第一章交流调压调速系统

1、第一章交流调压调速系统第一章交流调压调速系统 一、引言一、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( (俗称鼠笼条俗称鼠笼条) )构成，可以自成回路，形状象个构成，可以自成回路，形状象个“鼠鼠笼笼”，故常称为笼形电动机，如图所示。，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

2、-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123645789101112在所有电动机中，这种结构在简单、坚固方面是首在所有电动机中，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。独占鳌头。 在在2020世纪的大部分时间里，约占有整个电力拖动容世纪的大部分时间里，约占有整个电力拖动容量的量的80%80%的的不变速拖动不变速拖动系统都是采用的交流电动机，

3、系统都是采用的交流电动机，而只占而只占20%20%的高控制性能的高控制性能可调速的电力拖动可调速的电力拖动系统采用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。中得以使用。%s)91( 转子转速亦可由转差率求得：转子转速亦可由转差率求得：%100%10011

4、nnnnns)1 (60)1 (11spfsnn交流调速的基本方案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：由异步电动机的转差率与转速之间的关系：)1 (60)1 (1111spfsnsnnn2pp122mrer22m1121212033/nn U rsPRTIsrrXXs异步电机的电磁转矩为异步电机的电磁转矩为（1-1） 式（1-1）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，电磁转矩与电磁转矩与定子电压的平方成正比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1-1所示，图中，UsN表示额定定子电压。一一.异步电机的调压调速原理异步电机的调压调速原

5、理 异步电动机机械特性异步电动机机械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性图1-1 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 2、最大转矩公式、最大转矩公式2rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT 最大转矩时的静差率和最大转矩最大转矩时的静差率和最大转矩（1-21-2）（1-31-3） 为了能在

6、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1-2。 交流力矩电机的机械特性交流力矩电机的机械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性图1-2 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 调压调速常用的方法有调压调速常用的方法有：l定子测串饱和电抗器 多余的能量被电阻以热能的多余的能量被电阻以热能的形式消耗掉形式消耗掉l定

7、子测加自耦变压器 多余的能量的能量没有被回多余的能量的能量没有被回收收l晶闸管调压 交流调压器的主要形式交流调压器的主要形式单相交流调压电路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。图1-3 晶闸管单相调压电路图1-3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

8、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。 单相交流调压电路单相交流调压电路 RuouV1V22sin21RURUIoo图 1-4 单相交流调压电路0

9、ut0tuo0ug1t0ug2t图 1-5 电阻性负载单相交流调压电路工作波形 电阻性负载电阻性负载 在电源电压在电源电压u u 的正半周内，晶闸管的正半周内，晶闸管V V1 1承受正向电压，承受正向电压，当当tt时，触发时，触发V V1 1使其导通，则负载上得到缺使其导通，则负载上得到缺角的正弦半波电压，当电源电压过零时，角的正弦半波电压，当电源电压过零时，V V1 1管管电流下电流下降为零而关断。降为零而关断。 在电源电压在电源电压u u 的负半周，的负半周，V V2 2晶闸管承受正向电压，晶闸管承受正向电压，当当tt时，触发时，触发V V2 2使其导通，则负载上又得使其导通，则负载上又得

10、到缺到缺角的正弦负半波电压。持续这样的控制，在负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载电阻上便得到每半波缺角的正弦电压。改变角的正弦电压。改变角角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。的大小，便改变了输出电压有效值的大小。 设设 , , 随着随着角的增大，角的增大，U Uo o逐渐减逐渐减小小; ;当当时，时，U Uo o0 0。因此，单相交流调压器对于。因此，单相交流调压器对于电阻性负载，电阻性负载， 其电压的输出调节范围为其电压的输出调节范围为0 0U U，控制，控制角角的移相范围为的移相范围为0 0。2sinuUt输出电压与输出电压与a 的关系的关系: : 移相

11、范围为0 a 。a =0时，输出电压为最大，Uo=U1。随a的增大，Uo降低，a =时，Uo=0。功率因数功率因数与与a 的关系的关系： a =0时，功率因数=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低阻感负载时：阻感负载时：负载的阻抗负载的阻抗：负载阻抗角负载阻抗角： arctanWLR22)(WLRZ设电路中电压为设电路中电压为)sin(2)(wtUtu假设电路中的晶闸管在假设电路中的晶闸管在t=0时刻触发导通，时刻触发导通，等效于此时触发角为等效于此时触发角为二.晶闸管三相调压电路此时电路合闸的瞬时电流为：tLReZUwtZUt i)sin(2)sin(2)(11稳态分量，记为)(ti暂

12、态分量，记为()i t 感性负载的电流滞后电压一个角度，对于异步电动感性负载的电流滞后电压一个角度，对于异步电动机，电路的总阻抗随转差率机，电路的总阻抗随转差率S S的变化而变化，阻抗是变的变化而变化，阻抗是变化的，阻抗角就为变量化的，阻抗角就为变量 针对交流调压器，晶闸管导通角针对交流调压器，晶闸管导通角180180，再根，再根据据f f（, ）可绘出曲线，如图）可绘出曲线，如图1-6 1-6 所示。所示。 040801201401804080120140180 / / ( 153045607590) 下面分别就下面分别就 、 、 三种情况来三种情况来讨论调压电路的工作情况。讨论调压电路的工

