闭环控制的异步电动机变压调速系统课件

交流拖動控制系統

概述

直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先後誕生。在20世紀上半葉的年代裏，鑒於直流拖動具有優越的調速性能，高性能可調速拖動都採用直流電機，而約占電力拖動總容量80%以上的不變速拖動系統則採用交流電機，這種分工在一段時期內已成為一種舉世公認的格局。交流調速系統的多種方案雖然早已問世，並已獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統相匹敵。

直到20世紀60~70年代，隨著電力電子技術的發展，使得採用電力電子變換器的交流拖動系統得以實現，特別是大規模積體電路和電腦控制的出現，高性能交流調速系統便應運而生，一直被認為是天經地義的交直流拖動按調速性能分工的格局終於被打破了。

這時，直流電機具有電刷和換相器因而必須經常檢查維修、換向火花使直流電機的應用環境受到限制、以及換向能力限制了直流電機的容量和速度等缺點日益突出起來，用交流可調拖動取代直流可調拖動的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統已經成為當前電力拖動控制的主要發展方向。

交流拖動控制系統的應用領域主要有三個方面：一般性能的節能調速

高性能的交流調速系統和伺服系統

特大容量、極高轉速的交流調速

1.一般性能的節能調速

在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中，風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業電力拖動總容量的一半以上，其中有不少場合並不是不需要調速，只是因為過去的交流拖動本身不能調速，不得不依賴擋板和閥門來調節送風和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費了。一般性能的節能調速（續）

如果換成交流調速系統，把消耗在擋板和閥門上的能量節省下來，每颱風機、水泵平均都可以節約20~30%以上的電能，效果是很可觀的。但風機、水泵的調速範圍和對動態快速性的要求都不高，只需要一般的調速性能。2.高性能的交流調速系統和伺服系統

許多在工藝上需要調速的生產機械過去多用直流拖動，鑒於交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由於交流電機原理上的原因，其電磁轉矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的即時控制。20世紀70年代初發明了向量控制技術，或稱磁場定向控制技術，通過座標變換，把交流電機的定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態性能，從而使交流電機的調速技術取得了突破性的進展。高性能的交流調速系統和伺服系統（續）高性能的交流調速系統和伺服系統（續）

其後，又陸續提出了直接轉矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調速系統媲美的高性能交流調速系統和交流伺服系統。3.特大容量、極高轉速的交流調速

直流電機的換向能力限制了它的容量轉速積不超過106kW

·

r/min，超過這一數值時，其設計與製造就非常困難了。交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設備，如厚板軋機、礦井捲揚機等，以及極高轉速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以採用交流調速為宜。

交流調速系統的主要類型

交流電機主要分為非同步電機（即感應電機）和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調速系統。

現有文獻仲介紹的非同步電機調速系統種類繁多，可按照不同的角度進行分類。按電動機的調速方法分類常見的交流調速方法有：①降電壓調速；②轉差離合器調速；③轉子串電阻調速；④繞線電機串級調速或雙饋電機調速；⑤變極對數調速；⑥變壓變頻調速等等。

在研究開發階段，人們從多方面探索調速的途徑，因而種類繁多是很自然的。現在交流調速的發展已經比較成熟，為了深入掌握其基本原理，就不能滿足於這種表面上的羅列，而要進一步探討其本質，認識交流調速的基本規律。~按電動機的能量轉換類型分類

按照交流非同步電機的原理，從定子傳入轉子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負載的有效功率，稱作機械功率；另一部分是傳輸給轉子電路的轉差功率，與轉差率s成正比。PmechPmPs

即Pm=Pmech+Ps

Pmech=(1–s)Pm

Ps=sPm

從能量轉換的角度上看，轉差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調速系統效率高低的標誌。從這點出發，可以把非同步電機的調速系統分成三類。1.轉差功率消耗型調速系統

這種類型的全部轉差功率都轉換成熱能消耗在轉子回路中，上述的第①、②、③三種調速方法都屬於這一類。在三類非同步電機調速系統中，這類系統的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低的（恒轉矩負載時）。可是這類系統結構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。2.轉差功率饋送型調速系統

在這類系統中，除轉子銅損外，大部分轉差功率在轉子側通過變流裝置饋出或饋入，轉速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調速方法屬於這一類。無論是饋出還是饋入的轉差功率，扣除變流裝置本身的損耗後，最終都轉化成有用的功率，因此這類系統的效率較高，但要增加一些設備。3.轉差功率不變型調速系統

在這類系統中，轉差功率只有轉子銅損，而且無論轉速高低，轉差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調速方法屬於此類。其中變極對數調速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調速應用最廣，可以構成高動態性能的交流調速系統，取代直流調速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當的變壓變頻器，相比之下，設備成本最高。

