天津大学 运动控制系统(二)课件 第五章

1、1第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统一种转差功率消耗型调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统2n5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n5.2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理n5.3 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路n5.4 闭环控制的调压调速系统及其静特性闭环控制的调压调速系统及其静特性n5.5 闭环调压调速系统的近似动态结构图闭环调压调速系统的近似动态结构图(*)n5.6 转差功率损耗分析转差功率损耗分析n5.7 降压控制在

2、软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统35.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机异步电动机稳态数学模型稳态数学模型包括异步电动机包括异步电动机稳稳态等值电路态等值电路和和机械特性机械特性，两者既有联系，又，两者既有联系，又有区别。有区别。稳态等值电路稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动描述了在一定的转差率下电动机的机的稳态电气特性稳态电气特性。机械特性机械特性则表征了则表征了转矩转矩与与转差率转差率（或转速）（或转速）的稳态关系。的稳态

3、关系。4异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型与转速相关的基本物理量：与转速相关的基本物理量：同步频率同步频率f1同步转速同步转速n1同步电角速度同步电角速度1同步机械角速度同步机械角速度m1电机转子轴转速电机转子轴转速n电机转子轴电角速度电机转子轴电角速度电机转子机械角速度电机转子机械角速度m转差转差s转差频率转差频率fs转差电角速度转差电角速度s转差机械角速度转差机械角速度msl转差率转差率s与转速与转速n的关系的关系11nnsn1(1)ns n或或 1160pfnn112f11mpnn np p为电动机极对数为电动机极对数 5 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：根据电机学原理，

4、在下述三个假定条件下：n忽略空间和时间谐波忽略空间和时间谐波n忽略磁饱和忽略磁饱和n忽略铁损忽略铁损 异步电机的异步电机的T T型稳态等效电路示于图型稳态等效电路示于图5-35-3。异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型稳态等值电路稳态等值电路6 异步电动机等效电路异步电动机等效电路图图5-3 异步电动机的异步电动机的T型稳态等效电路型稳态等效电路 异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型稳态等值电路稳态等值电路7l 参数定义参数定义异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型稳态等值电路稳态等值电路nRs、Rr定子每相电阻定子每相电阻和折合到定子侧的和折合到定子侧的转子每相电阻转子

5、每相电阻；nLls、Llr定子每相漏感定子每相漏感和折合到定子侧的和折合到定子侧的转子每相漏感转子每相漏感；nLm定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电励磁电感感；nUs、 1定子相电压定子相电压和和供电角频率供电角频率；n s转差率转差率;8l 电流公式电流公式2lr1ls212r1ssrLCLsRCRUImlsm1ls1s11jj1LLLLRC(5-1)式中式中由图可以导出由图可以导出异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型稳态等值电路稳态等值电路9异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路 在一般情况下，在一般情况下，LmLl1，则，

6、则，C1 1 这相当于将上述假这相当于将上述假定条件的第定条件的第条改为忽略铁损和励磁电流条改为忽略铁损和励磁电流。mlsm1ls1s11jj1LLLLRCssr222rs1lslrUIIRRLLs忽略铁损忽略铁损忽略励磁电流忽略励磁电流l 电流简化公式电流简化公式(5-2)异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型稳态等值电路稳态等值电路10l 电磁转矩公式电磁转矩公式电磁功率电磁功率 P Pmm = 3 = 3I Ir r2 2 R Rr r / /s s 同步机械角转速同步机械角转速 m1m1 = = 1 1 / / n np p式中式中 n np p 极对数，则异步电机的电磁转矩为极

7、对数，则异步电机的电磁转矩为2lrls212rs1r2spr2 r1p1mme/33LLsRRsRUnsRInPT(5-3)(5-3) 即异步电机的机械特性方程式。表明，当转速或转差率一即异步电机的机械特性方程式。表明，当转速或转差率一定时，定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比。 异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型机械特性机械特性11l 最大转矩公式最大转矩公式 将式（将式（5-3）对对s求导求导，并令，并令dTe/ds=0，可求出对应，可求出对应于于临界静差率临界静差率和和临界最大转矩临界最大转矩2lrls212rs1r2spe/3LLsRRsRUnT

8、2lrls212srm)(LLRRs2lrls212ss12spmaxe)(23LLRRUnT（5-4）（5-5）异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型机械特性机械特性12将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开2222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn U R sTs RRsR RsLLn U R sLLsR ssR RR异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型机械特性机械特性2lrls212rs1r2spe/3LLsRRsRUnTl 机械特性曲线特点机械特性曲线特点13当当s很小很小时，忽略分母中含时，忽略分母中含s各项各

