运动控制2-第七章

运动控制系统-2交流调压调速系统第七章1绪论电机与电力拖动系统发展概况20世纪70年代以前直到20世纪60-70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调速系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应用而生，直流调速一统江湖的格局终于被打破了。2直流电机被高精度的调速系统广泛使用换向问题限制了装机容量20世纪70年代以后调速系统格局绪论交、直流调速系统的比较直流电机交流电机结构及制造有电刷

制造复杂无电刷

结构简单重量/功率约2倍1倍体积/功率约2倍1倍价格/功率几倍1倍最大容量12MW~14MW几十MW最大转速1000r/min左右数千r/min最高电枢电压1kv6kv~10kv安装环境要求高要求低维护较多较少调速性能好复杂3绪论交、直流调速系统的比较交流调速VS直流调速1）在大功率负载情况下，交流调速性价比最优2）交流调速系统可满足高速运行要求3）在易燃易爆多尘场合，交流调速系统无需过多维护4）交流调速系统成本低5）交流电动机易于同某些生产机械行成机电一体化产品4绪论交流调速系统的难点直流电机转矩方程：

5绪论交流调速系统的难点交流电机：6AXCZBY绪论交流调速系统的难点交流电机转矩方程：

定子的3相交变电流

因此决定交流电机转矩的电枢电流和气隙磁通是一对相互耦合的非独立变量7第七章概述异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点。随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在速度可调拖动中逐渐得到广泛的应用。对调速系统分析的一般思路：物理模型-等效电路数学模型机械特性方程调速性能深入分析

87.1-7.2交流调速系统原理第七章9第七章7.1异步电动机稳态模型异步电动机的数学模型包括稳态等效电路和机械特性稳态等效电路描述了一定转差率下电动机的稳态电气特性电机机械特性表征转矩与转差率（Or转速）的稳态关系一、异步电动机的等效电路前提假设1）忽略空间和时间谐波2）忽略磁饱和3）忽略磁铁损T型等效电路10第七章异步电动机稳态等效电路异步电动机T

型等效电路

转差率：

同步转速：

11第七章折合到定子侧的转子相电流幅值

电阻电感

其中：

（7-0）异步电动机稳态等效电路12第七章

忽略励磁电流

（7-1）异步电动机稳态等效电路13第七章异步电动机的机械特性异步电动机传递的电磁功率

电气特性机械特性

（7-2）14第七章异步电动机的机械特性调压调速原理--变转差功率调速异步电机机械特性曲线

临界转差：

15第七章异步电动机的机械特性调压调速原理

各电压下T-s曲线与负载曲线交点即运行点

16第七章异步电动机的机械特性交流力矩电动机通过以上分析，带恒转矩负载的调压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低所增加的转差功率全部消耗在转子电阻上如果增加转子电阻值，可使临界转差率s加大，

从而扩大恒转矩负载的调速范围缺点：特性软（斜率大）17第七章异步电动机的机械特性闭环控制的调压调速系统以上是开环调速因此，要想获得高性能控制高转子电机：交流调速系统必须引入速度反馈，在速度闭环控制下，使异步电动机具有较硬的静特性。调压调速：调速范围窄特性软18第七章异步电动机的机械特性闭环控制的调压调速系统调节器ASR转速反馈装置晶闸管调压异步电动机19第七章异步电动机的机械特性闭环控制的调压调速系统最小输出电压系统静特性左边的极限最大输出电压系统静特性右边的极限20第七章7.1-7.2小结主要内容调压调速属于变转差功率调速，适合风机、水泵类负载；对于恒转矩负载工作点少；高转子力矩电机可以扩大调压调速的调速范围，但是特性软转速闭环调速可以获得较高的调速性能，但是有左右极限的限制1）异步电机调速的分析思路；2）等效电路，电流、功率、转差、转矩等3）机械特性分析4）闭环调速系统原理系统特点21第一次课结束22第七章23内容回顾：运动控制系统的发展交流调速系统分类异步电动机调压调速的工作原理调压调速的机械特性高转子力矩电动机交流电机的闭环调速原理晶闸管相控三相交流调压主电路结构7.2.5基于稳态模型的等效结构图第七章24图7-8转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统原理图速度比较环节：

速度调节器：PI调节器晶闸管交流调压器：

电动机输入与输出关系：转速反馈环节:

7.2.5基于稳态模型的等效结构图第七章25

二者之间的关系可根据电动机的输入、输出关系计算7.3调压调速的应用第七章26第七章7.3调压调速的应用软启动器（7-1）（7-2）令s=1起动电流起动转矩启动电流比较大启动转矩变化不大

