哈工大赵辉自动控制元件Lec-11

自动控制元件及线路 11异步电机的调速控制哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心Tm与smT=3pr2'U12r'2πfs[(r+)2+(x+x')2]1211s2smR2R12X1X22mpU2Tm2RR2XX2f112112哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心Tm与sm对参数表达式通常R1X1X2smR2mU2Tm1xX1X221(X1X2)1）当电动机参数及电源频率不变时，Tm与Ux2成正比，s保持不变，与U无关；mx2）当电源频率及电压不变时，sm与Tm近似与X1’＋X2成反比；3）Tm与R2’无关，sm则与R2’成正比。哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心

目 录1。异步电动机的机械特性Tm,Tst,sm人为机械特性异步机的启动2。异步电动机的调速控制调速方法分析变极调速绕线转子异步电机的主要调速方法鼠笼转子异步电机的主要调速方法哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心Tm与sm普通三相异步电动机r2小，sm:0.1→0.2sn:0.01→0.05普通三相异步电动机可看成是恒速电机。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心Tm与sm过载倍数–Tm是电动机产生的最大转矩。–为保证电动机不会因短时过载而停转，电动机必须有一定得过载倍数KTKT Tm/TN–一般电动机的KT＝1.8～3.0，在电机参数表中给出。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心1Tst起动转矩–除Tm外，异步电动机还有一个重要的参数，即起动转矩。–起动时，s=1（n=0）代入T=f（s），得mU2R2Tst2X120R1R2X2–对绕线式异步电动机可通过转子回路串电阻’（加大R2），可增加电动机的 TST；哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心两种异步电动机机械特性T=3pr2'U12+r2')2+(x1+x2')2]2πf1s[(r1s两种异步电机的机械特性曲线哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心转矩的实用表达式TN2TmsN/smsm/sNTmKTTNsmsN(KTKT21)额定负载时，s一般很小，有s/sm<<sm/s，则2Tmssm哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

Tst–对鼠笼式异步电动机，则不可通过转子回路串电阻来增加电动机的 TST；–起动转矩倍数为： KST=TST/TN；–当TST>Tz时，电动机才能起动，在额定负载下，只有KST>1的笼型异步电动机才能额定负载起动。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心转矩的实用表达式实用表达式2Tm1smR1/R2Ts/smsm/s2smR1/R22Tm忽略R1，则Tsm/ss/sm额定负载时TN2TmsN/smsm/sN哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心人为机械特性降低U1时的人为机械特性由下式R2smR2XX2121m1U12Tm2RR2XX211112mU2R2TstRR2X1X22112–当降低Ux时，Tm，Tst与Ux2成正比，sm与Ux无关。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心2当增大到’–R2增大时，人为机械特性?降低 U时的人为机械特性1Tm1I22R2I22N/sNI22x/sx0s对额定负载，Ux降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

人为机械特性转子回路串联对称电阻时的人为机械特性由smR2R12X1X22m1U12Tm12R1R12X1X22m1U12R2TstR1R22X121X2n0，Tm不变，sm增大，Tst一开始增大，Tst=Tm后Tst开始减小。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心人为机械特性转子回路串联对称电阻时的人为机械特性–可见，对于绕线转子异步电动机，可通过在转子回路串联对称电阻来达到减小起动电流的目的，同时也可用于调速。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

人为机械特性定子回路串联对称电抗/电阻时的人为机械特性X1/R1增大时，n0不变，Tm、sm、Tst随X1/R1的增大而减小。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心与不同负载的配合特点与不同负载的配合特点普通三相异步电动机r2小，sm:0.1→0.2sn:0.01→0.05可看成是恒速电机。T=3pr2'U123pr2'U12'2='2s0<s<sm:(r)π(r2)2πf1s222f1sT=ks哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心3异步电动机的起动 异步电动机的起动?降压启动--定子绕组串电阻或电感起动；--自耦调压起动；--星-三角起动；--转子绕组串电阻起动哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心三相异步电动机的调速交流调速系统正在取代直流调速系统。对于异步电动机的调速来说：由异步电动机的转速公式60f1n=ns(1-s)= (1-s)调速方法：改变极对数 p,改变转差率s，改变电源频率f1。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心三相异步电动机的调速调速方法变极调速——对鼠笼型异步调定子电压变转差率调转子电阻-绕线型电动机调速串级调速-绕线型变频调速哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心

