现代交流调速系统第一章

1、第一章异步电动机调压调速系统 1.1异步电动机晶闸管调压调速系统工作原理异步电动机晶闸管调压调速系统工作原理 交流调压调速的主电路已由晶闸管构成的交流调压器取代了传统的自耦变压器和带直流磁化绕组的饱和电抗器，装置的体积得到了减小，调速性能也得到了提高。晶闸管交流调压器的主电路接法有以下几种方式，如图1-1所示。a) 电机绕组Y联接时的三相分支双向电路b) 电机绕组Y联接时的三相分支单向电路c) 电机绕组联接时的三相形双向电路图1-1 三相交流晶闸管调压器主电路接法电机正、反转运行时的主电路如图1-2所示，正转时16晶闸管工作；反转时1、4、710晶闸管工作。另外，利用图1-2的电路还可以实现电

2、机的反接制动和能耗制动。图1-2晶闸管交流调压调速系统正、反转和制动电路 1.2 异步电动机调压调速时的机械特性异步电动机调压调速时的机械特性根据电机学原理可知，异步电动机的机械特性方程式为2pSrei22SSrSr3/(/ )() n U RsTRRsxx（1-1）图1-3 异步电动机在不同定子供电电压下的机械特性曲线rm22SSr()RsRxx2pSeimax22SSSSr32() n UTRRxx（1-2）（1-3） 普通鼠笼型异步电动机机械特性工作段s很小，对于恒转矩负载而言调速范围很小。但对于风机、泵类机械，由于负载转矩与转速的平方成正比，采用调压调速可以得到较宽的调速范围。对于恒转

3、矩负载要扩大调压调速范围，采用高阻转子电动机，使电动机机械特性变软，如图1-4所示的高转子电阻电动机的调压调速机械特性。显然，即使在堵转转矩下工作，也不至于烧毁电机，提高了调速范围。图1-4 高转子电阻异步电动机的调压调速机械特性 1.3 异步电动机调压调速的功率损耗异步电动机调压调速的功率损耗 异步电动机调压调速属于转差功率消耗型的调速系统，调速过程中的转差功率消耗在转子电阻和其外接电阻上，消耗功率的多少与系统的调速范围和所带负载的性质有着密切的关系。 根据电机学原理，异步电动机的电磁功率为eiSeimeiSpp(1)TTPTnns 电机的转差功率为SmPsP不同性质负载的转矩可用下式表示L

4、aTC（1-4）（1-5）（1-6）11SmSpp(1)(1)aaaCCPsPsssnsn而输出的机械功率为11MmSp(1)(1)aaCPs Psn1M maxSpaCPn*SSM max(1)aPKssP（1-7）（1-8）（1-9）（1-10）按式（1-10）可以得到不同类型负载所对应的转差功率损耗系数与转差率的关系曲线，见图1-5。图1-5不同类型负载所对应的转差功率消耗系数与转差率的关系*m11sa最大转差功率消耗系数为*Sm1(1)aaaKa（1-11）（1-12）根据以上分析可知，对于风机泵类负载电动机的转差功率消耗系数最小，因此，调压调速对于风机泵类负载比较合适；对于恒转矩负载

5、，则不宜长期在低速下运行，以免电机过热。 1.4 异步电动机异步电动机PWM调压调速系统调压调速系统 根据采用的控制方式不同，交流-交流调压器可分为相控式和斩控式。传统方案多采用相控式，结构简单，可以采用电源换相方式，即使是采用半控型器件也无需附加换相电路，但存在输出电压谐波含量大，深控时网侧功率因数低等缺点；相反斩控式电路则没有上述缺点，因此传统的相控式SCR电路正逐渐被PWM-IGBT电路所取代，因为PWM-SCR电路由于无法采用电源换相，必须附加换相电路，此外由于SCR的器件开关频率较低，对于SCR电路而言不宜采用PWM方式，为此本节介绍斩控式电路。 凡是能量能在交流电源和负载之间双向流

