交流调速系统3
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
交流调速系统的分类及性能
交流调速系统的分类及性能由异步电动机转速表达式可知，转变频率、转差率S、磁极对数p均可实现对沟通电动机的速度调整。
有用中，沟通调速方式大致有以下几种：变极调速转子串电阻调速串级调速调压调速电磁调速异步电动机变频调速无换向器电动机调速1．变极调速通过转变异步电动机的绕组极数来转变其同步转速。
该方式为有级调速，异步电动机的转速不能连续变化，只应用于一些特别的场合，只能达到大范围粗调的目的。
变极调速只用于特地生产的变极多速鼠笼型异步电动机，通过转变定子绕组的联接或另设绕组的方法可得到D/YY、Y/YY双速电动机、三速、四速等电动机。
2．转子串电阻调速通过转变串联于转子电路中的电阻阻值来转变电动机的转差率，进而达到调速的目的。
因串联电阻的阻值可多级转变，故可实现多种速度的调速。
这种方式结构简洁，价格廉价，操作便利；但由于转差功率损耗在电阻上，效率随着转差率增加而下降，同时其机械特性比较软，只适合于调速性能要求不高的场合。
这种调速方式只适用于绕线式转子异步电动机。
3．串级调速通过在异步电动机的转子侧接一个二极管或晶闸管整流桥，将转差频率沟通电变为直流电，再用直流电机旋转变流机组或逆变器将转差功率返回电源，或直接将转差功率变为机械能加以利用。
串级调速在风机、泵类等传动系统上广泛采纳。
这种调速方法常用的结构方案有：电气串级方式、电动机串级方式、低同步串级调速方式、超同步串级调速。
该方法适用于绕线式异步电机。
4．调压调速这是将晶闸管反并联连接，构成沟通调速电路，通过调整晶闸管的触发角，转变异步电动机的端电压进行调速（如图6-5所示）。
这种方式也转变转差率S，转差功率消耗在转子回路中，效率较低，仅适用于特别笼型电动机（例如深槽电动机等高转差率电动机）和绕线转子等小容量电动机。
通常这种调速方法应构成转速或电压闭环，才能实际应用。
5．电磁调速异步电动机这种系统是在异步电动机与负载之间通过电磁耦合来传递机械功率，调整电磁耦合器的励磁，可调整转差率S的大小，从而达到调速的目的。
交直流调速系统
交直流调速系统•引言•交直流调速系统基本原理•交直流调速系统组成与结构目录•交直流调速系统控制策略•交直流调速系统性能分析•交直流调速系统设计与实践•交直流调速系统应用与展望引言01CATALOGUE调速系统概述调速系统的定义调速系统是一种能够改变电动机转速的控制系统，通过调整电动机的输入电压、频率等参数，实现对电动机转速的精确控制。
调速系统的分类根据电动机类型不同，调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统两大类。
其中，直流调速系统具有调速范围广、静差率小等优点，而交流调速系统则具有结构简单、维护方便等特点。
交直流调速系统的发展与应用发展历程交直流调速系统经历了从模拟控制到数字控制的发展历程。
早期的调速系统主要采用模拟控制技术，随着计算机技术的发展，数字控制技术逐渐取代了模拟控制技术，使得调速系统的性能得到了显著提升。
应用领域交直流调速系统广泛应用于工业生产的各个领域，如机械制造、冶金、化工、纺织等。
在现代化生产线中，交直流调速系统是实现自动化生产的关键技术之一，对于提高生产效率、降低能耗具有重要意义。
交直流调速系统基本原理02CATALOGUE直流电机通过电枢电流和磁通量的相互作用产生转矩，实现电机的旋转运动。
直流电机原理调速方式控制策略直流调速系统通过改变电枢电压、电枢电阻或磁通量来调节电机的转速。
直流调速系统常采用PID 控制、模糊控制等策略，实现电机转速的精确控制。
030201交流电机通过定子电流产生的旋转磁场与转子电流的相互作用，实现电机的旋转运动。
交流电机原理交流调速系统通过改变定子电压、频率或改变电机结构等方式来调节电机的转速。
调速方式交流调速系统常采用矢量控制、直接转矩控制等策略，实现电机转速的精确控制。
控制策略交直流混合调速系统原理混合调速原理交直流混合调速系统结合了直流和交流调速系统的优点，通过交直流变换器实现能量的双向流动和转速的精确控制。
能量转换交直流混合调速系统通过交直流变换器将直流电能转换为交流电能，或将交流电能转换为直流电能，以满足不同负载的需求。
交直流调速系统
交直流调速系统简介交直流调速系统是一种广泛应用于电机调速的控制系统。
它通过控制电机输入的电压或电流，实现对电机输出转速的精确控制。
交直流调速系统在工业领域中的应用非常广泛，可以用于机械设备、电梯、风机、泵站等各种场合。
原理交直流调速系统的基本原理是采用电力电子技术，将交流电转换为直流电，并通过控制器对直流电进行调节，再将调节后的直流电供给电机，从而实现对电机的转速控制。
交直流调速系统的核心部件是变频器，它通过改变电压或频率的大小，控制电机的转速。
