kl800.com省心范文网

自动控制系统概述_图文

课程《变频器技术与应用A》
第一章 电气传动基础知识

第 1章

电气传动基础知识

本章内容:
1.1 电气传动系统概述

1.2
1.3 1.4 1.5 1.6

电气传动系统的工作原理
电气传动系统的负载特性 变频器及其特点 变频器的分类 通用变频器的结构和工作原理

背景知识

? 现代传动技术 ? 现代传动技术是机电工业的关键基础 技术。它主要包括机械传动技术、流 体传动技术和电气传动技术。 ? 现代传动技术主要承担能量传递、改 变运动形态、实现对能量的分配和控 制、保证传动精度和效率等功能。
天津理工大学中环信息学院
2

国外先进水平与发展趋势

? 近年来,国外传动技术由于广泛应用了高新 技术成果,如微电子技术,计算机技术,传 感技术,现代控制技术,先进制造技术,摩 擦磨损技术及新材料等,使基础产品在水平、 品种及扩展应用领域方面都有很大提高和发

展,其主要发展趋势如下:

? 液压传动与控制技术 ? 节省能耗,提高效率 ; ? 用AC电机或变频电机驱动定量泵 ;

? 发展机电一体化元件和系统 ;
? 发展具有比例阀的耐污染和伺服阀高精度、高频响

的直动型电液控制阀;
? 发展内置电子系统的电液伺服比例元件、电磁阀、

液压定位油缸等;
? 应用现代控制技术,提高电液压自动控制系统的性 能。

? 气动传动与控制技术 ? 向轻量化、小型化和低能耗方向发展 ;

? 与电子技术结合发展气动伺服系统,智能化元件、
阀岛及总线连接系统 ;

? 执行元件多样化 ,普遍采用无油润滑 ;
? 向高速、高频、高寿命和高可靠性方向发展 ; ? 新材料、新工艺、新技术的应用 。

? 液力调速传动技术
? 调速型液力偶合器向大功率高速方向发展,国外已生产功率 为6000~10000kw,速度为6000r/min的产品,广泛用于大型

火力电站的锅炉给水系统,高炉送风机等,可节能20%以上。
? 液粘调速系统发展较快,它采用电液比例压力阀式和离心式 调压阀来改变主动和从动摩擦片间隙的压紧力,从而调节从

动轴的输出转数,用在大型风机和水泵上可节能20%。
? 新开发的液压调速变矩器可以得到很大的能容变化范围。国 外液力传动调速系统广泛与计算机相结合,根据工况变化自 动改变转数。应用计算机技术优化叶轮参数以提高传动效率。

? 运动系统和元件(轴承,滚珠丝杠等) ? 轴承在总体水平提高的基础上,向三高方向发展,

即高速度、高精度、高性能方向发展。
? 滚珠丝杠、滚动导轨等产品向高速、高精度方向发

展。

齿轮传动

? 高速重载齿轮向高参数、高寿命方向发展;
? 汽车齿轮采用现代化制造工艺,使精度提高,噪 声减小; ? 通用齿轮向成套化方向发展,各种型式齿轮箱得 到广泛应用; ? 齿轮传动和其他类型传动相结合。

? 电气传动技术的发展
? 在人类所利用的能源当中,电能是最清洁最方便的; 电气传动无疑有着很大的意义 ; ? 随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术

的迅速发展,电气传动技术正面临着一场历史革命。

? 电气传动技术的定义 ? 电气传动技术是指用电动机把电能转换成机械能, 带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需

要运动物品的技术;是通过合理使用电动机实现生
产过程机械设备电气化及其自动控制的电器设备及 系统的技术总称。 ? 一个完整的电气传动系统包括三部分:控制部分、 功率部分、电动机。

? 电气传动与运动控制 ? 电气传动技术是电力电子与电机及其控制相结合的 产物,内容涉及电机、电力电子、控制理论、计算

机、微电子、现代检测技术、仿真技术、电力系统、
机械、材料和信息技术等多种学科,是这些学科交 叉融合而形成的一门新型的综合性学科。对于位置 控制(伺服)系统,也称为运动控制。

11

电气传动技术的发展史
? 电气传动技术诞生于20世纪初的第二次工业革命时期,电气 传动技术大大推动了人类社会的现代化进步。

? 它是研究如何通过电动机控制物体和生产机械按要求运动的
学科。 ? 随着传感器技术和自动控制理论的发展,由简单的继电、接 触、开环控制,发展为较复杂的闭环控制系统。 ? 20世纪60年代,特别是80年代以来,随着电力电子技术、

