第五章交流调速系统.ppt

第五章交流调速系统,一、引言三相交流异步电动机的发明在电力拖动史上有着十分重要的意义。因为它的转子电路不需要和外电路相联接，转子绕组由两侧端部互相短接的铜条或铝条(俗称鼠笼条)构成，可以自成回路，形状象个“鼠笼”，故常称为笼形电动机，如图所示。,异步电动机交流电机的结构,图8-1三相异步电动机的结构图1-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-定子铁心；5-定子绕组；6-散热筋；7-转轴；8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12机座,1,2,3,6,4,5,7,8,9,10,11,12,在所有电动机中，这种结构在简单、坚固方面是首屈一指的。这带来了使用寿命长、易于维修、以及价格低廉等极为突出的优点，使它在整个电力拖动领域独占鳌头。在20世纪的大部分时间里，约占有整个电力拖动容量的80%的不变速拖动系统都是采用的交流电动机，而只占20%的高控制性能可调速的电力拖动系统采用的是直流电动机。这几乎已经成为一种举世公认的格局。交流调速系统的调速方案虽然早已有多种发明并得到了实际应用，但由于其调速性能始终无法与直流调速系统相匹配，所以一直没有在高控制性能的调速中得以使用。,异步电动机的简单工作原理,1.旋转磁场,定子三相绕组通入三相交流电(星形联接),A,X,B,Y,C,Z,三相电流合成磁场的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,右手螺旋定则,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,2.旋转磁场的转速,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,其中为工频交流电的频率：,3.电枢的转动原理：铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子。,转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势E20,电磁力F,4.转差率,由前面分析可知，电动机转子转动方向与定子所产生的同步磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。而异步电动机之所以被冠以“异步”二字，是因为其转子的转速n永远也跟不上旋转磁场的转速n1。两者之差称为转差:,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得：,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。,转差率s为：,交流调速的基本方案由异步电动机的转差率与转速之间的关系：,改变磁极对数原理：变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速，其转速是按阶跃方式变化，而非连续变化。应用：变极调速主要用于笼型异步电动机，变极电动机有转换单绕组接线改变极数的电动机和同一铁芯上设置两个以上极数不同绕组的电动机。这种方法的缺点是十分明显的:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能得到4种转速，与所要求,要改变异步电动机转子转速的方法:,无级调速相去甚远。,变极调速,改变转差率,改变转差率,对于绕线式异步电动机，可通过调节串联在转子绕阻中的电阻值、在转子电路值引入附加的转差电压、调整电机定子电压以及采用电磁转差离合器改变气隙磁场等方法均可实现变转差S，从而对电机进行无极调速。变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中任占有重要的地位，特别式转差功率得到回收利用的串极调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。如下图所示。显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的多少来调速的，不利于节能。此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。,改变异步电动机的电枢电压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。过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。,Y型接法,型接法,目前，交流调压器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，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。,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,控制方式,TVC的变压控制方式,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,电路结构：,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16控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管1，4和710提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。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。,异步电动机改变电压时的机械特性,根据电机学原理，在下述三个假定条件下:忽略空间和时间谐波;忽略磁饱和;忽略铁损，异步电机的稳态等效电路示于图5-3。异步电动机等效电路,参数定义,Rs、Rr定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Lls、Llr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；Us、1定子相电压和供电角频率；s转差率。,异步电机的电磁转矩为,（5-3）,式（5-3）就是异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。这样，不同电压下的机械特性便如图5-4所示，图中，UsN表示额定定子电压。,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,由图可见，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0sm，调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。,2、最大转矩公式,最大转矩时的静差率和最大转矩,（5-4）,（5-5）,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，这种电机又称作交流力矩电机。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，电机的机械特性如图5-5。,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,单相交流调压电路单相晶闸管交流调压电路的种类很多，但是应用最广的是反并联电路。现在以此电路代表分析它带电阻性及负载的工作情况。,调速特点：,加速度反馈的调速系统：可以使机械特性变硬，调速范围变宽。,图所示为单相交流反并联电路及其带电阻性负载时的电压电流波形图。由图可知，当电源电压为正半周时，在控制角为的时刻触发VS1使之导通，电压过零时，VS1自行关断。负半周时，在同一控制角下触发VS2，如此不断重复，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角的大小就可以改变交流电压的大小。对于电阻性负载其电流波形与电压波形同相的。晶闸管交流调压的触发电路在原理上与晶闸管整流所用的触发电路使相同的，只是要使每周期输出的两个脉冲彼此没有公共点且要有良,好的绝缘。若晶闸管调压电路带电阻性负载，其电流波形由于电感上的电流不能突变而有滞后现象，其电路和波形如图所示。由于电感性负载中的电流的波形滞后于电压的波形，因此，当电压过零变为负的时候电流经过一个延迟角才能降到零，从而晶闸管也要经过一个延迟角才能关断。