第五章課件-電力拖動自動控制系統(tǒng)(2)

1、第第 2 篇篇交流拖動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)內(nèi)容提要內(nèi)容提要n概述n交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型n交流變壓調(diào)速系統(tǒng)n交流變頻調(diào)速系統(tǒng)n*繞線轉(zhuǎn)子異步電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)概概 述述 (遠程教育遠程教育) 直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先后誕生。在20世紀上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。一、發(fā)展及現(xiàn)狀 直到20世紀6070年代，隨著

2、電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生，一直被認為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。二、直流和交流調(diào)速比較1、電流電機工藝復(fù)雜、增加直流電機成本。2、換向器的換向能力限制了直流電機的容量和速度。3、電刷的火花限制了直流電機的安裝和使用環(huán)境。4、直流電機的大部分功率通過換向器流入電樞的轉(zhuǎn)子發(fā)熱多，電機效率低。（中大容量電機需要強迫風(fēng)冷或水冷） 5、換向器和電刷的磨損降低的可靠性。 交流電機控制比較復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)簡單、成本低，安裝環(huán)境要求低適用于易燃易爆環(huán)境，交流拖動取代直流可調(diào)拖動

3、的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。實際應(yīng)用中交流調(diào)速系統(tǒng)在以下幾個方面優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速1、大功率負載情況下，電力機車、卷揚機等控制系統(tǒng)。2、高速運行的場合，高速電鉆、離心機等控制轉(zhuǎn)速達數(shù)千到上萬。3、易燃、易爆、多塵環(huán)境。4、中壓（6-10KV）調(diào)速系統(tǒng)可以節(jié)省變電站容量。吉林大學(xué)遠程教育為什么交流調(diào)速系統(tǒng)100年才發(fā)展起來1、交流調(diào)速系統(tǒng)的難點和復(fù)雜性，難點來自轉(zhuǎn)矩控制困難交流電機是一個多輸入多輸出、非線性、強耦合且時變得被控對象。電機轉(zhuǎn)矩為rrmmdIkMcos轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角氣隙磁通，轉(zhuǎn)矩系數(shù)，rmmk轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子感抗和電阻，分別為和sRXR

4、sXrrrrr,/tan吉林大學(xué)遠程教育轉(zhuǎn)矩控制的難點：1 是由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生2 和 是兩個耦合的變量， 對一般的鼠籠電機是無法測量的，無法直接控制。3 是與轉(zhuǎn)速相關(guān)的時變量， 隨溫度變化， 隨之變化上式是由穩(wěn)態(tài)mmrIrIrrRdM吉林大學(xué)遠程教育等值電路推導(dǎo)的平均轉(zhuǎn)矩，更何況瞬時轉(zhuǎn)矩。2、電力電子器件發(fā)展的限制3、調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)和成本的限制 交流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的突破及發(fā)展現(xiàn)狀。20世紀70年代石油危機席卷全球節(jié)能問題變得日益重要，發(fā)現(xiàn)吉林大學(xué)遠程教育占電機用電量一半以上的風(fēng)機，泵類負載利用閥門和擋板調(diào)節(jié)流量和壓力，浪費大量電能，迫使先進工業(yè)國家，投入大量的人力和財力高效和高性能的交

5、流調(diào)速系統(tǒng)的研究。1）電力電子技術(shù)和脈寬調(diào)制的發(fā)展：吉林大學(xué)遠程教育電力電子器件的不斷進步，為交流電機控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，絕緣柵雙極性晶體管的實用化，為高頻化PWM技術(shù)成為可能，目前電力電子正向高壓，大功率、高頻化、組合化、智能化發(fā)展。2）應(yīng)用矢量控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論交流電機是一個多變量、非線性的被控吉林大學(xué)遠程教育對象，過去從電機穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動態(tài)效果不理想。20世紀70年代提出矢量變換的方法研究電機的動態(tài)控制過程，不但控制其大小而且控制其相位，利用狀態(tài)重構(gòu)和估計的現(xiàn)代控制概念實現(xiàn)交流電機磁通和轉(zhuǎn)矩的重構(gòu)和解耦控制（1坐標(biāo)變換矢量控制系統(tǒng)，不但控制其大小而且控制其相

