毕业论文--喂料电动机调压调速系统控制电路的设计3

1、木文通过对交流电动机调压调速控制系统的研宄，找出了一种较合适的方 法一一三相全波y型连接法，用于对调速精确度要求不高的电机调速系统中， 实现调压调速。近年来，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而交 流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。它广泛应用于 风机、水泵等工厂自动化设备中。一个交流电动机可以是泵或风扇的一部分， 或者可连接到卷扬机、传送机或搅拌机等其他机械设备。交流电动机可以被广 泛应用到需要一台或多台电动机的场合。随着现代化生产规模的不断扩大，各 个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研 究并制造高性能、高可靠性的交流电机

2、控制系统有着十分重要的现实意义。能 够简化系统构成、降低系统成木、增强系统性能、满足更多应用场合的需要， 宥效地提高了系统的可靠性和实用性。在交流电动机调压调速控制系统中，电动机的运行发生了很大的变化，根 据交流调压调速控制系统的特点和应用要求，设计出了喂料电动机调压调速控 制系统，并设计出了控制电路中的同步环节和电源供电环节，三相全波y型双 闭环回路控制系统。使得调速系统更加安全可靠，从而达到调压调速的目的。关键词：交流电动机；调压控制；调速控制abstractthis paper based on the ac motor speed control system of regulatin

3、g, finding a more appropriate way - three-phase total y connection method is used to control accuracy requirement of high speed regulation system of motor，realizeing the voltage 13.in recent years,ac control systems have been widely used and developed in every aspect of life.as the artery in the are

4、a of electric drive systems，ac drivers become more and more important in modem production. ac motors are widely used on the fan，such as pump factory automation equipment. an ac motors can be part of the pump or fan，or can be connected to hoist，transmission machine or blender and other mechanical equ

5、ipment. ac motors can be widely applied to one or more motors. as the scale of production becomes larger and larger the demand and requirements become higher and higher,so the research on improving the dc controlling system behavior has important sense.lt can simplify system structure,reduce the cos

6、t of system,strengthen the system performance，meet more applications, effectively improve the system reliability and practicability1141.in ac motor speed control system,regulating the motor running produced very big change,according to the ac voltage control system characteristics and application re

7、quirements,design a feeding motor voltage control systemand designed the synchronization control circuit and power supply,three-phase total y double closed loop circuit control system. makes more reliable speed system,thus achieved the purpose of regulating speed15.keywords: ac motor； pressure contr

8、ol； speed controlabstractiihuw11乂當"v匕21.1弓i胃21.1.1直流调速系统21.1.2交流调速系统21.2交流调速系统的发展31.3交流调速控制理论51.4研宄交流调速系统的意义71.5本文所做的主要工作8第2章交流调压调速控制系统的方案比较92.1工作原理92.21*丰勾会, j 牛勾f3匕92.3总体方案设计112.4系统的选型112.4.1交流电动机的选型112.4.2调节器的选型122.5设计方案的比较、确定12第3章交流调压调速的系统设计133.1异步电动机调压调速电路133.2异步电动机改变电压时的机械特性143.3闭环控制的调压调速

9、系统及其静特性163.4闭环调压调速系统的近似动态结构框图183.5转差功率损耗分析223.6调压控制在软启动器和轻载降压节能运行中的应用253.6.1软启动器253.6.2轻载降压节能运行283.7喂料电动机调压调速系统控制电路的设计293.7.1主电路的设计293.7.2控制电路的设计323.7.3触发电路的设计3 j 4 t "v匕j j.4.1工作总结4.2研究与展望.33.38.38.38.39.405女i射随着电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，在大功率调 速传动领域已山现交流传动取代直流传动的趋势。对于大容量生产机械，如乳 钢机、矿井提升机、船舶推进以及牵

10、引传动，交流电动机调速传动不仅具有与 直流传动同样优越的调速性能，还具有电路结构简单、电动机运行时稳定、负 载上的电压谐波分量小、系统响应快、维护简单和可靠性高等优点。由于交流调速电动机具有上述优点，国内外工业界在大容量调速传动中已 陆续釆用并推广这一技术。冶金行业乳机主传动已普遍釆用交流调速传动，并 取得了明显的经济效益。煤炭与有色金属行业也将该系统用于矿井提升机传动。 国家重点发展的油气输送压缩机调速传动、船舶电力推进、高速磁悬浮直线电 机牵引供电等大型调速传动装备也采用交流调压调速传动。木论文设计的系统以三相全波y型连接为控制核心，通过电压调节器和速 度调节器实现交流电动机调压调速控制的