同步電機的調速

同步電機沒有轉差，也就沒有轉差功率，所以同步電機調速系統只能是轉差功率不變型（恒等於0）的，而同步電機轉子極對數又是固定的，因此只能靠變壓變頻調速，沒有像非同步電機那樣的多種調速方法。在同步電機的變壓變頻調速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調速和自控變頻調速兩類。

自控變頻調速利用轉子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似於直流電機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作無換向器電機調速，或無刷直流電機調速。

開關磁阻電機是一種特殊型式的同步電機，有其獨特的比較簡單的調速方法，在小容量交流電機調速系統中很有發展前途。第5章電力拖動自動控制系統閉環控制的非同步電動機變壓調速系統——一種轉差功率消耗型調速系統

本章提要非同步電動機變壓調速電路非同步電動機改變電壓時的機械特性閉環控制的變壓調速系統及其靜特性閉環變壓調速系統的近似動態結構圖轉差功率損耗分析變壓控制在軟起動器和輕載降壓節能運行中的應用5.1非同步電動機變壓調速電路

變壓調速是非同步電機調速方法中比較簡便的一種。由電力拖動原理可知，當非同步電機等效電路的參數不變時，在相同的轉速下，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數關係，從而改變電機在一定負載轉矩下的轉速。

過去改變交流電壓的方法多用自耦變壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器，自從電力電子技術興起以後，這類比較笨重的電磁裝置就被晶閘管交流調壓器取代了。目前，交流調壓器一般用三對晶閘管反並聯或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位控制改變輸出電壓。Y型接法0負載abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3

型接法負載b)abcuaubucia

交流變壓調速系統可控電源M3~~TVC利用晶閘管交流調壓器變壓調速TVC——雙向晶閘管交流調壓器

圖5-1利用晶閘管交流調壓器變壓調速

控制方式TVC的變壓控制方式電路結構：

採用晶閘管反並聯供電方式，實現非同步電動機可逆和制動。圖5-2採用晶閘管反並聯的非同步電動機可逆和制動電路

可逆和制動控制

反向運行方式

圖5-2所示為採用晶閘管反並聯的非同步電動機可逆和制動電路，其中，晶閘管1~6控制電動機正轉運行，反轉時，可由晶閘管1，4和7~10提供逆相序電源，同時也可用於反接制動。制動運行方式當需要能耗制動時，可以根據制動電路的要求選擇某幾個晶閘管不對稱地工作，例如讓1，2，6三個器件導通，其餘均關斷，就可使定子繞組中流過半波直流電流，對旋轉著的電動機轉子產生制動作用。必要時，還可以在制動電路中串入電阻以限制制動電流。返回目錄5.2非同步電動機改變電壓時的機械特性

根據電機學原理，在下述三個假定條件下：忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損，

非同步電機的穩態等效電路示於圖5-3。

非同步電動機等效電路圖5-3非同步電動機的穩態等效電路

Us

1RsLlsL’lrLmR’r

/sIsI0I’rLm

參數定義Rs、R’r——定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻；Lls、L’lr

——定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感；

Lm——定子每相繞組產生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；

Us、

1——定子相電壓和供電角頻率；

s——轉差率。電流公式由圖可以導出(5-1)

式中

在一般情況下，Lm

Ll1，則，C1

1這相當於將上述假定條件的第③條改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成(5-2)

轉矩公式令電磁功率Pm=3Ir'2Rr'/s

同步機械角轉速

m1=

1/np式中np—極對數，則非同步電機的電磁轉矩為（5-3）

式（5-3）就是非同步電機的機械特性方程式。它表明，當轉速或轉差率一定時，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比。

這樣，不同電壓下的機械特性便如圖5-4所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。

非同步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性恒轉矩負載特性圖5-4非同步電動機不同電壓下的機械特性最大轉矩公式

將式（5-3）對s求導，並令dTe/ds=0，可求出對應於最大轉矩時的靜差率和最大轉矩（5-4）（5-5）

由圖5-4可見，帶恒轉矩負載工作時，普通籠型非同步電機變電壓時的穩定工作點為A、B、C，轉差率s的變化範圍不超過0~sm

，調速範圍有限。如果帶風機類負載運行，則工作點為D、E、F，調速範圍可以大一些。

為了能在恒轉矩負載下擴大調速範圍，並使電機能在較低轉速下運行而不致過熱，就要求電機轉子有較高的電阻值，這樣的電機在變電壓時的機械特性繪於圖5-5。顯然，帶恒轉矩負載時的變壓調速範圍增大了，堵轉工作也不致燒壞電機，這種電機又稱作交流力矩電機。

