电机控制技术总复习PPT课件

《电机控制技术》ElectricalMachineControlTechnolog主讲：王志新wangzxin@sjtu.edu.cn34204527*课程总体介绍期终考试：时间：6月29日周二15：40—17：40地点：东中院4-201*课程总体介绍主要授课内容：第1章绪论第2章电力传动系统动力学1．运动方程2．负载转矩和飞轮矩折算3．电力传动系统负载特性4．电力传动系统稳定运行条件第3章直流电动机的原理及特性1．直流电动机的基本结构和工作原理2．直流电动机的机械特性3．直流电动机的起动、调速与控制4．直流电动机的各种运行状态第4章交流电动机的原理及特性1．三相异步电动机的基本结构和工作原理2．三相异步电动机的机械特性3．三相异步电动机的起动、调速与控制4．异步电动机的各种运行状态5．单相异步电动机6．同步电动机第5章控制电机1．伺服电动机2．力矩电动机3．测速发电机4．自整角机*课程总体介绍第6章直流传动控制系统1．单闭环直流调速系统2．双闭环直流调速系统3．可逆直流调速系统4．直流脉宽调速系统第7章交流传动控制系统1．交流传动系统介绍2．交-直-交变频调速系统3．PWM变频调速系统4．交--交变频调速系统5．矢量控制系统6.直接转矩控制系统7．绕线式异步电动机调速系统8.永磁同步位置伺服系统第8章步进电动机传动控制系统1．步进电动机基本结构与原理2．步进电动机的运行特性3．步进电动机的驱动控制电路*课程总体介绍第9章电机及系统节能技术与应用9.1电机起动技术与装置9.1.1电机起动技术原理9.1.2晶闸管软起动器9.1.3液体电阻软起动器9.1.4热变液阻软起动器9.1.5开关变压器式软起动器9.1.6电抗器软起动器9.1.7磁控软起动器9.1.8电机软起动方法特点9.1.9电机固态软起动技术关键9.1.10电机固态软起动技术应用9.2电机变频技术与装置9.2.1变频调速技术原理9.2.2变频器产品及应用*课程总体介绍第9章电机及系统节能技术与应用9.1电机起动技术与装置9.1.1电机起动技术原理9.1.2晶闸管软起动器9.1.3液体电阻软起动器9.1.4热变液阻软起动器9.1.5开关变压器式软起动器9.1.6电抗器软起动器9.1.7磁控软起动器9.1.8电机软起动方法特点9.1.9电机固态软起动技术关键9.1.10电机固态软起动技术应用9.2电机变频技术与装置9.2.1变频调速技术原理9.2.2变频器产品及应用*课程总体介绍9.3高压变频器技术及产品9.3.1高压变频器9.3.2高压变频器产品及应用9.4电机系统节能及分析方法9.4.1电机系统节能9.4.2电机系统节能技术9.4.3电机系统节能产品9.4.4电机系统节能评估、分析及节能产品认证9.4.5全寿命成本分析法实验：8学时/4次实验1：单闭环直流调速实验2：双闭环直流调速实验3：异步电机SPWM与电压空间矢量变频调速系统实验4：施耐德变频调速系统*第1章绪论1.1电力传动及控制系统图1.1所示为电力传动系统框图指令控制设备电源电动机传动机构生产机械图1.1电力传动系统框图系统目标及指标要求：1。基本功能—其动、稳定运行、调速、制动、停车2。精度、稳定、可靠---调速性能、位置精度3。效率、节能、电能质量—软起动器、变频调速、滤波、无功补偿电风扇、空调机、洗衣机、冰箱、打印机、复印机、印刷机、电梯、风机、水泵、油泵、起重机、机床、轧钢机、锻压机、搅拌机、电动工具、皮带输送机、提升机、空气压缩机、分离机、钻机、农业机械等齿轮箱、齿轮齿条、减速器等直流、交流电动机特种电动机（步进电机、超声电机、凸极电机等、自控式同步电动机、永磁电机、绕线型双馈异步电动机、开关磁阻电机）DSP、PLC、IPC等交流、直流电源、开关电源、脉冲电源*第1章绪论1.2电动机分类及特点直流电动机交流电动机：交流异步电动机交流同步电动机特种电动机 电机种类 优点 不足 直流电动机 调速：范围宽、易于平滑调速转矩：起动、制动、过载转矩大控制方式：易于控制应用：起动和调速性能要求较高的场合 结构：复杂成本：高容量：存在换向问、单机容量、最高转速、使用环境受限制维护：不便 交流电动机：交流异步电动机交流同步电动机 结构简单、价格低、运行可靠、维护方便调速系统的性能和经济指标优于直流调速系统 转矩：起动、过载转矩小*第1章绪论1.3电力传动系统分类及特点电机类型：直流传动、交流传动机组形式：单台、成组多机传动系统运动方式：单方向运转不可逆、双方向运转的可逆传动系统用途形式：主传动、辅助传动系统 传动系统种类 优点及技术关键 时间 直流传动系统 起动性能好、调速性能和转矩控制性能好 20世纪70年代前 交流传动系统 1。矢量控制技术：1）坐标变换，将三相变为二相系统2）按转子磁场定向的同步旋转变换，将定子电流励磁分量与转矩分量解耦3）磁链、电流分别控制2。直接转矩控制技术：1）采用空间矢量分析方法，在定子坐标系计算磁通、转矩2）通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩3）不需要解耦定子电流，也免去了矢量变换复杂计算4）控制结构简单、易于实现数字化 20世纪70年代20世纪80年代中期*第2章电力传动系统动力学2.2.1旋转运动1.转矩折算TL=Tgg折算后功率不变TL=Tgg/=Tgng/nd=Tg/i其中：TL工作机构折算到电机轴的转矩电机转轴角速度Tg工作机构实际负载转矩g工作机构转轴角速度nd电机转轴转速ng工作机构转轴转速i=i1i2传动机构总速比TL=Tgg/cTL=Tg/ci，c传动机构传动效率*第2章电力传动系统动力学2。飞轮矩折算折算后动能不变旋转物体动能½J2=1/2GD2/4g（2n/60）2=GD2n2/7149负载飞轮矩折算计算：GDL2nd2/7149=GD12nd2/7149+（GD22+GD32）nd2/7149i12+（GD42+GDg2）nd2/7149i12i22GDL2=GD12+（GD22+GD32）/i12+（GD42+GDg2）/7149i12i22GD2=GDd2+GDL2GD2=（1+）GDd2估算=0.2—0.3电动机Tndi1GD12GD32GD42GD22GDg2i2nd/i1ngTg负载*第2章电力传动系统动力学2.2.2平移运动1.转矩折算TL=Pg=Fgvg/c折算后功率不变TL=Fgvg/c=Fgvg/（2ndc/60）=9.55Fgvg/（ndc）其中：Fg工作机构平移时所克服的阻力（N）vg工作机构移动的速度（m/s）c传动机构传动效率2.飞轮矩折算折算后动能不变动能½mgvg2=½Ggvg2/g=GD2LGn2d/7149GD2LG=(7149/2g)(Ggvg2/n2d)=365Ggvg2/n2d其中：GD2LG平移运动部分折算到电机轴上的飞轮矩注：传动机构其他轴上飞轮矩的折算与旋转运动部分所述相同*第2章电力传动系统动力学2.2.3升降运动1.重物提升转矩折算：重物对卷筒轴的负载转矩GzR,折算到电机轴上的负载转矩为：TL=GzR/ic，c提升传动效率2.下放重物转矩折算：重物对卷筒轴的负载转矩GzR,重物下放时传动机构的损耗由负载承担，折算到电机轴上的负载转矩为：TL=GzR/ic，c下放传动效率c=2-1/c讨论：1）c〈0.5，则：c〈0，需要电机推动，满足自锁功能。如：蜗轮蜗杆传动，c=0.3—0.5电动机MTndiGZ—重量njvzR—半径*第2章电力传动系统动力学3.飞轮矩折算与平移运动相同GD2LZ=365Gzvz2/n2d其中：GD2LZ升降部分折算到电机轴上的飞轮矩vz重物提升或下放速度nd电机转轴转速*第2章电力传动系统动力学2．3电力传动系统的负载特性负载特性：负载转矩—转速关系三类：恒转矩负载通风机及泵类负载恒功率负载1.恒转矩负载特性TL=常数与负载转速nL无关（1）反抗性恒转矩负载nL》0，T=TL》0；nL〈0，T=-TL〈0例子：摩擦负载，机床刀架平移运动、轧钢机、地铁列车（2）位能性恒转矩负载nL》0，T=TL》0制动性负载nL〈0，T=TL〉0拖动性负载2.通风机及泵类负载TL=knL2如：通风机、水泵、油泵等负载3.恒功率负载TL=k/nL负载功率PL=TLL=k/9.55=常数例子：机床切削加工、粗加工时切削量大（低速），精加工（高速）*第2章电力传动系统动力学2．4电力传动系统稳定运行条件必要条件：T=TL机械特性曲线负载特性曲线曲线1：T--n曲线2：TL–n充要条件：T=TL且：dT/dn<dTL/dn*第3章直流电动机的原理及特性3．1直流电动机的基本结构和工作原理1.基本结构定子：机座—主磁极换向极—与电枢绕组相串联，流过电枢电流，匝数少、导线粗电刷—电流引入到电机电枢电路，或由电枢电路引出到电路转子：电枢铁心—电枢绕组—换向器—风扇—转轴—轴承—2.励磁方式他励式——直流电源独立供电，永磁并励式——励磁与电枢绕组电压相同串励式——励磁电流与电枢绕组电流相等，或是电枢电流的分流复励式——积复励，差复励式*第3章直流电动机的原理及特性3.直流电动机工作原理发电动机（励磁机）：（1）由原动机拖动，发出直流电流，为大型交流发电动机提供直流励磁电流（2）原理：电枢（旋转）、电刷（固定）、右手定则换向片：起整流作用电动机：（1）拖动各种生产机械（2）原理：直流电源加在电刷上，左手定则换向片：将外电路的直流电流改变为线圈内的交变电流，起逆变作用（3）电磁转矩T=CTIa其中：---电动机每极磁通量CT---转矩常数，CT=9.55CeIa—电枢电流（4）直流电动机额定数据：额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定励磁电流*第3章直流电动机的原理及特性3．2直流电动机的机械特性机械特性：转矩--转速特性n=f（T）1.