运动控制系统：第4章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 2)

基于稳态模型的异步电动机调速系统运动运动控制系统控制系统第第2篇篇交流调速系统交流调速系统内容提要内容提要p概述概述p交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型p闭环控制的异步电动机变压调速系统闭环控制的异步电动机变压调速系统转差功率转差功率消耗型消耗型p闭环控制的异步电动机变压变频调速系统闭环控制的异步电动机变压变频调速系统转差转差功率不变型功率不变型p绕线转子异步电机双馈调速系统绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率馈送转差功率馈送型调速系统型调速系统第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统概述概述n直流直流电力拖动和电力拖动和交流交流电力拖动在电力拖动在1919世纪世纪先后诞先后诞生生.在在2020世纪上半世纪上半叶叶，鉴于直流拖动具有优越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的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占机，而约占电力拖动总容量电力拖动总容量80%80%以上以上的不变速的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时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。交流期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系调速系统虽然统虽然早已问世早已问世,并已获得实际应用并已获得实际应用,但其性能但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。却始终无法与直流调速系统相匹敌。第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统n直到直到2020世纪世纪60706070年代，随着电力电子技术的发年代，随着电力电子技术的发展，使得采用展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统电力电子变换器的交流拖动系统得以实现得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控，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制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，打破了交打破了交直流拖动直流拖动按调速性能按调速性能分工的分工的格局。格局。第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统n直流电机直流电机具有具有电刷和电刷和换向器换向器因而必须经常检查维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、修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及以及换向能力换向能力限制了直流电机的限制了直流电机的容量和速度容量和速度等缺等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经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成为当前电力拖动控制的主要发展方向。n近年，在发达国家，在普通和高级的调速系统近年，在发达国家，在普通和高级的调速系统中，中，交流调速交流调速 80%,直流调速直流调速 10%,其他方案其他方案 10%.第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统交流调速系统与直流系统的比较交流调速系统与直流系统的比较n直流机结构复杂，成本高，故障多，需经常维护，特别是换直流机结构复杂，成本高，故障多，需经常维护，特别是换向器的环火问题，限制了电机的容量和速度、安装环境。向器的环火问题，限制了电机的容量和速度、安装环境。交流机特别是异步电机结构简单，成本低，安装环境要求低，交流机特别是异步电机结构简单，成本低，安装环境要求低，适于易燃、易爆、多尘的条件。在大容量、高转速领域发挥适于易燃、易爆、多尘的条件。在大容量、高转速领域发挥优势。如：电力机车，卷扬机，高速电钻等。优势。如：电力机车，卷扬机，高速电钻等。出于性出于性/价比价比(维护、节能维护、节能)：新型家电、新型交通工具等：新型家电、新型交通工具等交流调速系统与直流系统的比较交流调速系统与直流系统的比较第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统交流电机与直流电机的比较交流电机与直流电机的比较第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统4.2 交流电机回顾n交流电机：交流传动将取代直流传动交流电机：交流传动将取代直流传动n交流电机的分类：交流电机的分类：1、异步电机：、异步电机：1）笼型或绕线转子（双馈）笼型或绕线转子（双馈）2）旋转式或直线式）旋转式或直线式 2、同步电机：、同步电机：1）旋转式或直线式）旋转式或直线式 2）同步磁阻式）同步磁阻式 3）绕线励磁式或永磁式等等）绕线励磁式或永磁式等等 3、可变磁阻电机：、可变磁阻电机：1）开关磁阻式）开关磁阻式 2）分级可变磁阻式）分级可变磁阻式 第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统同步电机的主要结构部件同步电机的主要结构部件第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统异步电机的主要结构部件异步电机的主要结构部件第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统与与直流电机的结构比较直流电机的结构比较第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统同步电机和异步电机主要结构部件的对比同步电机和异步电机主要结构部件的对比在交流电机部件中对能量转换起主要作用的部件是：定子铁心：定子铁心：定子绕组：空间上相差定子绕组：空间上相差120度的三相绕组；度的三相绕组；转子：同步电机和异步电机完全不同。转子：同步电机和异步电机完全不同。