11、性能。电源通过电压调节器和速度调 节器输送电压到同步环节，同步环节中的二次侧带中心抽头的双绕组变压器与 正向全波整流电路经并联后输出正向电压，供给放大电路，再经过电子滤波器 输出正向稳定电压；二次侧带中心抽头的双绕组变压器与负向全波整流电路作 三相全波y型连接的同步信号，经电子稳压器vt2输出的电压作为偏移电压， 输送给三相全波y型触发电路。木设计釆用模块化设计思想，进行了主电路设计，对控制电路以及触发电 路进行分析，说明各模块的功能，实现了各部分功能。第1章绪论1.1引言电气传动是现代最主要的机电能量变化形式之一。在当今社会中广泛使用 着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求:如车

12、辆、电梯、机床、 造纸机械等等。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风 机、水泵等进行控制。为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速。 电动机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。 各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。按照电机的型式， 调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统。而在交流调速系统中，又可分 为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。可以说，目前己形成了直流电 动机、异步电动机和同步电动机三大调速系列。1.1.1直流调速系统直流调速系统具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许 多需要调速或快速正反向的电力拖动

13、领域中得到了广泛的应用。近年来，高性 能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直 流调速系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制角度来看，它又是 交流调速控制系统的基础。因此，还是应该很好的掌握直流调速控制系统。直流调速系统的变流方式及控制方法简单，调速性能好，长期以来在调速 传动中占统治地位。数字化集成电路尤其是微处理器的广泛应用，使调速系统 的参数调整由硬件变成了软件，调整pid参数甚至自寻最优都变得非常方便， 实现了模拟控制中无法实现的各种复杂控制要求以及故障监视、保护功能、自 诊断功能。1.1.2交流调速系统直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。

14、在20世纪上半叶，鉴 于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都釆用直流电动机，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动机，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，使高性能交 流调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时, 直流电动机和交流电动机相比的缺点tl益显露出来，例如，具有电刷和换向器 因而必须

15、经常经常维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了 直流电动机的容量和速度等等。于是，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。交流电动机结构简单、坚固耐用、维护工作量小、运行效率高、电动机运 行时稳定、负载上的电压谐波分量小、系统响应快、维护简单和可靠性高等特 点。70年代出现的矢量控制，实现了交流电动机高性能的转速闭环控制，其静、 动态性能完全可与直流调速系统相媲美，另外，串级调速和双反馈电动机调速 在性能上也有所提高，适合于转速范围不太宽的场合。1.2交流调速系统的发展随着我国交流电动机市场的迅猛发展，与之相关的核

16、心生产技术应用与研 发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外交流电动机生产核心技术的研发 动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争 力十分关键。我国虽然是中小电机的生产大国，但与工业发达国家相比，不管 从电机的可靠性还是性能指标仍有较大的差距，如工业用微型直流电机，岡外 可以做到2000小时以上，我国平均是1000小时。国外无刷直流电机的效率可 以做到80%，我国一般生产厂家只能达到6070%。这主要是由于我国电子技术 还落后于发达国家，投入不足和人才短缺。展望未来，电机产品在国内市场的有效需求会保持稳定增长：电力、汽车、 家电等消费行业的快速发展，以及它们技术的进

17、步、产品的快速更新换代将扩 大电机行业的需求空间;另一方面国际市场电机需求量处于高增长阶段，尤其是 中小型电机产品，出u量及产品档次将逐步提高。我国电动机总装机容量约5.8 亿千瓦，占我国总耗电量的6070%。其中，交流电动机占90%左右。交流电动 机在电机市场上应用比重相当的大，市场相当的广阔。我国交流电动机在岡内 的市场容量相当的大，国内电网建设和改造加快了我国电工行业各个环节的快 速发展。国际交流调速系统的发展使交流电机能够克服直流电机固有的缺点，人们 一直想以交流调速代替直流调速。30年代就有人提出有关理论，到60年代随着 电力电子技术的发展，才使交流调速得以迅速发展。它的调速性能己可

