电力拖动自动控制系统课件

第2篇电力拖动自动控制系统交流拖动控制系统内容提要概述交流调速系统的主要类型交流变压调速系统交流变频调速系统*绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统*同步电动机变压变频调速系统概述

直流电力拖动和交流电力拖动在19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量80%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局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。

直到20世纪60~70年代，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。这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，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。交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速

高性能的交流调速系统和伺服系统

特大容量、极高转速的交流调速

1.一般性能的节能调速

在过去大量的所谓“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，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。一般性能的节能调速（续）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、水泵平均都可以节约20~30%以上的电能，效果是很可观的。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。2.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。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流施行灵活的实时控制。20世纪70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，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突破性的进展。高性能的交流调速系统和伺服系统（续）高性能的的交流调调速系统统和伺服服系统（（续）其后，又又陆续提提出了直直接转矩矩控制、、解耦控控制等方方法，形形成了一一系列可可以和直直流调速速系统媲媲美的高高性能交交流调速速系统和和交流伺伺服系统统。3.特大容量量、极高高转速的的交流调调速直流电机的的换向能力力限制了它它的容量转转速积不超超过106kW·r/min，超过这一数数值时，其其设计与制制造就非常常困难了。。交流电机没没有换向器器，不受这这种限制，，因此，特特大容量的的电力拖动动设备，如如厚板轧机机、矿井卷卷扬机等，，以及极高高转速的拖拖动，如高高速磨头、、离心机等等，都以采采用交流调调速为宜。。交流调速系系统的主要要类型交流电机主主要分为异步步电电机机（即即感感应应电电机机））和和同步步电电机机两大大类类，，每每类类电电机机又又有有不不同同类类型型的的调调速速系系统统。。现有文献中介介绍的异步电电机调速系统统种类繁多，，可按照不同同的角度进行行分类。按电动机的调调速方法分类类常见的交流调调速方法有：：①降电压调速；；②转差离合器调调速；③转子串电阻调调速；④绕线电机串级级调速或双馈馈电机调速；；⑤变极对数调速速；⑥变压变频调速速等等。在研究开发阶阶段，人们从从多方面探索索调速的途径径，因而种类类繁多是很自自然的。现在在交流调速的的发展已经比比较成熟，为为了深入掌握握其基本原理理，就不能满满足于这种表表面上的罗列列，而要进一一步探讨其本本质，认识交交流调速的基基本规律。~按电动机的能能量转换类型型分类按照交流异步步电机的原理理，从定子传传入转子的电电磁功率可分分成两部分：：一部分是拖拖动负载的有有效功率，称称作机械功率率；另一部分分是传输给转转子电路的转转差功率，与与转差率s成正比。PmechPmPs即Pm=Pmech+PsPmech=(1––s)PmPs=sPm从能量转换的的角度上看，，转差功率是是否增大，是是消耗掉还是是得到回收，，是评价调速速系统效率高高低的标志。。从这点出发发，可以把异步电机的调调速系统分成三类。。1.转差功率消耗耗型调速系统统这种类型的全全部转差功率率都转换成热热能消耗在转转子回路中，，上述的第①、②、③三种调速方法法都属于这一一类。