2020（建筑电气工程）电气调速概述

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1、电气调速概述 1、调速系统及其性能指标 （1）开环和闭环调速系统 调速即速度调节，是指在电力拖动系统中人为地改变电动机的转速，以满足工作机械的不同转速要求。调速是通过改变电动机的参数或电源电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变它与负载机械特性的交点，使得电动机的稳定转速改变。从调速控制原理上可将调速系统分为开环调速系统和闭环调速系统。开环调速系统如图所示用速是通过改变给定信号，经过控制环节而实现的。开环控制由于不能克服外界扰动带来的转速变化，故不能进行精确的速度控制。闭环调速系统如图所示。由于增加了速度等反馈环节，使系统能很快消除各种干扰，电动机转速不防外界扰动的变化而变化，始终能精确地保

2、持在给定的数值上。 电动机的调速按电源种类可分为直流调速和交流们速两大类，下面分别进行介绍。（2）调速系统的性能指标 调速系统的性能指标，可衡量调速系统的优劣。常用的性能指标有如下几项： l）调速范围（D） 工作机械要求的调速范围，以字母D表示。它等于在额定负载下，电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin。之比，即 2）调速的平滑性（） 调速的平滑性亦称公比。它是用某一个转速ni与能够调到的最邻近的转速ni-l之比来评价的，以字母表示。即 无级调速的平滑性1，可以实现连续调速。 3）静差度（S） 静差度即速度的稳定度。是衡量转速随负载变动程度的静态指标。它表示电动机在某一转速下运行时，

3、机械负载由理想空载变到额定负载所产生的转速降落ne，与理想空载转速 n0之比，即 式中ne-额定负载下的实际转速。 对一个系统静差度的要求，就是对最低转速静差度的要求，静差度S与调速范围D两项指标是相互制约的。对S与D必须同时提出才有意义。 4）调速的经济性 调速的经济指标，一般是根据设备费用、能源损耗、运行及维护费用多少来综合评价的。 7.1.2 直流电动机的调速控制 （1）直流电动机的基本调速方式 从电工学可知，他激直流电动机有以下方程： Ud=Ed+IdRd Ed=Cen T=CtId式中Ud-电动机的电枢电压； Ed-电动机的反电势； T-电动机的电磁转矩； Ce-电动机的电势常数；

4、Ct-电动机的转矩常数； -电动机的主磁极的磁通； Id-电枢电流； Rd-电枢绕组电阻。直流电动机的机械特性方程式也就是它的调速公式，即由上式可知，直流电动机的转速由 Ud，Rd，所决定，因此，直流电动机的基本调速方式有两种：调Ud和。 调压调速；改变电枢电压Ud进行调速的方式，其特性为恒转矩调速。 调磁调速：改变励磁磁通进行调速的调速方式，其特性为恒功率调速。 与调压调速相比用磁调速除调速范围不宽外，二者均具有调速平滑性好、稳定性好、能耗低和经济性好等特点，由于调压调速范围宽，调节细，因而获得了更为广泛的应用。 （2）直流调速系统的种类 直流调速系统通常有以下几类： 直流发电机-直流电动机

5、（G-M）系统：它利用改变控制信号的方法来改变发电机的输出电压，此电压加到电动机上，可使电动机的转速随控制信号而变化。 交磁放大机-直流电动机（SKK-M）系统；交磁放大机是一种高放大倍数、高性能特殊结构的直流发电机，由它控制直流电动机的电枢电压，能使电动机的转速随交磁放大机的输入信号而变化。 晶闸管-直流电动机（SCR-M）系统：它根据控制信号来改变晶闸管的导通角，输出不同的整流电压，供给直流电动机，使电动机的转速随控制导通角的信号而变化。 脉定调制-直流电动机（PWM）系统：该系统用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压切割成与三角波同频率的矩形波。控制电压的幅值与矩形波的占空比成比例。

6、利用此矩形波去触发大功率三极管的基极，由于三极管的集电极、发射极与电机绕组串联，因而电机电流受到控制并与控制信号成线性关系。该调速系统抗干扰能力强，效率高。 直流调速系统具有调速范围宽、调速精度高等优点，因此应用广泛。但直流电动机依靠整流子和碳刷来进行整流，而对这些机械式整流装置必须经常维护，因而要求的环境条件苛刻，容量有限，成本高，体积大。 7.l.3交流电动机的调速控制 （1）交流电动机的调速原理 与直流电动机相比，交流电动机结构简单，成本低，维护方便。因此，长期以来人们一直努力研究交流电动机的调速问题。 由电机学可知，异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为 式中n1-同步转速(r/mi

