交流调压调速系统-课件

第2篇电力拖动控制系统交流拖动控制系统1第2篇电力拖动控制系统交流拖动控制系统1内容提要概述交流调速系统的主要类型交流调压调速系统交流变压变频调速系统绕线转子异步电机调速系统交流调速系统的MATLAB仿真2内容提要概述2交流调速系统的主要类型交流调速系统(ACSpeedRegulatingSystem):

以实现交流电动机转速调节为目标的电力拖动自动控制系统.3交流调速系统的主要类型交流调速系统(ACSpeedReg励磁同步电动机一、交流调速系统的分类交流电动机异步电动机

永磁同步电动机无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转速有严格比例关系”的条件，所以也把它归入同步电动机。当电机转子的转速与定子电流的频率有严格比例关系的电动机称同步电动机，无严格比例关系的电动机称异步电动机。特种同步电动机无刷直流电动机开关磁阻电动机直流无换向器电动机交流无换向器电动机交流电动机是定子绕组通入交流电的电机，其定子磁动势是一个旋转的磁动势。同步电动机4励磁同步电动机一、交流调速系统的分类交流电动机异步电动机永交流调速系统的分类电动机类别调速原理电力电子变换器形式变换器的电源特性异步电动机绕线式转子感应电动机串级调速（变转差）①交直交变频（整流＋有源逆变）②交交变频电流源型鼠笼式转子感应电动机调压调速交流调压电压源型①变频调速，他控式②变频调速，矢量控制①交直交变频（整流＋无源逆变）②交交变频①电流源型②电压源型同步电动机常规意义同步电动机无换向器电机变频调速，自控式①交直交变频（可控整流＋有源逆变）②交交变频电流源型无刷直流电动机变频调速，自控式交直交变频电压源型开关磁阻电动机变频调速，自控式交直交，（单极性脉动电流）5交流调速系统的分类电动机类别调速原理电力电子变换器变换器的异交流调速按对象划分异步电动机调速同步电动机调速按Ps变化情况划分Ps功率消耗型Ps功率回馈型Ps功率不变型交流调压调速系统串级调速变频调速实现方式SPWM按对象划分他控同步电动机变频调速系统自控同步电动机变频调速系统实现方式次同步串级调速系统超同步串级调速系统恒U1/ω1控制恒Eg/ω1控制恒Er/ω1控制转速开环恒压频比控制变频调速系统转速闭环转差频率控制变频调速系统矢量控制变频调速系统6交按对象划分异步电动机调速同步电动机调速按Ps变化情况划分二、异步电动机调速系统的分类可归纳出三类调速方法：变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。

原始的分类方法有：1）变极调速；2）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；3）变频调速。

(1)从异步电机转速表达式7二、异步电动机调速系统的分类可归纳出三类调速方法：原从定子传入转子的电磁功率总机械功率转子铜耗（转差功率）定义：转差功率

Ps＝sPem(2)按电动机的能量转换类型分类8从定子传入转子的电磁功率总机械功率转子铜耗定义：转差功率~

按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。

PmechPmPs9~按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。

特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率回馈型调速系统——转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。

特点：效率较高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统——调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：10（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗第5章电力拖动控制系统交流调压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统

11第5章电力拖动控制系统交流调压调速系统11本章提要异步电动机改变电压时的机械特性异步电动机变压调速电路闭环控制的调压调速系统及其静特性12本章提要异步电动机改变电压时的机械特性12一、异步电动机的固有机械特性式中：为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻；为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感5.1异步电动机改变电压时的机械特性13一、异步电动机的固有机械特性式中：为定子每相电阻和折算到定子可见，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。当电压Us和频率1一定时，机械特性方程式Te=f（s）是一个二次表达式。在定子电压Us和频率1均为额定值的情况下，可画出异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。

nsTeTq0Temaxsman001bTL异步电动机固有机械特性14可见，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平注意：

（1）设计电动机时通常把额定转矩Ten确定为左右。定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为M称为过载倍数。

nsTeTq0Temaxsman001bTL异步电动机固有机械特性15注意：M称为过载倍数。nsTeTq0Temaxsman(2)异步电动机的工作区域，一般只能在范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则为机械特性的非线性段。

nsTeTq0Temaxsman001bTL图异步电动机固有机械特性（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，此点对应着电机刚开始启动的状态，此时启动电流很大，可达电机额定电流的4~7倍，但启动转矩却不大。