18、与直流 调速系统的性能相媲美。有取代直流调速系统的趋势，从而将进入交流调速系 统的时代。在国内外受到人们的极大重视。交流调速系统可采用许多不同的交 流调速方法，如调压调速、串级调速、变频调速等11。现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器 等四大部分组成。电力电子功率变换器、控制器、电量检测器集中于一体，称 为变频器(变频调速装置)。由于各交流电动机的不同，繁衍出不同的交流调速 系统。因此现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系 统。目前较常用的有三种方案，它们是异步电动机交流调速系统、开关磁阻电 动机交流调速系统和永磁同步电动机交流调速系统。在调速设

19、计中，究竟哪种 方案比较合适，这需要进一步地分析。纵观交流调速技术的发展，可以看出现代交流调速技术未来的发展趋势和 动向：(1) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、 磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑 模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒 观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基 于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、祌经元网络、专家系统和各种各样 的自优化、自诊断技术等。(2) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 1，m侧和负载侧有尽可能低的谐

20、波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩 脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的pwm控制是有效的。对大容量变流 器，在常规的幵关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。(3) 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度， 其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采 用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的 改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。(4) 高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够 的能力实现各种控制算法，windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编

21、 程的控制技术也有很大的发展。(5) 模拟与计算机辅助设计(cad)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种 cad软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。1.3交流调速控制理论交流电动机的调速方法很多，有调压调速，斩波调速，转子串电阻调速， 串级调速，滑差离合器调速，变频调速等等。但是从木质上讲，由异步电动机 的转速公式(1-s)可见，交流电动机的调速方法实际上只有二大类：一大 类是在电动机中旋转磁场的同步速度n,恒定的情况下调节转差率s;而另一种 是调节电动机旋转磁场的同步速度。交流电动机的这两种调速方法和直流电 动机的串电阻调速与调压调速相类似，一种是属于耗能的低效调速方法，而另

22、一种是属于高效的调速方法。在直流电动机中，要产生一定的转矩，在一定的 磁场下要有一定的电流。在电源电压一定时，从电源输入的功率就是一定的， 通过电枢中串电阻调速，就是在电阻上产生一部分损耗，使电动机的功率减少, 转速降低，这就是低效的调速方法。而另一种办法是改变电动机的输入电压， 随着电压的降低，输入功率降低，输出功率当然也下降，于是转速下降。这里 不增加损耗，所以是高效的调速方法。在交流电动机中要让电动机输出一定的 转矩，作一定的功，需要从定子侧通过旋转磁场输送一定的功率到转子。这个 由定子输送到转子的电磁功率呀，它与转矩和旋转磁场的速度乘积成正 比。在一定转矩下调速的时候，如叫不变，那么从

23、定子侧输送到转子的电磁功 率是不变的，要使电动机的转速降低，只有增加转差率s,这通常是增加转子回 路中电阻，使它产生损耗，从异步电动机的输出功率公式= m叫(1-s)=看，随着速度的降低，转差率s的增大，增加，这个称为异步 电动机的转差功率，它就是消耗在转子电阻上的损耗，转差率s直接意味着电 动机损耗的大小，所以用增大转差率的办法调速是一种耗能的低效调速方法。 如果采用改变旋转磁场的同步速度的办法进行调速，在一定的转矩下，s基木 不变，随着叫降低时，电动机的输入电磁功率心=叫 m和输出功率p2 = (1-s>mco (1-s)成比例下降，损耗没有增加，所以是高效的调速方法。 异步电动机的

24、调压调速，转子串电阻调速，滑差离合器调速，斩波调速等等均是旋转磁场转速不变的情况下调转差的调速方法，都属于低效调速之列； 而变极调速和变频调速是高效的调速方法。至于串级调速，由于电动机旋转磁 场的转速不变，所以它木质上也是一种调转差的调速方法，应属于低效调速方 法的范畴，侶是由于串级调速系统中把转差功率加以回收利用而没有白白消耗 掉，使系统的实际损耗减少，于是它就由原来的低效调速方法变成了高效的调 速方法2。一般说来低效的调速方法是一种耗能的办法，从节能的观点来看，这种调 速方法是不经济的，但是由于采用这种调速方法比较简单，设备价格比较便宜, 他还是广泛应用于一些调速范围不大，低速运行时间不长