他励直流电动机机械特性n=Ea/Ce=(U-IaRa)/Ce=U/Ce-RaT/CeCT2=n0-Tn0—理想空载转速--机械特性斜率（1）固有机械特性U=UN、=N、R=0n=UN/CeN-RaT/CeCTN2特点：1）特性为下斜直线：2）硬特性：3）T=0，n0=UN/CeN额定理想空载转速，Ia=0，Ea=UN4）T=TN，n=nN，额定转速降5）起动电流：n=0,Ea=CeNn=0Ia=UN/Ra=Is6)T<0,n>n0,Ia<0,Ea>UN,发电动机状态（2）人为机械特性电枢回路串电阻，改变电枢电源电压，减小气隙磁通量*第3章直流电动机的原理及特性2.串励直流电动机机械特性特点：1）非线性特征，偏软2）电磁转矩很小时转速很高，因此，不允许空载运行3）电磁转矩与电枢电流平方成正比，起动转矩大，过载能力强3.3直流电动机的起动、调速与控制1.起动基本要求Ts(1.1—1.2)TLIs(2.0—2.5)IN起动设备简单、可靠、经济（1）直接起动起动时：n=0,Ea=0,Is=U/Ra很大Ts=CTIs（2）电枢回路串电阻起动采用分级可变电阻----有能量消耗（3）降电压起动配置专用可调压电源设备*第3章直流电动机的原理及特性2.调速n=[U-Ia(Ra+R)]/Ce（1）电枢串电阻基速：运行于固有机械特性上的转速针对恒转矩负载：T=CTNia=TLIa大小不变，串入电阻损耗Ia2R，效率低基速与零速之间调节、转速稳定性差（2）改变电枢电源电压无级调节Ia取决于TL平滑性好，但投资高（3）弱磁调速调速范围：基速与允许最高速之间适用于恒功率负载*第3章直流电动机的原理及特性3.调速指标调速范围:额定负载下D=nmax/nmin最高转速nmax:受电动机换向及机械强度限制最低转速nmin:受转速相对稳定性(静差率)限制静差率:额定负载下=(n0-n)/n0越小,则转速稳定性越好,负载波动引起的转速变化越小平滑性:=ni/ni-1无级、有级调速恒转矩调速与恒功率调速方式：恒转矩调速--他励式直流电机电枢串电阻、改变电枢电压恒功率调速方式--他励式直流电机弱磁调速调速经济性比较： 调速方法 电枢串电阻 改变电枢电源电压 弱磁 调速方向 基速以下 基速以下 基速以上 静差率 大 小 较小 调速范围D（一定时） 小 较大 小 调速平滑性 差 好 好 适应负载类型 恒转矩负载 恒转矩负载 恒功率负载 设备投资 少 多 较少 电能损耗 大 小 小*第3章直流电动机的原理及特性4.控制迅速减速（即：制动过程）、限制位能性负载下降速度（即：制动运行）（1）能耗制动：Ia=(U-Ea)/(Ra+RH)=-Ea/(Ra+RH)，要求确定RH机械特性：n=-βHT（2）反接制动：电源电压反接、接入反接制动电阻RFIa=(-UN-Ea)/(Ra+RF)=-（UN+Ea）/(Ra+RF)，要求确定RF机械特性：n=-n0-βFT（3）倒拉反转：电枢回路串电阻引起转速降低、甚至反转状态n<0,Ea<0,Ia=(UN-Ea)/(Ra+RD)=(UN+|Ea|)/(Ra+RD)机械特性：n=n0-βDT（4）回馈制动:电机转速超过理想空载转速Ea>UN,Ia<0,T<0PM=EaIa<0电源输入功率P1=UNIa<0电动机向电源发出功率，电能回馈给电源机械特性：n=-n0-βFT1）降低电枢电压2）弱磁调速—由高速向下调节时3）电机拖动位能性负载、电枢电压反接时---反向回馈制动*第3章直流电动机的原理及特性3.4运行状态电动运行状态：T、n方向相同，从电源吸收能量，I、III象限制动运行状态：T、n方向相反，不从电源吸收能量，II、IV象限(1)U>01)II象限--正向回馈制动2）串电阻RD，IV象限----倒拉反转状态(2)U<0IV象限，反向回馈制动状态（3）U=0,能耗制动状态*第4章交流电动机的原理及特性4.1三相异步电动机的基本结构和工作原理异步机:常用,如通风机、机床、水泵等，还包括单相异步电动机同步机:功率较大、不需调速、长期工作，如压缩机；包括永磁同步电动机1.基本结构异步机：定子：机座—固定、支撑定子铁心定子铁心—定子绕组—直流机：定子：机座—主磁极—直流电流励磁（励磁线圈），或永久磁铁并励：线圈匝数多、导线细串励：线圈匝数少、导线粗换向极—与电枢绕组相串联，流过电枢电流，匝数少、导线粗电刷—电流引入到电机电枢电路，或由电枢电路引出到电路异步机：转子：转子铁心转子绕组—绕线式，与定子绕组相似，极对数与定子绕组相同鼠笼式，为自行闭合的短路绕组转轴直流机：转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴、轴承空气隙：*第4章交流电动机的原理及特性2.额定数据型号：例如包括转子绕组接法、转子额定电压E2N转子额定电流I2N。额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定频率fN额定功率因数cosΦN额定转速nN*第4章交流电动机的原理及特性3.三相异步电动机工作原理（1）旋转磁场：定子三相对称绕组中通入三相对称电流，合成磁场随作交流的交变而在空间不断地旋转，即产生基波旋转磁场旋转磁场的转速n1=60f1/p(r/min)其中：p为极对数、f1为电源频率（2）原理：转子回路切割磁力线，转动方向与旋转磁场一致（3）转差率：n1同步转速n转子转速转差率s=（n1-n）/n1n=0s=1一般：s=0.01—0.06*第4章交流电动机的原理及特性4.三相异步电动机等效电路三相异步电动机T型等效电路r1:定子电阻x1:定子漏电抗r2’/s=r2’+(1-s)r2’/s等效:转子绕组实际电阻,多串了一个附加电阻(1-s)r2’/s5.三相异步电动机的功率和转矩*第4章交流电动机的原理及特性4．2三相异步电动机的机械特性1.表达式(1)机械特性：转矩--转速特性n=f（T）或s=f（T）T=(3pU12r2’/s)/{2∏f1[(r1+r2’/s)2+(x1+x2’)2]}r1:定子电阻x1:定子漏电抗r2’=kekir2:新转子电阻x2’=kekix2:新转子漏电抗具有非线性曲线特性1）当0<s<1或0<n<n1电动运行状态2）当s<0或n>n1回馈制动状态—异步发电状态3)当s>1或n<0制动状态,倒拉反转状态(2)最大转矩:Tm,dt/ds=0sm:最大转差率(临界转差率)“+”—电动“-”—发电Tm:与定子电压U12成正比,与r2’无关sm:r2’越大,sm越大*第4章交流电动机的原理及特性(3)堵转转矩:Ts,s=1或n=0对于饶线式电机,在转子回路串电阻RΩ来改变堵转转矩大小,RΩ增大,sm也增大,但Tm不变.sm:最大转差率(临界转差率)“+”—电动“-”—发电Tm:与定子电压U12成正比,与r2’无关sm:r2’越大,sm越大2.固有机械特性与人为机械特性（1）固有机械特性定子:加额定电压、额定频率转子：本身短路定转子回路不另串电阻或电抗起动点：Qn=0,Ts,Is额定工作点：nN,sN,TN,IN同步速点H：s=0,n=n1,T=0最大电磁转矩点P、P’:Tm=Tm‘（忽略r1影响）*第4章交流电动机的原理及特性（2）人为机械特性T=(3pU12r2’/s)/{2πf1[(r1+r2’/s)2+(x1+x2’)2]}1)降低定子电压U1受影响:T、Tm、Ts不受影响：n1、sm过程：额定负载下运行，电源电压降低，额定负载转矩保持不变，电机不能长期运行----U1降，气隙主磁通Φ1减小，转子功率因数cosφ2变化不大，则根据T=CTjΦ1I2cosφ2，势必I2增大，I1也增大，超过额定值。轻载运行，利于节能2）定子回路串接三相对称电阻Rf受影响：Tm、Ts、sm随Rf增加而减小不受影响：n13）定子回路串接三相对称电抗Xf受影响：Tm、Ts、sm随Rf增加而减小不受影响：n1该法较定子串电阻方法节能,但电抗器成本高4）转子回路串接三相对称电组RS受影响：Ts、sm不受影响：n1、Tm该法用于饶线式异步电机起动、调速其他方法：饶线式异步电机转子串频敏变阻器、改变异步电机定子绕组极对数、改变定子电源频率*第4章交流电动机的原理及特性4.3．三相异步电动机的起动、调速与控制1.起动特点：额定电源电压起动瞬间，气隙主磁通Φ1减小到额定值的1/2，转子功率因数cosφ2很低，则根据T=CTjΦ1I2cosφ2，势必IS增大，但Ts并不大（有别于直流机）。弱点：对电源和其他负载的影响对电动机本身的影响：Ts下降很多电机起动瞬间对负载冲击—降低Is方法：降低电源电压、定子串接电抗或电阻、转子串电阻基本要求：Ts=(1.4—2.2)TNIs=(5—7)INTs足够大：Ts≥1.1TLIs尽可能小起动操作方便、简单、经济功率损耗小*第4章交流电动机的原理及特性（1）直接起动电机与变压器的容量比电机与变压器间的线路长度其他负载起动是否频繁拖动系统的转动惯量大小（2）星形—三角形降压起动起动：星形Y运行：三角形△结论：1）设备简单、经济2）电压不能调节、适合运行时定子绕组为三角形△接法的异步机3）起动转矩小，适合空载或轻载起动（3）自藕变压器降压起动特点：1）电机定子电压下降到直接起动的KJ倍2）冲击电流为直接起动的KJ2倍3）堵转转矩为直接起动的KJ2倍4）灵活，但价高、体积大5）不适合频繁起动（4）定子回路串电抗器降压起动特点：降低起动电流、不消耗电能，起动转矩下降很多、价贵*第4章交流电动机的原理及特性2.高起动转矩异步电机异步机：降压起动，降低起动电流，但转矩减小。（1）高转差率异步电动机（2）深槽式异步机（3）双鼠笼式异步机3.绕线式异步机起动（1）转子回路串电阻起动分级起动,逐级切换电阻（2）转子串接频敏变阻器起动阻值随转子转速升高自动减小—自动变阻,起动平稳励磁电阻:rP在高频,如50Hz时,rP>xP励磁电抗:xP励磁阻抗:ZP=rP+jxP限制了起动电流，又不至于使起动电流过小而减小起动转矩起动时：rP>xP，起动电流小、转矩较大起动过程：转速升高，转子电流频率f2逐渐减小，rP、ZP减小，电磁转距保持较大值。起动结束后，f2、Zp很小，频敏变阻器不起作用*第4章交流电动机的原理及特性4.异步机软起动软起动器：电机软停车、软制动、过载、缺相保护，以及轻载节能运行包括变频装置弱点:起动过程产生谐波,影响电网质量.（1）主电路反并联晶闸管模块，控制导通角大小，调节电机起动电流变化，如大小、起动方式，减小起动功率损耗。