VVVF调速系统介绍.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,运动控制系统,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,VVVF调速系统介绍,本章提要,交流异步电动机,交流调速基本控制结构,交流调速基本类型,交流变频调速系统,VVVF,控制,变频器,通用变频器,2,6.1,交流异步电动机,交流调速的发展,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。,3,直流电机的主要缺点,电刷和换相器的磨损，因而必须经常检查维修；,换向火花使直流电机的应用环境受到限制；,换向能力限制了直流电机的容量和速度,交流调速系统的应用领域,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,4,6.1.1,交流电动机的主要类型,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。,5,6.1.2,交流异步电动机原理,基本原理：,通过旋转磁场，与由这种旋转磁场借助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。,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。,6,三相异步电动机结构图,7,旋转磁场,A-X,、,B-Y,、,C-Z,三个线圈在空间上彼此互隔,120,分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。,8,旋转磁场,当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。,9,式中，,n,0,为同步转速，单位,r/min,；,p,为极对数；,f,1,为交流电源的频率。,旋转磁场,四极旋转磁场示意图,10,左手定则,决定导条,受力方向,右手定则决定,电流方向,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。,11,6.1.3,异步电动机转速与运行状态,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,n,0,。,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。,转差率,s,：转子转速,n,与旋转磁场转速,n,0,之差称为转差，转差与磁场转速,n,0,之比，称为转差率,s,。,转差,n,n,0,的存在是异步电动机运行的必要条件。,12,6.2,交流调速基本控制结构,运动控制系统闭环结构示意图,位,置,控,制,器,速,度,控,制,器,转,矩,控,制,器,电矢,流量,控运,制算,功功,能能,交,流,电,动,机,转,矩,检,测,器,机,械,负,载,S,13,6.3,交流调速基本类型,异步电机的转矩公式,：,式中，,C,e,转矩系数；,m,气隙磁通,；,r,转子的功率因数角,异步电机的转速公式,：,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14,按电动机的调速方法分类,变转差率调速：,转子串电阻调速,定子调压调速,电磁转差离合器调速,串级调速,变极对数调速：,鼠笼型转子,变频调速：,交,交变频调速,交,直,交变频调速,15,按电动机的能量转换类型分类,按照交流异步电机原理，从定子传入转子的电磁功率,P,em,可分成两部分：一部分是,拖动负载的有效功率,P,mech,，称作机械功率；另一部分是,传输给转子电路的转差功率,P,s,，与转差率,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,从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是,评价调速系统效率高低,的标志。,17,转差功率消耗型调速系统,这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述第,、,、,三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的,效率最低,，而且越到低速时效率越低，它是以,增加转差功率的消耗来换取转速的降低,的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。,18,转差功率馈送型调速系统,在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多,，上述第,种调速方法属于这一类,。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。,19,转差功率不变型调速系统,在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第,、,两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。,异步电动机各种调速方法性能指标的评价：,参见教材,P108,表,7.1,20,6.4,交流变频调速系统,交流变频调速优点：,改变频率,f,时转差率,s,不变，即不同转速时,s,不变，因而转差损耗小，调速范围宽，调速精度高，适合于调速性能要求较高的场合。,缺点：,变频调速的成本较高，原理较复杂。,控制器,逆变器,电压,/,电流检测,转速,/,位置检测,M,给定,21,6.4.1,异步电动机稳态等效电路,U,1,定子相电压；,1,电源角频率；,E,s,定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；,E,1,气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；,E,r,转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。,22,0,s,0,T,e,几种电压频率协调控制方式的特性比较,不同电压频率协调控制方式时的机械特性,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，要保持磁通恒定就比较麻烦。,6.5 VVVF,控制,24,定子每相电动势,式中，,E,1,气隙磁通在定子每相中的感应电动势有效值（,V,）；,f,1,定子电源频率（,Hz,）；,N1,定子每相绕组匝数；,K,N,1,绕组系数；,m,每极气隙磁通量（,Wb,）。,只要控制好,E,1,和,f,1,，便可达到控制磁通,m,的目的。