25、，电动机容量较小的 场合中，这里特别值得提出的是调转差这种耗能的调速方法，在风机、水泵类 设备的小范围调速节能中应用，能产生一定的节能效果，因而被广泛采用。这 是因为风机、水泵的功耗和转速的三次方成正比，而调转差的调速方法中转子 的损耗只和转差的依次方成正比，当电动机转速降低时，风机、水泵能耗的下 降比电动机中损耗的增加要快得多。例如当电机转速降到额定转速的90%时， 风机、水泵的功耗变为额定转速时的72. 9%,减少了 27. 1%;而转子中损耗只 有额定功率的7. 29%,二者相抵，总的说来机组的耗电量可以减少近20%,具 有相当的节能效果。但是当调速范伟比较大时，转子中的损耗就会相应的增

26、大, 而变得在经济上不合算了。例如当电动机转速降到额定转速的70%时，风机、 水泵的输出功率减少到只有额定转速时输出功率的43.2%,而这时电动机转子 中的功耗却达到最大值。为电动机额定功率的14.8%,它占了当时风机、水泵 的功耗的33%,这已是一个相当大的数值而不能忽视了。变极调速是一种改变旋转磁场同步速度的调速方法，属于高效调速方法之 列。变极调速方法比较简单，所用设备投资比较少，但是它是由级调速，一般 只适用于二种运行工况的场合。例如纺织厂的空调风机，夏天是一种速度，冬 天是一种速度。交流电动机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电动机，也 适用于同步电动机。交流电动机采用变频

27、调速不但能无级调速，而且根据负载 的特性不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，可使电动机始终运行在高 效率区，并保证良好的动态特性。交流电动机采用变频起动更能显著改善交流 电动机的起动性能，大幅度降低电动机的起动电流，增加起动转矩。所以变频 调速是交流电动机的理想调速方法。但是它需要有一个能满足电动机运行要求 的频率可变的电源。由于变频电源的价格比较昂贵，它是交流电动机变频调速 技术推广应用的主要障碍。因之降低变频电源的造价，研究适用于电动机调速 用的变频电源成为发展交流电动机变频调速的关键。变频电源按其特性分为电流源（型）和电压源（型）二大类。电压源逆变 器的直流侧用电容滤波，其内阻抗比较

28、小，输出电压比较稳定，其特性和普通 市电相类似，能适用于多台电动机的幵环并联运行和协同调速，电压源逆变器 广泛应用于化纤、冶金等行业的多级传动系统中。这种逆变器的输出电流可以 突变，比较容易出现电流，所以要快速的保护系统。电压源逆变器主要问题是 它不能适应电动机四象限运行的要求，不能实现再生制动。而电流源逆变器正 好与此相反，在它的直流回路中接有较大的平波电抗器，用电感滤波，它的内 阻抗比较大，输出电流比较稳定，出现过电流的可能性较小，这对过载能力比 较低的半导体器件来说比较安全。但是异步电动机在电流源逆变器供电下，它 的运行稳定性比较差，通常需要采用闭环控制和动态校正，才能保证电动机稳 定运

29、行。电流源逆变器供电的最大优点在于它实现四象限运行比较方便，可以 实行再生制动。它通常用于单台电动机的调速。近年来由于具有自关断能力的元件发展迅速，逆变器广泛釆用了高频脉宽 调制技术（p丽），控制与保护的快速性大大提高。电压型逆变器的优势比较明 显，应用较多。市俜的中小型电动机通用的功率晶体管变频装置一般均为电压 源逆变器，而容量较大的晶闸管闭环变频调速系统多为电流源。1.4研究交流调速系统的意义对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调 速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能 的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能一机械

30、能的 转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。1.5本文所做的主要工作木文在选定交流电动机、速度调节器、电压调节器、交流放大器的基础上, 完成系统整体方案设计，并实现以三相全波y型连接为核心的交流电动机调速 控制系统，主要工作内容有：(1) 控制系统总体方案设计；(2) 选择三相全波y型连接作为系统核心，熟悉它的各部分元件功能；(3) 控制系统的硬件设计；(4) 电源供电电路设计。第2章交流调压调速控制系统的方案比较2.1工作原理双闭环三相异步电动机调压调速系统的主电路为三相晶闸管交流调压器 tvc及三相绕组式异步电动机m （转子回路串电阻）。控制系统由电流调节器 acr、速度调节器asr