现代控制理论、计算机技术和微电子技术的发展,逐步形成
了集多种高新技术于一身的全新学科技术一现代电气传动技 术。

第一次工业革命

?第一次工业革命是从18世纪60年代开始的,标志

是瓦特改良蒸汽机,蒸汽机的广泛使用使人类由
工场手工业过渡到大机器生产,从此进入了“蒸 汽时代”。

天津理工大学中环信息学院

13

第二次工业革命

?第二工业革命是从19世纪70年代开始的,它以电

力的广泛运用为显著特点,使人类从此进入了
“电气时代”。 ? 1819年,丹麦人奥斯特发现的电流的磁效应以 及英国科学家法拉第发现的电磁感应现象。

天津理工大学中环信息学院

14

第二次工业革命 ? 1866年,德国人西门子制成了自激式的直流发电机。 ? 1882年,法国学者德普勒发明了远距离送电的方法;同年, 美国发明家爱迪生在纽约建立了美国第一个火力发电站, 把输电线联接成网络。

天津理工大学中环信息学院

15

第二次工业革命

? 1885年,意大利科学家法拉里提出的旋转磁场原

理,对交流电机的发展有重要的意义。
? 1885年意大利都灵大学发明了感应电动机,而后

出现了交流电,解决了三相制交流电的输变问题
交流电气传动才出现。 ? 1891年以后,较为经济、可靠的三相制交流电得 以推广,电力工业的发展进入新阶段。

天津理工大学中环信息学院

16

第三次工业革命

?第三次工业革命是从20世纪40年代开始的,它是

以计算机技术的广泛运用为显著特点,使人类从
此进入了“信息时代”。 ?20世纪80年代之前,直流电气传动在高性能的电 气传动领域占绝对统治地位。此后,随着电力电 子技术和计算机控制技术的发展,以及现代控制 理论的应用,交流电气传动得到了快速发展,静动 态性能可以与直流电气传动相媲美。因此交流电

气传动目前已处于主导地位。
天津理工大学中环信息学院
17

1.1 电气传动系统概述

? 电气传动
? 电气传动技术诞生于第二次工业革命时

期,电气传动技术大大推动了人类社会
的现代化进步。

? 电气传动又称电机拖动,是以电动机作
为原动机驱动各种生产机械的系统总称。

国际电工委会员(IEC)将电气传动控制
归入“运动控制”范畴。
天津理工大学中环信息学院
18

1.1 电气传动系统概述

?电气传动的特点 ? 功率范围极大,单个设备的功率可从几 毫瓦到几百兆瓦; ? 调速范围极宽,转速从每分钟几转到每 分钟几十万转,在无变速机构的情况下 调速范围可达1:10000; ? 适用范围极广,可适用于任何工作环境 与各种各样的负载。
天津理工大学中环信息学院
19

1.1 电气传动系统概述

?电气传动的应用 ? 用于矿山、冶金、机械、轻工、港口、 石化、铁路运输、航空、航天等各个行 业以及日常生活之中。 ? 比如矿井提升、矿山机械、轧钢机、起 重机、泵、风机、精密机床、电气化列 车、空调、电冰箱、洗衣机等。
天津理工大学中环信息学院
20

1.1 电气传动系统概述

?电气传动的类型

? 直流电气传动
? 交流电气传动 ? 歩进电气传动

天津理工大学中环信息学院

21

1.1 电气传动系统概述

?电气传动的组成结构

主要作用:实现节能、提高产 品质量、改善工作环境等设备 和工艺的要求。

天津理工大学中环信息学院

22

1.1 电气传动系统概述

?电源装置分类: ? 母线供电装置包括交流母线和直流母线 供电。 ? 机组变流装置包括直流发电机组和变频 机组。

? 电力电子变流装置包括整流装置、交流
调压装置和变频器。
天津理工大学中环信息学院
23

1.1 电气传动系统概述

? 控制装置按所用的器件分类:

? 电器控制:又称继电器-接触器控制,与母线 供电装置配合使用;
? 电机扩大机和磁放大器控制:与机组供电装 置配合使用,在20世纪30~60年代盛行,随 着电子技术的发展,已逐步被淘汰;