27第七章7.3调压调速的应用软启动器小容量电机供电网络和变压器的容量足够大，而供电线路并不太长，可以直接起动，操作也很简便大容量电机起动电流大，会使电网电压降落过大，影响其他用电设备的正常运行，使电动机起动不起来28第七章7.3调压调速的应用29图7-11异步电动机的起动过程与电流冲击1.软起动器工作原理对于降压启动，传统的方法有：自耦变压器降压启动星-三角启动定子串电阻或电抗软启动器在启动过程中，通过控制晶闸管导通角，使三相输出电压按预设启动曲线上升，电动机的启动转矩与转速逐渐增加，达到控制启动电流、缩短启动时间的目的第七章7.3调压调速的应用软启动器工作模式几种常见的启动模式（1）斜坡升压（2）斜坡恒流（3）脉冲冲击起动首先要设置一个初始电压，在规定的加速时间内，使电动机两端电压均匀上升至全电压，一定时间延时后，旁路接触器闭合，电机起动过程结束，进入正常运行阶段。只需使晶闸管导通角与时间成一定函数关系，不需要电流闭环控制，一般适用空载或轻载起动30第七章7.3调压调速的应用软启动器工作模式（2）斜坡恒流在电动机起动初始阶段，起动电流增加到预先设定值I0后，电流值保持恒定,直到电动机的转速达到额定转速旁路接触器闭合，电动机电流迅速下降至额定电流Ie

以内，起动过程完成起动过程电流的上升率可以根据电动机负载变化调整设定，电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。31第七章7.3调压调速的应用软启动器工作模式（3）脉冲冲击在起动初期先提供短时的脉动转矩，以克服负载的静摩擦力，满足较高起动转矩的负载要求然后再进入斜坡升压或者斜坡恒流的起动模式适用于负载静摩擦力较大或带较重负载起动的场合32第七章7.3调压调速的应用软启动器工作模式电流斜坡起动模式电流电压双闭环起动模式双斜坡起动模式软起器本质属于降压起动装置，是继常用自耦变压器降压起动和Y-星型降压起动之后，采用晶闸管和微处理器控制的电动机起动装置，降压范围更宽，并且可以适当调整，使电动机更好地“柔性”起动软起器不足需要通过旁路接触器切换到旁路正常运行状态，即使在低电压条件下，也会造成断路器跳闸或损坏。切换迟了，会使电动机震动，影响负载正常运行，所以对旁路切换点的硬件检测电路要求很高，相应程序处理也要引起重视。33第七章7.3调压调速的应用软启动器停车模式34第七章7.3调压调速的应用软启动器停车模式（3）直流制动停车接到停车命令后晶闸管的调压输出控制停车过程可控直流电流制动时间可调，用于对停车时间和停车距离有要求的工作场合，因此又称为精确停车控制，一般软起动器不具备此种功能35第七章7.3调压调速的应用软启动器特点（5）软起动器具有故障保护功能，可实现对晶闸管电路的短路、缺相、过热、欠压等方面的保护（1）起动电压以一定的斜率上升，使电动机的电流逐渐增大，对电网无冲击电流，同时减小了对负载的机械冲击，（2）起动电压上升率可依据不同负载进行调节，保证了起动过程平滑性，一般起动电压应在30%~70%额定电压范围内连续可调（3）根据负载的具体要求，设定与负载相适应的起动时间（4）软起动器同时能够实现软停车功能36第七章7.3调压调速的应用变压节能—能耗分析三相异步电动机运行时会有损耗，包括定子铜损耗pCus铁损耗pFe转子铜损耗pCur机械损耗pmech附加损耗ps总损耗表达式定子铜损铁损转子铜损

37第七章7.3调压调速的应用变压节能—转子铜损电动机空载运行时，理论上因为P2=0，所以效率η=0。但在实际运行中由于生产机械总有一些摩擦负载，也就是说可算作轻载，电磁转矩可表示成电动机正常运行时，气隙磁通Φm基本不变，轻载时电磁转矩很小，因此轻载时转子电流很小，对应的转子铜损pCur

很小。38第七章7.3调压调速的应用变压节能—定子铜损由于定子电流为

受励磁电流

的制约，定子电流Is

并没有转子电流降低得那么多，因此定子铜损没有降很多，铁损

pFe、机械损耗pmech、附加损耗ps

基本不变。因此轻载时式7-17的分母中所占的成分较大，效率η将急剧降低。

39第七章7.3调压调速的应用变压节能如果电动机长期轻载运行，将无谓地消耗许多电能，因此要设法减少轻载时的能量损耗。空载时：转子铜损：小定子铜损：与额定负载相当定子铁损及附加损耗：基本不变40第七章7.3调压调速的应用变压节能-解决方案可降低定子电压降低气隙磁通Φm同时降低铁损pFe

减少轻载时能量损耗

过分降低电压和磁通，由式7-18可知，转子电流