在三类类异步电机调调速系统中，，这类系统的的效率最低，，而且越到低低速时效率越越低，它是以以增加转差功功率的消耗来来换取转速的的降低的（恒恒转矩负载时时）。可是这这类系统结构构简单，设备备成本最低，，所以还有一一定的应用价价值。2.转差功率馈送送型调速系统统在这类系统中中，除转子铜铜损外，大部部分转差功率率在转子侧通通过变流装置置馈出或馈入入，转速越低低，能馈送的的功率越多，，上述第④种调速方法属属于这一类。。无论是馈出出还是馈入的的转差功率，，扣除变流装装置本身的损损耗后，最终终都转化成有有用的功率，，因此这类系系统的效率较较高，但要增增加一些设备备。3.转差功功率不不变型型调速速系统统在这类类系统统中，，转差差功率率只有有转子子铜损损，而而且无无论转转速高高低，，转差差功率率基本本不变变，因因此效效率更更高，，上述述的第第⑤、⑥两种调调速方方法属属于此此类。。其中中变极极对数数调速速是有有级的的，应应用场场合有有限。。只有有变压压变频频调速速应用用最广广，可可以构构成高高动态态性能能的交交流调调速系系统，，取代代直流流调速速；但但在定定子电电路中中须配配备与与电动动机容容量相相当的的变压压变频频器，，相比比之下下，设设备成成本最最高。。同步电机的的调速同步电机没没有转差，，也就没有有转差功率率，所以同同步电机调调速系统只只能是转差差功率不变变型（恒等等于0）的，而同同步电机转转子极对数数又是固定定的，因此此只能靠变变压变频调调速，没有有像异步电电机那样的的多种调速速方法。在同步电机机的变压变变频调速方方法中，从从频率控制制的方式来来看，可分分为他控变频调调速和自控变频调调速两类。自控变频调调速利用转子磁磁极位置的的检测信号号来控制变变压变频装装置换相，，类似于直直流电机中中电刷和换换向器的作作用，因此此有时又称称作无换向向器电机调调速，或无刷直流电电机调速。开关磁阻电电机是一种特殊殊型式的同同步电机，，有其独特特的比较简简单的调速速方法，在在小容量交交流电机调调速系统中中很有发展展前途。第5章电力拖动自自动控制系系统闭环控制制的异步步电动机机变压调调速系统统——一种转差差功率消消耗型调调速系统统本章提要要异步电动动机变压压调速电电路异步电动机改变电电压时的的机械特特性闭环控制制的变压压调速系系统及其其静特性性闭环变压压调速系系统的近近似动态态结构图图转差功率率损耗分分析变压控制制在软起起动器和和轻载降降压节能能运行中中的应用用5.1异步电动动机变压压调速电电路变压调速速是异步步电机调调速方法法中比较较简便的的一种。。由电力拖拖动原理理可知，，当异步步电机等等效电路路的参数数不变时时，在相相同的转转速下，，电磁转转矩与定定子电压压的平方方成正比比，因此此，改变变定子外外加电压压就可以以改变机机械特性性的函数数关系，，从而改改变电机机在一定定负载转转矩下的的转速。。过去改变变交流电电压的方方法多用用自耦变变压器或或带直流流磁化绕绕组的饱饱和电抗抗器，自自从电力力电子技技术兴起起以后，，这类比比较笨重重的电磁磁装置就就被晶闸闸管交流流调压器器取代了了。目前，交交流调压压器一般般用三对对晶闸管管反并联联或三个个双向晶晶闸管分分别串接接在三相相电路中中，主电电路接法法有多种种方案，，用相位位控制改改变输出出电压。。Y型接法0负载abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3型接法负载b)abcuaubucia交流变压压调速系系统可控控电源M3~~TVC利用晶闸闸管交流流调压器器变压调调速TVC——双向晶闸闸管交流流调压器器图5-1利用晶闸闸管交流流调压器器变压调调速控制方式式TVC的变压控制制方式电路结构构：采用晶闸闸管反并并联供电电方式，，实现异异步电动动机可逆逆和制动动。图5-2采用晶闸闸管反并并联的异异步电动动机可逆逆和制动动电路可逆和制制动控制制反向运行行方式图5-2所示为采采用晶闸闸管反并并联的异异步电动动机可逆逆和制动动电路，，其中，，晶闸管管1~6控制电动动机正转转运行，，反转时时，可由由晶闸管管1，4和7~10提供逆相相序电源源，同时时也可用用于反接接制动。。制动运行行方式当需要能能耗制动动时，可可以根据据制动电电路的要要求选择择某几个个晶闸管管不对称称地工作作，例如如让1，2，6三个器件件导通，，其余均均关断，，就可使使定子绕绕组中流流过半波波直流电电流，对对旋转着着的电动动机转子子产生制制动作用用。必要要时，还还可以在在制动电电路中串串入电阻阻以限制制制动电电流。返回目录5.2异步电动动机改变变电压时时的机械械特性根据电机机学原理理，在下下述三个个假定条条件下：：忽略空间间和时间间谐波，，忽略磁饱饱和，忽略铁损损，异步电机机的稳态态等效电电路示于于图5-3。异步电动动机等效效电路图5-3异步电动机的稳态等效电路

Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rLm参数定义义Rs、R’r——定子每相相电阻和和折合到到定子侧侧的转子每相相电阻；；Lls、L’lr——定子每相相漏感和和折合到到定子侧侧的转子每相相漏感；；Lm——定子每相相绕组产产生气隙隙主磁通通的等效电感感，即励励磁电感感；Us、1——定子相电电压和供供电角频频率；s——转差率。。电流公式式由图可以以导出(5-1)式中在一般情情况下，，LmLl1，则，C11这相当于于将上述述假定条条件的第第③条改为忽忽略铁损损和励磁磁电流。。这样，，电流公公式可简简化成(5-2)转矩公式式令电磁功功率Pm=3Ir'2Rr'/s同步机械械角转速速m1=1/np式中np—极对数，，则异步步电机的的电磁转转矩为（5-3）式（5-3）就是异异步电机机的机械械特性方方程式。。它表明明，当转转速或转转差率一一定时，，电磁转矩矩与定子子电压的的平方成成正比。这样，不不同电压压下的机机械特性性便如图图5-4所示，图图中，UsN表示额定定定子电电压。异步电动动机机械械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载载特性恒转矩负载载特性图5-4异步电动机机不同电压下下的机械特特性最大转矩公公式将式（5-3）对s求导，并令令dTe/ds=0，可求出对应应于最大转转矩时的静静差率和最最大转矩（5-4）（5-5）由图5-4可见，带恒恒转矩负载载工作时，，普通笼型型异步电机机变电压时时的稳定工工作点为A、B、C，转差率s的变化范围围不超过0~sm，调速范围围有限。如如果带风机机类负载运运行，则工工作点为D、E、F，调速范围可可以大一些些。为了能在恒恒转矩负载载下扩大调调速范围，，并使电机机能在较低低转速下运运行而不致致过热，就就要求电机机转子有较较高的电阻阻值，这样样的电机在在变电压时时的机械特特性绘于图图5-5。显然，带恒恒转矩负载载时的变压压调速范围围增大了，，堵转工作作也不致烧烧坏电机，，这种电机机又称作交交流力矩电电机。交流力矩电电机的机械械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载载特性图5-5高转子电阻阻电动机（（交流力矩矩电动机））在不同电压压下的机械械特性返回目录5.3闭环控制的的变压调速速系统及其其静特性采用普通异异步电机的的变电压调调速时，调调速范围很很窄，采用用高转子电电阻的力矩矩电机可以以增大调速速范围，但但机械特性性又变软，，因而当负负载变化时时静差率很很大（见图图5-5），开环控控制很难解解决这个矛矛盾。为此，对于于恒转矩性性质的负载载，要求调调速范围大大于D=2时，往往采采用带转速速反馈的闭闭环控制系系统（见图图5-6a）。1.系统组成图5-6带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3~TGa)原理图

--~Ucn2.系统静特性性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin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*n3U*n1U*n2图5-6b所示的是闭闭环控制变变压调速系系统的静特特性。当系系统带负载载在A点运行时，，如果负载载增大引起起转速下降降，反馈控控制作用能能提高定子子电压，从从而在右边边一条机械械特性上找找到新的工工作点A’。同理，当负负载降低时时，会在左左边一条特特性上得到到定子电压压低一些的的工作点A’’。按照反馈控控制规律，，将A’’、A、A’连接起来便便是闭环系系统的静特特性。尽管管异步电机机的开环机机械特性和和直流电机机的开环特特性差别很很大，但是是在不同电电压的开环环机械特性性上各取一一个相应的的工作点，，连接起来来便得到闭闭环系统静静特性，这这样的分析析方法对两两种电机是是完全一致致的。尽管异步力力矩电机的的机械特性性很软，但但由系统放放大系数决决定的闭环环系统静特特性却可以以很硬。如果采用PI调节器，照照样可以做做到无静差差。改变给给定信号，，则静特性性平行地上上下移动，，达到调速速的目的。。变压调速系系统的特点点异步电机闭闭环变压调调速系统不不同于直流流电机闭环环变压调速速系统的地地方是：静静特性左右右两边都有有极限，不不能无限延延长，它们们是额定电电压UsN下的机械特特性和最小小输出电压压Usmin下的机械特特性。当负载变变化时，，如果电电压调节节到极限限值，闭闭环系统统便失去去控制能能力，系系统的工工作点只只能沿着着极限开开环特性性变化。。3.系统静态态结构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