（2）软起动方式1）斜坡电压软起动：2）恒流软起动：Ism=（1.5—4.5）IN3）斜坡恒流软起动Is:先斜坡增加,达到Ism时保持恒定适用于空载或轻载起动4)脉冲恒流软起动起动初始阶段为一个较大的起动冲击电流,产生起动冲击转矩克服静摩擦阻转矩*第4章交流电动机的原理及特性5.调速n=n1(1-s)=60f1(1-s)/p(1)调速方法:1）改变同步转速变频调速：改变f1变极调速:改变定子绕组的极对数p2）不改变同步转速变转差率调速:改变电机转差率s如:绕线式电机转子回路串电阻—转子串电阻调速绕线式电机转子回路串电势—串级调速改变电机定子电源电压—电压调速3)其他:电磁调速电机(2)变频调速(3)变极调速:改变定子绕组的极对数p(4)转子串电阻调速(5)串级调速(6)电压调速(7)电磁调速电机*第4章交流电动机的原理及特性6.控制T、n方向相反，处于制动状态：1）系统迅速减速及停车2）限制位能性负载下放速度电机吸收机械能并转换为电能1）回馈给电网2）消耗在转子回路（1）回馈制动:电机转速超过同步转速n1n>n1,s<0,(1-s)r2’/s<0特点：电机输出机械功率：Pm=3I’22(1-s)r2’/s<0定子到转子的电磁功率：PM=3I’22r2’/s<0负载向电动机输入机械功率电机向电网输送有功电机需要从电网输入无功结论：1）异步发电动机向电网输送有功功率2）电网需要向异步发电动机提供无功励磁电流*第4章交流电动机的原理及特性（2）反接制动电机稳定运行，突然改变异步机三相电源相序，产生制动正向反接制动：正相序----负相序制动反向反接制动：负相序----正相序制动同步转速为-n1,转差率s=（-n1-n）/(-n1)>1(1-s)r2’/s<0特点：电机输出机械功率：Pm=3I’22(1-s)r2’/s<0电机轴输入机械功率定子到转子的电磁功率：PM=3I’22r2’/s>0转子消耗定子传送来的电磁功率和负载输入的机械功率结论：1）适用于快速制动停车场合2）转子回路串接制动电阻*第4章交流电动机的原理及特性（3）倒拉反转拖动位能性恒转矩负载，当在转子回路串电阻时转速下降，该值超过某数值后，T<TL(0<s<1),，电机反转（位能性负载拉作电机反转）n=0:（4）能耗制动定子绕组：不接交流，接到直流电源上（如两相上接入直流电流），电机处于制动状态，建立位置固定、大小不变的恒定磁场特点:1）T-n过坐标原点2）通入定子的直流大小不变,Tm不变(见曲线1、3),但当转子回路的电阻增大,Tm对应的转速增加（见曲线2）；3）转子回路电阻不变，增大直流电流，Tm相应增大，nm不变（曲线3）转子回路串电阻：控制位能性负载作用下重物下放速度，电阻越大---下放速度越快定子直流电流：改变制动转矩大小I=（3.5--4）I0鼠笼式电机I=(2--3)I0绕线式电机I0:电机空载电流转子回路串电阻：RΩ*第4章交流电动机的原理及特性（5）软停车与软制动1）软停车：电机工作电压由额定电压逐步减少到零的停车方法例如：逐渐改变晶闸管的导通角α，使得电机工作电压逐步降低2）软制动：采用能耗制动技术，即：停止在定子上提供交流电源，改为直流电，产生制动转矩使电机快速停车，如：VT1、VT6继续工作，同时打开VT7，通过调整导通角变化速率来改变下降速度4.4异步电动机的各种运行状态电动运行状态：T、n方向相同，从电源吸收能量，I、III象限制动运行状态：T、n方向相反，不从电源吸收能量，II、IV象限(1)I、III象限：电动（正向、反向）（2）II象限：反接制动（3）IV象限：反向回馈、能耗制动、倒拉反转*第4章交流电动机的原理及特性4.5单相异步电动机构成：定子—采用两相绕组（主绕组或工作绕组，副绕组或起动绕组），轴线一般在空间上相差900电角度，转子—采用鼠笼式转子种类：单相电阻分相起动异步电动机单相电容分相起动异步电动机单相电容运转异步电动机单相电容起动与运转异步电动机单相罩极异步电动机1.单相电阻分相起动异步电动机工作绕组:M起动绕组:A,电阻较大起动过程绕组M、A同时工作，当转速达到75%--80%同步转速时，起动开关K断开、起动绕组脱离电源，由工作绕组单独工作特点：起动绕组电阻大、电抗小，产生椭圆旋转磁场，使得两相绕组的电流相位分开机械特性曲线：脉动磁通势产生正转、反转电磁转矩特性曲线1）n=0(s=1)，T=0，无起动转矩，电机不能起动2）n>0(0<s<1)，I象限工作，拖动性转矩3）n<0(0<s<1)，III象限工作，拖动性转矩4）理想空载转速（T=0）点n1’要比同步转速n1小5）起动转矩小、电流大*第4章交流电动机的原理及特性2.单相电容分相起动异步电动机工作绕组:M起动绕组:A,串接了一个电容起动过程绕组M、A同时工作，当转速达到75%--80%同步转速时，起动开关K断开、起动绕组脱离电源，由工作绕组单独工作特点：起动绕组阻抗呈容性，电流超前于电压；工作绕组阻抗为感性，电流滞后电压；起动转矩大、起动电流小3.单相电容运转异步电动机起动绕组串接的电容始终处于工作状态---两相电动机起动转矩小、起动电流大，适合轻载起动和长期运行的机械4.单相电容起动与运转异步电动机起动绕组串接两个并联的电容，即：起动时：C+Cs运行时：C确保起动与运行时旋转磁通势接近圆形，以获得理想的起动与运行性能。5.单相罩极异步电动机结构简单、制造方便、价格低廉缺点：效率低、功率因数低、起动转矩小*第4章交流电动机的原理及特性4.6同步电动机1.结构：定子：三相对称转子：直流励磁或永磁---产生N、S极2.原理同步转速n1=60f1/p直流励磁电流不变，转子转速n=n1机械特性：1）恒转速2）存在最大Tm，过载倍数km=Tm/TN，取2—3.53）本身没有起动转矩3.起动（1）辅助电动机起动法方法：采用同极数异步机作为辅助电机，容量为主机的5%--15%或直流励磁机作为辅机过程：起动辅机，拖动主机接近同步转速，采用自整步法将同步机投入电网，切除辅机（2）异步起动法方法：在转子磁极上装有与鼠笼绕组相似的起动绕组。过程：达到同步速95%时励磁绕组通直流电，起动过程串入10rf电阻（3）变频起动法采用变频电源，1）起动时：转子先加励磁电流，定子通低频三相电流，转速低；2）逐渐增大定子电源频率，转速增加，达到额定转速，起动结束*第4章交流电动机的原理及特性4.功角特性1)电动势相量图：直流励磁磁场与定子旋转磁场共同作用2)功率关系与转矩关系：输入功率P1=3UICOSφ定子铜耗：pCu=3I2r1电磁功率PM=P1-pCu输出功率=PM-pFu-pm输出转矩T2=T-T03)功角特性PM=P1电磁功率PM随Θ角变化，分为两部分：第一项与励磁产生的电动势成正比—励磁电磁功率第二项与励磁电流大小无关，因转子凸极引起—凸极电磁功率5.功率因数调节U、f不变，TL不变，改变励磁电流来调节功率因数正常励磁电流----只吸收有功，类似纯电阻负载欠励状态----吸收有功、落后性无功，类似感性负载过励状态----吸收有功、领先的无功，类似容性负载*第4章交流电动机的原理及特性6.永磁同步电动机采用永磁体代替电励磁，省去了励磁绕组、励磁电源、滑环和电刷无励磁损耗，效率较高，功率范围为数十kW以下永磁材料：钕铁硼、钐钴合金转子定子区别永磁同步电机：永磁体对称交流电感应电动势、电流为正弦波无刷直流电机：永磁体对称交流电感应电动势阶梯波、电流为方波*第4章交流电动机的原理及特性采煤机械配套用变频器中压变频器：额定电压1140V功率400-1000kW控制频率0-300Hz控制方式标量和矢量控制。西门子变频器控制主板控制IGBT煤矿井下的远程数据传输：采煤机工作面到井下信号传输平台，非视距传播距离500m。技术：利用1140V、3300V的电力线，研制数字载波技术，传输采煤机上的数字量和模拟量性能要求：能在变频、电机启动等干扰工作场所正常工作*第5章控制电机5．1伺服电动机作用：检测、放大、执行和解算元件种类：功率元件--伺服、力矩和步进电机信号元件—自整角机、测速发电机、旋转变压器、轴角编码器1.伺服电动机1）直流伺服电机结构：与他励直流电动机一样控制方式：电枢控制，如调节电枢电压—--为一组平行线磁场控制，如调节励磁绕组端电压---不平行，非线性2）交流伺服电机结构：两相异步电机，定子上有两套绕组（相差90度）励磁绕组----固定交流电压控制绕组----固定频率，幅值、相位可调转子采用鼠笼型绕组控制方式：幅值控制，非线性相位控制，非线性*第5章控制电机5．2力矩电动机低速、大转矩，快速响应、较高的速度和位置分辨率，低速时输出力矩大、转矩波动小，运行平稳5．3测速发电机原理：输入机械转速，输出为电压信号，且与转速成正比类型：直流：电枢输出U2=Kn交流：定子单相、三相对称输出绕组，转子由多对极永久磁钢构成定子绕组输出感应电动势E=Kn，n为电机转速5．4自整角机1）三相自整角机2）单相自整角机*第6章直流传动控制系统6．1单闭环直流调速系统1.单闭环有静差调速系统（1）调速系统组成及其工作原理n=Ea/Ce=(U-IaRa)/Ce=U/Ce-RaT/CeCT2=KpKv△U/Ke-(Ra+Rn)Id/Ke=n0-△n6.0概述直流调速:1)较大的起动转矩，良好的起动、制动性能2）较宽范围内性能平滑调速3）直流闭环控制理论和应用实践方面较为成熟4）产品特点，我国：模拟直流调速器国外：如欧陆直流数字调速器、西门子直流数字调速器5）体积大、结构复杂，容量受限制、价格高，但应用量大价格：2000元/kW？？交流调速：20世纪20年代以来1）省去了换向器，结构简单、结实、紧凑、维修工作量小、运行效率高（>95%？）、转动惯量小、动态响应快定子传入转子的电磁功率PM，转差功率Ps=sPM，Ps去向是调速系统效率高低的标志，及s大Ps则大，效率低2）易于实现数字化，价格低廉、性能优良3）容易实现高电压、大容量、高速化价格：1500元/kW？？