第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统同步电机和异步电机的转子铁心和转子绕组的简化结构图同步电机和异步电机的转子铁心和转子绕组的简化结构图第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统异步电动机的转子按结构不同可分为异步电动机的转子按结构不同可分为鼠笼型鼠笼型和和绕线型绕线型两种两种第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统三相绕组的简化模型三相绕组的简化模型(以定子绕组为例以定子绕组为例)第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统交流电机绕组的基本作用交流电机绕组的基本作用以定子绕组为例：以定子绕组为例：(1)(1)流入定子电流，建立旋转磁场；流入定子电流，建立旋转磁场；(2)(2)产生感应电动势：无论是定子电流建立的旋转磁产生感应电动势：无论是定子电流建立的旋转磁 场，还是转子磁极的旋转，其磁力线都必然会切场，还是转子磁极的旋转，其磁力线都必然会切 割固定不动的定子绕组割固定不动的定子绕组.第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理n对于转子绕组短路的异步电机：对于转子绕组短路的异步电机：n定子三相对称绕组通以频率为定子三相对称绕组通以频率为f1的三相对称电流，产生转速的三相对称电流，产生转速为同步转速为同步转速 n1=60f1/p 的基波旋转磁场（的基波旋转磁场（p为极对数）为极对数）n转子绕组切割该磁场，产生感应电动势转子绕组切割该磁场，产生感应电动势.由于转子导体两端被由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的电流；感应电动势方向基本一致的电流；n转子载流导体在磁场中受到磁场力的作用（力的方向用左手转子载流导体在磁场中受到磁场力的作用（力的方向用左手定则判定）定则判定），产生电磁转矩；，产生电磁转矩；n电磁转矩使转子以转速电磁转矩使转子以转速n 与旋转磁场同方向旋转，且与旋转磁场同方向旋转，且nn1（否则不能产生拖动性电磁转矩）（否则不能产生拖动性电磁转矩）第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统旋转磁场旋转磁场的产生第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统转差率的概念转差率的概念：异步电机的同步转速异步电机的同步转速 与转子转速与转子转速 之间存在差异，这一之间存在差异，这一差异即代表旋转磁场与转子的相对速度，又称为转差速度。差异即代表旋转磁场与转子的相对速度，又称为转差速度。通常将转差速度与同步转速的比值定义为转差率，即：通常将转差速度与同步转速的比值定义为转差率，即：转差率是反映异步电机运行状态的一个重要物理量转差率是反映异步电机运行状态的一个重要物理量。结论：结论：随着机械负载的增加，转子转速下降，异步电动机的转差率增大。随着机械负载的增加，转子转速下降，异步电动机的转差率增大。第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统转转n用转差率用转差率s表示：表示：交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：主要有三个方面：p一般性能的节能调速一般性能的节能调速 p高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 p特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统一般性一般性能的节能调速能的节能调速 在在过过去去大大量量的的所所谓谓“不不变变速速交交流流拖拖动动”中中,风风机机、水水泵泵等等通通用用机机械械的的容容量量几几乎乎占占工工业业电电力力拖拖动动总总容容量量的的一一半半以以上上,其其中中有有不不少少场场合合并并不不是是不不需需要要调调速速,只只是是因因为为过过去去的的交交流流拖拖动动本本身身不不能能调调速速,不不得得不不依依赖赖挡挡板板和和阀阀门门来来调调节节送送风风和和供供水水的的流流量量,因因而而把把许许多多电电能能白白白白地地浪浪费费了了.如如果果换换成成交交流流调调速速系系统统,把把消消耗耗在在挡挡板板和和阀阀门门上上的的能能量量节节省省下下来来,每每台台风机、水泵平均都可以节约风机、水泵平均都可以节约2030%2030%以上的电能。以上的电能。但但风风机机、水水泵泵的的调调速速范范围围和和对对动动态态快快速速性性的的要要求都不高求都不高,只需要一般的调速性能。只需要一般的调速性能。第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统高性能高性能的交流调速系统和伺服系统的交流调速系统和伺服系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流多用直流拖动拖动，鉴于交流电机比直流电机，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，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，其由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以电磁转矩难以像直像直流电机那样通过流电机那样通过电枢电流电枢电流施行灵活的实时控制。施行灵活的实时控制。第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统 2020世世纪纪7070年年代代初初发发明明了了矢矢量量控控制制技技术术,或或称称磁磁场场定定向向控控制制技技术术,通通过过坐坐标标变变换换,把把交交流流电电机机的的定定子子电电流流分分解解成成转转矩矩分分量量和和励励磁磁分分量量,用用来来分分别别控控制制电电机机的的转转矩矩和和磁磁通通，就就可可以以获获得得和和直直流流电电机机相相仿仿的的高高动动态态性性能能，从从而而使使交交流流电电机机的的调调速速技技术术取取得得了了突突破破性的进展。性的进展。其其后后,又又陆陆续续提提出出了了直直接接转转矩矩控控制制、解解耦耦控控制制等等方方法法,形形成成了了一一系系列列可可以以和和直直流流调调速速系系统统媲媲美美的的高高性能交流调速系统和交流伺服系统性能交流调速系统和交流伺服系统第第2篇篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统特大特大容量、极高转速的交流调速容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的直流电机的换向能力限制了它的容量转速积容量转速积不不超过超过10106 6 kW r/min，超过这一数值时，其设计与超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。制造就非常困难了。交流电机交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷厚板轧机、矿井卷扬机扬机等，以及极高转速的拖动等，以及极高转速的拖动,如如高速磨头、离心高