7、n)； f1-定子频率（即电源频率Hz）； P-磁极对数。 异步电机的转速为： 式中s-转差率。从上式可知，要调节异步电动机的转速应从改变P，s，f1三个分量入手，因此，异步电动机的调速方式相应可分为3种，即变极调速、变转差率调速和变频调速。 （2）交流电动机的调速方式 1）变极调速 对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有级调速。变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。一般为2种速度，过去应用很普遍的双速电机调速系统就是这种系统。3种速度以上的变极调速电机统组结构复杂，应用较少。变极调速电机的关键在于绕组设计，以最少的绕

8、组抽头和改接以达到最好的电机技术性能指标。 2）变转差率调速 对于绕线式异步电动机，可通过调节串联在转子绕组中的电阻值（调阻调速）、在转子电路中引入附加的转差电压（串级调速）、调整电机定子电压（调压调速）以及采用电磁转差离合器（电磁离合器调速）改变气隙磁场等方法均可实现变转差s，从而对电机进行无级调速。变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中仍占有重要的地位，特别是转差功率得到回收利用的串级调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。 3）变频调速 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽

9、范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。 7.l.4调速系统的发展 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服的缺点。如机械式换向带来的弊端，使其事故率高，无法在大容量的调速领域中应用。而交流电动机有它固有的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价低廉，坚固耐用，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。 近年来随着电力半导体器件、计算机技术的发展，交流电

10、动机的速度控制产生了一场深刻的革命。以各种电力半导体器件构成的交流调压调速系统、变频调速系统正在取代着直流电动机调速系统。 在以上诸种交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，调速范围广，是一种理想的调速系统。随着交流电动机理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流调速系统。因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速电气传动。限于篇幅，本节主要从实际出发，对变频调速的主要内容进行介绍，其他

11、调速方法可参看其他专门的书籍。7.2变频调速的原理与调速方式 7.2.1变频调速的基本原理 从某种意义上说，如果能够有一个可以任意改变频率的电源的话，即可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制，如图所示。但是，由于在实际的调速控制过程中，还必须考虑到有效利用电动机磁场，抑制起动电流和得到理想的转矩特性等方面的问题，一个普通的频率可调交流电源并不能满足对异步电动机进行调速控制的需要由图可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和异步电动机的转速。异步电动机定子绕组每相感应电势为 式中k1-定子绕组等值匝数，k1l； 1-定子绕组的实际匝数； f1-定子电源的频率； -气隙中的磁通量； U

12、1-电机外加电压； I1-电机定于电流； Z1-电机走子阻抗。如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压 从上式可以看出，若定于端电压U1不变，则随着f1的升高，气隙磁通将减小。电机转矩为 式中I2-转子电流； cos2-转子电路功率因数；Ct-转矩常数。 从电机转矩公式可看出的减小势必会导致电机允许输出转矩T下降，使电机的利用率降低，同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转。 若维持定子端电压 U1不变，而减小f1，则增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的。为此在调频的同时需改变定子电压 U1，以维持气隙磁通不变。根据U1和f1的不同比例关系，将有

13、不同的变频调速方式。 7.2.2 基频以下恒磁通变频调速 由于E1难于直接检测和直接控制，当E1和f1较高时，可略去定子阻抗压降近似得出 为保持电机输出转矩T不变以保证电动机的负载能力，就要求气隙磁通由不变，因此要求定子端电压与频率成比例地变化。即U1f1为常数，这种控制称为近似的恒磁通变频调速（因为忽略了定子电压），属于恒转矩调速方式。 但在低频时，定子电阻的压降已不可忽略，随着定子电压的增加，最大转矩减小，起动转矩也减小。为了能在低速时输出大的转矩，应当采用 的协调控制。此时随着f1的降低，应适当提高 U1，以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图所示，其中1为 U1f1=

14、C时的电压、频率关系， 2为有补偿时（近似的U1f1=C）的电压、频率关系。实际装置中U1与f1的函数关系并不简单的如曲线2所示。通用变频器中U1与f1之间的函数关系有很多种（如三菱公司的变频器616G5可提供 15种预先设定好的 U1f1曲线，同时可允许用户进行任意设定），使用时可以根据负载性质和运行状况加以选择或设定。 7.2.3 基频以上的弱磁变频调速 当电动机转速超过额定转速调速时，即f1f1e，若维持U1f1=C，加在定子上的电压势必会超过电机的额定电压，这当然是不允许的。由于在f1f1e时，往往采用使定子电压不再升高，保持U1=U1e，这样气隙磁通就会小于额定磁通，导致转矩的减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况。 从电机学知道，在改变定子供电频率的同时，按关系式 调整定子电压，可使电动机功率等于电动机的额定功率，而转矩随f1/f1e或f1的增加而减小，可有如下关系 这是一种近似恒功率调速方式。如果将恒转矩调速和恒功率调速结合起来，可得到宽的调速范围。在电机低于额定转速时，采用但转矩变频调速；