? 电子控制装置又分为电子管控制装置(又有 分立器件,中小规模集成电路及微机和专用 大规模集成电路等几代产品)
天津理工大学中环信息学院
24

1.1 电气传动系统概述

?控制装置按工作原理分类: ? 逻辑控制:通过电气控制装置控制电动机启 动,停止,正反转或有级变速,控制信号来 自主令电器或可编程序控制器。

? 连续速度调节:与机组或电力电子交流装置
配合使用,连续改变电动机转速。这类系统

按控制原则分开环控制,闭环控制及负荷控
制三类。
天津理工大学中环信息学院
25

1.1 电气传动系统概述

?控制装置按控制信号的处理方法分类: ? 模拟控制。 ? 数字控制。 ? 模拟/数字混合控制。

天津理工大学中环信息学院

26

1.2 电气传动系统的工作原理

? 电气传动的动力学基础 1、基本运动方程式 如图所示 , 电动机带动工作机械的电气传动系统的 运动规律取决于电机的输出转矩 TM 和负载转矩 TL 之间的关系, 并符合刚体旋转的运动定律 ,即式(1.1)

TM ? TL ? d ( J?) / dt

(1.1)

1.2 电气传动系统的工作原理

? 电气传动的动力学基础 1、基本运动方程式 省略空载转矩时,旋转运动方程式如(1.2)所示.

Te ? TL ? d ( J?) / dt ? Jd? / dt ? ?dJ / dt
Te—电动机的电磁转矩(N*m) TL—负载转矩(N*m)

(1.2)

J—拖动系统折算到电动机轴上的总转动惯量(kg*m)
ω —电动机的角速度(rad/s)

1.2 电气传动系统的工作原理

? 电气传动的动力学基础 1、基本运动方程式 当转动惯量为常数时,式(1.2)可以简化为

d? Te ? TL ? J dt

(1.3)
为惯性转矩

d? 其中, J dt

称为旋转运动系统的牛顿第二定律。

1.2 电气传动系统的工作原理

?电气传动动力学基础 1、基本运动方程式 一般工程上采用飞轮惯量 GD2 代替J,二者关系:

GD2 = 4gJ
其中,G为转动惯量、D为旋转部分直径、g为重力加速度

由于:ω = 2πn/60

所以
GD2 dn 375 dt
30

电气传动运动方程为: Te - TL =

天津理工大学中环信息学院

转矩、飞轮矩的折算
1.实际的电气传动系统中,在电机与工作机械之间往 往要经过齿轮减速箱、皮带、联轴结等 ,这就是 常见的多轴传动,如图1.3所示。

(a)双轴传动系统;(b)起重传动系统

1.2 电气传动系统的工作原理

天津理工大学中环信息学院

32

1.2 电气传动系统的工作原理

?根据电气传动系统的运动方程

dn TM ? TL ? T0 ? J G dt
当 当 当

TM ? TL ? T0
TM ? TL ? T0 TM ? TL ? T0

时,电动机加速运行 时,电动机减速运行 时,电动机恒速运行
33

天津理工大学中环信息学院

1.2 电气传动系统的工作原理

? 电气传动系统的工作模式 ?速度工作模式:以保持电动机轴上输出转速恒 定为目的。比如常规的调速系统(电梯、各类 生产线)。 ?转矩工作模式:以保持电动机轴上输出电磁转 矩恒定为目的。如开卷/收卷控制。

天津理工大学中环信息学院

34

1.3 电气传动系统的负载特性

?任何机械在运行过程中,都有阻碍其运动的力或转 矩,称之为阻力或阻转矩。负载转矩在极大多数情 况下,都呈阻转矩性质。 ?电气传动系统的负载特性:包括负载机械特性和负 载功率特性。 ? 负载机械特性:通常是指负载阻转矩与负载轴 上转速之间的关系。 ? 负载功率特性:通常是指负载消耗的功率与负 载轴上转速之间的关系。
天津理工大学中环信息学院
35

1.3 电气传动系统的负载特性

?电气传动系统的负载特性一般分为三种 类型:

?恒转矩负载特性

?恒功率负载特性
?二次方律负载特性

天津理工大学中环信息学院

36

1.3.1 恒转矩负载特性

? 机械特性 ? 功率特性

TL ? const

TL ? n PL ? ?n 9550
天津理工大学中环信息学院

稳定运行的旋转物体的机械功率,等于作用 在旋转物体上的转矩与其机械角速度的乘积。

P ? T?

??

