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1、1,第 2 篇,电力拖动控制系统,交流拖动控制系统,2,内容提要,概述 交流调速系统的主要类型 交流调压调速系统 交流变压变频调速系统 绕线转子异步电机调速系统 交流调速系统的MATLAB仿真,3,交流调速系统的主要类型,交流调速系统(AC Speed Regulating System): 以实现交流电动机转速调节为目标的电力拖动自动控制系统.,4,励磁同步电动机,一、交流调速系统的分类,交流电动机,异步电动机,永磁同步电动机,无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转速有严格比例关系”的条件，所以也把它归入同步电动机。,当电机转子的转速与定子电流的频率有严格比例关系的电动机称
2、同步电动机，无严格比例关系的电动机称异步电动机。,特种同步电动机,无刷直流电动机 开关磁阻电动机 直流无换向器电动机 交流无换向器电动机,交流电动机是定子绕组通入交流电的电机，其定子磁动势是一个旋转的磁动势。,同步电动机,5,交流调速系统的分类,6,7,二、异步电动机调速系统的分类,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。,(1)从异步电机转速表达式,8,从定子传入转子的电磁功率,总机械功率,转子铜耗
3、（转差功率）,定义：转差功率 Ps s Pem,(2)按电动机的能量转换类型分类,9,按照交流异步电机的原理，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，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。,10,（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：效率较高。串级调速属该类系统。 （3）转差功率不变型调速
4、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。,科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：,11,第 5 章,电力拖动控制系统,交流调压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统,12,本章提要,异步电动机改变电压时的机械特性 异步电动机变压调速电路 闭环控制的调压调速系统及其静特性,13,一、异步电动机的固有机械特性,式中：,为定子每相电阻和折算到定子侧的转子 每相电阻；,为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感,5.1 异步电动机改变电压时的机械特性,14,可见，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。当电压Us和频率1一
5、定时，机械特性方程式Te= f（s）是一个二次表达式。在定子电压Us和频率1均为额定值的情况下，可画出异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。,15,注意： （1）设计电动机时通常把额定转矩Ten确定为 左右。定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为,M称为过载倍数。,16,(2)异步电动机的工作区域，一般只能在 范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则为机械特性的非线性段。,图异步电动机固有机械特性,（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，此点对应着电机刚开始启动的状态，此时启动电流很大，可达电机额定电流的47倍，
6、但启动转矩却不大。,17,异步电动机调压调速方式广泛应用于启动时限制启动电流和一些调速精度要求不高的场合，目前调压调速方式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然普遍应用。 根据异步电动机机械特性方程式，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，这说明不同的定子电压，可以得到不同的人为机械特性。,二、调压时的人为机械特性,18,调压时的机械特性,Te,O,n,n1,sm,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,Tst,图5-2 异步电动机在不同电压下的机械特性,特点：,(1)n1不变,(2)T(包括Tst)正比于u1的
7、平方,(3)Sm不变,(4)降压调速,19,带恒转矩负载TL时，可得不同的稳定转速，如图5-2中的A，B，C点。由于普通异步电动机工作段转差率S很小，因此对恒转矩负载来说，调速范围很小。但是，对风机泵类机械，由于其负载特性为TL=kna(a1)，采用调压调速则可得到较大的调速范围，如图5-2中的D，E，F点。,20,显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。,为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-3。,21,交流力矩电机的机械特性,图5-3
8、 高转子电阻电动机（交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性,UsN,0.7UsN,A,B,C,TL,0.5UsN,恒转矩负载特性,22,所谓的调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。,那么，怎样实现调压调速呢？,23,5.2 异步电动机变压调速电路,一、调压调速方法 获取交流调压电源的方法： （1）调压器调压 如图（a）所示。,24,（2）饱和电抗器调压 如图（b）所示，饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组的交流电抗器。,（3）晶闸管交流调压器调压 如图（c）所示。单相调压电路如图所示，其控制方法有两种： 1）相位控制方式 通过
9、改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图所示。 特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。,25,晶闸管相位控制下的负载电压波形,晶闸管单相调压电路,26,2）开关控制方式 把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/ tp来调节。输出电压波形如图所示。,晶闸管开关控制下的负载电压波形,特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。,27,二、交流调压电路 晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。,三相全波星形联结的调压电路,28,电路正常工作的条件
10、： （1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。 （2）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。 （3）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差120，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差120；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差 180。 根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT1 、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60。,29,调压调速系统的可逆运行及制动,图5-4 电动机的正、反转及制动电路,30,1、可逆运行 方法：改变定子供电电压的相序，如图所示。图 中晶闸
11、管16供给电动机定子正相序电源；而晶闸管710 及1、4供给定子反相序电源。 2、反接制动与能耗制动 反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元 件。 耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。 例：使1、2、6三个元件导通，其它元件都不工作，这样 就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。 所以调压调速系统具有良好的制动特性。,31,5.3 闭环控制的调压调速系统及其静特性,采用普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。 为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于
12、D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图5-6a）。,32,1. 系统组成,33,2. 系统静特性,34,当系统带负载在 A 点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A。,35,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。,36,尽管异步力矩电机的机械特性很软，但
13、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。,37,(1) 电动机的额定转矩Ten设定为 左右。,定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为,M称为过载倍数，它表示电动机在短时间内允许超过额定负载的能力。如果让异步电动机带动接近于Temax的负载长时间运行，就会使电动机因过热而损坏。,异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是:,3.变压调速系统的特点,38,当负载变化时,（2）异步电动机的工作区域，一般只能在0sm范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械
14、特性的线性段，大于sm部分则称为机械特性的非线性段。,静特性左右两边都有极限，不能无限延长,它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性,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。,39,（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，电机刚开始启动，此时启动电流很大，可达电机额定电流的47倍，但启动转矩却不大。 直流电动机启动时，要减小启动转矩，以防启动转矩太大，造成机械冲击，损伤设备。减小启动转矩，也就减小了启动电流。 异步电动机启动时，则存在两方面的问题，一要解决启动电流的问题，二要解决启动转矩不足
15、的矛盾。,40,4 调压调速系统中的能耗与效率分析,(1)转差功率Ps 传到转子上的电磁功率P2与转子轴上输出的机械功率PM 之差Ps为,Ps称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步 电动机的能量流程图。,41,（2）电动机的效率 若忽略其它损耗，则电动机的效率为,讨论： 1)恒转矩负载时：有Te=TL不变；因f1不变，故n0不变， 电磁功率P2也不变。随着转速的降低，转差功率sP2增 大，效率降低。 2)风机泵类负载时：有Te=TL=Kn2，Te、P2随转速以平 方速率下降，尽管低速时，s增大，但总的转差功率 Ps=sP2下降，损耗变小。 故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能
16、。,42,三、系统静态结构,图5-7 异步电动机闭环变压调速系统的静态结构图,根据图5-6（a）所示的系统可以画出其静态结构图如图5-7所示。,43,图中， Ks = U1/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数； = Un/n 为转速反馈系数； ASR采用PI调节器； n =f (U1, T)是式（5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。,44,稳态时， Un* = Un = n T = TL 根据负载需要的 n 和TL 可由式（5-3）计算出所需的 Us 以及相应的 Uc。,45,5.3.2 闭环变压调速系统的动态结构图,对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图5-7的静态结构图可以得到动态结构图，如图5-8所示。 其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。,46,系统
