机电传动控制第12章交流传动控制系统

第12章交流传动控制系统掌握交流异步电动机调速的基本原理及主要方法;了解电磁转差离合器调速系统的原理和性能;掌握线绕式异步电动机串级调速的原理,特性和应用领域;了解变频调速系统的分类及其基本原理,特性和应用范围.长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方案一直占主要地位。60年代以后，随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现，特别是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力传动的进一步开发创造了有利的条件。在实际应用中，由于交流调速技术不仅具有优良的调速性能，而且还带来节约能源与占地面积、减少维护费用等优点，尤其是在大容量或工作于恶劣环境时，更为直流拖动所不及。因此，了解和掌握交流调速的原理和方法，熟悉交流传动控制系统研究的现状和发展，已经成为从事电力拖动与控制的人们十分关注的一个领域。交流异步电动机的调速方法

交流电动机有同步电动机与异步电动机两大类。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变其同步转速；异步电动机的调速方法，从利用晶闸管控制技术来看有：控制加于电机定子绕组的电压——调压调速；控制附加在转子回路的电势——串级调速；控制定子的供电电压与频率——变频调速；无换向器电机调速系统和电磁转差离合器调速系统等几种方法。由于交流调速技术不仅具有优良的调速性能，而且还带来节约能源、减少维护费用、节约占地面积等优点，是调速技术发展的方向。10.1晶闸管交流调压调速系统由异步电动机电磁转矩和机械特性方程可知，异步电动机的输出转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩及机械特性，从而实现调速，这是一种比较简单而方便的方法。一、采用晶闸管的交流调压电路晶闸管交流调压电路与晶闸管整流电路一样，也有单相与三相之分。1.单相交流调压电路单相晶闸管交流调压电路的种类很多，但应用最广的是反并联电路。现以此电路为代表分析它带电阻性负载及电感性负载的工作情况。如图10.1所示为单相交流反并联电路及其带电阻性负载时的电压电流波形图。由图可见：不断重复触发VS1、VS2，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角的大小，就可以改变负载上交流电压的大小。对于电阻性负载其电流波形与电压波形同相。如果晶闸管调压电路带电感性负载（如异步电动机），其电流波形由于电感上电流不能突变而有滞后现象，其电路和波形如图10.2所示。由于电感性负载中电流的波形滞后于电压的波形，因此，当电压过零变为负值后电流经过一个延迟角才能降到零，从而晶闸管也要经过一个延迟角才能关断。延迟角的大小与控制角、负载功率因数角都有关系，这一点和单相整流电路带电感性负载相似。2.三相交流调压电路工业中常用的异步电动机都是三相的，因此晶闸管交流调压电路大都采用三相交流调压电路。将三对反并联的晶闸管（或三个双向晶闸管）分别接至三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电路。负载可以是Y形连接，也可以是形连接，Y形接法的电阻性负载如图10.3所示。三相交流调压电路的分析与单相电路的分析大同小异,但必须注意它的特殊性。为保证输出电压对称并有相应的控制范围，首先要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。其次是在感性负载或小导通角情况下，为了确保晶闸管可靠触发，如同三相全控桥式整流电路一样，要求采用控制角大于的双脉冲或宽脉冲触发电路。2.异步电动机的调压调速系统1．异步电动机调压调速特性如图10.4所示为异步电动机改变定子电压时的一组机械特性曲线。在某一负载的情况下，将稳定工作于不同的转速[如图(a)中a,b,c三点对应的转速]。由图可见，异步电动机调压调速的特点如下：

1）异步电动机在轻载时，即使外加电压变化很大，转速变化也很小。即电动机的转速变化范围不大；

2）异步电动机在重载时，如果降低供电电压，则转速下降很快，甚至停转，从而引起电动机过热甚至烧坏；

3）如果要使电动机能在低速段运行（如点d），一方面传动系统运行不稳定，另外，随着电动机转速的降低会引起转子电流相应增大，可能引起过热而损坏电动机。2.异步电动机的调压调速系统

所以，为了使电动机能在低速下稳定运行又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。对于笼型异步电动机，可以将电动机转子的鼠笼由铸铝材料改为电阻率较大的黄铜条，使之具有如图(b)所示的机械特性。即使这样，调速范围仍不大，且低速时运行稳定性不好，不能满足生产机械的要求。2.异步电动机的调压调速系统2．异步电动机调压调速系统为了既能保证低速时的机械特性硬度，又能保证一定的负载能力，一般在调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统，其控制系统原理框图如图10.5所示。1）晶闸管交流调压系统:

2）速度调节过程如下：3）特点：只要能平滑地改变定子电压，就能平滑调节异步电动机的转速；加转速负反馈后，低速的特性较硬，调速范围亦较宽。3.异步电动机调压调速时的损耗及容量限制转差功率：传到转子上的电磁功率与转子轴上产生的机械功率之差叫损耗功率，也叫转差功率。由于旋转磁场和转子具有不同的速度，因此，转差功率为：3.异步电动机调压调速时的损耗及容量限制由上可见：

1)转差功率的大小由转差率S决定；

2)这个转差功率,它将通过转子导体发热而消耗掉；

3)在调压调速中，如果工作在低速状态，S将较大，即转差功率很大，所以，这种调压调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械，如要用于这种机械，电动机容量就要适当选择大一些。3.异步电动机调压调速时的损耗及容量限制另外，如果负载具有转矩随转速降低而减小的特性（如通风机类型的工作机械），则当向低速方向调速时转矩减小，电磁功率及输入功率也减小，从而使转差功率较恒转矩负载时小得多。因此，定子调压调速的方法特别适合于通风机及泵类等机械。10.2线绕式异步电动机调速系统线绕式异步电动机调速方法及特点：转子电路串接电阻——电阻上消耗大量的能量，速度越低损耗越大转子电路串接电势——把电阻上的能量加以利用，从而获得比较经济的运行效果。为了利用这部分能量，在转子电路中增加了一套交流装置。这样，就构成了由异步电动机和交流装置共同组成的串级调速系统。一、串级调速的一般原理异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入附加电势，以调节异步电动机的转速。引入电动势的方向，可与转子电动势方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。1．原理为什么在转子回路中改变的幅值大小和相位，就能调节电动机转速的高低呢？当转子电路中未引入附加电势时，转子电流为

=一、串级调速的一般原理当引入与转子电势频率相同而相位相反的附加电势后，转子电流将由下式表示：如果电动机的转速仍在原来的数值上,即S值未变动,则串入附加电势后，转子电流必然减小，从而使电动机产生的转矩也随之减小，当小于负载转矩时，电动机的转速不得不减小下来。一、串级调速的一般原理随着电动机转速减小，（）的数值不断增大，转子电流也将增加。当增加到使电动机产生的转矩又重新等于负载转矩后，电动机又稳速运行。但此时的转速已较原来的转速为低，这样就达到了调速的目的。串入的附加电势愈大则转速降低愈多，这就是向低于同步转速方向调速的原理。同理，如果引入一个相位相同的附加电势，则可以得到所谓超同步转速的调速，2．系统框图目前，国内外已广泛应用的串级调速系统，如图10.6所示。

图中，电动机的转子绕组端接进一个不可控的整流器，这样，为实现调速而串入的附加电势就可以采用可调直流电源。当=0时，电动机在接近于额定转速下运转，若改变的大小就可以改变电动机转速。

二、串级调速时的机械特性由图可见，串级调速时异步电动机的机械特性与直流电动机的特性很相似。由特性可知，若引入的附加电势愈大，则n0愈小，即电动机的转速愈低。如果用负值代入，则可以得到当附加电势与转子电势同相位时的机械特性。三、晶闸管串级调速的基本原理由于采用串级调速的电动机具有类似他励直流电动机的硬机械特性，因此，在调速精度要求不高的场合，可以直接采用开环控制。但是，如果想要得到高精度的调速，则应采用带速度负反馈的自动调速系统。其典型结构与VS-M自动调速系统相似，也包括有电流调节器、速度调节器及电流和速度反馈环节。三、晶闸管串级调速的基本原理典型线路如图10.8所示。