2?n 60
单位:W

P ?T

2?n Tn ? 60 9.55

37

1.3.1 恒转矩负载特性

? 转矩大小只取决于负载的轻重,而与负载转速大小无关的 负载。例如挤压机、搅拌机、桥式起重机、提升机和带式 输送机等都属于恒转矩类型的负载。
天津理工大学中环信息学院
38

1.3.1 恒转矩负载特性

恒转矩负载的机械特性和功率特性

1.3.2

恒功率负载特性
卷绕机械的工作特点:

? 要求被卷物的张力F 必须保持恒定。
? 被卷物的线速度v也 必须保持恒定。 ? 负载的阻转矩随被卷 物卷径的增大而增大, 但为了保持线速度恒 定,负载的转速必须 随卷径的增大而减小。

n?

v 2?r

天津理工大学中环信息学院

40

1.3.2

恒功率负载特性

9550 P 1 L ? 机械特性 T ? ? L n n
? 功率特性 PL ? F ? v ? const
天津理工大学中环信息学院
41

1.3.2

恒功率负载特性

天津理工大学中环信息学院

42

1.3.2

恒功率负载特性

恒功率负载的机械特性和功率特性

1.3.3

二次方律负载特性

?二次方律负载:是指转矩与转速的二次方成正比 的负载。 ? 机械特性: TL= T0+KL*n2 TL≈KL*n2

?转速低时,叶片上的阻力小,
而转速升高时,阻转矩将增加的很快
天津理工大学中环信息学院
44

1.3.3

二次方律负载特性

? 功率特性:

PL=KP*n3

? 对于二次方律负载,一般选用风机、水泵 专用变频器。
天津理工大学中环信息学院
45

1.3.3

二次方律负载

天津理工大学中环信息学院

46

1.3.3

二次方律负载

二次方律负载的机械特性和功率特性

1.4 变频器及其特点

? 变频器定义:利用电力电子器件的通断作用将电压和
频率固定不变的工频交流电源变换成电压和频率可变 的交流电源, 供给交流电动机实现软启动、变频调速、 提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等 功能的电能变换控制装置称作变频器,其英文简称为

VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。
? 简单概括为: 变频器就是一种静止式的交流电源供电 装置,其功能是将工频交流电(三相或单相)变换成频 率连续可调的三相交流电源。
天津理工大学中环信息学院
48

1.4 变频器及其特点

?变频器的控制对象: ? 三相交流异步电动机 ? 同步电动机 ? 标准适配电机极数是2/4极。

天津理工大学中环信息学院

49

1.4 变频器及其特点

?变频电气传动的优势: ? 平滑软启动,降低启动冲击电流,减少变压 器占有量,确保电机安全。 ? 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。 ? 无级调速,调速精度大大提高。 ? 电机正反向无需通过接触器切换。 ? 非常方便接入通讯网络控制,实现生产自动 化控制。
天津理工大学中环信息学院
50

1.4 变频器及其特点

?变频器发展的主要特点: ? 电力半导体器件(功率器件)不断更新换代。

SCR → GTO →GTR → IGBT → IPM
? 随着控制理论的发展而不断成熟。

? 20世纪80年代初主要使用门极可关断晶闸管GTO, 开关频率低,变频器的调速性能较差。 ? 20世纪80年代后期主要使用大功率晶体管GTR,其 开关频率一般在2kHz以下,载波频率和最小脉宽都 受到限制,难以得到较为理想的SPWM波形,使异 步电机在变频调速时产生噪声。 ? 20世纪90年代以后主要使用绝缘栅双极晶体管 IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT,其开关频率达 到20kHZ以上,变频器的调速性能更优。

恒压频比→ SPWM控制 → 矢量控制 → 直 接转矩控制 ? 应用范围不断扩大。

用在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、 造纸、食品、装卸搬运、铁路运输等行业。
天津理工大学中环信息学院
51

1.4 变频器及其特点 ? 通用变频器的未来发展趋势: (1)低电磁噪音、静音化。符合EMC国际标准。 (2)专用化。派生了许多专用机型。 (3)系统化。使变频器、伺服装置、控制器及通讯装 置等集成配置。 (4)网络化。支持多种不同的通信协议。 (5)操作傻瓜化。易操作性。 (6)内置式应用软件。PID控制软件、张力控制软件等。 (7)参数自调整。不必逐项设置。 (8)功能设置软件化。
天津理工大学中环信息学院
52

1.5 变频器的分类

? 变频器的分类方式: ? 按供电电源电压等级分类 ? 按控制算法分类
低压变频器
高压变频器 普通型变频器 高性能变频器

? 按用途分类
? 按变换方法分类

通用变频器
专用变频器 交-交变频器 交-直-交变频器 电压型

电流型
天津理工大学中环信息学院
53

按用途分类
(1)通用变频器

通用变频器的特点是其通用性。朝着两个方向发展:一是低成本的简
易型通用变频器;二是高性能多功能的通用变频器。它们分别具有以下特 点: 简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而简化了一些系统功能的 通用变频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统调速性能要求 不高的场合,并具有体积小、价格低等方面的优势。 高性能通用变频器在设计过程中充分考虑了在变频器应用中可能出现

