电力拖动自动控制系统第8-9课

1、第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 第五章第五章 交流电动机交流电动机调速系统调速系统 5 5- -1 1 交流电动机交流电动机调速系统调速系统概述概述5 5- -2 2 异步电动机的异步电动机的变压调速变压调速 5 5- -3 3 异步电动机的异步电动机的变频变压调速变频变压调速 5 5- -4 4 电力电子电力电子变压变频器变压变频器5 5- -5 5 转速开环转速开环变频变压调速系统变频变压调速系统 5 5- -6 6 转速闭环转差控制的转速闭环转差控制的调速系统调速系统 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 从直流传动到交流传动从直流传动到交流传动

2、 直流电力拖动和交流电力拖动在直流电力拖动和交流电力拖动在 19 世纪先后诞生。在世纪先后诞生。在 20 世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速调速性能，高性能，高性能可调速拖动都采用直流电机。性能可调速拖动都采用直流电机。 而约占电力拖动总容量而约占电力拖动总容量 80% 以上的不变速拖动系统则采以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际 直到直到 2

3、0 世纪世纪 60 70 年代，随着电力电年代，随着电力电子技术的发展，使得采用子技术的发展，使得采用电力电子变换器电力电子变换器的的交流传动系统交流传动系统得以实现，特别是大规模集成得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能电路和计算机控制的出现，高性能交流调速交流调速系统系统便应运而生，一直被认为是天经地义的便应运而生，一直被认为是天经地义的交、直流拖动按调速性能分工的格局终于被交、直流拖动按调速性能分工的格局终于被 直流传动系统调速性能好，容易控制，然而直流电直流传动系统调速性能好，容易控制，然而直流电机具有机具有电刷电刷和和换相器换相器，因此：，因此： 1、须经常检查维修

4、、须经常检查维修 2、应用环境受到限制、应用环境受到限制 3、限制了直流电机的容量和速度等、限制了直流电机的容量和速度等 交流电动机价格便宜，随着其调速性能的不断改进，交流电动机价格便宜，随着其调速性能的不断改进，交流传动控制系统交流传动控制系统已经成为当前已经成为当前电力传动控制电力传动控制的主的主要发展方向要发展方向。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 交流传动控制系统应用领域交流传动控制系统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

5、特大容量、极高转速的交流调速 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 一般性能一般性能的的节能调速节能调速 在过去大量的所谓在过去大量的所谓“不变速交流传动不变速交流传动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力传动总容量的一半以上，其中有工业电力传动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流传动本身不能调速，不得不依赖去的交流传动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。而把许多电能白白地浪费了。

6、 如果换成如果换成交流调速系统交流调速系统，把消耗在挡，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约水泵平均都可以节约 20 30% 以上的电能，以上的电能，效果是很可观的。效果是很可观的。 但风机、水泵的调速范围和对但风机、水泵的调速范围和对动态快动态快速性速性的要求都不高，只需要一般的调速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。能。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 高性能高性能的的交流调速系统交流调速系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机多用直

7、流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。显然能够带来不少的效益。 但是，由于交流电机原理上的原因，其但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。流施行灵活的实时控制。 20世纪世纪70年代初发明了年代初发明了矢量控制技术矢量控制技术，或称或称磁场定向控制技术磁场定向控制技术，通过坐标变换，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和把交流电机的定

8、子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。突破性的进展。 其后，又陆续提出了其后，又陆续提出了直接转直接转矩控制矩控制、解耦控制解耦控制等方法，形成等方法，形成了一系列可以和了一系列可以和直流调速系统直流调速系统媲媲美的美的高性能交流调速系统高性能交流调速系统和和交流交流伺服系统伺服系统。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 特大容量特大容量或或极高转速极高转速的的交流

9、调速交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过积不超过 106 kW r /min，超过这一数值时，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。其设计与制造就非常困难了。 交流电机没有换向器，不受这种限制，因交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用磨头、离心机等，都以采用交流调速交流调速为宜。为宜。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 交流调速交流调速的

10、的分类分类n按电动机的能量转换类型分类按电动机的能量转换类型分类： 按照交流异步电机的原理，按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的从定子传入转子的电磁功率电磁功率可可分成两部分：一部分是拖动负分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作载的有效功率，称作机械功率机械功率；另一部分是传输给转子电路的另一部分是传输给转子电路的转差功率转差功率，与转差率，与转差率 s 成正比。成正比。 PmechPmPs第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 交流调速交流调速的的分类分类n按电动机的能量转换类型分类按电动机的能量转换类型分类： 即即 电磁功率电磁功率 Pm = Pmech + Ps

