交流调速系统概述
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运动控制特别是交流调速系统是近代工业 的重要基础，是电气传动发展的主流方向。
交流调速系统概述
5
课程的性质、目的、任务
《现代交流调速系统》课程为自动化专业本科 生的一门专业必修课。它以交流电机为被控对象， 以控制理论为指导，以电力电子技术为强弱电媒 介，以计算机技术和电子技术为手段，并结合检 测技术、通信技术构成一门专业性、实用性强的 课程。
提
经煤 济炭 清合 洁理 技高 术效
技保 术障 支石 撑油 体安 系全
先
技大
力先
进
术型
输进
核
研水
配可
能
究电
系靠
技
开工
统的
术
发程
电
交流调速系统概述
模可 化再 利生 用能 技源 术规
池氢 技能 术与
燃 料 电
4
课程的性质、目的、任务
以变频调速为代表的交流调速系统以其卓 越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得 到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、 提高产品的产量和质量提供了重要手段。
交流调速系统概述
10
历史回眸
由于这类机械均采用恒速交流电动机驱动，应生 产工艺流量的调节要求。
采用的主要调节措施有：
1）闸阀 2）挡板
3）放空 4）回流
大量电能无 谓的损耗
如果采用改变电机转速的办法来实现流量的调节，则
由于轴功率是与流量的三次方成正比的，因此，可收到十
分明显的节电效果型
Gs()Kses 1K ss
交流调速系统概述
13
２）直流电机的缺点
a）结构上存在的机械换向器和电刷 b）造价偏高 c）维护困难 ，使用环境受限 d）寿命短 e）在容量发展上受限制
这为发展交流调速技术提供的机会和需求！！！
交流调速系统概述
14
３ 直流调速系统的特点
1)交流电机的优点
交流调速系统概述
2
世界能源发展趋势（续）
B.tce
可再生能源 核能 水电 天然气 石油 煤炭
传统生物能
• 化石燃料峰值在2030左右 • 2060年左右可再生能交流源调速接系统近概述总能源消费量的一3半
我国能源科技的优先主题
加强节能 提高能效
能源科技
以煤为主 多元化发展
可再生能源和 氢能利用
高发 能展 效节 技能 术和
交流调速系统概述
7
第一章 概 述
1.1交流调速系统的发展及其特点 1.2交流调速系统的物质基础与关
键技术 1.3交流调速的应用 1.4交流调速的分类
1.5同步电动机的基本概念及分类
交流调速系统概述
8
一、变频调速技术的发展历史及现状
（一）变频调速技术的发展历史
1、 电气传动领域的格局
从19世纪90年代初第一条三相输电线路建成
因此，有效地利用电动机，改进其运行性能，根 据需要控制电动机的转速，降低运行中的消耗，是节 省电能的一个重要手段。
交流调速系统概述
17
实例分析
以大型轧机的传动系统为例，一套2050mm的热连轧 板机，精轧部分采用交流传动，比直流传动可节电1150万 kWh／年，节水30％，转动惯量减少77％，响应时间缩短 30％，设备投资节省很多，停机维修时间缩短75％。
11
2 直流调速系统的特点
1）调速优良，易于控制
静态性能 性能
动态性能
静差度 精度误差 调速范围（深度） 动态响应快
交流调速系统概述
12
易于控制：电枢和励磁线圈可以独立调节
天然解耦：DC MOTOR Ia与Φm线性无关 是解耦的
Φm
T=Cm×Ia×Φm
Ia
数学模型简单：线性2阶＋1阶，经典控制论足 以应对
b)强非线性 T∝ I’2×Φm
c)高阶次： 至少是7阶
交流机若达到直流机的调速水平，对调速器提出了极
高的要求：功率器件？微处理器？控制理论与方法？
交流调速系统概述
16
节能降耗的出路
我国电网的总负荷分配：动力负荷占60％；其中异步 电动机负荷又占总负荷的85％左右。
此外，约占全国工业总用电量的1/3的各种风机、 泵、压缩机等类的电气传动系统也理所当然地成为人 们关心的主要对象。
交流调速系统概述
1
世界能源发展趋势
• 目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤,化 石能源占80%以上
• 工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、 天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡
• 为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风 电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长 率达30%以上
能源形势浅谈
－－电气节能任重而道远
我国能源状况，以2002
• 一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，为世界第 ２大能源消费国
• 一次能源产量为13.87亿吨标准煤
➢ 煤炭产量13.8亿吨，居世界第1位
➢ 原油1.67亿吨，居世界第5位
➢ 天然气产量326.6亿立方米，居世界第16位
