第5章交流调速系统文档格式.docx
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图中,UN表示额定定子电压。
由图可见,带恒转矩负载TL工作时,普通笼型异步电动机变压时的稳定工作点为A、B、C,转差率
的变化范围为0~smax,调速范围有限。
如果带风机类负载运行,则工作点为D、E、F,调速范围可以稍大一些。
为了能在恒转矩负载下扩大调速范围,并使电动机能在较低转速下运行而不至于过热,就要求电动机转子有较高的阻值,这样的电动机在变电压时机械特性如图5-3所示。
显然,带恒转矩负载时的调速范围增大了,即使堵转工作也不会烧坏电动机,这种电动机又称作交流力矩电动机。
图5-2异步电动机变压调速的机械特性图5-3 高转子电阻电动机变压调速的特性
综上分析,采用普通异步电动机的变电压调速时,调速范围很窄,采用高转子电阻的力矩电动机虽然可以增大调速范围,但其机械特性又变软,因而当负载变化时转速波动很大。
由此说明,开环控制很难解决这些问题,为了提高调速精度需要采用闭环控制。
5.1.3转速反馈闭环控制的异步电动机变压调速系统
(1)系统组成与工作原理
异步电动机变压调速转速反馈闭环控制系统结构如图5-4所示,系统的工作原理是:
转速给定信号Un*与来自测速发电机TG的转速检测信号Un相比较,通过转速调节器ASR进行转速闭环控制。
改变转速给定信号Un*,则静特性平行地上下移动,达到调速的目的。
图5-4转速反馈闭环控制的异步电动机变压调速系统原理图
(2)系统静态结构与静特性
根据系统原理图,可以画出如图5-5所示的系统静态结构框图,图中,Ks为GT和TVC装置的放大系数,且有Ks=Us/Uc;
Kn为转速反馈系数,即Kn=Un/n;
转速调节器ASR根据其采用何种控制策略而定;
n=f(Us,Te)由式(5-1)给出,为一非线性函数。
图5-5异步电动机变压调速系统静态结构
图5-6异步电动机变压调速闭环控制系统的静特性
当系统带负载TL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,会在左边一条机械特性上找到定子电压低一些的工作点A’’。
按照反馈控制规律将A’’、A、A’连接起来便是闭环控制系统的静特性。
尽管异步电动机的开环机械特性和直流电动机的开环机械特性差别很大,但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点,连接起来便得到闭环系统的静特性,这样的分析方法对两种电动机是完全一致的。
尽管异步力矩电动机的开环机械特性很软,但由系统放大倍数决定的闭环系统静特性却可以很硬。
异步电动机闭环变压调速系统不同于直流电动机闭环变压调速系统的地方在于:
静特性左右两边都有极限,不能无限延长,它们是额定电压UsN下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性。
当负载变化时,如果电压调节到极限值,闭环系统便失去控制能力,系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。
(3)系统近似动态结构框图
如果对系统进行动态分析和设计,需要给出动态结构框图。
这里考虑到异步电动机变压调速适用于性能要求不高的场合,仅采用异步电动机的简化模型式(3-22)。
根据系统原理图画出的近似动态结构如图5-7所示,图中各个环节的传递函数取自如前介绍,这里ASR采用PI调节器,交流调压器的传递函数近似为一阶惯性环节。
按此动态结构,如果已知系统各个环节的参数,可以进行系统分析;
如果给定被控对象参数及系统性能指标,可以设计ASR调节器参数以满足系统要求。
图5-7异步电动机变压调速系统近似动态结构图
5.1.4变压控制在异步电动机软起动中的应用
除了调速系统外,异步电动机的变压控制在软起动器中也得到了广泛的应用,本节主要介绍它们的基本原理。
对于小容量异步电动机,只要供电网络和变压器的容量足够大(一般要求比电机容量大4倍以上),而供电线路并不太长(起动电流造成的瞬时电压降落低于10%~15%),可以直接通电起动,操作也很简便。
对于容量大一些的电机,问题就不这么简单了。
根据式(3-13)和式(3-14)的电流和转矩方程式,异步电动机在工频供电且刚起动时,
