1、调压调速系统

3n
pU
2 s
Rr'
s
2
s2

Rs2s2

2sRs Rr'

Rr' 2

（3）当s很小时，忽略分母中含s各项
Te

3n
pU
2 s
s
1Rr'

s
转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线
Te 1 12
Lls L'lr
3n
pU
2 s
Rr'
s
2
s2

Rs2s2

2sRs Rr'
根据电机学原理，异步电动机的电磁功率为
Pm

Tem1

Te1
np

Te
np(1
s)
电机的转差功率为
PS sPm
（1-4） （1-5）
不同性质负载的转矩可用下式表示
TL Ca
式中C为常数，
（1-6）
0、1、2 分别代表恒转矩负载、与转速成比例的负载和与转速的平
方成比例的负载（风机、泵类等）。
由电机原理可知，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。
由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能 升高，故又称作降压调速。
晶闸管交流调压器的主电路接法有以下几种方式，如图1-1所示:
SCR KS
MI
MI
a) 电机绕组Y联接时的三相分支双向电路
VD
SCR
MI b) 电机绕组Y联接时的三相分支单向电路
(2) 转折点：
对s求导，并令
dTe 0 ds
可得：
最大转矩，又称临界转矩
Tem

21

Rs

3n
pU
2 s
Rs2
12(
Lls

L'lr
)2

临界转差率：对应最大转矩的转差率
sm
Rr'
Rs2 12 (Lls L'lr )2
将机械特性方程式分母展开
Te
结论：普通鼠笼型异步电动机机械特性工作段s很小， 对于恒转矩负载而言调速范围很小。
对于风机、泵类机械，由于负载转矩与转速 的平方成正比，采用调压调速可以得到较宽的调速范 围。
对于恒转矩负载要扩大调压调速范围，采用高 阻转子电动机，使电动机机械特性变软，如图1-4所 示。
显然， 即使在堵转 转矩下工作， 也不至于烧 毁电机，提 高了调速范 围。
SCR
~
KS
~
c) 电机绕组△联接时的三相△形双向电路 图1-1 三相交流晶闸管调压器主电路接法
电机正、反转运行时的主电路如图1-2所示，正转时1~6晶闸 管工作；反转时1、4、7~10晶闸管工作。另外，利用图1-2 的电路还可以实现电机的反接制动和能耗制动。
~
9
7
5
3
1
10
8
2
6
4
IM 3~
图1-2晶闸管交流调压调速系统正、反转和制动电路
ua0
a
ug
VGA
ub0
uab
O
b
ug
VGB
uc0
ubc
c
ug
VGC
iA A
A
uAB
Z0
iB
B
Z0
B
Z
0
uBC
C
iC
C
VGN ugN
a）主电路
b）电量波形 图1-6三相IGBT-PWM交流调压电路
➢ 1.5 闭环控制的调压调速系统
在1.2节中，为了扩大调压调速的调速范围，增加了转子
电阻，使得机械特性变软。这样的特性，当电机低速运行时，
后者相当于忽略异步电动机的漏感电磁惯性。因此可以得到稳态工作点 A 点近似的线性机 械特性方程式
采用闭环控制后，负载转矩的增加，使得转速下降，由于系 统引入转速负反馈，输入偏差增大，使得输出到定子的电压升 高，转速提高，这样，系统稳定工作于A’点。可见，由于负载 变化引起的转速变化很小，从而扩大了调速范围。
由图1－7（a）可以得到系统的静态结构图，如图1-9所示：
Un*
Un
TL ASR
在相位上互补，这样当VGA、VGB 和 VGC导通时，VGN 即关断; 反之,当VGN导通时， VGA、VGB 和 VGC 均关断,当VGN处于断态时，
负载电压等于电源电压；当VGN导通时，负载电流沿VGN续流， 负载电压为零。
在PWM控制方式下，输出线电压uAB和uBC的波形分别如图1-6b 所示。为避免输出电压和电流中含有偶次谐波，且保持三相输 出电压对称，频率比K必须选6的倍数。
第一章
异步电动机调压调速系统
➢ 1.1异步电动机晶闸管调压调速系统工作原理
调调速压方调法速称－作－调保压持调电速源。频调率压为调额速定是频异率步，电只动改机变调定速子系电统压中的s比基本
较简便的一种。
Tei

