2013哈工大继续教育电气专业心得体会

交流拖动控制系统学习心得体会

通过本次2013年度专业技术人员继续教育知识更新培训我学习了电力拖动自动控制系统下篇--交流拖动控制系统，电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。

一、交流拖动控制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和伺服系统  特大容量、极高转速的交流调速 （一）、 一般性能的节能调速

1、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、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，需要调速时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。

3、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。

（二）、高性能的交流调速系统和伺服系统

1、交流电机性能远远优越于直流电机，如果改成交流拖动，显然能够带来可观的效益。以前，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。

2、20世纪70年代初发明了矢量控制技术，使交流电机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。

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3、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和交流伺服系统。

（三）、特大容量、极高转速的交流调速

1、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。

2、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

二、交流调速系统的主要类型

（一）、交流调速系统的主要类型——按电动机的调速方法分类 交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。常见的交流调速方法有：

1、降电压调速 2、转差离合器调速 3、转子串电阻调速

4、绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 5、变极对数调速 6、变压变频调速

（二）、交流调速系统的主要类型——按电动机的能量转换类型分类

按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率。

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，标志系统效率的高低。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。

1、转差功率消耗型调速系统

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2、转差功率馈送型调速系统 3、转差功率不变型调速系统

三、闭环控制的异步电动机变压调速系统— 一种转差功率消耗型调速系统

（一）异步电动机变压调速原理 异步电机的电磁转矩为：

TePm3npIr'2Rrs'm111sRsRrs1LlsLlr'22'3npRrUs'22当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。

（二）、变压调速方式下的机械特性

n n0 sm 恒转矩负载特性 A C 0.5UsN B D E 0.7UsN 风机类负载特性 F UsN O TL 异步电动机在不同电压下的机械特性 Temax Te 带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超过 0 ~ sm ，调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。

1、交流力矩电动机的机械特性

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为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-5。

显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。

2、晶闸管交流调压器的实现

一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，用相位控制改变输出电压。

能耗制动：可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如只让 1，2，6 三个器件导通，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。

（三）、闭环控制的变压调速系统及其静特性

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普通异步电机变电压调速范围很窄，高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围但机械特性又变软。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围较大时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图5-6a）。

图5-6b所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在A 点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A´。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A´´。

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（四）、闭环变压调速系统的近似动态结构框图

转速调节器ASR是常用PI调节器；晶闸管触发和整流装置在动态中可以近似成一阶惯性环节；考虑到测速反馈滤波作用，FBS的传递函数可近似成一阶惯性环节；

异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，不可能用一个传递函数来准确描述其输入输出关系。

可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。

（五）、变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用 中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至根本起动不起来。必须采取措施来降低其起动电流。

在轻载时，电动机转子电流 Ir¢ 比额定负载时下降很多。而定子电流受励磁电流的牵制，并没有像转子电流降低得那么多。如果电动机长期轻载运行，将无谓地消耗许多电能。

采用降压措施， 可以实现软起动和降压节能。

四、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

变压变频调速系统简称为变频调速系统。变频调速特点：调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，效率高，动态性能好，可与直流调速系统媲美。应用范围非常广范。

（一）、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 Fm 为额定值不变。磁通太弱则没有充分利用电机的铁心；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

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要对电枢反应有恰当的补偿， Fm 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通 Fm 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要采取特殊措施。

（二）、电压－频率协调控制时的机械特性 1、恒压恒频正弦波供电时的机械特性

当定子电压 Us 和电源角频率 w1 恒定时机械特性 Te= f (s)为

2UsTe3np1's1Rr(sRR')2s22(LL')2sr1lslr

2、基频以下电压-频率协调控制时的机械特性

在基频以下采用恒压频比控制时，同步转速和带负载时的转速降落分别为

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n06012πnpnsn0602πnps1

3、基频以上电压-恒压变频控制时的机械特性

当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。

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（三）、电力电子变压变频器的主要类型

变频调速系统需要有能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。早期的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。现都采用电力电子变压变频器。

(四)、变压变频调速系统中的PWM技术

采用半控式的晶闸管构成的交-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），逆变器的输出波形有较大的低次谐波，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。20世纪80年代，全控式电力电子开关器件出现之后，开发了应用PWM技术的逆变器。由于它的优良技术性能，除特大容量以外，变频器都已采用这种技术。

1、正弦波脉宽调制(SPWM)技术

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2、正弦波脉宽调制(SPWM)技术

3、电流滞环跟踪PWM控制技术

用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM ——CHBPWM）控制。

4、电压空间矢量PWM控制技术

SPWM控制主要着眼于使逆变器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形；电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，

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使之在正弦波附近变化。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。

如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。

（五）、基于异步电动机稳态模型的变压变频调速

交流异步电机磁通的空间位置相对于定子和转子都是运动的，难以独立控制，不易实现很高的动态性能。

对于并不需要很高的动态性能，只需在一定范围内调速，可以只用电机的稳态模型来设计控制系统，采用恒压频比转速开环控制方案；如果要求稍高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。

两类基于稳态数学模型的变压变频调速系统：转速开环恒压频比控制调速系统和转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统。

（六）、异步电动机的动态数学模型和坐标变换 基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。

（七）、基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。经过

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多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。

（八）、基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。

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