31、、触发器gt、脉冲放大器等组成。整个系统釆用了速度、电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基木上与 直流调速系统相同，而电流环的作用则有不同。在稳定运行的情况下，电流环 对电网扰动仍有及时的抗扰作用，但在起动过程中电流环不仅起限制最大电流 的作用，不会出现最佳起动的恒流特性，也不可能是恒转矩起动。异步电动机调压调速系统结构简单，釆用双闭环时静差率较小，.比较容 易实现正、反转、反接和能耗制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行， 因为低速运行时转差功率全部消耗在转子电阻中，时间讼了会使转子过 热木论文设计以喂料机进行说明，系统以三相全波y型连接为控制核心，通 过电压调节器和速度调节器实现交流电动

32、机调压调速控制的性能。电源通过电 压调节器和速度调节器输送电压到同步环节，同步环节中的二次侧带中心抽头 的双绕组变压器与正向全波整流电路经并联后输出正向电压，供给放大电路， 再经过电子滤波器输出正向稳定电压；二次侧带中心抽头的双绕组变压器与负 向全波整流电路作三相全波y型连接的同步信号，经电子稳压器vr2输岀的电压 作为偏移电压，输送给三相全波y型触发电路。喂料电动机调压调速控制系统 的组成如图2-1所示。这是一个由速度外环反馈和电压内环反馈构成的双调速系统，通过控制双 向晶闸管的导通角改变电动机端电压，以达到控制速度的目的。2.2机构组成与结构功能该机构由：三相全波y型连接为核心的控制部分、

33、速度调节器机构、电压 调节正负反馈机构、触发电路部分组成。这些部分主要是由速度调节器、电压调节器、触发电路以及控制电路组成。 电动机调压调速控制系统的主要功能：速度调节功能交流调速器，是用于减小某些机器非周期性速度波动的自动调节裝置。它 可使机器转速保持定值或接近设定值。水轮机、汽轮机、燃气轮机和内燃机等 与电动机不同，其输出的力矩不能自动适应本身的载荷变化，因而当载荷变动 时，由它們驱动的机組就会失去稳定性。例如当汽轮机发电机组的回馈电量突 然减小时，轴上的阻力矩將急剧下降，如不及时调节汽轮机的进气量，机组将 加速运转，改变发电频率，导致机组损坏。这类机组必须设置调速器，能随着 载荷等条件变

34、化，随时建立载荷与能源供給量之间的适应关系，以保证机组作 正常运转。电压调节功能交流电动机必须配有电压调节器与之配合工作。这是因为交流电动机在结 构一定及磁场强度不变的条件下，其输出电压大小与发电机的转速成正比，而 电动机由电动带动，其转速则是由电动机转速所决定。电动机正常运转时，电 动机转速变化范围很大，这势必对电动机输出电压的大小有很大影响，为使电 动机电压在不同的转速下均能保持一定，且能随电动机转速的变化而自动调节， 使电压值保持在某一特定范围，就必须装置电压调节器。而它的正常工作，对 保证整个电动机电气系统的正常工作和对延长电动机电气设备的使用寿命关系 极大，其输出电压对蓄电池的使用寿

35、命也影响很大。电动机对用电设备供电和向蓄电池充电，都要求其电压稳定，因此必须对电动机的输出电压进行调节， 使之保持在某一数值基木不变。2.3总体方案设计木文采用了如图2-2所示的速度负反馈的一个调压调速的闭环系统。要对系 统进行动态分析和设计，需要先绘制出动态结构图。设其对应的结构框图如图 2-3所示。图2-3调速系统动态框图2.4系统的选型2.4.1交流电动机的选型根据系统技术要求，本文的交流电机选用gw10温室专用电机，其性能指 标如下：扭矩：800nm转速：2.65.2rpm功率：0.75kw电压：220380v电流：2.15.5a2.4.2调节器的选型根据系统技术要求，木文的调节器选用