s [( Rs

3npU
2 s
Rr
/
s
Rr / s)2 s2 (Lsσ

Lrσ )2 ]
➢ 1.2 异步电动机调压调速时的机械特性
异步电动机传递的电磁功率
Pm

3I
'2 r
Rr'
s
m1Te
机械同步角速度
m1

2 n1
60

2
60
60 f1 np

1
np
异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）
Te
Pm
m1
3np
1
I
'2 r
Rr' s

则，对应的转差率为
sm*

1 1 a
（1-11）
最大转差功率消耗系数为
KS*m

aa (1 a)a1
（1-12）
对于不同类型负载 a 0、1、2 ，带入式（1-11）和式（1-12），则有不同类型负载时 sm* 和 KS*m
的值，计算结果列于表 1-1。
根据以上分析可知，对于风机泵类负载电动机的转差 功率消耗系数最小，因此，调压调速对于风机泵类负载比 较合适；
负载或电压稍有波动，就会引起转速的很大变化，运行不稳
定。为了提高系统的稳定性，常采用闭环控制（如图1-7），
以提高调压调速特性的硬度。
◆系统组成
+ U*n+
G ASR Uc T
~
Un
3M~
n
T-G-
图1-7 带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统
◆闭环控制系统静特性
n
n0
恒转矩负载特性
U*n1
A’’
一阶惯性环节，其传递函数为:
WGT-V (s)

KS TSs 1
（3）测速反馈环节 考虑到反馈的滤波作用，其传递函数为:
WFBS (s)

a Tons 1
（1-15）
（4）异步电动机环节 由于异步电动机是一个多输入、多输出，耦合非线性 系统，用一个传递函数来准确描述异步电动机在整个 调速范围内的输入输出关系是不可能的，因此，可以 采用在其稳定工作点附近微偏线性化的方法得到近似 的传递函数。
1 Rs
3n
pU
2 s
Rr'
/
s

Rr' s
2
12
Lls
L'lr
2



3n
pU
2 s
Rr'
s
1
sRs Rr'
2

s
2 2 1
Lls L'lr
2
异步电动机机械特性曲线关键点：
（1）当 S=0，Te＝0，n＝n1 当 S=1，Te＝Tst， n＝0
当 Te TL 时，转差功率为
PS

sPm

s
C a 1
np(1 s)

C np
s(1
s)a 1a 1
而输出的机械功率为
PM

(1 s)Pm

C np
(1

s)a
1 a 1
1
当 s 0 时，电动机的输出功率最大，为
PM max

C np
a 1 1
以 PMmax 为基准值，转差功率损耗系数为：
WMA (s)
n(s)
Un(s)
WFBS (s)
图1-10异步电动机调压调速系统动态结构图
（1）速度调节器ASR
为消除静差，改善系统动态性能，通常采用PI调节
器，其传递函数为:
（1-13）
WARS (s)

Kn
ns 1 ns
（2）晶闸管交流调压器和触发装置
（1-14）
假设其输入、输出是线性的，其动态特性可近似看成
异步电动机在其稳定工作点A点（见图1-3）的机械特性方程为
TeiA

3np US2A Rr
SA[(RS Rr / sA )2
/ sA (xS

xr )2 ]
（1-16）
式中SA 为异步电动机在工作点 A 对应的同步旋转角速度。通常在异步电动机稳定工作点
附近 s 值很小，可以认为
Rr / s RS ， Rr / s (xS xr )
sn
0 n0
A
B
C
USN
0.7U SN
0.5U SN
1
0
TL
Tei
图1-4 高转子电阻异步电动机的调压调速机械特性
➢ 1.3 异步电动机调压调速的功率损耗
异步电动机调压调速属于转差功率消耗型的调速系统，调速 过程中的转差功率消耗在转子电阻和其外接电阻上。
所消耗的功率取决于系统的调速范围和所带负载的性质。

