《交直流调速系统》(第三版)绪论

2020年3月29日星期日
重庆工业职业技术学院
交直流调速系统
闭环控制策略
哪
里
*
r＋
－
r
位 置
＋ r*
控
制 器
－
r
速 度 控
＋Te*
制－
器 Te
转 矩
i＋*
控
制－
器i
电 流 控 制 功 能
电 动 机
转 矩 检 测 器
机 械 负 载
有 逻 辑 ， 那 里 就
有
自
r s
动 化 控
制
转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统
交直流调速系统 变频技术的物质基础
开关器件的发展是改变同步 频率的关键技术
哪
变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在变 里
频器中，开关器件必须要满足一定的条件，这些条件是：
有 逻
辑
（1）能承受足够大的电压和电流。
电压必须在1000V以上， 电流必须在700A以上
， 那 里
就
（2）允许长时间频繁地接通和关断。
辑 ，
变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）
那 里
序号
优
点
就 有
1
平滑软启动，降低启动电流，减少变压器占有量，确保电机安全
自
2
在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度
动 化
3
无级调速，调速精度大大提高；节能。
控
4
电机正反向无需通过接触器切换
制
5
非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制
交直流调速系统
电源
主控制器 运动控制器 驱动器 电动机 机械系统
哪
里
反馈装置
有 逻
运动控制系统结构
部分 —— 电力传动与系统
辑 ， 那
主控制器/运动控制器：PC/PLC
里 就
电动机 电动机分类
有 自
控制设备：电力电子变流装置
动
反馈部分 —— 运动参数的测量和反馈
化 控
传感器 传感器分类
制
控制策略:开环控制、闭环控制
运动控制系统的应用领域：
哪
军事自动化（MA）：
里
雷达追踪、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态等
有 逻
工厂自动化（FA）：
辑 ，
加工中心、工业机器人、风机水泵、轧机等动等
那 里
办公自动化（OA）：
就 有
磁带机、磁盘驱动器、数控绘图机、打印机等
自 动
家庭自动化（HA）：
化 控
录像机、CD机、冰箱、洗衣机等
制
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Fm：1KHz-10KHz
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交直流调速系统
变频技术的理论基础
控制理论不断成熟
早期通用变频器主要采用恒压频比（V/F） PWM控制方 哪
里
式，随着矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现使得电
有 逻
动机变频后的机械特性可以和直流电机相媲美。
辑 ，
那
里
就
U/f控制
基于变压器
里 就 有 自 动 化 控 制
电压、电流的测量：霍尔传感器
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交直流调速系统
交流调速技术的发展历程
定义：以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流
（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。
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交直流调速系统
5.变频调速的发展历程
60年代 70年代 80年代
90年代
00年代
电机控 制算法
功率器件
V/F控制
矢量控制
SCR
GTR
IGBT
无速度矢量控制 电流矢量V/F
IGBT大容量化
计算机 技术
PWM技术
单片机DSP
高速DSP 专用芯片
化
✓ 位置控制
控
制
开环（步进电机）、闭环（伺服电机）
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交直流调速系统
闭环控制策略
控制器：
哪
里
✓ 通用控制方法
有 逻
PID控制、自适应控制、Fuzzy控制等
辑 ，
那
✓ 特定控制策略
里 就
针对交流电动机的转矩控制有：
有 自
VVVF控制、矢量控制、直接转矩控制
哪
为变频器的发展提供了划时代的基础硬件）
里 有
门极可关断晶闸管（GTO） （20世纪60年代）
逻 辑
电力晶体管（GTR） （20世纪70年代）
， 那
电力场效应晶体管（MOSFET） （20世纪70年代）
里 就
绝缘栅双极晶体管（IGBT） （20世纪80年代）
有 自
集成门极换流晶闸管（IGCT） （20世纪90年代）
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交直流调速系统
直线坐标
直线光电编码器 直线同步感应器
传感器
位置的测量
电位器
旋转坐标
旋转光电编码器 绝对旋转编码器
旋转变压器
测速发电机：交、直流
哪 里 有 逻 辑 ， 那
速度的测量
数字测速
基于脉冲信号 基于微处理器
基于应变片
转矩的测量 基于磁性齿轮
有
性能优良，对硬件要求不高
性能较差，对硬件要求较高