交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉矩負載特性圖5-5高轉子電阻電動機（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性

返回目錄5.3閉環控制的變壓調速系統及其靜特性

採用普通非同步電機的變電壓調速時，調速範圍很窄，採用高轉子電阻的力矩電機可以增大調速範圍，但機械特性又變軟，因而當負載變化時靜差率很大（見圖5-5），開環控制很難解決這個矛盾。為此，對於恒轉矩性質的負載，要求調速範圍大於D=2時，往往採用帶轉速回饋的閉環控制系統（見圖5-6a）。1.系統組成圖5-6帶轉速負回饋閉環控制的交流變壓調速系統ASRU*n+-UnGT+M3~TGa)原理圖

--~Ucn2.系統靜特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒轉矩負載特性圖5-6b閉環控制變壓調速系統的靜特性U*n3U*n1U*n2

圖5-6b所示的是閉環控制變壓調速系統的靜特性。當系統帶負載在A點運行時，如果負載增大引起轉速下降，回饋控制作用能提高定子電壓，從而在右邊一條機械特性上找到新的工作點A’。同理，當負載降低時，會在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點A’’。

按照回饋控制規律，將A’’、A、A’連接起來便是閉環系統的靜特性。儘管非同步電機的開環機械特性和直流電機的開環特性差別很大，但是在不同電壓的開環機械特性上各取一個相應的工作點，連接起來便得到閉環系統靜特性，這樣的分析方法對兩種電機是完全一致的。

儘管非同步力矩電機的機械特性很軟，但由系統放大係數決定的閉環系統靜特性卻可以很硬。如果採用PI調節器，照樣可以做到無靜差。改變給定信號，則靜特性平行地上下移動，達到調速的目的。

變壓調速系統的特點

非同步電機閉環變壓調速系統不同於直流電機閉環變壓調速系統的地方是：靜特性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們是額定電壓UsN

下的機械特性和最小輸出電壓Usmin下的機械特性。當負載變化時，如果電壓調節到極限值，閉環系統便失去控制能力，系統的工作點只能沿著極限開環特性變化。3.系統靜態結構

Ksn=f(Us,Te)

ASRU*nUnUcUs--TLn圖5-7非同步電機閉環變壓調速系統的靜態結構圖

根據圖5-6a所示的原理圖，可以畫出靜態結構圖，如圖5-7所示。圖中，Ks=Us/Uc

為晶閘管交流調壓器和觸發裝置的放大係數；

=Un/n為轉速回饋係數；ASR採用PI調節器；n=f(Us,Te

)是式（5-3）所表達的非同步電機機械特性方程式，它是一個非線性函數。

穩態時，

Un*=Un=n

Te=TL

根據負載需要的n和TL可由式（5-3）計算出或用機械特性圖解法求出所需的Us以及相應的Uc。返回目錄5.4閉環變壓調速系統的近似動態結構圖

對系統進行動態分析和設計時，須先繪出動態結構圖。由圖5-7的靜態結構圖可以得到動態結構圖，如圖5-8所示。其中有些環節的傳遞函數可以直接寫出來，只有非同步電機傳遞函數的推導須費一番周折。

系統動態結構圖5-8非同步電動機閉環變壓調速系統的動態結構框圖

MA——非同步電機FBS——測速回饋環節

WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)

轉速調節器ASR

轉速調節器ASR常用PI調節器，用以消除靜差並改善動態性能，其傳遞函數為

晶閘管交流調壓器和觸發裝置

裝置的輸入-輸出關係原則上是非線性的，在一定範圍內可假定為線性函數，在動態中可以近似成一階慣性環節，正如直流調速系統中的晶閘管觸發和整流裝置那樣。傳遞函數可寫成

其近似條件是對於三相全波Y聯結調壓電路，可取

Ts=3.3ms

對其他型式的調壓電路則須另行考慮。

測速回饋環節

考慮到回饋濾波作用，測速回饋環節FBS的傳遞函數可寫成

非同步電機近似的傳遞函數

非同步電機的動態過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個傳遞函數來準確地表示它的輸入輸出關係是不可能的。在這裏，可以先在一定的假定條件下，用穩態工作點附近的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數。（1）非同步電機近似的線性機械特性

由式（5-3）已知電磁轉矩為（5-3）當s很小時，可以認為且

後者相當於忽略非同步電機的漏感電磁慣性。在此條件下，（5-6）這是在上述條件下非同步電機近似的線性機械特性。（2）穩態工作點計算

設A為近似線性機械特性上的一個穩態工作點，則在A點上（5-7）在A點附近有微小偏差時，Te=TeA+

Te

，Us=UsA+

Us

，而s=sA+

s，代入式（5-6）得（3）微偏線性化

將上式展開，並忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積，則（5-8）

從式（5-8）中減去式（5-7），得（5-9）

已知轉差率，其中

1是同步角轉速，

是轉子角轉速，則(5-10)