13、作情况。(1) (1) 当当 时，时， 由式可由式可以判断出导通角以判断出导通角180180, , 正负半波电流断续。正负半波电流断续。越越大，大，越小，波形断续愈越小，波形断续愈严重。严重。图1-6 以 为参变量时与的关系 此时电路中 0,0,使得使得i(t)i(t)到达零点的时间比到达零点的时间比 到达零点的时间推迟了到达零点的时间推迟了当下一个晶闸管的触发脉冲到达时，前一导通的晶闸管还当下一个晶闸管的触发脉冲到达时，前一导通的晶闸管还未关断，下一管子的触发信号起不了作用从而未关断，下一管子的触发信号起不了作用从而不能导通不能导通0ut0ug1t0ug2t0iot图1-7 感性负载窄脉冲触

14、发时的工作波形窄脉冲触发时，结果形成单向半波整流现象，如图1-7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。 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导通角逐渐减小，V2导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角180解决上述失控现象的办法是：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

15、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。图1-8 电流标幺值与电流标幺值与控制角的关系控制角的关系三相交流调压电路 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。根据联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式根据联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式1 1）三相全波星形联接的调压电路三相全波星形联接的调压电路2 2）带零线的）带零线的三相全波星形联接三相全波星形联接 调压电路（零线的电流大）调压电路（零线的电流大）3 3）三相半控星形联接的调压

16、电路三相半控星形联接的调压电路4 4）晶闸管与负载接成内三角形的晶闸管与负载接成内三角形的 调压电路调压电路5 5）晶闸管三角形联接的调压电路晶闸管三角形联接的调压电路 图 1-9 三相交流调压电路 星形联结 b) 线路控制三角形联结 a) c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结n负载acn负载abca)b)负载abcc)负载bd) 图4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2l晶闸管导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 晶闸管脉冲依次相差60特点：l晶闸管进行调压时，负载电流为非

17、正弦波。非正弦晶闸管进行调压时，负载电流为非正弦波。非正弦波信号中必有谐波分量存在，谐波分量不仅与触发波信号中必有谐波分量存在，谐波分量不仅与触发角角 有关，还与电路的结构有关。有关，还与电路的结构有关。三三.闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统异步电动机开环机械特性很软异步电动机开环机械特性很软 且开环调压调速的范围太小且开环调压调速的范围太小需要采用闭环调速系统。需要采用闭环调速系统。给定转速转速调节 器触发电路主电路测速电机图图1-10 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TG-Ucn1.转速闭环调压调速系统的

18、组成：转速闭环调压调速系统的组成：l工作在A点，当负载增大从而转速下降，系统则提高定子电压，从而在新的特性曲线上找到A 点，如果负载减少，转速增大，系统减少定子电压，找到新的工作点A 点，从而保持转速的恒定。eTOnn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性图图 1-11 闭环控制变压调速系统的静特性闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2如果电压调整到如果电压调整到极限值，闭环系极限值，闭环系统失去控制能力统失去控制能力系统的工作点只系统的工作点只能沿着开环极限能沿着开环极限值变化值变化2.调压调速系统的静态结构图调压调速系统的静态结构图各控制环节的输入输出关系为：各控制环节

19、的输入输出关系为：图图1-12 1-12 闭环调速的结构框图闭环调速的结构框图Ksn=f(Us,Te) ASRU*nUnUcUs-TLn图图1-13异步电机闭环变压调速系统的静态结构图异步电机闭环变压调速系统的静态结构图 n =f (Us, Te ) ，是，是一个非线性函数一个非线性函数图1-14 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图 MA异步电机 FBS测速反馈环节 WFBS(s) U*n(s)Un(s)Uc (s)-n(s)WASR(s)WGT-V (s)WMA (s)Us(s)3.3.闭环变压调速系统的近似动态结构图闭环变压调速系统的近似动态结构图 转速调节器转速调节器ASR 转速调

20、节器转速调节器ASRASR常用常用PIPI调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为ssKsWnnnASR1)( 晶闸管交流调压器和触发装置晶闸管交流调压器和触发装置 装置的输入装置的输入- -输出在一定范围内可假定为线性函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。传递函数可写成递函数可写成 其近似条件是其近似条件是 对于三相全波对于三相全波Y Y联结调压电路，可取联结调压电路，可取Ts = 3.3ms 1)(ssVGTsTKsWsc31T 测

21、速反馈环节测速反馈环节 考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成的传递函数可写成1)(onFBSsTsW异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即即 把得到的四个传递函数式写入图把得到的四个传递函数式写入图1-14中中各方框内，即得异步电机变压调速系统微各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的偏线性化的近似动态结构图近似动态结构图。1)()()(mMAsMAsTKsUssW四.基于单片机的交流调压调速系统设计 单片机控制调压调速控制器应能实现如下功能单片机控制调压调速控制器应能实现如下功能: :l能够在

22、内部产生可由用户选择的理想速度指令能够在内部产生可由用户选择的理想速度指令曲线，以数字化方法实现速度给定；曲线，以数字化方法实现速度给定；l晶闸管触发；晶闸管触发；l对起动加速和制动减速过程进行闭环控制；对起动加速和制动减速过程进行闭环控制；l对电机速度进行检测；对电机速度进行检测；l提供必要的保护；提供必要的保护；l使用单片机控制；使用单片机控制；l具有显示转速的功能；具有显示转速的功能；l具有良好的抗干扰性能。具有良好的抗干扰性能。基于单片机的具有以上功能的调压调速控制器的功基于单片机的具有以上功能的调压调速控制器的功能结构如图能结构如图1-151-15所示所示： 图1-15调压调速控制器的结构框图调压调速控制主回路的线路原理图调压调速控制主回路的线路原理图 同步信号输入电路同步信号输入电路 T1T2T3UVWU1V1W1触触发线发线路的路的结构结构及工及工作原作原理图