*第6章直流传动控制系统负载变化时调节原理：1）平衡点A点：开环机械特性曲线1Id1,n1,Ufn1△U1=Usn-Ufn1n01=KpKv△U1/Ke2）负载转矩增大：电机转速降低Id将增大Ufn<Ufn1,△U>△U1Uc将增大减小触发器脉冲移相角提高晶闸管整流输出给电机的电压平均值电机机械特性上移转速上升3)新的平衡点B:开环机械特性曲线2Id2,n2,Ufn2△U2=Usn-Ufn2>△U1n02=KpKv△U2/Ke>n014)转速负反馈单闭环调速系统静特性--不同电压的机械特性曲线3特点:闭环系统静特性硬度比开环系统的要高*第6章直流传动控制系统（2）调速系统静态特性1）假设条件忽略系统中的各种非线性因素,满足线性关系假定晶闸管变流器提供的电流是连续的忽略直流电源和电位器的等效内阻2）静态方程电压比较环节：△U=Usn-Ufn放大器：Uc=Kp△U晶闸管变流器：Udo=KvUc晶闸管—电动机系统开环机械特性：n=[Udo-(Ra+Rn)Id]/Ke测速发电机：Ufn=KfnnUc---触发器移相控制电压（V）Udo---晶闸管变流器空载电压（V）Kfn---测速发电机的电压反馈系数（V/（r/min））*第6章直流传动控制系统3）方框图闭环静特性方程：n=KpKvUsn/Ke(1+K)–(Ra+Rn)Id/Ke(1+K)=noc-△nc闭环系统开环放大系数：K=KpKvKfn/Ke斜率：-(Ra+Rn)/Ke(1+K)截距：KpKvUsn/Ke(1+K)开环静特性方程：n=KpKvUsn/Ke–(Ra+Rn)Id/Ke=noo-△no特点：相同负载下，闭环静态速降△nc为开环静态速降△no的1/（1+K），系统静特性硬度得到大大提高4）特点系统具有静差，因比例调节器放大倍数不可能无穷大，因此无法消除静差；反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，有效抑制前向通道上的干扰，减小对静态转速的影响；对于给定电源和被调量检测装置中的扰动无能为力，因此，系统精度依赖给定稳压电源和反馈量检测元件的精度；静特性变硬，调速范围宽，系统抗扰动性能好；不足：起动时冲击电流太大*第6章直流传动控制系统2．单闭环无静差调速系统实现无静差调速，可以引入误差量对时间的积分环节。（1）I调节器输入突变，输出不发生突变；输入为零时，输出保持不变（2）PI调节器输入突变，输出也发生突变；输入为零时，输出保持不变（3）PI调节器组成的无静差调速系统1)积分调节过程起动时突然增大Usn电机转速变化缓慢Ufn很小PI输入电压△U=Usn-Ufn较大Uc达到较大值Udo瞬时达到较大值并不断增大电枢电流迅速产生一个较大冲击，电机转速迅速升高，起动过程较快稳定运行时，Ufn=Usn,△U=0,Uc保持不变，实现无静差调速*第6章直流传动控制系统2）负载转矩突然增大时系统调节过程负载转矩突然增大---电机转矩来不及跟随负载转矩变化—电机转速n下降--Ufn减小,△U>0，Uc增大，减小触发器脉冲移相角，提高晶闸管整流输出给电机的电压平均值Udo，Id将增大—T与TL重新平衡，转速回升到原来的数值3）负载转矩突然减小时系统调节过程转速会暂时产生动态转速生高4）系统减速制动过程减速：Ufn突然减小转速不能立即减小，Ufn>Usn，△U<0，输出反向电压因为是不可拟调速系统，晶闸管变流器不能流通反向电流，使得主电路电流迅速为零，但是，不能产生电气制动转矩停车：Ufn=0不足：起动冲击电流很大，可以通过双闭环系统改善其动态指标制动减速过程完全依赖于负载转矩，改进措施包括增设能耗制动线路、或者采用可逆系统*第6章直流传动控制系统6.2双闭环直流调速系统单闭环调速系统不足：电流冲击大、扰动抑制能力差措施：双闭环调速，即设置转速、电流调节器，通过将转速、电流分开控制，改善动态过程1.双闭环调速系统的组成思路:外环—速度环ASR,转速负反馈跟踪设定转速内环—电流环SCR,电流负反馈跟踪设定电流,保持电流最大值,同时,能够在带负载运行时随时按给定电流进行电流调节,使得电枢电流按照要求的规律变化速度环ASR与电流环SCR串联使用，均为带限幅的结构:BI为电流变换器,交流电流经过电流互感器隔离、整流变成直流电压，作为电流反馈信号2.双闭环调速系统的静特性Kn：转速调节器静态放大系数Ki：电流调节器静态放大系数PI调节器两种工作状态：（1）饱和—输出为恒值，针对输入量的变化不起作用，相当于调节器开环，除非有反向输入信号使调节器退出饱和（2）不饱和–输出未达到限幅值*第6章直流传动控制系统（3）转速调节器饱和、不饱和运行1）不饱和运行n=Usn/Kfn系统具有很硬特性2）当Id达到整定最大值Idm时系统稳定状态负载转矩突然增大电机转矩来不及跟随负载转矩变化电机转速n下降--Ufn减小△U>0转速调节器ASR输出电压|Usi|增大通过电流调节器ACR，减小触发器脉冲移相角，提高晶闸管整流输出给电机的电压平均值UdoId将增大电机转矩增大、转速上升当Id达到整定最大值Idm时，转速调节器ASR输出电压达到限幅度值-Usim，失去调节作用电流调节器ACR在最大给定输入电压下，只能使电流保持Idm不变当负载转矩略大于电机最大转矩Tmax时，转速开始被迫下降、一直到零*第6章直流传动控制系统3．双闭环调速系统的动态特性（1）起动过程分析条件：起动突然给定输入信号Usn（2）基于ASR不饱和、饱和、退饱三阶段的起动过程1）电枢电流迅速上升阶段：t0—t1ASR：开环、饱和，转速调节器ASR输出为-UsimACR：不饱和、正常，电流调节器ACR输出电压Uc迅速上升，变流器输出电压Udo迅速上升，Id迅速从零开始增大，直到Id>IL,电机开始转动，转速上升，且随Id的增大逐渐升高2）电枢电流保持最大整定电流阶段：t1—t2Id：上升至Idmn：上升到ns，起动的主要阶段ASR：饱和，转速处于开环状态，输出为-UsimACR：维持Id为Idm,电机转速n上升，反电动势EM也在升高Id=（Udo-EM）/RΣ减小，Ufi下降，Uc上升，增大Udo，维持Id为Idm，保持转速以最大整定加速度线性增长3）电枢电流由Idm降至IL阶段：t2—t3—t4，ASR、ACR同时起作用Id：Idmn：超过ns，出现超调ASR：输出为-Usim，Usn-Ufn<0,退出饱和ACR：-Usi下降，Uc减小，Udo下降，EM也在升高，Id从Idm下降t3时：Id<IL，n下降趋于ns，EM下降，Udo回升，Id回升到ILt4时：进入稳定状态*第6章直流传动控制系统6.3．可逆直流调速系统问题:(1)正反转(2)电气制动、缩短制动时间方案：改变电磁转矩方向T=CTΦId（1）通过改变电枢电压极性，改变电流方向---电枢可逆（2）通过改变励磁电流方向—磁场可逆1.电枢可逆系统与磁场可逆系统的比较方式适用场合手段方案特点电枢反接数十kW整流+四只晶闸管简单可逆线路以下换电压极性接触器经济两组反并联避免同时整流引起电源短路晶闸管三相桥式反两条环流回路，4只限流电抗器并联线路交叉连接线路一条环流回路，2只限流电抗器励磁反接系统容量大采取强迫励磁一组晶闸管整流、可逆线路快速性要求不高反向过程增加2--5倍供电晶闸管（反并联、交叉连接）正反转不频繁反向励磁电压励磁功率为电机的3—5%励磁减弱到零时反接励磁所需晶闸管装置容量小电枢电压为零---励磁反向时间长达10s以上*第6章直流传动控制系统2.晶闸管和电动机的工作状态（1）晶闸管的不同工作状态整流：向电动机输送电能条件1—控制角α<90º，整流装置输出正的平均电压Ud条件2—Ud>EM（负载侧反电动势）逆变：向电网回馈电能条件1—控制角α>90º，整流装置输出负的平均电压Ud条件2—外电路必须有一个直流电源，极性与Ud>同，且大于|Ud|设置βmin保护，一般βmin=30º*第6章直流传动控制系统2）电动机的运行状态可逆系统电机四象限运行系统工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动转速方向正转正转反转反转晶闸管工作正组整流反组逆变反组整流正组逆变组别和状态电枢电压极性++--电枢电流极性+--+电磁转矩方向+--+电磁转矩性质驱动制动驱动制动电动机运行状态电动发电电动发电电压与电动势的|Ud|>|EM||Ud|<|EM||Ud|>|EM||Ud|<|EM|大小关系能量转换状况电动机吸取电能电能回馈电动机吸取电能电能回馈晶闸管控制角α<90ºα>90ºα<90ºα>90º机械特性所在象限IIIIIIIV*第6章直流传动控制系统3.电枢可逆系统的环流问题环流：Ic,不流过电动机、其他负载，直接在两组晶闸管之间流通种类：静态环流—可逆线路在一定控制角下稳定工作时，所出现的环流动态环流—晶闸管触发相位突然改变，系统由一种工作状态变为另一种工作状态的过渡过程中所出现的环流(1)直流环流与配合控制1）连接：VF—正转组，共阴接法VR—反转组，共阳接法2）环流产生：VF、VR组均在α<90º时加触发脉冲，整流电压串联，形成ic，流过晶闸管变流器，烧坏晶闸管器件。3）措施：VF在αf<90º时加触发脉冲，工作在整流状态；VR组在αr>90º时加触发脉冲，工作在待逆变状态，Udf=Udr（或Udf<Udr）4)消除直流环条件：αf≥βrαf--VF正转组触发控制角，0º<αf<90º；βr—VR反转组触发控制角，βr=180º-αr采用α=β配合控制方式，触发脉冲的零位都定在90º同时，两组触发装置的电压相等、符号相反控制电压Uc增大，αf减小，正组晶闸管变流器进入整流状态，Udf增大αr增大或βr减小，反组晶闸管变流器进入逆变状态，Udr增大αf=βr，Udf=Udr，αmin=βmin=30º*第6章直流传动控制系统(2)脉动环流及其抑制1）原因：正组、反组晶闸管输出电压平均值相等，但是瞬时值不同,整流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值，产生正向瞬时电压差△udo,产生瞬时电流瞬时电压差、瞬时电流与控制角还有关2）△udo=Udf-Udr环流回路的阻抗主要是电感，电流icp不能突变，落后于电压△udo，一个方向脉动3）措施：环流回路串电抗器Lc1、Lc2，二者交替工作，即，VF整流时，Lc1饱和、Lc2；限制环流；VR整流时，Lc2饱和、Lc1限制环流4.