运动控制系统：第七章

第七章交流调压调速系统学习内容7.0引言7.1交流调速系统的基本分类7.2异步电动机调压调速系统7.3调压调速的应用引言：电力拖动系统的发展20世纪70年代以前20世纪70年代以后高精度的调速系统都是使用直流电力拖动调速范围广静差率小稳定性好动态性好发明了矢量控制使交流电力拖动飞速发展

通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量分别控制，解决了交流电动机转矩和磁通的控制问题，获得和直流电动机相仿的高动态性能7.1：交流调速系统的基本分类交流电动机调速系统异步电动机调速系统同步电动机调速系统转差功率不变型变压变频调速转差功率消耗型转差功率回馈型转差功率不变型降压调速转差离合器调速转子串电阻绕线转子串级调速双馈电动机调速变极对数调速变压变频调速交流调速系统的分类：7.1：交流调速系统的基本分类异步电动机：转差功率消耗型特点全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路上系统效率最低恒转矩负载时是以增加转差功率消耗换取转速降低缺点优点系统结构简单，设备成本最低常见的调速方法1）降电压调速；2）转差离合器调速；3）转子串电阻调速7.1：交流调速系统的基本分类异步电动机：转差功率回馈型特点除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多缺点优点系统效率较高要增加一些设备常见的调速方法绕线转子电动机串级调速，双馈电动机调速7.1：交流调速系统的基本分类异步电动机：转差功率不变型特点转差功率只有转子铜损，无论转速高低，转差功率基本不变缺点优点系统效率更高变极对数变压变频有级调速应用场合有限应用广泛，成本高7.1：交流调速系统的基本分类同步电动机：定转子同步没有转速差，也就没有转差功率只能：变压变频调速极对数固定结构特性不能通过变极对数进行调速从频率控制方式分：他控和自控变频自控变频调速有时又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速7.2：异步电动机调压调速系统7.2.1异步电动机调压调速的工作原理根据电机学原理，在下述三个假设条件下：①忽略空间和时间谐波；②忽略磁饱和；③忽略铁损稳态等效电路7.2：异步电动机调压调速系统7.2.1异步电动机调压调速的工作原理

其中同步机械角转速异步电动机传递电磁功率

（7-1）（7-2）

7.2：异步电动机调压调速系统7.2.2晶闸管相控三相交流调压主电路结构优点具有体积小重量轻惯性小控制方便晶闸管组成调压器成为交流调压器的主要形式一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中结构图7-37.2：异步电动机调压调速系统7.2.2晶闸管相控三相交流调压主电路结构正转运行时，由晶闸管1~6控制1、2、反转或反接制动时，由晶闸管1、4和7~10提供逆相序电源控制能耗制动时，可根据控制要求选择几个晶闸管不对称工作，如让晶闸管1、2、6导通，其它晶闸管都关断，这时定子绕组流过的是半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用3、

若异步电动机需要可逆运行和制动电路，则可采用如图7-4所示晶闸管反并联异步电动机可逆和制动电路图7-47.2：异步电动机调压调速系统7.2.3异步电动机调压调速的机械特性机械特性：就是转矩与转速的关系（7-2）

式7-2对s求导可求出临界转差率（7-3）最大转矩（7-4）7.2：异步电动机调压调速系统7.2.3异步电动机调压调速的机械特性图7-6异步电动机恒转矩负载在不同电压下的机械特性图7-5异步电动机风机类负载在不同电压下的机械特性7.2：异步电动机调压调速系统7.2.3异步电动机调压调速的机械特性转子串电阻电动机在恒转矩负载下能实现低速稳定运行而不至过热调节定子电压，能得到较宽的调速范围，而且在堵转力矩下工作也不致烧坏电动机此时，缺点：特性太软，常不能满足生产机械的要求，低速时过载能力差，负载波动，电动机转速变化大图7-7高转子电阻电动机在不同电压下的机械特性7.2：异步电动机调压调速系统7.2.3异步电动机调压调速的机械特性以上是开环调速因此，要想获得高性能控制负载转矩发生变化或电源电压波动，电动机转速都会随之波动特别是低速时波动尤为明显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。图7-8转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统原理图7.2：异步电动机调压调速系统7.2.4速度闭环控制下调压调速系统的组成和工作原理转速负反馈闭环交流调压调速系统由调节器ASR晶闸管调压装置转速反馈装置异步电动机等图7-9转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统静特性图系统结构图与静特性图如下：7.2：异步电动机调压调速系统7.2.4速度闭环控制下调压调速系统的组成和工作原理异步电动机调压调速系统和直流电动机调压调速系统最大的不同：前者存在失控区最小输出电压下的机械特性是闭环系统静特性左边的极限，额定电压下的机械特性是闭环系统静特性右边的极限，当负载变化达到两侧的极限时，闭环系统便失去了自动调节作用，回到开环机械特性上工作。

7.2：异步电动机调压调速系统7.2.5基于稳态模型的等效结构图如图7-8所示，异步电动机闭环调压调速系统，各环节关系如下: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：

（7-6）速度调节器：PI调节器晶闸管交流调压器：

（7-7）电动机输入与输出关系：（7-8）转速反馈环节:（7-9）

7.2：异步电动机调压调速系统7.2.5基于稳态模型的等效结构图图7-10异步电动机变压调速系统静态结构框图

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7.3.1软启动器调压调速控制除了在调速系统中应用以外，还用于软启动器轻载降压节能运行1.软起动器工作原理（7-1）（7-2）令s=1（7-10）（7-11）起动电流起动转矩7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器