的各种需要,并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。
在使用时,用户可以根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设 定,也可以根据系统的需要选择厂家所提供的各种备用选件来满足系统的 特殊需要。

按用途分类
(2)专用变频器 1)高性能专用变频器 随着控制理论、交流调速理论和电力电子技术的发展,异步电动机的 矢量控制得到发展,矢量控制变频器及其专用电动机构成的交流伺服系统 的性能已经达到和超过了直流伺服系统。 因此在要求高速、高精度的控制中,这种高性能交流伺服变频系统正 在逐步代替直流伺服系统。 2)高频变频器 在超精密机械加工中常要用高速电动机。为了满足其驱动的需要,其 输出主频可达3kHz,驱动两极异步电动机时的最高转速为180000r/min。 目前工业上应用最广泛的三相异步电动机的变频器为通用变频器,通 用变频器采用的变频方式为交-直-交电压源型,它的控制方式主要为V/f控 制、矢量控制。本课程主要讲述通用变频器的基本结构、控制算法以及通 用变频器的应用。

交-交变频器 单相交-交变频器的原理框图如图1所示。它只有一个变 换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源转换为变压变 频(VVVF)的电源,因此,称为直接变频器,或称为交-交 变频器。

+
P组 ~50Hz Z

_
N组

uo
P组通
~50Hz

负 载

uo

N组通

_
(a)

+

-uo
(b)

图1

单相交-交变频器及其方波

电路电路由P(正)组和N(负)组反并联的晶闸管 变流电路构成,两组变流电路接在同一个交流电源, Z为负载。两组变流器都是相控电路,P组工作时,负

载电流自上而下,设为正向; N 组工作时,负载电流
自下而上,为负向。让两组变流器按一定的频率交替 改变两组变流器的切换频率,就可以改变输出到负 载上的交流电压频率,改变变流电路工作时的触发延 迟角α ,就可以改变交流输出电压的幅值。

工作,负载就得到该频率的交流电,如图( b )所示。

交-交变频器的优点为:
1. 因为是直流变换,没有中间环节,所以比其他的变频 器效率要高,结构简单,可靠,对维护要求低。 2. 由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些 部分包络所构成,因而其输出频率比输入交流电源的频率低

得多,一般在20Hz以下运行,输出波形较好,dV/dt小,对
电动机的要求低。 3. 由于变频器按电网电压过零自然换相,故可采用普通

晶闸管,过载能力强,投资低。

交-交变频器也存在着明显的缺点: 1. 输出频率低,只能用于大容量的低速电力传动 系统,如水泥、牵引等设备。对高速电力传动系统, 如型钢轧钢、冷连轧机,齿轮箱速比必须按满足电 动机转速要求来进行增速。 2. 功率因数低,动态无功功率大,需要加装动态 无功功率补偿(SVC)系统。

交-直-交变频器 交-直-交变频器又称为间接变频器,它是先将工 频交流电通过整流器变成直流电,再经过逆变器将 直流电变成频率和电压连续可调的交流电。图 2 所 示为交-直-交变频器的原理框图。
AC DC AC

整流
恒压恒频 (CVCF)
图2

逆变
中间直流环节 变压变频 (VVVF)

交-直-交变频器原理框图

交-直-交变频器
交-直-交变频器根据直流环节的储能方式,又分为电压源 型和电流源型两种。

电压源型变频器 中间直流环节采用大电容滤波时, 直流电压波形比较平直,在理想情 况下是一个内阻抗为零的恒压源, 输出交流电压是矩形波或阶梯波。

电流源型变频器

中间直流环节采用大电感滤波时, 直流电流波形比较平直,因而电源 内阻抗很大,对负载来说基本上是 一个电流源,输出交流电流是矩形 波或阶梯波。

电压型变频器和电流型变频器对比

特点名称 储能元件 波形的特点

电压型变频器 电容器

电流型变频器 电抗器

电压波形为矩形波 电流波形近似正弦波
有反馈二极管 直流电源并联大容量电容 (低阻抗电压源) 电动机四象限运转需要再生用 变流器 负载短路时产生过电流 转距响应较慢 输入功率因数高