6、位轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制吉林大學(xué)遠程教育通過坐標(biāo)變換和電壓補償，實現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦和閉環(huán)控制。由于磁場的定向使得異步電機的機械特性和直流電機的機械特性一樣，方便控制。但是轉(zhuǎn)子時間常數(shù)隨溫度變化較大，一定程度上影響的系統(tǒng)的性能。（2轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)，吉林大學(xué)遠程教育為簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，直接忽略轉(zhuǎn)子磁通的過渡過程，這樣的系統(tǒng)磁通采用開環(huán)控制結(jié)構(gòu)大為簡化很適合電流控制PWM電壓型逆變器供電的異步電機控制系統(tǒng)，進一步簡化，只考慮穩(wěn)態(tài)方程，得出轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)和開環(huán)的電壓/頻率恒定控制系統(tǒng)，在風(fēng)機、泵類調(diào)速領(lǐng)域吉林大學(xué)遠程教育內(nèi)廣泛應(yīng)用。（3直接和間接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系

7、上計算磁通的模和轉(zhuǎn)矩的大小并通過磁通和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，磁通的小范圍誤差不影響轉(zhuǎn)矩的性能這種方法對參數(shù)變化不敏感。吉林大學(xué)遠程教育電壓定向控制是在廣義派克方程基礎(chǔ)上提出的磁通和轉(zhuǎn)矩間接控制方法。該法把參考坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上使d軸與定子電壓矢量重合，根據(jù)磁通不變的條件，求得控制規(guī)律，該方法避免的復(fù)雜的坐標(biāo)變換，能夠?qū)崿F(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦。吉林大學(xué)遠程教育古典控制只考慮穩(wěn)態(tài)特性，啟動、調(diào)速、制動控制，只研究一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化，不考慮電磁過程只重視動力學(xué)過程。（4計算機技術(shù)的發(fā)展（1）交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)即可用專門的硬件電路也可用總線形式，或單片機組成最小目標(biāo)系統(tǒng)，復(fù)雜的

8、系統(tǒng)可采用微處理器和數(shù)字信號處理器。（2）數(shù)字仿真和輔助設(shè)計。吉林大學(xué)遠程教育（5高精度的交流電機運動控制，坐標(biāo)矢量變換控制系統(tǒng)機械和電磁解耦特性是通過參考坐標(biāo)系放在旋轉(zhuǎn)磁場 上來實現(xiàn)的，構(gòu)成運動控制系統(tǒng)在電流環(huán)和速度環(huán)外加上位環(huán)，調(diào)整困難，在解耦的基礎(chǔ)上提出了以下方法 （1）滑模變結(jié)構(gòu)控制（不需要精確建模，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn) 動靜態(tài)性能優(yōu)良）（2）最優(yōu)位置控制系統(tǒng)（簡化控制系統(tǒng)）吉林大學(xué)遠程教育（6開發(fā)新型電機和無機械傳感器技術(shù)小功率運動控制中得到重視和應(yīng)用的永磁同步電機。目前研究和發(fā)展的開關(guān)磁阻電機。為滿足高性能的調(diào)速，閉環(huán)控制必不可少，為實現(xiàn)位置和速度控制，用測速電機和光電碼盤來檢測信號，

9、傳感器的安裝，帶來了系統(tǒng)成本的增加體積增大吉林大學(xué)遠程教育、可靠性降低、易受環(huán)境的影響使得成本合理、性能優(yōu)良的無速度傳感器交流系統(tǒng)稱為研究的熱點，該技術(shù)是在電機轉(zhuǎn)子和機座上不安裝電磁或光電傳感器的情況下、利用檢測到的電壓電流和電機的數(shù)學(xué)模型推出電機轉(zhuǎn)子的位置和速度的技術(shù)、有不改變電機 電機、省去機械傳感器、降低維護費用，不怕電機、省去機械傳感器、降低維護費用，不怕粉塵、潮濕的環(huán)境的特點。粉塵、潮濕的環(huán)境的特點。交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：n一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 n高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) n特大容量、極

10、高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 1. 一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中，風(fēng)機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨希渲杏胁簧賵龊喜⒉皇遣恍枰{(diào)速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)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(jié)能調(diào)速（續(xù)）一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)） 如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風(fēng)機、水泵平均都可以節(jié)約 20 30% 以上的電能，效果是很可觀的。 但風(fēng)機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。2. 高性能的交

11、流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) 許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)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，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。 20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展。高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系

12、統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)） 其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。3. 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過106 kW r /min，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。 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(shè)備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。三、三、 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型

13、交流電機主要分為異步電機異步電機（即感應(yīng)電機）和同步電機同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。 現(xiàn)有文獻中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進行分類。按電動機的調(diào)速方法分類按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：降電壓調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速；變壓變頻調(diào)速等等。吉林大學(xué)遠程教育 在研究開發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào)速的途徑，因而種類繁多是很自然的?，F(xiàn)在交流調(diào)速的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，為了深入掌握其基本原理，就不能滿足于這種表面上的羅列，而要進一步探討其本質(zhì)，認識交流調(diào)速的基本規(guī)律。按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類按電動機

