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第2篇 电力拖动自动控制系统 交流拖动控制系统 43 1 内容提要 概述交流调速系统的主要类型5交流变压调速系统6交流变频调速系统7绕线转子异步电机双馈调速系统 转差功率馈送型调速系统8同步电动机变压变频调速系统 43 2 概述 20世纪60年代以前的电气传动 80 交流不调速传动 18 直流可调速传动 2 交流可调速传动 43 3 直流电机的不足 具有电刷和换向器 必须经常检查维修 换向火花使其应用环境受到限制 换向能力限制电机的容量和速度 极限容量转速约为 43 4 直到20世纪60 70年代 随着电力电子技术的发展 出现了采用电力电子变换器的交流拖动系统 大规模集成电路和计算机控制的应用 使高性能的交流调速系统得到发展 一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破 交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向 43 5 交流拖动控制系统的应用领域 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 43 6 1 一般性能的节能调速 在过去 风机 水泵等通用机械的依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量 因而把许多电能白白地浪费了 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 但风机 水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高 只需要一般的调速性能 43 7 许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动 鉴于交流电机比直流电机结构简单 成本低廉 工作可靠 维护方便 惯量小 效率高 如果改成交流拖动 显然能够带来不少的效益 43 8 2 高性能的交流调速系统和伺服系统 由于交流电机原理上的原因 其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制 43 9 20世纪70年代初发明了矢量控制技术 或称磁场定向控制技术 通过坐标变换 把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量 用来分别控制电机的转矩和磁通 就可以获得和直流电机相仿的高动态性能 从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展 高性能的交流调速系统和伺服系统 续 其后 又陆续提出了直接转矩控制 解耦控制等方法 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 43 10 交流调速系统的两大类 异步电动机调速系统同步电动机调速系统 43 11 异步电动机的转速 1 改变极对数 2 改变电源频率 3 改变电动机的转差率这第 3 条不能说明问题 它包含了多种性能差别很大的调速方法 43 12 按电动机的实际调速方法分类 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线电机串级调速或双馈电机调速 变极对数调速 变压变频调速这只是罗列 看不出规律来 43 13 按电动机的能量转换类型分类 按照交流异步电机的原理 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 称作机械功率 另一部分是传输给转子电路的转差功率 与转差率s成正比 43 14 即Pm Pmech PsPmech 1 s PmPs sPm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 43 15 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在转子回路中 如 降压调速 转差离合器调速 串电阻调速 效率最低 越到低速时效率越低 但系统结构简单 设备成本低 43 16 2 转差功率馈送型调速系统 如第 类 串级调速 双馈调速 一部分转差功率被消耗掉 大部分则通过变流装置回馈给电网 或从电网馈入 或转化成机械能予以利用 效率较高 但要增加一些设备 43 17 3 转差功率不变型调速系统 无论转速高低 转差功率中的转子铜损部分基本不变 如 变极调速 变压变频调速 变极对数调速是有级的 应用场合有限 只有变压变频调速应用最广 而且效率更高 设备成本也最高 43 18 同步电机的调速 同步电机没有转差 也就没有转差功率 所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型 恒等于0 的 而同步电机转子极对数又是固定的 因此只能靠变压变频调速 没有像异步电机那样的多种调速方法 在同步电机的变压变频调速方法中 从频率控制的方式来看 可分为他控变频调速和自控变频调速两类 43 19 自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相 类似于直流电机中电刷和换向器的作用 因此有时又称作无换向器电机调速 或无刷直流电机调速 开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机 有其独特的比较简单的调速方法 在小容量交流电机调速系统中很有发展前途 43 20 第5章 交流调速的基本类型和交流变压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统 43 21 本章提要 异步电动机变压调速电路异步电动机改变电压时的机械特性闭环控制的变压调速系统及其静特性闭环变压调速系统的近似动态结构图变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用 43 22 本章要点 本章主要讨论交流变压调速问题了解交流变压的基本方式 掌握交流变压调速系统的闭环特性 重点 难点 异步电动机改变电压时机械特性的变化规律 43 23 5 1异步电动机变压调速电路 变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种 由电力拖动原理可知 当异步电机等效电路的参数不变时 在相同的转速下 电磁转矩与定子电压的平方成正比因此 改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系 从而改变电机在一定负载转矩下的转速 5 3 43 24 交流变压调速系统可控电源 利用晶闸管交流调压器变压调速TVC 双向晶闸管交流调压器 图5 1利用晶闸管交流调压器变压调速 43 25 控制方式 TVC的变压控制方式 工作周期1S 43 26 电路结构 采用晶闸管反并联供电方式 实现异步电动机可逆和制动 图5 2采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路 可逆和制动控制 43 27 反向运行方式图5 2所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路 其中 晶闸管1 6控制电动机正转运行 反转时 可由晶闸管1 4和7 10提供逆相序电源 同时也可用于反接制动 43 28 制动运行方式当需要能耗制动时 可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作 例如让1 2 6三个器件导通 其余均关断 就可使定子绕组中流过半波直流电流 对旋转着的电动机转子产生制动作用 必要时 还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流 43 29 5 2异步电动机改变电压时的机械特性 三个假定条件 1 忽略空间和时间谐波 2 忽略磁饱和 3 忽略铁损 43 30 参数定义 Rs R r 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻 Lls L lr 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 s 转差率 43 31 电流公式 由图可以导出 5 1 式中 43 32 在一般情况下 Lm Lls 则 C1 1这相当于将上述假定条件的第3 条改为忽略铁损和励磁电流 这样 电流公式可简化成 5 2 43 33 转矩公式 令电磁功率Pm 3Ir 2Rr s同步机械角转速 m1 1 np式中np 极对数 则异步电机的电磁转矩为 5 3 