华科 第5章(电力拖动控制系统)

1、5.1.1 交流调速的发展概况交流调速的发展概况 交流调速系统：交流调速系统：由交流电动机由交流电动机拖动拖动、电机转速为、电机转速为控制目标控制目标的电力拖动自动控制系统的电力拖动自动控制系统 直流电动机优点：直流电动机优点：调速性能好调速性能好 直流电动机缺点：直流电动机缺点：体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难 l 20 20世纪世纪7070年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。 同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的同

2、期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的 飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。 交流电动机优点交流电动机优点 ：结构简单可靠，维护少，无机械换向火花，结构简单可靠，维护少，无机械换向火花，制造成本低制造成本低 51 交流调速系统概述交流调速系统概述 l 20 20世纪世纪8080年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。 l 目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运

3、行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。 第第5章章 异步电动机调压调速系统异步电动机调压调速系统 l 20 20世纪世纪9090年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。 励磁同步电动机励磁同步电动机 5.1.2交流调速系统的分类交流调速系统的分类 交流电动机交流电动机 异步电动机异步电动机 永磁同步电动机永磁同步电动机 无刷直流电动机及无刷直流电动机及 开关磁阻电动机都满足开关磁阻电动机都满足 “定子电流的频率与转定子电流的频率与转 速有严格比例关系速有严格

4、比例关系”的的 条件，所以也把它归入条件，所以也把它归入 同步电动机。同步电动机。 当电机转子的转速与当电机转子的转速与 定子电流的频率有严格定子电流的频率有严格 比例关系的电动机称同比例关系的电动机称同 步电动机，无严格比例步电动机，无严格比例 关系的电动机称异步电关系的电动机称异步电 动机。动机。 特种同步电动机特种同步电动机 无刷直流电动机无刷直流电动机 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 直流无换向器电动机直流无换向器电动机 交流无换向器电动机交流无换向器电动机 交流电动机是交流电动机是 定子绕组通入交流定子绕组通入交流 电电( (或周期脉冲电或周期脉冲电 流流) )的电机，其定的电机，其定

5、 子磁动势是一个旋子磁动势是一个旋 转转( (或步进旋转或步进旋转) )的的 磁动势。磁动势。 同步电动机同步电动机 u交流调速系统的分类交流调速系统的分类 电动机类别电动机类别调速原理调速原理 电力电子变换器电力电子变换器 形式形式 变换器的变换器的 电源特性电源特性 异异 步步 电电 动动 机机 绕线式转子绕线式转子 感应电动机感应电动机 串级调速（变转差）串级调速（变转差） 交直交变频交直交变频 （整流有源逆变）（整流有源逆变） 交交变频交交变频 电流源型电流源型 鼠笼式转子鼠笼式转子 感应电动机感应电动机 调压调速调压调速交流调压交流调压电压源型电压源型 变频调速，他控式变频调速，他控

6、式 变频调速，矢量控变频调速，矢量控 制制 交直交变频交直交变频 （整流无源逆变）（整流无源逆变） 交交变频交交变频 电流源型电流源型 电压源型电压源型 同同 步步 电电 动动 机机 常规意义常规意义 同步电动机同步电动机 无换向器无换向器 电机电机 变频调速，自控式变频调速，自控式 交直交变频（可控交直交变频（可控 整流有源逆变）整流有源逆变） 交交变频交交变频 电流源型电流源型 无刷直流电动机无刷直流电动机变频调速，自控式变频调速，自控式交直交变频交直交变频 电压源型电压源型 开关磁阻电动机开关磁阻电动机变频调速，自控式变频调速，自控式 交直交，交直交， （单极性脉动电流）（单极性脉动电流

7、） 5.1.3 异步电动机调速系统的分类异步电动机调速系统的分类 1.异步电动机功率异步电动机功率(能量能量)图图 从定子传入转从定子传入转 子的电磁功率子的电磁功率 总机械功率总机械功率 转子铜耗转子铜耗 （转差功率）（转差功率） 定义：转差功率定义：转差功率 Ps s Pm 1 mccem Ps P 2cuems psPP 2emmeccu PPp em P 2.常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类） 调压调速；调压调速； 电磁转差离合器调速；电磁转差离合器调速； 绕线转子转子回路串电阻调速；绕线转子转子回路串电阻调速； 串级调速；串级调速；