电枢可逆自然环流调速系统（1）电枢可逆自然环流调速系统的组成和原理1）定义:自然环流—系统中没有直流环流、只有脉动环流2）控制：α=β配合控制3）原理框图：主电路：两组晶闸管反并联接线、4个环流电抗器（Lc1、Lc2、Lc3、Lc4）、1个平波电抗器Ld、霍尔电流变换器TA检测直流电流、测速发电机TG检测转速控制器：转速、电流双闭环控制ASR速度调节器、ACR电流调节器*第6章直流传动控制系统双响输出限幅:最大动态电流、最小控制角αmin、最小逆变角βmin增加放大系数“-1”反号器：满足Uc=-Uc，保持α=β配合控制　４）工作过程：　　正向运行：一组变流器处于整流状态另一组为待逆变状态：整流组EM<Udα逆变组　|Udβ|=|Udα|EM<|Udβ|　　　制动时：改变控制角降低正组、反组电压Udα、Udβ　　　　　　　　EM>|Udβ|=Udα　　　整流组电流截止、逆变组投入逆变，电机回馈制动　　　　　　　　另一组为“待整流状态”　　　确保负载电流按照正反两个方向平滑过渡　　　特点：一组晶闸管变流装置工作、另一组处于等待工作状态*第6章直流传动控制系统(2)动态过程分析过程:正向制动—本桥逆变、它桥制动阶段反向起动—与转速、电流不可逆双闭环系统一样初始条件：恒转矩负载、原来工作在正向电动运行状态正组变流装置VF整流状态、0—t1阶段、Usn、Ufn为正，Usi为负、Ufi与Uc为正、αf<90º、βr<90º1）本桥逆变阶段：t1—t2Usn变为负值、Ufn为正，△U=Usn-Ufn为负、ASR的输出Usi跃变到Usim、电流方向没有变化、Ufi为正△U=Usim+Ufi、ACR的输出Uc跃变到限幅值-Ucm正组VF相位控制角变成βf=βmin逆变状态Udf、Udr左“-”、右“+”LddId/dt-EM>Udf反组VR不输出整流电流，处于待整流状态2）它桥制动阶段：t2—t3、t3—t4LddId/dt-EM<Udf=Udr反组VR整流，电流Id反向Udr、EM共同作用，电流反向上升很快，电机处于反接制动状态Id>Idm，反组VR回到逆变状态、正组VF处于待整流状态电机动能回馈电网3）反向起动阶段：t4—t5VR整流、VF待逆变小结：电流、转速连续变化，ASR饱和*第6章直流传动控制系统5.可控环流的可逆调速系统（1）环流及其利用1）环流增加整流变压器和晶闸管容量2）环流特点较小的环流作为晶闸管的基本负载使晶闸管变流器工作在电流连续区避免因电流断续造成机械特性变软实现主电路电流无间断反向变流器切换无电流死区提高系统的平滑性、连续性3）环流利用主回路电流可能断续时，采用α<β控制方式，提供一个附加直流环流使得电流连续；一旦主回路电流连续了，则采用α>β控制方式，使环流为零（2）可控环流可逆调速系统1）主组晶闸管交叉连线2）ASR、ACR双闭环控制，其中，ACR1、ACR2两套（含电流互感器、调节器），分别控制正、反转3）在ACR1、ACR2输入端分别加上控制电流环节—给定电压-Usci，二极管VD、电容C、电阻R组成环流抑制电路4）ACR1、ACR2给定信号极性相反，一组整流时，另一组用于控制环流*第6章直流传动控制系统5）环流控制过程Usn=0时：ASR输出Usi=0环流给定电压-Usci作用下，ACR1、ACR2使两组变流装置处于微导通整流状态在脉动环流基础上输出恒定直流环流If=Ir正向运行时：Usi<0，VD1导通，环流给定电压-Usi加在ACR1上,正组控制角αr减小、Udf升高、If增大反组给定电压值>0,VD2截止，电压加到ACR2上，抵消环流给定电压-Usci的作用，并与电流给定信号大小有关稳态时，环流被完全遏制住，正组流过负载电流，反组无电流流过与R、VD2并联的电容C可以控制遏制环流的过渡过程反向运行时：反组提供负载电流正组控制环流6）小结：利用环流避免电流出现断续区，系统正反向过渡过程没有死区，提高快速性减少环流损耗适合应用于各种快速性要求高的可逆调速系统*第6章直流传动控制系统6.逻辑无环流可逆调速系统（1）思路通过无环流逻辑控制器，根据系统的工作状态进行正反组自动切换1）正组发出触发脉冲时封锁反组；2）反组发出触发脉冲时封锁正组；3）任何情况下，不允许两组变流器同时开放。确保主电路没有产生环流的可能（2）原理1）根据电流极性决定开放组和封闭组2）利用电流给定信号Usi极性变化作为逻辑切换必要条件3）系统由正向运行转为反向运行时，Usi由负变正，制动过程开始，电流没有反向前，仍需要保持正组开放，进行本组逆变，直到实际电流降到零时才能发出切换指令，即：封锁正组、开放反组，电流反向4）切换条件：Usi变号、出现零电流信号5）关断延时：发出切换指令—封锁原来工作的那组触发脉冲，封锁原工作组脉冲—开放另一组脉冲*脉动电流低于I0且持续一小段时间，才能确定电流已断开，可以封锁原工作组脉冲，避免出现逆变颠覆**封锁原工作组脉冲，已触发的晶闸管要到电流过零时才能真正关断，且关断一段时间才能恢复阻断能力，延时一段时间（7—5ms），才能开放另一组脉冲，确保无环流6）原理框图主电路：两组晶闸管变流器并联,无环流电抗器,保留平波电抗器Ld控制回路：ASR、ACR双闭环系统，ACR1、ACR2分别控制正组、反组触发器无环流逻辑控制器DLC：含电平检测、逻辑判断、延时电路、联锁保护，输入为电流给定Usi、零电流检测信号Uio，输出为封锁正、反组脉冲信号Ublf、Ublr。（3）错位无环流可逆调速系统：一组工作时，并不封锁另一组触发脉冲，错开触发脉冲实现无环流*第6章直流传动控制系统6.4直流脉宽调速系统全控型电力电子器件：GTO、GTR、IGBT、IGCTPWM控制技术：利用电力电子器件导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列1）变压：通过控制电压脉冲的宽度、或周期达到2）变频：通过控制电压脉冲的宽度、或脉冲序列的周期达到3）特点：相对晶闸管电机调速系统，具有特点为主电路简单、所需功率器件少、低速性能好、调速范围宽、开关频率高、快速性能好、波形系数好、附加损耗小、效率高、功率因数高4）种类不可逆：可逆：双极式、单极式、受限单极式1.不可逆直流脉宽调速系统（1）无制动作用直流电源：Us、采用大电容滤波，不可控整流电源VD：续流二极管IGBT：脉冲电压uG信号频率不变、脉冲宽度可调，开关频率可高达50kHz占空比：ρ=τ/T，Ud=ρUs改变ρ就可以达到调速目的稳态时特点：脉动端电压ud、电枢平均电压Ud电枢电流id（不能反向）、单象限（I象限）运行、无制动作用转速n、反电动势EM恒值*第6章直流传动控制系统（2）有制动作用特点：I（电动）、II（制动）象限运行VT1：主控管，调速VT2：辅助管，制动脉冲电压：uG1=-uG2，极性相反电动运行：回路1、2流通，VT2不起作用，电源电压在VT1导通期间起作用Ud=ρUs0≤t<τUs=Raid+Ladid/dt+EMτ≤t<T0=Raid+Ladid/dt+EM制动运行：uG1的占空比ρ减小，Ud降低，EM>Udτ≤t<T期间，VT2导通、EM使电枢电流id反向，沿回路3流通产生能耗制动0≤t<τ期间，VT2截止，沿回路4流通，向电源回馈能量VT2、VD1轮流导通，VT1始终截止。轻载电动运行：VT1、VD2、VT2、VD1轮流导通2.可逆直流脉宽调速系统主电路有H形、T形，其中H形变换器分为双极式、单极式、受限单极式三种。（1）双极式可逆PWM变换器VT1、VT4同时导通、关断，uG1=uG4VT2、VT3同时导通、关断，uG2=uG3=-uG40≤t<τ期间，uG1、uG4为正，VT1、VT4饱和导通，VT2、VT3截止，沿回路1流通，uAB=Usτ≤t<T期间，uG1、uG4为负，VT1、VT4截止，电枢电感释放储能，uG2、uG3为正，沿回路2流通，VD2、VD3续流，VD2、VD3压降使VT2、VT3承受反压，VT2、VT3不导通，uAB=-Us*第6章直流传动控制系统重负载：id1电机工作在I象限轻载：id2制动状态电枢平均端电压：Ud=τUs/T-(T-τ)Us/T=(2τ/T-1)Usρ=Ud/Us占空比ρ=2τ/T-1调速时：-1≤ρ≤11）ρ>0,uAB正脉冲较负脉冲宽时，电机正转2）ρ<0,uAB正脉冲较负脉冲窄时，电机反转3）ρ=0,电机不动，电枢两端瞬时电压、电流不为零，是交变的，平均值为零，平均转矩为零，但正大电机损耗，具有高频微振，消除正反向静摩擦死区电路电压平衡方程：0≤t<τUs=Raid+Ladid/dt+EMτ≤t<T-Us=Raid+Ladid/dt+EM特点：1）四象限运行2）电流连续3）电机停止时有微振电流，消除摩擦死区4）低速平稳性好，调速范围宽5）低速时每个功率管驱动脉冲较宽，确保功率管可靠导通不足：四个功率管处于开关状态，损耗大，容易发生上、下两管直通事故，可靠性降低，需要在驱动脉冲之间设置逻辑延时*第6章直流传动控制系统（2）单极式可逆PWM变换器VT1、VT2交替驱动，uG1=-uG2；VT3、VT4施加直流信号（3）受限单极式可逆PWM变换器3.脉宽调速系统的开环机械特性（1）机械特性--平均转速与平均转矩的关系Ud=ρUs平均电磁转矩T=KmId负载电流波动较小，忽略电枢回路电感两端电压LadId/dt，电压平均方程ρUs=RaId+EM=RaId+Ken机械特性方程为：n=ρUs/Ke-RaT/KeKM=n0-△n理想空载转速n0与ρ成正比I、II象限—不可逆系统，III、IV象限--可逆系统（2）受限单极式可逆电路轻载时出现电流断续情况，电压平均方程ρUs=RaId+EM=RaId+Ken不成立1）ρ一定时，负载越轻（平均电流越小），电流中断时间越长2）理想空载转速n0=Us/Ke，与占空比无关3）轻载时电流断续，非线性特征；负载增大到一定值电流连续，线性特性*第7章交流传动控制系统7.1交流传动系统1.