第8章 交流调压调速系统

调压调速的功率损耗
转速负反馈闭环控制交流调压调速系统
1．异步电动机传递函数 • 在机械特性近似线性段上的稳态工作点A附近，可以证明：
2 3 pn U1A Td (2U1A sA U1 ) ' 1R2 1
J G d ( ) Td TL pn dt
转速负反馈闭环控制交流调压调速系统
调压调速和变极调压调速效率曲线及 机械特性曲线
•低速时，多速电动机效率比4极单速电动机提高很多，定子 电流也减小许多。 •机械特性最上面为 4极，最下面为 10 极。中间部为 6 极。端 电压各为U1＞U2＞U3＞U4，可见调速范围扩大了。
Δ-Y变换节电




采用由交流接触器和时间继电器等简单电器就可构成 ΔY切换降压装置。其显著的特点是：体积小、成本低、 寿命长、动作可靠。因此在工矿企业中某些轻载设备上 使用，可取得显著的节电效果。 当电动机定子绕组由 Δ 形联结改接成 Y 形联结后，电动 1 =3 机每相定子绕组电压降为原来的，即：UY/U 。 Δ 电动机线电流、电磁转矩均降为原来的 1/3 ，即： IY/IΔ =1/3，TY/TΔ =1/3。 由于 Y 接法与 Δ 接法虽然有电压变化，但是电动机的转 速变化不大，可近似的认为n近似为nN，所以Y接法时电 动机的功率降为原来的1/3，即： PY TY n 1 ＝ P T nN 3
第8章 交流调压调速系统
8.1概述 8.1.1交流调压调速的发展 8.1.2交流调速系统的分类 8.2异步电动机调压调速系统工作原理 8.2.1调压调速的工作原理 8.2.2交流调压器原理 8.3异步电动机调压调速系统 8.3.1调压调速系统的组成 8.3.2调压调速系统的特性 8.3.3调压调速的功率损耗
1．恒转矩负载 对于恒转矩负载，当转速低于临界转速时，电动 机将不能稳定运行，调速范围受到限制。如果采用 专用的调压调速电动机，高转子阻抗或力矩电动机， 调速范围可适当扩大。 2．风机泵类负载 对于风机和水泵类负载，TL ∝ n 2。在低速时所需 力矩小，正好与电动机降压后转矩也按平方规律减 小相吻合，因此电动机的调速范围增大了许多。调 压调速方法十分适用于风机泵类负载。 3．恒功率负载 调压调速方法不适用于恒功率负载。
设定值（交流电 动机转速）
控制器
电力电子装 置
交流电动机
反馈值（交流电 动机转速） 检测装置
目前交流调速系统的技术发展趋势
1）新型开关元件和储能元件的研制。 2）新控制思想、算法及技术不断应用交流调 速系统中。 3）高性能、高运算速度的微型计算机应用在 交流调速系统中，体现现代控制手段的优越性。 4）进行大容量、特大容量等级的交流调速电 机技术的研究及结构精巧的高效能、高精度的 交流调速技术的研究
8.1.1交流调速系统的发展


鼠笼式异步电动机压频比恒定的变压变频调速 系统、 同步电动机变频调速系统， 交流电动机矢量控制系统、 鼠笼式异步电动机直接转矩控制系统等，在工 业生产的各个领域都得到广泛应用，覆盖了机 电传动调速控制的各个方面。
现代交流调速系统组成示意图

现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器 和检测器四大部分构成，如图8-1-1所示。电力电子功率变换器 与控制器及检测器集于一体，称为变频器。

调压调速系统
• 力矩电动机的 机械特性，它具 有软机械特性。 显然在恒转矩负 载下的调压调速 范围增大了，且 在堵转转矩下也 不致于烧毁电动 机。
力矩电动机机械特性
调压调速系统

