第 6 章交流调速系统

Motion Control System

南京理工大学自动化学院Nanjing University of Science & Technology

Department of Automation

第 6 章交流调速系统

Motion Control System第 6 章交流调速系统

概述交流异步电机电力变换电路 VVVF 控制变频器

本章提要


6.1 概述

直流电力拖动、交流电力拖动在 19世纪先后诞生。在 20 世纪上半叶，电机拖动的格局：不变速拖动系统，占整个电力拖动容量的 80% ，采用交流电机；

可调速拖动系统，占整个电力拖动容量的 20% ，采用直流电机。


20 世纪 70 年代，开始研究交流调速系统。 20 世纪 80 年代，交流调速系统开始广泛地应用。交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。


直流电机的主要缺点：1、电刷和换相器的磨损，因而必须经常检查维修；2、换向火花使直流电机的应用环境受到限制；3、换向能力限制了直流电机的容量和速度。


6.1.1 交流调速系统的应用领域

主要有三个方面：

一般性能的节能调速

高性能的交流调速系统

特大容量、极高转速的交流调速


1. 一般性能的节能调速

在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。


如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 % ~ 30% 以上的电能，效果是很可观的。

但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。


2. 高性能的交流调速系统

许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。


20 世纪 70 年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，基本思想 :

通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。


其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统。


3. 特大容量、极高转速的交流调速

直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过 106 kW · r /min ，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。

交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。


6.1.2 交流电机的主要类型

交流电机主要分为异步电机和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。异步电机又有三相和单相两种。


6.2.1 基本原理通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。

6.2 三相异步交流电机（录像）

直流电机的工作原理直流电机的工作原理

旋转磁场：一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。


三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。

左手定则决定导条受力方向

右手定则决定电流

方向


异步电动机的工作原理决定了它的转速一般低于同步转速。如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。

6.2.2 三相异步电动机的转速与运行状态

0n


转子转速与旋转磁场转速之差称为转差，转差与磁场转速之比，称为转差率 s 。

%1000

0

n

nns

0nn

0n

转差的存在是异步电动机运行的必要条件。0n n


1）整流与逆变

整流技术： AC-DC 把交流电压变为固定的或可调的直流电压。（变流器）逆变技术： DC-AC 把固定的直流电压变为固定或可调的交流电压。（逆变器）斩波技术： DC-DC 把固定的直流电压变为可调的直流电压。变流调压： AC-AC 调频技术，即把固定的工频交流电压变为电压、频率可调的交流电。

6.3 电力变换电路基础


整流器AC DC

逆变器DC AC

无源逆变

有源逆变

负载

电网有源逆变：把直流电逆变为电网同频率的交流电反送到电网去。无源逆变：把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。


电动状态：

逆变状态：

d ad a d

U EU E I

R

a dd a d

E UU E I

R

2 ）电动状态和逆变状态


因此，异步交流电机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转差率调速。

1 060 (1 ) / (1 )n f s p n s

6.4 交流调速的基本类型

异步电机的同步转速：

异步电机的转速公式：

p

fn 1

0

60

式中， n0 为同步转速，单位 r/min；p为极对数； f1 为交流电源的频率。


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。

6.5 VVVF 控制


（ 1）定子每相电动势

1 1 1 N1 m4.44E f N k Φ

式中 E1 — 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（ V）；

— 定子电源频率（ Hz）； — 定子每相绕组串联匝数； — 绕组系数；

— 每极气隙磁通量（ Wb）。

f1

N1

kN1

m

6.5.1 VVVF 控制的电压模式


由上式可知，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 E1 ，使

1

1

E

f 常值

即采用恒值电动势频率比的控制方式。

由上式可知，只要控制好 E1 和 f1 ，便可达到控制磁通 m 的目的。


（ 2）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 U1 ≈ E1，则得

（ 4-2）这是恒压频比的控制方式。即，在调频过程中，为保持主磁通 m 不变，必须使 U1/f1=常数进行调压调频控制，简称 VVVF 控制。

1

1

U

f常值


变频器的主要任务是把恒压恒频（ consta

nt voltage constant frequency, CVCF）的交流电转换为变压变频（ variable voltage variable frequ

ency, VVVF）的交流电，以满足交流电机变频调速的需要。从整体结构上看，变频器可分为交 -直 -交变频器和交 -交变频器两大类。

6.6 变频器


交 - 交变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，无直流中间环节，把频率固定的交流电源直接变换成频率电压连续可调的交流电，因此又称直接式变频器。

6.6.1 交 -交变频器

交－交变频AC50Hz~

AC

CVCF VVVF


先将频率固定的交流电通过整流电路变换为直流，然后再经逆变将直流变换为调压调频的交流电。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。

6.6.2 交 -直 -交变频器

变压变频

(VVVF)

中间直流环节恒压恒频

(CVCF)

逆变DC ACAC~ 50Hz

整流


现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块 IPM

组成的 PWM逆变器，构成交 - 直 - 交电压源型变压变频器，已经占领了全世界 0.5~500kV·A 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。

6.6.3 通用变频器


所谓“通用”，包含着两方面的含义：（ 1）用以驱动通用性交流电动机；（ 2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。


通用变频器的基本结构原理图

M3~

电压检测

泵升限制

电流检测

温度检测

电流检测单

片机

显示

设定

接口PWM

发生器驱动电路

~

UR UIR0 R1

R2

Rb

VTb

K

R0 R1 Rb

R2



本章小结

变压变频调速方式是目前交流调速系统的主要形式，因此是本课程学习的重点。要求了解和掌握的内容有：

变压变频调速控制方式及其性能。了解变频器的结构、原理和选型。

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第 6 章 交流调速系统

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