三相异步电动机的调速转差率s 的调速方法 ：改变定子电压U1，改变定子回路电阻 r1，改变定子回路电抗 x1，改变转子回路电阻r2,改变转子回路电抗x2。'2T=3prU21r'2'22πf1s[(r1+]2)+(x1+x2)s哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心变级调速哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心4变级调速机械特性由机械特性知，变极调速时电动机的转速几乎是成倍的变化，因此调速的平滑性差，但是稳定性较好，特别是低速起动转矩大。变级调速机械特性哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

变极调速特点1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。适用：不需要无级调速的生产机械，如若干机床、升降机、起重设备等。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心转子串接电阻调速绕线型异步电动机机械特性m1pU12r2'T=2πf1[(r1s+r2')2+(x1+x'2)2]ssm=r2'2'2r1+(x1+x2)T=13pU12m22πf1[r1+r12+(x1+x2')2]

转子电阻增加，Tm不变，sm增加。

转子串接电阻调速绕线型异步电动机恒转矩负载r2=r2+rs=常值s1s转速低，铜耗大，效率低。电阻不连续，调速不平滑。T=Pem不变Pem不变。ωsnsemPCu2=sP哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心转子串接电阻调速特点优点：方法简单，设备投资不高，工作可靠。缺点：调速范围不大，稳定较差，平滑性也不是很好，调速的能耗比较大，属有级调速，机械特性较软。应用：在对调速性能要求不高的地方，如运输、起重机械等。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心绕线转子异步电动机的串级调速哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心5改变定子电压调速普通异步电机，恒转矩负载，稳定运行区很小，转速变化太小， 不适用。对通风机类负载，可用。对转子电阻大的电机，恒转矩负载，调速范围宽，可用。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

变频调速的应用变频就是把从恒压恒频（ CVCF）的交流电转换成变压变频（VVVF）的交流电。变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大地提高工艺的高效性(变速不依赖于机械部分 )，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心变频调速系统电路框图 变频调速系统的原理框图哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心变频器的发展变频器的发展60年代70年代80年代90年代00年代电机控制V/F控制矢量控制无速度矢量控制算法优化算法电流矢量V/F功率半SCRGTRIGBTIGBT大容量化更大容量导体技术更高开关频率计算机单片机高速DSP更高速率和容量技术DSP专用芯片PWM优化PWM技术SPWM技术空间电压矢量PWM技术新一代开关技术调制技术大功率传变频器体超静音变频器开始流行未来发展方向动使用变积缩小，解决了GTR噪声问题完美无谐波频器，体开始在中变频器性能大幅提升如：矩阵式变频器积大，价小功率电大批量使用，取代直流格高机上使用哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心6变频器基本分类 变频器基本分类交-交变频器（直接变频器）用于大容量,低速调速系统, 不需减速齿轮箱 . 如轧钢机,球磨机,水泥回转窑等.交-直-交变频器（间接变频器）主要适用于：中小功率、转速较高、负载较平稳的场合，如：压缩机、挤压机、给水泵等。频率调节范围宽,功率因数高。

按变频器的控制方法分1）压频比恒定控制2）矢量控制3）直接转矩控制哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心变频器基本分类 恒压频比控制项目通用变频器V/F控制＋转矩提升控制算法同步机异步机控制算法基本相同调速范围<1:40启动转矩无要求稳速精度与转差有关（2-3%)转矩控制无控制算法简单不依赖电机参数，支电机参数持同时驱动不同类型不同功率的电机

