《第5章转差功率消耗型调速系统精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章转差功率消耗型调速系统精选文档.ppt（94页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第5章转差功率消耗型调速系统本讲稿第一页，共九十四页内容提要内容提要n概述概述n交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型n交流变压调速系统交流变压调速系统n交流变频调速系统交流变频调速系统n*绕线转子异步电机双馈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转差功率馈送型调速系统n*同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统 本讲稿第二页，共九十四页概概 述述 直流电力拖动和交流电力拖动在直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪世纪先后诞生。在先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调直流拖动具有优越的调速性能，
2、高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流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。却始终无法与直流调速系统相匹敌。本讲稿第三页，共九十四页 直到直到20世纪世纪6070年代，随着电力电子技年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交术的发展，使得采用
3、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义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。于被打破了。概概 述述本讲稿第四页，共九十四页 这时，直流电机具有这时，直流电机具有电刷和换向器电刷和换向器因而因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机必须经常检查维修、换向火花使直流电机的的应用环境受到限制应用环境受到限制、以及、以及换向能力限制换向能力限制了直流电机的容量和速度
4、等缺点日益突出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，的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已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经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。概概 述述本讲稿第五页，共九十四页 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：主要有三个方面：n一般性能的节能调速和按工艺要求调速一般性能的节能调速和按工艺要求调速 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 本讲稿第六页，共
5、九十四页1.一般性能的节能调速一般性能的节能调速 在在过过去去大大量量的的所所谓谓“不不变变速速交交流流拖拖动动”中中，风风机机、水水泵泵等等通通用用机机械械的的容容量量几几乎乎占占工工业业电电力力拖拖动动总总容容量量的的一一半半以以上上，其其中中有有不不少少场场合合并并不不是是不不需需要要调调速速，只只是是因因为为过过去去的的交交流流拖拖动动本本身身不不能能调调速速，不不得得不不依依赖赖挡挡板板和和阀阀门门来来调调节节送送风风和和供供水水的的流流量量，因因而把许多电能白白地浪费了。而把许多电能白白地浪费了。交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域本讲稿第七页，共九十四页 如果换成
6、交流调速系统，把消耗在挡板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、水和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约泵平均都可以节约 20 30%以上的电能，以上的电能，效果是很可观的。效果是很可观的。而且风机、水泵的调速范围和对动态快而且风机、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速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。能。1.一般性能的节能调速一般性能的节能调速 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域本讲稿第八页，共九十四页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 许多在工艺上需要调速的生产机械过去
7、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、维护方结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交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直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。时控制。交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域本讲稿第九页，共九十四页 20世世纪纪70年年代代初初发发明明
8、了了矢矢量量控控制制技技术术，或或称称磁磁场场定定向向控控制制技技术术，通通过过坐坐标标变变换换，把把交交流流电电机机的的定定子子电电流流分分解解成成转转矩矩分分量量和和励励磁磁分分量量，用用来来分分别别控控制制电电机机的的转转矩矩和和磁磁通通，就就可可以以获获得得和和直直流流电电机机相相仿仿的的高高动动态态性性能能，从从而而使使交交流流电电机机的的调调速速技技术术取取得得了了突破性的进展。突破性的进展。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 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域本讲稿第十页，共九十四页 其后，又陆续提出了其后，又陆续提出了直接转矩控制
9、直接转矩控制、解解耦控制耦控制等方法，形成了一系列可以和直流等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。流伺服系统。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 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域本讲稿第十一页，共九十四页3.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 直流电机的换向能力限制了它的容量转直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过速积不超过106 kW r/min，超过这一数值，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。时，其设计与制造就非常困难了。交流电机
10、没有换向器，不受这种限制，交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。流调速为宜。交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域本讲稿第十二页，共九十四页n 交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为交流电机主要分为异步电机异步电机（即感应电（即感应电机）和机）和同步电机同步电机两大类，每类电机又有不两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。同类型的调速系
11、统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。类繁多，可按照不同的角度进行分类。本讲稿第十三页，共九十四页按电动机的调速方法分类按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：常见的交流调速方法有：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；绕线电机串级调速或双馈电机调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变极对数调速；变压变频调速等等。变压变频调速等等。本讲稿第十四页，共九十四页 在研究开发阶段，人们从多方面探索调在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。
12、现速的途径，因而种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。识交流调速的基本规律。本讲稿第十五页，共九十四页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 按照交流异步电机按照交流异步电机的原理，从定子传入的原理，从定子传入转子的电磁功率可分转子的电磁功率可分成两部分：成两部分：一部分是一部分是拖动负载的有效功率，拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一称作机械功率；另一部分是
13、传输给转子电部分是传输给转子电路的转差功率，与转路的转差功率，与转差率差率 s 成正比。成正比。PmechPmPs本讲稿第十六页，共九十四页 三相异步电动机的功率和转矩三相异步电动机的功率和转矩本讲稿第十七页，共九十四页 即即 Pm=Pmech+Ps Pmech=(1 s)Pm Ps=sPm 从能量转换的角度上看，从能量转换的角度上看，转差功率是否转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。速系统效率高低的标志。从这点出发，可从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类以把异步电机的调速系统分成三类。本讲稿第十八页，共九十四页1.转
14、差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热能这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第消耗在转子回路中，上述的第、三种三种调速方法都属于这一类。在三类异步调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的电机调速系统中，这类系统的效率最低效率最低，而且越到低速时效率越低，它是而且越到低速时效率越低，它是以增加转以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）矩负载时）。可是这类系统结构简单，设。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。备成本最低，所以还有一定的应用价值。本讲
15、稿第十九页，共九十四页2.转差功率馈送型调速系统转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部在这类系统中，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分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述述第第种种调速方法属于这一类。无论是馈调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。设备。本讲稿第二十页，共九十四
16、页3.转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统 在这类系统中，转差功率只有转子铜在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的不变，因此效率更高，上述的第第、两种两种调速方法属于此类。其中变极对数调速方法属于此类。其中变极对数调速是调速是有级有级的，应用场合有限。只有变的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相
17、比之下，设备成本当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。最高。本讲稿第二十一页，共九十四页 同步电机的调速同步电机的调速 同步电机没有转差，也就没有转差功率，同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是所以同步电机调速系统只能是转差功率不转差功率不变型（恒等于变型（恒等于 0）的，而同步电机转子极的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为频率控制的方式来看，可
18、分为他控变频调他控变频调速和自控变频调速速和自控变频调速两类。两类。本讲稿第二十二页，共九十四页 自控变频调速自控变频调速利用转子磁极位置的检测信利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速无换向器电机调速，或，或无刷直流电机调速无刷直流电机调速。开关磁阻电机开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。容量交流电机调速系统中很
19、有发展前途。同步电机的调速同步电机的调速本讲稿第二十三页，共九十四页第第 5 章章电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统闭环控制的异步电动机变压调速系统闭环控制的异步电动机变压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统一种转差功率消耗型调速系统 本讲稿第二十四页，共九十四页本章提要本章提要n异步电动机变压调速电路异步电动机变压调速电路n异步电异步电动动机改变电压时的机械特性机改变电压时的机械特性n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n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n转差功率损耗分析转差功率损耗分析n变压控制在软起动器和轻载降压节能运行变
20、压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用中的应用本讲稿第二十五页，共九十四页5.1 异步电动机变压调速电路异步电动机变压调速电路 变压调速是异步电机调速方法中比较简变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。便的一种。由电力拖动原理可知，当异步电机等效由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电路的参数不变时，在相同的转速下，电电磁转矩与定子电压的平方成正比磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。下的转速。本讲稿
21、第二十六页，共九十四页 过去改变交流电压的方法多用过去改变交流电压的方法多用自耦变压自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。目前，目前，交流调压器一般用三对晶闸管反交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中路中，主电路接法有多种方案，主电路接法有多种方案，用相位控用相位控制改变输出电压。制改变输出电压。本讲稿第二十七页，共九十四页Y型接法型接法0负载a
22、bca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3本讲稿第二十八页，共九十四页 型接法型接法负载b)abcuaubucia本讲稿第二十九页，共九十四页 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利用晶闸管交流调压器利用晶闸管交流调压器变压调速变压调速TVC双向晶闸管双向晶闸管交流调压器交流调压器 图图5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速利用晶闸管交流调压器变压调速 本讲稿第三十页，共九十四页 控制方式控制方式TVC的的变压控制方式变压控制方式本讲稿第三十一页，共九十四页n电路结构：电路结构：采用晶闸管反采用晶闸管反并联供电方式，并联供电方式，实现异步电动实现异步电动机可逆和制动。
23、机可逆和制动。图图5-2 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路 可逆和制动控制可逆和制动控制本讲稿第三十二页，共九十四页n 反向运行方式反向运行方式 图图5-2所示为采用晶闸管反并联的异步电所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管动机可逆和制动电路，其中，晶闸管 16控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管管 1，4 和和 710 提供逆相序电源，同时也提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。可用于反接制动。本讲稿第三十三页，共九十四页n制动运行方式制动运行方式 当需要能耗制动时，可以根据制动
24、电当需要能耗制动时，可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如让例如让 1，2，6 三个器件导通，其余均关三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在要时，还可以在制动电路制动电路中串入电阻以限中串入电阻以限制制动电流。制制动电流。返回目录返回目录本讲稿第三十四页，共九十四页5.2 异步电动机改变电压时的机械特性异步电动机改变电压时的机械特性 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：根据电机学原理，在下述三
25、个假定条件下：n忽略空间和时间谐波，忽略空间和时间谐波，n忽略磁饱和，忽略磁饱和，n忽略铁损。忽略铁损。异步电机的稳态等效电路示于图异步电机的稳态等效电路示于图5-3。本讲稿第三十五页，共九十四页 异步电动机等效电路异步电动机等效电路图图5-3 异步电动机的稳态等效电路异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrLm本讲稿第三十六页，共九十四页 参数定义参数定义nRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；转子每相电阻；nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；转子每相漏感；n
26、Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；等效电感，即励磁电感；n Us、1 定子相电压和供电角频率；定子相电压和供电角频率；n s 转差率。转差率。本讲稿第三十七页，共九十四页电流公式电流公式由图可以导出(5-1)式中本讲稿第三十八页，共九十四页 在一般情况下，在一般情况下，LmLl1，则，则，C1 1 这这相当于将上述假定条件的相当于将上述假定条件的第第条改为忽略条改为忽略铁损和励磁电流铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化。这样，电流公式可简化成成(5-2)本讲稿第三十九页，共九十四页 转矩公式转矩公式令电磁功率令电磁功率 Pm=3Ir2 Rr/s
27、 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，则异步电机的电磁转矩为，则异步电机的电磁转矩为（5-3）本讲稿第四十页，共九十四页 式（式（5-3）就是）就是异步电机的机械特性方异步电机的机械特性方程式程式。它表明，。它表明，当转速或转差率一定时，当转速或转差率一定时，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。这样，不同电压下的机械特性便如图这样，不同电压下的机械特性便如图5-4所示，图中，所示，图中，UsN表示额定定子电压。表示额定定子电压。本讲稿第四十一页，共九十四页 异步电动机机械特性异步电动机机械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN
28、0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性风机类负载特性恒转矩负载特性恒转矩负载特性图图5-4 异步电动机异步电动机不同电压下的机械特性不同电压下的机械特性本讲稿第四十二页，共九十四页最大转矩公式最大转矩公式 将将式式（5-3）对对s求求导导，并并令令dTe/ds=0，可可求求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩（5-4）（5-5）本讲稿第四十三页，共九十四页 由图由图5-4可见，可见，带恒转矩负载工作时带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为为 A、B、C，转差率，转差率 s 的变化范围不超的变
29、化范围不超过过 0 sm，调速范围有限调速范围有限。如果。如果带风机类带风机类负载运行负载运行，则工作点为，则工作点为D、E、F，调速范调速范围可以大一些围可以大一些。本讲稿第四十四页，共九十四页 为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，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，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机在变电压时的机械特性绘于图5-5。显然，显然，带恒转矩负载时的变压调速范围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，这种电增大了，堵转
30、工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机机又称作交流力矩电机。本讲稿第四十五页，共九十四页 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恒转矩负载特性恒转矩负载特性图图5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）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在不同电压下的机械特性 返回目录返回目录本讲稿第四十六页，共九十四页5.3 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 采采用用普普通通异异步步电电机机的的变变电电压压调调速速时时，调调速速范范围围很很窄窄，采采用用高高转转子子电电阻阻的的力力矩矩电电机
31、机可可以以增增大大调调速速范范围围，但但机机械械特特性性又又变变软软，因因而而当当负负载载变变化化时时静静差差率率很很大大（见见图图5-5），开开环环控制很难解决这个矛盾。控制很难解决这个矛盾。为为此此，对对于于恒恒转转矩矩性性质质的的负负载载，要要求求调调速速范范围围大大于于D=2时时，往往往往采采用用带带转转速速反反馈馈的的闭环控制系统闭环控制系统（见图（见图5-6a）。）。本讲稿第四十七页，共九十四页1.系统组成系统组成图图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理图原理图-Ucn本讲稿第四十八页，共九十
32、四页2.系统静特性系统静特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性恒转矩负载特性图图5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2本讲稿第四十九页，共九十四页 图图5-6b所示的是闭环控制变压调速系统所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在的静特性。当系统带负载在 A 点运行时，点运行时，如果负载增大引起转速下降，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作反馈控制作用能提高定子电压用能提高定子电压，从而在右边一条机械，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点特性上找到新的工作点 A。同理，当负载。同理，当负载降低时，会在左边一条特
33、性上得到定子电降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点压低一些的工作点 A。本讲稿第五十页，共九十四页 按照反馈控制规律，将按照反馈控制规律，将A、A、A 连接连接起来便是闭环系统的静特性起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性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。两种电机是完全一致的。本讲稿第五十一页，共
34、九十四页 尽管异步力矩电机的机械特性很软，尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由但由系统放大系数系统放大系数决定的闭环系统静特决定的闭环系统静特性却可以很硬。性却可以很硬。如果采用如果采用PI调节器，照样可以做到无调节器，照样可以做到无静差。静差。改变给定信号，则静特性平行地改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的上下移动，达到调速的目的。本讲稿第五十二页，共九十四页 变压调速系统的特点变压调速系统的特点 异步电机闭环变压调速系统不同于直流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：电机闭环变压调速系统的地方是：静特性静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们左右
35、两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出下的机械特性和最小输出电压电压Usmin下的机械特性。下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，当负载变化时，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。只能沿着极限开环特性变化。本讲稿第五十三页，共九十四页3.系统静态结构系统静态结构 Ksn=f(Us,Te)ASRU*nUnUcUs-TLn图图5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态结构图异步电机闭环变压调速系统的静态结构图 本讲稿第五十四页，共九十四页 根据图根据图5-6a所
36、示的原理图，可以画出静所示的原理图，可以画出静态结构图，如图态结构图，如图5-7所示。图中，所示。图中，nKs=Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；放大系数；n =Un/n 为转速反馈系数；为转速反馈系数；nASR采用采用PI调节器；调节器；nn=f(Us,Te)是式（是式（5-3）所表达的异步电机机）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。械特性方程式，它是一个非线性函数。本讲稿第五十五页，共九十四页 稳态时，稳态时，Un*=Un=n Te=TL 根据负载需要的根据负载需要的 n 和和TL 可由式（可由式（5-3）计算出或用机械特性图
37、解法求出所需的计算出或用机械特性图解法求出所需的 Us 以及相应的以及相应的 Uc。返回目录返回目录本讲稿第五十六页，共九十四页5.4 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 对系统进行动态分析和设计时，须先绘对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图出动态结构图。由图5-7的静态结构图可的静态结构图可以得到动态结构图，如图以得到动态结构图，如图5-8所示。所示。其中有些环节的传递函数可以直接写出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来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。番周折。本讲稿第五十七页，共九十四页 系统动态结构
38、系统动态结构图图5-8 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图 MA异步电机异步电机 FBS测速反馈环节测速反馈环节 WFBS(s)U*n(s)Un(s)Uc(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA(s)Us(s)本讲稿第五十八页，共九十四页 转速调节器转速调节器ASR 转速调节器转速调节器ASR常用常用PI调节器，用以消调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为除静差并改善动态性能，其传递函数为本讲稿第五十九页，共九十四页 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 装置的输入装置的输入-输出关系原则上是非线性的，输出关系
39、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样。速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。传递函数可写成传递函数可写成本讲稿第六十页，共九十四页 其近似条件是其近似条件是 对于三相全波对于三相全波Y Y联结调压电路，可取联结调压电路，可取 Ts=3.3ms 对其他型式的调压电路则须另行考虑。对其他型式的调压电路则须另行考虑。本讲稿第六十一页，共九十四页 测速反馈环节测速反馈环节 考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传
40、递函数可写成的传递函数可写成本讲稿第六十二页，共九十四页 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。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，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。一种近似的传递函数。本讲稿第六十三页，共九十四页（1）异步电机近似的线性机械特性）异步电机近似的线性机械特性 由式（由式（5-3
41、）已知电磁转矩为）已知电磁转矩为（5-3）当当 s 很小时，可以认为很小时，可以认为且且本讲稿第六十四页，共九十四页 后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，性。在此条件下，（5-6）这是在上述条件下异步电机近似的线性这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。机械特性。本讲稿第六十五页，共九十四页（2）稳态工作点计算）稳态工作点计算 设设A为近似线性机械特性上的一个稳态工为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在作点，则在A点上点上（5-7）在在A点附近有微小偏差时，点附近有微小偏差时，Te=TeA+Te，Us=UsA+Us，而，而 s=sA+s，
42、代入式（，代入式（5-6）得）得本讲稿第六十六页，共九十四页（3）微偏线性化）微偏线性化 将上式展开，并忽略两个和两个以上微将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则偏量的乘积，则（5-8）本讲稿第六十七页，共九十四页 从式（从式（5-8）中减去式（）中减去式（5-7），得），得（5-9）已知转差率已知转差率 ，其中，其中 1是同步角转是同步角转速，速，是转子角转速，则是转子角转速，则(5-10)本讲稿第六十八页，共九十四页 将式（将式（5-10）代入式（）代入式（5-9），得），得（5-11）式式（5-11）就就是是在在稳稳态态工工作作点点附附近近微微偏偏量量 Te与与 Us和和 间的
43、关系。间的关系。本讲稿第六十九页，共九十四页 带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为式为 按上面相同的方法处理，可得在稳态工作按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点点A附近的微偏量运动方程式为附近的微偏量运动方程式为（5-12）本讲稿第七十页，共九十四页 将式（将式（5-11）和（）和（5-12）的微偏量关系画）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，如图微偏线性化动态结构图，如图5-9所示。所示。如果只考虑如果只考虑 U1到到 之间的传递函数，可之间的传递函数，可先取先取 TL=0，
44、图，图5-9中小闭环传递函数可变中小闭环传递函数可变换成换成本讲稿第七十一页，共九十四页（4）近似动态结构图）近似动态结构图3np1Rr2UsASA3npU 2sAs2 Rrnp JsUsTeTL+-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忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图 本讲稿第七十二页，共九十四页（5）异步电机的近似线性化传递函数）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于是，异步电机的近似线性化传递函数为 本讲稿第七十三页，共九十四页式中式中 KMA 异步电机的传递系数，异步电机的传递系数，Tm 异异步步电电机机拖拖动动系系统
45、统的的机机电电时时间间常常数，数，本讲稿第七十四页，共九十四页 由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转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，即性的一阶惯性环节，即(5-13)把得到的四个传递函数式写入图把得到的四个传递函数式写入图5-8中各中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的线性化的近似动态结构图近似动态结构图。本讲稿第七十五页，共九十四页 最最后后，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态结构图时要注意下述两点：动态结构图时要注意下述两点：n由由
46、于于它它是是偏偏微微线线性性化化模模型型，只只能能用用于于机机械械特特性性线线性性段段上上工工作作点点附附近近的的稳稳定定性性判判别别和和动动态态校校正正，不不适适用用于于起起制制动动时时转转速速大大范范围围变变化化的的动态响应。动态响应。n由由于于它它完完全全忽忽略略了了电电磁磁惯惯性性，分分析析与与计计算算有很大的近似性。有很大的近似性。返回目录返回目录本讲稿第七十六页，共九十四页*5.6 变压控制在软起动器和轻载降压节变压控制在软起动器和轻载降压节 能运行中的应用能运行中的应用 除了调速系统以外，异步电动机的变压除了调速系统以外，异步电动机的变压控制在控制在软起动器软起动器和和轻载降压节
47、能轻载降压节能运行中也运行中也得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。本节主要介绍它们的基本原理，关于其本节主要介绍它们的基本原理，关于其运行中的一些具体问题可参看参考文献。运行中的一些具体问题可参看参考文献。本讲稿第七十七页，共九十四页*5.6.1 软起动器软起动器n起动电流问题起动电流问题 常用的三相异步电动机结构简单，价格常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要容量电动机，只要供电网络和变压器的容供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上）倍以上），而供电线路并不太
48、长（起动电流造成的，而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于瞬时电压降落低于10%15%），可以直接），可以直接通电起动，操作也很简便。通电起动，操作也很简便。对于容量大一对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了。些的电动机，问题就不这么简单了。本讲稿第七十八页，共九十四页n 起动电流和转矩公式起动电流和转矩公式 在式在式（5-2）和式和式（5-3）中已导出异步电中已导出异步电动机的电流和转矩方程式，动机的电流和转矩方程式，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（5-19）（5-20）本讲稿第七十九页，共九十四页 由上述二式不难看出，在一般
49、情况下，由上述二式不难看出，在一般情况下，三相异步三相异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大。电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大。对对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为定值的倍数大约为起动电流倍数起动电流倍数 起动转矩倍数起动转矩倍数 n 起动电流和转矩分析起动电流和转矩分析本讲稿第八十页，共九十四页起动电流和转矩分析（续）起动电流和转矩分析（续）中、大容量电动机的起动电流大，会使中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其他用电设备的正常电网压降过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本
50、起动不起运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时，必须采取措施来降低其起动电来。这时，必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是流，常用的办法是降压起动降压起动。本讲稿第八十一页，共九十四页n 降压起动的矛盾降压起动的矛盾 由式（由式（5-19）可知，当电压降低时，起）可知，当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以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峰。避开起动电流冲击的高峰。但是，式（但是，式（5-20）又表明，起动转矩与）又表明，起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时又会出起动电流