变频器通常由整流器、滤波器、逆变器和控制器组成。
•整流器：将交流电转换为直流电，通过整流和滤波过程，将交流电的波形变换为平滑的直流电。
•逆变器：将调节后的直流电转换成交流电，逆变器可以改变输出的频率和电压大小，从而实现对电机转速的控制。
•控制器：控制系统的大脑，接收输入的控制信号，根据设定的转速要求对逆变器进行控制。
优势交直流调速系统相比传统的电阻调速和磁阻调速有以下几个优势：1.节能高效：交直流调速系统可以根据负载的需求调节电机的转速，避免了不必要的能耗，提高了能源利用效率。
2.转速范围广：通过控制器的精确调节，交直流调速系统可以实现广范围的转速调节，满足不同应用场景的需求。
3.控制精度高：交直流调速系统具有良好的转速控制性能，可实现对电机的精确控制，提高生产过程的稳定性和产品质量。
4.可靠性强：交直流调速系统采用先进的电力电子技术，具有较高的可靠性和抗干扰能力，可以适应恶劣的工作环境。
5.维护成本低：交直流调速系统的维护成本相对较低，设备运行稳定可靠，减少了维修和更换的频率。
应用领域交直流调速系统广泛应用于各个领域，特别适用于以下场合：1.机械设备：交直流调速系统可以应用于各种机械设备的转速调节，如印刷机、纺织机、切割机等。
2.电梯：交直流调速系统可以实现电梯的平稳起动和停止，提高电梯运行的安全性和舒适性。
3.风机：交直流调速系统可以应用于风机的转速调节，根据风量需求自动调节风机的运行速度，降低能耗。
第六章 交流调速系统
交流电机的同步转速表达式为：
n1
＝
60 f1 p
异步电动机的转速表达式为：
n1＝
60 f1 p
(1
s)
因此，异步电动机的调速方法有改变电动机
定子供电频率，改变转差率及改变极对数等三种。
其中改变转差率又可通过调定子电压、转子电阻、
转差电压及定、转子频率差等方法实现。同步电
动机的调速可用改变供电频率从而改变同步转速
Sm
R2
R12 12 (Ll1 Ll2 )2
Tm
21[R1
3 pU12
R12 12 (Ll1 L'l 2 ) 2 ]
华南理工大学
上式表明，当转速或转差率一定时，电磁转
矩与电压平方成正比。对应不同的定子电压，可 得到一组机械特性曲线，如图6—3 所示，图中
U1N表示定子额定电压。
右图分析： 带恒转矩负载时，普 通笼型异步电动机调 压时的稳定工作点为 A—B—C，转差率在 0—Sm范围内变化，调 速范围很小。如带风 机类负载运行，工作 点为D、E、F，调速范 围稍大些。
电路（e）只用三个晶闸管，它们位于三相绕 组后面可减少电网浪涌电压对它的冲击，即使 三相绕组发生相间短路也不致损坏晶闸管，它 的移相范围为2100。此电路要求定子绕组中性 点能拆开，且只能接成Y形。电路上有偶次谐 波，对电机不利。
华南理工大学
优胜电路：
综上所述，电路（b）、(e)性能 较好，在交流调压调速系统中多采 用这两个方案。
华南理工大学
6.2.2 异步电动机 在调压时的机械特性
根据电机学原理，异步电动机稳态时的简化 等值电络图如图6—2所示。
I1
R1
Ll1
交直流调速系统第一章 直流调速简介(第三版)
Id
－－负载电流引起的转速降
机械特性曲线
k Ra 机械特性曲线的斜率k值越小，特性的硬度越硬。
KeN
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电压越低，转速越低。
•特性硬，调速精度高， 最常用。
调压调速
3. 调速的平滑性： 调速平滑性是指调速时可以得到的相邻两转速之比，调速平滑性 接近于1的调速系统称为无级调速，反之为有级调速。
1．什么是调速范围？什么是静差率？ 2．静差率是针对某一条机械特性定义的，调速系统的静 差率指的是什么？ 3．静差率与硬度有什么区别和联系？
2020/4/14
解： 得
2020/4/14
•电压降低，n0减小
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电阻越大，转速越低。
串电阻调速
•特性软，调速精度低， 一般不采用。
•理想空载转速n0不变。
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
2020/4/14
调速系统的稳态性能指标
一个好的调速系统应具有较大的调速范围和较小的静差率！
(4)静差率与调速范围的关系 Nhomakorabeas nN ， n0 min
则
n0 min
nN s
D
snN
1 snN
D nN
nN
nmin n0 min nN
nN
nN s
nN
snN
1 s nN
2020/4/14
交流调速简答 (1)
直流调速系统：控制简单、调速平滑、性能良好。
但换向器存在，维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制交流调速系统：交流调速系统，励磁电流和转矩电流互相耦合，调速困难。
