自动控制系统第七章 交流异步电机的其他调速方法ppt课件

1、第第 七七 章章交流异步电动机的其他交流异步电动机的其他调速方法调速方法内容提要内容提要v交流调压调速系统转差功率耗费型调速系统v绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率回馈型调速系统第一节第一节 交流调压调速交流调压调速转差功率耗费型调速系统转差功率耗费型调速系统一、交流调压调速系统的特性及组成 一一 异步电动机改动电压时的机械特性异步电动机改动电压时的机械特性异步电动机的电磁转矩为 22121221122122211)()(/33llppMMLLsRRsRUnsRInPT7- 1 式7- 1就是异步电机的机械特性方程式。它阐明，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

2、电压下的机械特性便如图7-7所示，图中，UsN表示额定定子电压。 异步电动机机械特性TeOnn0TMmaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性图7-7 异步电动机在不同电压下的机械特性最大转矩公式最大转矩公式 将式7-1对s求导，并令dTM/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩7-27-32l2l121212m)(LLRRs2l2l121211121pmaxM)(23LLRRUnT 由图7-7可见，带恒转矩负载任务时，普通笼型异步电机变电压时的稳定任务点为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超越 0 sm ，调速范围有限。假设带风机类负

3、载运转，那么任务点为D、E、F，调速范围可以大一些。 为了能在恒转矩负载下扩展调速范围，并使电机能在较低转速下运转而不致过热，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7-8。 显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转任务也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性图7-8 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 n0TM0s,n10二闭环控制的变压调速系统及其静特性二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

4、性又变软，因此当负载变化时静差率很大见图7-8，开环控制很难处理这个矛盾。 为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围D大于2时，往往采用带转速反响的闭环控制系统见图7-9a。1. 系统组成图7-9 转速负反响闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理图 -Ucn2. 系统静特性eT0nn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性图7-9b 闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2 图7-9b所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在 A 点运转时，假设负载增大引起转速下降，反响控制造用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的任务点 A

5、。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任务点 A。 按照反响控制规律，将A 、A、A衔接起来便是闭环系统的静特性。虽然异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的任务点，衔接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。 虽然异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决议的闭环系统静特性却可以很硬。 假设采用PI调理器，照样可以做到无静差。改动给定信号，那么静特性平行地上下挪动，到达调速的目的。 变压调速系统的特点 异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限

6、，不能无限延伸，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，假设电压调理到极限值，闭环系统便失去控制才干，系统的任务点只能沿着极限开环特性变化。3. 系统静态结框构系统静态结框构 Ksn=f(Us，Te) ASRU*nUnUcUs-TLn图7-10 异步电机调压调速系统的静态构造框图 图中：Ks = Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发安装的放大系数； = Un/n 为转速反响系数；ASR采用PI调理器；n =f (U1，TM )是异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。 稳态时 Un* = Un = n TM = TL 根据负载需求的 n 和

7、TL 可计算出或用机械特性图解法求出所需的 U1 以及相应的 Uc。三三 近似的动态构造框图近似的动态构造框图 对系统进展动态分析和设计时，须先绘出动态构造框图。由系统的静态构造图图7-10可以直接得到动态构造图如图7-11所示。 系统动态构造图7-11 异步电动机调压调速系统的动态构造框图 MA异步电机 FBS测速反响环节 WFBS(s) U*n(s)Un(s)Uc (s)-n(s)WASR(s)WGTV (s)WMA (s)U1(s)1 转速调理器ASR 转速调理器ASR常用PI调理器，用以消除静差并改善动态性能，其传送函数为ssKsWnnnASR1)( 2晶闸管交流调压器和触发安装 如直

8、流调速系统中的晶闸管触发和整流安装那样。传送函数可写成1)(ssGTVsTKsW 其近似条件是 对于三相全波Y结合调压电路，可取 Ts = 3.3ms 对其他型式的调压电路那么须另行思索。sc31T 测速反响环节 思索到反响滤波作用，测速反响环节FBS的传送函数可写成1)(onFBSsTsW 异步电机近似的传送函数 异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描画的，要用一个传送函数来准确地表示它的输入输出关系是不能够的。 在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态任务点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传送函数。1异步电机近似的线性机械特性 由式7-1知电磁转矩为当 s 很小时，可以以为2l2l1

