交流调速系统

交流调速的特点和分类
（1）容量大。
（2）转速高且耐高压。 （3）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。 （4）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。 （5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流
拖动系统一样的性能指标。
（6）交流调速系统能显著地节能。 从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
交流调速系统概述
内 容 提 要
认识交流电机 交流调速的特点和分类 异步电动机的机械特性（启动、制动、调 速） 基于稳态模型的异步电动机调速系统 高性能的交流调速系统

反映交流电机工作原理的两个实验模型 同步电动机工作原理 ：
1）定子形成旋转磁场 定子如何形成旋转磁 场？ 2）转子为磁铁（或永磁 铁、或励磁）
PM
pm pa
P1
Pm
xm
1 s r2 ' s
P1
PM
Pm
(a)等效电路
(b)功率流程
5 异步电动机的主要额定值
(1) 额定功率 PN：额定运行时，转轴输出的机械功率，单位是 kW； (2) 额定电压 UN：指额定运行状态下，定子上的线电压，单位为 V； (3) 额定电流 IN：在额定电压、转轴输出额定功率时，定子绕组中的线电 流，单位为 A； (4) 额定转速 nN： 额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速(r／min) (5) 额定功率因数 cos N ：额定负载时，定子边的功率因数 (6) 额定效率 N ：电机额定运行时的效率。
在交流电机部件中对能量转换起主要作用的部件是 • 定子铁心； • 定子绕组：空间上相差120度的三相绕组； • 转子：同步电机和异步电机完全不同。
图 5.1.6 三相交流电机的定子铁心和定子绕组
同步电机和异步电机的转子铁心和转子绕组的简化结构图 ：
a) 同步电机的转子 b) 异步电机的转子 图 5.1.7 同步电机和鼠笼式异步电机的转子
异步电动机的机械特性
对s求导，并令

dTe 0 ds
3n pU s2
最大转矩，又称临界转矩
Tem 21 Rs Rs2 12 ( Lls L'lr ) 2



临界转差率：对应最大转矩的转差率
sm Rr' R s2 12 ( Lls L'lr ) 2
异步电动机的机械特性
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5.1.1异步电动机稳态数学模型

转差率与转速的关系
n1 n s n1
或

n (1 s)n1
60 f1 n1 np
同步转速
供电电源频率
f1
电动机极对数
np
异步电动机稳态等效电路
异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。 定子和转子之间在电路上没有任何联系。
异步电动机稳态等效电路
•原理一个磁铁拉着另一个磁铁旋转； •特点：磁极转动的角速度总是等于外部磁铁旋转的角速度 （同步），但可以有角度差。
a) b) 图 5.1.2 鼠笼式异步电机的转子导体部分示意图
异步（鼠笼）电动机工作原理 ：
1）定子形成旋转磁场 （同同步电动机） 2）转子为“鼠笼”：笼形 导体的圆柱形软磁铁心构成。 只有在转子转速不等于磁场 转速的情况下（异步），当外 部磁场旋转时，其磁力线才能 切割转子导条，并因而在导条 中产生感应电动势及感生电流； 感生电流进而受到电磁力的作 用，转子才能旋转。正是因为 两者转速有差异才能工作，所 a) b) 以这种电机称为“异步”电机。 图 5.1.2 鼠笼式异步电机的转子导体部分示意图
对交流异步电机 电磁转矩等于异步电动机总机械功率 Pm 除以转子的角速度 ， PM ' 即 Te Pm / Te PM / 1 Te CT m I 2 cos 2 , 1 CT 3 2 n p kdp1W1 2
U1
I1Z1
jI1x1
I1r1
E1
I1
' I2
交流调速的难点和复杂性

为何自1885年鼠笼机问世以来，要经历 100年的时间交流调速才发展起来？
转矩控制困难 调速装置中器件发展限制（变频器） 调速系统精度成本的限制

异步电动机的动态数学模型
输入量：电压（电流）与频率 输出量：转速与磁通 异步电动机的电压（电流）、频率、磁通、转 速之间又相互影响

3n pU R
2 s
' r
转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲 线
异步电动机的机械特性
n s 当s很小时，忽略分母 n0 0 Te max Te s
中来自百度文库s各项
sTe max
Te
3npU s
1R
2 s ' r
s
0 .1
1 Te s Te max Te
图 6.3.1 恒压恒频时异步电动机的机械特性
c) 鼠笼
异步电动机的转子按结构不同可分为鼠笼型和绕线型两种 。
转轴
滑环
转子铁心
转子绕组
电刷
星接中性点
图 5.1.8 异步电机的绕线式转子
1 异步电动机的功率传递与损耗 根据异步电动机的T形等效电路来分析
pcu1
r1
PCu1
x1
x2 '
rm
I0 I2 '
r2 '
PCu2
pFe
pcu2 P2
I1
PFe
3n p
3n pU s2 Rr' / s
' 2 Rr 2 ' 1 R L L 1 ls lr s s


2


1 sRs R

3n pU s2 Rr' s
' 2 r

s Lls L
2 2 1

' 2 lr

（ 3 ）转差功率不变型调速系统 ——调速过程中，转差功率 基本不变。
特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。
5.1 三相异步电动机的机械特性
' ' T CT m I 2 cos 2
(6-1)
CT —— 三相异步电动机的转矩系数；
m —— 三相异步电动机气隙每极磁通量； ' I2 —— 转子电流折算值； ' cos 2 —— 转子电路的功率因数；
二、交流调速系统的分类
n 从交流电机转速表达式：
60 f 1 1 s p
可归纳出三类调速方法：
变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。
原始的分类方法有： 1）变极调速；
2）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、
绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速； 3）变频调速。