现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器及电量检测器组成，称为变频器。
课后习题1.交流调速的主要应用领域：1.冶金机械2.电气牵引3.数控机床4.矿井提升机械5.起重、装卸机械6.原子能及化工设备7.建筑电气设备8.纺织、食品机械2.异步电动机的优点：结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉。
3.异步电动的调速方法：改变电源频率、改变极对数以及改变转差率。
4.变频调速的基本要求：1.保持磁通为额定值 2.保持电压为额定值5.交－直－交变频器与交－交变频器的主要特点比较：比较项目类型交－直－交变频器交－交变频器换能方式两次换能，效率略低一次换能，效率高晶闸管换向方式强迫换向或负载换向电网换向所用器件数量较少较多调频范围频率调节范围宽一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/3～1/2电网功率因素采用晶闸管可控整流调压，低频低压时功率因数较低，采用斩波器或PWM方式调压，功率因数高较低适用场所可用于各种电力拖动装置，稳频稳压电源和不间断电源适用于低速大功率拖动6.同步电动机变频调速方法：他控式变频调速、自控式变频调速。
不同：他控式变频调速采用独立的变频器（即输出频率由外部振荡器控制）作为同步电机的变压变频电源。
自控式变频器调速由电动机轴上所带的转子位置检测器发出信号来控制逆变器的触发换相，即采用输出频率由转子位置来控制的变压变频电源为同步电机供电。
这样就从内部结构和原理上保证了频率与转速必然同步，构成“自控式”。
7.各种变频调速的基本原理：按结构分为交－直－交变频器与交－交变频器；按电源性质分电压型变频器：变频器主电路中的中间直流环节采用大电容滤波，使直流电压波形比较平直，对于负载来说，是一个内阻抗为零的恒压源，这类变频调速装置叫做电压源变频器。
交流电动机调速方法
交流电动机调速方法
交流电动机调速方法有多种，以下是常见的几种方法：
1. 变频调速：通过调节电动机供电频率，改变电动机转速来实现调速。
变频器可以根据负载情况和工艺要求，自动调整输出频率，从而控制电动机的转速。
2. 阻抗调速：通过改变电动机回路的阻抗，来改变电动机的转速。
常用的方法有电阻调速、自耦变压器调速和感性电压调速等。
3. 矢量控制：利用矢量控制技术，通过改变电动机的电流和电压矢量，来实现对电动机转速的控制。
矢量控制可以实现高精度、高动态性能的调速效果。
4. 直接转矩控制：通过测量电动机的转子位置和转子电流，直接计算出电机的转矩，从而实现对电机转速的控制。
直接转矩控制具有响应速度快、控制精度高的特点。
5. 恒定电压调速：在给电动机供电时保持恒定的电压，通过改变电动机的绕组电阻或连接不同的绕组，来改变电动机的转速。
选择适合的调速方法需要考虑到具体的应用场景、负载要求和经济效益等因素。
在实际应用中，可以根据需要采用单一的调速方法，也可以结合多种调速方法进行组合使用，以达到更好的调速效果。
交流调压调速
• 参数定义
Rs、Rr′ —定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；
Lls、Llr′ —定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；
Lm—定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；
Us、1 —定子相电压和供电角频率；
s —转差率。
•电流公式 由图可以导出
式中
(2-1)
在一般情况下，LmLl1，则，C1 1 这相当于将上述假定条件的第③条改为忽 略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简 化成
1.交流调压调速
第二篇 交流调速系统
交流调速系统的主要类型 交流变压调速系统 绕线转子异步电机串级调速系统 ——转差功率馈送型调速系统 交流变频调速系统
• 第一章 •
•概 述
要求
•掌握几种主要的交流调速方法
交流调速系统的主要类型
交流调速系统(AC Speed Regulating System):
• 交流力矩电机的机械特性
•s,n •0 •n0
•恒转矩负载特性 •A •B
•0.5UsN •C
•UsN
•0.7UsN
•1
•0 •TL
•Te
•图2-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）
•在不同电压下的机械特性
2.3 闭环控制的变压调速系统及其静特性
采用普通异步电机的变电压调速时， 调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电 机可以增大调速范围，但机械特性又变软 ，因而当负载变化时静差率很大（见图2-5 ），开环控制很难解决这个矛盾。