9、项213psern U sTsR转矩近似与转矩近似与s s成正比，机械特性近似为直线成正比，机械特性近似为直线 异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型机械特性机械特性l 机械特性曲线特点机械特性曲线特点22222221132psrelslrssrrn U R sTLLsR ssR RR 14当当s较大较大时，忽略分母中时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线成反比，机械特性是一段双曲线22221131psreslslrn U RTss RLL异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型机械特性机械特性l 机械特性曲线特点机械特性曲

10、线特点22222221132psrelslrssrrn U R sTLLsR ssR RR15l异步电动机由异步电动机由额定额定电压电压UsN、额定频率额定频率f1N供电，且供电，且无外加无外加电阻和电抗电阻和电抗时的机时的机械特性方程式，称械特性方程式，称作作固有特性固有特性或或自然自然特性特性。异步电动机的机械特性曲线异步电动机的机械特性曲线异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型机械特性机械特性l 机械特性曲线特点机械特性曲线特点16基于异步电动机基于异步电动机稳态数学模型稳态数学模型的的调速方法调速方法n所谓所谓基于稳态数学模型的调速基于稳态数学模型的调速，就是人为地，就是人为地改

11、改变机械特性的参数变机械特性的参数，使电动机的，使电动机的稳定工作点偏稳定工作点偏离固有特性离固有特性，工作在，工作在人为机械特性人为机械特性上，以达到上，以达到调速的目的。调速的目的。2psre222r1s1lslr3/n U RsTRRLLs能够改变的参数可分为能够改变的参数可分为3 3类：类：电动机参数电动机参数电源电压电源电压电源频率（或角频率）电源频率（或角频率）17n5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n5.2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理n5.3 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路n5.4 闭环控制的调压调速系统及其静

12、特性闭环控制的调压调速系统及其静特性n5.5 闭环调压调速系统的近似动态结构图闭环调压调速系统的近似动态结构图(*)n5.6 转差功率损耗分析转差功率损耗分析n5.7 降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统185.2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理l 异步电动机的异步电动机的气隙磁通气隙磁通m气隙磁通气隙磁通m在定子每相绕组中的在定子每相绕组中的感应电势感应电势Eg14.44SgsmNEf N k为了使参考极性与为了使参考极性与电动状态下的实际电动状态下的

13、实际极性相吻合，感应极性相吻合，感应电动势采用电压降电动势采用电压降的表示方法，由高的表示方法，由高电平指向低电平电平指向低电平Ns定子每相绕组串联匝数定子每相绕组串联匝数kNs定子基波绕组系数定子基波绕组系数19l忽略忽略定子绕组定子绕组电阻电阻和和漏磁感抗压降漏磁感抗压降14.44SsgsmNUEf N kl可知，当可知，当f1等于常数时等于常数时11/mgsEfUfl为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 20l调压调速原理：调压调速原理：n保持保持电源频率为电源频率为额定频率额定频率，只，只改变定子电改变定子电压压的调速方法称作的

14、调速方法称作调压调速调压调速。n由于由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定，定子电压子电压只能降低只能降低，不能升高，故又称作，不能升高，故又称作降降压调速压调速。21l调压调速的基本特征：调压调速的基本特征：n电动机同步转速保持额定值不变电动机同步转速保持额定值不变 n气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速弱磁调速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k2222222113psresrlslrn U R sTsRRsLLnUs可调可调n电磁转矩电磁转矩Te与定子电压的平方成正比与定子电压的平方成正比n理想

15、空载转速理想空载转速n0保持为同步转速保持为同步转速n1N不变不变n临界转差率临界转差率Sm保持不变保持不变n临界转矩临界转矩Tem随定子电压的减小而成平方比地下降随定子电压的减小而成平方比地下降l调压调速的机械特性调压调速的机械特性 2221()rmslslrRsRLL01Nnn22221132()psemsslslrn UTRRLL23TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机、泵类负载特性风机、泵类负载特性恒转矩负载特性恒转矩负载特性图图5-4 异步电动机在不同电压下的机械特性异步电动机在不同电压下的机械特性2lrls212rs1r2spe/3LLsRR