36、ss3-sr91型0.3级的pid智能调节 器，具有双四位显示，双输出，模拟变送输山，数字通讯，断线报警，上下限报 警，双设定值等功能。前面板防护等级ip66,其性能指标如下：din标准：高48><宽48x深110mm,面板开孔尺、b 45><45mm直流电流：020ma,420ma dc,输入阻抗：250q直流电压：-11, 01, 02, 05, 15，010vdc输入类型及测量范围直流输入类型的显示量程-1999- 9999,小数点位置可 设8。2.5设计方案的比较、确定1、调压控制机构设计初期，考虑到喂料机被饲料卡住时，由于电压不稳，就不能够实现喂 料机供给功能

37、。后经过查相关资料，指导老师的指导，确定为在该系统中加一 个电压调节器，这样就不会产生喂料机送料时被饲料卡住而产生电压不稳的现 象了4。2、调速控制机构如果不加速度调节器，无法保证在喂料机卡住时能及时减慢速度，使机组 加速运转，从而损坏机组。所以必须对交流调压控制机构加上速度调节器，使 喂料机在被饲料卡住时能及时保持电压稳定，速度恒定的情况下来处理喂料机 被卡住的问题。第3章交流调压调速的系统设计调压调速是异步电动机调速方法中比较简便的一种。由电力拖动原理可知, 当异步电动机等效电路参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩te与定子电压 us的平方成正比，因此改变外加电压就可以改变机械特性的函数关

38、系，从而改 变电动机在一定负载转矩下的转速。3. 1异步电动机调压调速电路过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗 器，自从电力电子技术兴起后，这些比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压 器取代了。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，如图3-1所示。图3-2采用晶闸管反并联的 异步电动机可制动制路图3-2所示为了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。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

39、：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w。图3-1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3.2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：忽略空间和时间谐波；忽 略磁饱和；忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如图3-3所75。rslisllr图3-3异步电动机的稳态等效电路l6j/?s.、一定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻 lis, llr 一定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励

40、磁电感叫一定子相电压和供电角频率s转差率 由阁可以导出，(3-1)其中，1 + 乂在一般情况下，则这 j lmlm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 式可简化成令电磁功率匕同步机械角转速, =6/77、,，为极对数，则 异步电动机的电磁转矩为te -/$ =3npusrr is （3-3）0>nc0 r srr l 9t oo（/?5+r +i （lis +lrrs式（3-3）就是异步电动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3-4所示。图中，表示额定定子电压。将式（3-3）对

41、s求导，并令7；/也=0,可求出最大转矩及其对应的转差 率曹(3-4)(3-5)二 r,m 批+#(l's + “)2二3 a22a),rs +72 +,2(ils +4)21由图3-4可见，带恒转矩负载tl工作时，普通笼型异步电动机变电压时的 稳定工作点为a、b、c，转差率s变化范围为0sm,调速范围有限。如果带风 机类负载运行，则工作点为d、e、f，调速范围可以稍大一些。为了能在恒转 矩负载下扩大调速范围，并使电动机能在较低转速下运行而不致过热，就耍求 电动机转子有较高的电阻值，这样的电动机在变电压时的机械特性如图3-5所 示。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，即使堵转工作

42、也不致烧坏 电动机m。3.3闭环控制的调压调速系统及其静特性采用普通异步电动机实行调压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的 力矩电动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3-5），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2时，往往釆用带转速反馈的闭环控制系统，如图3-6(a)所示。 图3-6(b)所示的是闭环控制调压调速系统的静特性。当系统带负载tl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。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丫。

43、按照反馈控制规律，将a"、/i、a连接 起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电动机的开环机械特性和直流电动机的 开环特性差別很大，但是在不同电压的幵环机械特性上各取一个相应的工作点, 连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析发法对两种电动机的闭环系统是 完全一致的。尽管异步力矩电动机的机械特性很软，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8。电压下的机械特性同电压下的机械特性异步电动机闭环调压调速系统不同于直流电动机闭环调压调速系统的地方 是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们