• 发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位
(1)结构简单 (2)坚固耐用
体积小 转动惯量小 价格低廉
重量轻 动态响应好
这是交流调速取代直流调速提供的根本动力！！！
交流调速系统概述
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２) 难于控制，调速性能先天不足
a) 多变量耦合
AC MOTOR T=Cm×I’2×Φm×COSφ’2 T不仅与I’2×Φm有关， 还与n有关（ COSφ’2 与r’2/s有关） 有耦合关系，即多变量耦合系统
交流调速系统概述
6
课程的性质、目的、任务
通过本课程的学习，使大家了解现代交流调速系统的技 术概况与发展趋势以及主要应用领域； ➢掌握现代交流调速系统工作原理与控制策略； ➢掌握变频器与感应电动机、变频器与同步电动机组成变频 调速系统等电力拖动系统的组成、工作原理、运行特性； ➢为今后工作和进一步深入应用和研究运动控制系统和电气 节能技术奠定坚实的理论基础。
风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调节方案改造 成交流电机调速方案平均可节电20％，设备改造费用一般 可在1～3年内回收。
交流调速系统概述
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历史的选择
人们形象地看到了调速不仅可以提高工艺控制 性能，而且可以节约大量的能量。
因此，在世界范围内掀起的来势迅猛、经久不衰 的交流电机变频调速技术研究热潮，已经并将继续带 来巨大的经济效益和社会效益。
到20世纪60年代末
电力工业的发展大体形成这样的格局： －99.999％的电能由同步电机发出
－60％～70％的电能通过各种电机加以利用
交流调速系统概述
9
交流电机占80％左右，其中大多数为异步 电机直接拖动（人为不变速）。
在其余20％需要变速运行的高性能传动系统 中，直流电机一直占据主导地位。
直流电动机何以在早期的调速领域备受青睐? 这缘于其优异的调速性能！！
交流调速系统概述
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课程的性质、目的、任务
《现代交流调速系统》课程为自动化专业本科 生的一门专业必修课。它以交流电机为被控对象， 以控制理论为指导，以电力电子技术为强弱电媒 介，以计算机技术和电子技术为手段，并结合检 测技术、通信技术构成一门专业性、实用性强的 课程。
提
经煤 济炭 清合 洁理 技高 术效
技保 术障 支石 撑油 体安 系全
先
技大
力先
进
术型
输进
核
研水
配可
能
究电
系靠
技
开工
统的
术
发程
电
交流调速系统概述
模可 化再 利生 用能 技源 术规
池氢 技能 术与
燃 料 电
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课程的性质、目的、任务
以变频调速为代表的交流调速系统以其卓 越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得 到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、 提高产品的产量和质量提供了重要手段。
交流调速系统概述
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历史回眸
由于这类机械均采用恒速交流电动机驱动，应生 产工艺流量的调节要求。
采用的主要调节措施有：
1）闸阀 2）挡板
3）放空 4）回流
大量电能无 谓的损耗
如果采用改变电机转速的办法来实现流量的调节，则
由于轴功率是与流量的三次方成正比的，因此，可收到十
分明显的节电效果型
Gs()Kses 1K ss
交流调速系统概述
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２）直流电机的缺点
a）结构上存在的机械换向器和电刷 b）造价偏高 c）维护困难 ，使用环境受限 d）寿命短 e）在容量发展上受限制
这为发展交流调速技术提供的机会和需求！！！
交流调速系统概述
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３ 直流调速系统的特点
1)交流电机的优点
交流调速系统概述
2
世界能源发展趋势（续）
B.tce
可再生能源 核能 水电 天然气 石油 煤炭
传统生物能
• 化石燃料峰值在2030左右 • 2060年左右可再生能交流源调速接系统近概述总能源消费量的一3半
我国能源科技的优先主题
加强节能 提高能效
能源科技
以煤为主 多元化发展
可再生能源和 氢能利用
高发 能展 效节 技能 术和
交流调速系统概述
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第一章 概 述
1.1交流调速系统的发展及其特点 1.2交流调速系统的物质基础与关
键技术 1.3交流调速的应用 1.4交流调速的分类
1.5同步电动机的基本概念及分类
交流调速系统概述
