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1、第 2 篇电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统交流拖动控制系统内容提要n概述n交流调速系统的主要类型n交流变压调速系统n交流变频调速系统n*绕线转子异步电机双馈调速系统 转差功率馈送型调速系统n*同步电动机变压变频调速系统 概 述直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪 先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴 于直流拖动具有优越的调速性能，高性能 可调速拖动都采用直流电机，而约占电力 拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则 采用交流电机，这种分工在一段时期内已 成为一种举世公认的格局。交流调速系统 的多种方案虽然早已问世，并已获得实际 应用，但其性能却始终无法与直流调速系 统相匹敌。直到20世
2、纪6070年代，随着电力电子 技术的发展，使得采用电力电子变换器的 交流拖动系统得以实现，特别是大规模集 成电路和计算机控制的出现，高性能交流 调速系统便应运而生，一直被认为是天经 地义的交直流拖动按调速性能分工的格局 终于被打破了。这时，直流电机具有电刷和换相器因而 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、以及换向能力限制 了直流电机的容量和速度等缺点日益突出 起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动 的呼声越来越强烈，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 。 交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：n一般性能的节能调速 n高性能的交流调速系统和伺服系统
3、n特大容量、极高转速的交流调速 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 板和阀门来调节送风和供水的流量，因而 把许多电能白白地浪费了。一般性能的节能调速（续）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。但风机、水泵的调速范围和对动态快速 性的要求都不高，只需要一般的调速性能 。2. 高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速
4、的生产机械过 去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电 机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护 方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖 动，显然能够带来不少的效益。但是，由 于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难 以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活 的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术， 或称磁场定向控制技术，通过坐标变换， 把交流电机的定子电流分解成转矩分量和 励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁 通，就可以获得和直流电机相仿的高动态 性能，从而使交流电机的调速技术取得了 突破性的进展。高性能的交流调速系统和伺服系统（续）高性能的交流调速系统和伺服系统（续）其后，又陆续提出了直接转矩控制
5、 、解耦控制等方法，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。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。n 交流调速系统的主要类型交流电机主要分为异步电机（即感应 电机）和同步电机两大类，每类电机又有 不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统 种类繁多，可按照不同的角度进行分类。按电
6、动机的调速方法分类常见的交流调速方法有： 降电压调速； 转差离合器调速； 转子串电阻调速； 绕线电机串级调速或双馈电机调速； 变极对数调速； 变压变频调速等等。在研究开发阶段，人们从多方面探索调 速的途径，因而种类繁多是很自然的。现 在交流调速的发展已经比较成熟，为了深 入掌握其基本原理，就不能满足于这种表 面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认 识交流调速的基本规律。按电动机的能量转换类型分类按照交流异步电 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。 PmechPmPs即
7、Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) PmPs = sPm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这种类型的全部转差功率都转换成热 能消耗在转子回路中，上述的第、 三种调速方法都属于这一类。在三类异 步电机调速系统中，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的（恒 转矩负载时）。可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.转差功率馈送型调速系统在这类系统中，除转子铜损
8、外，大部 分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或 馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上 述第种调速方法属于这一类。无论是馈 出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本 身的损耗后，最终都转化成有用的功率， 因此这类系统的效率较高，但要增加一些 设备。3. 转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜 损，而且无论转速高低，转差功率基本 不变，因此效率更高，上述的第、 两种调速方法属于此类。其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。只有变 压变频调速应用最广，可以构成高动态 性能的交流调速系统，取代直流调速； 但在定子电路中须配备与电动机容量相 当的变压变频器，相比之下，设备成本 最高。 同步