44、是额定电压下的机械特 性和最小输出电压c/smint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9。(b)静特性图3-7异步电动机闭环变压调速系统的静态结构框图图3-6带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统根据图3-6可以画出静态结构框图，如图3-7所示。图屮，ks=us/uc，为 品闸管交流调压器和触发装置的放大系数；6r=un/n,为转速反馈系数；asr采 用pi调节器；n=f (us, te)是异步电动机机械特性的一个非线性函数。稳态时，uuftl = an, te = tl，根掘负载需要的n和八可由是(3-3)计 算出所

45、需要的us以及相应的3.4闭环调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，须先绘出动态结构框图。由图3-7可以直接 画出如图3-8所示的动态结构框图。其屮多数环节的传递函数可以很容易地写出 来，只有异步电动机传递函数的推到续费一番周折llj。转速调节器asr常用n调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为t v + 1、=尺,（3-6）晶闸管交流调压器和触发装置的输入一输出关系原则上是非线性的，在一 定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调 速系统中的晶闸管触发和蒸馏装置那样，传递函数可写成r-v（s）(3-7)图3-8异步电动机闭环调压调速系统

46、的动态结构框图 ma异步电动机fbs测速反馈调节其近似条件是：对于三相全波y联接调压电路，可取7；c 3ts对其他形式的调压电路则须另行考虑。考虑到反馈滤波作用，测速反馈调节fbs的传递函数可写成fbs(3-8)异步电动机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函 数来准确地表示它的输入一输出关系是不可能的。在这里，可以先在一定的假 定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一个近似的传递函数。由式（3-3）已知电磁转矩为pu2srr!s(3-9)叫队+2)2+叫2 (as + a s当s很小时，可以认为(3-10)xl(3-11)后者相当于忽略异步电动机的漏感电磁惯性。在此条

47、件下3n(3-12)这就是在前述条件下异步电动机近似的线性机械特性。设a为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在a点3/7(3-13)在a点附近有微小偏差时， 代入式（3-12）得us=usa+nus，s = sate, + te3n+a(/j2(5a+a5)(3-14)将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则in(u；：asa + 2usasaus+u2sa)p zr r2'r，sasa1(3-15)从式（3-15）中减去（3-13），得3n2usasaausu2saas)(3-16)o）av =(3-17)己知转差率5 = 1-,其中叫是同步角转速，必是转子角转速，则将式

48、（3-17）代入式（3-16），得a7；3np-(2u,asaaus -aco)rr(3-18)式（3-18）就是在稳态工作点附近微偏量a7；与at/5、ay间的关系电力拖动系统的运动方程式为tlj dconp dt(3-19)按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点a附近的微偏量运动方程式为(3-20)j d(co) np dt将式（3-18）和式（3-20）的微偏量关系画在一起，即得异步电动机在忽略 电磁惯性时的微偏线性化动态结构框图，如图3-9所示。图3-9忽略电磁惯性时异步电动机微偏线性化的近似动态结构框图如果只考虑"到么之间的传递函数，可先取a7；=0，图3-9屮的小闭 环传

49、递函数可变按换成npu2sanp np1(3-21)(0rr js n¥ r,于是，异步电动机的近似线性化传递函数为aeo(s) coxrrtwsasasamaj co r,nis(3-22)式中mm 一异步电动机的传递系数，sasa一异步电动机拖动系统的机电时间常数,jco;r由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电动机便近似 成一个线性的一阶惯性环节。最后，应该再强调一下，具体使用图3-8所示的动态结构框图时要注意下述 两点：1、由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳 定性判别和动态校正，不迈用于起制动时转速大范围变化的动态响应。2、由于它完

50、全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。3.5转差功率损耗分析异步电动机调压调速属于转差功率消耗性的调速系统，究竟要消耗多少转 差功率是决定这类调速系统工作性能的重要因素。分析表明，转差功率损耗与 系统的调速范围和所带负载的性质都有密切的关系。根据电机学原理，异步电动机的电磁功率为式teo) _ tea)m1 一 4(3-23)若忽略机械损耗等因素的影响，不同性质的负载转矩可近似表示为tl = co）a（3-24）其中，c为常数，a = 0、l、2时分别代表恒转矩负载、与转速成正比的负载、与转速平方成正比的负载（即风机泵类负载）。图3-10绘出了式（3-24）所表示的不同类型负载转矩特性，