8、变极调速；变极调速； 变频调速；变频调速； 定子回路串电抗调速。定子回路串电抗调速。 s p f n1 60 1 3 调速系统按所改变的物理量分类调速系统按所改变的物理量分类 （1）变频调速）变频调速 （2）变极调速）变极调速 （3）变转差率调速）变转差率调速 4. 按转差功率按转差功率Ps 去向分类去向分类 （1）转差功率消耗型）转差功率消耗型（系统效率较低）（系统效率较低） （2）转差功率回馈型）转差功率回馈型（把部份转差功率送回电网）把部份转差功率送回电网） （系统效率稍高）（系统效率稍高） （3）转差功率不变型）转差功率不变型（系统效率最高）（系统效率最高） 5.2 异步电动机调压调速

9、系统（交调系统）异步电动机调压调速系统（交调系统） 该系统使用的电动机一般是该系统使用的电动机一般是鼠笼型异步电动机。鼠笼型异步电动机。 5.2.1 异步电动机调压时的开环机械特性异步电动机调压时的开环机械特性 低转差率电动机调压调速时的低转差率电动机调压调速时的 开环机械特性开环机械特性 N U10 . 1 N U1707. 0 N U15 . 0 l 当电动机拖动当电动机拖动恒转矩负载恒转矩负载时，尽管电时，尽管电 压改变很大，但速度的变化并不大。系统压改变很大，但速度的变化并不大。系统 能调速的最大区域只在转差率能调速的最大区域只在转差率 之间之间 m ss0 l 当电动机拖动当电动机拖

10、动风机、泵类负载风机、泵类负载时不再受时不再受 Sm的限制，的限制， 异步电动机的固有机械特性方程异步电动机的固有机械特性方程 2 12 22 11212 3/ / pU Rs T RRsxx 风机泵类负载风机泵类负载 恒转矩负载恒转矩负载 l ，为减小损耗，电动机在额，为减小损耗，电动机在额 定点的转差率一般在定点的转差率一般在0.020.06之间，最大之间，最大 转矩时的转差率也较小，在转矩时的转差率也较小，在0.15左右左右 2 UT 0 T 1 N S m T S m S l T T 1 m T S m S l T a)b) 0 异步电动机调压调速时的开环机械特性异步电动机调压调速时的

11、开环机械特性 高转差率电动机高转差率电动机交流力矩电动机交流力矩电动机 为了能在恒转矩负载下扩大调压调速的范围，这就要求电动机有较大的为了能在恒转矩负载下扩大调压调速的范围，这就要求电动机有较大的Sm 可以使用可以使用高转差率电动机高转差率电动机或者或者交流力矩电动机交流力矩电动机，这两类电机，这两类电机通过通过增大转子电增大转子电 阻阻使电机的使电机的机械特性变软机械特性变软，Sm增大，拓宽了低速运行区增大，拓宽了低速运行区 。 u 交流力矩电动机交流力矩电动机允许电动机长期堵转及低速运行，允许电动机长期堵转及低速运行， Sm等于等于1，电动机的主要技，电动机的主要技 术参数就是堵转转矩，额

12、定点就是堵转点。术参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。 u 高转差率电动机高转差率电动机兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在0.070.13之间，之间， Sm一般在一般在0.5左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。 5.2.2 调压调速主电路调压调速主电路 + - s L M b) M 3 c) M 3 a) 串联分段串联分段 电抗器降压电抗器降压 串联飽和串联飽和 电抗器降压电抗器降压 l串联饱串联饱 和电抗器和电抗器 降压降压降压降压 调速原理调速原理 缺点缺点：需体积庞大且笨重的需体积庞大且笨重

13、的 设备，自电力电子技术发展设备，自电力电子技术发展 起来已很少采用。起来已很少采用。 自耦变压器自耦变压器 调压调压 l 现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成 的负载的负载Y接法的接法的晶闸管相控交流调压器晶闸管相控交流调压器 l VVC为相控交流调压器，由三只双向为相控交流调压器，由三只双向 晶闸管或三对反并联晶闸管构成，电动晶闸管或三对反并联晶闸管构成，电动 机定子绕组接成机定子绕组接成Y接法接法 Y l V VC工作原理工作原理 VR 1C 1 VT 4 VT 6 VT 3 VT 5 VT 2 VT 2C VVC 1 i d I ABC 1C1C 2

