电力拖动自动控制系统第7章 交流调压调速系统

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第7章 异步电动机调压调速系统
7.1 交流调速系统概述
7.1.1 交流调速的发展概况
交流调速系统:由交流电动机拖动、电机转速为控制目标的电力拖动自动控制系统 直流电动机优点:调速性能好 直流电动机缺点:体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置,维护困难 交流电动机优点 :结构简单可靠,维护少,无机械换向火花,制造成本低 20世纪70年代,研究开发高性能的交流调速系统,期望用它来节约能源。 同期,电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的 飞速发展,为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。 20世纪80年代,原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。 20世纪90年代,交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。 目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运 行的要求上,以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。
只要改变转速给定信号就可 以使静特性平行地上下移动, 达到调速的目的。
该系统与直流 V-M系统有许多 本质上的不同之处
Ks
不但与 α 角的大小有关,还与负载的功率因数角有关。
n f ( U 1 ,T ) 是一个复杂的非线性函数,且 R2 X2 、
也不是一个定值,随电机转速变化而大幅度变化
当电机转子的转速与 定子电流的频率有严格 比例关系的电动机称同 步电动机,无严格比例 关系的电动机称异步电 动机。
无刷直流电动机及 开关磁阻电动机都满足 “定子电流的频率与转 速有严格比例关系”的 条件,所以也把它归入 同步电动机。
7.1.3 异步电动机的机械特性
1.固有机械特性
转矩的物理表达式
xK r1 I 1 U 1 x1 x2


r2
2 r1 ( x1 x ) 2 2
Tm
m1 pU1
2
2 2 4f1 r1 r1 x1 x 2
sm
2.人工机械特性
T
m1 pU12 r2 / s
2 2 2 f1 r1 r2 / s x1 x2
2.异步电动机“软起动”装置
异步电动机的“软起动装置”:利用带有限流环节的交流调压器 就可实现异步电动机的降压起动,起动电流的最大值可限定。 若使软起动装置同时带有一定的调速功能,则称之为: 异步电动机的“多功能控制器”。
3.风机、泵类的调速节能
风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。
7.2.6 交流调压调速系统的效率及电机冷却
效率及电机发热
Pmec P2 1 s P1 Pem
当电动机转速降低(s增大)时,电动转子铜耗增加,电动机的 效率下降,电动机的发热将增加。 电机冷却
交流力矩电机:电动机的设计就允许电机长期堵转运行,电机出厂时就带有他扇冷 式的强迫通风系统,对这类电动机不用再考虑发热问题。 低转差率电机:电机只能在转差小于额定转差下连续运行,低速运行时一方面电 机发热增加,另一方面因转速降低,转轴上风扇的通风效果减弱,使电机会产生 过热。这类电机只能短时间内低速运行,或应重新考虑电动机的散热条件,防止 电机过热而烧毁。 高转差率电动机:介于上述两种电机之间,使用中根据实际的工况来决定是否需 要加强电动机通风冷却系统。
I m
s n
cos 2 T CTiI 2
r2 I 2 E r 1 s r2 s
sm
1
0 n0
T
0
Tm
E 1
xm rm
n0
2
转矩的参数表达式 (额定参数时即为固有机械特性表达式)
2 2 r2 / s Pem m1I 2 m1 pU1 r2 / s T 2 2 1 1 2f1 r1 r2 / s x1 x 2
n n0 Tl
n n0
n n0 N n01 n02 f1N
n
n01
f1
f1 f1 n02
p 1
U 1 U 1 0
U 1N
T
0
T
Tl b)
n03
0
p4 Tl d)
T
Tl 0
T
a)
c)
a)改变输入电压
b)绕线式转子回路串电阻
c)改变电源频率
d)改变极对数
7.1.4 异步电动机调速系统的分类 1.异步电动机功率(能量)图

