天津大学 运动控制系统(二)课件 第2篇

1、1 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统 第第2 2篇篇 交流调速系统交流调速系统 魏熙乐魏熙乐 天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 Tel:E-mail: 2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 图图1-2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 3 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 l直流调速系统和交流调速系统在直流调速系统和交流调速系统在19世纪世纪 中叶先后诞生，在中叶先后诞生，在20世纪前半叶，世纪前半叶，约占约占 整个电力拖动容量整个电力拖动容量80%的不可调速系统的不可调速系统

2、采用交流电动机采用交流电动机，只有，只有20%的高性能可的高性能可 调速系统采用直流电动机。调速系统采用直流电动机。 4 直流电动机工作原理直流电动机工作原理 直流电动机模型直流电动机模型 换向器的作用换向器的作用 5 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 l直流调速系统直流调速系统 优点：优点： 直流电动机的直流电动机的数学模型简单数学模型简单，转矩易于控，转矩易于控 制。制。 缺点：缺点： 具有电刷和换向器具有电刷和换向器，必须经常检查维修，必须经常检查维修 换向火花使直流电机的应用环境受到限制换向火花使直流电机的应用环境受到限制 换向能力限制了直流电机的容量和速度等换向能力限

3、制了直流电机的容量和速度等 6 n异步电动机工作原理：异步电动机工作原理： 异步电动机的电枢在定子上，为三相对称的交流异步电动机的电枢在定子上，为三相对称的交流 绕组；三相对称交流绕组通入三相对称交流电流绕组；三相对称交流绕组通入三相对称交流电流 时，将在电机气隙空间产生时，将在电机气隙空间产生旋转磁场旋转磁场；转子绕组；转子绕组 的导体处于旋转磁场中；转子导体切割磁力线，的导体处于旋转磁场中；转子导体切割磁力线， 并产生并产生感应电势感应电势，并产生，并产生感应电流感应电流；感应电流与；感应电流与 旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力作用在转旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力作用在转 子上将产

4、生电磁转矩，并驱动转子旋转。子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 7 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 l交流调速系统交流调速系统 优点：优点： 无电刷，无需换向无电刷，无需换向，结构点简单，成，结构点简单，成 本低、工作可靠、维护方便、惯量小、本低、工作可靠、维护方便、惯量小、 效率高效率高 缺点：缺点： 动态数学模型复杂具有非线性多变量动态数学模型复杂具有非线性多变量 强耦合的性质强耦合的性质 8 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 l解决交流电动机的调速问题，依赖解决交流电动机的调速问题，依赖 于以下两点：于

5、以下两点： 变频技术（电力电子技术的发展，如变频技术（电力电子技术的发展，如 IGBT，MOSFET）整流整流-逆变装置逆变装置 新兴的控制技术新兴的控制技术 9 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 n到到20世纪世纪6070年代，随着电力电子技术的年代，随着电力电子技术的 发展，使得采用发展，使得采用电力电子变换器电力电子变换器的交流拖动的交流拖动 系统得以实现，特别是大规模集成电路的出系统得以实现，特别是大规模集成电路的出 现，使得现，使得交流调速系统实现成为可能交流调速系统实现成为可能，打破，打破 了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局。了直流调速系统一统高性能拖动天下的格

6、局。 n交流调速系统能否取代直流调速系统？交流调速系统能否取代直流调速系统？ 10 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 l交流调速系统的控制方法交流调速系统的控制方法 早期方法早期方法基于稳态数学模型基于稳态数学模型 新兴的控制技术新兴的控制技术矢量控制、直接转矩控矢量控制、直接转矩控 制制 F. Blaschke, “感应电机磁场定向控制原理感应电机磁场定向控制原理” P. C. Custman, “定子电压坐标变换控制定子电压坐标变换控制” 难波江章，难波江章，“转差型矢量控制转差型矢量控制” W. Leonhard, “通用高性能矢量控制系统通用高性能矢量控制系统” Dep

7、enbrook，“直接转矩控制直接转矩控制” 11 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 l进入进入21世纪后，用世纪后，用交流调速系统取交流调速系统取 代直流调速系统代直流调速系统已成为不争的事实。已成为不争的事实。 交流拖动控制系统已经成为当前电力拖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。动控制的主要发展方向。 12 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域 主要有三个方面：主要有三个方面： n一般性能的节能调速一般性能的节能调速 n高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 n特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流