图10.8串级调速的典型线路图三、晶闸管串级调速的基本原理图中，线绕转子异步电动机M的转子电压经不可控整流电路转换为直流电压，经平波电抗器、再由晶闸管逆变器将该直流电压逆变为交流，有的经变压器，有的直接反馈给交流电网。经逆变后的电压可视为加到电动机转子的电势。改变逆变器中晶闸管的逆变角β，就可以改变附加电势的大小，从而实现异步电动机的串级调速。三、晶闸管串级调速的基本原理异步电动机的晶闸管串级调速与直流电动机晶闸管整流调速相比，无论从机械特性上或者从动态特性上以及调速系统组成上都有很多相似之处。对于直流电动机，改变晶闸管的控制角以改变整流电压，可改变电动机的转速（例如增加控制角，降低电压，降低转速），而串级调速是通过改变晶闸管的逆变角即逆变电压，从而改变转差率来调速的（例如逆变角增加，转差率下降，转速上升）。因此，异步电动机串级调速系统调节器参数的整定方法，也可以参考直流晶闸管调速系统的方法。三、晶闸管串级调速的基本原理晶闸管串级调速具有调速范围宽、效率高（因转差功率可反馈电网）、便于向大容量发展等优点，是很有发展前途的绕线转子异步电动机的调速方法。它的应用范围很广，适用于通风机负载，也适用于恒转矩负载。其缺点是功率因素较差。现采用电容补偿等措施，使功率因素有所提高。10.3晶闸管变频调速系统变频调速——通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。一、变频调速的原理由可知:改变定子电源频率可以改变同步转速和电动机的转速。又由异步电动机的电势公式可知,外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比,若外加电压不变，频率降低，磁通增加,将造成电动机的磁路过饱和，导致励磁电流的增加而引起铁心过热。因此降频的同时最好降压，即频率与电压能协调控制，亦即必须与成比例地变化。即保持U/f=定值.一、变频调速的原理在恒转矩变频调速系统中，，保证调速过程中电动机的过载能力保持不变，同时，可满足磁通Φ基本不变的要求。在恒功率调速中，，调速过程中电动机的过载能力能保持不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。在异步电动机变频调速系统中，为了得到更好的性能，可以将恒转矩调速与恒功率调速结合起来。一、变频调速的原理变频调速系统分为两大类。二、交-直-交变频调速系统在交-直-交变频调速系统，首先将电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。如图10.9所示为电压型变频调速系统的原理图二、交-直-交变频调速系统二、交-直-交变频调速系统系统中，晶闸管整流、移相触发电路、脉冲放大器、电压及速度负反馈环节的电路和原理与直流调速系统相同。脉冲发生器电路：将给定信号和反馈信号的差值变换为频率与电压大小成正比的脉冲信号；环行计数器：实质是一个脉冲分配器，它把来自频率发生器的脉冲6个（或12个）一组依次分配，经脉冲放大器后，顺序触发逆变器的6只晶闸管来实现逆变。触发脉冲的频率（即逆变电路输出电压的频率）与频率发生器的输出频率成正比。二、交-直-交变频调速系统频率/电压（F/V）变换器：是为了实现电压与频率的协调控制。因为变频的同时需调压。频率/电压（F/V）变换器把脉冲信号变换成与频率成正比的电压信号。晶闸管整流电路和逆变电路：逆变器的输入电压是整流电路的输出电压整流电路的输出电压发生变化时，逆变器输出交流电压的正负峰值将随之发生变化。二、交-直-交变频调速系统图10.10电压型变频调速系统的主回路二、交-直-交变频调速系统电路的工作原理：由上可知：当给定增加时，电动机输入电压的频率和电压同时增加。用同样的方法可分析，当给定减小时，电动机输入电压的频率和电压同时减小。即改变频率的同时也改变电压的大小，调节电路的参数，可调节电压与频率的比值。三、交-交变频调速系统交-交变频是直接将固定频率和电压的交流电变成频率和电压均可调的交流电，而不经过中间直流环节，故也称为直接变频。交-交直接变频除了用于交流电动机调速外，也可用于变频交流电源。如用直接变频器可以将单相交流电变换为两相及三相交流电，亦可以将高频电源变为低频电源等。现以单相-单相直接变频电路来说明交-交变频的原理。三、交-交变频调速系统1、交流调压电路如图10.11为两种不同的交流整流电路。三、交-交变频调速系统图10.11（a）所示为共阴极全波整流电路，改变VS1和VS2的控制角，即可在负载上获得可调的上正下负的直流输出电压如右图所示。图10.11（b）所示是将两个晶闸管改接成共阳极的接法，则可获得下正上负的直流输出电压如右图所示。如果将共阴极和共阳极两种整流线路综合起来，采用两组反并联的可控整流电路，就构成了交流调压调频电路如图10.12左图所示。三、交-交变频调速系统三、交-交变频调速系统改变四个晶闸管的导通顺序和控制角的大小可得到不同频率和电压的交流输出电压如右图所示。根据交-交变频器其输出电压的波形，可以分为方波型及正弦波型两种。图10.13给出了三相方波型交-交变频器的主电路。三、交-交变频调速系统三、交-交变频调速系统它的每一相由两组反并联的三相零式整流电路组成，图中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ为正组，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ为反组。各组导通时间为T/3（T为输出电压的周期），每组依次相隔T/6导通，同一时刻有一个正组和一个反组导通。三、交-交变频调速系统2、交-交变频系统交-交变频系统控制电路的框图如图10.14所示。三、交-交变频调速系统图中给定信号经电压/频率变换转换成与给定信号成比例的脉冲信号，然后经环行分配器分频，依次形成相差T/6、持续时间为T/3的选组脉冲。选组脉冲规定了什么时间允许哪组晶闸管工作。与此同时，给定信号被变换成与之相应的移相脉冲，从而决定每组晶闸管导通的次序及控制角α的大小。移相脉冲与选组脉冲经逻辑电路确定了每个晶闸管的导通时刻，低速时为了补偿定子的压降，引入了函数发生器以适当提高电压。三、交-交变频调速系统在异步电动机调速系统中，常用的是正弦型交-交变频器。其目的是使每组整流器的输出平均电压随时间按正弦规律变化。电路的型式实质上是由两组反并联的可控整流器所组成，和直流可逆系统不同之处仅仅是α角需不断调制，使输出平均电压为正弦波。交-交变频调速与交-直-交变频调速相比，其优点是：节省了换流环节，提高了效率；在低频时波形较好，电动机谐波损耗及转矩的脉动大大减小。其缺点是：最高频率受电网频率的限制，且主回路元件数量多。故一般适用于低速、大容量的场合，如球磨机、矿井提升机、电力机车及轧机的传动。2变频调速系统的分类