•从定子传入转 子的电磁功率
•定义：转差功率 Ps＝ s Pem
•总机械功率 •转子铜耗 •（转差功率）
按照交流异步电机
的原理，从定子传入转
交流调速的基本方法
交流调速的基本方法交流调速是指在交流电力系统中，通过改变发电机的励磁电流或调整变压器的变比，使得发电机的输出频率保持稳定。
调速的目的是保证系统中的发电机和负荷之间的电力平衡，以及稳定系统的频率和电压，保证电能的供应质量。
交流调速的基本方法有以下几种：1. 励磁调速方法：通过改变发电机的励磁电流来调整发电机的输出频率。
励磁电流越大，发电机的转速就越高，输出频率也就越大。
励磁调速方法适用于具有较大惯性的系统，调速响应时间较长。
2. 变压器调速方法：通过调整变压器的变比来改变发电机的输出频率。
变压器调速方法适用于具有较小惯性的系统，调速响应时间较短。
这种调速方法通常用于小型发电机组或分布式发电系统中。
3. 负载调速方法：通过改变负载的大小来调整发电机的输出频率。
负载增大时，发电机的转速会下降，输出频率也会减小。
负载调速方法适用于具有大幅度负载波动的系统，调速响应时间较快。
4. 水轮机调速方法：对于水轮机发电机组，可以通过控制水轮机的进水量来调整发电机的输出频率。
进水量越大，发电机的转速就越高，输出频率也就越大。
这种调速方法适用于水力发电系统。
5. 发电机组调速方法：对于多台发电机组并联运行的情况，可以通过调整各个发电机组的励磁电流或负载来实现调速。
这种调速方法适用于大型电力系统。
以上是交流调速的基本方法，不同的方法适用于不同的电力系统和发电机组。
在实际应用中，可以根据系统的需求和运行状态选择合适的调速方法，以保证系统的稳定运行和电能供应质量。
需要注意的是，在进行交流调速时，需要考虑系统的稳定性和安全性。
调速过程中，应及时监测和控制发电机的输出频率、电压和负载，以确保系统的稳定运行。
同时，还需要进行合理的调度和管理，以最大限度地提高系统的效率和可靠性。
交流调速是电力系统中非常重要的一项技术，可以有效地控制发电机的输出频率和电压，保证系统的稳定运行。
通过合理选择和应用调速方法，可以实现电能的高质量供应，满足不同负载的需求。
交流调速实验指导书
实验一双闭环三相异步电机调压调速系统实验一、实验目的(1) 了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成。
(2) 了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性。
(3) 通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围很有限，无实用价值，而对力矩电机或线绕式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软其调速范围有所扩大，但在负载或电网电压波动情况下，其转速波动严重，为此常采用双闭环调速系统。
双闭环三相异步电机调压调速系统的主电路由三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机组成。
控制部分由“电流调节器”、“速度变换”、“触发电路”、“正桥功放”等组成。
其系统原理框图如图1-1所示：整个调速系统采用了速度、电流两个反馈控制环。
这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同，而电流环的作用则有所不同。
在稳定运行情况下，电流环对电网扰动仍有较大的抗扰作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。
给左转子bII加电卩 1.异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正、反转，反 接和能耗制动。
但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率P s = SR 全部消耗在转子电阻中，使转子过热。
图1-1双闭环三相异步电机调压调速系统原理图四、实验内容 (1) 测定三相绕线式异步电动机转子串电阻时的机械特性。
(2)测定双闭环交流调压调速系统的静态特性。
五、 预习要求(1) 复习电力电子技术、 交流调速系统教材中有关三相晶闸管调压电路和异步电机晶闸管调压调速系 统的内容，掌握调压调速系统的工作原理。
(2) 学习有关三相晶闸管触发电路的内容，了解三相交流调压电路对触发电路的要求。
三相异步电机交流变频调速系统设计实验
三相异步电机交流变频调速系统设计实验指导书仇国庆编写重庆邮电大学自动化学院测控技术实验中心2010/11/2三相异步电机交流变频调速系统设计实验指导书一、实验目的：1. 了解三相异步电机调速的方法；2. 熟悉交流变频器的使用；3. 掌握三相异步电机交流变频调速系统设计。
