交流调速系统 (1)

异步电动机等效电路
R1
Ll1
Ll2′
I1 U1
1
I0
I’2
R2'
Lm
s
图6-2 异步电动机的稳态等效电路
参数定义
R1、R2′ —定子每相电阻和折合到定子侧的
转子每相电阻；
Ll1、Ll2′ —定子每相漏感和折合到定子侧的
转子每相漏感； Lm—定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电
感，即励磁电感；
WASR
(s)
Kn
ns 1
ns
晶闸管交流调压器和触发装置
装置的输入-输出关系为纯滞后环节， 在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如 直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置 那样。传递函数可写成
I
0 Zm
I
' 2
Z
2
Z 1 R1 jLl1 Z 2 R2' / s jL'l2
Zm jLm
相量分析法
U 1
I
' 2
Z1
Z2
Z1Z 2 Zm
I
' 2
Z1
U1 Z2
Z 1Z 2
Zm
转子电流公式
则电流公式可简化成：
I
' 2
U1 Z1 Z2
I
' 2
U1
R1
R2' s
2
12
Ll1 L'l2
2）转差功率回馈型调速系统
3）转差功率不变型调速系统
在这类系统中，无论转速高低，转 差功率基本不变，因此效率最高。变磁 极对数调速和变频调速属于此类。其中 变磁极对数调速是有级调速，应用场合 有限。变频调速应用最广，可构成高动 态性能的交流调速系统，最有发展前途。
异步电动机调速系统根据功率情况分类
1、一般性能的节能调速
在过去大量的所谓“不变速交流拖动” 中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占 工业电力拖动总容量的一半以上，其中有 不少场合并不是不需要调速，只是因为过 去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖 挡板和阀门来调节流量，因而把许多电能 白白地浪费了。
1、一般性能的节能调速
定速传动
3~
2
电磁转矩公式
电磁转矩公式：
Te
Pm 1
Te
3np
1
I
'2 2
R2' s
1 R1
3npU12R2' / s
R2' s
2
12
Ll1 L'l2
2
这就是异步电机的机械特性方程 式。它表明，当转速或转差率一定时， 电磁转矩与定子电压的平方成正比。
Te
3np
1
I
'2 2
R2' s
1 R1
= Un/n 为转速反馈系数；
ASR采用PI调节器；
n =f (U1，Te )是异步电机机械特性方程式， 它是一个非线性函数。
4、稳态参数计算
P调节器：
Un = n
(Un*-Un )* Kp = Uc Uc * Ks = U1 Te = TL
PI/PID调节器：
Un* = Un = n
Uc * Ks = U1 Te = TL
~ Pm
P2 Ps
即：
Pm = P2 + Ps Ps = sPm
转差率定义？ 其与节能有何
关系
P2 = (1 – s) Pm
从能量转换的角度上看，转差功率是否增大、
是消耗掉、还是得到回收，是评价调速系统效率 高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调 速系统分成三类 。
1）转差功率消耗型调速系统
U1、1 —定子相电压和供电角频率；
s —转差率。
转子电流公式
由图可以导出
I
' 2
式中
U1
R1 C1
R2' s
2
12
Ll1
C1 L'l2
2
C1
1
R1 j1Ll1 j1Lm
1
Ll1 Lm
1
(6-1)
相量分析法
U 1 I 1(
Z 2Zm
Z 1)
Z2 Zm
I1
I
0
I
' 2
调速 装置
变速传动
M
如果换成交流调速系统，把消耗在挡 板和阀门上的能量节省下来，每台风机、 水泵平均都可以节约 20 % ~ 30% 以上的电 能，效果是很可观的。
2、高性能的交流调速系统和伺服系统
随着交流调速系统的发展，尤其是变 频调速的发展，使其可以获得和直流调速 相仿的动态性能，从而使交流电机的调速 技术取得了突破性的进展，形成了一系列 可以和直流调速系统媲美的高性能交流调 速系统和交流伺服系统。
1、系统组成
~
+
U*n + Un
GT
Uc ASR
M 3~
n
TG
a)原理图
图6-5 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
2、系统静特性
n n0
B
n*2
A
A’’
A’
U1min
C UN
0
TL
Te
图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性
按照反馈控制规律，将A´ 、A、A”连 接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步 电机的开环机械特性和直流电机的开环特 性差别很大，但是在不同电压的开环机械 特性上各取一个相应的工作点，连接起来 便得到闭环系统静特性，这样的分析方法 对两种电机是完全一致的。
和程度控制主回路 阻抗值的大小，从 而改变加在负载上 的电压。可用于电 动机软起动。
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
（2）饱和电抗器 利用铁芯的饱
和程度控制主回路 阻抗值的大小，从 而改变加在负载上 的电压。可用于电 动机软起动。
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
（3）双向晶闸管交流调压器
ia VT1
变压调速系统的特点
异步电机闭环变压调速系统的静特性左右两 边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压UN 下的机械特性和最小输出电压U1min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(此处是指调压范围)。
n n0
n*1
n*2
电力拖动自动控制系统
第2篇
交流调速系统
概述 一、交流调速的发展历程
80％ 交流电机 定速传动 70年代之前： (优缺点?)