14、的能量轉(zhuǎn)換類型分類 按照交流異步電機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。 PmechPmPs 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點出發(fā)，可以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類 。1. 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第、三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這

15、類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負載時）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價值。 2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第種調(diào)速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。3. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更

16、高，上述的第、兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。 同步電機的調(diào)速同步電機的調(diào)速 同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于 0 ）的，而同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。 在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調(diào)他控變頻調(diào)速速和自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速兩類。 自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位

17、置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于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(diào)速，或無刷直流電機調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機開關(guān)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(diào)速方法，在小容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。第第 5 章章閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng) 一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 本章提要本章提要n異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)速電路n異步電異步電動動機改變電壓時的機械特性機改變電壓時的機械特性n閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.1 異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)速電路 變

18、壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡便的一種。 由電力拖動原理可知，當(dāng)異步電機等效電路的參數(shù)不變時，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)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(shù)關(guān)系，從而改變電機在一定負載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。吉林大學(xué)遠程教育 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(shù)興起以后，這類比較笨重的電磁裝置就被晶閘管交流調(diào)壓器取代了。 目前，交流調(diào)壓器一般用三對晶閘管反并聯(lián)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)abc

19、uaubucia 交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3TVC利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速TVC雙向晶閘管交流調(diào)壓器 圖5-1 利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 控制方式TVC的變壓控制方式n電路結(jié)構(gòu)：采用晶閘管反并聯(lián)供電方式，實現(xiàn)異步電動機可逆和制動。圖5-2 采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路 可逆和制動控制n 反向運行方式 圖5-2所示為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路，其中，晶閘管 16控制電動機正轉(zhuǎn)運行，反轉(zhuǎn)時，可由晶閘管 1，4 和 710 提供逆相序電源，同時也可用于反接制動。吉林大學(xué)遠程教育n制動運行方式 當(dāng)需要能耗制動時，可以根據(jù)制動電路的要求選擇某幾個晶閘管不對稱地工作

20、，例如讓 1，2，6 三個器件導(dǎo)通，其余均關(guān)斷，就可使定子繞組中流過半波直流電流，對旋轉(zhuǎn)著的電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)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。5.2 異步電動機改變電壓時的機械特性異步電動機改變電壓時的機械特性 根據(jù)電機學(xué)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， 異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-3。一、 異步電動機等效電路圖5-3 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm 參數(shù)定義nRs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感

21、；n Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵磁電感；n Us、1 定子相電壓和供電角頻率；n s 轉(zhuǎn)差率。電流公式由圖可以導(dǎo)出(5-1) 式中2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll 在一般情況下，LmLl1，則，C1 1 這相當(dāng)于將上述假定條件的第條改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成(5-2)2rs212rssrsllLLsRRUII 轉(zhuǎn)矩公式令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1 / np式中 np 極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）2rs212rs1r2spr2 r1p1mme/3

22、3llLLsRRsRUnsRInPT 式（5 - 3）就是異步電機的機械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比電磁轉(zhuǎn)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。二、 異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機類負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖5-4 異步電動機不同電壓下的機械特性最大轉(zhuǎn)矩公式 將式（5-3）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（5-4）（5-5）2rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spma

23、xe)(23llLLRRUnT 由圖5-4可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負載工作時，普通籠型異步電機變電壓時的穩(wěn)定工作點為 A、B、C，轉(zhuǎn)差率 s 的變化范圍不超過 0 sm ，調(diào)速范圍有限。如果帶風(fēng)機類負載運行，則工作點為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些。 為了能在恒轉(zhuǎn)矩負載下擴大調(diào)速范圍，并使電機能在較低轉(zhuǎn)速下運行而不致過熱，就要求電機轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機在變電壓時的機械特性繪于圖5-5。 顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負載時的變壓調(diào)速范圍增大了，堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩負載特性圖5-5 高轉(zhuǎn)子電阻電動機

24、（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性 返回目錄返回目錄5.3 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用普通異步電機的變電壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電機可以增大調(diào)速范圍，但機械特性又變軟，因而當(dāng)負載變化時靜差率很大（見圖5-5），開環(huán)控制很難解決這個矛盾。 為此，對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，要求調(diào)速范圍大于D=2時，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖5-6a）。一、系統(tǒng)組成圖5-6 帶轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理圖 -Ucn二、 系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖5

25、-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n2 圖5-6b所示的是閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。當(dāng)系統(tǒng)帶負載在 A 點運行時，如果負載增大引起轉(zhuǎn)速下降，反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(dāng)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。 按照反饋控制規(guī)律，將A、A、A 連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。盡管異步電機的開環(huán)機械特性和直流電機的開環(huán)特性差別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機械特性上各取一個相應(yīng)的工作點，連接起來便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣的分析方法對兩種電機是完全一致的。 盡管異步力矩電機的機械特性很軟，但由系統(tǒng)放大系數(shù)決

