異步電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)

第5章

交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

（異步電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng))

(一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)）

2023/2/6---主要內(nèi)容---交流拖動控制概述

交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域異步電動機(jī)的調(diào)速方法對上述調(diào)速方法按電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率分類異步電動機(jī)變壓調(diào)速電路

異步電動機(jī)改變電壓時的機(jī)械特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性

閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2023/2/6一、交流拖動控制概述交流傳動是傳動領(lǐng)域的主要發(fā)展方向.1.交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域目前，交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：(1)一般性能的節(jié)能調(diào)速(2)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)(3)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速2023/2/62．異步電動機(jī)

交流電機(jī)的分類：

主要分為異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）和同步電機(jī)異步電動機(jī)是怎樣旋轉(zhuǎn)起來的？---電動機(jī)---將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩、帶動生產(chǎn)機(jī)械工作的原動機(jī)。---感應(yīng)電動勢---當(dāng)導(dǎo)體和磁場之間有相對運(yùn)動時，在導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。---旋轉(zhuǎn)磁場---三相異步電動機(jī)的定子繞組用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度，三相異步電動機(jī)定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。2023/2/6圖1：

在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流2023/2/6圖2：

（a）三個對稱的三相繞組

（b）接成星型的三相定子繞組圖2：（a）圖2：（b）2023/2/6圖3：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場t1=0

t2=1/3π

t3=2/3π

t4=π電流每變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1（即同步轉(zhuǎn)速）:n1=60f/np

f為電源頻率、np是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。2023/2/6

---異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理---

有了旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，而載流導(dǎo)體（轉(zhuǎn)子導(dǎo)體）在磁場中又受到電磁力的作用，于是使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。因為轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流是靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，所以異步電動機(jī)又叫做感應(yīng)電動機(jī)。

轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同，轉(zhuǎn)速不等。

---轉(zhuǎn)差率---同步轉(zhuǎn)速n1與電動機(jī)轉(zhuǎn)速n之差（n1-n），用符號Δn表示，叫做轉(zhuǎn)速差。轉(zhuǎn)速差與同步轉(zhuǎn)速的比值叫轉(zhuǎn)差率，用符號s表示。轉(zhuǎn)差率s通常用百分?jǐn)?shù)表示，即：s=(n1-n)/n1×100%---異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速---

2023/2/6---異步電動機(jī)的調(diào)速方法---變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變極對數(shù)調(diào)速變頻調(diào)速交-交變頻交-直-交變頻變電壓調(diào)速串級調(diào)速轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速變壓調(diào)速是異步電動機(jī)調(diào)速方法中比較簡便的一種。2023/2/63．對調(diào)速方法按電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率分類按照交流異步電動機(jī)的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分成兩部分：拖動負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功率:Pmech=(1-s)Pm傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率成正比：Ps=sPm。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，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。據(jù)此，異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類：轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)2023/2/6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。在三類異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(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(fù)載時）。可是這類系統(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。轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)在這類系統(tǒng)中，一部分轉(zhuǎn)差功率被消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低，能回收的功率越多，這類系統(tǒng)的效率是比較高的，但要增加一些設(shè)備。轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)差功率中，轉(zhuǎn)子銅損是不可避免的，在這類系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的轉(zhuǎn)子銅損部分基本不變，因此效率也較高。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。2023/2/6二、異步電動機(jī)變壓調(diào)速電路

圖1: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（調(diào)節(jié)定子外加相電壓）2023/2/6圖2：采用晶閘管反并聯(lián)的異步電機(jī)可逆和制動電路

晶閘管1~6控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，反轉(zhuǎn)時，可由晶閘管1，4和7~10提供逆相序電源，同時也可用于反接制動。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，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)著的電機(jī)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。2023/2/6三、異步電動機(jī)改變電壓時的機(jī)械特性

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，滿足下述三個假定條件：①忽略空間和時間諧波，②忽略磁飽和，③忽略鐵損。、——定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；、——定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；——定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；、——定子相電壓和供電角頻率；——轉(zhuǎn)差率。異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖中各參數(shù)定義如下：2023/2/6在一般情況下，，這相當(dāng)于上述假定條件的第③條改為“忽略鐵損和勵磁電流”。令電磁功率和同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速：

則異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程式

2023/2/6當(dāng)異步電動機(jī)等效電路的參數(shù)不變時，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩Te與定子電壓Us的平方成正比.

改變定子外加電壓就可以改變機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速.

等效電路不止一種，轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時，Te與Us的平方成正比的關(guān)系不變.

異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程式對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率最大轉(zhuǎn)矩2023/2/6異步電機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性：圖中UsN表示額定定子電壓。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL工作時，異步電動機(jī)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。隨著電壓的調(diào)低，轉(zhuǎn)矩減小，帶負(fù)載能力變?nèi)酢?023/2/6四、閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)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)。圖：帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)（原理圖；靜特性）2023/2/6對比：

異步電動機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)與直流動電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的不同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(jī)械特性和最小輸出電壓Usmin下的機(jī)械特性。負(fù)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。盡管異步力矩電機(jī)的機(jī)械特性很軟，但由系統(tǒng)放大系數(shù)決定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性卻可以很硬。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(dá)到調(diào)速的目的。2023/2/6靜態(tài)參數(shù)計算：晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)異步電動機(jī)機(jī)械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)穩(wěn)態(tài)時，，根據(jù)負(fù)載需要的n和TL可由機(jī)械特性方程式計算出或用機(jī)械特性圖解法求出所需的Us以及相應(yīng)的Uc。

，，

2023/2/6五、閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR：PI調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動態(tài)性能晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置2023/2/6測速反饋環(huán)節(jié)異步電動機(jī)MA假定s很?。ㄔ诩俣l件下異步電動機(jī)近似的線性機(jī)械特性）用微偏線性化方法求一個近似的傳遞函數(shù)。設(shè)A為近似線性機(jī)械特性上的一個穩(wěn)態(tài)工作點，則在A點上2023/2/6在A點附近有微小偏差時，

展開，并忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式：穩(wěn)態(tài)工作點A附近的微偏量運(yùn)動方程式：2023/2/6忽略電磁慣性時異步電動機(jī)微偏線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，圖中小閉環(huán)傳遞函數(shù)可變換成2023/2/6使用動態(tài)結(jié)構(gòu)圖時要注意下述兩點：（1）由于它是偏