Rr' 2

（4）当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项
转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线
• 机械特性
异步电动机由额定电压、额定频率供电， 且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式， 称作固有特性或自然特性。
当 s 为以上两 段的中间数值 时，机械特性 从直线段逐渐 过渡到双曲线 段，如图所示。
2
0.5 0.33
0s
图1-5不同类型负载所对应的转差功率消耗系数与转差率的关系
为了求得最大转差功率消耗系数及其对应的转差率，由式（1-10）对 s 求导，并令此导
数等于零。
dKS* (1 s)a as(1 s)a1 (1 s)a1[1 (1 a)s] 0 ds
凡是能量能在交流电源和负载之间双向流动的电路称为双 向交流变换电路；相反能量只能从电源向负载流动的电路则称 为单向电路。双向电路具有更好的负载适应性，所以具有更广 的发展前景。
PWM交流调压电路三相结构，如图1-6a所示， 它由三只串联开关 VGA、VGB 和 VGC以及一只续流开关VGN组成， 串联开关共用一个控制信号ug，它与续流开关的控制信号ugN
对于恒转矩负载，则不宜长期在低速下运行，以免电 机过热。
结论：
带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差 功率、减小输出功率来换取转速的降低。 增加的转差功率全部消耗在转子电阻上， 这就是转差功率消耗型的由来。
➢ 1.4 异步电动机PWM调压调速系统
根据采用的控制方式不同，交流-交流调压器可分为相控式 和斩控式。传统方案多采用相控式，结构简单，可以采用电源 换相方式，即使是采用半控型器件也无需附加换相电路，但存 在输出电压谐波含量大，网侧功率因数低等缺点；相反斩控式 电路则没有上述缺点，因此传统的相控式SCR电路正逐渐被 PWM-IGBT电路所取代，为此本节介绍斩控式电路。
当系统要求不高时，也可以采用定子电压反馈控制方式，见图1-8
~
+ GT
U
* s
U ct
AUR
TVC
-
Us
电压检测 信号处理
TV3 TV2 TV1
IM 3~
图1-8定子电压反馈的交流调压调速系统
一、 闭环控制的异步电动机调压调速系统静态分析
由图1－7（b)可知，当系统原来工作于a点，负载由TL1变到 TL2,系统开环工作时，定子供电电压不变，转速由A点沿同一机 械特性变化到B点稳定工作，转速变化很大。
KS*

PS PM max
s(1 s)a
（1-7） （1-8） （1-9） （1-10）
按式（1-10）可以得到不同类型负载所对应的转差功率 损耗系数与转差率的关系曲线，见图1-5。
K s*m 1.0
KS*

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
PS PM max
s(1 s)a
0.5
0.25
0.148 0 1
0 1

1

s
2
Rs2

Rr'2

3npU
2 s
Rr'
s
2sRs Rr'

s
2 2 1
Lls L'lr
2

3n
pU
2 s
Rr'
s
1 12
Lls L'lr
2
s2

Rs2 s 2

2sRs Rr'

Rr'2

Te 1 12
Lls L'lr
U ct
Ks
Us
n f (Us ,Tei )
n

图1-9异步电动机调压调速系统静态结构图
二、 闭环控制的异步电动机调压调速系统动态分析
由图1-9（异步电动机调压调速系统静态结构图）可以得到 系统的动态结构框图，如图1-10所示。
Un*(s)

WASR (s)
Uct (s) WGT-V (s) Us (s)
A A’ U*n2
B
U*n3
Us min
UsN
O
TL1 TL2
Te
b） 闭环控制变压调速系统的静特性
• 变压调速系统的特点
异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环 变压调速系统的地方是：静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。 当负载变化时，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。
ns n0 0
sm
Temax
Te
0
1
Temax
Te
图1-3 (a)恒压恒频时异步电机的固有机械特性
改变定子供电电压，可以得到不同的人为异1-3步所示。图 电动机机械特性曲线，如下图所示。
sn
0 n0
A
D
B
sm
C
E
0.5USN 0.7USN
F
风机类负载特性
U SN
1
0
TL
Tei max
Tei
图1-3 （b) 异步电动机在不同定子供电电压下的机械特性曲线