从式7-1、7-2、7-10、7-11可以看出，在异步电动机起动阶段，虽然起动电流比较大，但是起动转矩的变化并不大。对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为：起动电流倍数

起动转矩倍数对于较小容量电动机只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电动机容量大4倍以上），而供电线路并不太长，可以直接起动，操作也很简便而对于大容量电动机起动电流大，会使电网电压降落过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至使电动机根本起动不起来，因此需要在起动环节采取一定的措施1.软起动器工作原理7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器降压起动的特点

起动电流与起动电压有直接关系，若起动电压降低起动电流就会成正比地下降，因此降低起动电压可以有效地使电动机避开起动电流的高峰冲击。起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，会出现起动转矩不够的问题，因此降压起动只适用于中、大容量电动机空载或轻载起动的场合。降压起动的方法自耦变压器降压起动星-三角起动、定子串电阻或电抗起动等1.软起动器工作原理7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器降压起动的方法缺点它们都是经过一次降压起动，因此在起动过程中会有两次电流冲击，如图7-11所示。

采用降压起动后优点是两次幅值都比直接起动电流低，缺点是起动过程略长，影响了起动的快速性。图7-11异步电动机的起动过程与电流冲击a-直接起动b-一级降压起动随着电力电子技术的发展上述问题得到有效解决，采用晶闸管和微处理相结合方法，产生了一种智能化程度较高的一种新型电机起动装置-软起动器。1.软起动器工作原理7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器2.软起动器的组成软起动器系统构成在起动过程中，通过控制晶闸管导通角，使三相输出电压按预设起动曲线上升，电动机的起动转矩与转速逐渐增加，达到控制起动电流、缩短起动时间的目的。在稳定运行时可用接触器将晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。三相交流调压设备主电路采用晶闸管交流调压器。图7-12微机控制软起动器硬件结构图软起动器实质上是以微处理器为核心，包括开关电源、同步信号采样电路、脉冲触发电路、电压检测电路、电流检测电路、控制信号处理电路等7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式

软起动器在使电动机“柔性”起动同时，也可以使电动机“柔性”停止，因此工作模式一般分为起动模式和停车模式。（1）斜坡升压（2）斜坡恒流（3）脉冲冲击起动下面是几种常见的起动模式：7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式（1）斜坡升压图7-13斜坡升压软起动曲线图如图7-13所示，这种起动方式

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。这种起动方式简单，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。起动过程起动特点7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式（2）斜坡恒流如图7-14所示，这种起动方式

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。起动过程起动特点图7-14恒流软起动曲线图7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式（3）脉冲冲击起动如图7-15所示，这种起动方式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这种起动方式适用于负载静摩擦力较大或带较重负载起动的场合。起动过程起动特点图7-15脉冲冲击起动曲线图7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式除此之外，还有一些根据特别要求而设计的起动模式: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等根据负载特性进行调整，

达到尽量减小起动电流、缩短起动时间、顺利起动电动机的最终目的。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。软启动器在完成起动过程后需要通过旁路接触器切换到旁路正常运行状态，因此旁路切换点的选取非常重要。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。7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式软起动器的停车模式在现实生活中许多应用场合在需要让电动机“柔性”起动的同时，也需要电动机“柔性”停止，不允许电动机瞬间关机。例如：高层建筑的水泵系统，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤效应”，使管道、水泵遭到损坏。为防止“水锤”效应，需要让电动机逐渐停机，即软停车。软停车定义是指软起动器在得到停车命令后，使晶闸管从全导通逐渐地减小导通角，经过一定时间过渡到全关闭的过程，让电动机“柔性”停止。（1）自由停车（2）软停车3）直流制动停车7.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式适用对象：接到停车命令后断开旁路接触器，禁止晶闸管的调压输出负载惯性逐渐停车适用于对停车时间和停车距离都无要求的负载设备（1）自由停车（2）软停车接到停车命令后切换到晶闸管调压输出输出电压逐渐减小，电机转速平稳降低，直至停止适用对象：对停车时间和停车距离有要求的负载设备，以及有柔性停机要求的泵类负载等场合，如图7-16所示。图7-16软起动器停机模式17.3：调压调速的应用7.3.1软启动器3.软起动器的工作模式接到停车命令后晶闸管的调压输出控制停车过程（3）直流制动停车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特点图7-17软起动器停机模式27.3：调压调速的应用7.3.1软启动器4.软起动器的工作特点（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。软起动器的工作特点7.3：调压调速的应用7.3.2变压节能三相异步电动机运行时会有损耗，一般包括定子铜损耗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（7-12）定子铜损可表达为铁损可表达为转子铜损可表达为

（7-13）（7-14）（7-15）问题描述7.3：调压调速的应用7.3.2变压节能三相异步电动机轴上输入功率与输出功率的关系：

（7-16）式中：P1—输入电功率；

P2—轴上输出功率。三相异步电动机的运行效率为（7-17）电动机在额定工况下运行时，输出功率大，总损耗只占很小的成分，所以额定效率较高，一般可达75%～95%，电动机容量越大时，效率η越高。问题描述7.3