4. 交流异步电动机机械特性及变频调速特性测试二、控制系统设计要求系统设计要求能够实现三相异步电动机的如下状态的控制：正转；反转；停止；点动；加速；减速。
图1 控制系统硬件结构图三、基本知识：1.异步电动机调速系统种类很多，常见的有：(1)降电压调速；(2)电磁转差离合器调速(3)绕线转子异步电机转子串电阻调速(4)绕线转子异步电机串级调速(5)变极对数调速(6)变频调速等等。
2.三相交流异步电动机2.1 异步电动机旋转原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。
n转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子电流⑴磁场以⑵通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力⑶ 电磁力使转子绕组以转速n 旋转，方向与磁场旋转方向相同2.2 旋转磁场的产生旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。
这三个交变磁场应满足：⑴ 空间位置上互差rad 3/2π电度角。
由定子三相绕组的布置来保证⑵ 在时间上互差rad 3/2π相位角（或1/3周期）。
由通入的三相交变电流来保证。
2.3 电动机转速产生转子电流的必要条件：是转子绕组切割定子磁场的磁力线。
因此，转子的转速n 必须低于定子磁场的转速0n 。
两者之差称为转差：n n n -=∆0转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：0/n n s ∆=同步转速0n 由下式决定：p f n /600=上式中，f 为输入电流的频率，p 为旋转磁场的极对数。
由此可得转子的转速：p s f n /)1(60-=3.异步电动机调速由转速p s f n /)1(60-=可知异步电动机调速有以下几方法：(1) 改变磁极对数p （变极调速）定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。
绪论交流调速概述
6
交流调速系统概述
交流电动机调速系统的技术应用：
（1）风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进 行变频、串级调速，可以节能。
（2）对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运 行平稳、档次提高。
（3）纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采 用交流无级变速，提高产品的质量和效率。
（4）钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动 设备上使用交流变频传动。
（5）有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球 磨机、给料等进行变频无级调速控制。
（6）油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。 此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、 输煤等控制系统。
7
交流调速系统概述
（7）变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。 （8）变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用， 提高调速性能和产品质量。 （9）变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水 泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。 （10）机械行业。是企业最多、分布最广的基础行业。 从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需 要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台 交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调 速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使 刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各 轴联动完成指定坐标位置移动。
水泵中交流调速的控制原理