16、sRUnT不同电压下的机械特性如图不同电压下的机械特性如图5-4所示，所示，UsN表示额定定子电压。表示额定定子电压。l调压调速的机械特性调压调速的机械特性 n带带恒转矩负载恒转矩负载运行时，普运行时，普通笼型异步电机变电压时的通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为稳定工作点为 A、B、C，降压调速时的降压调速时的稳定工作范围稳定工作范围 0ssm ，调速范围有限。，调速范围有限。n带带风机类负载风机类负载运行，则稳运行，则稳定工作点为定工作点为D、E、F，调调速范围稍大一些速范围稍大一些。2411LmmLpTPTn由于由于1和和TL均为常数均为常数 ，故，故Pm恒定不变与转速无关恒定不变与转速

17、无关l调压调速调压调速属于属于转差功率消耗转差功率消耗型（型（恒转矩负载恒转矩负载）n转差功率随着转差率的加大而增加。转差功率随着转差率的加大而增加。1 LsmmLpTPsPsTsnn考虑考虑恒转矩负载恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率工作时，定子侧输入的电磁功率带带恒转矩负载恒转矩负载的的降压调速降压调速是靠是靠增大转差功率增大转差功率、减小减小输出功率输出功率来换取来换取转速的降低转速的降低。增加的增加的转差功率转差功率全部全部消耗在转子电阻消耗在转子电阻上，这就是上，这就是转转差功率消耗型差功率消耗型的由来。的由来。25l交流力矩电动机交流力矩电动机增加转子电阻值增加转子电阻值，临临

18、界转差率加大界转差率加大，可以，可以扩大扩大恒转矩负载恒转矩负载下的下的调速范围调速范围，并使电机并使电机能在较低转速下运行能在较低转速下运行而不致过热，而不致过热，这种高这种高转子电阻电动机又称转子电阻电动机又称作作交流力矩电动机交流力矩电动机。2221()rmslslrRsRLLUsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性恒转矩负载特性n0Te0s,n10图图5-5 交流力矩电动机在不同电压下的机械特性交流力矩电动机在不同电压下的机械特性优点：调压调速范围增大，堵转工作也不致烧坏电机优点：调压调速范围增大，堵转工作也不致烧坏电机缺点：机械特性较软缺点：机械特性较软26n5.1 异

19、步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n5.2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理n5.3 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路n5.4 闭环控制的调压调速系统及其静特性闭环控制的调压调速系统及其静特性n5.5 闭环调压调速系统的近似动态结构图闭环调压调速系统的近似动态结构图(*)n5.6 转差功率损耗分析转差功率损耗分析n5.7 降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统27调压调速调压调速是异步电机调速方法中比较简是异步电机调速

20、方法中比较简便的一种。便的一种。因此，因此，改变定子外加电压就可以改变机改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系械特性的函数关系，从而改变电机在一，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。定负载转矩下的转速。5.3 异步电动机调压调速的主电路异步电动机调压调速的主电路28l 改变交流电压的方法改变交流电压的方法过去改变交流电压的方法多用过去改变交流电压的方法多用自耦变压器自耦变压器或带直流磁化绕组的或带直流磁化绕组的饱和电抗器饱和电抗器，自从电，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被磁装置就被晶闸管交流调压器晶闸管交流调压器取代了。取代了。目前

21、，交流调压器一般用目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并三对晶闸管反并联联或或三个双向晶闸管分别串接三个双向晶闸管分别串接在三相电路在三相电路中，主电路接法有多种方案，用中，主电路接法有多种方案，用相位控制相位控制改变输出电压。改变输出电压。29l 交流调压器的负载接法交流调压器的负载接法a) a) Y Y形接法形接法0 0负载负载a ab bc cu ua au ub bu uc ci ia aU Ua0a0VTVT1 1VTVT2 2VTVT3 3b) b) 形接法形接法i ia a负载负载a ab bc cu ua au ub bu uc c30l 交流变压调速系统可控电源交流变压调速系统

22、可控电源TVCTVC双向晶闸双向晶闸管交流调压器管交流调压器 不可逆电路不可逆电路可逆电路可逆电路31电路结构电路结构：采用采用TVCTVC晶闸管晶闸管反并联供电方式，反并联供电方式，实现异步电动机可实现异步电动机可逆和制动。逆和制动。采用采用TVC晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路 l 可逆控制可逆控制反向运行方式反向运行方式图图5-25-2所示为采用晶所示为采用晶闸管反并联的异步闸管反并联的异步电动机可逆和制动电动机可逆和制动电路，其中，晶闸电路，其中，晶闸管管 1616控制电动控制电动机正转运行，反转机正转运行，反转时，可由晶闸管时，可由晶闸管

