交流调速概述

1、中文陈伯时中文何建平中文尔桂花中文唐永哲中文童福荛 2004年03月第三版清华大学出版社重庆大学出版社机械工业出版社 2004年04月第一版 2001年7月第一版 电力传动自动控制系统参考书 电力拖动自动控制系统例题集 机械工业出版社电力拖动自动控制系统主要教材 电气传动 2002年10月第一版 2002年03月第一版 运动控制系统 西安电子科技大学出版社 运动控制系统（交流部分）运动控制系统（交流部分）一、教学要求：一、教学要求：n了解交流拖动控制系统了解交流拖动控制系统发展概况发展概况n了解交流拖动控制系统的应用领域了解交流拖动控制系统的应用领域n掌握交流调速系统的基本类型掌握交流调速系统

2、的基本类型n掌握交流变压调速系统及其应用掌握交流变压调速系统及其应用n了解交流变压系统动态特性了解交流变压系统动态特性二、教学时间安排：二、教学时间安排：3学时学时 重点：交流调速系统的基本类型重点：交流调速系统的基本类型三、教学过程：三、教学过程：第六章交流调速概述第六章交流调速概述(1)直流电力拖动交流电力拖动直流电力拖动交流电力拖动19世纪诞生世纪诞生n发电：发电：19世纪世纪90年代第一条三相输电线年代第一条三相输电线 20世纪世纪60年代年代,99.99同步发电机同步发电机n用电：用电：6070各种电机应用各种电机应用,异步电动机异步电动机负荷又占其中的负荷又占其中的85%n交流电机

3、拖动：交流电机拖动：电力拖动容量电力拖动容量80% （不变速）（不变速）n直流电机拖动：直流电机拖动： 20%（可调速）可调速）高性能高性能一、发展概况一、发展概况1.发展历程发展历程:6.1交流拖动系统交流拖动系统发展概况和发展概况和应用领域应用领域n直流电机具有电刷和换相器直流电机具有电刷和换相器,需经常检修需经常检修n换向火花使直流电机应用环境受限换向火花使直流电机应用环境受限n换向能力限制直流电机容量和速度换向能力限制直流电机容量和速度n有效利用电动机，改进运行性能，控制有效利用电动机，改进运行性能，控制电动机的转速，降低效耗电动机的转速，降低效耗.直流电机的缺点直流电机的缺点:(2)

4、20世纪世纪70年代石油危机：节能，使年代石油危机：节能，使交流拖交流拖动控制系统成为主要发展方向。动控制系统成为主要发展方向。n20世纪世纪6070年代，电力电子技术的发展年代，电力电子技术的发展n大规模集成电路和计算机控制出现大规模集成电路和计算机控制出现n采用电力电子变换器的交流拖动系统，高采用电力电子变换器的交流拖动系统，高性能交流调速系统出现性能交流调速系统出现（1 1）电力电子功率器件应用：）电力电子功率器件应用：构成电力电子变换器（弱电控制强电），器件器件共分四代。n第一代：晶闸管SCR ，100Hz ， 20世世 纪纪50年代，半控器件，电流控制器件。n第二代：电力晶体管BJT

5、(GTR)，2kHz 门极可关断晶闸管GTO，1kHZ 20世纪世纪80年代，全控器件，电流控制器件。2.2.交流调速系统交流调速系统发展现状发展现状: :GTO符号图符号图SCR符号图符号图n第三代：功率MOSEET，100kHz 绝缘栅双极晶体管IGBT=MOS+BJT，20kHz，20世纪世纪90年代，全控器件， 电压控制器件。n第四代：复合器件，高压、大容量、 全控器件 IGCT= MOSEET + GTO，ABB公司 IEGT= IGBT + GTO，GE公司MOSEET 符号图符号图 IGBT符号图符号图 n控制交流电机(笼型异步电机、绕线型双馈电机、同步电机)的主要是变压变频器。

6、n中、小功率（300kW以下)：IGBT或其它器件组成的PWM变换器.n中、大功率（ 300kW10MW ）：GTO或IGCT的PWM变换器和GTO电流源变频器。n特大功率(10MW以上)：晶闸管SCR的交一交变换器和电流源型交一直一交变换器。 （2 2）PWMPWM变压变频技术：变压变频技术：n基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制从模拟控制到数字控制，不但实现了硬件电路标准化、从模拟控制到数字控制，不但实现了硬件电路标准化、降低了成本，而且提高了控制方法的灵活性。降低了成本，而且提高了控制方法的灵活性。n8位、位、l6位的单片机：位的单片机：MCS51、MCS96n16位、位、32位的数

