异步电动机变压调速系统

23 34 第5章交流调压调速系统 异步电动机变压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统 23 34 主要内容 交流拖动控制概述交流拖动控制系统的应用领域异步电动机的调速方法对上述调速方法按电动机的转差功率分类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 23 34 一 交流拖动控制概述 交流传动是传动领域的主要发展方向 1 交流拖动控制系统的应用领域 目前 交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面 1 一般性能的节能调速 2 高性能的交流调速系统和伺服系统 3 特大容量 极高转速的交流调速 23 34 2 异步电动机 交流电机的分类 主要分为异步电机 即感应电机 和同步电机异步电动机是怎样旋转起来的 电动机 将电能转换为机械能 输出机械转矩 带动生产机械工作的原动机 感应电动势 当导体和磁场之间有相对运动时 在导体中就会产生感应电动势 旋转磁场 三相异步电动机的定子绕组用来产生旋转磁场 相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度 三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度 当在定子绕组中通入三相电源时 定子绕组就会产生一个旋转磁场 图1 在旋转磁场作用下 转子导体中产生感应电动势和感应电流 图2 a 三个对称的三相绕组 b 接成星型的三相定子绕组 图2 a 图2 b 图3 产生旋转磁场 t1 0t2 1 3 t3 2 3 t4 电流每变化一个周期 旋转磁场在空间旋转一周 即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的 旋转磁场的转速n1 即同步转速 n1 60f npf为电源频率 np是磁场的磁极对数 n的单位是 每分钟转数 异步电动机旋转的基本原理 有了旋转磁场 在转子导体中产生了感应电流 而载流导体 转子导体 在磁场中又受到电磁力的作用 于是使转子转动起来 因为转子导体中的电流是靠电磁感应产生的 所以异步电动机又叫做感应电动机 转子和旋转磁场转向相同 转速不等 转差率 同步转速n1与电动机转速n之差 n1 n 用符号 n表示 叫做转速差 转速差与同步转速的比值叫转差率 用符号s表示 转差率s通常用百分数表示 即 s n1 n n1 100 异步电动机的转速 异步电动机的调速方法 变转差率调速 变极对数调速 变频调速 交 交变频交 直 交变频 变电压调速串级调速转差离合器调速转子串电阻调速 变压调速是异步电动机调速方法中比较简便的一种 23 34 3 对调速方法按电动机的转差功率分类 按照交流异步电动机的原理 从定子传入转子的电磁功率Pm可分成两部分 拖动负载的有效功率 称作机械功率 Pmech 1 s Pm传输给转子电路的转差功率 与转差率成正比 Ps sPm 从能量转换的角度看 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 据此 异步电动机的调速系统分成三类 转差功率消耗型调速系统转差功率回馈型调速系统转差功率不变型调速系统 转差功率消耗型调速系统这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中 在三类异步电动机调速系统中 这类系统的效率最低 而且越到低速时效率越低 它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的 恒转矩负载时 可是这类系统结构简单 设备成本最低 所以还有一定的应用价值 转差功率回馈型调速系统在这类系统中 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转化成机械能予以利用 转速越低 能回收的功率越多 这类系统的效率是比较高的 但要增加一些设备 转差功率不变型调速系统在转差功率中 转子铜损是不可避免的 在这类系统中 无论转速高低 转差功率的转子铜损部分基本不变 因此效率也较高 其中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 可以构成高动态性能的交流调速系统 取代直流调速 23 34 二 异步电动机变压调速电路 图1 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 调节定子外加相电压 23 34 图2 采用晶闸管反并联的异步电机可逆和制动电路 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 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 23 34 三 异步电动机改变电压时的机械特性 根据电机学原理 满足下述三个假定条件 忽略空间和时间谐波 忽略磁饱和 忽略铁损 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感 定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感 即励磁电感 定子相电压和供电角频率 转差率 异步电动机的稳态等效电路 图中各参数定义如下 在一般情况下 这相当于上述假定条件的第 条改为 忽略铁损和励磁电流 令电磁功率和同步机械角转速 则异步电动机的电磁转矩为 异步电动机的机械特性方程式 当异步电动机等效电路的参数不变时 在相同的转速下 电磁转矩Te与定子电压Us的平方成正比 改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系 从而改变电动机在一定负载转矩下的转速 等效电路不止一种 转速或转差率一定时 Te与Us的平方成正比的关系不变 异步电动机的机械特性方程式 对应于最大转矩时的转差率 最大转矩 异步电机在不同电压下的机械特性 图中UsN表示额定定子电压 带恒转矩负载TL工作时 异步电动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 随着电压的调低 转矩减小 带负载能力变弱 23 34 四 闭环控制的变压调速系统及其静特性 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 图 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统 原理图 静特性 对比 异步电动机闭环变压调速系统与直流动电机闭环变压调速系统的不同 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 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 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 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 静态参数计算 晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数 转速反馈系数 异步电动机机械特性方程式 它是一个非线性函数 稳态时 根据负载需要的n和TL可由机械特性方程式计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc 23 34 五 闭环变压调速系统的近似动态结构图 转速调节器ASR PI调节器 用以消除静差并改善动态性能 晶闸管交流调压器和触发装置 23 34 测速反馈环节 异步电动机MA 假定s很小 在假定条件下异步电动机近似的线性机械特性 用微偏线性化方法求一个近似的传递函数 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 23 34 在A点附近有微小偏差时 展开 并忽略两个和两个以上微偏量的乘积 带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式 稳态工作点A附近的微偏量运动方程式 23 34 忽略电磁惯性时异步电动机微偏线性化的近似动态结构图 图中小闭环传递函数可变换成 使用动态结构图时要注意下述两点 1 由于它是偏微线性化模型 只能用于机械