23、1 1，4 4 和和 710 710 提供逆提供逆相序电源，同时也相序电源，同时也可用于反接制动。可用于反接制动。制动运行方式制动运行方式 当当需要能耗制动时，可需要能耗制动时，可以根据制动电路的要以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如不对称地工作，例如让让 1 1，2 2，6 6 三个器三个器件导通，其余均关断，件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流就可使定子绕组中流过半波直流电流，对过半波直流电流，对旋转着的电动机转子旋转着的电动机转子产生制动作用。必要产生制动作用。必要时，还可以在制动电时，还可以在制动电路中串入电阻以限制路中串入电阻以限制制动电流。制动

24、电流。32n5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n5.2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理n5.3 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路n5.4 闭环控制的调压调速系统及其静特性闭环控制的调压调速系统及其静特性n5.5 闭环调压调速系统的近似动态结构图闭环调压调速系统的近似动态结构图(*)n5.6 转差功率损耗分析转差功率损耗分析n5.7 降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统335.4 闭环控制的变压调速系统及其

25、静特性闭环控制的变压调速系统及其静特性n开环控制存在的问题开环控制存在的问题：采用采用普通异步电机普通异步电机的变电压调速时，的变电压调速时，调速范围很窄调速范围很窄，采用高，采用高转子电阻的转子电阻的交流力矩电机交流力矩电机可以增大调速范可以增大调速范围，但围，但机械特性变软机械特性变软，因而当负载变化时，因而当负载变化时静差率很大静差率很大（见图（见图5-55-5），开环控制很难解），开环控制很难解决这个矛盾。决这个矛盾。n解决途径解决途径：为此，对于恒转矩性质的负载，为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围要求调速范围DD大于大于2 2时，往往采用时，往往采用带转速带转速反馈的闭环控制系

26、统反馈的闭环控制系统（见图（见图5-6a5-6a）。）。341. 闭环系统的组成闭环系统的组成图图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRASRU U* *n n+ +- -U Un nGTGT+ +MM33TGTGa) 原理图原理图 - U Uc cn n352. 闭环系统的静特性（闭环系统的静特性（A-AA)eT0nn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性恒转矩负载特性U*n3U*n1U*n2b) b) 静特性静特性图图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统n当系统带负载在当系统带负载在

27、A 点点稳定运行时稳定运行时，如果，如果负载负载增大增大引起引起转速下降转速下降，反反馈控制馈控制作用能作用能提高定子提高定子电压电压，从而在右边一条，从而在右边一条机械特性上找到机械特性上找到新的工新的工作点作点 A 。n同理，当同理，当负载降低负载降低时，时，会在左边一条特性上得会在左边一条特性上得到定子电压低一些的到定子电压低一些的新新工作点工作点 A 。n按照反馈控制规律，按照反馈控制规律，将将A 、A、A 连接起来连接起来便是便是闭环系统的静特性闭环系统的静特性。36虽然虽然异步电机异步电机和和直流电机直流电机的的开环特性开环特性差别很大差别很大，但，但是在不同电压的开环机械是在不同

28、电压的开环机械特性上各取一个相应的工特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到作点，连接起来便得到闭闭环系统静特性环系统静特性，这样的，这样的分分析方法析方法对两种电机是对两种电机是完全完全一致一致的。的。尽管尽管交流力矩电机交流力矩电机的的机械特性很软机械特性很软，但由系统放大，但由系统放大系数决定的系数决定的闭环系统静特性闭环系统静特性却可以却可以很硬很硬。如果采用如果采用PI调节器调节器，可以做到，可以做到无静差无静差。改变给定信。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。373. 闭环调速系统的特点闭环调速系统的特点异步电机异步电

29、机闭环变压调速系统不同于闭环变压调速系统不同于直流电机直流电机闭环变闭环变压调速系统的地方是：压调速系统的地方是：n静特性左右静特性左右两边都有极限两边都有极限，不能无限延长，它们，不能无限延长，它们是是额定电压额定电压 UsN 下的机械特性和下的机械特性和最小输出电压最小输出电压Usmin下的机械特性。下的机械特性。n当负载变化时，如果当负载变化时，如果电压调节到极限值电压调节到极限值，闭环系，闭环系统便统便失去控制能力失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。环特性变化。384. 系统静态结框构系统静态结框构 根据图根据图5-6a所示原理图，可所示原理