11、 机械功率机械功率 Pmech = (1 s) Pm 转差功率转差功率 Ps = sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，从能量转换的角度上看，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是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速异步电机的调速系统系统分成三类分成三类 。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 交流调速交流调速的的分类分类n 转差功率消耗型调速系统：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，这类系统的

12、效率最低，消耗在转子回路中，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。最低，所以还有一定的应用价值。 n 转差功率馈送型调速系统：转差功率馈送型调速系统： 在这类系统中，除转子铜损外，大部分在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多。无论是馈出转速越低，能馈送的功率

13、越多。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身损还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。系统的效率较高，但要增加一些设备。 n 转差功率不变型调速系统：转差功率不变型调速系统： 在这类系统中，转差功率只有转子铜损，在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高。其中变极对数调速是有级的，此效率更高。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。应用场合有限。 只有只有变压变频调速变压变频调速（VVVF）应用最广，

14、）应用最广，可以构成高动态性能的可以构成高动态性能的交流调速系统交流调速系统，取代，取代直流调速直流调速；但在定子电路中须配备与电动机；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的容量相当的变压变频器变压变频器，相比之下，设备成，相比之下，设备成本最高。本最高。 n 同步电动机调速系统：同步电动机调速系统： 同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。电动机调速系统只能是转差功率不变型。 同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。速。 从频率控制的方式来看，同步电

15、动机调速可分为他控从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。变频调速和自控变频调速两类。 自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作频装置换相，又称作无换向器电动机调速无换向器电动机调速，或，或无刷直流电动无刷直流电动机调速机调速。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机的的工作原理工作原理n 异步电机：本质上可以看成异步电机：本质上可以看成一个具有旋转和短路的次级一个具有旋转和短路的次级绕组的三相变压器绕组的三相变压器n 右图是一个理想三相两极异右图是一

16、个理想三相两极异步电机步电机n 旋转磁场旋转磁场：气隙中建立旋转：气隙中建立旋转和正弦分布的磁场，其转速和正弦分布的磁场，其转速与电源频率同步与电源频率同步第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机-转差率转差率n 通过通过 旋转磁场转速旋转磁场转速n1与转子转速与转子转速n之间的转速之间的转速差，电机感应出转子电流，产生转矩。转子与差，电机感应出转子电流，产生转矩。转子与旋转磁场同向运行。旋转磁场同向运行。n 转差率：转差率：n1=60f1/np，即同步转速，即同步转速，f1为电源频率，为电源频率，np为极对为极对数数11nnsn1(1)ns n第五章第五章

17、 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机稳态等效电路稳态等效电路nRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻； nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； nUs、 1 定子相电压和供电角频率；定子相电压和供电角频率；ns 转差率。转差率。假定条件：假定条件： 忽略空间和时间谐波忽略空间和时间谐波 忽略磁饱和忽略磁饱和 忽略铁损忽略铁损第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机稳态等效电路稳态等效电路转子相电流（折合到定子侧）

18、转子相电流（折合到定子侧） 式中式中 212121lrlsrssrLCLsRCRUI11111slslsmmRjLLCjLL 分母为阻抗模即电阻与电抗的方均跟分母为阻抗模即电阻与电抗的方均跟分子为每相定子的电压幅值分子为每相定子的电压幅值定子每相绕定子每相绕组漏电感组漏电感定子每相绕定子每相绕组气隙磁通组气隙磁通的等效电感的等效电感mlsLL一般：因此电路可进一步简化为：第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机稳态等效电路稳态等效电路忽略励磁电流忽略励磁电流图图5-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的

19、调速系统 异步电动机异步电动机稳态等效电路稳态等效电路简化等效电路的相电流简化等效电路的相电流2212lrlsrssrsLLsRRUIIOK，我们得到了转子每相绕组电流的幅值。，我们得到了转子每相绕组电流的幅值。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机的的机械特性机械特性n 异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 n 机械同步角速度机械同步角速度 sRIPrrm2 3pmn11n 异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLL

20、sRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT分析这个机械分析这个机械特性方程，得特性方程，得到什么结论？到什么结论？第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机的的机械特性机械特性 上式对上式对 s 求导，并令求导，并令 dTe/ds = 0，可求出对应于最大转，可求出对应于最大转矩时的转差率和最大转矩（又称临界转矩矩时的转差率和最大转矩（又称临界转矩 ）：）： 最大转矩公式最大转矩公式 临界转差率临界转差率如何画出转矩如何画出转矩Te与转速与转速n或转差率或转差率s之间的机械特性曲线？之间的机械特性曲线？rm222s1sr()llRsRLL2psemax22