如果生产机械对静差率要求不高时，例如风机、泵类调速、辊 子恒张力、烘干机以及恒张力卷绕机等，均可采用开环控制的 调压调速系统。调速精度或调速范围要求较高时，则必须采用 带转速负反馈的闭环控制。
闭环控制的晶闸管调压调速系统及其动、静态特性 异步电动机变压调速时，采用普通电动机的调速范围很窄，而 采用力矩电动机时，虽然调速范围可以大一些，但机械特性变 软。对于恒转矩性质的负载，调速范围要求在2以上时，应采用 如下图所示的带转速负反馈的闭环控制系统。 系统常采用PI（PID）调节器构成无差系统。 与直流调压调速系统不同的是，静特性曲线在额定电压U1N和最 小电压U1min下的机械特性是闭环系统静特性的左右两边的极限 值，当负载变化超出其极限范围时，系统将失去调节作用而回 到开环机械特性上去。
2
为等效转矩系数： cosψ2为转子电路功率因数。

改变U 1可以改变转差率s，即可改变n。 由转矩公式可知, 输出转矩一定时，电动机转差率s与定子 端电压U 1的平方成反比；

在转差率一定时，电磁转矩Td与端电压U 1的平方成正比。
调压调速时的机械特性
• 带恒转矩负载时，普 通笼型异步电动机的 稳定工作点为 A 、 B 、 C，转差率s的变化范 围不会超过 0 ～ s m ， 调速范围很小。 • 如带风机类负载，则 工作点为 D 、 E 、 F ， 调速范围可以大一些。
2）调压调速 是一种简单、可靠、价格便宜的调速方案， 适用于10kW以下的小功率异步电动机。对于功率较大 的异步电动机，如采用调压调速，则在低压时，由于 集肤效应引起转子深槽部位发热而无法运行。 3）晶闸管串级调速 是针对绕线式异步电动机的一种高 效节能调速方法，它将电动机的滑差损耗通过一定方 式反馈回电网，应用在数百至数千千瓦的大功率电动 机上。 4）变频调速 是性能最好且最有发展前途的调速方法。 按照交流异步电动机基本原理，从定子传入转子的电 磁功率P2可分为两部分：一部分是拖动负载的有效功 率Pm，另一部分是转差功率PS。从能量转换的角度， 转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价 交流调速系统效率高低的基本标志。从这一观点出发， 异步电动机的调速系统可分为以下三类。
8.1.2交流调速系统的分类


异步电动机拖动系统本身存在着很大的可挖掘的节电潜力。许多交流 拖动装置及其所拖动的机械选用时往往都留有一定的富裕容量，而且 也不总是在最大负荷情况下运行。如果能适时地改变电动机的速度， 就可改变工作机械的工况（效率），从而达到节电的目的。 交流异步电动机调速分类方法可根据下式进行分类。

(8.3)
其中，是调节器静态放大倍数，晶闸管包括触 发装置放大倍数，α是控制角。
调压调速系统近似动态框图
利用电动机的自身结构调速
变极调压调速系统

将调压调速与变极调速相结合，扩大调速范围，以及提高低速 运转时的电磁转矩和效率。这种调压与变极相结合的调速，称 为变极调压调速。
变极调压调速可以提高电动机的效率，如： 4极电动机：转速为950r/min，s 1 =0.37，η1=63% 6极电动机：转速为950r/min，s 2 =0.05，η2=95%
8.2异步电动机调压调速系统工作原理




改变三相异步电动机定子端电压实现调速的方法称为交流调压 调速。 调压调速系统一般由三部分组成：三相交流调压器、调压调速 电动机及控制单元。 交流调压调速系统只是改变电动机定子端电压，而不改变供电 频率，所以常称之为交流调压系统或变压恒频系统。 由电机学原理可知：
60 f1 n 1 s n0 (1 s) 式中 n 为异步电动机的转子转速； n 0 为异步电动机的同步转速；p n为极 pn

对数；f1为定子的电源频率；s 为转差率。 基本的调速方法可分为三大类，即调频f1、调转差率s、调极对数pn。
1）异步电动机变极对数调速 是一种有级调速方法，一般只有2～3档转 速，但效率高，没有滑差损耗，结构简单。
Td max 3 pnU12 21[ R1 R12 12 ( L1 L2 ) 2 ]
调压调速时的机械特性
4）降低定子端电压后，机械特性曲线的斜率加大，但速度变 化范围只在s =0至s m之间变化，故调速范围不大。 5）降低定子端电压后，电动机自身的效率和功率因数都降低 了。
不同负载转矩特性下交流调压调速效果