7、字信号处理器位的数字信号处理器(DSP)：美国：美国 TI公司：公司：TMS320C240(2812) AD公司、公司、MOTOROLa公司公司DSPn通用微型计算机：通用微型计算机：8086（486），奔腾系列），奔腾系列n32位、位、64位的精简指令集计算机位的精简指令集计算机(RISC) （3）交流调速系统的数字化控制）交流调速系统的数字化控制(4)(4)交流电气传动应用现代交流电气传动应用现代( (智能智能) )控制理论控制理论二、交流拖动控制系统的应用领域二、交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：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

8、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. 一般性能的节能一般性能的节能调速调速 在 “不变速交流拖动”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的一半以上，用挡板和阀门来调节送风和供水的流量，浪费电能。 采用交流调速系统，每台风机、水泵节约 20 30% 以上的电能，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。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n交流电机控制电磁转矩困难。n矢量控制技术（20世纪70年代初）n直接转矩控制（20世纪80年代）3. 特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的

9、交流调速 直流电机的换向能力限制容量转速积不超过106 kW r /min。交流电机无换向器，不受限，采用交流调速。如特大容量拖动设备：厚板轧机、矿井卷扬机等。如特大容量拖动设备：厚板轧机、矿井卷扬机等。如极高转速拖动设备：如高速磨头、离心机等极高转速拖动设备：如高速磨头、离心机等。6.2 交流调速系统的基本类型交流调速系统的基本类型 交流电机：异步电机异步电机和同步电机同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。（一）异步电机（一）异步电机调速方法调速方法一、交流调速基本类型：一、交流调速基本类型：2.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 从定子传入转子的电磁功率可分成两

10、部分： 其一是拖动负载的有效功率（机械功率）； 其二是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。 PmechPmPs功率流程图如右： 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 评价调速系统效率高低的标志是其转差功率工作情况，可把调速系统分成三类 。(1)转差功率消耗型调速系统：转差功率消耗型调速系统：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； 全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。（恒转矩负载）。 系统结构简单，设备成本最低，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

11、速系统：串级调速串级调速 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。扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率。 效率较高，需增加设备。(3)转差功率不变型调速系统：转差功率不变型调速系统：变极对数调速；变极对数调速； 变压变频调速。变压变频调速。 转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，效率高。 变极对数调速：是有级的，应用场合有限。变压变频调速：应用最广，高动态性能，设备成本最高。 （二）同步电机的调速（二）同步电机的调速 同步电机没有转差，没有转差功率，只能是转差功率不变型（恒等于 0 ），采用变压变频调速。从频率控制的方式来看，可分为：1.自控

12、变频调速自控变频调速:利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相。2.他控变频调速他控变频调速:采用采用独立的变压变频装置供电。 三、异步电动机改变电压时的机械特性三、异步电动机改变电压时的机械特性在三个假定条件下:忽略空间和时间谐波,忽略磁饱和忽略铁损，稳态等效电路图5-3。 图5-3 异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm 参数定义Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；Lls、Llr定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感； Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；Us、1 定子相电压和供电角频率； s 转差

13、率。电流公式电流公式由图可以导出：(5-1) 式中：2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll 通常，LmLl1，则，C1 1 ,可简化成：(5-2)2rs212rssrsllLLsRRUII 转矩公式转矩公式: 电磁功率电磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步机械角转速同步机械角转速 m1 = 1 / np 式中式中 np 极对数极对数 异步电机的电磁转矩异步电机的电磁转矩: （5-3）2rs212rs1r2spr2 r1p1mme/33llLLsRRsRUnsRInPT机械特性方程式：机械特性方程式：当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压

14、的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比。不同电压下的机械特性便如图5-4所示，其中，UsN表示额定定子电压。 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5-4 异步电动机不同电压下的机械特性最大转矩公式 将式（5-3）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出临界转差率和最大转矩:（5-4）（5-5）2rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT 恒转矩负载恒转矩负载, ,变电压时稳定工作变电压时稳定工作点为点为 A A、B B、C C，转差率，转差率

15、s s的变化范围不超过的变化范围不超过 0 0sm ，调，调速范围有限速范围有限。 风机类负载，则工作风机类负载，则工作点为点为D D、E E、F F，调速范，调速范围大些围大些. . 为扩大调速范围，采用电机转子有较高的电为扩大调速范围，采用电机转子有较高的电阻值阻值( (高转差率电机高转差率电机, ,即交流力矩电机即交流力矩电机), ), 变变压调速范围增大。压调速范围增大。 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5-5 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 采用变电压调速时，调速范围很窄采用变电