9、电机的调速同步电机没有转差，也就没有转差功率 ，所以同步电机调速系统只能是转差功率 不变型（恒等于 0 ）的，而同步电机转子 极对数又是固定的，因此只能靠变压变频 调速，没有像异步电机那样的多种调速方 法。在同步电机的变压变频调速方法中，从 频率控制的方式来看，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的检测 信号来控制变压变频装置换相，类似于直 流电机中电刷和换向器的作用，因此有时 又称作无换向器电机调速，或无刷直流电 机调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电 机，有其独特的比较简单的调速方法，在 小容量交流电机调速系统中很有发展前途 。第 5 章电力拖动自动控制
10、系统电力拖动自动控制系统闭环控制的异步电动机变压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统 本章提要n异步电动机变压调速电路n异步电动机改变电压时的机械特性n闭环控制的变压调速系统及其静特性n闭环变压调速系统的近似动态结构图n转差功率损耗分析n变压控制在软起动器和轻载降压节能运行 中的应用5.1 异步电动机变压调速电路变压调速是异步电机调速方法中比较 简便的一种。由电力拖动原理可知，当异步电机等 效电路的参数不变时，在相同的转速下， 电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此 ，改变定子外加电压就可以改变机械特性 的函数关系，从而改变电机在一定负载转 矩下的转速。过去改变交流电压的方法多用自耦变压 器或带
11、直流磁化绕组的饱和电抗器，自从 电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的 电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。目前，交流调压器一般用三对晶闸管 反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相 电路中，主电路接法有多种方案，用相位 控制改变输出电压。Y型接法0负载abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3型接法负载b)abcuaubucia 交流变压调速系统可控电源M 3TVC利用晶闸管交流调 压器变压调速TVC双向晶闸 管交流调压器 图5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速 控制方式TVC的变压控制方式n电路结构：采用晶闸管 反并联供电 方式，实现 异步电动机 可逆和制动 。图5-2 采用晶闸管反并联
12、的异步电动机可逆和制动电路 可逆和制动控制n 反向运行方式图5-2所示为采用晶闸管反并联的异步 电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管 16控制电动机正转运行，反转时，可由 晶闸管 1，4 和 710 提供逆相序电源， 同时也可用于反接制动。n制动运行方式当需要能耗制动时，可以根据制动电 路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作 ，例如让 1，2，6 三个器件导通，其余均 关断，就可使定子绕组中流过半波直流电 流，对旋转着的电动机转子产生制动作用 。必要时，还可以在制动电路中串入电阻 以限制制动电流。返回目录5.2 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
13、谐波， 忽略磁饱和， 忽略铁损，异步电机的稳态等效电路示于图5-3。 异步电动机等效电路图5-3 异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm 参数定义nRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；n Lm定子每相绕组产生气隙主磁通 的等效电感，即励磁电感；n Us、1 定子相电压和供电角频率；n s 转差率。电流公式由图可以导出(5-1)式中在一般情况下，LmLl1，则，C1 1 这 相当于将上述假定条件的第条改为忽略 铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化 成(5-2) 转矩公式令电磁功率
14、 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步机械角转速 m1 = 1 / np 式中 np 极对数，则异步电机的电磁转矩 为（5-3）式（5 - 3）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。这样，不同电压下的机械特性便如图5- 4所示，图中，UsN表示额定定子电压。 异步电动机机械特性TeOn n0TemaxsmTLUsN0.7UsNA BCFDE 0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性图5-4 异步电动机不同电压下的机械特性最大转矩公式将式（5-3）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（5-4）（5-
15、5）由图5-4可见，带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作 点为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不 超过 0 sm ，调速范围有限。如果带风机 类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。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5-5。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。 交流力矩电机的机械特性TeOn n0UsN0.7UsNA BCTL0.5UsN恒转矩负载特性图5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电
16、动机） 在不同电压下的机械特性 返回目录5.3 闭环控制的变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（见图5-5 ），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D=2时，往往采用带转速反馈 的闭环控制系统（见图5-6a）。1. 系统组成图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n +-UnGT+M 3TGa)原理图 -Ucn2. 系统静特性eTOn n0TLUsNA AAUs min恒转矩负载特性图5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2图5-6b所示的是闭环控制