8、调速 13 一般性能调速和节能调速一般性能调速和节能调速 l风机、水泵风机、水泵对调速范围和动态性能对调速范围和动态性能 的要求都不高，只要有一般的调速的要求都不高，只要有一般的调速 性能就足够了。性能就足够了。 l需要调速，但对调速性能要求不高需要调速，但对调速性能要求不高 的生产机械，也属于一般性能调速。的生产机械，也属于一般性能调速。 14 高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 l矢量控制技术矢量控制技术、直接转矩控制直接转矩控制 l可以和直流调速系统媲美的高性能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。交流调速系统和交流伺服系统。 15 特大容

9、量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 l特大容量的电力拖动设备特大容量的电力拖动设备 厚板轧机厚板轧机、矿井卷扬机矿井卷扬机等，以及极等，以及极 高转速的拖动，如高转速的拖动，如高速磨头高速磨头、离心离心 机机等，都以采用交流调速为宜。等，都以采用交流调速为宜。 16 按按调速方法调速方法分类分类 降电压调速降电压调速 转差离合器调速转差离合器调速 转子串电阻调速转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速变极对数调速 变压变频调速变压变频调速 交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速 17 按照交流

10、异步电机的原理，从按照交流异步电机的原理，从 定子传入转子的定子传入转子的电磁功率电磁功率Pm可可 分成：分成： 机械功率机械功率Pmech-拖动负载的有拖动负载的有 效功率；效功率； 转差功率转差功率Ps-传输给转子电路的，传输给转子电路的， 与转差率与转差率s 成正比。成正比。 P Pmech mech P Pm m P Ps s Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 按按能量转换能量转换类型分类类型分类 交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速 18 n从能量转换的角度看，从能量转换的角度看，转差功率是否增大转差功率是否增大

11、，能量，能量 是被消耗掉还是得到利用，是是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率评价调速系统效率 高低的标志高低的标志。 n按按转差功率转差功率将异步电动机的调速系统分成三类：将异步电动机的调速系统分成三类： 转差功率消耗型转差功率消耗型 转差功率馈送型转差功率馈送型 转差功率不变型转差功率不变型 按按能量转换能量转换类型分类类型分类 交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速 19 l全部转差功率都全部转差功率都转换成热能消耗转换成热能消耗在转子回路中。在转子回路中。 l以以增加转差功率的消耗来换取转速降低增加转差功率的消耗来换取转速降低（恒转矩（恒转矩 负载时），越到低速

12、效率越低。负载时），越到低速效率越低。 l结构简单，设备成本少，还有一定的应用价值。结构简单，设备成本少，还有一定的应用价值。 转差功率消耗型转差功率消耗型 降电压调速降电压调速 转差离合器调速转差离合器调速 转子串电阻调速转子串电阻调速 交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速 20 n转差功率一部分被消耗掉（转子铜损），转差功率一部分被消耗掉（转子铜损），大部分则大部分则 通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。 n功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈双馈 调速系统。调速系

13、统。 n无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本 身的损耗后，最终都转化成有用的功率身的损耗后，最终都转化成有用的功率,效率较高效率较高， 只能采用只能采用绕线转子感应电动机绕线转子感应电动机。 转差功率馈送型转差功率馈送型 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速 21 l 转差功率只有转差功率只有转子铜损转子铜损，而且无论转速高低，而且无论转速高低，转差转差 功率基本不变功率基本不变，因此，因此效率更高效率更高。 l 变极对数调速是有级的，应用场合

14、有限。变极对数调速是有级的，应用场合有限。 l 变压变频调速变压变频调速应用最广，可取代直流调速；但在应用最广，可取代直流调速；但在 定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器， 相比之下，设备成本最高。相比之下，设备成本最高。 变极对数调速变极对数调速 变压变频调速变压变频调速 转差功率不变型转差功率不变型 交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速 22 降电压调速降电压调速 转差离合器调速转差离合器调速 转子串电阻调速转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速绕线转子电动机串级调速 和双馈电动机调速和双馈电动机调速 变极对数调速