根据图5-6a所示的原原理图，，可以画画出静态态结构图图，如图图5-7所示。图图中，Ks=Us/Uc为晶闸管管交流调调压器和和触发装装置的放放大系数数；=Un/n为转速反反馈系数数；ASR采用PI调节器；；n=f(Us,Te)是式（5-3）所表达达的异步步电机机机械特性性方程式式，它是是一个非非线性函函数。稳态时，，Un*=Un=nTe=TL根据负载载需要的的n和TL可由式（（5-3）计算出出或用机机械特性性图解法法求出所所需的Us以及相应应的Uc。返回目录5.4闭环变压压调速系系统的近近似动态态结构图图对系统进进行动态态分析和和设计时时，须先先绘出动动态结构构图。由由图5-7的静态结结构图可可以得到到动态结结构图，，如图5-8所示。其中有些些环节的的传递函函数可以以直接写写出来，，只有异异步电机机传递函函数的推推导须费费一番周周折。系统动态态结构图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)转速调节节器ASR转速调节节器ASR常用PI调节器器，用用以消消除静静差并并改善善动态态性能能，其其传递递函数数为晶闸管管交流流调压压器和和触发发装置置装置的的输入入-输出关关系原原则上上是非非线性性的，，在一一定范范围内内可假假定为为线性性函数数，在在动态态中可可以近近似成成一阶阶惯性性环节节，正正如直直流调调速系系统中中的晶晶闸管管触发发和整整流装装置那那样。。传递递函数数可写写成其近似似条件件是对于三三相全全波Y联结调调压电电路，，可取取Ts=3.3ms对其他他型式式的调调压电电路则则须另另行考考虑。。测速反反馈环环节考虑到到反馈馈滤波波作用用，测测速反反馈环环节FBS的传递递函数数可写写成异步电电机近近似的的传递递函数数异步电电机的的动态态过程程是由由一组组非线线性微微分方方程描描述的的，要要用一一个传在这里，可以先在一定的假定条件下，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。（1）异步电机机近似的线线性机械特特性由式（5-3）已知电磁磁转矩为（5-3）当s很小时，可可以认为且后者相当于于忽略异步步电机的漏漏感电磁惯惯性。在此此条件下，，（5-6）这是在上述述条件下异异步电机近近似的线性性机械特性性。（2）稳态工作作点计算设A为近似线性性机械特性性上的一个个稳态工作作点，则在在A点上（5-7）在A点附近有微微小偏差时时，Te=TeA+Te，Us=UsA+Us，而s=sA+s，代入式（（5-6）得（3）微偏线性性化将上式展开开，并忽略略两个和两两个以上微微偏量的乘乘积，则（5-8）从式（5-8）中减去式式（5-7），得（5-9）