a)
异步电动机的微偏线性化近似动态结构图
K MA WMA s 传递函数为: TM s 1
7.3 异步电动机调压调速系统的应用与节能
缺点:调速范围不大,调速精度低,调速时电机发热严重 优点:系统结构简单,容易实现,成本低廉 1.需要调速运行的场合 主 要 的 应 用 领 域
交流调压——Ⅰ象限,能耗制动——Ⅱ象限,配合接触器——四象限 因此,需要调速运行的工作机械或负载,理论上都可以使用调速系统 来实现 ,例“交调”电梯。(注意:选用合适电机,电机冷却问题)
C 2C 2C
FA
FB
可控制整流桥VR就是为制动而设置的。 1C断开、2C闭合、VR工作时,异步电动机 将进入制动状态,直到电机停转。
n
VVC
VT1
1C
VT4
1C
VT3 VT6
1C
VT5 VT2
VR
调节可控整流 电路输出电流Id 的大小,就可改 变合成磁势Fs 的 大小,就改变了制 动转矩的大小。
2 B
Tl
n01
A
1
Id
i1
T 0
M 3~
利用交流调压器的主电路来实现能耗制动
A B
C
触发VT1、VT6工作,恒关断VT2、VT3、VT4、VT5,则A、 B两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上
VVC
VT1
1C
VT4
1C
VT3 VT6
1C
VT5 VT2
U
VT1
i
A
U UV
i
i1
P1
Pem
pCu1 pFe
Pmec
pCu 2
P2 p pmec
P 1 P em
Pmec P2
Ps
Pem Pmec pcu 2
从定子传入转 子的电磁功率
定义:转差功率
Ps= s Pm
Pem
总机械功率
Pmcc 1 s Pem
转子铜耗 (转差功率)
pcu 2 sPem Ps
恒转矩负载 风机泵类负载
Tl 2
T
/s 3 pU12 R2
2 2 / s x1 x2 1 R1 R2
Sm
0.5U1N
T U ,为减小损耗,电动机在额 定点的转差率一般在0.02~0.06之间,最大 转矩时的转差率也较小,在0.15左右 当电动机拖动恒转矩负载时,尽管电 压改变很大,但速度的变化并不大。系统 能调速的最大区域只在转差率s 0 ~ s m 之间
U1 N
* Un 1
TL
* Un
U ct
KS
U1
n f (U 1 , T )
n
U 1 min
* Un 2
* Un 3
* Un 4
Un


ASR是速度调节器,采用PI调节器
VVC,
异步电机,
K s U 1 / U ct n f ( U 1 ,T )

左、右极限
是一个无静差的系统
VT3 VT6
1C
VT5 VT2
VR
现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成 的负载Y接法的晶闸管相控交流调压器
Id
VVC为相控交流调压器,由三只双向 晶闸管或三对反并联晶闸管构成,电动 机定子绕组接成Y接法
V VC工作原理
i1
M 3~
VR为可控整流桥,制动时用
7.2.3
调压调速系统的系统原理图
2
0.707U1N
Tl1
1.0U1N
Tm
低转差率电动机调压调速时的 开环机械特性
当电动机拖动风机、泵类负载时不再受 Sm的限制,
为了能在恒转矩负载下扩大调压调速的范围,这就要求电动机有较大的Sm 可以使用高转差率电动机或者交流力矩电动机,这两类电机通过增大转子电
阻使电机的机械特性变软,Sm增大,拓宽了低速运行区 。
风机、泵类的调速节能
应用条件——风机、水泵用不调速的交流电机,依赖于风门档板和阀 门来调节流量,使大量的电功率白白消耗在档板和阀门上。 选用的理由——风机、水泵的转矩与转速平方成正比,功率与转速立方 成正比,因此对调速范围的要求不大,调速的精度要求也不高,动态响应 更是几乎没有要求,这些特征都使廉价的交流调压调速系统成为风机、水 泵调速改造的首选系统。 节能原理——当转速下降时,电机损耗增加,效率降低,电机本身在 这个过程中不但没有节能,反而是增加了损耗。但风机、水泵节省的能 量大于电机所增加的损耗,从总体效果上看是节能了。
* U im
带电流限流环节的单闭环调压调速系统 限流环节检测异步 电动机的定子电流,与给 定的限流值进行比较 GB框内的曲线是其输 入输出曲线
U i

