第2章異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

本章提要異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路異步電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)差功率損耗分析變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用2.1異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路變壓調(diào)速是異步電機(jī)調(diào)速方法中比較簡(jiǎn)便的一種。由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，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(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。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(duì)晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)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(fù)載abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3型接法負(fù)載b)abcuaubucia

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

圖2-1利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速

控制方式TVC的變壓控制方式電路結(jié)構(gòu)：

采用晶閘管反并聯(lián)供電方式，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)。圖2-2采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路

可逆和制動(dòng)控制

反向運(yùn)行方式

圖2-2所示為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路，其中，晶閘管1~6控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，反轉(zhuǎn)時(shí)，可由晶閘管1，4和7~10提供逆相序電源，同時(shí)也可用于反接制動(dòng)。制動(dòng)運(yùn)行方式當(dāng)需要能耗制動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)制動(dòng)電路的要求選擇某幾個(gè)晶閘管不對(duì)稱地工作，例如讓1，2，6三個(gè)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(duì)旋轉(zhuǎn)著的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)作用。必要時(shí)，還可以在制動(dòng)電路中串入電阻以限制制動(dòng)電流。2.2異步電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的機(jī)械特性根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損，

異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-3。

異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖2-3異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路

Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rLm

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(lì)磁電感；Us、1——定子相電壓和供電角頻率；s——轉(zhuǎn)差率。電流公式由圖可以導(dǎo)出式中在一般情況下，LmLl1，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(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成

轉(zhuǎn)矩公式令電磁功率Pm=3Ir'2Rr'/s

同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速m1=1/np式中np—極對(duì)數(shù)，則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為式（2-3）就是異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，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(jī)械特性便如圖2-4所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖2-4異步電動(dòng)機(jī)不同電壓下的機(jī)械特性最大轉(zhuǎn)矩公式將式（2-3）對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（2-4）（2-5）由圖5-4可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，普通籠型異步電機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)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(jī)類負(fù)載運(yùn)行，則工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)速范圍，并使電機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過熱，就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機(jī)在變電壓時(shí)的機(jī)械特性繪于圖2-5。顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的變壓調(diào)速范圍增大了，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機(jī)，這種電機(jī)又稱作交流力矩電機(jī)。

交流力矩電機(jī)的機(jī)械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖2-5高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（交流力矩電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性

2.3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(jī)的變電壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電機(jī)可以增大調(diào)速范圍，但機(jī)械特性又變軟，因而當(dāng)負(fù)載變化時(shí)靜差率很大（見圖2-5），開環(huán)控制很難解決這個(gè)矛盾。為此，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，要求調(diào)速范圍大于D=2時(shí)，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖2-6a）。1.系統(tǒng)組成圖2-6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

--~Ucn2.系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖2-6b閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n2圖2-6b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(diǎn)運(yùn)行時(shí)，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(jī)械特性上找到新的工作點(diǎn)A’。同理，當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，會(huì)在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點(diǎn)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(jī)的開環(huán)機(jī)械特性和直流電機(jī)的開環(huán)特性差別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機(jī)械特性上各取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，連接起來便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣的分析方法對(duì)兩種電機(jī)是完全一致的。

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。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(hào)，則靜特性平行地上下移動(dòng)，達(dá)到調(diào)速的目的。

變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)異步電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電機(jī)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(zhǎng)，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。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，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(diǎn)只能沿著極限開環(huán)特性變化。3.系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)

Ksn=f(Us,Te)

ASRU*nUnUcUs--TLn圖2-7異步電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2-6a所示的原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-7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（2-3）所表達(dá)的異步電機(jī)機(jī)械特性方程式，它是一個(gè)非線性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，

Un*=Un=n

Te=TL根據(jù)負(fù)載需要的n和TL可由式（2-3）計(jì)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。5.4閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，須先繪出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由圖2-7的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-8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(jī)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)須費(fèi)一番周折。

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-8異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

MA——異步電機(jī)FBS——測(cè)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)

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(dòng)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為

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(dòng)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)可寫成其近似條件是對(duì)于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取Ts=3.3ms

對(duì)其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。

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

異步電機(jī)近似的傳遞函數(shù)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個(gè)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(diǎn)附近的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。（1）異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性

由式（2-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為（2-3）當(dāng)s很小時(shí)，可以認(rèn)為且后者相當(dāng)于忽略異步電機(jī)的漏感電磁慣性。在此條件下，（2-6）這是在上述條件下異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性。（2）穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算設(shè)A為近似線性機(jī)械特性上的一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，則在A點(diǎn)上（2-7）在A點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)，Te=TeA+Te，Us=UsA+Us，而s=sA+s，代入式（5-6）得（3）微偏線性化將上式展開，并忽略兩個(gè)和兩個(gè)以上微偏量的乘積，則（2-8）從式（5-8）中減去式（5-7），得（2-9）

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(2-10)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(diǎn)附近微偏量Te與Us和間的關(guān)系。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)A附近的微偏量運(yùn)動(dòng)方程式為（2-12）將式（2-11）和（2-12）的微偏量關(guān)系畫在一起，即得異步電機(jī)在忽略電磁慣性時(shí)的微偏線性化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-9所示。如果只考慮U1到之間的傳遞函數(shù)，可先取TL