逻 辑
电机有换向电刷（换向火化）
电机无电刷，无换向火化问题
， 那
电机设计功率受限
电机功率设计不受限
里
就
电机易损坏，不适应恶劣现场
电机不易损坏，适应恶劣现场
有
自
需定期维护
基本免维护
动
化
20世纪70年代以前直流占统治地位，交流电机只在定速机械上使用。
是三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构
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交直流调速系统
闭环控制策略
✓ 转矩控制
哪
对转矩的控制通常通过控制电流来实现
里 有
在运动控制系统中，转矩控制是最基本的控制
逻 辑
，
性能评价：稳态精度、动态响应速度
那
里
✓ 速度控制
就 有
开、闭环（交、直流电动机）
自 动
电机最大出力能力不变，效率高
有
交流同步电动 系统复杂，性能好
自
机
可以和直流调速系统相媲美
动 晚化
在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用
控 制
三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉
还是在一些性能较低的传动现场使用
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那 里
（2）直流调速 ：直流电机体积大、造价高、维护复杂、不节能；
就 有
调速性能较好（调速方便、调速连续性、机械特性硬度）
自 动
（3）交流调速：电机体积小、价格低、性能好、维护方便、节能、化控
控制精度高。
制
（4）U/f控制 矢量控制 直接转矩控制 绿色变频器
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交直Байду номын сангаас调速系统
闭环控制策略
✓ 位置控制
将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到
哪 里
有
另一确定的空间位置
逻
辑
✓ 速度控制
，
那
以确定的速度曲线使负载产生运动
里
就
✓ 转矩控制
有 自
维持转矩的恒定或遵循某一变化规律
动 化
控
并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般 制
逻 辑 ， 那
运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节以及形成
里 就
有
准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题。
自
动
化
运动控制系统按照被控物理量可划分为：
控
制
调速系统（以转速为被控量）；伺服系统（以位移为被控量）
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交直流调速系统
控制目标：位置、速度、加速度、转矩/力控制
交直流调速系统
《交直流调速系统》绪论
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交直流调速系统
运动控制的认识
过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大
工业自动化 运动控制：针对在机复械杂运条动件过下程，，时将间预常定数的小
哪 里 有
运动控制的研究内容： 控制方案、规划指令转变 成期望的机械运动
处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及这些
控 制
20世纪90年代中期交流变频调速逐渐成为调速领域的主角。
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交直流调速系统
交流异步电机的机械特性公式 n＝60f/p(1-s) n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数 s：转差率
交流同步电机的机械特性公式 n＝60f/p n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数
动 化
控
制
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交直流调速系统
直流电动机
电动机
变压器（静止不动）
哪
交流电动机
同步电动机
里 有
旋转电机
逻
异步电动机
辑 ，
那
里
伺服电动机：改善定位精度
就 有
特种电机 步进电动机：实现增量运动
自 动
………
化
控
制
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矢量控制
直接转矩控制
有 自
动
绿色变频器
化 控
制
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交直流调速系统
1.变频器概念：
由计算机控制电力电子器件，将工频交流电变为频率和电
压可调的三相交流电的电气设备，用于驱动交流电动机进
哪
里
行连续平滑的变频调速。
有
逻
2.调速系统的发展历程
辑
，
（1） 定速拖动： 电机转速不可调
电流控制
Um：500-600V
辑
Im：4000-6000A Fm：1KHz-10KHz
， 那 里
就
绝缘栅双极晶体管 IGBT
电压控制
Um：1800-3300V
有