已知转差率，其中1是同步角转速，是转子角转速，则(5-10)将式（5-10）代入式（（5-9），得（5-11）式（5-11）就是在稳稳态工作点点附近微偏偏量Te与Us和间的关系。。带恒转矩负负载时电力力拖动系统统的运动方方程式为按上面相同同的方法处处理，可得得在稳态工工作点A附近的微偏偏量运动方方程式为（5-12）将式（5-11）和（5-12）的微偏量量关系画在在一起，即即得异步电电机在忽略略电磁惯性性时的微偏偏线性化动动态结构图图，如图5-9所示。如果只考虑虑U1到之间的传递递函数，可可先取TL=0，图5-9中小闭环传传递函数可可变换成（4）近似动态态结构图3npω1Rr2UsASA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔ+--图5-9忽略电磁惯惯性时异步步电机微偏偏线性化的的近似动态态结构图（5）异步电机机的近似线线性化传递递函数于是，异步步电机的近近似线性化化传递函数数为式中KMA—异步步电电机机的的传传递递系系数数，，Tm—异步步电电机机拖拖动动系系统统的的机机电电时时间间常常数数，，由于于忽忽略略了了电电磁磁惯惯性性，，只只剩剩下下同同轴轴旋旋转转体体的的机机电电惯惯性性，，异异步步电电机机便便近近似似成成一一个个线线性性的的一一阶阶惯惯性性环环节节，，即即(5-13)把得得到到的的四四个个传传递递函函数数式式写写入入图图5-8中各各方方框框内内，，即即得得异异步步电电机机变变压压调调速速系系统统微微偏偏线线性性化化的的近似似动动态态结结构构图图。最后后，，应应该该再再强强调调一一下下，，具具体体使使用用这这个个动动态态结结构构图图时时要要注注意意下下述述两两点点：：由于它是偏微微线性化模型型，只能用于于机械特性线线性段上工作作点附近的稳稳定性判别和和动态校正，，不适用于起起制动时转速速大范围变化化的动态响应应。由于它完全忽忽略了电磁惯惯性，分析与与计算有很大大的近似性。。返回目录*5.5转差功率损耗耗分析（略））返回目录*5.6变压控制在软软起动器和轻轻载降压节能能运行中的应应用除了调速系统统以外，异步步电动机的变变压控制在软起动器和轻载降压节能能运行中也得到到了广泛的应应用。本节主要介绍绍它们的基本本原理，关于于其运行中的的一些具体问问题可参看参参考文献[42]，[43]，[44]。*5.6.1软起动器起动电流问题题常用的三相异异步电动机结结构简单，价价格便宜，而而且性能良好好，运行可靠靠。对于小容容量电动机，，只要供电网网络和变压器器的容量足够够大（一般要要求比电机容容量大4倍以上），而而供电线路并并不太长（起起动电流造成成的瞬时电压压降落低于10%~15%），可以直接接通电起动，，操作也很简简便。对于容容量大一些的的电动机，问问题就不这么么简单了。起动电流和转转矩公式在式（5-2）和式（5-3）中已导出异步步电动机的电电流和转矩方方程式，起动时，s=1，因此起动电电流和起动转转矩分别为（5-19）（5-20）由上述二式不不难看出，在在一般情况下下，三相异步步电动机的起起动电流比较较大，而起动动转矩并不大大。对于一般般的笼型电动动机，起动电电流和起动转转矩对其额定定值的倍数大大约为起动电流倍数数起动转矩倍数数起动电流和转转矩分析起动电流和转转矩分析（续续）中、大容量电电动机的起动动电流大，会会使电网压降降过大，影响响其他用电设设备的正常运运行，甚至使使该电动机本本身根本起动动不起来。这这时，必须采采取措施来降降低其起动电电流，常用的的办法是降压起起动。降压起起动的的矛盾盾由式（（5-19）可知知，当当电压压降低低时，，起动动电流流将随随电压压成正正比地地降低低，从从而可可以避避开起起动电电流冲冲击的的高峰峰。但是是，，式式（（5-20）又又表表明明，，起起动动转转矩矩与与电电压压的的平平方方成成正正比比，，起起动动转转矩矩的的减减小小将将比比起起动动电电流流的的降降低低更更快快，，降降压压起起动动时时又又会会出出现现起起动动转转矩矩够够不不够够的的问问题题。。为为了了避避免免这这个个麻麻烦烦，，降压压起起动动只只适适用用于于中中、、大大容容量量电电动动机机空空载载（（或或轻轻载载））起起动动的的场场合合。传统统的的降降压压起起动动方方法法传统统的的降降压压起起动动方方法法有有：：星-三角角（（Y-ΔΔ）起起动动定子子串串电电阻阻或或电电抗抗起起动动自耦耦变变压压器器（（又又称称起起动动补补偿偿器器））降降压压起起动动它们们都都是是一一级级降降压压起起动动，，起起动动过过程程中中电电流流有有两两次次冲冲击击，，其其幅幅值值都都比比直直接接起起动动电电流流低低，，而而起起动动过过程程时时间间略略长长，，如如图图5-12所示。。软起动动方法法现代带带电流流闭环环的电电子控控制软软起动动器可可以限限制起起动电电流并并保持持恒值值，直直到转转速升升高后后电流流自动动衰减减下来来（图图5-12中曲线线c），起起动时时间也也短于于一级级降压压起动动。主主电路路采用用晶闸闸管交交流调调压器器，用用连续续地改改变其其输出出电压压来保保证恒恒流起起动，，稳定定运行行时可可用接接触器器给晶晶闸管管旁路路，以以免晶晶闸管管不必必要地地长期期工作作。软起动方法法（续）视起动时所所带负载的的大小，起起动电流可可在(0.5~4)IsN之间调整，，以获得最最佳的起动动效果，但但无论如何何调整都不不宜于满载载起动。负负载略重或或静摩擦转转矩较大时时，可在起起动时突加加短时的脉脉冲电流，，以缩短起起动时间。。