电流波形为矩形波 电压波形为近似正弦波
无反馈二极管 直流电源串联大电感 (高阻抗电流源) 电动机四象限运转容易 负载短路时能抑制过电流 转距响应快 输入因素低

回路构成上 的特点

特性上的特 点

1.6 通用变频器的结构及工作原理

通用变频器系统框图



整流部分
交流 直流

中间直流部分

逆变部分 直流 交流

M

控制部分

? 整流部分:把来自电网的恒压恒频交流电变成直流电。 ? 中间直流部分:把脉动的直流电变成比较平滑的直流电。 ? 逆变部分:把直流电变换成变压变频交流电,通常采用SPWM逆变电路。 ? 控制电路部分:用来产生逆变电路所需要的各种驱动信号。
天津理工大学中环信息学院
63

1.6.1 通用变频器的基本结构图

(1)滤波电容器 CF (2)限流电阻 RL与开关 SL (3)电源指示 HL

(4)逆变管V1~V6 (5)续流二极管VD7~VD12 (6 ) 缓冲电路

天津理工大学中环信息学院

64

1.6.2

单相逆变桥的结构和原理

图1-8单相逆变电路和逆变波形

? 最基本的工作原理:改变两组开关切换频率,可改变输出交流电频率。
天津理工大学中环信息学院
65

1.6.3

三相逆变工作原理

采用不同的通断控制方式(180°导电方式、120°导电方式、SPWM

控制),同时有2~3个位于不同相的开关管导通 。

图1-10三相逆变电路和逆变波形

天津理工大学中环信息学院

66

(1)180°导通型控制方式 ? 同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作 180°导通型逆变器。

? 例如,当VT1关断后,使VT4导通,而当VT4关断 后,又使VT1导通。这时,每个开关器件在一个 周期内导通的区间是180°,其他各相亦均如此。 由于每隔60°有一个器件开关,在180°导通型逆 变器中,除换流期间外,每一时刻总有3个开关器 件同时导通。

(1)180°导通型控制方式
00

600

1200

1800

2400

300 0

3600

VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6
A
Z

W U C ZW ZU
U d ZZ V

A

U
ZU ZV
Ud

Ud ZW
Ud

ZU

BU V A

V

ZV

Z Ud ZW Z

Ud

u U0

V
Ud / 3
0

W 0V
2U d / 3

W
0

ZW ZV Ud ZV Ud ZW Ud ZU Z ZU Z ZW ZV ZU 0 Ud V U 0 Ud U W U U
d

B

V W C B

WC

0

u V0

0

B

B

C

C

C

A

A

A

B

?

图4-21 每个600 区间内的负载等效电路

0

(1)180°导通型控制方式

? 但须注意,必须防止同一桥臂的上、下两管同时导 通,否则将造成直流电源短路,谓之“直通”。
? 为此,在换流时,必须采取“先断后通”的方法, 即先给应关断的器件发出关断信号,待其关断后留 一定的时间裕量,叫做“死区时间”,再给应导通 的器件发出开通信号。 ? 为了安全起见,设置死区时间是非常必要的,但它 会造成输出电压波形的畸变。

1.6.3

三相逆变工作原理

例:开关管采用普通晶闸管、控制方式采用180°导电方式

天津理工大学中环信息学院

70

(2)120°导通型控制方式 ? 120°导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一 排左、右两管之间进行的。
? 例如,VT1 关断后使VT3 导通,VT3 关断后使 VT5导通,VT4 关断后使VT6 导通等等。这时, 每个开关器件一次连续导通120°,在同一时刻 只有两个器件导通,如果负载电机绕组是Y联结, 则只有两相导电,另一相悬空。