=0，圖2-9中小閉環(huán)傳遞函數(shù)可變換成（4）近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3npω1Rr2UsASA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔ+--圖2-9忽略電磁慣性時(shí)異步電機(jī)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

（5）異步電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)于是，異步電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)為

式中KMA—異步電機(jī)的傳遞系數(shù)，Tm—異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，

由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉(zhuǎn)體的機(jī)電慣性，異步電機(jī)便近似成一個(gè)線性的一階慣性環(huán)節(jié)，即(2-13)把得到的四個(gè)傳遞函數(shù)式寫入圖2-8中各方框內(nèi)，即得異步電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。最后，應(yīng)該再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，具體使用這個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖時(shí)要注意下述兩點(diǎn)：由于它是偏微線性化模型，只能用于機(jī)械特性線性段上工作點(diǎn)附近的穩(wěn)定性判別和動(dòng)態(tài)校正，不適用于起制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速大范圍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計(jì)算有很大的近似性。*2.5轉(zhuǎn)差功率損耗分析（略）*2.6變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)

能運(yùn)行中的應(yīng)用

除了調(diào)速系統(tǒng)以外，異步電動(dòng)機(jī)的變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中也得到了廣泛的應(yīng)用。本節(jié)主要介紹它們的基本原理，關(guān)于其運(yùn)行中的一些具體問題可參看參考文獻(xiàn)]。*2.6.1軟起動(dòng)器起動(dòng)電流問題常用的三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，而且性能良好，運(yùn)行可靠。對(duì)于小容量電動(dòng)機(jī)，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(jī)容量大4倍以上），而供電線路并不太長(zhǎng)（起動(dòng)電流造成的瞬時(shí)電壓降落低于10%~15%），可以直接通電起動(dòng)，操作也很簡(jiǎn)便。對(duì)于容量大一些的電動(dòng)機(jī)，問題就不這么簡(jiǎn)單了。

起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩公式在式（2-2）和式（2-3）中已導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，起動(dòng)時(shí)，s

=1，因此起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為（2-19）

（2-20）

由上述二式不難看出，在一般情況下，三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流比較大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。對(duì)于一般的籠型電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)其額定值的倍數(shù)大約為起動(dòng)電流倍數(shù)

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分析起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分析（續(xù)）中、大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)壓降過大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動(dòng)機(jī)本身根本起動(dòng)不起來。這時(shí)，必須采取措施來降低其起動(dòng)電流，常用的辦法是降壓起動(dòng)。

降壓起動(dòng)的矛盾由式（2-19）可知，當(dāng)電壓降低時(shí)，起動(dòng)電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開起動(dòng)電流沖擊的高峰。但是，式（2-20）又表明，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小將比起動(dòng)電流的降低更快，降壓起動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩夠不夠的問題。為了避免這個(gè)麻煩，降壓起動(dòng)只適用于中、大容量電動(dòng)機(jī)空載（或輕載）起動(dòng)的場(chǎng)合。

傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法有：星-三角（Y-Δ）起動(dòng)定子串電阻或電抗起動(dòng)自耦變壓器（又稱起動(dòng)補(bǔ)償器）降壓起動(dòng)它們都是一級(jí)降壓起動(dòng)，起動(dòng)過程中電流有兩次沖擊，其幅值都比直接起動(dòng)電流低，而起動(dòng)過程時(shí)間略長(zhǎng)，如圖5-12所示。

軟起動(dòng)方法

現(xiàn)代帶電流閉環(huán)的電子控制軟起動(dòng)器可以限制起動(dòng)電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動(dòng)衰減下來（圖2-12中曲線c），起動(dòng)時(shí)間也短于一級(jí)降壓起動(dòng)。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(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可用接觸器給晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長(zhǎng)期工作。軟起動(dòng)方法（續(xù)）視起動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載的大小，起動(dòng)電流可在(0.5~4)IsN

之間調(diào)整，以獲得最佳的起動(dòng)效果，但無論如何調(diào)整都不宜于滿載起動(dòng)。負(fù)載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，可在起動(dòng)時(shí)突加短時(shí)的脈沖電流，以縮短起動(dòng)時(shí)間。

軟起動(dòng)的功能同樣也可以用于制動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)軟停車。

三種起動(dòng)過程的電流比較圖2-12異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程與電流沖擊一級(jí)降壓起動(dòng)軟起動(dòng)器直接起動(dòng)*2.6.2輕載降壓節(jié)能運(yùn)行

電機(jī)功率損耗

三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的總損耗可用下式表達(dá)（2-21）—定子銅損；—鐵損；—轉(zhuǎn)子銅損；—機(jī)械損耗；—雜散損耗。

式中PCusPFePCurPmechPs電機(jī)運(yùn)行效率電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率為（2-22）

式中—效率；—輸入電功率；—軸上輸出功率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)，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(dá)75%~95%，最大效率發(fā)生在(0.7~1.1)P2N

的范圍內(nèi)。電動(dòng)機(jī)容量越大時(shí)，N

越高。完全空載時(shí)，理論上P2=0

，則=0。但實(shí)際上生產(chǎn)機(jī)械總有一些摩擦負(fù)載，只能算作輕載，這時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩很小。電磁轉(zhuǎn)矩可表示成