,电流公式可以简化为
(5-4)
相应的起动转矩为
(5-5)
由式(5-4)和(5-5)不难看出,在一般情况下,异步电动机的起动电流比较大,而起动转矩并不大,其机械特性如图5-8所示。
对于一般的笼型电动机,起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为
起动电流倍数
(5-6)
起动转矩倍数
(5-7)
由于中、大容量电动机的起动电流大,使电网压降过大,会影响其他用电设备的正常运行,甚至使该电动机本身根本起动不起来。
这时必须采取措施来降低其起动电流,常用的办法是降压起动。
图5-8 异步电动机直接起动时的电流与转矩
由式(5-4)可知,当电压降低时,起动电流将随电压成正比地降低,从而可以避开起动电流的冲击。
但是式(5-5)又表明,起动转矩与电压的平方成正比,起动转矩的减小将比起动电流的降低更快,降压起动时会出现起动转矩够不够的问题。
传统的降压起动方法有:
星-三角(-)起动、定子串电阻起动、自耦变压器降压起动等[43]。
它们都是一级降压起动,起动过程中电流有两次冲击,其幅值都比直接起动电流低,而起动时间略长。
现在随着交流调速系统的广泛应用,开发了专门的软起动器来限制起动电流。
目前的软起动器一般采用晶闸管交流调压器,完成起动后可用接触器旁路晶闸管,以免晶闸管不必要地长期工作。
起动电流可视起动时所带负载的大小进行调整,以获得最佳的起动效果。
下面讲述软起动器常用的几种控制模式。
(1)电压控制模式
电压控制模式是软起动器的基本控制模式,其起动控制过程如图5-9所示。
通常设置两个参数:
起始电压(或起始转矩)及爬坡时间。
这种控制模式是一种开环控制模式。
基于电压控制模式的软起动器可以直接利用交流变压器来实现,主电路结构简单且成本低廉,系统控制只需设置不同的调压模式,并按一定的时序给定电压指令,控制简易方便。
图5-9软起动器的开环电压控制模式
当负载略重或静摩擦转矩较大时,可在电压控制模式上添加突跳起动,即在刚起动时给电动机施加很高的电压脉冲以缩短起动时间,这种采用强脉冲电压控制模式的起动过程如图5-10所示。
有些软起动器还可同时设定两种电压爬坡速率以适应变化的负载,采用双斜坡控制模式的起动过程如图5-11所示。
图5-10软起动器的开环电压控制模式可添加突跳起动
Te
图5-11软起动器的双斜坡起动
(2)电流控制模式
但是,由于电动机的输入阻抗随转速变化,因此仅靠电压控制不能很好地限制起动电流。
为解决这一问题,发展了电流控制模式。
目前市场上的大多数软起动器都具有电流闭环控制能力。
在起动过程中能控制电流的幅值并保持恒定,其起动过程如图5-12所示。
突跳起动也适用于电流控制模式。
图5-12软起动器的闭环电流控制模式
电流控制有很多种方法,这里只介绍较简单的一种,其原理如图5-13所示。
图中是晶闸管的触发角,包含一系列的常数段和余弦变化段。
IN为电动机的额定电流,ki为设定的起动电流倍数。
当实际电流小于设定值的0.95倍时(即I0.95kiIN),触发角按余弦规律递减。
图中的tT为余弦周期的四分之一。
当实际电流大于设定值的0.95倍时(I0.95kiIN),触发角保持不变。
系数0.95可以调整,该值决定电流幅值的波动范围。
图5-13软起动器的闭环电流控制方法
(3)转矩控制模式
在有些应用场合如带式输送,输送机如果承受太大的转矩,会造成皮带内应力过大,从而减少皮带的寿命,严重时甚至拉断皮带。
这时候希望软起动器能够运行在转矩控制模式,使电动机的起动转矩能够得到某种程度的控制。
目前有少数几家公司的软起动产品提供转矩控制模式。
图5-14是典型的软起动器转矩控制原理框图,实现转矩控制的关键是要有准确的转矩估计以构成闭环,并设置转矩调节器ATR以消除转矩给定信号与检测信号的误差。
较简单的转矩估计是计算有功功率,扣除定子损耗后,根据式
计算电动机的平均电磁转矩。
更好的方法是根据电动机的磁链模型由转矩方程式计算,在转矩控制模式下,当负载恒定时可以保证净加速转矩近似恒定。
图5-14软起动器的转矩控制原理
(4)转速控制模式
上述的带式传输机的最佳解决方案是采用转速闭环控制的起动方案。
系统结构如图5-2所示,通过转速闭环控制,软起动器能满足许多应用场合的要求,如线性加减速、S形曲线加减速、线性流量控制及S形曲线流量控制等。
