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1、电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第2篇,交流调速系统,在20世纪上半叶，由于交流电动机调速困难，可调速拖动一般都采用直流传动。 直流电机具有电刷和换相器，必须经常检查维修，换向火花使直流电机的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度。,到20世纪6070年代，电力电子技术、大规模集成电路的发展，具备了交流调速发展的技术基础。 73年第一次世界石油危机爆发，促使工业界考虑节能问题，交流调速系统便应运而生。,风机、水泵等负载的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，浪费能量。 该类负载对调速范围和动态性能要求不高，只需要一般的调速性能，就能产生
2、很好的节能效果。,交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。 目前主要有三个方面： 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,一般性能调速和节能调速,风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足够了。 需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属于一般性能调速。,高性能的交流调速系统和伺服系统,矢量控制技术、直接转矩控制 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。,特大容量、极高转速的交流调速,特大容量的电力拖动设备 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
3、为宜。,交流调速系统的主要类型,按交流电动机类型分类： 交流电动机主要分为异步电动机（即感应电动机）和同步电动机两大类，每类电动机又有不同类型的调速系统。,按交流电动机调速方法分类,转子串电阻调速 转差离合器调速 降定子电压调速 绕线转子电动机双馈（串级）调速 变极对数调速 变压变频调速等,按电动机的转差功率分类20121016七1,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。,转差功率,即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 调速过程中转差功率是否增大
4、，是消耗掉了，还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。,异步电动机调速,按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类： 转差功率消耗型 转差功率馈送型 转差功率不变型,转差功率消耗型,全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。 以增加转差功率的消耗来换取转速降低（恒转矩负载时），转速越低，效率也越低。 结构简单，设备成本低，还有一定的应用价值。,转差功率馈送型,转差功率一小部分被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。 功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈调速系统。 效率较高，只能采用绕线转子感应电动机。,转差功率不变型,变压变频调速，转子铜损基本不变，转子电路中
5、没有附加的损耗，效率最高。 须配置与电动机容量相当的变压变频器，设备成本最高。 变极对数调速也是转差功率不变型调速系统，属于有级调速。,2. 同步电动机调速,同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。 同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。,同步电动机调速,从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。 自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。,两类交流调速控制方案,基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。 基于交流电
6、动机的动态模型，能实现高动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。,主要章节,第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 第6章 基于动态模型的异步电动机调速系统 第7章 绕线转子异步电动机串级和双馈调速系统 第8章 同步电动机调速系统,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第5章,基于稳态模型的异步电动机调速系统,基于稳态模型的异步电动机调速,在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。,基于稳态模型的调速方法,常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变
7、频调速两类。,内 容 提 要,异步电动机稳态数学模型和调速方法 异步电动机调压调速 异步电动机变压变频调速 电力电子变压变频器 转速开环变压变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,异步电机的结构 Polyphase induction machine,异步电动机的结构,定子stator：固定部分,气隙air gap：很小，0.2-1mm 对电机性能影响很大,转子rotor：旋转部分,异步电动机的定子,定子铁芯core磁路部分，放置定子绕组。 一般采用导磁性能良好和比损耗小的0.5mm厚的电工硅钢片叠成。 为了嵌放定子绕组，在定子铁芯内圆冲出许多形状相同的槽定子槽slot。 定子绕
8、组stator winding电路部分感应电势 双层短距绕组。 机座固定和支撑定子铁芯。,定子铁芯,定子槽形,散嵌绕组,成型绕组,效率和功率因数较高 绕组嵌线工艺复杂 小容量及中型低压电机,可嵌放成型线圈 大型低压电动机,绝缘放置可靠、 绕组下线方便 高压电动机,可以减少主磁路的磁阻，减少激磁电流但嵌线不方便,槽口宽度等于或略大于槽宽的一半,槽口宽度等于槽宽,定子绕组,定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应用单层绕组。,异步电动机的转子,转子铁芯一般由硅钢片叠成。在转子铁芯上开有槽，以供放置或浇注转子绕组。 转子绕组产生感应电势、流过转子电流并产生电磁转矩。 转轴shaft固定转子鉄芯和转