延迟角的大小与控制角、负载功率因素角都有关系，这一点与单相整流电路带电感性负载十分相似。,单相交流调压电路,图单相交流调压电路,图电阻性负载单相交流调压电路工作波形,电阻性负载,在电源电压u的正半周内，晶闸管V1承受正向电压，当t时，触发V1使其导通，则负载上得到缺角的正弦半波电压，当电源电压过零时，V1管电流下降为零而关断。在电源电压u的负半周，V2晶闸管承受正向电压，当t时，触发V2使其导通，则负载上又得到缺角的正弦负半波电压。持续这样的控制，在负载电阻上便得到每半波缺角的正弦电压。改变角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。设,随着角的增大，Uo逐渐减小;当时，Uo0。因此，单相交流调压器对于电阻性负载，其电压的输出调节范围为0U，控制角的移相范围为0。,输出电压与a的关系:移相范围为0a。a=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随a的增大，Uo降低，a=时，Uo=0。功率因数与a的关系：a=0时，功率因数=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低,阻感负载阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(wL/R)晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j,在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为ja由图（b）可知，晶闸管的导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。一个晶闸管导通时，其负载电流io的表达式为,图单相交流调压电路电感性负载和工作波形,当t时，io0。将此条件代入可求得导通角与控制角、负载阻抗角之间的定量关系表达式为,针对交流调压器，其导通角180，再根据上式可绘出f（，）曲线，如图5-4所示。,下面分别就、三种情况来讨论调压电路的工作情况。(1)当时，由式可以判断出导通角180,正负半波电流断续。越大，越小，波形断续愈严重。,图5-4以为参变量时与的关系,(2)当时，由式可以计算出每个晶闸管的导通角180。此时，每个晶闸管轮流导通180，相当于两个晶闸管轮流被短接，负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。(3)当时，电源接通后，在电源的正半,周，如果先触发V1，则可判断出它的导通角180。如果采用窄脉冲触发，当V1的电流下降为零而关断时，V2的门极脉冲已经消失，V2无法导通。到了下一周期，,图感性负载窄脉冲触发时的工作波形,V1又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成单向半波整流现象，如图所示，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发，以保证V1管电流下降到零时，V2管的触发脉冲信号还未消失，V2可在V1电流为零关断后接着导通。但V2的初始触发控制角-，即V2的导通角180。从第二周开始，由于V2的关断时刻向后移，因此V1的导通角逐渐减小，V2的导通角逐渐增大，直,到两个晶闸管的导通角180时达到平衡。根据以上分析，当并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角（负载的功率因素角），所以的移相范围为180。三相交流调压电路工业中常用的异步电动机都是三相的，因此，晶闸管交流调压电路大都采用三相交流调,压电路。将三对反并联的晶闸管分别接至三相负载及构成了一个典型的三相交流调压电路。三相交流调压电路的分析与单相电路的分析大同小异。但是必须注意它的特殊性。就三相交流调压电路来说，为保证输出电压对称并有相应的控制范围，首先要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。其次是在电感负载或小导通角情况下，为了确保晶闸管可靠触发，如同三相全控桥式整流电路一样，要求采用控制角大于60度的双脉冲或宽脉冲触发电路。用三只双向晶闸管作开关元件，分别接至负,载就构成了三相调压电路。负载可以是Y连接也可以是连接。通过控制触发脉冲的相位控制角，便可以控制加在负载上的电压的大小。对于这种不带零线的调压电路，为使三相电流构成通路，使电流连续，任意时刻至少要有两个晶闸管同时导通。为了调节电压，需要控制触发脉冲的相位角。为此对触发电路的要求：（1）三相正（或负）触发脉冲依次间隔120，而每一相正、负触发脉冲间隔180。（2）为了保证电路起始工作时能两相同时导通，以及在感性负载和控制角较大时仍能保持,两相同时导通，和三相全控桥式整流电路一样，要求采用双脉冲或宽脉冲（大于60）触发。（3）为了保证输出三相电压对称可调，应保持触发脉冲与电源电压同步。（4）对双向晶闸管而言，一般采用一、三象限触发。三相交流调压电路带电感性负载时，分析工作很复杂，因为输出电压与电流存在相位差，在线电压或相电压过零瞬间，晶闸管将继续导通，负载中仍有电流流过，此时晶闸管的导通,角不仅与控制角有关，而且与负载功率因数角有关。如果负载是感应电动机，则功率因数角还要随电机运行情况的变化而变化，这将使波形更加复杂。但从实验波形可知，三相感性负载的电流波形与单相感性负载时的电流波形的变化规律相同，即当并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波；改变控制角，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。要实现交流调压的目的，则最小控制角，在相同负载阻抗角的情况下，越大，晶闸管,的导通角越小，流过晶闸管电流也越小。,根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式,图三相交流调压电路a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结,1星形联结电路可分为三相三线和三相四线两种情况三相四线基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。三相三线，电阻负载时的情况任一相导通须和另一相构成回路，电流通路,中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1-VT6,依次相差60相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0-150(1)0a60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a。但a=0时一直是三管导通(2)60a90：两管导通，每管导通120(3)90a150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002a,c)a=120,不同a角时负载相电压波形,a)a=30,b)a=60,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（见图5-5），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（见图5-6a）。,1.系统组成,2.系统静特性,3.系统静态结构,n=f(Us,Te)，是一个非线性函数,闭环变压调速系统的近似动态结构图,1、转速调节器ASR,转速调节器ASR常用PI调节器，其传递函数为,2、晶闸管交流调压器和触发装置,装置的输入-输出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，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。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,3、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,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。,*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。,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,1、起动电流和转矩