9、212211221pM)()(/3LLsRRsRUnTsRR21sRLL2l2l11)(且 后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下7-4 这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。sURnT2121pM32稳态任务点计算 设A为近似线性机械特性上的一个稳态任务点，那么在A点上7-5 在A点附近有微小偏向时，TM= TMA+TM ，U1 = U1A + U1 ，而 s = s1 + s，代入式7-4得A21A21pMA3sURnT3微偏线性化 将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，那么7-6)()(3A211A21pMMAssUURnTT)2(321AsA1AA21A21pM

10、MAsUUsUsURnTT 知转差率 ，其中1是同步角转速， 是转子角转速，那么(7-8)11s 从式7-6中减去式7-5，得7-7 )2(321AsA1A21pMsUUsURnT1s 将式7-8代入式7-7，得7-9 式7-9就是在稳态任务点附近微偏量T与U1和间的关系。)2(3121A1A1A21pMUUsURnT 带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为 按上面一样的方法处置，可得在稳态任务点A附近的微偏量运动方程式为7-11tnJTTddpLMtnJTTd)(dpLM 将式7-9和7-11的微偏量关系画在一同，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态构造图，如图7-12所示。 假设

11、只思索U1到之间的传送函数，可先取 TL = 0，图7-12中闭环传送函数可变换成r212sApppr2s2sApp3131RUnsnJJsnRUnJsn4近似动态构造框图3np1R22U1AsA3npU 21A12 R2np JsU1TMTL+-图7-12 异步电机微偏线性化的近似动态构造框图 5异步电机的近似线性化传送函数 于是，异步电机的近似线性化传送函数为 1132323)()()(mMA21A2p2211A1A22121AppA1A21p1MAsTKsUnRJUsRUnsnJsURnsUssW式中 KMA 异步电机的传送系数， Tm 异步电机拖动系统的机电时间常数， 1AA11A1A

12、MA)(22UUsK21A2p221m3 UnRJT 由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即 把得到的四个传送函数式写入图7-11中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态构造框图。1)()()(mMAsMAsTKsUssW 最后，应该再强调一下，详细运用这个动态构造框图时要留意下述两点：1由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上任务点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于大范围启、制动时动态呼应目的的计算。2由于忽略了漏感电磁惯性，分析与计算结果是比较粗略的。小小 结结v掌握交流调压调速系统组成及任务原理v了解动态构造图

13、的构建过程以及系统的非线性性质和线性化方法。第二节第二节绕线转子异步电动机串级调速系统绕线转子异步电动机串级调速系统转差功率回馈型调速系统转差功率回馈型调速系统主要内容主要内容串级调速原理及根本类型双闭环控制的串级调速系统串级调速系统性能的讨论 一、串级调速原理及根本类型一、串级调速原理及根本类型 1.转子回路串电阻调速法 改动外界电阻的大小，以增减转子回路电流，从而改动耗费在转子回路的转差功率，进而影响转差率，到达调速的目的。 但转差功率是一种无益转子的热能损失，它使系统的整体效率降低，因此，这种系统只适用于小功率绕线转子异步电动机及调速范围不宽的场所。 2. 转子附加电动势调速法 在转子回

14、路引入一个附加电动势 Ef ，且令Ef的频率和转子电动势Er的频率相等，那么转子回路的总电动势即为转子电动势和附加电动势的代数和，从而使转子电流随着二者的相互关系而变化，假设对电动势的方向及数值加以控制，就会得到性能优越的调速。 该调速方法首先是节省了电阻上的热能损耗；其次是改动附加电动势的大小和方向非常灵敏、方便，可做到平滑无级调速。 要经过异步电动机的转子绕组与外界实现电气联接，显然笼型电动机难以胜任，只需绕线转子电动机才干做到。一异步电动机转子附加电动势的作用 及调速原理 异步电机运转时其转子相电动势为 式中 s 异步电机的转差率； E20 绕线转子异步电机在转子不动时的相电动势，或称转

15、子开路电动势，也就是转子额定相电压值。022sEE (7-15) 转子相电流的表达式为式中 R2 转子绕组每相电阻； X20 s = 1时的转子绕组每相漏抗。 20222022)(sXRsEIn 转子附加电动势异步电动机在转子附加电动势的原理图M3022sEE addE2I附加电动势与转子电动势有一样的频率，可同相或反相串接。 引入可控的交流附加电动势 有附加电动势时的转子相电流： 绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式20222add022)(sXREsEI(7-17)n 转子附加电动势的作用1. Er 与 Eadd 同相当 Eadd 使得这里 snTIEEseradd