直流调速:1)较大的起动转矩，良好的起动、制动性能2）较宽范围内性能平滑调速3）直流闭环控制理论和应用实践方面较为成熟4）产品特点，我国：模拟直流调速器国外：如欧陆直流数字调速器、西门子直流数字调速器5）体积大、结构复杂，容量受限制、价格高，但应用量大2.交流调速：20世纪20年代以来1）省去了换向器，结构简单、结实、紧凑、维修工作量小、运行效率高（>95%？）、转动惯量小、动态响应快定子传入转子的电磁功率PM，转差功率Ps=sPM，Ps去向是调速系统效率高低的标志，及s大Ps则大，效率低2）易于实现数字化，价格低廉、性能优良3）容易实现高电压、大容量、高速化4）交流调速发展方向：节能调速，如风机、阀门；高性能交流调速，如矢量变换控制系统；特大容量、极高转速交流调速，如厚板轧机、离心机等3．异步电动机调速系统分类针对交流异步电动机，假设：PM—又定子传入转子的电磁功率Ps=sPM—转差功率,衡量电机效率的标志同步转速：n1=60f1/p转差率s=(n1-n)/n1根据转差功率Ps去向，异步电动机调速系统分为（1）转差功率消耗型调速系统—变s，通过增加转差功率换取转速降低，效率随之降低，如：降电压调速、电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速*第7章交流传动控制系统1）降电压调速电磁转矩T与定子绕组上的电压U的平方成正比实现方式：20世纪50年代，在定子回路串饱和电抗器、定子侧加调压变压器—调压，不足之处是调压设备笨重庞大晶闸管交流调压、调速，特点为线路简单、调压装置体积小、价格低廉、使用维修方便，四象限运行，适合绕线式异步机、高转差率鼠笼异步机，，不足之处是不改变同步转速，转差功率消耗在电机转子中，变为热量，晶闸管调压装置输出到定子的电压为非正弦波电压，影响电机出力应用：电梯、卷扬机械、化纤机械，产品涉及2.2—32kW2）电磁转差离合器调速结构：鼠笼式异步机、电磁转差离合器、控制装置原理：鼠笼式异步机为原动机，以恒速带动电磁离合器电枢转动，同时，控制电磁离合器励磁电流调节磁极速度（由直流电产生静止的空间脉动磁场），该脉动磁场与电枢作用而产生电磁转矩特点：控制简单、价格低廉不足：效率低，低速运行损耗大、高速时效率为80—85%（2）转差功率回馈型调速系统--变s，转差功率通过变流装置回馈电网或加以利用，转速越低回馈功率越多，如：绕线式异步电动机转子串级调速1）绕线式异步电动机转子串级调速转子回路串接电阻*第7章交流传动控制系统（3）转差规律不变型调速系统—不变s，变同步转速n1，转差功率基本不变，如：变极调速、变频调速1）变极调速特点：电机定子绕组有多个抽头，再通过触点通断来改变电机极对数电机转速变化是有级的，一般有三档，最多五档定型产品1.5—200kW系统的效率及功率因数就是电机固有的2）变频调速变频器：交---直---交、交---交、PWM变频器PWM、多重化电流型、交---交变频器应用量大特点：高性能、高精度、大容量、微型化、数字化、智能化方向发展3）无换向器电动机结构：具有位置检测器、变频装置供电----同步电动机系统位置检测器、晶闸管分别代替了相当直流电动机的电刷、机械整流器特点：转速与频率永远保持同步关系，不发生失步现象起动、调速特性类似直流电动机克服了同步电动机缺点兼有同步电动机功率因数高的优点*第7章交流传动控制系统4.交流调速技术发展（1）相位控制：应用于交—交、交—直—交变频器整流器控制（2）VVVF控制：采用恒磁通变频控制（恒转矩控制，基频以下）原则（3）转差频率控制调速过程保持有限的转差频率值控制，获得高效调速方式。原理：在转差小时，T、转差频率fs及转子电流I2成正比，采用定子电流幅值I1和静态同步角频率ω1去控制变频器（4）PWM控制原理：采用一系列宽度不同、按一定时间序列排列的等幅脉冲方波来逼近一条正弦曲线，产生接近正弦的电压和电流；PWM波形生成方式：锯齿波比较法、微机查表法、实时计算法、自激振荡法（5）矢量变换控制原理：模拟直流电动机控制，经过坐标变换：定子电流I1分解成：磁场定向坐标的磁场电流分量I1M、转矩电流分量I1T（二者相互垂直），固定坐标系变换为旋转坐标系，解耦。根据旋转坐标系定向方法不同，分为：按转子位置定向、磁场定向、电动势定向的矢量控制系统。转差频率矢量控制系统，直接转矩控制系统（不作坐标转换，直接在静止坐标系中计算磁通、转矩，分别进行控制）（6）现代控制理论在交流调速中的应用：自适应、状态观测器（磁通观测器、力矩观测器）、前馈控制、滑模变结构控制、模糊控制（7）微型计算机控制：模拟技术转向数字技术，实现数字化调速*第7章交流传动控制系统5.电力电子器件发展 类型 代号 名称 不可控器件 D 整流二极管（Diode） 半控器件 Th，SCR 普通晶闸管，硅可控整流器（SiliconcontrolledRectifier） 全 电流控制器件 BJT（GTR） 双极型晶闸管Bipolar（电力晶闸管GiantTransistor） 控 GTO 门极关断晶闸管(GateTurn-offThyristor) 器 场 P-MOSFET 电力场效应晶体管(PowerMOSField-effectTransistor) 件 控 IGBT 绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor) 器 MCT 场控晶闸管(MOS-controlledThyristor) 件 SIT 静电感应晶体管(StaticInductionTransistor) SITH 静电感应晶闸管(StaticInductionThyristor) 功率集成电路 PIC 功率集成电路(PowerIntegratedCircuit)*第7章交流传动控制系统7．2交-直-交变频调速系统1.交-直-交电压型变频调速系统（1）原理整流器将交流整流成为直流---滤波---又逆变器将直流电逆变成交流电供给负载（2）特点1）电容滤波2）整流器为电压源3）逆变输出电压波形为矩形波4）电机电流为近似正弦波（3）问题1）电压型逆变器保护，包括短路等出现过流，切除（或断电）故障设备2）回馈制动。整流桥输出电压极性是固定的，制动过程回馈的交流电，经过在整流侧反并联一组逆变桥，实现可再生电能回馈交流电网2.交-直-交电流型CSI变频调速系统（1）特点电路简单、易于实现回馈制动、四象限运行，限流能力强、短路保护可靠（2）主电路与电压型逆变器区别1）逆变器直流侧采用大电感作为滤波元件，直流电路阻抗较大、电流源三相整流桥交流侧输入电流—120º方波交流电流三相逆变桥交流侧输入电流—120º方波交流电流大电感能够有效抑制故障电流上升率，实现较理想保护性能*第7章交流传动控制系统2）设有与逆变桥反并联的反馈二极管桥，整流桥、逆变桥的电流方向始终不变，再生能量可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反相，将能量返送交流电网，快速实现四象限运行，适用于频繁加速、减速、变动负载场合3）逆变器依靠逆变桥内电容器和负载电感的谐振来换流，逆变桥内没有电感，简化了主回路设计与制作（3）种类1）串联二极管式逆变电路的电流型变频器结构：晶闸管整流器、直流滤波电抗器、逆变器三部分原理：逆变器为120º通电型换流电器，任意瞬间只有两个晶闸管导通，电机轮流形成两相通电。正转—触发顺序VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6反转—触发顺序VT6、VT5、VT4、VT3、VT2、VT1各触发间相隔60º电度角，每个晶闸管导通120º，三相对称，互差120º突然降低逆变器输出频率，电机进入发电状态，逆变器工作于整流、整流器处于逆变，回馈交流电网2）采用集中电容换相的电流源逆变器结构：用一只电容，晶闸管分为主管、辅管特点：换相可靠（集中电容确保换相电压），主电路动态性能好，允许中间回路电源有较大脉动，起动性能好，正反转运行过渡方便，6个关断脉冲，电机频率达到200Hz，需要8个关断主管的辅助晶闸管*第7章交流传动控制系统3）采用GTO换相的电流源逆变器原理：VT1--VT6之间换向由GTO及附属二极管和换向电容构成电路实现特点：换相可靠，换相电容不需要预充电装置、电路接通后换相电压便自动建立，因无反充电过程，换相过程较上述主电路来得快，中间回路电流允许有较大的脉动，发电工况有较高限制功率，电机绕组间的换相与主晶闸管触发脉冲同时发生，适合进行矢量控制。4）电流型变频器的多重化技术一重化电流型变频器的电流波形为矩形波，必然产生高次谐波（5、7次），使得转矩产生脉动、引起附加损耗，导致电动机发热、出力减少、效率降低多重化技术：适合大、中容量电动机传动系统，一只主晶闸管元件作为一个桥臂，往往不能满足逆变器输出电流值要求，采取简单把多只晶闸管并联求得大容量，造成每次换相承受较大的无功能量，换相回路极不经济，分开了主晶闸管、换向回路，每次换相值与多重化连接成反比地减少，使换相量减小，负载电动机得到近似正弦波特点：输出为近似正弦阶梯波，避开了通常的传动机械系统的谐波频率，提高了负载运行效率，每次换相能量减小、可以选用电容量小、耐压低的换向电容器、主晶闸管耐压等级降低、经济，电流型逆变器多重化连接由几个三相桥式逆变器直接并联或经变压器并联所组成，换相功率与多重度n成反比，换相装置容量可以相对减小，适用于风机、泵类机械流量控制*第7章交流传动控制系统7．