21、21ss1sr32()lln UTRRLL第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机的的机械特性机械特性当当 s 很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含 s 各项各项n 转矩近似与转矩近似与s成正比，成正比，机械特性近似为直线机械特性近似为直线 当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项n 转矩近似与转矩近似与 s 成反比，成反比，机械特性是一段双曲机械特性是一段双曲线线22221131psreslslrn U RTss RLL213psern U sTsR第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异

22、步电动机的的机械特性机械特性n异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电，且无外率供电，且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械特性方程的机械特性方程式，称作固有特式，称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 第五章第五章 交流电动机交流电动机调速系统调速系统5 5- -1 1 交流电动机交流电动机调速系统调速系统概述概述本章小结本章小结5 5- -2 2 异步电动机的异步电动机的变压调速变压调速 5 5- -3 3 异步电动机的异步电动机的变频变压调速变频变压调速 5

23、5- -4 4 电力电子电力电子变压变频器变压变频器5 5- -5 5 转速开环转速开环变频变压调速系统变频变压调速系统 5 5- -6 6 转速闭环转差控制的转速闭环转差控制的调速系统调速系统 变压调速变压调速第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 l异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。上，以达到调速的目的。调速概述调速概述第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的

24、调速系统 由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为可知，能够改变的参数可分为2类：类：电源电压和电源频率（或角频率）。电源电压和电源频率（或角频率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL调速方式调速方式第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k第五章第五章 交流电动机的调速系

25、统交流电动机的调速系统 异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 11/mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压调速变压调速n保持电源频率为额定频率，只改变定保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作子电压的调速方法称作变压调速变压调速（或（或调压调速调压调速）。）。n由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又定子电压只能降低，不能升高，故又称作称作降压调速降压调速。第五章第五章

26、 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压调速变压调速的的基本特征基本特征n 调压调速的调压调速的基本特征基本特征是：电动机同步转速保持额定是：电动机同步转速保持额定值不变值不变 n 气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机变压调速变压调速的的主电路主电路图图5-4 晶闸管交流调压器调速晶闸管交流调压器调速 TVC 双双向晶闸管交流向晶闸管交流调压器调压器a) 不可逆电路不可逆电路b) 可逆电路可逆电路第

27、五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 TVC的变压控制方式工作周期工作周期1S异步电动机异步电动机电压调节电压调节第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机变压调速变压调速的的机械特性机械特性n 调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式n 电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比 n 理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转速不变22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL可调可调 sU01Nnn第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机变压调速变压

28、调速的的机械特性机械特性n 临界转差率保持不变临界转差率保持不变 2212)(lrlssrmLLRRsn 临界转矩临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT随定子电压的减小而成平方比地下降随定子电压的减小而成平方比地下降第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机变压调速变压调速的的机械特性机械特性图图5-5 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性n 带恒转矩负载时，普通笼带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为的稳定工作范围为 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、 B、C为恒

29、转矩负载在不为恒转矩负载在不 同电压时的稳定工作点。同电压时的稳定工作点。n 带风机类负载运行，调速带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在为风机类负载在不同电压时的稳定工作点不同电压时的稳定工作点0mss第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机变压调速变压调速的的机械特性机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率故输入的电磁功率恒定不变，与转速、可调电压无关故输入的电磁功率恒定不变，与转速、可调电压无关 ！ 11LmmLpTPTn1LT、均为常数均为常数 第五章

30、第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机变压调速变压调速的的机械特性机械特性n 转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。n 带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出的带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出的机械功率来换取转速的降低。机械功率来换取转速的降低。n 增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。耗型的由来。n 虽然降压调速简单，但损耗了转差功率能效低、浪费！虽然降压调速简单，但损耗了转差功率能效低、浪费！n 稳定工作范围稳定工作范围 ，

31、sm较小，调速范围有限！较小，调速范围有限！1 LsmmLpTPsPsTsn0mss第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电动机异步电动机变压调速变压调速的的机械特性机械特性n 增加转子电阻值，临界转差增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作子电阻电动机又称作交流力交流力矩电动机矩电动机n 缺点是机械特性较软缺点是机械特性较软 n 怎么办？闭环调速。怎么办？闭环调速。图图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩电动高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性机）在不同电