5.2交流异步电动机的变压变频控制系统
前一节介绍的交流异步电动机的变压调速系统虽然结构简单,控制方便和成本低廉,但是这种调速方法存在以下问题:
1)随着电压的降低,电动机的输出转矩成平方的减少,使系统调速范围小;
2)系统的稳态特性的非线性,使转速调节器设计困难,影响系统的静态精度;
3)系统采用近似数学模型,工作点范围受限,使固定调节器参数难以满足高动态性能的要求。
为克服上述困难,需要采用变压变频调速方法。
本节首先介绍交流异步电动机的变压变频控制的基本模式及其特性,然后论述几种采用电压源型变频器的变压变频调速系统,并给出在风机、水泵类传动系统节能控制的例子。
5.2.1变压变频调速的控制模式及其机械特性
变压变频调速的基本控制策略需根据其频率控制的范围而定,而实现基本的控制策略,又可选用不同的控制模式。
类似于他励直流电动机的调速分为基速以下采用保持磁通恒定条件下的变压调速,基速以上采用弱磁升速两种控制策略,异步电动机变压变频调速也划分为基频以下调速和基频以上调速两个范围,采用不同的基本控制策略。
5.2.1.1基本思路
异步电动机调速也应保持电动机中每极磁通量为额定值不变。
这是因为如果磁通太弱,没有充分利用铁心;
如果过分增大磁通,又会使铁心饱和。
但是,不同于他励直流电动机励磁回路独立,易于保持其恒定,如何在交流异步电动机控制中保持磁通恒定是实现变频变压调速的先决条件。
考虑到三相异步电动机定子每相电动势的有效值与定子频率和每极气隙磁通量的积成正比,即有
(5-8)
式中Eg为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V);
fs为定子频率(Hz);
Ns为定子每相绕组串联匝数;
kNs为定子基波绕组系数;
为每极气隙磁通量(Wb)。
在式(5-8)中Ns和kNs是常数,因此只要控制好Eg和fs,便可达到控制磁通
的目的。
对此需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。
5.2.1.2基频以下的恒磁通调速
在基频以下调速时,根据式(5-8),要保持
不变,当定子频率fs从额定值fsN向下调节时,必须同时降低Eg,使二者同比例下降,即应采用电动势频率比为恒值的控制方式。
然而,从图5-15所示的笼型转子异步电动机等效电路可见,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,为达到这一目的有三种控制模式:
图5-15笼型转子异步电动机等效电路
(1)恒压频比控制模式
分析图5-15的等效电路可以发现,当电动机的电动势值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,从而认为定子相电压
,因此可以采用恒压频比的控制模式,即有
常值(5-9)
恒Us/s控制模式因需要同时改变异步电动机供电电源的电压和频率,应按照如图5-16所示的控制曲线实施控制。
图中,曲线①为标准的恒压频比控制模式;
曲线②为有定子压降补偿的恒压频比控制模式,通过外加一个补偿电压Uco来提高初始定子电压,以克服低频时定子阻抗上压降所占比重增加不能忽略的影响。
在实际应用中,由于负载的变化,所需补偿的定子压降也不一样,应备有不同斜率的补偿曲线,以供选择。
采用恒压频比控制的电动机特性如图5-17所示,正如式(5-1)所描述的那样,由于电磁转矩与定子电压的平方正比,随着电压和频率的降低,电动机的输出转矩有较大的减少,因此在低频时需要加定子电压补偿。
但是即便如此,恒压频比控制模式在低频时带负载的能力仍然有限,使其调速范围受到限制并影响系统性能。
图5-16恒压频比模式的控制曲线图5-17恒压频比控制变频调速的机械特性
(2)恒定子电动势频比控制模式
再次分析图5-15的异步电动机的等效电路,可以发现:
假如能够提高定子电压以完全补偿定子阻抗的压降,就能实现恒定子电动势频比的控制模式,即有
常值(5-10)
这时,从图5-15的电路关系中可得转子电流的表达式
(5-11)
代入电磁转矩关系式,可得
(5-12)
在式(5-12)中对s求导,并令dTe/ds=0,可得最大转矩及对应的最大转差率
(5-13)
(5-14)