30、图，可以画出静态结构框图以画出静态结构框图(图图5-7)。图图5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态结构框图异步电机闭环变压调速系统的静态结构框图 图图5-6a 异步电机闭环调压异步电机闭环调压调速系统的原理图调速系统的原理图39图中：图中：nKs=Us/Uc为晶闸管为晶闸管交流调压器交流调压器和和触发装置触发装置的的放大系放大系数数；n = Un/n 为为转速反馈系数转速反馈系数；nASR采用采用PI调节器；调节器；nn =f (Us, Te )是异步电机是异步电机机械特性机械特性方程式方程式（5-3），它是一个非线性函数。它是一个非线性函数。 K Ks sn=fn=f( (U Us s，T

31、 Te e) ) ASRASRU U* *n nU Un nU Uc cU Us s- -T-TL Ln n稳态时稳态时 Un* = Un = n; Te = TL根据负载需要的根据负载需要的 n 和和TL 可由式（可由式（5-3）计算出或用）计算出或用机械特性图解法求出所需的机械特性图解法求出所需的 Us 以及相应的以及相应的 Uc。40n5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n5.2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理n5.3 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路n5.4 闭环控制的调压调速系统及其静特性闭环控制的调压调速系统及其静特性n

32、5.5 闭环调压调速系统的近似动态结构图闭环调压调速系统的近似动态结构图(*)n5.6 转差功率损耗分析转差功率损耗分析n5.7 降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统415.5 闭环变压调速系统的近似动态结构框图闭环变压调速系统的近似动态结构框图对系统进行动态分析和设计时，须先对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构框图。绘出动态结构框图。由静态结构图可以得到动态结构框图由静态结构图可以得到动态结构框图。其中有些环节的传递函数可以直接写其中有些环节的传递函数可以直

33、接写出来，只有异步电机传递函数的推导出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。须费一番周折。42n 系统动态结构图系统动态结构图图图5-8 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图WWFBSFBS( (s s) ) U U* *n n( (s s) )U Un n( (s s) )U Uc c ( (s s) )- -n n( (s s) )WWASRASR( (s s) )WWGT-VGT-V ( (s s) )WWMAMA ( (s s) )U Us s( (s s) )图图5-6a 异步电机闭环调压异步电机闭环调压调速系统的原理图调速系统的原理

34、图图图5-7 异步电机闭环变压调速系统异步电机闭环变压调速系统的静态结构框图的静态结构框图 MA异步电机异步电机 FBS测速反馈环节测速反馈环节43ssKsWnnnASR1)(WWFBSFBS( (s s) ) U U* *n n( (s s) )U Un n( (s s) )U Uc c ( (s s) )- -n n( (s s) )WWASRASR( (s s) )WWGT-VGT-V ( (s s) )WWMAMA ( (s s) )U Us s( (s s) )n转速调节器转速调节器ASR转速调节器转速调节器ASR常用常用PI调节器调节器，用以，用以消除静差消除静差并改善并改善动态性

35、能，其传递函数为动态性能，其传递函数为44输入输入-输出关系原则上是输出关系原则上是非线性非线性的，的，在一定范围内可假定在一定范围内可假定为线性函数为线性函数，在动态中可以，在动态中可以近似成一阶惯性环节近似成一阶惯性环节，正如，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。对于对于三相全波三相全波Y联结联结调压电路，可取调压电路，可取Ts = 3.3ms。对其他。对其他型式的调压电路则须另行考虑。型式的调压电路则须另行考虑。WWFBSFBS( (s s) ) U U* *n n( (s s) )U Un n( (s s) )U Uc c ( (s

36、s) )- -n n( (s s) )WWASRASR( (s s) )WWGT-VGT-V ( (s s) )WWMAMA ( (s s) )U Us s( (s s) )n晶闸管交流调压器和触发装置晶闸管交流调压器和触发装置1)(ssVGTsTKsW其近似条件是其近似条件是sc31T451)(onFBSsTsWWWFBSFBS( (s s) ) U U* *n n( (s s) )U Un n( (s s) )U Uc c ( (s s) )- -n n( (s s) )WWASRASR( (s s) )WWGT-VGT-V ( (s s) )WWMAMA ( (s s) )U Us s(

37、 (s s) )n 测速反馈环节测速反馈环节考虑到考虑到反馈滤波反馈滤波作用，测速反馈环节作用，测速反馈环节FBS的传递函数的传递函数可写成可写成46WWFBSFBS( (s s) ) U U* *n n( (s s) )U Un n( (s s) )U Uc c ( (s s) )- -n n( (s s) )WWASRASR( (s s) )WWGT-VGT-V ( (s s) )WWMAMA ( (s s) )U Us s( (s s) )n 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的线性化异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传