20％ 直流电机 变速传动
(优缺点?)
直流电动机机械特性方程：
n
U
K
IdR总
Φ
e
异步机的机械特性方程
Te
3np
1
I
'2 2
R2' s
1 R1
3npU12R2' / s
变压调速是异步电机调速方法中比 较简便的一种。调压的方法主要有三种： （1）自耦变压器 （2）饱和电抗器 （3）晶闸管交流调压器
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
（1）自耦变压器 改变中间抽
头，从而改变加 在负载上的电压。 可用于电动机软 起动。
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
（2）饱和电抗器 利用铁芯的饱
2、高性能的交流调速系统和伺服系统
3~
给定
调节器
调速 装置
M
3~
3、特大容量、极高转速的交流调速
直流电机的换向能力限制了它的容量 转速积不超过106 KW ·r /min，超过这一数 值时，其设计与制造就非常困难了。
交流电机没有换向器，不受这种限制， 因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板 轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖 动，如高速磨头、离心机等，都以采用交 流调速为宜。
调压调速
转差功率消耗型： 串电阻调速
异步电机
电磁离合器调速
调速系统 转差功率回馈型： 串级调速
变磁极对数调速 转差功率不变型：
变频调速
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
交流电机几种调压方式 异步电动机改变电压的机械特性曲线
（开环） 闭环控制的调压调速系统 近似的动态结构图
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
3npU12R2' / s
R2' s
2
12
Ll1 L'l2
2
当定子电压 U1 和电源角频率 1 恒定时，
机械特性方程式可以改写成如下形式：
Te
3np
U1
1
2
(sR1
R2' )2
s1R2'
s
2 2 1
(Ll1
L'l2 )2
Te
3np
U1
1
2
(sR1
R2' )2
s1R2'
s
2 2 1
(
TL
Te
图6-4 高转子电阻电动机在不同电压下的机械特性
二、闭环控制的变压调速系统及其静特性
(先讲实验)采用普通异步电机的变电压 调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻 (结合实验)的力矩电机可以增大调速范围，但 机械特性又变软，因此开环控制很难解决 这个矛盾。
为此，对于恒转矩性质的负载，要求 调速范围D大于2时，往往采用带转速反馈 的闭环控制系统。
电力拖动自动控制系统
第6章
交流调速系统的基本类型和 交流变压调速系统
6.1 交流调速的基本类型
常见的交流调速方法有：
①降电压调速 ②转差离合器调速 ③绕线式异步电动机转子串电阻调速 ④绕线式异步电动机串级调速 ⑤变极对数调速 ⑥变频调速等
从电动机的能量转换角度分类
按照交流电机的原 理，从定子传入转子的 电磁功率可分成两部分： 一部分是拖动负载的有 效功率，称作总机械功 率；另一部分消耗在转 子电阻中的功率称为转 差功率，与转差率 s 成 正比。
u VT1 A R
A
B
VT4
u VT3 B R
VT6
C
u VT5
CR
VT2
图1
u
A
B
C
0 ωt
O
0 5 6 1 2 3 4 5 ωt
6
1
2
3
4
5
6
图2
一、异步电动机改变电压时的机械特性
根据电机学原理，在下述三个假定条件下： • 忽略空间和时间谐波 • 忽略磁饱和 • 忽略铁损
异步电机的稳态等效电路如图6-2所示。
R2' s
2
12
Ll1 L'l2
2
n
n0
nN
s
n1
UN
0
n2
U1
sm
n3
U2
U3
1
Te
O
IL
I
调压调速特性曲线
一、交流调速的发展历程
70年代之后： 能源危机 导致 交流调速发展 （节能）
促 进
交流调速（变频） 发展 微电子技术和
奠定基础
电力电子技术
二、交流调速系统的应用领域
主要有三个方面： 一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速