16、压调速时，调速范围很窄 采用高转子电阻电机可增大调速范围，机采用高转子电阻电机可增大调速范围，机械特性变软，当负载变化时静差率很大械特性变软，当负载变化时静差率很大 开环控制难以解决此矛盾开环控制难以解决此矛盾 采用带转速反馈的闭环控制系统采用带转速反馈的闭环控制系统（D2）四四 、闭环控制的变压调速系统及其静特性、闭环控制的变压调速系统及其静特性图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理图 -Ucn1. 系统组成系统组成2. 系统静特性系统静特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性图5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性U*n

17、3U*n1U*n2 TLT- TL0 n Un U 定子电压定子电压 左侧新特性左侧新特性 新工作点新工作点 A (A的左侧的左侧TTL） 。 当系统在当系统在 A 点运行时点运行时: T=TL从开环特性各取一工作点，从开环特性各取一工作点，将将AA、A A、A A 连接起来连接起来闭环系统的静特性。闭环系统的静特性。开环机械特性很软开环机械特性很软闭环系统静特性很硬。闭环系统静特性很硬。 采用采用PIPI调节器调节器无静差无静差改变给定信号改变给定信号静特性平行上下移动静特性平行上下移动调速调速不同于直流调速系统，静特性左右两边都有不同于直流调速系统，静特性左右两边都有极限，它们是额定电压极

18、限，它们是额定电压 U UsN sN 下的机械特性下的机械特性和最小输出电压和最小输出电压U Usminsmin下的机械特性。如超下的机械特性。如超过极限值，闭环系统便失去控制能力。过极限值，闭环系统便失去控制能力。3. 系统静态结构系统静态结构 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结构图 图中：图中： Ks = Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；的放大系数； = Un/n 为转速反馈系数；为转速反馈系数； ASR采用采用PI调节器；调节器； n =f (Us, Te )是式（是式（5-

19、3）机械特性方程式，）机械特性方程式，它是一个非线性函数。它是一个非线性函数。稳态时，稳态时，Un* = Un = n ，Te = TLUs 和和Uc根据根据n 和和TL由式（由式（5-3）计算出）计算出五、五、 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绘出系统动态结构图绘出系统动态结构图动态分析和设计动态分析和设计。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) 转速调节器转速调节器ASR：常用PI调节器消除静差并

20、改善动态性能，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：如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置，可近似成一阶惯性环节，其传递函数为：1)(ssVGTsTKsW其近似条件：其近似条件：三相全波三相全波（ Ts = 3.3ms）sc31T 测速反馈环节：测速反馈环节： FBS的传递函数可写成1)(onFBSsTsW 异步电机近似的传递函数：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微分方程描述的，不能用一个传递函数准确表示。用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。 异步电机的近似线性化传递函数为异步电机的近似线性化

21、传递函数为: 1132323)()()(mMA2sA2pr21sA1Ar212sAppAsAr1psMAsTKsUnRJUsRUnsnJsURnsUssW得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，得异步电机变压调速系统微偏线性化近似动态近似动态结构图结构图。 注意下述两点：注意下述两点： 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别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。 由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。*6.3 变压控制在软起动器中的应用变压控制在软起动器中的应用软起动器软起动器:异步机的变压控制 1.软起动器（软起动器（Soft

22、 Starter）：是一种集电机软起：是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，软起动器实际上是个调压器。颖电机控制装置，软起动器实际上是个调压器。软起动器构成：软起动器构成：三相反并联三相反并联晶闸管及其电子控制闸管及其电子控制电路。电路。 交流变压调速系统可控电源交流变压调速系统可控电源M3TVC利用晶闸管交流调利用晶闸管交流调压器变压调速压器变压调速TVC双向晶闸双向晶闸管交流调压器管交流调压器 图5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速 起动电流问题起动电流问题: 小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够小容

23、量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大大（一般要求比电机容量大4倍以上），供电线路倍以上），供电线路不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%15%），可直接通电起动。），可直接通电起动。 容量大电动机，不能直接通电起动容量大电动机，不能直接通电起动。 运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。实现不同的功能。n 起动电流和转矩公式起动电流和转矩公式:起动时，起动时，s =1，因此起动电流和起动转矩分别为，因此起动电流和起动转矩分别为ssstrst222sr1srllUIIRRLL2psrest2221sr1sr3lln U RTRRLL