水泵中交流调速的控制原理
水泵中交流调速控制的原理可以概括为以下几点:
一、交流调速的方法
水泵交流调速的常用方法有:
1.电压调速:改变水泵输入电压,通过变压器实现。
这种方法调速范围有限。
2.频率调速:改变电源频率,通过变频器实现。
这是水泵调速的主要方法。
3.极数调速:改变电动机极数,通过换接电路实现。
这种方法调速范围较小。
4.组合调速:综合利用上述各方法的优势,扩大调速范围。
二、频率调速的基本原理
水泵频率调速就是利用变频器改变电动机电源频率,从而改变水泵转速的方法。
其基本原理是:
电动机转速n与电源频率f和极对数p成正比,n∝f/p。
因此提高频率可以增加转速,降低频率则减小转速。
三、交流调速系统的组成
一个交流调速系统主要由变频器、电动机、传动机构和被传动装置组成。
1. 变频器:改变电源频率的核心部件。
2. 电动机:执行机构,输出调节后的机械功率。
3. 传动机构:实现机械动力的传递。
4. 被传动装置:接受调速后的机械动力,如水泵。
四、交流调速的特征
交流调速系统具有速度调节范围大、准确性高、效率较好等优点,主要应用于对速度有较高要求的场合,如水泵增压、风机调速等。
交流调速控制是水泵行业常用的方法,对保证水泵运行的经济性、高效性具有重要意义。
其核心在于利用变频器灵活地控制电动机输入频率,实现无级连续稳定调速。
第五章 交流异步电动机调速及变频原理(第三版)
磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的结
构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动
哪 里
有
机的磁极对数。
逻
辑
，
电动机的同步转速取决于磁场的极对数
那 里
就
有
自
n01
60 f1 p
( 转/分)
动 化 控
制
2019/7/30
重庆工业职业技术学院
交直流调速系统
一、变极调速
电动机的同步转速取决于磁场的极对数
n01
60 f1 p
( 转/分)
哪
里
有
磁极对数
每个电流周期 磁场转过的空间角度
同步转速n0
( f1 50Hz )
逻 辑 ， 那
p 1
360
3000 (转/分）
里 就
p2
180
1500 (转/分）
有 自
动
p3
120
1000 (转/分）
化 控
制
p4
90
750 (转/分）
2019/7/30
【知识目标】
1.了解交流电动机调速的3种基本方法。
哪 里
有
2．掌握通用变频器的基本结构及变频原理。充分理解和把握
逻 辑
，
基频（额定频率）以下和基频以上两种情况下调频与调压协调
那
里
就
控制特性。
有
自
3．了解通用变频器的各种分类方法和控制方式。
动 化
控
制
2019/7/30
重庆工业职业技术学院
交直流调速系统
，
那
里
就
有
自
动
交流调速系统的主要类型
交流调速系统的主要类型
交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。
现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。
按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：①降电压调速；②转差离合器调速；③转子串电阻调速；④绕线电机串级调速或双馈电机调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等等。
按电动机的能量转换类型分类按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。
即Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 –s) Pm Ps = sPm 从能量转换的角度上看，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。
从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。
1. 转差功率消耗型调速系统 2.转差功率馈送型调速系统 3. 转差功率不变型调速系统同步电机的调速:同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0 ）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速.可分为他控变频调速和自控变频
调速两类。
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第 3 章
交流调速系统
3.3 变频器
3.3.1 变频器的基本构成
3.3.2 变频器的分类 3.3.3 逆变器的8种状态和电压空间矢量