43 34 最大转矩公式 将式 5 3 对s求导 并令dTe ds 0 可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩 5 4 5 5 43 35 异步电动机机械特性 n0 TL UsN 0 7UsN A B C F D E 0 5UsN 风机类负载特性 恒转矩负载特性 图5 4异步电动机不同电压下的机械特性 43 36 带恒转矩负载工作时 普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为A B C 转差率s的变化范围不超过0 sm 调速范围有限 带风机类负载运行 则工作点为D E F 调速范围可以大一些 为了能在恒转矩负载下扩大调速范围 并使电机能在较低转速下运行而不致过热 就要求电机转子有较高的电阻值 显然 带恒转矩负载时的变压调速范围增大了 堵转工作也不致烧坏电机 这种电机又称作交流力矩电机 43 37 交流力矩电机的机械特性 n0 UsN 0 7UsN A B C 0 5UsN 恒转矩负载特性 图5 5高转子电阻电动机 交流力矩电动机 在不同电压下的机械特性 43 38 5 3闭环控制的变压调速系统及其静特性 采用普通异步电机的变电压调速时 调速范围很窄 采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围 但机械特性又变软 因而当负载变化时静差率很大 开环控制很难解决这个矛盾 为此 对于恒转矩性质的负载 要求调速范围大于D 2时 往往采用带转速反馈的闭环控制系统 43 39 1 系统组成 43 40 2 系统静特性 如果负载增大引起转速下降 反馈控制作用能提高定子电压 从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A 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 43 41 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 尽管异步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 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 43 42 变压调速系统的特点 异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是 静特性左右两边都有极限 不能无限延长 它们是额定电压UsN下的机械特性和最小输出电压Usmin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 43 43 3 系统静态结构 43 44 图中 Ks Us 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 Us Te 是式 5 3 所表达的异步电机机械特性方程式 它是一个非线性函数 43 45 稳态时 Un Un nTe TL根据负载需要的n和TL可由式 5 3 计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc 43 46 5 4闭环变压调速系统的近似动态结构图 对系统进行动态分析和设计时 须先绘出动态结构图 由图5 7的静态结构图可以得到动态结构图 如图5 8所示 其中有些环节的传递函数可以直接写出来 只有异步电机传递函数的推导须费一番周折 43 47 系统动态结构 43 48 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 43 49 晶闸管交流调压器和触发装置 装置的输入 输出关系原则上是非线性的 在一定范围内可假定为线性函数 在动态中可以近似成一阶惯性环节 传递函数可写成 其近似条件是对于三相全波Y联结调压电路 可取Ts 3 3ms 43 50 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 43 51 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 43 52 1 异步电机近似的线性机械特性 由式 5 3 已知电磁转矩为当s很小时 可以认为 且 43 53 后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性 在此条件下 5 6 这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性 43 54 2 稳态工作点计算 设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点 则在A点上 5 7 在A点附近有微小偏差时 Te TeA Te Us UsA Us 而s sA s 代入式 5 6 得 43 55 3 微偏线性化 将上式展开 并忽略两个和两个以上微偏量的乘积 则 5 8 43 56 式 5 8 减去式 5 7 得 5 9 已知转差率 其中 1是同步角转速 是转子角转速 则 5 10 43 57 将式 5 10 代入式 5 9 得 5 11 式 5 11 就是在稳态工作点附近微偏量 Te与 Us和 间的关系 43 58 带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为按上面相同的方法处理 可得在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为 5 12 43 59 将式 5 11 和 5 12 的微偏量关系画在一起 即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图 如图5 9所示 如果只考虑 U1到 之间的传递函数 可先取 TL 0 图5 9中小闭环传递函数可变换成 43 60 4 近似动态结构图 图5 9忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图 43 61 5 异步电机的近似线性化传递函数 于是 异步电机的近似线性化传递函数为 43 62 式中KMA 异步电机的传递系数 Tm 异步电机拖动系统的机电时间常数 43 63 由于忽略了电磁惯性 只剩下同轴旋转体的机电惯性 异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节 即 5 13 把得到的四个传递函数式写入图5 8中各方框内 即得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构图 43 64 最后 应该再强调一下 具体使用这个动态结构图时要注意下述两点 由于它是偏微线性化模型 只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正 不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应 由于它完全忽略了电磁惯性 分析与计算有很大的近似性 43 65 5 6变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用 除了调速系统以外 异步电动机的变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛的应用 43 66 5 6 1软起动器 起动电流问题常用的三相异步电动机结构简单 价格便宜 而且性能良好 运行可靠 对于小容量电动机 只要供电网络和变压器的容量足够大 一般要求比电机容量大4倍以上 而供电线路并不太长 起动电流造成的瞬时电压降落低于10 15 可以直接通电起动 操作也很简便 对于容量大一些的电动机 问题就不这么简单了 43 67 起动电流和转矩公式 在式 5 2 和式 5 3 中已导出异步电动机的电流和转矩方程式 起动时 s 1 因此起动电流和起动转矩分别为 5 19 5 20 43 68 由上述二式不难看出 在一般情况下 三相异步电动机的起动电流比较大 而起动转矩并不大 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 起动电流和转矩分析 43 69 起动电流和转矩分析 续 中 大容量电动机的起动电流大 会使电网压降过大 影响其它用电设备的正常运行 甚至使该电动机本身根本起动不起来 这时 必须采取措施来降低其起动电流 常用的办法是降压起动 43 70 软起动器原理图 43 71 降压起动的矛盾 由式 5 19 可知 当电压降低时 起动电流将随电压成正比地降低 从而可以避开起动电流冲击的高峰 但是 式 5