32、压下的机械特性2212)(lrlssrmLLRRs第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压调速闭环控制系统变压调速闭环控制系统n要求带恒转矩负载要求带恒转矩负载的变压调速系统具的变压调速系统具有较大的调速范围有较大的调速范围时，往往须采用带时，往往须采用带转速反馈的闭环控转速反馈的闭环控制系统制系统。图图 5-7 带转速负反馈闭环带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统控制的交流调压调速系统 n 当系统带负载稳定时，如果当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭会自动调整定子

33、电压，使闭环系统工作在新的稳定工作环系统工作在新的稳定工作点。点。n 按照反馈控制规律，将稳定按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系工作点连接起来便是闭环系统的静特性。统的静特性。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 闭环控制闭环控制的的变压调速系统变压调速系统n静特性左右两静特性左右两边都有极限，边都有极限，它们是额定电它们是额定电压下的机械特压下的机械特性和最小输出性和最小输出电压下的机械电压下的机械特性。特性。图图5-8 转速闭环控制的交流调转速闭环控制的交流调压调速系统静特性压调速系统静特性sNUminsU第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系

34、统 尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。完全一致的。闭环控制闭环控制的的变压调速系统变压调速系统第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压调速系统的特点 异步电机闭环变压调速系统不同于直异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：流电机闭环变压调速系统的地方

35、是：静特静特性左右两边都有极限，不能无限延长性左右两边都有极限，不能无限延长，它，它们是额定电压们是额定电压 U UsNsN 下的机械特性和最小输下的机械特性和最小输出电压出电压U Usminsmin下的机械特性。下的机械特性。 当负载变化时，如果电压调节到极限当负载变化时，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。作点只能沿着极限开环特性变化。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 3. 系统静态结构 Ksn=f(Us,Te) ASRU*nUnUcUs-TLn图5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态

36、结构图 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 图中，图中，K Ks s = = U Us s/ /U Uc c 为晶闸管交流调压器和触发为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；装置的放大系数； = = U Un n/ /n n 为转速反馈系数；为转速反馈系数；ASRASR采用采用PIPI调节器；调节器；n n = =f f ( (U Us s, , T Te e ) )是式（是式（5-35-3）所表达的异）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。性函数。 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 稳态时，稳态时， U

37、 Un n* * = = U Un n = = n n T Te e = = T TL L 根据负载需要的根据负载需要的 n n 和和T TL L 可由式（可由式（5-35-3）计算出或用机械特性图解法求出所需）计算出或用机械特性图解法求出所需的的 U Us s以及相应的以及相应的U Uc c。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 闭环变压调速系统的近似动态结构图 对系统进行动态分析和设计时，须先对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图绘出动态结构图。由图5-75-7的静态结构图的静态结构图可以得到动态结构图，如图可以得到动态结构图，如图5-85-8所示。所示。

38、其中有些环节的传递函数可以直接写其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。一番周折。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 系统动态结构图5-8 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)第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 转速调节器ASR 转速调节器转速调节器ASRASR常用常用PIPI调节器，用以调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传

39、递函数为消除静差并改善动态性能，其传递函数为ssKsWnnnASR1)(第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 晶闸管交流调压器和触发装置 装置的输入装置的输入- -输出关系原则上是非线性的，输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可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。传递函数可写成以近似成一阶惯性环节。传递函数可写成1)(ssVGTsTKsW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T Ts s=3.3ms=3.3ms。sc31T第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调

40、速系统 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FBSFBS的传递函数可写成的传递函数可写成1)(onFBSsTsW第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 异步电机近似的传递函数 异步电机的动态过程是由一组非线性异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要微分方程描述的，要用一个传递函数来用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能准确地表示它的输入输出关系是不可能的的。 在这里，可以先在一定的假定条件下在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的，用稳态工作点附近的微偏线性化方法微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。求

41、出一种近似的传递函数。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 （1）异步电机近似的线性机械特性 由式（由式（5-35-3）已知电磁转矩为）已知电磁转矩为当当 s s 很小时，可以认为很小时，可以认为2rs212rs1r2spe)()(/3llLLsRRsRUnTsRRrssRLLllrrs1)(且第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 后者相当于忽略异步电机的漏感电磁后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，惯性。在此条件下，（5-65-6） 这是在上述条件下异步电机近似的线这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。性机械特性。sURnT2sr1pe3