1)交-直-交变频调速(1)从换流电路型式分类:串级电感式;串级二极管式;带辅助晶闸管(180°通电型);带辅助晶闸管(120°通电型).(2)从直流电源分类:型式电压型;电流型.(3)从调压方式分类:相位控制晶闸管整流;晶闸管直流开关;脉冲宽度调制型.2)交-交变频调速(1)从相数分类:单相-单相;三相-三相.(2)从连接方式分类:反并联整流电路;交叉连接整流电路.(3)从有无环流分类:有环流;无环流.3交-直-交变频调速系统

1)电压型变频器(1)电压型变频调速系统原理框图

(2)

典型电压型变频器

典型电压型变频器主电路:逆变器与整流器的中间环节采用电容滤波，类似于电压源。二极管的作用是将电动机的无功功率反馈给滤波电容，以提高逆变器换流工作的稳定性。电压型变频器主电路工作原理以A相为例来说明逆变器的换流原理，其中，VS1和VS2为主晶闸管，VS1和VS2为辅助换流晶闸管，作为LC振荡电路的充放电开关。换流时，主晶闸管的关断是靠触发辅助换流晶闸管来实现的，而辅助晶闸管本身的关断则是由LC串联谐振电路中的电流反向来实现的。

2)电流型变频器电流型变频器电流型变频调速系统的特点是中间环节采用电抗器滤波，类似于电流源。电流型变频器的发展稍晚于电压型变频器。由于电流型变频器的许多优点，从而在交-直-交脉冲强迫换流(或称强迫换相)的变频器中，受到越来越多的重视。

(1)系统方框图(2)串联二极管式电流型变频器主电路分析由晶闸管整流器、直流滤波电抗器及逆变器三部分组成，由于中间环节采用电抗器滤波，从而使输出电流比较平直，为矩形波。在强迫换流电路中，C为换向电容，它的作用是给欲关断的晶闸管施以反向电压，以使其强迫关断。V为隔离二极管，是为了防止充电电压经负载放掉，使换流电路与负载之间隔离。由于隔离二极管与主晶闸管相串联，因此，称为二极管式换流电路。4.脉宽调制型变频调速系统

1)工作原理

脉冲宽度调制型(又称PWM型)变频器也是一种交-直-交变频器。常采用电压型逆变器，其基本原理是控制逆变器开关元件的导通和关断时间比(即保持脉冲幅值不变调节脉冲宽度)来控制交流电压的大小和频率。恒幅脉宽调制型变频器如图所示.调速系统由二极管整流桥和逆变器组成。通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和输出电压的频率，实现调频调压.2)准正弦波脉宽调制变频调速控制系统

(1)控制系统图(2)各点波形

(m—调制系数N—半周内的脉冲数)

3)速度闭环SPWM型变频调速系统

PWM型变频器的电路有多种，将一般PWM系统或准正弦波脉宽调制型变频调速系统称为SPWM系统.SPWM系统大都采用开环控制，但在机械加工领域中，有时调速精度要求较高，这就需要实行速度闭环调节。在V/F变换器前，增加速度给定环节和速度负反馈元件即可。下图所示为其简单框图。