高性能变频器开环矢量控制（无速度传感器矢量控制）闭环矢量控制（有速度传感器矢量控制）异步机和同步机需要不同的控制算法1:100（开环矢量),1:1000( 闭环矢量)180%0.5Hz（开环矢量)，200%0速(闭环矢量)0.5%(开环矢量)，0.05%(闭环矢量)有复杂电机参数对控制性能的影响较大，一般只能驱动一台电机哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心恒压频比控制恒压频比控制哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心7恒压频比控制 恒压频比控制哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心异步电动机调速 异步电动机调速1。通用变频器的主电路 2。矢量控制(VC)与直接转矩控制(DTC)3。软启动器(Softstarter)软起动器是一种集软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心异步电动机调速

感应电机常见调速方法的比较变频器容量的计算对于连续恒载运转机械所需的变频器，其容量可用下

调速方法变极变转差率转子串电阻调压调速电磁转差离比较项目合器调速是否改变同变不变不变不变变 频串级调速不变 变式近似计算：SCN

kPNcos

步转速静差率小（好）大（差）开环时大开环时大闭环时小闭环时小调速范围较小小闭环时较大闭环时较大（D=2--4）(D=2)(D=10)(D=10)调速平滑性差差好好小（好）小（好）较小较大（D=2--4）(D=10)好好ICN kIN异步电动机变频改造中要注意 PWM驱动的影响哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

有级调速有级调速无级调速无级调速适应负载恒转矩恒转矩通风机通风机恒功率恒转矩恒转矩设备投资少少较少较少能量损耗小大大大电机类型多速电机（鼠笼式鼠笼式滑差电机鼠笼式）绕线式哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心

无级调速无级调速恒转矩恒转矩恒功率较多多较少较少绕线式鼠笼式绕线式8使用变频调速的十个理由使用变频调速的十个理由(1)控制电机的启动电流(2)降低电力线路电压波动当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)。一旦频电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PCV/F或矢量控制率和电压的关系建立，变频器就可以按照机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的能最大程度上消除电压下降。维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心使用变频调速的十个理由使用变频调速的十个理由(3)启动时需要的功率更低(4)可控的加速功能电机功率与电流和电压的乘积成正比,那么通过工变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所地加速，而且其加速曲线也可以选择(直线加速、S形需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最加速或者自)。而动通过加工频速启动时对电机或相连高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动网上的其他用户产生严重的影响,从而将受到电网运将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机行商的警告,甚至罚款。如果采用变频器进行电机起的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，停,就不会产生类似的问题。以防止瓶子倒翻或损坏。哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心使用变频调速的十个理由使用变频调速的十个理由(5)良好的调速特性(6)可调的转矩极限通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，3％～5％左右。在工频甚至转矩的控制精度都能达到度变化。状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心9使用变频调速的十个理由受控的停止方式如同可控的加速一样 , 在变频调速中, 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心

使用变频调速的十个理由节能离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快，厂家也乐意接受。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心使用变频调速的十个理由使用变频调速的十个理由(9)可逆运行控制(10)减少机械传动部件在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外由于目前矢量控制变频器加上同步/异步电机就的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，能实现高效的转矩输出,从而节省齿轮箱等机械传动这样就能降低维护成本和节省安装空间。部件,最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间,提高稳定性。哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心变频调速应用举例在锅炉给水泵上安装变频调速装置?一台75KW水泵没装变频调速器前工作电流在132A-?柳州露塘糖厂是广西较大的糖厂之一，年度榨150A之间,实际每天用电量1200－1400kWh季的日榨量达2700吨,生产用电和燃料消耗是全?使用变频调速器后工作电流在40-80A之间,实际厂节能降耗的重点,为了做好节能降耗工作,该厂每天用电量800-900kWh,每天可节电400-500kWh,在柳州市技术交流站的帮助下,引进交流变频调按每个榨季150天计算,每台给水泵一个榨季可节速技术,取得了满意的节能效果,同时也大大延电65500KWH,三台75KW给水泵一个榨季共节电196500KWH。长了电机及水泵的维修期，经济效益十分显著。?若以电费价格0.70元/KWH计,每个榨季节省电费金额13.8万。哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心10变频调速应用举例变频空调器一般的窗式空调器或分体式空调器，采用 ON/OFF控制方式，这种控制方式室内温度和湿度会发