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1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第2篇篇交流调速系统交流调速系统 n在在20世纪上半叶，由于交流电动机调世纪上半叶，由于交流电动机调速困难，可调速拖动一般都采用直流速困难，可调速拖动一般都采用直流传动。传动。n直流电机具有电刷和换相器，必须经直流电机具有电刷和换相器，必须经常检查维修，换向火花使直流电机的常检查维修，换向火花使直流电机的应用环境受到限制，换向能力限制了应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度。直流电机的容量和速度。n到到20世纪世纪6070年代，电力电子技年代，电力电子技术、大规模集成电路的发展，具备了术、大规模集成电路的发展，具
2、备了交流调速发展的技术基础。交流调速发展的技术基础。n73年第一次世界石油危机爆发，促使年第一次世界石油危机爆发，促使工业界考虑节能问题，交流调速系统工业界考虑节能问题，交流调速系统便应运而生。便应运而生。n风机、水泵等负载的容量几乎占工业风机、水泵等负载的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，依赖挡电力拖动总容量的一半以上，依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，板和阀门来调节送风和供水的流量，浪费能量。浪费能量。n该类负载对调速范围和动态性能要求该类负载对调速范围和动态性能要求不高，只需要一般的调速性能，就能不高，只需要一般的调速性能，就能产生很好的节能效果。产生很好的节能效果。n交流拖动
3、控制系统已经成为当前电力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。拖动控制的主要发展方向。n目前主要有三个方面：目前主要有三个方面：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 一般性能调速和节能调速一般性能调速和节能调速 l风机、水泵对调速范围和动态性风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只要有一般的能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足够了。调速性能就足够了。l需要调速，但对调速性能要求不需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属于一般性能高的生产
4、机械，也属于一般性能调速。调速。高性能的交流调速系统和伺服高性能的交流调速系统和伺服系统系统l矢量控制技术、直接转矩控制矢量控制技术、直接转矩控制l可以和直流调速系统媲美的高性能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。交流调速系统和交流伺服系统。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l特大容量的电力拖动设备特大容量的电力拖动设备厚板轧机、矿井卷扬机等，以及厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。心机等，都以采用交流调速为宜。交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型n按交流电动机
5、类型分类：按交流电动机类型分类：n交流电动机主要分为异步电动机（即交流电动机主要分为异步电动机（即感应电动机）和同步电动机两大类，感应电动机）和同步电动机两大类，每类电动机又有不同类型的调速系统。每类电动机又有不同类型的调速系统。按交流电动机调速方法分类按交流电动机调速方法分类转子串电阻调速转子串电阻调速转差离合器调速转差离合器调速降定子电压调速降定子电压调速绕线转子电动机双馈（串级）调速绕线转子电动机双馈（串级）调速变极对数调速变极对数调速变压变频调速等变压变频调速等按电动机的按电动机的转差功率转差功率分类分类20121016七七1n从定子传入转子的从定子传入转子的电磁功率可分成两电磁功率可
6、分成两部分：一部分是拖部分：一部分是拖动负载的有效功率，动负载的有效功率，称作机械功率；另称作机械功率；另一部分是传输给转一部分是传输给转子电路的转差功率，子电路的转差功率，与转差率与转差率 s 成正比。成正比。 PmechPmPs转差功率转差功率 即即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 调速过程中转差功率是否增大，是消调速过程中转差功率是否增大，是消耗掉了，还是得到回收，是评价调速耗掉了，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。1. 异步电动机调速异步电动机调速l按转差功率将异步电动机的调速系按转差功率将异步电动机的调
7、速系统分成三类：统分成三类：l转差功率消耗型转差功率消耗型l转差功率馈送型转差功率馈送型l转差功率不变型转差功率不变型转差功率消耗型转差功率消耗型l全部转差功率都转换成热能消耗在转全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。子回路中。l以增加转差功率的消耗来换取转速降以增加转差功率的消耗来换取转速降低（恒转矩负载时），转速越低，效低（恒转矩负载时），转速越低，效率也越低。率也越低。l结构简单，设备成本低，还有一定的结构简单，设备成本低，还有一定的应用价值。应用价值。转差功率馈送型转差功率馈送型l转差功率一小部分被消耗掉，大部分转差功率一小部分被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成则通过
8、变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。机械能予以利用。l功率既可以从转子馈入又可以馈出的功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈调速系统。系统称作双馈调速系统。l效率较高，只能采用绕线转子感应电效率较高，只能采用绕线转子感应电动机。动机。 转差功率不变型转差功率不变型l变压变频调速，转子铜损基本不变，变压变频调速，转子铜损基本不变，转子电路中没有附加的损耗，效率转子电路中没有附加的损耗，效率最高。最高。l须配置与电动机容量相当的变压变须配置与电动机容量相当的变压变频器，设备成本最高。频器，设备成本最高。l变极对数调速也是转差功率不变型变极对数调速也是转差功率不变型调速系统，属于有级调速
9、。调速系统，属于有级调速。2. 同步电动机调速同步电动机调速l同步电动机没有转差，也就没有转差同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。是转差功率不变型。l同步电动机转子极对数是固定的，只同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。能靠变压变频调速。同步电动机调速同步电动机调速l从频率控制的方式来看，同步电动机从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。调速两类。l自控变频调速利用转子磁极位置检测自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，