14、C M 3 早期的早期的 方法有：方法有： l VR为可控整流桥，制动时用为可控整流桥，制动时用 5.2.3 调压调速系统的系统原理图调压调速系统的系统原理图 * n U n U ASR ct U VVC TGn M 3 3 异步电动机速度单闭环调压调速系统原理图异步电动机速度单闭环调压调速系统原理图 系统控制的对象：系统控制的对象：电动机的端电压电动机的端电压 速度调节器速度调节器ASR的输出：的输出： 电压指令信号电压指令信号 交流调压器的输出电压交流调压器的输出电压 U1与移与移 相控制角相控制角之间有确定的对应关系，之间有确定的对应关系， U1 与与是一一对应且是唯一的，因是一一对应且

15、是唯一的，因 此速度调节器的输出可直接作为此速度调节器的输出可直接作为角角 的指令值而不必再加电压闭环的指令值而不必再加电压闭环 l 限流环节限流环节检测异步检测异步 电动机的定子电流，与给电动机的定子电流，与给 定的限流值进行比较定的限流值进行比较 l GB框内的曲线是其输框内的曲线是其输 入输出曲线入输出曲线 带电流限流环节的单闭环调压调速系统带电流限流环节的单闭环调压调速系统 不但与不但与 角的大小有关，还与负载的功率因数角有关。角的大小有关，还与负载的功率因数角有关。 l VVC， 5.2.4 系统稳态结构图及其静特性系统稳态结构图及其静特性 异步电动机调压调速系统稳态结构图异步电动机

16、调压调速系统稳态结构图 l ASR是速度调节器，采用是速度调节器，采用PIPI调节器调节器 该系统与直流该系统与直流 VM系统有许多系统有许多 本质上的不同之处本质上的不同之处 是一个复杂的非线性函数，且是一个复杂的非线性函数，且 、 2 R 2 X 也不是一个定值，随电机转速变化而大幅度变化也不是一个定值，随电机转速变化而大幅度变化 可见用稳态结构图计算求解某些性能或确定控制调节参数时其结果是近似的。可见用稳态结构图计算求解某些性能或确定控制调节参数时其结果是近似的。 l 只要改变转速给定信号就可只要改变转速给定信号就可 以使静特性平行地上下移动，以使静特性平行地上下移动， 达到调速的目的。

17、达到调速的目的。 静特性静特性 s K )T ,U(fn 1 l 是一个无静差的系统是一个无静差的系统 l 左、右极限左、右极限 l 异步电机，异步电机， cts U/UK 1 )T ,U(fn 1 5.2.5 交流调压调速系统的制动交流调压调速系统的制动 l 交调系统制动时，通常采用交调系统制动时，通常采用在定子绕组中通入直流电流（能耗制动）在定子绕组中通入直流电流（能耗制动）的方法。的方法。 b)a) A B C d I A BC S F C F A F B F S F A F B F d I l 可控制整流桥可控制整流桥VR就是为制动而设置的。就是为制动而设置的。 1C断开、断开、2C闭

18、合、闭合、VR工作时，异步电动机工作时，异步电动机 将进入制动状态，直到电机停转。将进入制动状态，直到电机停转。 VR 1C 1 VT 4 VT 6 VT 3 VT 5 VT 2 VT 2C VVC 1 i d I ABC 1C1C 2C M 3 l 通直流时，通直流时， 电机绕组的两电机绕组的两 种常用接法：种常用接法： l 调节可控整流调节可控整流 电路输出电流电路输出电流Id 的大小，就可改的大小，就可改 变合成磁势变合成磁势Fs 的的 大小大小,就改变了制就改变了制 动转矩的大小。动转矩的大小。 n T 0 01 n l T A B 1 2 W V U 1 VT 6 VT a)b) U

19、UV i A B C i a) 等效电路图等效电路图 b)波形图波形图 l 触发触发VT1、VT6工作，恒关断工作，恒关断VT2、VT3、VT4、VT5，则，则A、 B两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上 l 改变控制角的大小，可改变平均制动转矩的大小。改变控制角的大小，可改变平均制动转矩的大小。 l 利用交流调压器主电路来实现制动时制动转矩一般较小，转矩脉动较大。利用交流调压器主电路来实现制动时制动转矩一般较小，转矩脉动较大。 l 能耗制动时，电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上，能耗制动时，电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上

