重慶大學(xué)運動控制系統(tǒng)課件 孫躍院長c5

第2篇運動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)第2篇運動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)內(nèi)容提要概述交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流變壓調(diào)速系統(tǒng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)*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)*同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要概述概述

直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)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。直到20世紀(jì)60~70年代，隨著電力電子技術(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。概述直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀(jì)先后誕生交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動控制的主流！目前大多數(shù)交流調(diào)速系統(tǒng)其性能指標(biāo)已經(jīng)完全能與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美！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流！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：一般性能的節(jié)能調(diào)速

高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)

特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

■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

主要用于風(fēng)機、水泵、制造企業(yè)物流傳輸線等通用機械的電氣傳動。這些傳動系統(tǒng)主要評價指標(biāo)是拖動功率和拖動力能指標(biāo)。其傳動精度、快速性等精度指標(biāo)要求不高。1.一般性能的節(jié)能調(diào)速主要用于風(fēng)機、水泵、制造企業(yè)物2.高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)20世紀(jì)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。2.高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)20世紀(jì)70年代初發(fā)明了高性能的交流調(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)。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)3.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106kW·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。3.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機的

交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型

交流電機主要分為異步電機（即感應(yīng)電機）和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)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。交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流電機主要分為異步電■按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速④繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速⑤變極對數(shù)調(diào)速⑥變壓變頻調(diào)速■按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：~按電動機的能量轉(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(fù)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~按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類按照交流異步電機的原理

電磁功率：Pm=Pmech+Ps

總機械功率：Pmech=(1–s)Pm

轉(zhuǎn)差功率：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。電磁功率：Pm=Pmech+Ps1.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，前述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。這三類異步電機調(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）。1.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2.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④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。2.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3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)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，因此效率更高，變極調(diào)速和變壓變頻調(diào)速就是于這類。

3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)

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)速和自控變頻調(diào)速兩類。同步電機的調(diào)速同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差

自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位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。自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信號來控制變第5章電力拖動自動控制系統(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)

第5章電力拖動自動控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)本章提要異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機改變電壓時的機械特性閉環(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)圖轉(zhuǎn)差功率損耗分析變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中的應(yīng)用本章提要異步電動機變壓調(diào)速電路5.1異步電動機變壓調(diào)速電路

當(dāng)異步電機的參數(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(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。5.1異步電動機變壓調(diào)速電路當(dāng)異步電機的參數(shù)不變時

交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3~~TVC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

利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速

交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3~~TVC利用晶閘管交流調(diào)壓

控制方式TVC的變壓控制方式控制方式TVC的變壓控制方式電路結(jié)構(gòu)采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路。

可逆和制動控制電路結(jié)構(gòu)采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路?？赡?.2異步電動機改變電壓時的機械特性三個假定條件下：忽略空間和時間諧波忽略磁飽和忽略鐵損5.2異步電動機改變電壓時的機械特性三個假定條件下：

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

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rLm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Us

參數(shù)定義Rs、R’r——定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、L’lr——定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；

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；

Us、

1——定子相電壓和供電角頻率；

s——轉(zhuǎn)差率。參數(shù)定義Rs、R’r——定子每相電阻和折合到定子側(cè)的電流公式由圖可以導(dǎo)出(5-1)

式中電流公式由圖可以導(dǎo)出

在一般情況下，Lm

Ll1，則，C1

1這相當(dāng)于將上述假定條件的第③條改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成：(5-2)在一般情況下，LmLl1，則，C11

轉(zhuǎn)矩公式電磁功率Pm=3Ir'2Rr'/s

同步角速度

m1=

1/np式中np—極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）轉(zhuǎn)矩公式電磁功率Pm=3Ir'2

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。

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。式（5-3）就是異步電機的機械特性方程式。

異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-4異步電動機不同電壓下的機械特性異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.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）最大轉(zhuǎn)矩公式將式（5-3）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds

由圖5-4可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(fù)載運行，則工作點為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些。由圖5-4可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時，普

為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(fù)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。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴大調(diào)速范圍，并使電機能在