3PWM变频调速系统1.PWM型变频器工作原理（1）基本控制方式交—直—交变频器，由整流器、中间环节、逆变器组成电压型逆变器，根据逆变器的直流电压是否可变，分为两种基本控制方式：1）变幅PWM型变频器特点：晶闸管整流器、滤波电容器C、晶闸管逆变器组成输出电压、频率分别调节，调压----晶闸管整流器，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压调频----晶闸管逆变器，6只开关器件，按照脉冲调制方式进行2）恒幅PWM型变频器特点：二极管整流桥、滤波电容、逆变器组成逆变器输入为恒定直流电压调压----逆变器调频----逆变器优点：主电路、控制电路结构简单，只有一个可控功率级；二极管整流器代替了晶闸管整流器，有助于提高变频电源对交流电网的功率因数；系统动态性能得到改善，频率与电压都在逆变器内控制与调节，速度快、频率与电压配合好，动态性能好；负载供电波形接近正弦波，改善电机运行性能*第7章交流传动控制系统不足：低频、调制频率与输出频率之比固定时，高次谐波影响较大，电机转矩脉动噪声较大；调制频率与输出频率之比变化大时，控制电路复杂；器件工作与调制频率有关，部分器件开关损耗和换相电路损耗较大，且需要采用导通和关断时间短的器件（2）简单的PWM型变频器工作原理频率：改变T1、T4和T2、T3交替导通时间（调制周期）幅值：改变每半周期内T1、T4和T2、T3的通、断时间比（改变脉冲宽度）（3）单极性正弦波PWM调制原理脉宽调制方法：参考信号ur为单极性正弦波，uc为三角形载频取样信号要求大9倍以上调制脉冲极性—单极性、双极性载频信号和参考信号ur（期准信号）频率之间的关系—同步式、异步式正弦波脉宽调制SPWM：参考信号为正弦波的脉宽调制产生的调制波为等幅、等距、不等宽脉冲列单极性脉宽调制波形脉冲宽度基本成正弦分布，各脉冲与正弦曲线对应的面积近似成正比，比一般PWM调制波形更加接近正弦波SPWM逆变器输出基波电压大小和频率均由ur控制：变ur幅值：改变脉宽、改变输出电压大小变ur频率：改变脉宽、改变输出电压频率*第7章交流传动控制系统（4）双极性正弦波PWM调制原理单极性：需要”倒向控”制信号，双极性：不需要倒向控制信号2.PWM变频调速系统的控制方法（1）PWM控制的要求1）三相工作：把1/4正弦波以表的形式存储在存储器中，利用三相指示字就可以读出整个周期2）电压/周期要求：基频50Hz以下，恒转矩工作大部分频率范围内，保持电压/周期恒定，即维持恒定磁通量低频时（<50Hz），升高电压补偿定子所增加的电压降高于50Hz时，保持电压恒定，恒功率运行3）频率比的控制：开关频率与逆变器主电路输出频率，输出频率降低，需要增加开关频率与输出频率比值，使得逆变器输出电压谐波畸变最小，包括：异步调制—逆变器在整个输出频率范围内采用恒定开关频率分段同步调制—保持开关频率与输出频率的同步关系4）PWM/准方波运行：正弦波运行变成准方波运行，利用多重化技术5）最小脉宽控制：保证主电路内开关器件有最短的延迟时间，保证逆变器可靠换相6）开关方法：指定谐波消去法、自然采样法、规则采样法、空间矢量SVPWM法*第7章交流传动控制系统（2）指定谐波消去法特点：逆变器输出电压为一组等幅、不等宽脉冲波，半个周期对称控制方式：以消除某些指定次数谐波，计算和确定各个脉冲的开关时刻,不由三角载波与正弦波交点形成----SPWM控制模式例子：半周期内只有三个脉冲波的单极式SPWM波形，电压波形傅氏级数u(ωt)，第k次谐波幅值Ukm，对称脉冲波形，不存在偶次谐波，式中k为奇次，计算α1、α2、α3，消除5、7次谐波所应有的各脉冲开关时刻（3）自然取样法曲线：1--正弦调制波，2--三角形载波取样信号，3--得到合成脉冲，开关时间t1、t2，脉宽tp合成脉冲特点：脉冲中心非对称或非均匀间隔，利用超越方程表示t2-t1=计算脉宽困难，需要模拟自然取样过程，利用逻辑判断确定（4）规则取样法：周期T由t1—t4组成非对称采样：t1由三角形载波取样信号（最大峰值）确定，t2由三角形载波取样信号下降沿确定（幅值与t1时刻正弦波信号相等），t3由三角形载波取样信号（最小峰值）确定，t4由三角形载波取样信号上升沿确定（幅值与t3时刻正弦波信号相等）对称采样：t1由三角形载波取样信号（最大峰值）确定，t2由三角形载波取样信号下降沿确定（幅值与t1时刻正弦波信号相等），t3由三角形载波取样信号上升沿确定（幅值与t1时刻正弦波信号相等），t4由三角形载波取样信号（最大峰值）确定*第7章交流传动控制系统（5）空间矢量SVPWM法目标：变频器PWM控制输出磁通轨迹为近似圆周上均匀移动，以减小转矩的脉动，并控制转矩1）PWM逆变器输出电压矢量表示空间电压矢量v三相正弦交流电压，其瞬时空间电压矢量v为以ω角速度旋转的矢量，对应不同时刻处于空间不同位置磁通矢量：空间电压矢量v时间积分得到，比空间电压矢量v落后π/2旋转矢量，轨迹为圆三相逆变器输出电压Vu、Vv、Vw为：三相输出线电压uuv、uvw、uwu为：直流输入电流idc计算电压矢量v5(1,0,1)三相逆变器空间电压矢量：8种，v0(0,0,0)、v1(0,0,1)、v2(0,1,0)、v3(0,1,1)、v4(1,0,0)、v5(1,0,1)、v6(1,1,0)、v7(1,1,1)零矢量：v0(0,0,0)、v7(1,1,1)，电机三相绕组短路2）磁通轨迹控制逆变器基波频率一个周期分割成k个采样周期，T=2π/kω将空间平面电压矢量分成六个扇区，边沿各有一个电压矢量v1、v2利用磁通轨迹控制，分别实现开环、闭环控制*第7章交流传动控制系统7.4交—交变频调速系统1.基本原理（1）整流Ud=Edocosα控制角α：不变化，Ud为直流电α规律变化，Ud由最大变为零，再变为负最大，处于逆变状态两组变流装置反并联，一组为正（负载电流正半周流过）、另一组为负（负载电流负半周流过）（2）频率取决于α变化快慢，快，频率高，但含次谐波大。一般控制交—交频率为输入电源频率的1/3—1/2（3）电压α变化范围2.交--交变频分类（1）输入、输出相数：单相—单相，单相—三相，三相—三相、六相—单相、六相—三相（2）循环电流：有、无循环电流（3）输出电流波形：正弦波电压型、矩形波电流型（4）换流方式：他励、自励换流（5）输出频率控制方式：定频—定频、定频—变频、变频—定频、变频—变频（6）输出电压特性：定电压、不定电压常用：输入为三相定频、定压，输出为三相变频、变压，无环流、有环流*第7章交流传动控制系统3.交--交变频优缺点（1）优点：无直流环节，变频效率高、主回路简单、不含直流电路和滤波部分，靠自然换流、稳定、可靠，适合用于大功率低频范围（2）功率因数低、高次谐波多、输出频率低、变化范围窄、使用元器件多4.交--交变频应用（1）钢厂轧机主传动，无换流（2）异步电机双馈调速和交流励磁水轮发电机1）异步电机双馈调速：从转子输出转差功率，能够在低于同步转速范围内调速，即串级调速，通过控制电机的转差功率调速，调速装置容量要比控制总功率的定子变频调速装置小得多，成本低、损耗小、高次谐波影响小；从转子送入转差功率，能够在高于同步转速范围内调速，双馈调速；交--交双向传送功率、输出频率低，可在异步机同步转速上下范围调节同步转速：n1=60f1/p转子旋转磁场相对于转子转速：n2=60f2/pf2—转子励磁电源频率p--电机极对数n–电机转速转子磁场与转子方向一致时，n1=n+n2，电机低于同步转速运行f2增加，n2增加，n也增加；f2减小，n2减小，n也减小，由交--交变频装置流向电机转子双馈调速装置容量为串级调速一半，因可以在同步转速上下、转差率范围调速*第7章交流传动控制系统2）交流励磁水轮发电机传统水轮发电机—直流励磁、同步电机交流励磁水轮发电机—绕线转子异步电机，交--交变频励磁应用：水电站、蓄能电站、潮汐发电、风力发电、中大容量风机、泵调速应用3）电气化铁路磁悬浮直线电机电源16kVA，循环电流交—交变频实用化4）电力系统无功补偿，输入电源频率500Hz、输出50Hz，与电网连接，控制向电网供给领先或滞后无功功率5）感应加热用电源，由三相交流直接变为1kHz单相交流电，作为感应加热用6）50—60Hz联网变频装置，若有两个电网频率不同，由交--交变频可以使得两网相连、交换频率*第7章交流传动控制系统7.5矢量控制系统1.基本原理（1）标量控制—V/f比值恒定（2）矢量控制—幅值、相位角控制1971年，西门子“感应电机磁场定向控制原理”美国“感应电机定子电压的坐标变换控制”交流电机控制类似控制他励式直流电机1）直流电机：电枢磁通势与定子励磁磁通势处于空间正交磁通控制—调节励磁电流转矩控制---调节电枢电流2）交流电机：只有定子侧有电源输入，需要分开产生转矩、磁场的电流矢量控制利用电磁解耦方法区分开产生转矩的电流、产生磁通的电流将交流电机模型转变为旋转的直流电机模型，再象他励直流电机控制（3）三相异步机数学模型等效为绕线式转子，并折算到定子侧定子三相绕组A、B、C在空间上固定A轴为参考坐标轴，转子绕组a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间电角度θ为空间角位移变量1）电压方程u=Ri+pΨ2）磁链方程Ψ=Li每个绕组磁链：本身自感磁链+互感磁链磁链方程代入电压方程，展开后得：u=Ri+Ldi/dt+dL/dθωi（脉动电动势）（旋转电动势）*第7章交流传动控制系统3）运动方程Te=TL+J/npdω/dt+Dω/np+Kθ/np恒转矩负载，K=0，D=04）转矩方程Te=1/2npiTәL/әθi5）三相异步机数学模型多变量数学模型：或非线性状态形式：（4）坐标变换电动机模型彼此等效原则：不同坐标系下产生的磁通势相同A-B-C坐标：三相交流绕组产生的合成磁通势为旋转磁通势F、速度ω1α-β坐标：两相空间上相差90º、静止绕组α、β,通以时间上相差90º的交流电流M-T坐标：匝数相等、互相垂直绕组M、T，通以直流电流im、in，绕组ω1旋转，F相对M-T坐标静止，若控制磁通在M轴上，就与直流电动机模型一致了，M为励磁绕组、T为电枢绕组1）功率不变条件下的坐标变换阵：基于正交变换2）3/2变换：三相静止坐标（A、B、C）—二相静止坐标（α、β）变换二相功率为三相每相功率的3/2倍，二相绕组每相匝数为三相绕组每相匝数的3/2倍3）2s/2r变换：二相静止坐标（α、β）、二相旋转M-T坐标变换4）3s/2r变换：三相静止坐标（A、B、C）、二相旋转（d、q、0）坐标变换*第7章交流传动控制系统（5）异步电动机在任意二相旋转坐标系下的数学模型三相静止坐标（A、B、C）变换到任意二相旋转（d、q、0）坐标定子：下角标1转子：下角标2（6）异步电动机在二相静止坐标系下的数学模型异步电动机在二相静止坐标系（α、β、0）下的数学模型（7）异步电动机在二相同步旋转坐标系下的数学模型异步电动机在二相同步旋转坐标系下的数学模型，二相同步旋转坐标系（d、q），旋转速度等于定子频率同步角速度ω1，即坐标系相对于定子角速度，d、q轴相对于转子角速度：ω12=ω1-ω=ωs特点：A、B、C坐标系中的变量为正弦函数，d、q、0坐标系中变量是直流（8）异步电动机在二相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的数学模型—M、T坐标系数学模型A、B、C静止轴系：方程复杂、变系数方程，坐标变换为常系数方程M、T、0：又称为dc、qc、0同步坐标系统，实质是使复数坐标系的实轴与电动机的转子磁通轴重合，随电动机一起同步旋转转子磁链定向：转矩表达式十分简洁，调节定子电流转矩分量，可以调节转矩，不会导致磁通变化，磁通调节依靠定子电流励磁分量完成转子磁链定向—定子电流—转矩分量—调转矩励磁分量—调磁通*第7章交流传动控制系统2.