10、又称信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。电动机调速。两类交流调速控制方案两类交流调速控制方案l基于交流电动机的稳态模型，其动基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。期出现的。l基于交流电动机的动态模型，能实基于交流电动机的动态模型，能实现高动态性能，是随着客观需要和现高动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。研究成果陆续开发出来的。主要章节主要章节第第5章章 基于稳态模型的异步电动机调基于稳态模型的异步电动机调速系统速系统第第6章章 基于动态模型的异步电
11、动机调基于动态模型的异步电动机调速系统速系统第第7章章 绕线转子异步电动机串级和双绕线转子异步电动机串级和双馈调速系统馈调速系统第第8章章 同步电动机调速系统同步电动机调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第5章章基于稳态模型的异基于稳态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速l在基于稳态模型的异步电动机调速在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和条件下的转矩与
12、磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。电动机调速系统。基于稳态模型的调速方法基于稳态模型的调速方法l常用的基于稳态模型的异步电动机常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调调速方法有调压调速和变压变频调速两类。速两类。内内 容容 提提 要要n异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n异步电动机调压调速异步电动机调压调速n异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器n转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统n转速闭环转差频率控制的变压变频调速转速闭环转差频
13、率控制的变压变频调速系统系统异步电机的结构异步电机的结构Polyphase induction machine异步电动机的结构异步电动机的结构定子定子statorstator：固定部分气隙气隙air gapair gap：很小，0.2-1mm对电机性能影响很大转子转子rotorrotor：旋转部分异步电动机的定子异步电动机的定子n定子铁芯core磁路部分，放置定子绕组。 一般采用导磁性能良好和比损耗小的0.5mm厚的电工硅钢片叠成。 为了嵌放定子绕组，在定子铁芯内圆冲出许多形状相同的槽定子槽slot。n定子绕组stator winding电路部分感应电势 双层短距绕组。n机座固定和支撑定子铁芯
14、。定子铁芯定子铁芯定子槽形散嵌绕组成型绕组效率和功率因数较高绕组嵌线工艺复杂小容量及中型低压电机可嵌放成型线圈大型低压电动机绝缘放置可靠、绕组下线方便高压电动机可以减少主磁路的磁阻，减少激磁电流但嵌线不方便槽口宽度等于或略大于槽宽的一半槽口宽度等于槽宽定子绕组n定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应用单层绕组。异步电动机的转子异步电动机的转子n转子铁芯一般由硅钢片叠成。在转子铁芯上开有槽，以供放置或浇注转子绕组。n转子绕组产生感应电势、流过转子电流并产生电磁转矩。n转轴shaft固定转子鉄芯和转子绕组，两端安装有轴承。转子铁芯转子槽n槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。小功率电
15、动机，槽面积相对较大，转子电阻较小，运行性能较好较大功率电动机，槽面积相对较小，转子电阻较大，提高起动转矩获得更大的起动转矩，但槽型较复杂，工艺较差冲模简化，减小杂散损耗，但漏磁较大，运行时功率因素较低平行槽凸行槽刀行槽闭口槽转子绕组n鼠笼式转子squirrel-cage rotor：焊接，铸铝。斜槽形式转轴转轴 shaft线绕转子线绕转子wound rotor：n铁芯上绕有一对称绕组，和定子绕组有相同的极数，常常制成相同的相数。n通常采用对称的三相绕组，连接成星形。n线绕转子绕组采用波绕组或叠绕组n转子的一端装有三个集电环，各与转子绕组的三个起始端相连接。每个集电环上各有一电刷，通过电刷把转
16、子绕组与外接变阻器相接。n安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。异步电机的气隙异步电机的气隙air gapn特点气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1.5毫米。n气隙大小对电机性能有很大的影响气隙大气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善启动性能。气隙小气隙小：按加工可能及机械安全所限制。为减小励磁电流，异步电动机的空气隙长度应为机械条件所容许达到的最小值5.1 异步电动机稳态数学模异步电动机稳态数学模型和调速方法型和调速方法l异步电动机稳态数学模型包括异步电动异步电动机稳态数学模
17、型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。转速）的稳态关系。5.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系11nnsn1(1)ns n或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 1160pfnn1fpn异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路图图5-
18、1 异步电动机异步电动机T型等值电路型等值电路假定条件：假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略磁饱和，忽略铁损忽略铁损异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路式中式中 l转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧） 112221srrslslrUIRRLLsCC11111slslsmmRjLLjLCL 异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路图图5-2 异步电动机简化等值电路异步电动机简化等值电路忽略励磁电流忽略励磁电流异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路2212lrlsrssrsLLsRRUIIl简化等值电路的相电流简化等值电路的相电流异步
19、电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 sRIPrrm2 3pmn11异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 0dsdTel最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机