16(2)异步电动机的工作区域，一般只能在范

异步电动机调压调速方式广泛应用于启动时限制启动电流和一些调速精度要求不高的场合，目前调压调速方式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然普遍应用。根据异步电动机机械特性方程式，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，这说明不同的定子电压，可以得到不同的人为机械特性。二、调压时的人为机械特性17二、调压时的人为机械特性17调压时的机械特性TeOnn1TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性Tst图5-2异步电动机在不同电压下的机械特性特点：(1)n1不变(2)T(包括Tst)正比于u1的平方(3)Sm不变(4)降压调速18调压时的机械特性TeOnn1TemaxsmTLUsN0.7

带恒转矩负载TL时，可得不同的稳定转速，如图5-2中的A，B，C点。由于普通异步电动机工作段转差率S很小，因此对恒转矩负载来说，调速范围很小。但是，对风机泵类机械，由于其负载特性为TL=kna(a>1)，采用调压调速则可得到较大的调速范围，如图5-2中的D，E，F点。19带恒转矩负载TL时，可得不同的稳定转速，如图5-显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。为了能在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，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-3。20显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也交流力矩电机的机械特性图5-3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

UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性n0Te0s,n1021交流力矩电机的机械特性图5-3高转子电阻电动机（交流力矩

所谓的调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。

那么，怎样实现调压调速呢？22所谓的调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械5.2异步电动机变压调速电路一、调压调速方法获取交流调压电源的方法：（1）调压器调压如图（a）所示。235.2异步电动机变压调速电路一、调压调速方法23（2）饱和电抗器调压如图（b）所示，饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组的交流电抗器。（3）晶闸管交流调压器调压如图（c）所示。单相调压电路如图所示，其控制方法有两种：1）相位控制方式通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图所示。特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。24（2）饱和电抗器调压（3）晶闸管交流调压器调压24

晶闸管相位控制下的负载电压波形

晶闸管单相调压电路

25晶闸管相位控制下的负载电压波形晶闸管单相调压电路25

2）开关控制方式把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/tp来调节。输出电压波形如图所示。晶闸管开关控制下的负载电压波形特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。262）开关控制方式晶闸管开关控制下的负载电压波形特点

二、交流调压电路晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。

三相全波星形联结的调压电路27二、交流调压电路三相全波星形联结的调压电路27电路正常工作的条件：（1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。（2）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。（3）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差120°，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差120°；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°。根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1……，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。28电路正常工作的条件：28调压调速系统的可逆运行及制动图5-4电动机的正、反转及制动电路29调压调速系统的可逆运行及制动图5-4电动机的正、反1、可逆运行方法：改变定子供电电压的相序，如图所示。图中晶闸管1~6供给电动机定子正相序电源；而晶闸管7~10及1、4供给定子反相序电源。2、反接制动与能耗制动反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元件。耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。例：使1、2、6三个元件导通，其它元件都不工作，这样就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。

所以调压调速系统具有良好的制动特性。301、可逆运行305.3闭环控制的调压调速系统及其静特性

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，开环控制很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图5-6a）。315.3闭环控制的调压调速系统及其静特性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

--~Ucn321.系统组成图5-6带转速负反馈闭环控制的交流变压调速2.系统静特性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*n2332.系统静特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmi当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A’。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A’’。34当系统带负载在A点运行时，如果负载增

按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是闭环系统的静特性。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，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。35按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是

尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。36尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定(1)电动机的额定转矩Ten设定为左右。定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为M称为过载倍数，它表示电动机在短时间内允许超过额定负载的能力。如果让异步电动机带动接近于Temax的负载长时间运行，就会使电动机因过热而损坏。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:3.变压调速系统的特点37(1)电动机的额定转矩Ten设定为左右当负载变化时（2）异步电动机的工作区域，一般只能在0－sm范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则称为机械特性的非线性段。静特性左右两边都有极限，不能无限延长它们是额定电压UsN下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。38当负载变化时（2）异步电动机的工作区域，一般只能在0－（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，电机刚开始启动，此时启动电流很大，可达电机额定电流的4~7倍，但启动转矩却不大。直流电动机启动时，要减小启动转矩，以防启动转矩太大，造成机械冲击，损伤设备。减小启动转矩，也就减小了启动电流。异步电动机启动时，则存在两方面的问题，一要解决启动电流的问题，二要解决启动转矩不足的矛盾。39（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且4调压调速系统中的能耗与效率分析

(1)转差功率Ps传到转子上的电磁功率P2与转子轴上输出的机械功率PM之差Ps为

Ps称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步电动机的能量流程图。Cu1PCu2PFePMPDMP0P1P2P404调压调速系统中的能耗与效率分析(1)转差功率Ps（2）电动机的效率

