电力拖动自动控制系统：交流调速系统

1、第 2 篇电力拖动自动控制系统交流调速系统80 交流电机 定速传动(优缺点?) 70年代之前：20 直流电机 变速传动(优缺点?) 一、交流调速的发展历程 概 述直流电动机机械特性方程：异步机的机械特性方程nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线一、交流调速的发展历程微电子技术和 电力电子技术70年代之后：发展 交流调速（变频）奠定基础促进 能源危机导致 交流调速发展（节能）二、交流调速系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速 1、一般性能的节能调速 在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水

2、泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节流量，因而把许多电能白白地浪费了。3 如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 % 30% 以上的电能，效果是很可观的。1、一般性能的节能调速M调速装置定速传动变速传动2、高性能的交流调速系统和伺服系统 随着交流调速系统的发展，尤其是变频调速的发展，使其可以获得和直流调速相仿的动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统

3、。2、高性能的交流调速系统和伺服系统3M3调速装置调节器给定3、特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 KW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。第 6 章电力拖动自动控制系统交流调速系统的基本类型和交流变压调速系统6.1 交流调速的基本类型 常见的交流调速方法有：降电压调速转差离合器调速绕线式异步电动机转子串电阻调速绕线式异步电动机串级调速变极对数调速变频调速等从电动机的能量转

4、换角度分类 按照交流电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作总机械功率；另一部分消耗在转子电阻中的功率称为转差功率，与转差率 s 成正比。P2PmPs 即 ： Pm = P2 + Ps Ps = sPm P2 = (1 s) Pm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大、是消耗掉、还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。转差率定义？其与节能有何关系1）转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都转换成热能消耗掉。降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越

5、低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低。但是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 2）转差功率回馈型调速系统 转差功率的小部分消耗，大部分通过变流装置回馈电网或转为动能再利用，转速越低，回收能量越多，绕线式异步电动机串级调速属于这一类。因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。2）转差功率回馈型调速系统3）转差功率不变型调速系统 在这类系统中，无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率最高。变磁极对数调速和变频调速属于此类。其中变磁极对数调速是有级调速，应用场合有限。变频调速应用最广，可构成高动态性能的交流调速系统，最有发展前途。异步电动机调速系统根据功率情况分类异步电

6、机调速系统转差功率消耗型：调压调速串电阻调速串级调速电磁离合器调速转差功率回馈型：转差功率不变型：变磁极对数调速变频调速6.2 闭环控制的交流变压调速系统交流电机几种调压方式异步电动机改变电压的机械特性曲线（开环）闭环控制的调压调速系统近似的动态结构图6.2 闭环控制的交流变压调速系统 变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。调压的方法主要有三种：（1）自耦变压器（2）饱和电抗器（3）晶闸管交流调压器6.2 闭环控制的交流变压调速系统（1）自耦变压器 改变中间抽头，从而改变加在负载上的电压。可用于电动机软起动。6.2 闭环控制的交流变压调速系统（2）饱和电抗器 利用铁芯的饱和程度控制主回路

7、阻抗值的大小，从而改变加在负载上的电压。可用于电动机软起动。6.2 闭环控制的交流变压调速系统（2）饱和电抗器 利用铁芯的饱和程度控制主回路阻抗值的大小，从而改变加在负载上的电压。可用于电动机软起动。6.2 闭环控制的交流变压调速系统（3）双向晶闸管交流调压器0负载abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3Y形接法6.2 闭环控制的交流变压调速系统（3）双向晶闸管交流调压器形接法负载b)abcuaubucia晶闸管交流调压器的控制方式uO1uoiouVTwtOwtOwtOwt单相相位控制调压举例OwtVT1VT2ABCu0t0t56611223344556图2OABCVT1VT3VT5

8、VT4VT6VT2RRR图1uAuBuC 带阻性负载、无中性线的星形三相交流调压电路如图1所示，当各晶闸管门极触发脉冲如图2所示时，画出加在三个电阻上的电压波形。一、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 异步电机的稳态等效电路如图6-2所示。异步电动机等效电路图6-2 异步电动机的稳态等效电路 U11R1Ll1Ll2I1I0I2Lm参数定义R1、R2 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；Ll1、Ll2 定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电 感，即励磁电感；U1、1 定子相

9、电压和供电角频率； s 转差率。 转子电流公式由图可以导出(6-1) 式中相量分析法相量分析法则电流公式可简化成： 转子电流公式电磁转矩公式电磁转矩公式： 这就是异步电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。 当定子电压 U1 和电源角频率 1 恒定时，机械特性方程式可以改写成如下形式： 当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则当 s 接近于1时，如果在 前加上一个s，则 s 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax最大转矩公式 将电磁转矩公式对s求导，并令dTe/ds

10、=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩：异步电动机在不同电压下的机械特性TeOnn0TemaxsmTLUN0.7UNABCFDE0.5UN风机类负载特性恒转矩负载特性图6-3 异步电动机在不同电压下的机械特性交流力矩电机的机械特性UN0.7UNABCTL0.5UN恒转矩负载特性图6-4 高转子电阻电动机在不同电压下的机械特性 n0Te0s,n10二、闭环控制的变压调速系统及其静特性 (先讲实验)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(结合实验)的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因此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D大

11、于2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统。图6-5 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TGUcn1、系统组成a)原理图 2、系统静特性eT0nn0TLUNAAAU1min图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性n*2BC 按照反馈控制规律，将A 、A、A”连接起来便是闭环系统的静特性。尽管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工作点，连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。 尽管交流力矩电机的机械特性很软，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，

12、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(此处可待实验验证)。PI或PID调节器eT0nn0TLUNAAAU1min图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性(变化规律)n*3n*1n*2 变压调速系统的特点 异步电机闭环变压调速系统的静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压UN 下的机械特性和最小输出电压U1min下的机械特性。 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(此处是指调压范围)。eT0nn0TLUNAAU1min图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性n*3n*1n*2ASRU*n+

13、-UnGT+M3TGUcnKsn=f(U1，Te) ASRU*nUnUcU1-TLn图6-6 异步电机闭环变压调速系统的稳态结构框图 3、系统静态结构框图Ks = U1/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的 放大系数； = Un/n 为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；n =f (U1，Te )是异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。 PI/PID调节器： Un* = Un = n Uc * Ks = U1 Te = TL4、稳态参数计算P调节器： Un = n (Un*-Un )* Kp = Uc Uc * Ks = U1 Te = TL 图6-7 变压调速系统的动态结构框图 MA异

14、步电机 FBS测速反馈环节 WFBS(s) U*n(s)Un(s)Uc (s)-n(s)WASR(s)WGT-V (s)WMA (s)U1(s)三、近似动态结构框图转速调节器ASR 转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为：晶闸管交流调压器和触发装置 装置的输入-输出关系为纯滞后环节，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整流装置那样。传递函数可写成其近似条件是：测速反馈环节 考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成异步电机近似的传递函数 异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入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种近似的传递函数。Tm 异步电机拖动系统机电时间常数（6-14）KMA 异步电机的传递系数 U*n(s)Un(s)Uc (s)-n(s)U1(s)变压调速系统近似动态结构图例题：某单闭环交流调压调速系统，其结构如图所示。已知： Ks38， Ts0.01s ， KMA7.1r/minV，Tm0.58s，Ton0.01s，a0.004Vmin/r。要求将系统设计为典型的I型系统，过渡快且超调量小（取KT=0.5） ，试利用工程设计法