3.3.1 变频器的基本构成 变频器的主要任务是把交流电做如下变换 恒压恒频(CVCF) 变压变频(VVVF ) 以满足交流电机变频调速的需要。
1. 交-交变频器
电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，按中间直流 环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成 电压源型和电流源型两类，两种类型的实际
区别在于直流环节采用怎样的滤波器。
+
Ud
-
Cd
逆 变 器
+
Ld Id
Ud -
逆 变 器
a) 电压源逆变器
b) 电流源逆变器
电压源型和电流源型逆变器的主要特点
3.5 异步机的矢量控制
基本思想：
以旋转磁场不变为准则，进行坐标变换，
把异步电机等效成直流电机，然后仿照直流
机的控制方法求直流电机的控制律，而后，
经过反变换就可实现交流电机控制。
异步电机的坐标变换结构图
iA A iB B i C C i
3/2 i
it1
异步电机 VR i
m1
等效直流 电机模型
f1 —定子供电频率； N1 —定子每相绕组串联匝数； K —定子基波绕组系数； m —每极气隙磁通。
如何保证磁通恒定？
E1 = 4.44 f1 N1KΦm
E1 m = 4.44 f1 N1 K
显然，只要控制好 E1 和 f1 的比值，便可 达到控制磁通m 的目的。 E1 / f1 =常数
恒压频比的控制方式
矢量控制的特点 ①可用于异步电机和同步电机； ②可连续平滑调速、性能好、调速范围宽； ③将定子电流分解成磁链分量和转矩分量； ④本质上是一种解耦控制； ⑤转子磁链难以精确测量和定向； ⑥系统对电机参数变化敏感，鲁棒性差。
3.6 异步机的直接转矩控制
基本思想： 改变电压空间矢量
改变定、转子磁链的夹角
矢量控制系统的等效结构图
给定 信号
控制器
3~
i*1 i*A i*B 2/3 * iC iA 电流控制 iB 变频器 iC i1
im1
等效直流 电机模型
i*m1 i*
t1
w
+
VR-1 i*
1
3/2 iβ1 VR
异步电动机
w1
it1
反馈信号
可以想象，这样的矢量控制交流变 压变频调速系统在静、动态性能上完全 能够与直流调速系统相媲美。
电压源型逆变器：采用大电容滤波，电压 波形比较平直，相当于一个内阻为零的恒 压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波。 电流源型逆变器：采用大电感滤波，电流 波形比较平直，相当于一个恒流源，输出 交流电流是矩形波或阶梯波。
电压源型和电流源型逆变器的主要特点
两种逆变器输出波形比较
电压型逆变器
输 出 电 压 输 出 电 流
=2
=0
u0
= 2
A B O C D E F
wt
单相交-交变频电路输出电压和电流波形
uo
O
wt
io
O 1 2 3 4 5 6
wt
三相交-交变频电路
交-交变频器的主要特点 ①基于可逆整流原理，可引用直流技术； ②输出电流近似三相正弦，附加损耗小； ③需采用的元件数量较多； ④输出波形不能高于电网频率的1/3~1/2； ⑤拖动电机的价格便宜、转速较低。
然而，绕组中的感应电动势是难以直 接控制的，当电动势值较高时，可以忽略 定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相 电压 U1 ≈ E1，则得：
U1 / f1 =常数 这就是恒压频比的控制方式。
在基频以上调速时，频率应该从 f1 向上升高，但定子电压U1 却不可能超过 额定电压U1n ，最多只能保持U1 = U1n ， 这将迫使磁通与频率成反比地降低，相 当于直流电机弱磁升速的情况。
w
异步电动机
3/2——三相/两相变换; VR——同步旋转变换; ——M轴与轴（A轴）的夹角
既然异步电机经过坐标变换可以等效成 直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略， 得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反 变换，就能够控制异步电机了。
由于进行坐标变换的是电流（代表磁动 势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实 现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System） 。
t
交-交变频器的控制方式
调制控制方式
要获得正弦波输出，就必须在每一组整 流装置导通期间不断改变其控制角。 例如：在正向组导通的半个周期中，使 控制角 由/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐 渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐 增加到 /2（ u0 再变为0）。