38、递函数来准确地表示它的输入输出的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。关系是不可能的。可以在可以在一定的假定条件一定的假定条件下，用下，用稳态工作点附近稳态工作点附近的的微微偏线性化方法偏线性化方法求出其近似的传递函数。求出其近似的传递函数。47电磁转矩电磁转矩2lrls212rs1r2spe)()(/3LLsRRsRUnT当当 s 很小时，可以认为很小时，可以认为（5-3）后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性，后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性，得到得到异步电机近似的线性机械特性异步电机近似的线性机械特性sURnT2sr1pe3n 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的

39、线性化（1）异步电机近似的线性机械特性）异步电机近似的线性机械特性48A2sAr1peA3sURnTsURnT2sr1pe3在在A点附近点附近有有微小偏差微小偏差时，时，Te= TeA+ Te ，Us = UsA + Us ，s = sA + s，代入式（，代入式（5-6）得）得设设A为近似线性机械特性上的一个为近似线性机械特性上的一个稳态工作点稳态工作点，则在，则在A点点上上（5-7）)()(3A2ssAr1peeAssUURnTT)2(32sAsAsAA2sAr1peeAsUUsUsURnTT将上式展开，并将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则，则（

40、5-8）n 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的线性化（2）稳态工作点的计算）稳态工作点的计算49从式（从式（5-8）中减去式（）中减去式（5-7），得），得 )2(32sAsAsAr1pesUUsURnT1s11s（5-95-9）(5-10)(5-10)根据转差率根据转差率)2(312sAsAsAr1peUUsURnT此即在稳态工作点附近微偏量此即在稳态工作点附近微偏量 Te与与 Us和和 间的关系间的关系n 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的线性化（3）线性机械特性的偏微线性化）线性机械特性的偏微线性化 1: 同步角转速同步角转速 : 转子角转速转子角转速可得可得代入（代入（5-95

41、-9），得），得(5-11)(5-11)50tnJTTddpLetnJTTd)(dpLen 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的线性化（4）异步电动机的微偏量运动方程）异步电动机的微偏量运动方程带恒转矩负载时电力拖动系统的带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式运动方程式为为按上面相同的方法处理，可得在按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点稳态工作点A附近附近的的微偏量运动方程式微偏量运动方程式为为(5-12)(5-12)51n 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的线性化（5）近似动态结构框图）近似动态结构框图将式将式（5-11）和和（5-12）的微偏量关系画在一起，的微偏量关系画在一起，即

42、得即得异步电机异步电机在在忽略电磁惯性忽略电磁惯性时的时的微偏线性化动态微偏线性化动态结构图结构图，如，如图图5-9所示。所示。3 3n np p 1 1RRr r2 2U UsAsAs sA A3 3n np pU U 2 2sAsA s s2 2 RRr rn np p Js Js U Us s T Te e T TL L + +- - -图图5-9 异步电机微偏线性化的近似动态结构框图（忽略电磁惯性）异步电机微偏线性化的近似动态结构框图（忽略电磁惯性） 2psAesAAs1r13(2)nUTU sUReLpd()dJTTnt52如果只考虑如果只考虑 Us到到 之间的之间的传递函数传递函数

43、，可先取，可先取 TL=0，图，图5-9中中小闭环小闭环的的传递函数传递函数可变换成可变换成r212sApppr2s2sApp3131RUnsnJJsnRUnJsn3 3n np p 1 1RRr r2 2U UsAsAs sA A3 3n np pU U 2 2sAsA s s2 2 RRr rn np p Js Js U Us s T Te e T TL L + +- - -图图5-95-9531132323)()()(mMA2sA2pr21sA1Ar212sAppAsAr1psMAsTKsUnRJUsRUnsnJsURnsUssW（6）异步电机的近似线性化传递函数）异步电机的近似线性化传

44、递函数n 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的线性化3 3n np p 1 1RRr r2 2U UsAsAs sA A3 3n np pU U 2 2sAsA s s2 2 RRr rn np p Js Js U Us s T Te e T TL L + +- - -图图5-95-954式中式中KMA 异步电机的异步电机的传递系数传递系数Tm 异步电机拖动系统的异步电机拖动系统的机电时间常数机电时间常数 sAA1sA1AMA)(22UUsK2sA2pr21m3 UnRJT1)(mMAMAsTKsWn 异步电动机环节的线性化异步电动机环节的线性化（6）异步电机的近似线性化传递函数）异步电机的