若忽略其它损耗，则电动机的效率为讨论：

1)恒转矩负载时：有Te=TL不变；因f1不变，故n0不变，电磁功率P2也不变。随着转速的降低，转差功率sP2增大，效率降低。2)风机泵类负载时：有Te=TL=Kn2，Te、P2随转速以平方速率下降，尽管低速时，s增大，但总的转差功率Ps=sP2下降，损耗变小。

故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。41（2）电动机的效率讨论：41三、系统静态结构

图5-7异步电动机闭环变压调速系统的静态结构图根据图5-6（a）所示的系统可以画出其静态结构图如图5-7所示。42三、系统静态结构图5-7异步电动机闭环变压调速系统的图中，Ks=U1/Uc

为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；=Un/n为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；n=f(U1,T)是式（5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。43图中，43

稳态时，

Un*=Un=n

T=TL根据负载需要的n和TL可由式（5-3）计算出所需的Us以及相应的Uc。44稳态时，445.3.2闭环变压调速系统的动态结构图

对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图5-7的静态结构图可以得到动态结构图，如图5-8所示。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一番周折。455.3.2闭环变压调速系统的动态结构图对系统进行

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)U1(s)46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

转速调节器ASR

转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为47转速调节器ASR转速调节器ASR常用PI调节

晶闸管交流调压器和触发装置

装置的输入-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一样。传递函数可写成48晶闸管交流调压器和触发装置装置的输入-输出关系原

其近似条件是对于三相全波Y联结调压电路，可取Ts=3.3ms

对其他型式的调压电路则须另行考虑。49其近似条件是49

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50测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节F

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，要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的。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。51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（1）异步电机近似的线性机械特性

由式（5-3）已知电磁转矩为（5-3）当s很小时，可以认为且52（1）异步电机近似的线性机械特性由式（5-3）已知电磁转

后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，（5-6）这是在上述条件下异步电机近似的机械特性。53后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件（2）稳态工作点计算

设A为近似机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上（5-7）在A点附近有微小偏差时，T=TA+T，U1=U1A+Us，而s=sA+s，代入式（5-6）得54（2）稳态工作点计算设A为近似机械特性上的一个稳（3）微偏线性化

（5-8）

将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则（5-9）55（3）微偏线性化

从式（5-9）中减去式（5-7），得（5-10）

已知转差率，其中1是同步角转速，是转子角转速，则(5-11)56从式（5-9）中减去式（5-7），得56

将式（5-11）代入式（5-10），得（5-11）

式（5-11）就是在稳态工作点附近微偏量T与U1和间的关系。57将式（5-11）代入式（5-10），得57

带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为（5-13）58带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为58

将式（5-12）和（5-13）的微偏量关系画在一起，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5-9所示。

5959（4）近似动态结构图图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

60（4）近似动态结构图图5-9忽略电磁惯性时异步电机微偏线性如果只考虑U1到之间的传递函数，可先取TL

=0，图5-9中小闭环传递函数可变换成61如果只考虑U1到之间的传递函数，可先取（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数为

62（5）异步电机的近似线性化传递函数于是，异步电机的近似式中KMA—异步电机的传递系数，Tm—异步电机拖动系统的机电时间常数，

63式中63

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线性的一阶惯性环节，即(5-14)把得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，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。64由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性

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：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。返回目录65最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构图时第2篇电力拖动控制系统交流拖动控制系统66第2篇电力拖动控制系统交流拖动控制系统1内容提要概述交流调速系统的主要类型交流调压调速系统交流变压变频调速系统绕线转子异步电机调速系统交流调速系统的MATLAB仿真67内容提要概述2交流调速系统的主要类型交流调速系统(ACSpeedRegulatingSystem):

以实现交流电动机转速调节为目标的电力拖动自动控制系统.68交流调速系统的主要类型交流调速系统(ACSpeedReg励磁同步电动机一、交流调速系统的分类交流电动机异步电动机