Im：800-1200A Fm：20KHz-50KHz
自 动 化
控
集成门换流晶体管 IGCT
电压控制
Um：500-600V
制
Im：4000-6000A
哪
端设备的速度或输出转矩。
里
有
电气传动的意义：
逻
辑
序号
意义
有代表意义的行业或设备
，
那
1
节能
风机、水泵、注塑机
里
2
提高产品质量 机床、印刷、包装等生产线
就 有
3
改善工作环境 电梯、中央空调
自 动
化
注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能
控 制
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交直流调速系统
动 化
智能功率模块（IPM）---组件）（20世纪90年代）
控 制
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交直流调速系统
名称
代号
控制方式
最大电压电流及频率
双极型晶体管
BJT
电流控制
Um：450-1400V
GTR
Im：300-800A
哪
Fm：10KHz-50KHz
里
有
逻
门极关断晶闸管 GTO
交直流调速系统
3.交流电气传动系统的发展历程
调速方式名称
控制对象
特点
早
变极调速
有级调速，系统简单，最多4段速
发
哪 里
调压调速
交流异步电动 机
转子串电阻调速
无级调速，调速范围窄 电机最大出力能力下降，效率低 系统简单，性能较差
展有 逻
时辑 ，
间那
交流异步电动 真正无级调速，调速范围宽
里 就
变频调速
机
直流电动机电枢电
压只能做到1000多
交直流电气传动的特点： 伏，转速每分钟数
百转到1000多转。
交流电动机电压可 做到6～10kV，转 速可达每分钟数千
转。
直流电气传动系统特点：
交流电气传动系统特点：
控制对象：直流电动机
控制对象：交流电动机
哪
控制原理简单，一种调速方式
里
控制原理复杂，有多种调速方式
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N：速度 n0
负载1 n0
异步电动机发明于19世纪八
十年代，变频器成功于20世
纪八十年代。
为什么期盼异了步近机机百械年特？性 哪
里
有
逻
辑
T：电机力矩
， 那
负载2
里 就
同步机机械特性 有
自
动
化
控
制
T：电机力矩
负载1
负载2
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交直流调速系统
单相逆变电路工作原理
有
自
动
（3）接通和关断的控制十分方便。IGBT的特点：
化 控
➢ 耐压1200V
制
➢ 开关频率高达30 ～ 40KHZ
➢ 驱动电路电流小，功耗很少
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交直流调速系统
变频器开关器件种类
变频器起步于晶闸 管，普及归功GTR，
提高全靠IGBT
晶闸管（SCR）（20世纪50年代美国通用电气公司
交直流调速系统
4.变频调速的优势
变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电
压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简
哪
称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency））
里
变频器的控制对象：
有 逻
三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极
U1
S1,S3导通
哪
S1
S2
S2,S4导通 S1,S3导通 里 有 逻
f1
辑
Ed
U1
Ed
， 那
S1,S3导通
里
S4
S3
S2,S4导通
S2,S4导通
就 有
逆变器的功能：
f2
自
动
化
通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率
控 制
通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序
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交直流调速系统
运动控制系统结构
PC/PLC
主控制器
敏捷驱动装置
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PLC
变流装置
传动装置
电源
定位平台
哪 里
旋转平台 有
逻
辑
，
运动控制器 驱动器 电动机 机械系统
那
里
就
反馈装置
有 自
动
化
控
旋转变压器
直流电动机
制
编码器
伺服电动机
电位器
步进电动机
测速发电机
直重线庆电工动业机职业技术学院
哪 里
构成：
有
逻
辑
交流电源 输入
直流 调速 装置
直流输出 直流 电机
中间传动机构
，
终端机械
那
里
就
有
自
动
交流 调速 装置
交流输出
交流 电机
皮带轮、齿轮箱等
化 风机、泵等 控
制
变频器
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执行机构
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交直流调速系统
电气传动的目的：
根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终