5交-交变频调速

优点:无换流环节,提高了效率;电动机谐波损耗以及转矩脉动小.缺点:主电路元件多;最高频率受电网频率的限制.应用:球磨机,电力机车,矿井提升机的传动.交-交变频是直接将固定频率的交流电能变成所需频率的电能，而不经过中间直流环节，故也称为直接变频。直接变频器能将单相交流电变换为两相或三相交流电;能将高频电源变换为低频电源.1)单相-单相直接变频电路

(a)共阴极接法主电路输出电压波形(b)共阳极接法主电路输出电压波形(c)反并联接法主电路输出电压波形

2)三相方波型交-交变频器分析

(1)主电路分析三相方波型交-交变频器主电路的每一相由两组反并联的三相零式整流电路组成，1,3,5为正组，4,6,2为反组。各组导通时间为T/3(T为输出电压的周期)，每组依次相隔T／6导通，同一时刻有一个正组和一个反组导通。(2)控制电路分析给定信号经电压／频率变换转换为脉冲信号，然后经环形分配器分频，依次形成相差T／6、持续时间为T／3的选组脉冲,同时，给定信号被变换成与之相应的移相脉冲，决定每组晶闸管导通的次序及控制角α的大小。移相脉冲与选组脉冲经逻辑电路确定了每个晶闸管导通时刻,低速时为了补偿定子的压降，引入了函数发生器以适当提高电压。12.5异步电动机矢量变换控制1矢量变换控制的基本原理矢量变换控制的基本思路，是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系。产生旋转磁场不一定非要三相不可，二相、四相……等任意的多相对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁场。

将异步电动机模拟成直流电动机相似进行控制，就是将A、B、C三相异步电动机矢量变换到按转子磁通方向为磁场定向并以同步速度旋转的M-T直角坐标系上，即进行矢量的坐标变换。可以像控制直流电动机一样去控制异步电动机，以获得优越的调速性能。2坐标变换与矢量变换任何在空间按正弦形式分布的物理量都可以用空间向量表示。经过数学推导,可以得到三相／二相变换方程式。同样经过数学变换，亦可得到二相／三相反变换式。经过矢量旋转变换，可以将二相α、β绕组和直流M、T绕组之间进行变换，这是一种静止的直角坐标系统与旋转的直角坐标系统之间的变换。实际的异步电动机矢量变换控制系统结构形式很多，并且在不断地发展。将交流电动机模拟成直流电动机加以控制，其控制系统也可以完全模拟直流电动机的双闭环调速系统，所不同的是其控制信号要从直流量变换到交流量，而反馈信号则必须从交流量变换成直流量。12.6无换向器电动机及其调速系统

无换向器电动机或称无整流子电动机，是由一台同步电动机和一套简单的逆变器组成.1.无换向器电动机的原理和构造

(1)结构:右图为直流电动机的磁极和电枢的结构;无换向器电动机三相定子绕组示意图(2)无换向器电动机的工作原理从直流电动机电枢绕组和定子磁场之间的相互作用看，它们实际上是一台同步电动机。这个同步电动机和直流电源之间是通过换向器和电刷把它们联系起来的.在直流电动机中，电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以，电刷的位置决定着电动机中电流换向的地点。也就是说，直流电动机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。无换向器电动机也是一台同步电动机。只是普通直流电动机中用的是一个机械接触的逆变器——换向器，而无换向器电动机中是用晶闸管(或晶体管)组成的逆变器来代替。所以，习惯上往往把这个半导体逆变器称为晶闸管换向器，尽管两者构造不同，但它们起的作用却是完全相同的。

2无换向器电动机的机械特性

当励磁磁通Φ和换流超前角γ0保持不变时，无换向器电动机的机械特性公式为一直线方程式。调节直流电压，即改变控制角α值，可以得到一组互相平行的机械特性曲线，其特性曲线与直流电动机的机械特性十分相似。一般，无换向器电动机的机械特性都比较硬，且有较宽的调速范围，在开环控制时可以达到D=10～20的调速范围。主电路及波形图3

无换向器电动机的调速系统下图所示为典型的无换向器(交-直-交系统)调速系统的框图。假如电动机原来作正向电动机运行，在某一时刻触发信号使A、Y导通。电动机中的电流从a相端点流入，b相端点流出。如果改变电动机电流方向，使它进入制动状态，则只要把触发信号改为输送到X、B即可，这时电流将由b相的端点流入，而自a相的端点流出。随着电流方向的变反，电动机的转矩也将改变方向，使电动机进入制动状态。典型无换向器调速系统框图

无换向器电动机本身的控制系统无换向器电动机本身的控制系统，主要包括一个位置检测器PS和一个γ脉冲分配器.γ脉冲分配器受调速系统逻辑