现代交流调速系统第一章

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 u gN 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。

SA
。
TeiA Tei
3np
SA Rr
(USA US )2 (sA s)
（1-18）
展开上式，忽略两个以上微偏量乘积项得，
TeiA Tei
式（1-19）减式（1-18）得
3np
SA Rr
2 2 (USA sA 2USA sA US USA s)
（1-19）
改变定子供电电压，可以得到不同的人为异步电动机机械特性曲线，如图 1-3 所示。图 中 U SN 为额定电压。
s
0
n n0
C
A
D
E
风机类负载特性
sm
B
0.5USN
0.7USN
F
U SN
1
0
TL
Tei max
Tei
图1-3 异步电动机在不同定子供电电压下的机械特性曲线
将式（1-1）对 s 求导，并令 dTei / ds 0 ，可以计算出产生最大转矩时的临界转差率 sm 和最大转矩 Tei max ，分别为
TeiS Tei Pm Tei S np np (1 s)
电机的转差功率为
（1-4）
P S sP m
不同性质负载的转矩可用下式表示
（1-5）
TL C
a
（1-6）
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 式中 C 为常数， a 0、
例的负载（风机、泵类等） 。
当 Tei TL 时，转差功率为
C a 1 C a a 1 P sP s s (1 s ) S S m np (1 s) np
而输出的机械功率为
（1-7）
PM (1 s) Pm
当 s 0 时，电动机的输出功率最大，为
C a 1 (1 s) a 1S np
n p 1 n p
（1-13）
（2）晶闸管交流调压器和触发装置 假设其输入、输出是线性的，其动态特性可近似看成一阶惯性环节，其传递函数为
KS WGT-V ( p) TS p 1
（3）测速反馈环节 考虑到反馈的滤波作用，其传递函数为
（1-14）
WFBS ( p)
a Ton p 1
sm
Rr
2 RS ( xS xr )2
2 3np U S
（1-2）
Tei max
2S [ RS R ( xS xr ) ]
2 S 2
（1-3）
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。但对于风机、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所示的高转子电阻电动机的调压调 速机械特性。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。
2 3np USA Rr / sA
SA [( RS Rr / sA )2 ( 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 )
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 10 8
7
5
3 6
1 4
2
IM 3~
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
调压调速是异步电动机调速系统中比较简便的一种。由电机原理可知，当转差率 s 基本
2 不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比即 Tei US ，因此，改变定子电压就可
以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电机转速的目的。
交流调压调速的主电路已由晶闸管构成的交流调压器取代了传统的自耦变压器
和带直流磁化绕组的饱和电抗器，装置的体积得到了减小，调速性能也得到了提高。
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
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
2 3npU SA
TeiA
SA Rr
sA
（1-17）
在 A 点附近有微小偏差时， Tei TeiA Tei ， US USA US ， s sA s ，其中，
s
0
0.25
0.148
1
2
1
0.5 0.33
0
0
s
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)a 1 (1 s)a 1[1 (1 a) s] 0 ds
则，对应的转差率为
1 s 1 a
* m
（1-11）
最大转差功率消耗系数为
* KSm
aa (1 a)a 1
（1-12）
* * 1、 2 ，带入式（1-11）和式（1-12） 对于不同类型负载 a 0、 ，则有不同类型负载时 sm 和 KSm
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；对于恒转矩负载，则不宜长期在 低速下运行，以免电机过热。
Tei
3np
SA Rr
2 (2USA sA US USA s)
（1-20）
将 s

SA
代入上式得
Tei
3np
SA Rr
2 (2USA sA US USA

SA
)
（1-21）
电力拖动系统的运动方程式为
J d Tei TL np dt
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。
ua
iA
A a
ug
uab
VGA
A
ub 0
O b
u AB
iB
B B
Z0
Z0
ug
ubc
VGB
Z0
uc 0
uBC
iC
C
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，深控时网侧功率 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，因为PWM-SCR电路由于无法采用电源换 相，必须附加换相电路，此外由于SCR的器件开关频率较低，对于SCR电路而 言不宜采用PWM方式，为此本节介绍斩控式电路。 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相电路。由于具有更好 的负载适应性，双向电路具有更广的发展前景。
C
c
ug
VGC
VGN
u gN
a）主电路
b）电量波形 图1-6三相IGBT-PWM交流调压电路
1.5 闭环控制的异步电动机调压调速系统
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，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。
n* ( p)

WASR ( p)
U ct ( p)
WGT-V ( p)
U s ( p)
WMA ( p)
n( p )
nf ( p)
WFBS ( p)
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
WARS ( p) K n
（1-8）
PM max
C a 1 S np
P S
（1-9）
* 以P M max 为基准值，转差功率损耗系数 KS 为
K
* S
PM max
s(1 s)a
（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 sm
1.0
0.5
图1-2晶闸管交流调压调速系统正、反转和制动电路
1.2 异步电动机调压调速时的机械特性
根据电机学原理可知，异步电动机的机械特性方程式为
2 3np US Rr / s
Tei
S [( RS Rr / s)2 ( xS xr )2 ]
（1-1）
式中 Tei 为异步电动机的电磁转矩； np 为电机极对数； U S 、 S 分别为定子供电电压和供电 频率； RS 、 Rr 分别为定子每相电阻、折算到定子侧的转子每相电阻； xS 、 x r 分别为定子 每相电抗、折算到定子侧的转子侧每相电抗； s 为转差率。
（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。
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
* Un Un an ， Tei TL 。
T L
ASR
n*
U ct
Ks
Us
n f (U s , Tei )
n

nf

图1-9异步电动机调压调速系统静态结构图
1.5.2 闭环控制的异步电动机调压调速系统 动态分析
为了对系统进行动态分析和设计，绘制系统的动态结构图是必须的。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。
由图 1-7（a）所示可以得到系统的静态结构图，如图 1-9 所示。图中， Ks US / Uct 为 晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数， ASR 为速度调节器， a U n / n 为转速反馈系数， （1-1） 表示的异步电动机机械特性方程式， 是一个非线性函数。 稳态时， n f (Us , Tei ) 是式
s
0
n n0
A
B
C
0.7U SN
U 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，消耗功率的多少与系统的调速范围和所带负 载的性质有着密切的关系。 根据电机学原理，异步电动机的电磁功率为
~
+
GT
n*
-
ASR
nf
U ct
TVC
IM 3 ~
TG
a）系统原理图
b）闭环控制静特性 图1-7转速闭环的交流调压调速系统
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*
AUR
Us
U ct
TVC
电压检测 信号处理
TV1
TV2
TV3
IM 3~
图1-8定子电压反馈的交流调压调速系统
1.5.1 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 U s 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。 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，由于负载转矩增大而引起的转速下降得到一定 程度的补偿，系统稳定工作于 c 点。可见，由于负载变化引起的转速变化很小，于是扩大了 调速范围。