由式(5-13)可见smax与定子频率s成反比,即随着s降低,smax将增大,而式(5-14)表示最大转矩因Eg/s保持恒值而不变,这说明特性曲线应从额定曲线平行下移。
根据式(5-12)、(5-13)和(5-14)画出的的机械特性如图5-18所示,可见采用恒Eg/fs控制模式的系统稳态性能优于恒压频比控制模式,这也正是在恒压频比控制模式中采用定子压降补偿所带来的好处。
图5-18恒Eg/s控制模式的系统稳态特性图5-19恒Er/s控制模式的系统稳态特性
(3)恒转子电动势频比控制模式
进一步研究图5-15的等效电路,可以设想如果能够通过某种方式直接控制转子电动势,使其按照恒转子电动势频比进行控制,即有
常值(5-15)
那么这时的转子电流可以表达为
(5-16)
而电磁转矩则变为
(5-17)
由式(5-17)可知,当采用恒Er/s控制模式时,异步电动机的机械特性Te=f(s)变为线性关系,其特性曲线如图5-19所示,是一条下斜的直线,获得与直流电动机相同的稳态性能。
这也正是高性能交流调速系统想要达到的目标。
比较三种控制模式,显然恒Us/s控制模式最容易实现,但系统性能一般,调速范围有限,适用于对调速要求不太高的场合,比如:
风机、水泵的节能控制等;
恒Eg/s控制模式因其定子压降得到完全补偿,在调速过程中最大转矩保持不变,系统性能优于前者,但其机械特性还是非线性的,输出转矩的能力仍受一定限制;
恒Er/s控制模式能获得与直流电动机一样的线性机械特性,其动静态性能优越,适用于各种高性能要求的电力传动场合,但其控制相对复杂。
如何实现恒Er/s控制将在矢量控制章节介绍。
5.2.1.3基频以上的恒压变频调速
在基频fsN以上变频调速时,由于定子电压不宜超过其额定电压长期运行,因此一般需采取Us=UsN不变的控制策略。
这时,机械特性方程式及最大转矩方程式应写成
(5-18)
(5-19)
由式(5-18)和(5-19)可知Te及Temax近似与定子角频率s成反比。
当s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,如图5-20所示。
由于频率提高而电压不变,气隙磁通势必减弱,导致转矩的减小,但转速却升高了,可以认为输出功率基本不变。
所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。
图5-20基频以上恒压变频调速的机械特性图5-21异步电动机变频调速控制特性
5.2.1.4基频以下和基频以上的配合控制
如果采用笼型转子异步电动机实现大范围的调速,就需要基频以下和基频以上的配合控制,其控制策略是:
1)在基频以下,以保持磁通恒定为目标,采用变压变频协调控制;
2)在基频以上,以保持定子电压恒定为目标,采用恒压变频控制。
配合控制的系统稳态特性如图5-21所示,基频以下变压变频控制时,其磁通保持恒定,转矩也恒定,属于恒转矩调速性质;
基频以上恒压变频控制时,其磁通减小,转矩也减小,但功率保持不变,属于弱磁恒功率调速性质。
这与他励直流电动机的配合控制相似。
综上所述,本节概要的介绍了异步电动机变压变频调速的基本方法及其控制模式,如何应用上述方法和策略组成交流调速系统,将在下面几节详细讨论。
5.2.2转速开环恒压频比控制的调速系统
要实现变压变频调速控制,就需要有能够调压和调频的交流电源。
在本书第2章中已介绍了由电力电子器件组成的各种变频器的原理和调制方法,目前市场上又有多种通用变频器可供选用。
本节主要介绍如何采用通用变频器构成一个转速开环的交流调速系统与控制原理。
一个转速开环的交流调速系统[44]如图5-22所示,该系统由电压型PWM变频器作为供电电源,采用恒Us/s控制模式。
图5-22转速开环的恒压频比控制调速系统结构
系统控制原理是:
转速给定信号*s一路经函数发生器FG产生由恒Us/s控制曲线决定的定子电压给定信号U*s,该信号与定子压降补偿电压Uco相加形成定子电压有效值Us;
另一路通过积分器产生定子电压相位给定信号s,再将所得的定子电压的幅值和相位信号传送给电压发生器VG,算出三相电压给定信号u*A、u*B、u*C作为通用变频器的控制信号。
电压型PWM变频器根据电压控制信号输出电压和频率可调的交流电,驱动异步电动机运行。
由此,只要改变转速指令*s,异步电动机就会按恒Us/s控制模式调速。