將式（5-10）代入式（5-9），得（5-11）

式（5-11）就是在穩態工作點附近微偏量

Te與

Us和

間的關係。

帶恒轉矩負載時電力拖動系統的運動方程式為按上面相同的方法處理，可得在穩態工作點A附近的微偏量運動方程式為（5-12）

將式（5-11）和（5-12）的微偏量關係畫在一起，即得非同步電機在忽略電磁慣性時的微偏線性化動態結構圖，如圖5-9所示。如果只考慮

U1到

之間的傳遞函數，可先取

TL

=0，圖5-9中小閉環傳遞函數可變換成（4）近似動態結構圖3npω1Rr2UsASA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔ

+--圖5-9忽略電磁慣性時非同步電機微偏線性化的近似動態結構圖

（5）非同步電機的近似線性化傳遞函數

於是，非同步電機的近似線性化傳遞函數為

式中

KMA—非同步電機的傳遞係數，

Tm—非同步電機拖動系統的機電時間常數，

由於忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉體的機電慣性，非同步電機便近似成一個線性的一階慣性環節，即(5-13)

把得到的四個傳遞函數式寫入圖5-8中各方框內，即得非同步電機變壓調速系統微偏線性化的近似動態結構圖。

最後，應該再強調一下，具體使用這個動態結構圖時要注意下述兩點：由於它是偏微線性化模型，只能用於機械特性線性段上工作點附近的穩定性判別和動態校正，不適用於起制動時轉速大範圍變化的動態回應。由於它完全忽略了電磁慣性，分析與計算有很大的近似性。返回目錄*5.5轉差功率損耗分析（略）返回目錄*5.6變壓控制在軟起動器和輕載降壓節

能運行中的應用

除了調速系統以外，非同步電動機的變壓控制在軟起動器和輕載降壓節能運行中也得到了廣泛的應用。本節主要介紹它們的基本原理，關於其運行中的一些具體問題可參看參考文獻[42]，[43]，[44]。*5.6.1軟起動器起動電流問題常用的三相非同步電動機結構簡單，價格便宜，而且性能良好，運行可靠。對於小容量電動機，只要供電網路和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機容量大4倍以上），而供電線路並不太長（起動電流造成的暫態電壓降落低於10%~15%），可以直接通電起動，操作也很簡便。對於容量大一些的電動機，問題就不這麼簡單了。

起動電流和轉矩公式

在式（5-2）和式（5-3）中已導出非同步電動機的電流和轉矩方程式，起動時，s

=1，因此起動電流和起動轉矩分別為（5-19）

（5-20）

由上述二式不難看出，在一般情況下，三相非同步電動機的起動電流比較大，而起動轉矩並不大。對於一般的籠型電動機，起動電流和起動轉矩對其額定值的倍數大約為起動電流倍數

起動轉矩倍數

起動電流和轉矩分析起動電流和轉矩分析（續）

中、大容量電動機的起動電流大，會使電網壓降過大，影響其他用電設備的正常運行，甚至使該電動機本身根本起動不起來。這時，必須採取措施來降低其起動電流，常用的辦法是降壓起動。

降壓起動的矛盾

由式（5-19）可知，當電壓降低時，起動電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開起動電流衝擊的高峰。但是，式（5-20）又表明，起動轉矩與電壓的平方成正比，起動轉矩的減小將比起動電流的降低更快，降壓起動時又會出現起動轉矩夠不夠的問題。為了避免這個麻煩，降壓起動只適用於中、大容量電動機空載（或輕載）起動的場合。

傳統的降壓起動方法傳統的降壓起動方法有：星-三角（Y-Δ）起動定子串電阻或電抗起動自耦變壓器（又稱起動補償器）降壓起動它們都是一級降壓起動，起動過程中電流有兩次衝擊，其幅值都比直接起動電流低，而起動過程時間略長，如圖5-12所示。

軟起動方法

現代帶電流閉環的電子控制軟起動器可以限制起動電流並保持恒值，直到轉速升高後電流自動衰減下來（圖5-12中曲線c），起動時間也短於一級降壓起動。主電路採用晶閘管交流調壓器，用連續地改變其輸出電壓來保證恒流起動，穩定運行時可用接觸器給晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長期工作。軟起動方法（續）

視起動時所帶負載的大小，起動電流可在(0.5~4)IsN

之間調整，以獲得最佳的起動效果，但無論如何調整都不宜於滿載起動。負載略重或靜摩擦轉矩較大時，可在起動時突加短時的脈衝電流，以縮短起動時間。