42、第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 （2）稳态工作点计算 设设A A为近似线性机械特性上的一个稳为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在态工作点，则在A A点上点上（5-75-7） 在在A A点附近有微小偏差时，点附近有微小偏差时，T Te e= = T TeAeA+ + T Te e，U Us s= =U UsAsA+ + U Us s，而，而s s= =s sA A+ + s s，代入式，代入式（5-65-6）得）得A2sAr1peA3sURnT第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 （3）微偏线性化 将上式展开，并忽略两个和两个以上将上式展开，并忽略

43、两个和两个以上微偏量的乘积，则微偏量的乘积，则（5-85-8）)()(3A2ssAr1peeAssUURnTT)2(32sAsAsAA2sAr1peeAsUUsUsURnTT第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 式（式（5-85-8）减去式（）减去式（5-75-7），得），得（5-95-9） )2(32sAsAsAr1pesUUsURnT1s 11s 已知转差率已知转差率 ，其中，其中 1 1是同是同步角转速，步角转速， 是转子角转速，则是转子角转速，则（5-10）第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 将式（将式（5-105-10）代入式（）代入式（5-95

44、-9），得），得（5-115-11） 式（式（5-115-11）就是在稳态工作点附近微）就是在稳态工作点附近微偏量偏量 T Te e与与 U Us s和和 间的关系。间的关系。)2(312sAsAsAr1peUUsURnT第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 带恒转矩负载时电力拖动系统的运动带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为方程式为 按上面相同的方法处理，可得在稳态按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点工作点A A附近的微偏量运动方程式为附近的微偏量运动方程式为（5-125-12）tnJTTddpLetnJTTd)(dpLe第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的

45、调速系统 将式（将式（5-115-11）和（）和（5-125-12）的微偏量关系）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图时的微偏线性化动态结构图，如图5-95-9所示所示。 如果只考虑如果只考虑 U U1 1到到 之间的传递函数，之间的传递函数，可先取可先取 T TL L = 0= 0，图，图5-95-9中小闭环传递函数中小闭环传递函数可变换成可变换成r212sApppr2s2sApp3s1s31sRUnnJJnRUnJn第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 （4）近似动态结构图3np1Rr2UsAS

46、A3npU 2sAs2 Rrnp JsUsTeTL+-图5-9 忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 （5）异步电机的近似线性化传递函数 于是，异步电机的近似线性化传递函于是，异步电机的近似线性化传递函数为数为1132323)()()(mMA2sA2pr21sA1Ar212sAppAsAr1psMAsTKsUnRJUsRUnsnJsURnsUssW第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 式中式中 K KMAMA 异步电机的传递系数，异步电机的传递系数， T Tm m 异步电机拖动系统的机电时间常异步电机拖动系统

47、的机电时间常数，数， sAA1sA1AMA)(22UUsK2sA2pr21m3 UnRJT第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即线性的一阶惯性环节，即(5-13)(5-13) 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5-85-8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近似动态结构图。偏线性化的近似动态结构图。1)()()(mMAsMAsTKsUssW第五章第五

48、章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 最后，应该再强调一下，具体使用这最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构图时要注意下述两点：个动态结构图时要注意下述两点：由于它是偏微线性化模型，只能用于机由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，别和动态校正，不适用于起制动时转速不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应大范围变化的动态响应。由于它完全由于它完全忽略了电磁惯性忽略了电磁惯性，分析与计，分析与计算有算有很大的近似性很大的近似性。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 降压控制降压控制的的应用应

49、用n 三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。而起动转矩并不大。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2222113psrestsrlslrn U RTRRLLn中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。使该电动机本身根本起动不起来。n必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。是降压起动。第五章第五章 交流电动机的调

50、速系统交流电动机的调速系统 降压控制降压控制的的应用应用n 当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。从而可以避开起动电流冲击的高峰。n 起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。转矩不够的问题。n 降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。起动的场合。软起动器软起动器第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电

51、动机的调速系统 降压控制降压控制的的应用应用n三相异步电动机运行时的总损耗三相异步电动机运行时的总损耗n电机的运行效率电机的运行效率smechCurFeCuspppppppPPPP2212轻载降压运行轻载降压运行P1为输入电功率，为输入电功率，P2为轴上输出功率为轴上输出功率第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 降压控制降压控制的的应用应用轻载降压运行轻载降压运行n 为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。n 过分降低电压和磁通，转子电流必然

52、增大，定子电过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。效率反而更差了。n 当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。值，此时效率最高。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 第五章第五章 交流电动机交流电动机调速系统调速系统5 5- -1 1 交流电动机交流电动机调速系统调速系统概述概述本章小结本章小结5 5- -2 2 异步电动机的异步电动机的变压调速变压调速 5 5- -3 3 异步电动机的异步电动机的