26、定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性卻可以很硬。 如果采用PI調(diào)節(jié)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(diào)速的目的。 變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點 異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)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(dāng)負載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。三、系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Ksn=f(Us,Te) ASRU*nUnUcUs-TLn圖5-7 異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖5-6a所示的原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如

27、圖5-7所示。圖中，nKs = Us/Uc 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；n = Un/n 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；nASR采用PI調(diào)節(jié)器；nn =f (Us, Te )是式（5-3）所表達的異步電機機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)時， Un* = Un = n Te = TL 根據(jù)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(yīng)的 Uc。5. 異步電機軟起動和節(jié)能異步電機軟起動和節(jié)能一、起動電流問題 常用的三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，而且性能良好，運行可靠。對于小容量電動機，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機容量大4倍

28、以上），而供電線路并不太長（起動電流造成的瞬時電壓降落低于10%15%），可以直接通電起動，操作也很簡便。對于容量大一些的電動機，問題就不這么簡單了。 二、 起動電流和轉(zhuǎn)矩公式 在式（5-2）和式（5-3）中已導(dǎo)出異步電動機的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，起動時，s =1，因此起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為2rs212rssrstsstllLLRRUII2rs212rs1r2spest3llLLRRRUnT（5-19） （5-20） 由上述二式不難看出，在一般情況下，三相異步電動機的起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。對于一般的籠型電動機，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩對其額定值的倍數(shù)大約為74sNsstIIIK3 . 19

29、 . 0eNestTTTK起動電流倍數(shù) 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) n 起動電流和轉(zhuǎn)矩分析起動電流和轉(zhuǎn)矩分析（續(xù)） 中、大容量電動機的起動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其他用電設(shè)備的正常運行，甚至使該電動機本身根本起動不起來。這時，必須采取措施來降低其起動電流，常用的辦法是降壓起動。 三、降壓起動的矛盾 由式（5-19）可知，當(dāng)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沖擊的高峰。 但是，式（5-20）又表明，起動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩的減小將比起動電流的降低更快，降壓起動時又會出現(xiàn)起動轉(zhuǎn)矩夠不夠的問題。為了避免這個麻煩，降壓起動只適用于中、大容量電動機空載（或輕載）起動的場合

30、。 四、傳統(tǒng)的降壓起動方法傳統(tǒng)的降壓起動方法有： l星-三角（Y-）起動l定子串電阻或電抗起動l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沖擊，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。 五、 軟起動方法 現(xiàn)代帶電流閉環(huán)的電子控制軟起動器可以限制起動電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動衰減下來（圖5-12中曲線c），起動時間也短于一級降壓起動。主電路采用晶閘管交流調(diào)壓器，用連續(xù)地改變其輸出電壓來保證恒流起動，穩(wěn)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(xù)） 視起動時所帶負載的大小，起動電流可在 (0.5

31、4) IsN 之間調(diào)整，以獲得最佳的起動效果，但無論如何調(diào)整都不宜于滿載起動。負載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時，可在起動時突加短時的脈沖電流，以縮短起動時間。 軟起動的功能同樣也可以用于制動，用以實現(xiàn)軟停車。 n 三種起動過程的電流比較圖5-12 異步電動機的起動過程與電流沖擊一級降壓起動 軟起動器 直接起動 六、六、 輕載降壓節(jié)能運行輕載降壓節(jié)能運行 n電機功率損耗 三相異步電動機運行時的總損耗可用下式表達smechCurFeCuspppppp（5-21） 定子銅損； 鐵損； 轉(zhuǎn)子銅損； 機械損耗； 雜散損耗。 式中PCusPFePCurPmechPsn電機運行效率電動機的運行效率為pPPPP2212（5-22） 式中 效率； 輸入電功率； 軸上輸出功率。1P2P 當(dāng)電動機在額定工況下運行時，由于輸出功率大，總損耗只占很小的成分，所以額定效率 N 較高，一般可達 75% 95% ，最大效率發(fā)生在 ( 0.7 1.1 ) P2N 的范圍內(nèi)。電動機容量越大時， N 越高。 完全空載時，理論上 P2 = 0 ，則 = 0。但實際上生產(chǎn)機械總有一些摩擦負載，只能算作輕載，這時，電磁轉(zhuǎn)矩很小。電磁轉(zhuǎn)矩可表示成 Te = KT m Ir cosr（5-23） 電動機在正常運行時，氣隙磁通 m 基本不變，因此輕載時轉(zhuǎn)子電流 Ir 很小，PCu