5异步电动机变压调速系统

(
)
' ' 令电磁功率和同步机械角转速： Pm = 3I r2 Rr / s
ω m1 = ω1 / n p
异步电动机 的机械特性 方程式
则异步电动机的电磁转矩为
Te =
ω m1
Pm
=
3n p
ω1
I r' 2
Rr' = s
3n pU s2 Rr'
/s
' 2 Rr ω1 Rs + + ω12 Lls + L'lr s
K MA ——异步电动机的传递系数
Tm ——异步电机拖动系统的机电时间常数
使用动态结构图时要注意下述两点： （1）由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近 的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响 应。 （2）由于它完全忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步 电动机便近似成一个线性的一阶惯性环节。分析与计算有很大的近似性。
按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁 功率Pm可分成两部分：
拖动负载的有效功率，称作机械功率:Pmech=(1-s)Pm 传输给转子电路的转差功率，与转差率成正比：Ps=sPm。
从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉 还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。据此， 异步电动机的调速系统分成三类：
t1=0
t2=1/3π
t3=2/3π
t4=π
--- 异步电动机旋转的基本原理 --有了旋转磁场，在转子导体中产生了感应电流，而载流导体（转子导 体）在磁场中又受到电磁力的作用，于是使转子转动起来。因为转子导体 中的电流是靠电磁感应产生的，所以异步电动机又叫做感应电动机。 转子和旋转磁场转向相同，转速不等 。 --- 转差率 --同步转速n1与电动机转速n之差（n1-n），用符号∆n表示，叫做转速差。 转速差与同步转速的比值叫转差率，用符号s表示。转差率s通常用百分数 表示，即： s=(n1-n)/n1×100% --- 异步电动机的转速 ---
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。 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。 尽管异步力矩电机的机械特性很软，但 由系统放大系数决定的闭环系统静特性 却可以很硬。 采用PI调节器，照样可以做到无静差。 改变给定信号，则静特性平行地上下移 动，达到调速的目的。
图中UsN表示额定定子电压。
变弱。
四、闭环控制的变压调速系统及其静特性
对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往 往采用带转速反馈的闭环控制系统。 图：带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统 （原理图；静特性）
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对比： 对比： 异步电动机闭环变压调速系 统与直流动电机闭环变压调 速系统的不同
∆Te ≈ 3n p
ω1 Rr'
( 2U sA s A ∆U s −
2 U sA
ω1
∆ω )
∆Te − ∆TL =
J d (∆ω ) n p dt
∆TL = 0 ，图中小闭环传递函数可变换成
np 1 Js = 2 2 3n pU sA n p 3n pU sA J 1+ 2 ' s+ 2 ' ω1 Rr Js n p ω1 R r
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三、异步电动机改变电压时的机械特性
• 异步电动机的稳态等效电路
根据电机学原理，满足下述三个假定条件：①忽略空间 和时间谐波，②忽略磁饱和，③忽略铁损。
• 图中各参数定义如下：
Rs
Lls
、R r ——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻； 、' L
lr
'
——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； ——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感； ——定子相电压和供电角频率； ——转差率。
Lm Us 、 1 ω
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s
I r'
=
Us Rr' + ω12 Lls + C1 L'lr Rs + C1 s
2
(
)
2
(C1 = 1 +
Rs + jω1 Lls L ≈ 1 + ls ) jω1 Lm Lm
在一般情况下 Lm >> Lls ，C1 ≈ 1 ，这相当于上述假定条件的第③条改为 “忽略铁损和励磁电流”。 Us ' Is ≈ Ir = ' 2 2 R Rs + r + ω12 Lls + L'lr s
二、异步电动机变压调速电路
图1: 利用晶闸管交流调压器变压调速
TVC——双向晶闸管交流调压器（调节定子外加相电压）
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图2：采用晶闸管反并联的异步电机可逆和制动电路
晶闸管1~6控制电动机正转运行， 反转时，可由晶闸管1，4和7~10 提供逆相序电源，同时也可用于 反接制动。 当需要能耗制动时，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，例如让1，2，6 三个器件导通，其余均关断，就 可使定子绕组中流过半波直流电 流，对旋转着的电机转子产生制 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。
(
)
2

异步电动机的机械特性方程式
Te =
ω m1
Pm
=
3n p
ω1
I r' 2
Rr' = s
3n pU s2 Rr' / s
' 2 R ω1 Rs + r + ω12 Lls + L'lr s
(
)
2