20、的机械特性异步电动机的机械特性l临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率2212)(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开2222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn U R sTs RRsR RsLLn U R sLLsR sR R sR异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含s各项各项213psern U sTsRl转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性近似为直成正比，机械特性近似为直线线 异步电动机
21、的机械特性异步电动机的机械特性当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲成反比，机械特性是一段双曲线线22221131psreslslrn U RTss RLL异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电，且无外率供电，且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械特性方程的机械特性方程式，称作固有特式，称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性5.1.2异步电动机的调速方异步电动机的调速方法与气隙磁通法与气隙
22、磁通l异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。速的目的。异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为可知，能够改变的参数可分为3类：类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL异步电动机的气隙
23、磁通异步电动机的气隙磁通l三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值14.44SgsmNEf N kl气隙磁通气隙磁通 1/mgEf异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 1gmEf 常数s1Umf 常数气隙磁通或近似为气隙磁通或近似为 14.44SsgsmNUEf N kn由于忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降由于忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速l保持电源频率为额定频率，只改变定保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。子电压的调速方法称作调压调速。
24、l由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。称作降压调速。异步电动机调压调速异步电动机调压调速l调压调速的基本特征：电动机同步转速保调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变持额定值不变 l气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速弱磁调速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k5.2.1 异步电动机调压调速异步电动机调压调速主电路主电路图图5-4 晶闸管交流调压器调速晶闸管交流调压器调速TVC双双向晶闸管向晶闸管交流调压交流调
25、压器器a) 不可逆不可逆电路电路b) 可逆电可逆电路路电压控制方式5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性可调可调 l调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性l临界转差率保持不变临界转差率保持不变 l理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转速不变 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRs异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性l临界转矩临
26、界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnTl 随定子电压的减小而成平方比地下随定子电压的减小而成平方比地下降降异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性图图5-5 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性l带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为压调速时的稳定工作范围为 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。在不同电压时的稳定工作点。l带风机类负载运行，调速范围可以稍大一带风机
27、类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。时的稳定工作点。0mss5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性带带恒转矩负载恒转矩负载工作时，定子侧输入的电工作时，定子侧输入的电磁功率磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。故电磁功率恒定不变，与转速无关。 11LmmLpTPTn1LT、均为常数，均为常数， 由于由于异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性20121019七七2l转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。l带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功
28、带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。率、减小输出功率来换取转速的降低。l增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。就是转差功率消耗型的由来。1 LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l增加转子电阻值，增加转子电阻值，临界转差率加大，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负可以扩大恒转矩负载下的调速范围，载下的调速范围，这种高转子电阻电这种高转子电阻电动机又称作交流力动机又称作交流力矩电动机。矩电动机。l缺点是机械特性缺点是机械特性 较软。较软。 图图
