (PWM)技术,本节提要 问题的提出 正弦波脉宽调制(SPWM)技术 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术(或称磁链跟踪控制技术), 问题的提出,早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波(对于电压型逆变器)或矩形波(对于电流型逆变器),这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管,其关断的不可控性和较低的
22、开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化,从而会有较大的低次谐波,使电机输出转矩存在脉动分量,影响其稳态工作性能,在低速运行时更为明显。,六拍逆变器主电路结构,六拍逆变器的谐波,为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能,在出现了全控式电力电子开关器件之后,科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。 由于它的优良技术性能,当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术,只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。,吉林大学远程教育,PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断 把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列, 以实现变频、变压并有效控制和消除谐波 的一门技术。 我们
23、把PWM技术分为三类1、正弦PWM技术 (电压、电流、磁通为正弦目的各种PWM方案)2、优化PWM技术3、随机PWM技术,吉林大学远程教育,优化PWM技术一般用于实现特定的优化目标 例如提高电压利用率、转矩脉动最小、效率 最优等,但存在算法复杂、难于实时控制等 问题。 普通的PWM逆变器的电压和电流中含有谐波 使电机绕组产出噪声可以采用随机PWM方法 改变谐波的频谱分布,使逆变器的输出电压、电流的谐波均匀分布在较宽的频带范围内。,吉林大学远程教育,PWM控制性能指标: PWM控制引起的问题主要是电流畸变 开关损耗、转矩脉动。这些影响用性能指标 来描述。为不同的PWM设计和选择提供依据 1、电流
24、谐波 电流谐波的有效值为,为电流的基本分量,电流谐波畸变率THD,2、谐波频谱各频率分量在非正弦电流中占份额用谐波电流谱表达,,3、最大调制度m:调制信号的峰值U1m和三角,载波信号峰值 之比,理想情况下m在 0和1之间,实际上小于1,N较大时m =0.80.9,它体现了直流母线电压的 利用率。 4、谐波转矩,脉动转矩的标幺值用下式 表示 式中 为最大气隙,转矩, 为电机额定转矩。(谐波转矩由 谐波电流产生,但是它们没有精确关系) 5、开关频率和开关损耗,开关频率增加 可以使逆变器的交流侧的电流畸变减少 提高系统的性能,但是开关频率不能随便 增加开关损耗和开关频率成正比同时大功率 器件开关频率
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