永磁同步电动机无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转速有严格比例关系”的条件，所以也把它归入同步电动机。当电机转子的转速与定子电流的频率有严格比例关系的电动机称同步电动机，无严格比例关系的电动机称异步电动机。特种同步电动机无刷直流电动机开关磁阻电动机直流无换向器电动机交流无换向器电动机交流电动机是定子绕组通入交流电的电机，其定子磁动势是一个旋转的磁动势。同步电动机69励磁同步电动机一、交流调速系统的分类交流电动机异步电动机永交流调速系统的分类电动机类别调速原理电力电子变换器形式变换器的电源特性异步电动机绕线式转子感应电动机串级调速（变转差）①交直交变频（整流＋有源逆变）②交交变频电流源型鼠笼式转子感应电动机调压调速交流调压电压源型①变频调速，他控式②变频调速，矢量控制①交直交变频（整流＋无源逆变）②交交变频①电流源型②电压源型同步电动机常规意义同步电动机无换向器电机变频调速，自控式①交直交变频（可控整流＋有源逆变）②交交变频电流源型无刷直流电动机变频调速，自控式交直交变频电压源型开关磁阻电动机变频调速，自控式交直交，（单极性脉动电流）70交流调速系统的分类电动机类别调速原理电力电子变换器变换器的异交流调速按对象划分异步电动机调速同步电动机调速按Ps变化情况划分Ps功率消耗型Ps功率回馈型Ps功率不变型交流调压调速系统串级调速变频调速实现方式SPWM按对象划分他控同步电动机变频调速系统自控同步电动机变频调速系统实现方式次同步串级调速系统超同步串级调速系统恒U1/ω1控制恒Eg/ω1控制恒Er/ω1控制转速开环恒压频比控制变频调速系统转速闭环转差频率控制变频调速系统矢量控制变频调速系统71交按对象划分异步电动机调速同步电动机调速按Ps变化情况划分二、异步电动机调速系统的分类可归纳出三类调速方法：变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。

原始的分类方法有：1）变极调速；2）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；3）变频调速。

(1)从异步电机转速表达式72二、异步电动机调速系统的分类可归纳出三类调速方法：原从定子传入转子的电磁功率总机械功率转子铜耗（转差功率）定义：转差功率

Ps＝sPem(2)按电动机的能量转换类型分类73从定子传入转子的电磁功率总机械功率转子铜耗定义：转差功率~

按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。

PmechPmPs74~按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。

特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率回馈型调速系统——转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。

特点：效率较高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统——调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：75（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗第5章电力拖动控制系统交流调压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统

76第5章电力拖动控制系统交流调压调速系统11本章提要异步电动机改变电压时的机械特性异步电动机变压调速电路闭环控制的调压调速系统及其静特性77本章提要异步电动机改变电压时的机械特性12一、异步电动机的固有机械特性式中：为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻；为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感5.1异步电动机改变电压时的机械特性78一、异步电动机的固有机械特性式中：为定子每相电阻和折算到定子可见，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。当电压Us和频率1一定时，机械特性方程式Te=f（s）是一个二次表达式。在定子电压Us和频率1均为额定值的情况下，可画出异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。

nsTeTq0Temaxsman001bTL异步电动机固有机械特性79可见，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平注意：

（1）设计电动机时通常把额定转矩Ten确定为左右。定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为M称为过载倍数。

nsTeTq0Temaxsman001bTL异步电动机固有机械特性80注意：M称为过载倍数。nsTeTq0Temaxsman(2)异步电动机的工作区域，一般只能在范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则为机械特性的非线性段。

nsTeTq0Temaxsman001bTL图异步电动机固有机械特性（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，此点对应着电机刚开始启动的状态，此时启动电流很大，可达电机额定电流的4~7倍，但启动转矩却不大。

81(2)异步电动机的工作区域，一般只能在范

异步电动机调压调速方式广泛应用于启动时限制启动电流和一些调速精度要求不高的场合，目前调压调速方式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然普遍应用。根据异步电动机机械特性方程式，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，这说明不同的定子电压，可以得到不同的人为机械特性。二、调压时的人为机械特性82二、调压时的人为机械特性17调压时的机械特性TeOnn1TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性Tst图5-2异步电动机在不同电压下的机械特性特点：(1)n1不变(2)T(包括Tst)正比于u1的平方(3)Sm不变(4)降压调速83调压时的机械特性TeOnn1TemaxsmTLUsN0.7

带恒转矩负载TL时，可得不同的稳定转速，如图5-2中的A，B，C点。由于普通异步电动机工作段转差率S很小，因此对恒转矩负载来说，调速范围很小。但是，对风机泵类机械，由于其负载特性为TL=kna(a>1)，采用调压调速则可得到较大的调速范围，如图5-2中的D，E，F点。84带恒转矩负载TL时，可得不同的稳定转速，如图5-显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。为了能在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，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-3。85显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也交流力矩电机的机械特性图5-3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

UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性n0Te0s,n1086交流力矩电机的机械特性图5-3高转子电阻电动机（交流力矩