转速开环的恒压频比控制调速系统具有系统结构简单,便于控制的优点,采用通用变频器选型方便,价格低廉,系统可靠。
但是由于是开环控制,系统的动静态性能有限,适用于对调速指标要求不太高的场合,比如风机和泵类负载的节能控制等。
5.2.3转速闭环恒定子电动势频比控制的调速系统
为了克服开环控制的不足,提高系统性能,需引入转速反馈控制。
采用转速反馈控制的交流调速方案很多,本节主要介绍一种基于转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统。
5.2.3.1系统组成和控制原理
一个转速闭环定子电动势频比控制的调速系统如图5-23所示,该系统仍选用电压型PWM变频器作为异步电动机的供电电源,变压变频采取恒Eg/s控制模式,并引入了转速反馈。
其控制原理是:
由转速编码器SE检测电动机的转速r,一路与转速给定信号相比较*r,转速误差经转速调节器ASR产生转差信号*sl,再与另一路转速检测信号r相加后形成定子给定频率*s,然后通过函数发生器FG,按恒Eg/s控制曲线产生相应的定子电压幅值给定信号U*s,最终由同时输出的定子电压幅值U*s和频率*s指令,去控制PWM变频器改变其输出的电源电压和频率,达到调速的目的。
图5-23转速闭环的恒压频比控制调速系统结构
5.2.3.2转差频率控制策略
(1)恒Eg/s控制算法利用函数发生器或算法恒Eg/s控制模式,即
常值(5-20)
其目的是为了保持异步电动机定子气隙磁通m恒定。
(2)转差频率限幅控制由于调速系统的动态性能取决于对转矩控制的能力,类似于直流电动机利用控制电枢电流来控制电磁转矩的思路,考虑到采用恒Eg/*s控制模式,根据式(4-24)计算电磁转矩
(5-21)
再将
代入上式,得
(5-22)
令
为电机结构常数,且有ss=sl为转差角频率,则
(5-23)
当电动机稳态运行时,因s值很小,sl也很小,这时可以认为slLlrRr,则转矩公式可以近似为
(5-24)
式(5-24)表明,当异步电动机在s值很小的稳态运行范围内,如果能够保持定子气隙磁通m不变,其电磁转矩Te与转差角频率sl成正比。
这意味着在异步电动机中控制sl,就象在直流电动机中控制电枢电流一样,能够达到间接控制转矩的目的。
为了控制sl,在系统中设置转速调节器ASR,其输出作为转差给定信号*sl;
为限制异步电动机在稳态范围内运行,设置ST饱和限幅,使得转差sl在限幅范围内与电磁转矩成正比[2],并对式(5-23)取dTe/dsl=0,求取最大转差slmax作为限幅值,即有
(5-25)
这样就可以通过转差控制来控制转矩,并能基本保持Te与sl成正比,其作用就象在直流调速系统中用电枢电流控制转矩相似。
因此,基于转差频率控制的异步电动机转速闭环调速系统的动态性能得到了改善。
必须指出,上述转差频率控制规律是在保持m恒定的前提下获得的,而采用恒Eg/s控制就是为了达到保持m恒定的目的。
如果系统中ASR采用PI调节器,可以实现无静差调速,使系统的稳态精度有较大的提高。
又因采用了恒定子电动势频比控制模式,即满足恒Eg/s控制特性,因此,系统的稳态性能如图5-18所示,其输出的最大转矩在调速过程中保持不变,具有低频带负载的能力,扩大了调速范围。
5.2.3.3转差频率控制系统近似模型与动态结构图
对于图5-23所示的异步电动机转差频率控制系统,假定满足其稳态模型的条件,且在调速过程中m保持恒定。
另假设:
可以忽略异步电动机定子电阻与漏感的压降,即EgUs,且电压型变频器的输出电压幅值与其频率给定成正比,并考虑变频器控制信号与输出电压的滞后效应,将变频器的传递函数近似为一个带放大作用的一阶惯性环节,即
(5-26)
式中:
Ks为电压型通用变频器的放大系数;
Ts为电压型通用变频器的滞后时间。
并采用式(3-22)给出的异步电动机稳态模型,由此,可画出转差频率控制系统近似动态结构,如图5-24所示。
r
图5-24转差频率控制系统近似动态结构
利用图5-24可以近似分析转差频率控制系统的动态性能和粗略估算其转速调节器参数。
不过,由于该模型做了较大的近似和忽略,其分析和设计精度大受影响。
仅能用作初略的理论分析,实际应用需要进行现场系统调试,以达到所需的技术要求
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