1.6.3 三相逆变工作原理 120°导电方式:每个臂一周期内导电120°。

电流型三相桥式逆变电路

? 输出电流波形和负载性质无关,正负脉冲各120°的矩形波。 ? 输出线电压波形和负载性质有关,大体为正弦波。
天津理工大学中环信息学院
72

(2)120°导通型控制方式
00
1200

240 0

360 0

VT 1 VT2 VT3 VT4 VT5
VT6 iU
A C
Z

(a)
A B A B C B C

iV
Z

?t
Id
0

Id

iW iUV

0 Z B

Id

Id
0

0

Id
0

Id

0

?t
A?tB

B

C

C

C

A

A

(b) 图4-26 每个600 区间内的负载等效电路 2 ? Id 1 ? Id 3

1.6.3 三相逆变工作原理 120°导电方式:每个臂一周期内导电120°。
i
U

I O i
V

d

t

O iW O u

t

t

UV

O

t

天津理工大学中环信息学院

74

? 电流型三相桥式逆变电路的输出波形
iU
O I
d

t

iV
O

t

iW
O

t

u

UV

O

t

1.6.3

三相逆变工作原理

(3) 采用IGBT、SPWM控制方式

图1-12 IGBT、SPWM控制三相逆变电路 天津理工大学中环信息学院
76

晶闸管逆变电路
天津理工大学中环信息学院

双极性晶体管逆变电路
天津理工大学中环信息学院

绝缘栅双极性晶体管逆变电路
天津理工大学中环信息学院

1.6.4

SPWM逆变工作原理

PWM技术的基本原理 ? 理论基础:面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上 时,其效果基本相同。 冲量即窄脉冲的面积,环节的输出响应波形基本相同。

形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 天津理工大学中环信息学院
80

1.6.4

SPWM逆变工作原理

? PWM调制原理

以正弦波作为逆变器输出的期望波形,以频率 比期望波高得多的等腰三角波作为载波 (Carrier wave),并用频率和期望波相同的正 弦波作为调制波(Modulation wave),当调制 波与载波相交时,由它们的交点确定逆变器开关 器件的通断时刻,从而获得在正弦调制波的半个 周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩 形波。

1.6.4

SPWM逆变工作原理

正弦波脉宽调制:

? 采用周期性变化的一列等幅不等宽的矩形波来表示正
弦波 ? 在每半个周期内矩形脉冲宽度呈现两边窄中间宽,按 照波形面积相等的原则,每一个矩形波的面积与相应 位置的正弦波面积相等。 ? 因而这个序列的矩形波与正弦波等效,这种等效方法 称作正弦波脉宽调制(Sinusoidal pulse width

modulation,简称SPWM),这种序列的矩形波称作
SPWM波。
天津理工大学中环信息学院
82

1.6.4

SPWM逆变工作原理

?正弦脉宽调制(SPWM)如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u

等效

u

SPWM波

O

ωt
N值越高(即脉冲频 率越高),SPWM 越接近正弦波。

>

O

> ωt

将一个正弦波 电压分为N等份
u

O

ωt

>

若要改变等效输出正弦波幅值,按同 一比例改变各脉冲宽度即可。
天津理工大学中环信息学院
83

1.6.4

SPWM逆变工作原理

? 调制方法:利用载波和调制波相比较的方式来确定SPWM波 的脉宽和间隔。 VT V1 1
Ud + V2 2 VT ur uc

VD1 R VD2 uo

VT V3 3
L V4 4 VT

VD3

VD4

信号波 载波

调制 电路
单相桥式PWM逆变电路 图6-4
84

调制波ur:所希望生成的正弦波 载波uc:等腰三角波或锯齿波

天津理工大学中环信息学院

1.6.4

SPWM逆变工作原理

?调制方式:按照调制脉冲的极性关系,SPWM逆变 电路的控制方式分为单极性控制和双极性控制。 ? 如果在正弦调制波的半个周期内,三角载波只在 正或负的一种极性范围内变化,所得到的SPWM波 也只处于一个极性的范围内,叫做单极性调制方 式。 ? 如果在正弦调制波半个周期内,三角载波在正负 极性之间连续变化,则SPWM波也是在正负之间变 化,叫做双极性调制方式。
天津理工大学中环信息学院
85

1.6.4 ? 单极性控制:任一时 刻载波与调制波的极 性相同,在任意半个 周期SPWM波单方向变 化。
?在ur的正半周,V1导通: ?ur>uc时,有脉冲 ?ur<uc时,无脉冲 ?在ur的负半周,V2导通: ?ur<uc时,有脉冲 ?ur>uc时,无脉冲
特点:改变ur的幅值,可改变输出电压的大小;改变ur的频率, 输出交流电压的频率也随之改变。实现既调频又调幅。

SPWM逆变工作原理
u uc ur

O

?t
uo uof

uo Ud

O -U d

?t

图6-5 天津理工大学中环信息学院

86

1.6.4 ? 双极性控制:载波 双方向变化,在任 意半个周期SPWM波 双方向变化。

SPWM逆变工作原理
u ur uc

O

?t

?ur>uc 时, V1 和 V3 导通, 输出正脉冲 ?ur<uc 时, V2 和 V4 导 通 ,
输出负脉冲

uo Ud

uof

uo

O -U d

?t

天津理工大学中环信息学院 图6-6

87

1.6.4

SPWM逆变工作原理

SPWM逆变原理:
? 以一列 SPWM 波来控制逆变器 某一相上下两个开关器件的通 断,从而在逆变器的该相输出 端获得幅值放大了的 SPWM波。

? 由于控制三相逆变器不同相开
关器件通断的 SPWM 波是三相 对称的,因此三相逆变器输出 的三列SPWM波也是对称的。
天津理工大学中环信息学院
88

u

u rA

ut

u rB

u rC

?同步调制三相 SPWM波形

O

t

u AO'
Ud 2 ?