所谓的调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。

那么，怎样实现调压调速呢？87所谓的调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械5.2异步电动机变压调速电路一、调压调速方法获取交流调压电源的方法：（1）调压器调压如图（a）所示。885.2异步电动机变压调速电路一、调压调速方法23（2）饱和电抗器调压如图（b）所示，饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组的交流电抗器。（3）晶闸管交流调压器调压如图（c）所示。单相调压电路如图所示，其控制方法有两种：1）相位控制方式通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图所示。特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。89（2）饱和电抗器调压（3）晶闸管交流调压器调压24

晶闸管相位控制下的负载电压波形

晶闸管单相调压电路

90晶闸管相位控制下的负载电压波形晶闸管单相调压电路25

2）开关控制方式把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/tp来调节。输出电压波形如图所示。晶闸管开关控制下的负载电压波形特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。912）开关控制方式晶闸管开关控制下的负载电压波形特点

二、交流调压电路晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。

三相全波星形联结的调压电路92二、交流调压电路三相全波星形联结的调压电路27电路正常工作的条件：（1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。（2）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。（3）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差120°，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差120°；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°。根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1……，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。93电路正常工作的条件：28调压调速系统的可逆运行及制动图5-4电动机的正、反转及制动电路94调压调速系统的可逆运行及制动图5-4电动机的正、反1、可逆运行方法：改变定子供电电压的相序，如图所示。图中晶闸管1~6供给电动机定子正相序电源；而晶闸管7~10及1、4供给定子反相序电源。2、反接制动与能耗制动反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元件。耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。例：使1、2、6三个元件导通，其它元件都不工作，这样就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。

所以调压调速系统具有良好的制动特性。951、可逆运行305.3闭环控制的调压调速系统及其静特性

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，开环控制很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图5-6a）。965.3闭环控制的调压调速系统及其静特性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

--~Ucn971.系统组成图5-6带转速负反馈闭环控制的交流变压调速2.系统静特性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*n2982.系统静特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmi当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A’。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A’’。99当系统带负载在A点运行时，如果负载增

按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是闭环系统的静特性。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，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。100按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是

尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。101尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定(1)电动机的额定转矩Ten设定为左右。定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为M称为过载倍数，它表示电动机在短时间内允许超过额定负载的能力。如果让异步电动机带动接近于Temax的负载长时间运行，就会使电动机因过热而损坏。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:3.变压调速系统的特点102(1)电动机的额定转矩Ten设定为左右当负载变化时（2）异步电动机的工作区域，一般只能在0－sm范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则称为机械特性的非线性段。静特性左右两边都有极限，不能无限延长它们是额定电压UsN下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。103当负载变化时（2）异步电动机的工作区域，一般只能在0－（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，电机刚开始启动，此时启动电流很大，可达电机额定电流的4~7倍，但启动转矩却不大。直流电动机启动时，要减小启动转矩，以防启动转矩太大，造成机械冲击，损伤设备。减小启动转矩，也就减小了启动电流。异步电动机启动时，则存在两方面的问题，一要解决启动电流的问题，二要解决启动转矩不足的矛盾。104（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且4调压调速系统中的能耗与效率分析

(1)转差功率Ps传到转子上的电磁功率P2与转子轴上输出的机械功率PM之差Ps为

Ps称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步电动机的能量流程图。Cu1PCu2PFePMPDMP0P1P2P1054调压调速系统中的能耗与效率分析(1)转差功率Ps（2）电动机的效率

若忽略其它损耗，则电动机的效率为讨论：

1)恒转矩负载时：有Te=TL不变；因f1不变，故n0不变，电磁功率P2也不变。随着转速的降低，转差功率sP2增大，效率降低。2)风机泵类负载时：有Te=TL=Kn2，Te、P2随转速以平方速率下降，尽管低速时，s增大，但总的转差功率Ps=sP2下降，损耗变小。

故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。106（2）电动机的效率讨论：41三、系统静态结构

图5-7异步电动机闭环变压调速系统的静态结构图根据图5-6（a）所示的系统可以画出其静态结构图如图5-7所示。107三、系统静态结构图5-7异步电动机闭环变压调速系统的图中，Ks=U1/Uc

为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；=Un/n为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；n=f(U1,T)是式（5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。108图中，43

稳态时，

Un*=Un=n

T=TL根据负载需要的n和TL可由式（5-3）计算出所需的Us以及相应的Uc。109稳态时，445.3.2闭环变压调速系统的动态结构图

对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图5-7的静态结构图可以得到动态结构图，如图5-8所示。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一番周折。1105.3.2闭环变压调速系统的动态结构图对系统进行

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)U1(s)111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

转速调节器ASR

转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为112转速调节器ASR转速调节器ASR常用PI调节

晶闸管交流调压器和触发装置

装置的输入-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，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如