电力拖动自动控制系统第七章.ppt

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1、二、DTC系统的控制特点及与VC系统性能比较,与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：,1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。,6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统,6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统,2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统

2、的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。,6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统,3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。,4）定子坐标系下分析电机的数学模型直接控制磁链和转矩，不需要和直流机比较、等效、转化，省去复杂的计算。,6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统,从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统

3、是一致的，都能获得较高的静、动态性能。,本章提要,引言 异步电机双馈调速工作原理 异步电机在次同步电动状态下的双馈系统串级调速系统,第七章 绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率馈送型调速系统,引言,转差功率问题 转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能是异步电动机调速的主要目的之一，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。如第5章所述，交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型。,第七章 绕线转子异步电机双馈调速系统 转差功率馈送型调速系统,交流调速系统按转差功率的分类,（1）转差功率消耗型异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功率的消

4、耗越大，效率越低；但这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。（2）转差功率不变型变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；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。,第七章 绕线转子异步电机双馈调速系统 转差功率馈送型调速系统,交流调速系统按转差功率的分类（续）,（3）转差功率馈送型控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些设备。前两章已分别讨论了转差功率消耗型和不变型两种调速方法，本章将讨论转差功率馈送型调速方法。,第七章 绕线转子异步电机双馈调速系统

5、转差功率馈送型调速系统,7-1 异步电机双馈调速工作原理,本节提要概述异步电机转子附加电动势的作用,转差功率的利用 众所周知，作为异步电动机，必然有转差功率，要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。但要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。,概 述,7-1 异步电机双馈调速工作原理,绕线转子异步电动机,Ps,P1,绕线转子异步电动机结构如图所示，从广义上讲，定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入，也可以从定子或转子输出，故称作双馈电机。,7-1 异步电机双馈调速工作原理,绕线转

6、子异步电动机转子串电阻调速,根据电机理论，改变转子电路的串接电阻，可以改变电机的转速。转子串电阻调速的原理如图所示，调速过程中，转差功率完全消耗在转子电阻上。,7-1 异步电机双馈调速工作原理,双馈调速的概念,所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。,7-1 异步电机双馈调速工作原理,双馈调速的基本结构,7-1 异步电机双馈调速工作原理,逆变变压器,7-1 异步电机双馈调速工作原理,如上图所示，在双馈调速工作

7、时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。,功率变换单元,由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2=s f1，因此必须通过功率变换单元（Power Converter UnitCU）对不同频率的电功率进行电能变换。对于双馈系统来说，CU应该由双向变频器构成，以实现功率的双向传递。,7-1 异步电机双馈调速工作原理,双馈调速的功率传输,（1）转差功率输出状态,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行；,7-1 异步电机双

8、馈调速工作原理,（2）转差功率输入状态,当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。,7-1 异步电机双馈调速工作原理,异步电机转子附加电动势的作用,异步电机运行时其转子相电动势为 式中 s 异步电动机的转差率；Er0 绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压值。,(7-1),7-1 异步电机双馈调速工作原理,7-1 异步电机双馈调速工作原理,转子相电流的表达式为：式中 Rr 转子绕组每相电阻；Xr0 s=1时的转子绕组每相漏抗。,(7-2),转子附加电动势,图7-1 绕线转子异步

9、电动机转子附加电动势的原理图,附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。,引入可控的交流附加电动势,7-1 异步电机双馈调速工作原理,7-1 异步电机双馈调速工作原理,有附加电动势时的转子相电流：如图7-1所示，绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式,(7-3),转子附加电动势的作用,1.Er 与 Eadd 同相当 Eadd，使得：这里：,转速上升；,7-1 异步电机双馈调速工作原理,转子附加电动势的作用（续）,当 Eadd，使得：这里：,转速下降；,7-1 异步电机双馈调速工作原理,转子附加电动势的作用（续）,2.Er 与 Eadd反相 同理可知，若减少或串

10、入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。,7-1 异步电机双馈调速工作原理,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,本节提要串级调速系统的工作原理,基本思路 如前所述，在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频

11、率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。,串级调速系统的工作原理,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,对直流附加电动势的技术要求,首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,系统方案,根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图7-2所示，习惯

12、上称之为电气串级调速系统（或称Scherbius系统）。,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,图7-2 电气串级调速系统原理图,系统组成,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,功率变换单元,UR 三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势 sEr0 整流为直流电压 Ud。UI 三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：可提供可调的直流电压 Ui，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,工作原理,（1）起动 起动条件：对串级调速系统而言，起动应有足够大的转

13、子电流 Ir 或足够大的整流后直流电流 Id，为此，转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间应有较大的差值。,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,起动控制：,控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与 Ui 的差值能产生足够大的 Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大 角以减小值 Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,工作原理（续）,（2）调速 调速原理：通过改变 角的大小调节电动机的转速。调速过程：,Ui,Id,K1sEr0,n,Te,Te=TL,Id,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,工作原理（续）,（3）停车 串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,结 论,串级调速系统能够靠调节逆变角 实现平滑无级调速系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。,7.2 异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统串级调速系统,