调制控制输出电压波形
矢量控制与直接转矩控制的比较
性能与特点
磁链控制 转矩控制 坐标变换
直接转矩控制系统
定子磁链 砰-砰控制，有转矩脉动 静止坐标变换，较简单
矢量控制系统
转子磁链 连续控制，比较平滑 旋转坐标变换，较复杂
转子参数变化影响
调速范围
无
不够宽
有
比较宽
思考题3-2：
P303 习题3.5
习题3.12
为什么变频调速时还要改变定子电压？ 因为，电机调速时希望保持每极磁通
量为额定值。磁通过大，会使铁心饱和，
励磁电流过大会使绕组过热，严重时会烧
坏电机；磁通过小，电机出力不足，输出
转矩小，电机的铁心不能充分利用，造成
浪费。
如何保证磁通恒定？
E1 = 4.44 f1 N1KΦm
式中：E1 —定子每相中感应电动势的有效值；
电流型逆变器
3.4 异步机的标量控制
3.4.1 电压频率协调控制的变频调速系统
3.4.2 转差频率控制的变频调速系统
要点：保持磁通恒定。
3.4.1 电压频率协调控制的变频调速系统
给定
变频器 控制器
u0 ~ f 0
us f1
逆变器
M 3~
电压/电流检测
转速/位置检测
恒压恒频的三相交流电通过逆变器产生电压 和频率均可变的三相交流电，供给电机定子，以 实现平滑调速。
交-直-交变频器的应用场合 交-直-交变频器通常用于中小功率、 转速较高、负载较平稳的场合，如压缩机、 挤压机、给水泵等。
3.3.2 变频器的分类
1. 按直流侧电源性质分 2. 按输出电压调节方式分 3. 按导通模式分 4. 按逆变器输出电压波形分 5. 按逆变器的调制方式分
6. 按变频器的控制方法分
整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载 上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值 决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换 频率。如果控制角一直不变，则输出平均 电压是方波。
整半周控制输出电压波形
u0
正组通 反组通 正组通 反组通
异步电机恒压频比调速控制特性
Us U1n Φm Us Φm Φm
恒转矩调速 恒功率调速
0
f1N
f1
异步电机恒压频比开环调速系统
三相 交流 电源
3~
静止变频器 U *1 ω *1
U0 K VCO n* 转速 设定
M 3~
异步 电机
压控 振荡器
异步电机恒压频比闭环调速系统
三相 交流 电源
交-交变频器的应用场合 交-交变频器通常用于大功率（500kW或 1000kW以上）、低速（600r/min以下）的场 合，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。
2. 交-直-交变频器
(CVCF) (VVVF)
AC 50Hz~
(CVCF)
(VV) 可控整流
控制电压
DC
(VF) 逆变器
控制频率
AC
(VVVF)
电机转矩
直接转矩控制的2个基本问题 1. 电压矢量和六边形磁链轨迹 2. 带滞环的 bang-bang 控制
P255~258
直接转矩控制的特点 ①直接控制交流电机的磁链和转矩； ②以定子磁场定向，只需定子参数； ③避开了时变的转子参数，鲁棒性好； ④转矩和定子磁链采用 bang-bang 控制； ⑤转矩响应迅速，无超调； ⑥转矩脉动，调速范围受限，低速性能差。
AC 50Hz~
(CVCF)
(CV) 整流器
DC
(VV) 斩波器
控制电压
DC
(VF) 逆变器
控制频率
AC
(VVVF)
AC 50Hz~
(CV) 整流器
DC
(VVVF) PWM逆变器
控制电压和频率
AC
交-直-交变频器的主要特点 ①多了一个中间直流环节； ②输出频率可高于电网频率； ③变频装置容量大，过载能力低； ④电机转动惯量大，动态性能差； ⑤电机电流谐波分量大，转矩脉动量大。
矢量控制系统原理结构图
给定 信号
3~
i*1 i*A i*B 2/3 * iC iA 电流控制 iB 变频器 iC i1
im1
等效直流 电机模型
i*m1
控制器
i*
w
t1
+
VR-1 i*
1
3/2 iβ1 VR
异步电动机
w1
it1
反馈信号
在设计矢量控制系统时，可以认为，在 控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机 内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与 电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变 频器中可能产生的滞后，则虚线框内的部分 可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。