6、动的电路称为双向交流变换电路；相反能量只能从电源向负载流动的电路则称为单相电路。由于具有更好的负载适应性，双向电路具有更广的发展前景。a）主电路b）电量波形图1-6三相IGBT-PWM交流调压电路 1.5 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 在1.2节中，为了扩大调压调速的调速范围，增加了转子电阻，使得机械特性变软。这样的特性，当电机低速运行时，负载或电压稍有波动，就会引起转速的很大变化，运行不稳定。为了提高系统的稳定性，常采用闭环控制（如图1-7），以提高调压调速特性的硬度。a）系统原理图 b）闭环控制静特性图1-7转速闭环的交流调压调速系统当系统要求不高时，也

7、可以采用定子电压反馈控制方式，见图1-8。图1-8定子电压反馈的交流调压调速系统 1.5.1 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 静态分析静态分析图1-9异步电动机调压调速系统静态结构图 1.5.2 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 动态分析动态分析 为了对系统进行动态分析和设计，绘制系统的动态结构图是必须的。由图1-9（异步电动机调压调速系统静态结构图）可以得到系统的动态结构框图，如图1-10所示。图1-10异步电动机调压调速系统动态结构图（1）速度调节器）速度调节器ASR为消除静差，改善系统动态性能，通常采用PI调节器，其传递函

8、数为nARSnn1( )pWpKp（2）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假设其输入、输出是线性的，其动态特性可近似看成一阶惯性环节，其传递函数为SGT-VS( )1KWpT p（3）测速反馈环节）测速反馈环节考虑到反馈的滤波作用，其传递函数为FBSon( )1aWpT p（4）异步电动机环节）异步电动机环节由于异步电动机是一个多输入、多输出，耦合非线性系统，用一个传递函数来准确描述异步电动机在整个调速范围内的输入输出关系是不可能的，因此，可以采用在其稳定工作点附近微偏线性化的方法得到近似的传递函数。（1-13）（1-14）（1-15）异步电动机在其稳定工作点A点（见图1-

9、3）的机械特性方程为2pSArAeiA22SASrASr3/(/)() n URsTRRsxx2pSAeiAASAr3n UTsR（1-16）（1-17）p2eiAeiSASASAr3() ()nTTUUssR展开上式，忽略两个以上微偏量乘积项得，p22eiAeiSAASAASSASAr3(2)nTTUsUsUUsR式（1-19）减式（1-18）得p2eiSAASSASAr3(2)nTUsUUsR（1-18）（1-19）（1-20）p2eiSAASSASArSA3(2)nTUsUUR电力拖动系统的运动方程式为eiLpddJTTnt在工作点A稳定运行时，AeiALApd0dJTTntAeiAei

10、LALpd()()dJTTTTnt（1-21）（1-22）（1-23）（1-24）式（1-24）减式（1-23）得eiLpd()dJTTnt式（1-21）和式（1-25）表示了异步电动机微偏线性化的近似动态结构关系，动态结构图如图1-11所示。图1-11异步电动机微偏线性化的近似动态结构图（1-25）ppMASAA2pSApSSAr2SArASAMA2SArSAm22pSA3( )( )()23( )121113nnpJpWpUsn UnUpRRJpsKJRUT ppn U（1-26） 1.6 异步电动机晶闸管软起动器异步电动机晶闸管软起动器 软起动器的主回路一般都采用晶闸管调压电路。调压电路

11、由六只晶闸管两两反并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。通过控制晶闸管的导通角，按预先设定的模式调节输出电压，以控制电动机的起动过程。当起动过程结束后，将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗，软起动器的控制框图如图1-12所示。图1-12软起动器的控制框图a) 限流软起动图1-13各种软起动方式波形图b) 电压斜坡图1-13各种软起动方式波形图转矩控制起动 按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压，主要用于重载起动。它的优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，但起动时间较长。c)转矩控制起动 图1-13各种软起动方式波形图加突跳转矩控制起动 与转矩控制起动一样也用于重载起动的场合。所不同的是在启动瞬间加突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升。这样可以缩短起动时间，但加突跳转矩会给电网带来冲击，干扰其他负载。d)加突跳转矩控制起动 图1-13各种软起动方式波形图电压控制起动 在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能的缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式。 晶闸管交流调压调速系统其