53、变频变压调速变频变压调速 5 5- -4 4 电力电子电力电子变压变频器变压变频器5 5- -5 5 转速开环转速开环变频变压调速系统变频变压调速系统 5 5- -6 6 转速闭环转差控制的转速闭环转差控制的调速系统调速系统 VVVF第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 上节内容回顾：上节内容回顾：（一）异步电动机的（一）异步电动机的变压调速方法变压调速方法 图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性2212)(lrlssrmLLRRs221212)(23lrlsssspemLLRRUnT第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 （二）异步电动机变压调

54、速（二）异步电动机变压调速存在的问题存在的问题1）调速范围有限（原因一）调速范围有限（原因一） 气隙磁通：气隙磁通： 因此：因此：变压调速只能在额定电压与最小可调电压变压调速只能在额定电压与最小可调电压之间调节之间调节。14.44SsgsmNUEf N k11/mgsEfUf忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降：忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降：第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 （二）异步电动机变压调速（二）异步电动机变压调速存在的问题存在的问题1）调速范围有限（原因二）调速范围有限（原因二）因此：因此：转差率转差率s取值范围在取值范围在0与与sm之间之间。第五章第五章 交流电动

55、机的调速系统交流电动机的调速系统 n 通过通过 旋转磁场转速旋转磁场转速n1与转子转速与转子转速n之间的转速之间的转速差，电机感应出转子电流，产生转矩。转子与差，电机感应出转子电流，产生转矩。转子与旋转磁场同向运行。旋转磁场同向运行。n 转差率：转差率：n1=60f1/np，即同步转速，即同步转速，f1为电源频率，为电源频率，np为极对为极对数数11nnsn1(1)ns n（二）异步电动机变压调速（二）异步电动机变压调速存在的问题存在的问题第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 n 转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。n 带恒转矩负载的降压调速就是

56、靠增大转差功率、减小输出的带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出的机械功率来换取转速的降低。机械功率来换取转速的降低。n 增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。耗型的由来。n 虽然降压调速简单，但损耗了转差功率能效低、浪费！虽然降压调速简单，但损耗了转差功率能效低、浪费！n 稳定工作范围稳定工作范围 ，sm较小，调速范围有限！较小，调速范围有限！1 LsmmLpTPsPsTsn0mss（二）异步电动机变压调速（二）异步电动机变压调速存在的问题存在的问题第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统

57、 第五章第五章 交流电动机交流电动机调速系统调速系统5 5- -1 1 交流电动机交流电动机调速系统调速系统概述概述本章小结本章小结5 5- -2 2 异步电动机的异步电动机的变压调速变压调速 5 5- -3 3 异步电动机的异步电动机的变频变压调速变频变压调速 5 5- -4 4 电力电子电力电子变压变频器变压变频器5 5- -5 5 转速开环转速开环变频变压调速系统变频变压调速系统 5 5- -6 6 转速闭环转差控制的转速闭环转差控制的调速系统调速系统 VVVF第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 概概 述述n变压变频调速变压变频调速是一种通过改变异步电动机是一种通过改

58、变异步电动机同步转速实现调速方法，同步转速随频率同步转速实现调速方法，同步转速随频率而变化而变化ppnnfn26060111第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压变频调速变压变频调速的的基本原理基本原理n异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速n稳态速降稳态速降 随负载大小变化随负载大小变化1111(1)ns nnsnnn1snn 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压变频调速变压变频调速的的基本原理基本原理气隙磁通气隙磁通控制控制n只要控制只要控制 便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k

59、第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压变频调速变压变频调速的的基本原理基本原理基频以下调速基频以下调速n当异步电动机在当异步电动机在基频基频（额定频率额定频率）以下运）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。严重时还会因绕组过热而损坏电机。n最好是保持每极磁通量为额定值不变最好是保持每极磁通量为额定值不变。第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系

60、统 变压变频调速变压变频调速的的基本原理基本原理n 当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使n 基频以下应采用电动势频率比为基频以下应采用电动势频率比为恒值恒值的控制方式。的控制方式。n 恒压频比恒压频比的控制方式的控制方式: 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降后当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降后14.44SgsNmNEN kf常值基频以下调速基频以下调速gsEU 第五章第五章 交流电动机的调速系统交流电动机的调速系统 变压变频调速变压变频调速的的基本原理基本原理基频以下调速基频以下调速n 低频补偿低频补偿（低频转矩提升）（低频转矩提升） 低频时，定子电阻