15、变极对数调速 变压变频调速等变压变频调速等 交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速 转差功率消耗型转差功率消耗型 转差功率馈送型转差功率馈送型 转差功率不变型转差功率不变型 按按调速方法调速方法分分 类类 按按能量转换能量转换类型分类类型分类 23 l同步电动机没有转差，也就同步电动机没有转差，也就没有转差功率没有转差功率， 所以同步电动机调速系统只能是所以同步电动机调速系统只能是转差功率不转差功率不 变型变型。 l同步电动机转子极对数是固定的，只能靠同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变变 压变频调速压变频调速。没有像异步电机那样的多种调没有像异步电机那样的多种调 速方法

16、。速方法。 交流电动机调速交流电动机调速 同步电动机调速同步电动机调速 24 l从从频率控制的方式频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为来看，同步电动机调速可分为 他控变频调速他控变频调速和和自控变频调速自控变频调速两类。两类。 l他控变频调速他控变频调速利用独立的变压变频装置给同步电利用独立的变压变频装置给同步电 动机供电。（结构简单，可能产生失步现象）动机供电。（结构简单，可能产生失步现象） l自控变频调速自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制利用转子磁极位置检测信号来控制 变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速， 或无刷直流电动机调速

17、。（结构复杂，从根本上或无刷直流电动机调速。（结构复杂，从根本上 消除失步问题）消除失步问题） 交流电动机调速交流电动机调速 同步电动机调速同步电动机调速 25 两类交流调速两类交流调速 l基于交流电动机的基于交流电动机的稳态模型稳态模型，其，其动态性动态性 能不高能不高，是在交流调速发展初期出现的。，是在交流调速发展初期出现的。 l基于交流电动机的基于交流电动机的动态模型动态模型，能实现，能实现高高 动态性能动态性能，是随着客观需要和研究成果，是随着客观需要和研究成果 陆续开发出来的。陆续开发出来的。 26 主要章节主要章节 第第5章章 闭环控制的异步电动机变压调速系统闭环控制的异步电动机变

18、压调速系统 第第6章章 绕线转子异步机双馈调速系统绕线转子异步机双馈调速系统 第第7章章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 第第8章章 同步电动机变压变频调速系统（同步电动机变压变频调速系统（*） 27 电机学与本课程关系密切的环节电机学与本课程关系密切的环节 （异步电动机的稳态模型）（异步电动机的稳态模型） n1 感应电势感应电势 n2 等值电路等值电路 n3 功率流程功率流程 n4 机械特性机械特性 28 1 感应电势（折算后）感应电势（折算后） 1 4.44 gsNsm Ef N K 1 4.44 rsNsmr Ef N K 1 4.44 ssNsms Ef N

19、K n定子全磁通定子全磁通 在定子每相绕组中的在定子每相绕组中的感应电势感应电势 ms n转子全磁通转子全磁通 在转子每相绕组中的在转子每相绕组中的感应电势感应电势 mr n气隙磁通气隙磁通 在定子每相绕组中的在定子每相绕组中的感应电势感应电势 m 29 2 等值电路等值电路 ns是异步电机的一个基本参数，没有单位，是异步电机的一个基本参数，没有单位， 它的大小反映了异步电机转子的转速它的大小反映了异步电机转子的转速n。 n正常运行的异步电动机正常运行的异步电动机，转子转速转子转速n接近于接近于 同步转速同步转速n1。 。 n转差率转差率s很小很小,一般一般s =0.010.05。 pec 1

20、 1 1 n nn n n s 转差率转差率s 30 折算前稳态电路折算前稳态电路 等效稳态电路等效稳态电路 频率频率 折算折算 绕组绕组 折算折算 用静止转子代替旋转转子用静止转子代替旋转转子 附加电阻上消耗的电功率附加电阻上消耗的电功率 等于电机输出的机械功率等于电机输出的机械功率 2 等值电路等值电路 31 T形等效电路形等效电路 在异步电动机分析中具有重要地位。在异步电动机分析中具有重要地位。 2 等值电路等值电路 折算原则：折算原则： （1 1）磁势不变）磁势不变 （2 2）功率不变）功率不变 32 pec 2 等值电路等值电路 33 R1，R2-定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相