,VVVF,控制的电压模式,25,基频以下调速,要保持,m,不变，当频率,f,1,从额定值,f,1N,向下调节时，必须同时降低,E,1,，使,即采用,恒值电动势频率比,的控制方式。,当电动势值较高时，可认为定子相电压,U,1,E,1,，,这是,恒压频比,的控制方式。,26,基频以上调速,在基频以上调速时，频率应该从,f,1N,向上升高，但定子电压,U,1,却不可能超过额定电压,U,1N,，最多只能保持,U,1,=U,1N,，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。,按照电力拖动原理：,基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”；,基频以上，转速升高时转矩降低，属于“恒功率调速”。,27,6.6,变频器,变频器的主要任务是把,恒压恒频（,constant voltage constant frequency,CVCF,）,的交流电转换为,变压变频（,variable voltage variable frequency,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。,变流器,平滑电路,逆变器,控制器,变频器基本结构,28,此类变频器只有一个变换环节，因此又称直接式变频器。,6.6.1,交,-,交变频器,+,VR,VF,I,d,-I,d,+,-,-,负,载,50Hz,50Hz,u,0,O,u,o,w,t,29,交,-,交变频器主要特点：,可直接引用成熟的直流可逆调速的技术；,输出到电机的电流近似于三相正弦电流，附加损耗小；,采用的元器件数量较多；,输出频率不能高于电网频率的,1/3,1/2,，一般低于,20Hz,；,价格不高，转速较低。,30,6.6.2,交,-,直,-,交变频器,此类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”，所以又称间接式变压变频器。,变压变频,(VVVF),中间直流环节,恒压恒频,(CVCF),逆变,DC,AC,AC,50Hz,整流,变压变频,(VVVF),中间直流环节,恒压恒频,(CVCF),PWM,逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,31,SPWM,变频调速原理,三角波,正弦波,O,w,t,U,d,-,U,d,32,6.7,通用变频器,所谓“通用”，包含着两方面的含义：,1,）可用于驱动通用性交流电动机，而不一定使用专用变频电机；,2,）具有各种可供选择的功能，能适应各种不同性质的负载。,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，目前已经占领了全世界0.5,500kVA,中,、小容量变频调速装置的绝大部分市场。,33,绝缘栅双极晶体管,IGBT,三端器件：栅极,G,、集电极,C,和发射极,E,IGBT,的结构和电气图形符号,E,G,C,N,+,N,-,a),P,N,+,N,+,P,N,+,N,+,P,+,发射极,栅极,集电极,注入区,缓冲区,漂移区,J,3,J,2,J,1,E,b),G,C,34,智能功率模块,优点：,性能和可靠性高,通态损耗和开关损耗小,散热器尺寸小,（,Intelligent Power Module,IPM,）,IPM=IGBT+,驱动电路,+,智能控制,35,通用变频器的基本结构原理图,36,主电路,由二极管整流器,UR,、,PWM,逆变器,UI,和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容,C,滤波，同时兼有无功功率交换的作用。,限流电阻,R,0,为了避免大电容,C,在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时先限制充电电流，再延时用开关,K,将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。,6.7.1,通用变频器的基本结构功能,37,泵升限制电路,由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容,C,充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。,6.7.1,通用变频器的基本结构功能,38,控制电路,现代,PWM,变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，并根据要求形成驱动逆变器工作的,PWM,信号。,PWM,信号产生,可以由微机本身的软件产生，从其,PWM,端口输出，也可采用专用的,PWM,生成电路芯片。,检测与保护电路,电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理后，再经过,A/D,转换器，输入给控制器作为控制算法的依据和供显示用，同时输入至故障保护电路。,故障保护有欠压、缺相、过压、过流、过载、短路以及温度过高等保护。,6.7.1,通用变频器的基本结构功能,39,信号设定,需要设定的控制信息主要有：,U/,f,特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。,6.7.1,通用变频器的基本结构功能,40,7.7.2,通用变频器的控制方式,系统结构 控制方式,开环（无速度反馈）控制,U,1,/,f,1,闭环（有速度反馈）转差频率控制、矢量控制,41,7.7.3,通用变频器的容量选择,原则：根据不同的负载来确定。,按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择，,对于连续恒负载运转时所需容量，,式中，,k,电流波形系数（,PWM,方式取,1.05,1.0,）；,P,CN,变频器额定容量（,k,V,A,）；,I,M,、,U,M,电动机额定电流、电压；,I,CN,变频器额定电流。,42,7.7.4,通用变频器的功率因素,大滤波电容,高次谐波,功率因素低,通用变频器的功率因素,43,改善功率因数的根本途径：削弱高次谐波电流。,在电路中串入电抗器是比较行之有效的方法。,直流电抗器,L,d,：,功率因素提高到,0.95,交流电抗器,L,A,：,功率因素提高到,0.75,44,7.7.5,通用变频器的外围设备,QF,：无熔丝低压断路器,KM,：电磁接触器，脱开变频器和电源,AC,：交流电抗器，改善电网功率因数,FIL,：无线电噪声滤波,FR,：热继电器，保护电机过载,RB,：制动电阻，吸收电动机的再生电能,45,本章小结,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。,变压变频调速方式是目前交流调速系统的主要形式，因此是本章学习重点。要求了解和掌握的内容有：,46,