9、子绕组，两端安装有轴承。,转子铁芯,转子槽,槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。,小功率电动机，槽面积相对较大，转子电阻较小，运行性能较好,较大功率电动机，槽面积相对较小，转子电阻较大，提高起动转矩,获得更大的起动转矩，但槽型较复杂，工艺较差,冲模简化，减小杂散损耗，但漏磁较大，运行时功率因素较低,平行槽,凸行槽,刀行槽,闭口槽,转子绕组,鼠笼式转子squirrel-cage rotor：焊接，铸铝。,斜槽形式,转轴 shaft,线绕转子wound rotor： 铁芯上绕有一对称绕组，和定子绕组有相同的极数，常常制成相同的相数。 通常采用对称的三相绕组，连接成星形。 线绕转子绕组采
10、用波绕组或叠绕组 转子的一端装有三个集电环，各与转子绕组的三个起始端相连接。每个集电环上各有一电刷，通过电刷把转子绕组与外接变阻器相接。 安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。,异步电机的气隙air gap,特点气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1.5毫米。 气隙大小对电机性能有很大的影响 气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善启动性能。 气隙小：按加工可能及机械安全所限制。 为减小励磁电流，异步电动机的空气隙长度应为机械条件所容许达到的最小值,5.1 异步电动机稳态数学模型和
11、调速方法,异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。 稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。 机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。,5.1.1异步电动机稳态数学模型,转差率与转速的关系,或,电动机极对数,供电电源频率,同步转速,异步电动机稳态等值电路,图5-1 异步电动机T型等值电路,假定条件：忽略空间和时间谐波， 忽略磁饱和，忽略铁损,异步电动机稳态等值电路,式中,转子相电流（折合到定子侧）,异步电动机稳态等值电路,图5-2 异步电动机简化等值电路,忽略励磁电流,异步电动机稳态等值电路,简化等值电路的相电流,异步电动机
12、的机械特性,异步电动机传递的电磁功率,机械同步角速度,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 ）,异步电动机的机械特性,对s求导，并令,最大转矩，又称临界转矩,异步电动机的机械特性,临界转差率：对应最大转矩的转差率,异步电动机的机械特性,将机械特性方程式分母展开,异步电动机的机械特性,当s很小时，忽略分母中含s各项,转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线,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,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,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
13、性。,图5-3 异步电动机的机械特性,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。,异步电动机的调速方法,由异步电动机的机械特性方程式,可知，能够改变的参数可分为3类： 电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。,异步电动机的气隙磁通,三相异步电动机定子每相电动势的有效值,气隙磁通,异步电动机的气隙磁通,为了保持气隙磁通恒定，应使,气隙磁通或近似为,由于忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降,5.2 异步电动机调压调速,保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法
14、称作调压调速。 由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。,异步电动机调压调速,调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变,气隙磁通,随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。,5.2.1 异步电动机调压调速主电路,图5-4 晶闸管交流调压器调速,TVC双向晶闸管交流调压器 a) 不可逆电路 b) 可逆电路,电压控制方式,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,可调,调压调速的机械特性表达式,电磁转矩与定子电压的平方成正比,异步电动机调压调速的机械特性,临界转差率保持不变,理想空载转速保持为同步转速不变,异步电动机调压调速的机械特性,临界转矩,随定子电
15、压的减小而成平方比地下降,异步电动机调压调速的机械特性,图5-5 异步电动机调压调速的机械特性,异步电动机调压调速的机械特性,带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为,调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。 带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率,故电磁功率恒定不变，与转速无关。,均为常数，,由于,异步电动机调压调速的机械特性20121019七2,转差功率,随着转差率的加大而增加。 带恒转矩负载的降压调速就是靠
16、增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。 增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。 缺点是机械特性 较软。,图5-6 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,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5-6。 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或交流调速电机，为了能够低速运行常另带通风机。,5.2.3 闭环控制的调压调速系统,要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，往往须采用