21、电阻定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻; Ll1，Ll2一定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感一定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感; Lm一一定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电感即励磁电感; U1 ， ， 1一 一电动机定子相电压和供电角频率电动机定子相电压和供电角频率; S 转差率转差率 2 等值电路等值电路 忽略铁损忽略铁损 34 pec 2 等值电路等值电路 35 转差功率转差功率Ps （转子铜耗（转子铜耗Pcu2） 转子机械功率转子机械功率 Pmec=P2+pmec+ps 定子铜耗定子铜耗pcu1 铁耗铁耗pFe 电磁功率

22、电磁功率PM 电源电源 输入输入 功率功率 P1 3 功率流程功率流程 36 电源输入功率电源输入功率 定子绕组的铜耗定子绕组的铜耗 铁耗铁耗 pFe1定子铁心中的磁滞损耗定子铁心中的磁滞损耗+涡流损耗，正常运行时涡流损耗，正常运行时 转子铁耗转子铁耗pFe2可忽略。可忽略。 11111 cosIUmP 1 2 111cu rImp m 2 011FeFe rImpp 3 功率流程功率流程 定子侧定子侧 37 电磁功率电磁功率 （通过电磁感应由定子（通过电磁感应由定子 传递给转子）传递给转子） 转子铜耗（转差功率）转子铜耗（转差功率） M / 2 2/ 212Cu sPrImp 转子的机械功率

23、转子的机械功率 M / 2 2/ 22CuMmec P) s1 (r s s1 I3pPP / 1222222211 /2/ 1 22 coscos McuFe Pm E Im E IPpp m Irs 3 功率流程功率流程 转子侧转子侧 38 电磁转矩电磁转矩 除以转子机械角速度除以转子机械角速度 rad/srad/s，得异步电动机的，得异步电动机的转矩平衡方程式转矩平衡方程式 20e TTT （电磁转矩（电磁转矩= =轴上输出转矩轴上输出转矩+ +空载转矩）空载转矩） e 1 T mecM PP )pp(PP smec2mec 电机轴上输出的机械功率电机轴上输出的机械功率P2要由要由Pme

24、c扣除机械损耗扣除机械损耗pmec（轴承、风（轴承、风 阻等摩擦阻转矩）和附加损耗阻等摩擦阻转矩）和附加损耗ps（齿槽影响，谐波磁势作用）。（齿槽影响，谐波磁势作用）。 返回目录返回目录 ? 3 功率流程功率流程 39 3 功率流程功率流程 40 pec 根据等效电路推导机械特性有两条途径，根据等效电路推导机械特性有两条途径， 二者本质上是一致的二者本质上是一致的 4 机械特性机械特性 s R I n3 n s R I3 P T 2 2 2 1 p p 1 2 2 2 1 M e 1、 e 2、 41 途径途径1.1用用U1表示表示 2 2l11 l 2 1 2 2 11 1 2 LCL s

25、R CR U I 1 L L 1 Lj LjR 1C m 1 l m1 1 l11 1 2 2l1 l 2 1 2 2 1 1 21 LL s R R U II s R I n3 T 2 2 2 1 p e 4 机械特性机械特性 忽略励磁电流忽略励磁电流 42 得异步机的得异步机的机械特性方程式机械特性方程式 2 21 2 1 2 2 11 2 2 1 3 ll p e LL s R R s R Un T 根据根据 s R I n3 T 2 2 2 1 p e 上式是异步机调压调速的基础，上式是异步机调压调速的基础， 经过变化后，是恒压频比变频调速的基础。经过变化后，是恒压频比变频调速的基础。 4 机械特性机械特性 43 将上式对将上式对s求导求导, 并令并令 dTe/ds=0，可求得产生最，可求得产生最 大转矩时的大转矩时的临界转差率临界转差率 2 2l1 l 2 1 2 1 2 m LLR R s 最大转矩最大转矩 2 1 max 2 22 111112 3 2 p e ll n U T RRLL 最大转矩与电网电压的平方成正比；最大转矩与电网电压的平方成正比； 最大转矩近似于漏电抗反比最大转矩近似于漏电抗反比 最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整；最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整； 最大转