12
Ll1 L'l2
2
异步电动机在不同电压下的机械特性
恒转矩负载特性
n n0
A
D
sm C B
E
0.5UN
0.7UN
F
UN
风机类负载特性
O TL
Temax Te
图6-3 异步电动机在不同电压下的机械特性
交流力矩电机的机械特性
s,n 0 n0
0.5UN
恒转矩负载特性 A B
C
UN
0.7UN
1
0
数值时，机械
sm
特性从直线段
逐渐过渡到双
曲线段，如图
所示。
0 1
Temax Te Temax Te
最大转矩公式
将电磁转矩公式对s求导，并令dTe/ds=0， 可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转
矩：
sm
R2'
R12 12 (Ll1 L'l2 )2
Te m a x
21
R1
3npU12
R12
三、近似动态结构框图
U*n(s)
Uc (s)
U1(s)
n(s)
WASR(s)
WGT-V (s)
WMA (s)
- Un(s)
WFBS(s)
图6-7 变压调速系统的动态结构框图
MA——异步电机 FBS——测速反馈环节
转速调节器ASR
转速调节器ASR常用PI调节器，用以 消除静差并改善动态性能，其传递函数为：
Ua0 a
ua
VT2
b
a)
ub
VT3
c
uc
负载
0
Y形接法
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
（3）双向晶闸管交流调压器
ia ua b) ub
uc
a
b
负载
c
△形接法
晶闸管交流调压器的控制方式
单相相位控制调压举例
u1
O uo
O io
O u
VT
O
VT1Leabharlann Baidu
O
t
t
t
t
VT2
t
带阻性负载、无中性线的星形三相交 流调压电路如图1所示，当各晶闸管门极触 发脉冲如图2所示时，画出加在三个电阻上 的电压波形。
A
A’
n*3 U1min
UN
0
TL
Te
图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性
3、系统静态结构框图
~
+
U*n +
U*n
-
-
Un Un
GT
ASR ASR
Uc
Uc
U1
Ks
-TL n=f(U1，Te)
n
M 3~
n
TG
图6-6 异步电机闭环变压调速系统的稳态结构框图
Ks = U1/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装 置的 放大系数；
全部转差功率都转换成热能消耗掉。 降电压调速、转差离合器调速、转子串电 阻调速都属于这一类。这类系统的效率最 低，而且越到低速时效率越低，它是以增 加转差功率的消耗来换取转速的降低。但 是这类系统结构简单，设备成本最低，所 以还有一定的应用价值。
2）转差功率回馈型调速系统
转差功率的小部分消耗，大部分通 过变流装置回馈电网或转为动能再利用， 转速越低，回收能量越多，绕线式异步 电动机串级调速属于这一类。因此这类 系统的效率较高，但要增加一些设备。
Ll1
L'l2 )2
当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则
s
2
0
Te
3np
U1
1
s1
R2'
s
sm
1
Te
当 s 接近于1时，如果在 R2' 前加上一个s，则
Te
3np
U1
1
2
(sR1
sR2' )2
s1R2'
s
2 2 1
(
Ll1
L'l2 )2
s
K Te s
0
sm
1
Te
当 s 为以
ns
上两段的中间 n0 0
尽管交流力矩电机的机械特性很软，但由系 统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。
如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。 改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达 到调速的目的(此处可待实验验证)。
PI或PID调节器
n n0
n*1
n*2
A
A’’
A’
n*3
U1min
UN
0
TL
Te
图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性(变化规律)