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一、变频调速技术的发展历史及现状
（一）变频调速技术的发展历史
1、 电气传动领域的格局
从19世纪90年代初第一条三相输电线路建成
因此，有效地利用电动机，改进其运行性能，根 据需要控制电动机的转速，降低运行中的消耗，是节 省电能的一个重要手段。
交流调速系统概述
17
实例分析
以大型轧机的传动系统为例，一套2050mm的热连轧 板机，精轧部分采用交流传动，比直流传动可节电1150万 kWh／年，节水30％，转动惯量减少77％，响应时间缩短 30％，设备投资节省很多，停机维修时间缩短75％。
11
2 直流调速系统的特点
1）调速优良，易于控制
静态性能 性能
动态性能
静差度 精度误差 调速范围（深度） 动态响应快
交流调速系统概述
12
易于控制：电枢和励磁线圈可以独立调节
天然解耦：DC MOTOR Ia与Φm线性无关 是解耦的
Φm
T=Cm×Ia×Φm
Ia
数学模型简单：线性2阶＋1阶，经典控制论足 以应对
b)强非线性 T∝ I’2×Φm
c)高阶次： 至少是7阶
交流机若达到直流机的调速水平，对调速器提出了极
高的要求：功率器件？微处理器？控制理论与方法？
交流调速系统概述
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节能降耗的出路
我国电网的总负荷分配：动力负荷占60％；其中异步 电动机负荷又占总负荷的85％左右。
此外，约占全国工业总用电量的1/3的各种风机、 泵、压缩机等类的电气传动系统也理所当然地成为人 们关心的主要对象。
交流调速系统概述
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世界能源发展趋势
• 目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤,化 石能源占80%以上
• 工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、 天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡
• 为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风 电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长 率达30%以上
能源形势浅谈
－－电气节能任重而道远
我国能源状况，以2002
• 一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，为世界第 ２大能源消费国
• 一次能源产量为13.87亿吨标准煤
➢ 煤炭产量13.8亿吨，居世界第1位
➢ 原油1.67亿吨，居世界第5位
➢ 天然气产量326.6亿立方米，居世界第16位
• 发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位
(1)结构简单 (2)坚固耐用
体积小 转动惯量小 价格低廉
重量轻 动态响应好
这是交流调速取代直流调速提供的根本动力！！！
交流调速系统概述
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２) 难于控制，调速性能先天不足
a) 多变量耦合
AC MOTOR T=Cm×I’2×Φm×COSφ’2 T不仅与I’2×Φm有关， 还与n有关（ COSφ’2 与r’2/s有关） 有耦合关系，即多变量耦合系统
交流调速系统概述
6
课程的性质、目的、任务
通过本课程的学习，使大家了解现代交流调速系统的技 术概况与发展趋势以及主要应用领域； ➢掌握现代交流调速系统工作原理与控制策略； ➢掌握变频器与感应电动机、变频器与同步电动机组成变频 调速系统等电力拖动系统的组成、工作原理、运行特性； ➢为今后工作和进一步深入应用和研究运动控制系统和电气 节能技术奠定坚实的理论基础。
风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调节方案改造 成交流电机调速方案平均可节电20％，设备改造费用一般 可在1～3年内回收。
交流调速系统概述
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历史的选择
人们形象地看到了调速不仅可以提高工艺控制 性能，而且可以节约大量的能量。
因此，在世界范围内掀起的来势迅猛、经久不衰 的交流电机变频调速技术研究热潮，已经并将继续带 来巨大的经济效益和社会效益。
到20世纪60年代末
电力工业的发展大体形成这样的格局： －99.999％的电能由同步电机发出
－60％～70％的电能通过各种电机加以利用
交流调速系统概述
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交流电机占80％左右，其中大多数为异步 电机直接拖动（人为不变速）。
在其余20％需要变速运行的高性能传动系统 中，直流电机一直占据主导地位。
直流电动机何以在早期的调速领域备受青睐? 这缘于其优异的调速性能！！