• 当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩 Te与定子电压Us的平方成正比. • 改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电动 机在一定负载转矩下的转速. • 等效电路不止一种，转速或转差率一定时，Te与Us的平方成正比的 关系不变. 对应于最大转矩时的转差率 sm =
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图1： 在旋转磁场作用下，转子导体中产生感应电动势和感应电流
图2： （a）三个对称的三相绕组 （b）接成星型的三相定子绕组
图2：（a）
图2：（b）
图3：产生旋转磁场
电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度 与电流的变化是同步的。 旋转磁场的转速n1 即同步转速） n1（ 旋转磁场的转速n1（即同步转速）: n1=60f/np f为电源频率、np是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。
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异步电动机的近似线性化传递函数为
3n p 2 s Aω1 2U sA s A ' ∆ω ( s ) ω1 Rr K MA U sA = WMA ( s ) = = = 2 3n pU sA Jω12 Rr' ∆U s ( s ) Tm s + 1 J s +1 s+ 2 ' 2 3n 2U sA ω1 Rr np p
程式计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc。
五、闭环变压调速系统的近似动态结构图 闭环变压调速系统的近似动态结构图 近似
• 改善动态性能
转速调节器ASR：PI调节器，用以消除静差并
W ASR ( s ) = K n
τ ns + 1 τ ns
• 晶闸管交流调压器和触发装置
Ks WGT −V ( s ) = Ts s + 1
转差功率消耗型调速系统 转差功率回馈型调速系统 转差功率不变型调速系统
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转差功率消耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。在三类异 步电动机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低， 它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是 这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 转差功率回馈型调速系统 在这类系统中，一部分转差功率被消耗掉，大部分则通过变流装置回 馈给电网或转化成机械能予以利用，转速越低，能回收的功率越多，这类 系统的效率是比较高的，但要增加一些设备。 转差功率不变型调速系统 在转差功率中，转子铜损是不可避免的，在这类系统中，无论转速高 低，转差功率的转子铜损部分基本不变，因此效率也较高。其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高 动态性能的交流调速系统，取代直流调速。
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• 测速反馈环节
WFBS ( s) =
α
Ton s + 1
Rr' Rs << s 假定s很小 Rr' ω1 ( Lls + Llr ) << s
• 异步电动机MA
Te = 3n pU s2 Rr' /s
Rr' 2 2 ' 2 ω1 ( Rs + ) + ω1 ( Lls + Llr ) s
n=
60 f (1 − s ) = n1 (1 − s) np
--- 异步电动机的调速方法 --变电压调速 串级调速 转差离合器 调速 转子串电阻 调速 交-交变频 交-直-交变 频
变转差率调速
变极对数调速
变频调速
•变压调速是异步电动机调速方法中比较简便的一种。
3．对调速方法按电动机的转差功率分类
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一、交流拖动控制概述
1.交流拖动控制系统的应用领域 1.交流拖动控制系统的应用领域
目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面： (1)一般性能的节能调速 (2)高性能的交流调速系统和伺服系统 (3)特大容量、极高转速的交流调速 交流传动是传动领域的主要发展方向. 交流传动是传动领域的主要发展方向
Rr' Rs2 + ω12 ( Lls + L'lr ) 2
dTe / ds = 0
最大转矩
Te max =
2ω1 Rs + Rs2 + ω12 ( Lls + L'lr ) 2
[
3n pU s2
]
异步电机在不同电压下的机械特性：
带恒转矩负载TL工作时， 异步电动机变电压时的 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。随着电压的调低， 转矩减小，带负载能力
∆Te ≈
3n p
ω1
ω
Rr' 1
( 2U sA s A ∆U s −
2 U sA
ω1
∆ω )
带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式：
Te − TL =
J dω n p dt
稳态工作点A附近的微偏量运动方程式： ∆Te − ∆TL =
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J d (∆ω ) n p dt
忽略电磁惯性时异步电动机微偏线性化的近似动态结构图
第5章 交流调压调速系统
（异步电动机变压调速系统) (一种转差功率消耗型调速系统）
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---主要内容--交流拖动控制概述
交流拖动控制系统的应用领域 异步电动机的调速方法 对上述调速方法按电动机的转差功率分类
异步电动机变压调速电路 异步电动机改变电压时的机械特性 闭环控制的变压调速系统及其静特性 闭环变压调速系统的近似动态结构图
U s = U sA + ∆U s
3n p
s = s A + ∆s
ω1 Rr'
(U sA + ∆U s ) 2 ( s A + ∆s )
展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积
ω1 Rr' ω s =1− ω1
A s A ∆U s + U sA ∆s )
∆s = −
∆ω
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2．异步电动机
交流电机的分类：
主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机
异步电动机是怎样旋转起来的？
--- 电动机 --将电能转换为机械能、输出机械转矩、带动生产机械工作的原动机。 --- 感应电动势 --当导体和磁场之间有相对运动时，在导体中就会产生感应电动势。 --- 旋转磁场 --三相异步电动机的定子绕组用来产生旋转磁场。相电源相与相之间 的电压在相位上是相差120度，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间 方位上也互差120度，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产 生一个旋转磁场。
Te ≈
3n p
ω1 Rr'
U s2 s （在假定条件下异步电动机近似的线性机械特性）
•用微偏线性化方法求一个近似的传递函数。设A为近似线性机械特性上 的一个稳态工作点，则在A点上
TeA ≈
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3n p
ω1 Rr'
2 U sA s A
在A点附近有微小偏差时，
Te = TeA + ∆Te
TeA + ∆Te ≈
静态参数计算： 静态参数计算：
晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数
，
K s = U s /U c
转速反馈系数
α =Un / n
异步电动机机械特性方程式，它是一个非线性函数
n = f (U s , Te )
* 稳态时 U n = U n = αn ， = T ，根据负载需要的n和TL可由机械特性方 Te L ，