16、0r1add0r2add0r1EEsEEs21ss 转速上升转速上升l当 Eadd l使得l这里snTIEEsM2add021add022add021EEsEEs21ss 转速下降转速下降2. E2 与 Eadd反相 同理可知，假设减少或串入反相的附加电动势，那么可使电动机的转速降低。 所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调理电动机的转速。 这种异步电动机转子回路中附加电动势的调速方法，称为异步电动机串级调速。 假设引入的附加电动势和转子电动势反相，那么转子回路电流只能低于额定转子电流，对应产生低于同步转速的速度，称为低同步串级调速。 同理，参与同相附加电动势，那么

17、系统能产生高于同步转速的速度，称为超同步串级调速。 二电气串级调速系统的任务原理 在异步电动机转子中引入可控的交流附加电动势，固然可以改动异步电动机的转速，但由于异步电动机转子感应电动势的频率随转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必需随异步电动机的转速而变化。这种调速方法就相当于在转子侧参与一个可变频、调压的调速方法，这将使控制线路构造非常复杂。 由于直流电量不存在频率与相位的问题，直流电压又易获得，所以可以思索将异步电动机转子电动势先整流成直流电动势，然后串入不断流附加电动势，而控制此直流附加电动势的幅值，就可以调理异步电动机的转速。 对直流附加电动势的要求：对直流附加电动势的要求： 首先，

18、它应该是平滑可调的，以满足对异步电动机的平滑调速要求。 其次，从功率传送的角度来看，希望它能吸收从异步电动机转子侧传送过来的转差功率并加以利用。比如把能量回馈电网，而不让它无谓地损耗掉，那就可以大大提高伐速系统的效率。 n 系统方案 根据以上两点要求，较好的方案是采用任务在有源逆变形状的晶闸管可控整流安装作为产生附加直流电动势的电源。 按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动形状运转的双馈调速系统如图7-15所示，习惯上称之为电气串级调速系统或称Scherbius系统。 图7-15 电气串级调速系统原理图 n 系统组成动画动画UR 三相不可控整流安装，将异步电机转子相电动势 sEr0

19、整流为直流电压 Ud 。UI 三相可控整流安装，任务在有源逆变形状：可提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。n 任务原理1起动起动起动条件起动条件 对串级调速系统而言，起动应有足够大对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流的转子电流 I2 或足够大的整流后直流电或足够大的整流后直流电流流 Id ，为此，转子整流电压，为此，转子整流电压 Ud 与逆变电与逆变电压压 Ui 间应有较大的差值。间应有较大的差值。 起动控制u控制逆变角 ，使在起动开场的瞬间，Ud与 Ui 的差值能产生足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超

20、越允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。u随着转速的增高，相应地增大 角以减小值 Ui ，从而维持加速过程中动态转矩根本恒定 。2调速调速调速原理：经过改动调速原理：经过改动 角的大小调理电动角的大小调理电动机的转速。机的转速。调速过程：调速过程：diddiUsnIRUUIU)(2加速 直到Ud 、 Ui到达新的平衡3 3 停车停车 串级调速系统没有制动停车功能。串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小只能靠减小 角逐渐减速，并依托负载角逐渐减速，并依托负载阻转矩的作用自在停车。阻转矩的作用自在停车。 结结 论论v串级调速系统可以靠调理逆变角 实现平滑无级调速；v由于异步电动

21、机的转差功率能经过转子整流器变换为直流功率，再经过逆变器变换为交流功率而回馈到交流电网，这就处理了普通转差功率耗费型调速法存在的缺乏问题。大大提高了调速系统的效率。 从图7-15中可以看出，异步电动机相当于转子整流器的供电电源。假设把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，那么转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常类似，因此可以援用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研讨串级调速时的转子整流电路。 但是，两者之间的差别是什么？ 思索：思索：普通整流电路接固定频率和幅值的电源，而转子电动势的幅值与频率那么随异步电动机的转速而变化；公用整流变压器漏抗比较小，虽然会引起换相重叠角，但重叠角不大，而异步电动机折算至转子侧的等值电抗那么大得多，且与转子频率有关，使换相重叠景象严重，甚至会呵斥强迫换流延迟景象，必需专门加以思索；正常的整流器任务在额定负载以下，而异步电动机转子回路内的电流变化那么很大，起动电流或过载电流往往超越额定值很多，这不仅加重了换相重叠景象，而且对元件参数选择也有影响。 整流电路的不同点整流电路的不同点 三、三、 双闭环控制的串级调