51、同吋还绘出了异步电动机的调压机械特性。当us=usn时，各类负载特性都通过机械特性的额定工作点。当7； =7；时，将式（3-24）代入式（3-23）后得=(iocnp(3-25)于是，转差功率为p, -(l-5)p,n = (1-5)+1+1(3-26)"np当 = 0时，全部电磁功率都输出(假定这是可能的)，这时输出功率最大，为tnax=以代max为基准值，定义转差功率损耗系数为f，则(7 = - = s(-s)a(3-27)2 maxci就是标志转差功率损耗大小的指标。按式(3-27)绘出不同类型负载的转差功 率损耗系数(7与转差率s的关系曲线如图3-11所示。图3-11表明，对

52、于恒转矩负载，6z = 0,转差功率损耗系数c7与s成正比， 调速越深吋损耗越大。当= 1或汉=2吋，在5 = 0和5 = 1处都冇(7 = 0,而在当 中的某一s值处c7最大。为了求出此最大值c7max,将式(3-27)对s求导，并令 其导数等于零，则 =(l-5)a-仍(1 _ s)a- =(1-s)al 1-(1 + a)s = 0(3-28)ds对应于7max的转差率为(3-29)(3-30)11 + 6t将式(3-29)代入式(3-27)，则最大转差功率损耗系数为aa(1 + a)a+l当6r = l和2时，由式(3-29)和式(3-30)可计算出不同类型负载下的、和tmax 值，列

53、于表3-1屮。当汉=0时，可用式(3-27)直接计算。根据上述分析和计算，可归纳出以下的结论： 对于恒转矩负载(a = 0),成正比，转速越低时，转差功率损耗越大，这时调压调速的异步电动机不宜长期在低速下工作。图3-10不同类型的负载转矩特性和异步电动机的调压机械特性 对于转矩与转速成正比的负载（6t = 1）,当0.5吋，转差功率损耗系数 最大，其值为ermax =0.25。 对于风机泵类负载（6t = 2）,当0.33时，最大的转差功率损耗系数也 只冇0.148,在整个s = 01区间，ci值都比较小，因此，调压调速对风机泵类 负载还是比较适宜的。图3-11不同类型负载时转差功率损耗系数与

54、转差率的关系曲线表3-1不同类型负载吋的和（tniax值a01210.50.33max10.250.1483.6调压控制在软启动器和轻载降压节能运行中的应用除了调速系统外，异步电动机的调压控制在软启动器和轻载降压节能运行 中也得到了广泛的应用。3.6.1软启动器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。 对于小容量电动机。只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容 量大4倍以上），而供电线路并不太k:（起动电流造成的瞬时电压降落低于10 %15%），可以直接接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机， 问题就不这么简单了。在式（3-2）和式（3-3）中己导岀

55、异步电动机的电流和转矩方程式(3-31)w 二92+仍+乙(3-32)352/?:起动吋，5 = 1,因此起动电流和起动转矩分别为ssti rst(3-33)（3-34）3"x（/?s + /?；）2+2（l15 + 4）2由上述二式不难看出，在一般情况下，三相异步电动机的起动电流比较大，而 起动转矩并不大。对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的 倍数大约为起动电流倍数k, =- = 47isn起动转矩倍数kt =i = 0.91.3ten中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其他用电设备 的正常运行，甚至使该电动机本身根本启动不起来。这时，必须采用措施来

56、降 低其起动电流，常用的办法是降压起动。由式（3-33）可知，当电压降低吋，起动电流将随电压成正比地降低，从而 可以避幵起动电流冲击的高峰。但是，式（3-34）又表明，启动转矩与电压的平 方成止比，起动转矩的减小将比起动直流的降低更快，降压起动时又会出现起 动转矩够不够的问题。为了避免这个麻烦，降压起动只适用于中、大容量电动 机空载（或轻载）起动的场合。传统的降压启动方法有：星一三角（y_a）起动、定子串电阻或电抗起 动、自耦变压器（又称启动补偿器）降压启动等。它们都是一级降压启动，起 动过程中电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，而起动过程时间略长, 如图3-12所示。现代带电流闭环的电子控制软启动器可以限制起动电流并保持恒值，直到 转速升高后电流自动衰减下来（见阁3-12中曲线c）,起动时间也短于一级降压 启动。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起 动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以