29、5-6 高转子电阻电动机（交流力矩高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性电动机）在不同电压下的机械特性交流力矩电机交流力矩电机n为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并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，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电机在变电压时的机械特性绘于图5-6。n显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增显然，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或交
30、流调速电机，机又称作交流力矩电机或交流调速电机，为了能够低速运行常另带通风机。为了能够低速运行常另带通风机。5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l要求带恒转要求带恒转矩负载的调矩负载的调压系统具有压系统具有较大的调速较大的调速范围时，往范围时，往往须采用带往须采用带转速反馈的转速反馈的闭环控制系闭环控制系统统。图图5-7 带转速负反馈闭环控带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统制的交流调压调速系统 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l当系统带负载稳定时，如果负载增大或减当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用小，引起转速
31、下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。新的稳定工作点。l按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。来便是闭环系统的静特性。5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l静特性左右静特性左右两边都有极两边都有极限，它们是限，它们是额定电压下额定电压下的机械特性的机械特性和最小输出和最小输出电压下的机电压下的机械特性。械特性。图图5-8 转速闭环控制的交流转速闭环控制的交流调压调速系统静特性调压调速系统静特性sNUminsU*5.2.4降压控制应用降压控制应用
32、l三相异步电动机直接接电网起动时，起动三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。电流比较大，而起动转矩并不大。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2222113psrestsrlslrn U RTRRLL降压控制应用降压控制应用l中、大容量电动机的起动电流大，会使电中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。l必须采取措施来降低其起动电流，常用的必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。办法是降压起动。传统的降
33、压起动方法传统的降压起动方法传统的降压起动方法有：传统的降压起动方法有： n星星-三角（三角（Y-）起动）起动n定子串电阻或电抗起动定子串电阻或电抗起动n自耦变压器（又称起动补偿器）降压自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动起动 软起动方法软起动方法n电流闭环控制的电子控制软起动器可以限电流闭环控制的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来。电流自动衰减下来。n主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁
34、路，以免晶闸行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。管不必要地长期工作。n软起动的功能同样也可以用于制动，用以软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。实现软停车。*软起动器软起动器l当电压降低时，起动电流将随电压成正比当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。峰。l起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。动时又会出现起动转矩不够的问题。l降压起动只适用于中、大容量电动
35、机空载降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。（或轻载）起动的场合。三种起动过程的电流比较三种起动过程的电流比较sNsII异步电动机的起动过程与电流冲击一级降压起动 软起动器 直接起动电动机轻载降压节能电动机轻载降压节能l三相异步电动机运行时的总损耗三相异步电动机运行时的总损耗 smechCurFeCuspppppp Ps杂散损耗杂散损耗l电机的运行效率电机的运行效率 pPPPP2212n当电动机在额定工况下运行时，由于输出功当电动机在额定工况下运行时，由于输出功率率 大，总损耗只占很小的成分，所以额大，总损耗只占很小的成分，所以额定效率定效率 较高，一般可达较高，一般可达
36、75% 95% ，最大效率发生在最大效率发生在 ( 0.7 1.1 ) 的范围的范围内。电动机容量越大时内。电动机容量越大时 越高。越高。 完全空载时，理论上完全空载时，理论上 P2 = 0 ，则，则 = 0。但实际上生产机械总有一些摩擦负载，只能但实际上生产机械总有一些摩擦负载，只能算作轻载。算作轻载。NN2NP2NP*轻载降压运行轻载降压运行l为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。铁损和励磁电流。l过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，过分降低电压和磁通，转子电流必然增
37、大，定子电流反而可能增加，铁损的降低将被定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。铜损的增加填补，效率反而更差了。l当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。最佳电压值，此时效率最高。n如图所示，当负载转矩一定时，轻载降压节能如图所示，当负载转矩一定时，轻载降压节能有一个最佳电压值有一个最佳电压值, 此时效率最高此时效率最高, = f ( Us ) 的的曲线可由曲线可由 试验取得试验取得。maxUs*最佳电压小结小结20111020七七2n交流电动机调压调速属于转差功率消耗型。交流电动机调压调速属于转差功率消耗型
38、。n在恒转矩负载条件下，通用交流电动机调在恒转矩负载条件下，通用交流电动机调压调速范围很小。所以需要使用转子电阻压调速范围很小。所以需要使用转子电阻较大、自带通风机的交流力矩电机，以获较大、自带通风机的交流力矩电机，以获得较大的调速范围。得较大的调速范围。n调压调速常用于交流电动机软起动和轻载调压调速常用于交流电动机软起动和轻载降压节能。降压节能。5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn260601115.3.1 变压变频调速
39、的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 1111(1)ns nnsnnnl稳态速降稳态速降 1snn 随负载大小变化随负载大小变化 气隙磁通气隙磁通l定子每相电动势定子每相电动势14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，会
40、使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。严重时还会因绕组过热而损坏电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 14.44SgsNmNEN kf常值l基频以下应采用电动势频率比为恒值的基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。控制方式。基频以下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，压降，gsEU 基频以下调速基频以下调速 l低频补偿（低频转矩提升
41、）低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。不一样。基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软通常在控制软件中备有不同件中备有不同斜率的补偿特斜率的补偿特性，以供用户性，以供用户选择。选择。a无补偿无补偿 b带定子带定子电压补偿电压补偿图图5-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从向上
42、升高，在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。持额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速变压变频调速 图图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性5.3.2 变压变频调速时的机械变压变频调速时的机械特性特性l基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式
43、改写为212222113()()repsrlslrssRTnsRLURsL基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs基频以下调速基频以下调速l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比条件下，频率向下调节时，机械在恒压频比条件下，频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。特性基本上是平行下移的。2211110602pperseTURnsnsTnn 基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动
44、机带载能力减弱，采当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。以增强带载能力。222111312()pemsslslrsnTRRULL基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关，故称作与转速无关，故称作转差功率不变型转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTUn 基频以上调速基频以上调速213sNeprUsTnRl电压不能从额定值再向上提高，只能电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成保持不变，机械特性方程式可写成l 当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式
45、分母中含s各项各项22221123()()repsNsrlslrsRTn UsRRLsL21123repsNR TsnU或或基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。磁调速相似。12211210602reppsNR TnsnsnnU 基频以上调速基频以上调速l临界转矩表达式临界转矩表达式 l临界转差临界转差2212()rmslslrRsRLL222112312()empsNsslslrTn URRLL基频以上调速
46、基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时122123resmepsNR TPsPsTn U转差功率基本不变。转差功率基本不变。221eT常数变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于出转矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功
47、率基本恒定，属于上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。制方法具有控制简便的优点。l但负载的变化时定子压降不同，将导致但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。磁通改变，须采用定子电压补偿控制。l根据定子电流的大小改变定子电压，以根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。保持磁通恒定。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为了使参考极为了使参考极性与电动状态
48、性与电动状态下的实际极性下的实际极性相吻合，感应相吻合，感应电动势采用电电动势采用电压降的表示方压降的表示方法，由高电位法，由高电位指向低电位。指向低电位。 图图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k恒定子磁通控制恒
49、定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够直接控制定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补偿补偿定子电阻压降定子电阻压降，就能够得到恒定子磁，就能够得到恒定子磁通。通。 1/ fEs1sssUR IE常值常值恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT （5-44）恒定子磁通控制恒定子磁通控制 恒压频比控制时的转矩式恒压频
50、比控制时的转矩式 两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。l当转差率当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。212222113()()sreprlslsrsRUsRTnRsLL （5-28）恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 )(1lrlsrmLLRs12312()pemlslrsnTLLE频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定频率变化时，恒定子磁