机械制造第4章

1、n概述概述n交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型第第4章章 交流电机的调速交流电机的调速 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世纪先世纪先后诞生。在后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电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公认的格局。交

2、流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。始终无法与直流调速系统相匹敌。4.1 概述概述 直到直到20世纪世纪6070年代年代，随着电力电子技术，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调生，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打破了。

3、速性能分工的格局终于被打破了。总结总结（1 1）电力电子技术的发展）电力电子技术的发展 （2 2）微机及数字信号处理技术的发展）微机及数字信号处理技术的发展 （3 3）现代控制理论的应用及交流调速原理）现代控制理论的应用及交流调速原理 的发展和成熟的发展和成熟 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、极高转速的交流调速 1. 一般性能的节能调速一般性能的节能调速 在过去大量的所谓在过去大量的所谓“不变速交流拖

4、动不变速交流拖动”中，风机、中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许赖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。如果换成交流调速系统，把多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、消耗在挡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

5、约 20 30% 以上的电能，效果是以上的电能，效果是很可观的。很可观的。 但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。都不高，只需要一般的调速性能。2. 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 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。

6、但是，由于交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，其电磁转矩难以像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流施行灵活的实直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。时控制。 20世纪世纪70年代初发明了矢量控制技术，年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，或称磁场定向控制技术，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

7、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矩控制直接转矩控制、解耦控制解耦控制等等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的方法，形成了一系列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高性能交流调速系统和交流伺服系统3. 特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。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，

8、因此，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、矿井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，如高速磨头、卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。离心机等，都以采用交流调速为宜。4.2 交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型交流电机：交流电机：异步电机异步电机（即感应电机）（即感应电机）同步电机同步电机步机转速公式步机转速公式基本调速方法基本调速方法 ) s1 (nn/ ) s1 (f60n0p1变转差率调速变转差率调速变极对数调速变极对数调速-对于鼠笼转子对于鼠笼转子变频调速变频调速串电阻调

9、速串电阻调速调压调速调压调速串级调速串级调速电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速交交交变频调速交变频调速交交直直交变频调速交变频调速按电动机的调速方法分类按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：常见的交流调速方法有：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；绕线电机串级调速或双馈电机调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变极对数调速；变压变频调速等等。变压变频调速等等。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，从定子传入转子的电磁功率从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：

10、一部分是拖可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作动负载的有效功率，称作机机械功率械功率；另一部分是传输给；另一部分是传输给转子电路的转子电路的转差功率转差功率，与转，与转差率差率 s 成正比。成正比。 从能量转换的角度上看，从能量转换的角度上看，转转差功率是否增大，是消耗掉差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志系统效率高低的标志。从这。从这点出发，可以把异步电机的点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类调速系统分成三类 。 PmechPmPsPm =Pmech + Ps Pmech = (1 s) PmPs = sPm1. 转差功率消

11、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消耗在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，上述的第转子回路中，上述的第降压降压、转差离合器转差离合器、转子串电阻转子串电阻三种调速方法都属于这一类。在三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转低，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（恒转矩负差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，设备成本最载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定

12、的应用价值。低，所以还有一定的应用价值。 2.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，馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第上述第串级调速串级调速方法属于这一类。无方法属于这一类。无论是馈馈出还是馈入的转差功率，扣除论是馈馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。但要增加一些设

13、备。3. 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，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第因此效率更高，上述的第变极变极、变变频频两种调速方法属于此类。其中变极对两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统态性能的交流调速系统，取代直流调速；，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相但在定子电路中须配备与电动机容量

14、相当的变压变频器，相比之下，设备成本当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。最高。 同步电机的调速同步电机的调速 同步电机没有转差，也就没有转差功率，所同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于（恒等于 0 ）的，而同步电机转子极对数又）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。像异步电机那样的多种调速方法。 在同步电机的变压变频调速方法中，从频在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为率控制的方式来看，可分