交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-5高轉(zhuǎn)子電阻電動機（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性

交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABC5.3閉環(huán)調(diào)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(fù)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(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)（見圖5-6a）。5.3閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性采用普通異步1.系統(tǒng)組成圖5-6帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)ASRU*n+-UnGT+M3~TGa)原理圖

--~Ucn1.系統(tǒng)組成圖5-6帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速2.系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-6b閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n22.系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmi

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(fù)載在A點運行時，如果負(fù)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’。將A’’、A、A’連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。圖5-6b所示的是閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(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，但是其轉(zhuǎn)速閉環(huán)后的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性是完全一致的！如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，照樣可以做到無靜差。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

變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點

異步電機閉環(huán)調(diào)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。變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直3.系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)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

3.系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)Ksn=f(Us,Te)ASRU*

根據(jù)圖5-6a所示的原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-7所示。圖中，Ks=Us/Uc

為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；

=Un/n為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；ASR采用PI調(diào)節(jié)器；n=f(Us,Te

)是式（5-3）所表達(dá)的異步電機機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。根據(jù)圖5-6a所示的原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)態(tài)時，

Un*=Un=n

Te=TL

根據(jù)負(fù)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。穩(wěn)態(tài)時，5.4閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖5-7的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-8所示。其中有些環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以直接寫出來，只有異步電機傳遞函數(shù)的推導(dǎo)須費一番周折。5.4閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖5-7的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可

系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5-8異步電動機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

MA——異步電機FBS——測速反饋環(huán)節(jié)

WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5-8異步電動機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)

晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置

裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非線性的，在一定范圍內(nèi)可假定為線性函數(shù)，在動態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣。傳遞函數(shù)可寫成近似條件：晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非

對于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取

Ts=3.3ms

對其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。對于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取

測速反饋環(huán)節(jié)

考慮到反饋濾波作用，測速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數(shù)可寫成測速反饋環(huán)節(jié)考慮到反饋濾波作用，測速反饋環(huán)節(jié)F

異步電機近似的傳遞函數(shù)

異步電機的動態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個傳遞函數(shù)來準(zhǔn)確地表示它的輸入輸出關(guān)系是不可能的。在這里，可以先在一定的假定條件下，用穩(wěn)態(tài)工作點附近的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。異步電機近似的傳遞函數(shù)異步電機的動態(tài)過程是由一組非（1）異步電機近似的線性機械特性

由式（5-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）當(dāng)s很小時，可以認(rèn)為且（1）異步電機近似的線性機械特性由式（5-3）已知電磁轉(zhuǎn)

后者相當(dāng)于忽略異步電機的漏感電磁慣性。在此條件下，（5-6）這是在上述條件下異步電機近似的線性機械特性。后者相當(dāng)于忽略異步電機的漏感電磁慣性。在此條件（2）穩(wěn)態(tài)工作點計算

設(shè)A為近似線性機械特性上的一個穩(wěn)態(tài)工作點，則在A點上（5-7）在A點附近有微小偏差時，Te=TeA+

Te

，Us=UsA+

Us

，而s=sA+

s，代入式（5-6）得（2）穩(wěn)態(tài)工作點計算設(shè)A為近似線性機械特性上的一（3）微偏線性化

將上式展開，并忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積，則（5-8）（3）微偏線性化

從式（5-8）中減去式（5-7），得（5-9）

已知轉(zhuǎn)差率，其中

1是同步角轉(zhuǎn)速，

是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則(5-10)從式（5-8）中減去式（5-7），得

將式（5-10）代入式（5-9），得（5-11）

式（5-11）就是在穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏量

Te與

Us和

間的關(guān)系。將式（5-10）代入式（5-9），得

帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)工作點A附近的微偏量運動方程式為（5-12）帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為

由上面（5-11）和（5-12）兩式可得異步電機在忽略電磁慣性時的微偏線性化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-9所示。如果只考慮

U1到

之間的傳遞函數(shù)，可先取

TL

=0。由上面（5-11）和（5-12）兩式可得異步（4）線性化處理后的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3npω1Rr2UsASA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔT