电力拖动自动控制系统 一、为什么要开发交流调速系统 一运动控制系统 直流拖动系统的缺点： ()直流电机结构复杂 第2篇 (②)换向器的换向能力限制了直流电机的容量及 速度，极限容量与速度乘积为10rkW.tmin 交流调速系统 (3)换向火花限制了直流电机的使用环境 (④)直流电机效率低，转子发热多： (⑤)维护麻烦。 交流调速系统的难点和复杂性 交流电动机优点：（尤其是笼型感应电动机） 调速装置中器件发展的限制 结构简单，坚固耐用，成本低，制造、雅护容 易，效率高等。 调速装置中两大组成部分：控制器和变频器， 问题 调速系统的精度和成本的限制 交流拖动如此优越，为什么交流调速系统直 新的控制理论 新的控制 新的器件 系统 到最近四十年才发展起来？ 交流调速系统的优越性： 。现在借助新兴的电力电子技术、徽处理 器，很好地解决交流调速系统存在的问题 使交流传动系统成为主要的传动装置。 布动等 交流调速系统可满足高速运行的要求。 (4)易燃、易爆、多尘的场合， 不需过多维护
二、交流拖动控制系统的应用领域 1,一般性能的节能调速 主要有三个方面： 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 。一般性能的节能调速 容量的一拳以上，其中有不少场合并不是不需要调 。高性能的交流调速系统和伺服系统 速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得 。特大容量、极高转速的交流调速 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。 般性能的节能调速（续） 2.高性能的传动控制和伺服系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用 如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和 直流拖动，鉴手交流电帆比直流电航结构简单、 阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平 成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率 均都可以节约20~30%以上的电能，效果 高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效 是很可观的。 益。 且风机、水泵的调速范围和对动态快速性 但是，由于交流电机原理上的原因，其电 的要求都不高，只需要一般的调速性能。 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 其后，又陆续提出了直接转矩控制、 机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来 解耦控制等方法，形成了一系列可以和 分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流 直流调速系统相娘美的高性能交流调速 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。 系统和交流伺服系统
3.特大容量、极高转速的应用领域 三、交流调速系统的主要类型 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过 1俨W·rm,超过这一数值时，其设计与制造就非 常困难了。 交流电机主要分为鼻步电机（即感应电 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此 机)和同步电机两大类，每类电机调速系 特大容量的电力传动设备，如厚板轧机、矿井卷扬 统又有不同的类型。 机等： 极高转速的电力传动设备，如高速磨头、离心机等： 一采用交流调速 交流调速系统主要种类按电机分 补充内客：三相异步电动机的基本工作原理 1.转动原理 (1)电生磁：三相对称绕 。异步电动机 组通入三相对称电流产 生圆形旋转磁场。 。同步电动机 >永磁同步电机 ⊙ ,无刷直流电机 动势和电流 68 ●特种电机 >步进电机 磁场作用下受电磁力作 磁阳电机 用，形成电磁转矩，驱 动电动机旋转，将电能 转化为机械能 三相异步电动机的基本工作原理 2.转差率 定子绕组通入三相交流电流 ◆旋转磁场 用 即： ☐转子绕组产生异步电势 切制转子绕组 ◆转子中产生异步电流 转子电流与磁场作用口 转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映 电机的各种运行情况。 运转 产生电磁转矩
转差率与电机适行关系： 3.异步电动机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负，异步电机有三种运行状态 转子未转动时，n=0,s=1; 电机理想空载时， 状态 电动 电难制动 发电 作为电动机，转速在0~n,范围内变化，转差 实现 电源 率在0范围内变。 转适 0程， 转 01 <0 电转矩 能登关系电能 能 为 电能 1.异步电动机调速 s==”×1009% 异步电动机功率： 从能量转换的角度看，在调速过程中转 电动机从定子传输到转子侧的 差功率是否增大，能量是赦消耗掉还是 电磁功率： 得到利用，是评价调速系统效率高低的 P Prcch +p 标志。 施动负载的有效功率（机械功率）〉 ◆按转差功率将异步电动机的调速系统分 Pucch =(1-s)Pu 成三类。 传输给转子电路的转差功率 ()转差功率消耗型（定子降电压、转 子串电阻) (2)转差功率馈送型（串级调速、双馈调 。全部转差功率都转换成热能消耗在特子回 速，第八章) 路中。 。以增加转差功率的消耗来换取转速降低 ·转差功率一部分被消耗掉，大部分则通过 (恒转矩负载时)，越到低速效率越低。 变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利 用。 。结构简单，设备成本少，还有一定的应用 价值。 ○效率较高，只能采用绕线转子电动机
(③)转差功率不变型（变压变频调速） 2.同步电动机调速 ·变压变频调速，转子铜损基本不变，转 ◆同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以 子电路中没有附加的损耗，效率景高。 同步电动机调速系统只能是转差功率不变型， ·须配置与电动机容量相当的变压变频器， 设备成本最高。 ◆而同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压 ·变极对数调速也是转差功率不变型调速 变频调速。 系统，属于有级调速。 同步电机的转速公式： ◆从频率控制的方式来看，同步电动机调速可 n=n,=60f/n. 分为他控变频调速和自控业斯调速两类。 ◆自控变频调速利用检测转子磁极位置信号来 控制变压变频装置换相，又称作无换向器电 目前高同领间步电动机占主： 动机调速，或无刷直流电动机调速。 第六章基于稳态模型的异步电动机调速系统 6.1异步电动机稳态数学模型和调速方法 。6.1异步电动机的稳态数学模型和调速方法 6.1.1异步电动机稳态数学模型 。6,2异步电动机的调压调速 异步电动机稳态数学模型包括舞物电的航心 。6.3异步电动机的变压变频 （量常用肉方法 等售电路和机械特性，两者既有联系，又有区 ●6.4电力电子变压变频器（交流电源，S) 别 ·6.3转速开环变压变频调速系统（一般性能的闭环 系统) ◆稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机 。6.4转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统 的稳态电气特性。 (一般性能的闭环系统，溶环控制的障理) ◆机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的 稳态关系
1,异步电动机稳态等效电路 。在三个假定条件下： ①忽略 间知时间被 ,(各电压电流量均为正弦量) ②忽略饱和（电感套数为常数） ③忽略铁损（忽略回略的电阻） 异步电动机的稳态模型可以用型等效电表示 图61异步电动机T型等效电略 -L、一定子每相感和新合到定子侧的 产生气主融通的 等效 图61异步电动机T型等效电略 转子相电流（折合到定子侧 忽略励磁电流(L>L。) 。简化等效电路的相电流 式中 G=1+&t@2 1 +化亿+ io L L 2,异步电动机的机械特性方程 T=- 3nU'R,s ◆异步电动机传递的电磁功率 P=31 2=0T a(sR,+R](L+L ◆同步机械角速度 2r60= 画出异步电动机机械特性曲线： 60 60m。, ◆异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式） 机城特性曲线关键点： 3n,U2R,/s (1）当s=0即= +北+4 (同步转速)，飞=0， 3n,U:R,s (2)当s=1即n=0, 0 @5R,+R+s2+L 飞=应（启动转矩）
3n U'R.s 网R+R+s所(L+L 转折点： 将机械特性方程式分母展开四以+见}+（+L 3n U'Rs 对求导，并令 亚=0可得： R+R+2R风+ ◆临界转差事：对应最大转矩的转差率为 3n UR's 网L+,+R+2RR+R ◆最大转矩，又称临界转矩为 (4)当很小时，忽略分母中含各项 3n,U 四R*R7+6 7、的 0 转矩近似与、成正比，机械特性近似为直线， T= 3n U'Rs ·机械特性曲线 +R+2sRR+soi(L+L) 3初，UR 异步电动机由额 4网(L+4+R+2sRR+R 定电压、额定频 T 率供电，且无外 (5)当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项 加电阻和电抗时 3n,U:R. 的机械特性方程 式，称作固有特 osR+aj(L+L 性或自然特性。 转矩近似与、成反比，机城特性是一段双曲线。 恒领时异步电的特性 6.1.2异步电动机调速方法 62异步电动机调压调速 由异步电动机的机械特性方程式 T=- 3n,UR's 。保特电源频率为额定须率， 只改变定子电压的调 @(R+R}+s@(么+] 速方法称作调压调速。 可知，能够改变的参数可分为类： 由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压 电动机参数、电源电压和电源频率（或角领率） 只能降低，不能升高，故又称作降压调速。 本章重点讲调压调速和变压变频调速 注意：每种调速方法的机械特性，工作效率！
6.2,1异步电动机调压调速的主电路 晶闸管交流调压器的主电路禁法有以下几种方式： 交跑 )不可逆电路 b句可逆电路 a)电机绕组Y联接时的三相分支双向电路 图64晶闸管交流调压器调速 电机正、反特远行时的主电路知图所示，正转时1”6品间管 工作：反转时1、4广10品阅管工作。另外，利用下国的电 路还可以实现电机的反接制动和能耗 b)电机绕组△联接时的三相△形双向电路 三相交流晶闸管调压器主电路接法 晶帽管交流调压调速系统正、反转和制动电略 T 3n 6.2.2异步电动机调压调速的特性 sR,+R+sg(L+广 1、调压调速机械特性： 变压时： T.=- 3n URs (sR+R)+s(L+ ◆理想空载(T:=·)转速保持为同步转速不变 U,可调 60f 八=n1= 。电磁转矩与定子电压的平方成正比
◆启动转矩（=1) ◆临界转差率保持不变 R 3n U2R 5m= T=- √R+L+L, a(R,+R+a L+L ◆临界转矩 3n,U ,随定子电压的减小而成平方比地下降。 2@R+√R+a7L+LwF ,随定子电压的减小成平方比地下降。 改变定子供电电压，可以得到不同的人为异步电动机机械特 性曲线，如图所示 但转矩负载特性 临界特矩随电压成平 转负特性 风机类负特性 不能 0.5 R R2+o (Lo +Lo) 2风+√+國+T 图65异步电动机调压调速的机械特性 图5异步电动机调压调速的机械符性 异步电动机调压调速性能变差原因分析 异步电动机的气隙磁通 。异步电动机以磁场能为媒介把电能转换成机械能 三相异步电动机定子每相电动势的有效值 。要从磁场入手分析输出转矩减小的原因 E。=4.44fN,kwDm ·直流电动机有独立励磁，可是异步电动机磁场怎么 分析？ 忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降 U,≈E。=4.44fN,kx,D
异步电动机调压调速基本特征： ,交流力矩电机女+山，+可 。增加转子电阻值， 电动机同步转速保持额定值不变 临界转差率加大 %=%w-60 可以扩大恒转矩负 数下的调速范围 这种高转子电阻 。气隙磁通 .*444N 动机又称作度风 短电机。 缺点是机械特性较 随定子电压的降低而减小，属于慰调速。 软。 2、调压调速的效率 。转差功率为： 带恒转矩负载工作时，输入的电磁功率为 P=s以=507=， n。 p-oh-0L 叫、 T均为常数 转差功率随着转差率的加大而增加 口所以： 故输入的电磁功率恒定不变， 与转速无关。 ◆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。 喻出的机械功率为： P=g,1=0-@☑ ◆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。 速的下 ◆调压调速时速度越低效率越差。 晶闸管交流调压调速系统特点 6,23闭环控制的调压调速系统 婴求带恒转矩负戟的调压系统具有较大的调速范围时， 往往须采用带转速反馈的闭环控制系统】 主要悦点：钱路简单、调压装里体积小、价格低廉 1系统组成 使用维修方便： 上要触点：在低速运行时，电机的损耗大，电机发 立 热严重，效率也随之降低。 为了得到较好的调速精度和较宽的调速范围 通常采用带转速负反绩的闭环控制。 图7转速负反闭环控制的交流调压调速系续