U i im
U ct
Ui
VVC
U
* n
U n
Un
M 3~
7.2.4 系统稳态结构图及其静特性
异步电动机调压调速系统稳态结构图
n0
静特性
可见用稳态结构图计算求解某些性能或确定控制调节参数时其结果是近似的。
7.2.5 交流调压调速系统的制动
交调系统制动时,通常采用在定子绕组中通入直流电流(能耗制动)的方法。

通直流时, 电机绕组的两 种常用接法:
Id
A
FA
C
a)
FS

Id
A
FS
FB

A

B
B
B
CF C
b)
W FBS ( s )
U 1(s)
W MA (s)
n(s)
U n (s)
U 1
6 pU1 A s A 1r2
+ -
T
-
TLLeabharlann +3 pU12A 12 r2
p Js

U 1
2 s A1 / U1A J 12 r2 s 1 3 p 2U12A K MA TM s 1
b)

U 1
7.2.7 系统的动态结构图
交流电动机中的机、电、磁三种物理量的多变量之间的强耦合, 参数的时变性及参数之间关系的非线性,使得建立交流调速系统精确 的数学模型极为困难。
只能在一些强假定条件下简化后,来建立其近似的数学模型:
* Un (s)

KP
-
1 Ti s
U ct ( s )
KS TS s 1
异步电动机速度单闭环调压调速系统原理图 系统控制的对象:电动机的端电压 ~
* Un
A SR

U ct
速度调节器ASR的输出: 电压指令信号
VVC
Un
TG
M
n
3~
交流调压器的输出电压 U1与移 相控制角α之间有确定的对应关系, U1 与α是一一对应且是唯一的,因 此速度调节器的输出可直接作为α角 的指令值而不必再加电压闭环
M 3~
V W
VT 6

B
a)
a) 等效电路图

b)
b) 波形图
C
改变控制角的大小,可改变平均制动转矩的大小。 利用交流调压器主电路来实现制动时制动转矩一般较小,转矩脉动较大。 能耗制动时,电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上, 拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上, 发热严重。
2.常见的异步电动机调速类别(按主要特征分类) ①调压调速; ②电磁转差离合器调速; ③绕线转子转子回路串电阻调速; ④串级调速; ⑤变极调速; ⑥变频调速; ⑦定子回路串电抗调速。 3 调速系统按所改变的物理量分类
60 f 1 1 s n p
4. 按转差功率Ps 去向分类
(1)转差功率消耗型(系统效率较低)





7.2.2 调压调速主电路
+
Ls
早期的 方法有: 缺点:需体积庞大且笨重的 设备,自电力电子技术发展 起来已很少采用。
-
3~
a)
M
M

b)
3~
c)
M
串联饱 和电抗器 降压降压 调速原理
自耦变压器 调压
A B
Y
串联分段 电抗器降压
串联飽和 电抗器降压
C 2C 2C
VVC
VT1
1C
VT4
1C
S
0 SN
S
0
Sm
1
Tl
a)
Tm
T
Sm 1
Tl
b)
Tm
T
异步电动机调压调速时的开环机械特性 高转差率电动机 交流力矩电动机
交流力矩电动机允许电动机长期堵转及低速运行, Sm等于1,电动机的主要技 术参数就是堵转转矩,额定点就是堵转点。 高转差率电动机兼顾了高速及低速的性能,额定转差率一般在0.07~0.13之间, Sm一般在0.5左右,堵转转矩也较大,堵转转矩等于最大转矩。

7.1.2交流调速系统的分类
异步电动机
交流电动机
同步电动机
励磁同步电动机 永磁同步电动机 特种同步电动机 无刷直流电动机 开关磁阻电动机 直流无换向器电动机 交流无换向器电动机
交流电动机是 定子绕组通入交流 电(或周期脉冲电 流)的电机,其定 子磁动势是一个旋 转(或步进旋转)的 磁动势。
(1)变频调速 (2)变极调速 (3)变转差率调速
(2)转差功率回馈型(把部份转差功率送回电网) (系统效率稍高) (3)转差功率不变型(系统效率最高)
7.2 异步电动机调压调速系统(交调系统)
该系统使用的电动机一般是鼠笼型异步电动机。
7.2.1 异步电动机调压时的开环机械特性
异步电动机的固有机械特性方程
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