异步电动机的机械特性

图5-3 异步电动机的机械特性
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。
异步电动机的机械特性
当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项
1 Te 2 2 2 ' s 1s Rs 1 Lls Llr
假定条件：①忽略空间和时间谐波， ②忽略磁饱和，③忽略铁损
图5-1
异步电动机T型等效电路
异步电动机的机械特性

异步电动机传递的电磁功率
3I R Pm s

'2 r
' r
机械同步角速度
m1
1
np
异步电动机的机械特性

异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）
Te Pm
m1
' R I r'2 r 1 s
式中
3 2 CT n p kdp1W1 2
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VS 直流电机
•直流电动机的动态数
学模型只有一个输入 变量——电枢电压和 一个输出变量——转 速 •励磁电流（磁通）与 电枢电流可分别独立 控制
N f2
A B a
d
b
c
f1 S
A,B 为电刷
他激直流电机的电磁转矩:
电枢绕组的运动方向与磁密的方向成正交，根据左手原理， N根导体的总电磁转矩：

转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线
曲线 1： n1 0 ， 曲线 2： n1 0 曲线 3： I1 ( s )
Te , st
Te , I1
图 5.3.15 异步电机机械特性曲线
各种运行状态以及与它激直流机的机械特性比较
5.1.2异步电动机的调速方法与 气隙磁通

异步电动机的调速方法 所谓调速，就是人为地改变机械特性 的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有 特性，工作在人为机械特性上，以达到调 速的目的。
将机械特性方程式分母展开
Te 3n pU s2 Rr' s
2 2 '2 ' 2 2 ' 2 1 s Rs Rr 2sRs Rr s 1 Lls Llr 3n pU s2 Rr' s 2 ' 2 2 1 1 Lls Llr s Rs2 s 2 2sRs Rr' Rr'2
电动机的电磁转矩与气隙磁通和转子电流有功分 量的乘积成正比，这一表达式又称为三相异步电动机 的物理表达式。该表达式适用于对三相异步电动机运 行进行定性分析。
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5.1 三相异步电动机的机械特性
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5.1 三相异步电动机的机械特性
图5-2 由参数表达式绘制三相异步电动机机械特性曲线
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5.1 三相异步电动机的机械特性 3.人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变三相异步电动 机的某些参数或电源参数所得到的机械特性。 (1)降低定子回路端电压 (2)转子回路串联对称电阻
(3)定子回路串联对称电抗或电阻
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5.2三相异步电动机的启动制动
三相异步电动机直接启动的问题： (1)启动电流大

所以是异步电动机是一个强耦合的多变量（多 输入、多输出）系统，同时也是一个非线性系 统！
电磁转矩
T CT I cos
' m 2
' 2
CT —— 三相异步电动机的转矩系数；
m —— 三相异步电动机气隙每极磁通量； ' I2 —— 转子电流折算值； ' cos 2 —— 转子电路的功率因数；
m
xm
' I2
' ' jI2 x2
(a)三相异步电动机T型等效电路
' E1 E20
(b)三相异步电动机时空矢量图
转矩平衡关系(与直流机的转矩平衡 关系相同)
系统上有两个阻转矩，一个阻转矩是输出到负载上的输出转 P2 矩 T2 另一个阻转矩是电机的空载摩擦转矩 T0 ，是电机风阻摩擦、 pm padd 轴承摩擦及附加损耗等对应的空载阻转矩， T0 同直流电机，定义 TL T0 T2 ，因此，在电机稳态运行时，转矩 平衡式 Te TL T0 T2 动力学方程 d GD 2 dn Te TL J ， Te TL dt 375 dt
Ia D np N Te NTe ,1 NBavli I a CT I a 2a 2 2a np N CT (3.1 13b) 2a Const. (3.1 13)
1)无稳态、动态之分； 2)Φ 与Ia之间独立（正交）(消除电枢反应条件下)。
比较直流电机的电磁转矩和交流感应电机的电磁转矩
科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类： （ 1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能 而被消耗掉。 特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步 电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。 （ 2 ）转差功率回馈型调速系统 ——转差功率的少部分被消 耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予 以利用。 特点：效率高。串级调速属该类系统。
(2)启动时功率因数低
(3)启动转矩小
5.2三相异步电动机的启动制动
1. 2.
定子串电抗启动 Y-△启动 采用自耦变压器降压启动 转子串电阻分级启动 转子串频敏变阻器启动 软启动
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3.
4. 5. 6.
5.2三相异步电动机的启动制动
三相异步电动机的制动方法: 1)能耗制动 2)反接制动 3)回馈制动
m 与 I
' 2 不正交；
m 由 I1 与 I
r1
I1
' ' 产生；决定 2 2 的要素有多个。
I
（由此知,转矩控制的复杂性）
x 1
rm
' E1 E20
r2'
' I2
' x 2
' I2
I10
Fe
U1
I10
1 s ' r2 s
1 s ' r2 2 s
' ' I2 r2
' ' I2 Z2
图 5.1.4 同步电机主要部件
图 5.1.5 鼠笼式异步电机主要结构部件
与直流电机的结构比较
(a) 整体结构 图 3.1.1 直流电机的主要结构
(b) 电枢结构
1）定子磁场不旋转，由换向器得到“被整流”后的脉动电压电流；
2）采用左、右手定则就可分析原理。
同步电机和异步电机主要结构部件的对比