15、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。 自控变频调速自控变频调速利用转子磁极位置的检测信利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速无换向器电机调速，或，或无刷直流电机调速无刷直流电机调速。 开关磁阻电机开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。容量交流电机调速系统中很有发展前途。1 降压调速降压

16、调速低速运行有过电流和低速运行有过电流和功率因数低的问题；功率因数低的问题；调速范围窄；调速范围窄；运行效率低，过电流问运行效率低，过电流问题，工作点容易波动。题，工作点容易波动。既不是恒转距调速方式，既不是恒转距调速方式，也不是恒功率调速方式。也不是恒功率调速方式。交流异步电动机调速方法及特点交流异步电动机调速方法及特点电压越低机械电压越低机械特性越软特性越软 T U2适用于风适用于风机水泵调速机水泵调速具有速度负反馈的调压调速系统具有速度负反馈的调压调速系统速度闭环系统速度闭环系统闭环系统机械特性闭环系统机械特性2 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速绕线式异步电动机转子回路串电阻调速调速范

17、围一般（调速范围一般（23）：）：1降低了电机的效率降低了电机的效率有级调速有级调速常常数数得得到到所所以以，不不变变，则则有有保保持持 TsrsRrxsrEIxsRrEIIsrITNNN,32222222222222221222NII22 正向串联正向串联反向串联反向串联反向并联反向并联 若把定子每相绕组中一半线圈的电若把定子每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即流改变方向，即半相绕组反向半相绕组反向，则电动机，则电动机的极数便成倍变化。的极数便成倍变化。3 鼠笼式三相异步电动机变极调速鼠笼式三相异步电动机变极调速) s1 (nn/ ) s1 (f60n0p1变极调速中需要注意的问题：变极调速

18、中需要注意的问题：n在改变极数的同时，在改变极数的同时，不能改变旋转磁场的不能改变旋转磁场的转向转向需要适当地需要适当地改变绕组的相序改变绕组的相序n原则：原则：在空间电角度在空间电角度360之内，绕组轴线之内，绕组轴线顺序相同。顺序相同。A 0 120 B 240 C机械机械60角度角度空间空间120角度角度空间空间240角度角度 tFf cos2311Y-YY变极调速机械特性变极调速机械特性TnSYT1nmYT12nSYYTmYYTmYYsmYsLTBA分析其调速方式：分析其调速方式：每半相绕组中都流过额定每半相绕组中都流过额定电流电流 。假设：假设：电动机的功率因数电动机的功率因数 及效

19、率及效率 均保持不变。均保持不变。NI11cos 11195509550cos3nPnPTIUPYYYYYNNY 接接法法： YYYYYYYNNYYTnPnPTPIUPYY 11119550295502cos23 接接法法：基本上属于恒转矩调速方式基本上属于恒转矩调速方式Tn ST1n mT12nSYYTmYYTmYYs msLTBA-YY-YY变极调速变极调速既非恒转矩调速方式，既非恒转矩调速方式，也不是恒功率调速方也不是恒功率调速方式，比较接近恒功率式，比较接近恒功率调速方式调速方式。适用于鼠笼电机，有级调速。设适用于鼠笼电机，有级调速。设备简单，操作方便，机械特性较备简单，操作方便，机械

20、特性较硬，效率高，既适用恒转矩调速，硬，效率高，既适用恒转矩调速，又适用于恒功率调速。又适用于恒功率调速。4 变频调速变频调速n三相异步电动机可以通过三相异步电动机可以通过改变电源频率改变旋转磁通势的同改变电源频率改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的步转速，达到调速的目的。n额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。以从基频向下调。mWkWfEU 1111144. 4原则：降低电源频率时，必须同时原则：降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压。保持保持常常数数 11fE保持保持常常数数 11fU从基频向下调从基频向下调变频调速机械特性变频调速机械特性变频调速近似为变频调速近似为恒转矩调速方式恒转矩调速方式常常数数 11fE常常数数 11fU变频调速的特点：变频调速的特点：n从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式；调速，近似为恒功率调速方式；n调速范围大；调速范围大；n转速稳定性好