u BO'

Ud 2

0

t

0 u CO' 0
图1-16 SPWM三相逆变原理图

t

t

1.6.4

SPWM逆变工作原理

? SPWM的实现 SPWM波产生方式包括以下三种:模拟电子电路方式、 专用数字电子电路方式和软件编程方式。 ? 模拟电子电路方式:采用正弦波发生器、三角波发 生器和比较器来实现SPWM控制。

? 目前应用越来越少。目前使用较多的是软件编程方式。
天津理工大学中环信息学院
90

本章小节 1、电气传动系统的工作原理, 2、电气传动系统的负载特性, 3、变频器的概念、特点、分类, 4、通用变频器的结构、单相逆变工作原理、三 相逆变工作原理和SPWM逆变工作原理。

天津理工大学中环信息学院

91


第一章自动控制系统概述_图文.ppt

第一章自动控制系统概述 - 自动控制系统概述 叶西宁 Yexining@ecus

自动控制系统概述解析_图文.ppt

自动控制系统概述解析 - 第一章 自动控制系统概述 第一章 自动控制系统概述

自动控制系统概述_图文.ppt

自动控制系统概述 - 第1章 自动控制系统概述 ? 引言什么是控制系统 ?

自动控制系统概述ppt_图文.ppt

自动控制系统概述ppt - 第一章 自动控制系统概述 一、概述 自动控制定义见教

1自动控制系统概述_图文.ppt

1自动控制系统概述 - 第一章 自动控制系统的概述 ? ? ? ? ? ? 1-

自动控制系统简介_图文.ppt

自动控制系统简介 - 自动控制系统简介 PLC的基本概念及工作原理简介 总结及互

自动控制系统概述._图文.ppt

自动控制系统概述. - 第1章 自动控制系统概述 引言什么是控制系统 ? 控

自动控制系统概述6312182_图文.ppt

自动控制系统概述6312182 - 第一章 概述 第一章 概述 第一节 自动控制

第1章 自动控制系统概述_图文.ppt

第1章 自动控制系统概述 第1章 自动控制系统概述 1.1引言 1.2 开环控制

第一章 自动控制系统概述_图文.ppt

第一章 自动控制系统概述 - 文档均来自网络,如有侵权请联系我删除文档... 第1章 ? 自动控制系统概述 引言什么是控制系统 ? 过程控制的重要性 ? 过程控制的...

第1章自动控制系统概述_图文.ppt

第1章自动控制系统概述_能源/化工_工程科技_专业资料。第1章 自动控制系统概述 内容提要 ? 自动控制系统的组成 ? 系统运行的基本要求 ? 自动控制系统的分类 ? ...

第七章 自动控制系统概述_图文.ppt

第七章 自动控制系统概述 - 第七章 自动控制系统概述 本章的主要内容: ? 7

第七章自动控制系统概述_图文.ppt

第七章自动控制系统概述 - 第七章自动控制系统概述,自动控制系统,压瓦机自动控制系统,音乐喷泉自动控制系统设计,数据自动采集系统,自动化系统设计,自动化软件开发,...

自动控制系统概述_图文.ppt

自动控制系统概述 - §1-1 引言 自动控制 指在没有人参与的情况下,通过控制

自动控制系统概述_图文.ppt

自动控制系统概述 - 课程《变频器技术与应用A》 第一章 电气传动基础知识 第

第一讲自动控制系统概述解析_图文.ppt

第一讲自动控制系统概述解析 - 自动控制系统概述 第一节 基础知识 一、人工操作

自动控制系统概述解析_图文.ppt

自动控制系统概述解析 - 自动控制原理与系统 第1篇 自动控制原理 第2篇 自动

自动控制系统概述_图文.ppt

自动控制系统概述 - 自动控制系统概述 内容提要 自动控制系统的组成 系统运行的

第1章自动控制系统概述-PPT精选文档_图文.ppt

第1章 自动控制系统概述 第1章 自动控制系统概述 第1章 自动控制系统概述 1

第七章:自动控制系统概述_图文.ppt

第七章:自动控制系统概述 - 第七章:自动控制系统概述,自动控制系统,压瓦机自动