20、， 拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上，拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上， l 利用交流调压器的主电路来实现能耗制动利用交流调压器的主电路来实现能耗制动 发热严重。发热严重。 5.2.6 交流调压调速系统的效率及电机冷却交流调压调速系统的效率及电机冷却 s P P P P em mec 1 1 2 当电动机转速降低（当电动机转速降低（s增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的 效率下降效率下降，电动机的，电动机的发热将增加发热将增加。 交流力矩电机：交流力矩电机：电动机的设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷电动

21、机的设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷 式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。 低转差率电机：低转差率电机：电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电 机发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生机发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生 过热。这类电机只能短时间内低速运行，或应重新考虑电动机的散热条件，防止过热。这类电机只能短时间内低速运行，或应重新考虑电动机的散热条件，防止 电机过热而烧毁。

22、电机过热而烧毁。 高转差率电动机：高转差率电动机：介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需 要加强电动机通风冷却系统。要加强电动机通风冷却系统。 l 效率及电机发热效率及电机发热 l 电机冷却电机冷却 5.2.7 系统的动态结构图系统的动态结构图 )( 1 sU)(sU ct - - )( * sU n )(sU n sT K i P 1 )(sn 1sT K S S )(sW MA )(sW FBS 交流电动机中的机、电、磁三种物理量的多变量之间的强耦合，交流电动机中的机、电、磁三种物理量的多变量之间的强耦合， 参数的时变性

23、及参数之间关系的非线性，使得建立交流调速系统精确参数的时变性及参数之间关系的非线性，使得建立交流调速系统精确 的数学模型极为困难。的数学模型极为困难。 l 只能在一些强假定条件下简化后，来建立其近似的数学模型：只能在一些强假定条件下简化后，来建立其近似的数学模型： a) b) 1 U 11 2 12 22 1 2/ 1 3 AA A sU Jr s p U 1 MA M K T s 1 U - - 1 U 1 1 2 6 AA pU s r sJ p + + - - T L T 2 1 2 12 3 A pU r + + 异步电动机的微偏线性化近似动态结构图异步电动机的微偏线性化近似动态结构图

24、 传递函数为：传递函数为： 1 sT K sW M MA MA 53 异步电动机调压调速系统的应用与节能异步电动机调压调速系统的应用与节能 缺点：缺点：调速范围不大，调速精度低，调速时电机发热严重调速范围不大，调速精度低，调速时电机发热严重 优点：优点：系统结构简单，容易实现，成本低廉系统结构简单，容易实现，成本低廉 主主 要要 的的 应应 用用 领领 域域 1需要调速运行的场合需要调速运行的场合 2异步电动机异步电动机“软起动软起动”装装 置置 3风机、泵类的调速节能风机、泵类的调速节能 u 交流调压交流调压象限，能耗制动象限，能耗制动象限，配合接触器象限，配合接触器四象限四象限 u 因此，

25、需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统 来实现来实现 ，例，例“交调交调”电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题）电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题） u 异步电动机的异步电动机的“软起动装置软起动装置”：利用带有限流环节的交流调压器利用带有限流环节的交流调压器 就可实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。就可实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。 u 若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为： 异步电动机的异步电动机的“多功能控制器多

26、功能控制器”。 u 风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。 风机、泵类的调速节能风机、泵类的调速节能 l 应用条件应用条件风机、水泵用不调速的交流电机，依赖于风机、水泵用不调速的交流电机，依赖于风门档板和阀风门档板和阀 门来调节流量门来调节流量，使大量的电功率白白消耗在档板和阀门上。，使大量的电功率白白消耗在档板和阀门上。 l 选用的理由选用的理由风机、水泵的转矩与转速平方成正比，功率与转速立方风机、水泵的转矩与转速平方成正比，功率与转速立方 成正比，因此对调速范围的要求不大，调速的精度要求也不高，动态响应成正比，因此对调速范围的要求不大，调速的精度要求也不高，动态响应 更是几乎没有要求，这些特征都使廉价的交流调压调速系统成为风机、水更