变极调速系统效率显著提高的原因在于改变了同步转速 n 0。若 某一转速n固定不变，由于电动机的转差率变小，转差功率Ps 也 变小，故提高了效率，η≈(1- s)。
变极调压调速系统框图
变极调压调速系统应用实例 单绕组三速鼠笼电动机，通过定子绕组的不同接法，可以得到4、

6 、 10 极（都为 Y/Y 接法）旋转磁场，对应的同步转速为 1500 、 1000、600r/min。 系统采用双向晶闸管构成三相对称调压装置。 制动控制线路在系统减速、停车时采用能耗制动。制动时在U、V 相定子绕组通以恒定直流，使转子感应电流产生制动转矩，使电 动机迅速减速。

K tr G(s) D s 1τD 可取 3.3ms 。对于其它 对于三相全波 Y 形联结的调压电路， 形式的调压电路，应针对不同情况具体分析。
调压调速的特性
u +
u fn
调节器 ASR
uc
晶闸管调 压装置
ud
异步 电动机
n
转速反馈 装置
u c k n (u sn u fn ) ud k s uc u fn n

由上式可以画出异步电动机在忽略电磁惯性下的微偏等效框 图，如下图a 所示。如进一步忽略ΔTL的影响，异步电动机传 递函数可等效为：
GMA
K MA ms 1 式中 KMA =2 s Aω1/U1A 为异步电动机传递系数； ' 2 2 为异步电动机机电时间常数。 m J G12 R2 /(3 pn U1A ) 2．晶闸管交流调压装置和相应触发装置的传递函数 ωc≤1/（3τD），晶闸管交流调压装置和相应触发装置的传递函 数可近似为：
' 3 pnU12 R2 /s Td K Tm I 2 cos 2 1[( R1 R2 / s) 2 12 ( L1 L2 ) 2 ]
' I2
U1
R R / s
1 ' 2
2
12 ( L1 L2 ) 2
式中 I2′为折合到定子侧的转子电流； R 1，L1为定子每相电 ' ' R2 , L2 为折合到定子侧的转子每相电阻和漏感；U 阻和漏感； 3 K pn N1 K N1 T 1，ω1 为定子相电压和角频率，ω1 = 2πf1 ；
1）转差功率消耗型调速系统 ──全部转差功率都转换成热能的形式 消耗。传统分类的调压调速和绕线转子异步电动机转子串电阻调 速都属于这一类，它是通过增加转差功率的消耗来换取转速的降 低。这类调速系统结构简单，效率最低（对于恒转矩负载，转速 愈低，效率也愈低）。 2）转差功率回馈型调速系统 ──部分转差功率转换成热能的形式消 耗，大部分则通过变流装置回馈电网或转变成机械能予以利用， 转速越低，回收的功率也越多。传统分类的绕线转子异步电动机 串级调速属于这一类，其效率明显高于第一类。 3）转差功率不变型调速系统 ──转差功率中的铜耗无论转速高低都 基本不变，即转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。传统分 类的变极对数调速和变频调速属于这一类。
调压调速时的机械特性

由调压调速机械特性图及电机学原理可知： 1）电动机的同步转速n0与定子的端电压无关。 2）最大转差率s m只与电动机参数有关,与定子端电压U 无关，而转差率s与定子端电压U1的平方成反比。
sm
' R2 2 R12 1 ( L1 L2 ) 2
1
3）在负载电流相同的条件下，降压后，电动机的最大电 磁转矩Tdmax减小。
调压调速系统

系统构成 调压调速系统一般由三部分构成：交流调压装置、异步 电动机和控制器组成。 Y系列电动机适用于风机、泵类负载，但对于恒转矩负 载则不适用。


专门为调压调速设计的高转差率三相异步电动机类似深 槽、双鼠笼异步电动机，其转子由高电阻率的黄铜条制 成，具有起动力矩大，起动电流小等特性，如 YH 系列 高转差率电动机。 除高转差率异步机外，调压调速还可采用力矩电动机。 它的s m =1.0，允许一段时间堵转，堵转电流等于额定电 流，具有软机械特性（或称为挖土机特性），如JLT系 列力矩电动机。