矢量控制系统构成（1）组成：电动机磁场检测、转矩电流调节环、励磁电流调节环、速度调节环、磁链调节环，主回路构成。7.6直接转矩控制系统（1）矢量控制：异步机等效为直流机控制不足：转子磁链难以准确控制，尤其是难以确定其空间相位角φ需要反复进行坐标变换与反变换运行过程电机转子参数变化较大，影响控制效果（2）直接转矩控制：1985年德国、日本学者提出特点：1）在定子静止坐标系进行，不需要进行静止坐标系和旋转坐标系的变换运算，简化了信号的处理过程、提高了控制运算速度；2）数学模型建立在定子静止坐标系，只涉及定子电压、电流、磁链，控制性能不受转子电路参数影响；3）闭环控制电磁转矩，快速，转矩、磁链采用直接反馈双位式BANG-BANG控制，简化了控制结构，引起的转矩波动可以通过改变滞环调节器容差抑制；4）采用电压空间矢量控制，控制逆变器的六个开关器件，比分相控制的SPWM逆变器器件开关次数少、损耗小*第7章交流传动控制系统1.基本原理（1）基本定义在定子坐标系,异步电动机的电磁转矩为：T=Ψasiβs-Ψβsias式中：Ψas、Ψβs—为Ψs在a、β轴上的分量ias、iβs为定子电流综合矢量is在a、β轴上的分量直接转矩控制，需要测得T作为反馈量，困难！间接测量：利用定子电流is、定子磁链Ψs计算电动机电磁转矩测得is、Ψs在a、β轴上的分量，再计算T，作为反馈量参加控制实测电动机三相定子电流，在静止坐标系经3/2相变换---ias、iβs经过磁链观测----Ψas、Ψβs（2）定子磁链模型间接法求取定子磁链Us=isRs+dΨs/dt，Ψs=∫(Us-isRs)dt定子磁链Ψs的a、β轴分量Ψas、Ψβs与定子电压的a、β轴分量Uas、Uβs间存在关系：Ψas=∫(Uas-iasRs)dt=∫EasdtΨβs=∫(Uβs-iβsRs)dt=∫Eβsdt特点：简单、可行不足：1）模拟积分器存在漂移、误差问题；2）低速时定子电压减小，isRs补偿不准确，定子磁链误差增大；3）电机不转时，定子电压为零，无法计算定子磁链值；4）低速区，利用磁场定向矢量控制时的定子电流、转速磁链模型法计算，10额定转速之上，采用高速区模型*第7章交流传动控制系统（3）磁链运动轨迹控制和旋转角速度控制定子电压空间矢量Us(000)、Us(001)、Us(010)、Us(011)、Us(100)、Us(101)、Us(110)、Us(111)，其中，6种为有效工作模式、2种为零工作模式（4）电磁转矩控制2.直接转矩控制系统构成定子电流、电压经过3/2变换成ias、iβs，Uas、Uβs，得到定子电流、电压综合矢量：is=ias+jiβs，Us=Uas+jUβs7.7绕线式异步电动机调速系统1.基本原理转子绕组通过滑环与外部电气设备连接,可以在转子侧引入控制变量实现调速2.绕线式异步电动机调速系统构成(1)转子回路串电阻:负载转矩TL不变,转子电阻增大,则转速下降不足:1)调速是有级的不平滑;2)串入较大附加电阻后,电动机机械特性很软,低速时负载变化对转速影响大;3)低速运行效率甚低,异步机经过气隙传送到转子的电磁功率,一部分成为机械输出功率,另一部分成为转差功率转化为转子回路中的铜损,以发热形式消耗掉.不适合大中容量绕线转子异步机长期低速运行,该调速方法效率低(2)转子串Ef的串级调速:*第7章交流传动控制系统(2)转子串Ef的串级调速----超同步串级调速系统附加电动势Ef与转子电动势同频率,改变其幅值大小、相位实现调速1）低速时，转差功率小部分被转子绕组本身电阻消耗掉，大部分被Ef吸收，设法将该转差规律反馈给电网，提高电动机低速运行效率2）异步机转子感应电动势E2的频率随转速变化，因此，要求Ef的频率可调、三相变频器，双向传递功率，且能够杂子电动运转状态下实现超过同步转速的调速（超同步串级调速系统）例如：ALSTHOM产串级调速装置，3760kW，频率：36Hz—64Hz，能够实现朝同步串级调速，以及低同步转速运转时电动机能产生电气制动转矩。（3）转子回路串直流附加电动势Ef---低同步串级调速系统1）采用不可控转子整流器，转差功率只能单向通过转子整流器送出来，直流附加电动势Ef吸收再反馈电网，无法实现电网向电动机转子输入转差功率2）调速系统不能工作于：高于同步转速电动状态、低于同步转速发电制动状态3）种类：恒转矩电动机型串级调速系统（电气串级）、恒转矩晶闸管串级调速系统（晶闸管串级）、恒功率电机型串级调速系统（机械串级）4）优点：效率高达90%，低速时下降不多；调速范围不大时，逆变装置容量较小、耐压较低，优于直流调压、调速；无级调速；安全、可靠。不足：功率因数低*第7章交流传动控制系统7.8永磁同步位置伺服系统1.基本原理2.永磁同步位置伺服系统构成*第8章步进电动机传动控制系统8．1步进电动机基本结构与原理1.定义将输入的脉冲信号转换为输出轴的角位移的执行元件（1）步距角—每输入一个脉冲信号，电动机的输出轴转过的一个固定角度，即为步距角转角：为步距角整数倍（2）转速—与信号脉冲频率成正比2.分类（1）反应式（磁阻式）、永磁式、混合式（2）三相反应式步进电动机定子：硅钢片叠成，6个极，装有线圈，相对两个极上的线圈串联起来组成三个独立的绕组，该独立绕组数即为步进电机相数，各个绕组轮流通入电流1）单三拍：W、V、W2）双三拍：UV、VW、WU3）单、双相间六拍：U、UV、V、VW、W、WU转子：硅钢片叠成，转子有四个齿，其上无励磁绕组、永久磁钢，转子按照定子通电顺序旋转1）齿距角Θz=360º/z（z为转子齿数）2）步距角Θs=Θz/N=360º/zN（N为一个循环中通电的拍数）3）转速：n=60f/zN（r/min）3.特点：增加齿数，如z=60，增加拍数，可以提高控制系统精度*第8章步进电动机传动控制系统8．2步进电动机的运行特性1.静态运行（1）矩角特性：保持步进电动机为某一通电状态时，测量转子在不同的角度位置所受到的电磁转矩，反映电磁转矩与偏调角的关系。（2）最大静转矩Tmax，失调角，静稳定区2.步进运行（1）步进运行：信号脉冲频率足够低，待到转子的前一步运动完全结束后，后续脉冲才继续到来（2）相邻两拍通电状态矩角特性的关系：横轴上相差一个步距角1）电动机无负载：曲线1上稳定点Oa，跳跃到曲线2上b点，Tb>0,转子向Θ增大方向运动，到达曲线2新的平衡点Ob；2）电动机带轻载TL1=Ta1（平衡点于曲线1的a1点），跳跃到曲线2上b1点，Tb1>TL1,转子向Θ增大方向运动，到达曲线2新的平衡点b’1点；3）电动机带重载TL2=Ta2（平衡点于曲线1的a2点），跳跃到曲线2上b2点，Tb2<TL2,转子无法转动4）Ts：最大负载转矩、步进转矩，Ts<Tmax，步距角越小，Ts越大，接近Tmax3.连续运行（1）提高控制系统的响应速度，要求增加输入信号脉冲频率，电动机转子不是一步一步地作步进运动，而是处于连续旋转状态（2）转子总是在本拍达到平衡位置之前就已切换到下一拍运行，需要检查新的工作点上电磁转矩是否足以带动负载继续向前旋转*第8章步进电动机传动控制系统（3）稳定裕量：角度区间（Θb1,Θoa），步距角越小，稳定裕量越大，电动机转子更加容易实现连续过渡（4）步进电动机矩频特性：兼顾定子绕组驱动回路中的电感、电阻，转子轴系转动惯量等，步进电动机存在一个最高工作频率、一个最高起动频率8．3步进电动机的驱动控制电路1.驱动电源构成（1）驱动电源向转子提供励磁电流（2）构成：环行分配器—接收输入脉冲信号、旋转方向指令，每来一个信号脉冲，输出状态改变一次功率放大器—与步进电动机各相绕组相连，每一相绕组串接一个功放管，控制绕组电流的导通、截止，最高电压、电流2.功率放大器分类：（1）电压型功放电路：电流上升、下降过程控制（2）斩波恒流型功放电路1）续流电阻R2）滞环比较，控制电流幅值在一个小范围内波动（3）特点：斩波恒流型功放电路较电压型功放电路能够更加有效地控制驱动电流波形，改善电动机输出转矩平稳性，明显提高步进电动机系统的高频响应特性（4）其他电路：双电压、升频升压、角度细分功放电路*第8章步进电动机传动控制系统9.1电机起动技术与装置9.1.1电机起动技术原理（1）起动电流Ist（2）起动转矩（3）起动方法*第9章9.1.2晶闸管软起动器9.1.3液体电阻软起动器9.1.4热变液阻软起动器9.1.5开关变压器式软起动器9.1.6电抗器软起动器9.1.7磁控软起动器9.2电机变频技术与装置9.2.1变频调速技术原理9.3高压变频器技术及产品9.3.1高压变频器9.3.2高压变频器产品及应用9.4电机系统节能及分析方法9.4.1电机系统节能9.4.2电机系统节能技术9.4.3电机系统节能产品9.4.4电机系统节能评估、分析及节能产品认证9.4.5全寿命成本分析法******************************************************************************************************