45、近似线性化传递函数(5-13)(5-13)由于由于忽略电磁惯性忽略电磁惯性，只，只剩下剩下同轴旋转体的同轴旋转体的机电惯性机电惯性，异步电机便异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节近似成一个线性的一阶惯性环节。55把得到的四个传递函数式写入图把得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，即中各方框内，即得得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构框图。构框图。n 异步电机变压调速系统微偏线性化的异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构框图近似动态结构框图ASRnn1( )nsWsKssGT Vs( )1KWsT sMAMAm( )1KWsT s

46、FBSon( )1WsT s56 最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构框图时要注意下述两点：框图时要注意下述两点：由于它是由于它是偏微线性化模型偏微线性化模型，只能，只能用于用于机械特性线机械特性线性段上工作点附近性段上工作点附近的的稳定性判别稳定性判别和和动态校正动态校正，不不适用适用于于起制动起制动时时转速大范围变化转速大范围变化的的动态响应动态响应。由于它完全由于它完全忽略了电磁惯性忽略了电磁惯性，分析与计算有很大，分析与计算有很大的的近似性近似性。ASRnn1( )nsWsKssGT Vs( )1KWsT sMAMAm( )1KWsT s

47、FBSon( )1WsT s57n5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n5.2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理n5.3 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路n5.4 闭环控制的调压调速系统及其静特性闭环控制的调压调速系统及其静特性n5.5 闭环调压调速系统的近似动态结构图闭环调压调速系统的近似动态结构图(*)n5.6 转差功率损耗分析转差功率损耗分析n5.7 降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统585.6 转差

48、功率损耗分析转差功率损耗分析 转差功率损耗转差功率损耗与系统的与系统的调速范围调速范围和所带和所带负载负载的性质的性质都有密切的关系。都有密切的关系。59C为常数为常数2, 1, 0对应对应恒转矩负载恒转矩负载与转速成正比的负载与转速成正比的负载与转速平方成正比的负与转速平方成正比的负载（风机泵类负载）载（风机泵类负载）n异步机的电磁功率：异步机的电磁功率：n不同性质的负载转矩可近似表示为：不同性质的负载转矩可近似表示为：60定义定义转差功率损耗系数转差功率损耗系数为为 ，可导出，可导出)1 (max2ssPPs转差功率转差功率输出机械功率输出机械功率（5-15）代入（）代入（5-14）（5-

49、16）是标志转差功率损）是标志转差功率损耗大小的指标。耗大小的指标。61)1 (max2ssPPs对于对于恒转矩负载恒转矩负载，=0，转，转差功率损耗系数差功率损耗系数与与s成正比成正比，调速越深损耗越大调速越深损耗越大。当当=1或或=2 时，在时，在s=0和和s=1处都有处都有=0，而在，而在当中的某一当中的某一s值处值处最大。最大。11ms(5-17)(5-17)最大转差功率损耗系数为最大转差功率损耗系数为max11(5-18)(5-18)62结论结论n =0对于对于恒转矩恒转矩负载负载, 与与s 成正比成正比，转速越低转速越低时，时，转差转差功率损耗越大功率损耗越大，因此，因此，变压变压

50、调速不宜长期在低速工作调速不宜长期在低速工作。n =1对于对于转矩与转速成正比转矩与转速成正比的负载，当的负载，当s=0.5时，转差功时，转差功率 损 耗 最 大 ， 其 值 为率 损 耗 最 大 ， 其 值 为 max=0.25 。n =2对于对于风机泵类风机泵类负载，当负载，当s = 0 . 3 3 时 ， 最 大 值 只 有时 ， 最 大 值 只 有 max=0.148，在在s=01区间，区间， 值都较小。值都较小。变压调速对风机泵类负载比较适宜。变压调速对风机泵类负载比较适宜。63n5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n5.2 异步电动机调压调速原理

51、异步电动机调压调速原理n5.3 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路n5.4 闭环控制的调压调速系统及其静特性闭环控制的调压调速系统及其静特性n5.5 闭环调压调速系统的近似动态结构图闭环调压调速系统的近似动态结构图n5.6 转差功率损耗分析转差功率损耗分析n5.7 降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用第五章第五章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统645.7 变压控制在软起动器变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用和轻载降压节能运行中的应用 除了除了调速调速系统以外，异步电动机的系统以外，异步电动机

