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1、第 2 篇,运动控制系统,交流调速系统,绪 论,交流电机的特点和应用 交流电机调速的发展 交流电机调速的两大技术基础 交流电机调速的分类,在20世纪上半叶，高性能可调速拖动都采用直流传动。 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、大规模集成电路和计算机控制的发展，高性能交流调速系统便应运而生。 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,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
2、速,1. 一般性能的节能调速,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。,风机交流调速节能环保,汽车空调器,水泵交流调速控制,水压自动调节,2. 高性能的交流调速系统和伺服系统,矢量控制、直接转矩控制、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，交流电机没有换向器，不受这种限制。 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
3、头、离心机等，都以采用交流调速为宜。,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。,按电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 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速 变压变频调速等,按电动机的转差功率分类,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 转差功率是否增大，是消耗
4、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,转差功率全部都消耗在转子回路中，这类系统的效率最低。 降压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速。 结构简单，设备成本最低。,2.转差功率馈送型调速系统,转差功率的大部分通过转子侧变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多。 效率较高，要增加一些设备。 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速。,3. 转差功率不变型调速系统,转差功率只有转子铜损，且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高。 变极对数调速（有级）、变压变频调速，变压变频调速应用最广，可以构成高动态性
5、能的交流调速系统。 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。,基于稳态模型的异步电动机调速系统,运动控制系统,第 4 章,概 述,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。 调速范围宽，效率高，能实现高动态性能，应用面广。,5.1 异步电动机变压变频调速基本原理,自从电力电
6、子技术兴起以后，常用晶闸管交流调压器。 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。,交流变压调速,晶闸管交流调压器变压调速 TVC双向晶闸管,Y形接法,形接法,控制方式,TVC的变压控制方式,Y形接法,采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆和制动。,可逆和制动控制,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。,异步电动机等效电路,图4-1 异步电动机的T型等效电路,Us,1,Rs,Lls,Llr,Lm,Rr /s,I
7、s,I0,Ir,Lm,参数定义,Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻； Lls、Llr 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； Us、1 定子相电压和电源角频率； s 转差率。,转矩公式,电磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步机械角速度 m1 = 1 / np 式中 np 极对数，异步电机的电磁转矩： 即异步电机的机械特性方程式。,（4-3）,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 （4-4） （4-5）,异步电动机机械特性,当转速或转差率一定
8、时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。 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,n0,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,异步电动机在不同电压下的机械特性,稳定工作点,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。,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
9、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,UsN,0.7UsN,A,B,C,0.5UsN,恒转矩负载特性,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,闭环控制的变压调速系统,普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，用交流力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又会变软。 对于恒转矩负载，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。,1. 系统组成,-,Uc,n,2. 系统静特性,e,T,0,n,n0,TL,UsN,A,A,A,Us min,图5-6b 闭环
10、控制变压调速系统的静特性,U*n3,U*n1,U*n2,系统静特性,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。,变压调速系统的特点,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。 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。,闭环变压调速系统的特点,尽管异步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
11、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。,3. 系统静态结构框图,Ks,n=f(Us，Te),ASR,U*n,Un,Uc,Us,-,-TL,n,异步电机闭环变压调速系统的静态结构框图,静态结构框图,Ks = Us/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 (Us，Te )是式（4-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。,稳态值,稳态时 Un* = Un = n Te = TL 根据负载需要的 n 和TL 计算出或用机械特性图解法求出所需的 U
12、s 以及相应的 Uc。,4.1.2 变压变频调速的基本原理,每极磁通量 m 控制： 磁通量太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； 磁通量过大，铁心饱和，导致励磁电流过大，严重时会因过热而损坏电机。,定子每相电动势,（4-8）,式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的 有效值（V）；,定子频率（Hz）；,定子每相绕组串联匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量（Wb）。,f1,Ns,kNs,m,磁通控制,由式（4-8）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,1. 基频以下调速,保持 m 不变，当频率 f1 从额
13、定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使,常值 （4-9）,即采用恒定电动势频率比的控制方式。,恒压频比的控制方式,绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得 （4-10） 这是恒压频比的控制方式。,低频定子压降补偿,低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些。,带定子压降补偿的恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,2. 基频以上调速,基频以上调速，频率从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最
14、多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。,变压变频控制特性,图4-5 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,调速方式,基频以下，磁通恒定，属于“恒转矩调速”。 基频以上，转速升高时磁通减小，基本上属于“恒功率调速”。,3. 异步电动机电压频率协调控制,恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 基频以上恒压变频时的机械特性,恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性,定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，机械特性方程式 Te= f (s)式：,（4-11）,特性分析,当s很小时，忽略上式分母中
15、含s2各项，则 （4-12） 转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线，见图4-5。,特性分析（续）,当 s 接近于1时，可忽略式（4-11）分母中的Rr ，则,转矩近似与s成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。,机械特性,当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。,sm,图4-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,4.1.3 基频以下电流补偿控制,电压 Us 和频率 1 可以有多种配合: 恒压频比（ Us /1 ） ; 恒 Eg /1 控制 ； 恒 Er /1 控制 。,异步电动机稳态等效电路,1. 恒压频比控制（ Us /1 ）,同步转速随频率变化,转速降落,在机械特性近似直线段上，可以导出,带负载时的转速降落为,机械特性,当 Us /1 为恒值时，对于同一转矩 Te ，s1=n 是基本不变的。 在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行下移，和直流他励电机变压调速时的情况相似。,机械特性,当转矩增大到最大值Temax以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小，,（4-17）,最大转矩 Temax,最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。 频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，以增强带载能力。,