52、的变压控制变压控制在在软起动器软起动器和和轻载降压节能轻载降压节能运运行中也得到了广泛的应用。行中也得到了广泛的应用。 本节主要介绍它们的基本原理，关本节主要介绍它们的基本原理，关于其运行中的一些具体问题可参看参考于其运行中的一些具体问题可参看参考文献文献42，43，44。651 1 软起动器软起动器n起动电流问题起动电流问题常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。且性能良好，运行可靠。对于对于小容量电动机小容量电动机，只要，只要供电网络和变压器供电网络和变压器的的容容量足够大量足够大（一般要求比电机容量大（一般要求比电机容量大

53、4倍以上），倍以上），而而供电线路并不太长供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压（起动电流造成的瞬时电压降落低于降落低于10%15%），可以直接通电起动，操），可以直接通电起动，操作也很简便。作也很简便。对于对于容量大一些的容量大一些的电动机，问题就不这么简单了。电动机，问题就不这么简单了。 66n 起动电流和起动转矩分析起动电流和起动转矩分析 在式在式（5-2）和式和式（5-3）中已导出异步电动机的中已导出异步电动机的电流和转矩方程式，起动时电流和转矩方程式，起动时，s=1，起动电流起动电流和和起动起动转矩转矩分别为分别为2lrls212rs1r2spe)()(/3LLsRRsRUnT2l

54、rls212rssrstsstLLRRUII2lrls212rs1r2spest3LLRRRUnT（5-195-19） （5-205-20） 由上述二式不难看出，在一般情况下，三相异步电动由上述二式不难看出，在一般情况下，三相异步电动机的机的起动电流比较大起动电流比较大，而，而起动转矩并不大起动转矩并不大。2lrls212rssrsLLsRRUII67对于对于一般的笼型电动机一般的笼型电动机，74sNsstIIIK3 . 19 . 0eNestTTTK起动电流倍数起动电流倍数 起动转矩倍数起动转矩倍数 n 起动电流和起动转矩分析起动电流和起动转矩分析中、大容量电动机中、大容量电动机的的起动电流

55、大起动电流大，会使，会使电网压降电网压降过大过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至使该，影响其他用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本电动机本身根本起动不起来起动不起来。这时，必须采取措。这时，必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动降压起动。68n 降压起动的矛盾降压起动的矛盾由式（由式（5-19）可知，当）可知，当电压降低电压降低时，时，起动电流起动电流将随将随电压成电压成正比地降低正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的，从而可以避开起动电流冲击的高峰。高峰。但是，式（但是，式（5-20）又表明，）又表明，起动转矩起动转矩与电压的与电压的平方平

56、方成正比成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时又会出现降压起动时又会出现起动转矩够不够起动转矩够不够的问题。的问题。 2lrls212rssrstsstLLRRUII2lrls212rs1r2spest3LLRRRUnT为了避免这个麻烦，为了避免这个麻烦，降压起动降压起动只适用于中、大容量只适用于中、大容量电动机电动机空载（或轻载）起动空载（或轻载）起动的场合的场合69n 传统的降压起动方法传统的降压起动方法 传统的降压起动方法有：传统的降压起动方法有： 星星-三角（三角（Y-）起动）起动定子串电阻或电抗起动定子串电阻或电抗起动自耦变压器（

57、又称起动补偿器）降压起动自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动 它们都是它们都是一级降压起动一级降压起动，起动过程中起动过程中电流电流有有两次冲击两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，其幅值都比直接起动电流低，而起动过程时间略长，如而起动过程时间略长，如图图5-12所示。所示。 70n 三种起动过程的电流比较三种起动过程的电流比较sNsII图图5-12 异步电动机的异步电动机的起动过程与电流冲击起动过程与电流冲击一级降压起动 软起动器 直接起动71n 软起动方法软起动方法现代现代带电流闭环带电流闭环的的电子控制软起动器电子控制软起动器可以可以限制起动电流并限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流

58、自动衰减下来保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图（图5-12中中曲线曲线c），起动时间也短于一级降压起动。），起动时间也短于一级降压起动。主电路采用主电路采用晶闸管交流调压器晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压，用连续地改变其输出电压来保证来保证恒流起动恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。以免晶闸管不必要地长期工作。sNsII一级降压起动 软起动器 直接起动72n视起动时所带负载的大小，视起动时所带负载的大小，起动电流可在起动电流可在 (0.54) IsN 之间调整之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动不宜于满载起动。n负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时负载