1項目六交流調速裝置1．掌握交流調速系統(tǒng)的基本概念、組成、特點及分類，調速方法及性能比較；2．認識常見交流調速系統(tǒng)單元，能提煉系統(tǒng)的框圖；3．掌握交流調壓調速原理和方法，能正確使用儀器儀表對交流調壓調速系統(tǒng)基本單元的參數(shù)進行整定；4．能安裝和調試交流調壓調速系統(tǒng)，學會系統(tǒng)調試過程故障檢查和排除；5．掌握串級調速原理與基本類型，串級調速系統(tǒng)的調速特性和機械特性，能對晶閘管串級調速系統(tǒng)基本單元的參數(shù)進行整定；6．能安裝和調試晶閘管串級調速系統(tǒng)，學會系統(tǒng)調試過程故障檢查和排除；掌握變頻調速的基本控制方式和機械特性，晶閘管變頻調速系統(tǒng)的結構及其工作原理；7．會分析變頻調速系統(tǒng)，能對變頻調速系統(tǒng)基本單元的參數(shù)進行整定；8．能安裝和調試變頻調速系統(tǒng)，學會系統(tǒng)調試過程故障檢查和排除。任務目標2項目六交流調速裝置課程簡介任務1

交流調速系統(tǒng)的認識任務2

交流調壓調速裝置的安裝與調試任務3

晶閘管串級調速裝置的安裝與調試任務4

變頻調速裝置的安裝與調試

3一交流調速方式二交流調壓調速系統(tǒng)三交流異步電動機的軟起動與降壓節(jié)能原理任務二交流調壓調速裝置的安裝與調試項目六交流調速裝置4一交流調速方式

交流調速系統(tǒng)的性能越來越優(yōu)異，已成為電力拖動控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

交流調速發(fā)展的過程按照四個方向發(fā)展：（1）以節(jié)能為目的，改恒速為調速的交流調速系統(tǒng)；（2）高性能交流調速系統(tǒng)；（3）較大容量，極高轉速的交流調速系統(tǒng)；（4）取代熱機、液壓、氣動控制的交流調速系統(tǒng)。5

交流異步電動機的轉速從轉速關系式可知，交流異步電動機調速的方案有三種：

（1）改變轉差率的調速方式；（2）改變定子供電頻率的調速方式；（3）改變極對數(shù)的調速方式。

一交流調速方式6

根據(jù)調速方案實現(xiàn)的交流異步電動機調速的方法：

①減壓調速；②電磁轉差離合器調速；③繞線轉子異步電機轉子串電阻調速；④繞線轉子異步電機串級調速；⑤變極對數(shù)調速；⑥變頻調速等。

按電動機中轉差功率Ps的處理方式分為：（1）轉差功率消耗型調速系統(tǒng)，第①、②、③三種調速方法都屬于這一類；（2）轉差功率回饋型調速系統(tǒng)，第④種調速方法屬于這一類；（3）轉差功率不變型調速系統(tǒng)，第⑤、⑥屬于這一類。一交流調速方式7(一)晶閘管交流調壓器(二)交流調壓調速電路的機械特性 (三)交流調壓調速系統(tǒng) (四)調壓調速的功率損耗二交流調壓調速系統(tǒng)8

交流調壓調速速方法有多種，常見的有自耦變壓器調壓、串飽和電抗器調壓和晶閘管交流調壓等。圖4—1異步電動機調壓調速原理圖二交流調壓調速系統(tǒng)9

自耦變壓器調壓和串飽和電抗器調壓的共同缺點是設備龐大笨重，動態(tài)性能差，已被晶閘管交流調壓器取代。

晶閘管調壓電路的原理如圖4—1c。通過控制晶閘管的導通角，調節(jié)電動機的定子電壓。VVC——晶閘管交流調壓器。

交流調壓調速系統(tǒng)是一種能耗型的系統(tǒng)，轉差功率幾乎全消耗在轉子電路中，低速運行時電動機發(fā)熱嚴重，效率較低。

二交流調壓調速系統(tǒng)10引言

負載性質對晶閘管交流調壓電路的工作有很大影響，調壓電路的移相范圍、觸發(fā)脈沖的形式與負載的功率因數(shù)角相關聯(lián)。控制角α與功率因數(shù)角φ之間的關系，決定著晶閘管交流調壓電路能否起到調壓的能力。(一)晶閘管交流調壓器11

晶閘管交流調壓是在恒定交流電源與負載電路之間接入晶閘管交流調壓器。原理圖如圖4—2。圖4—2晶閘管單相調壓電路

晶閘管單相調壓電路(一)晶閘管交流調壓器12

1．晶閘管交流調壓器控制方式（1）通斷控制（周波控制）

特點：晶閘管的控制角為0o。

通斷控制采用了“零”觸發(fā)控制方式，幾乎不產生諧波污染。通常應用在電加熱設備中。圖4—3通斷控制方式的負載電壓波形圖(一)晶閘管交流調壓器13

（2）相位控制

通過控制晶閘管的觸發(fā)角α，得到不同的負載電壓波形，從而起到調節(jié)電壓的作用。圖4—4相位控制方式的負載電壓波形

相位控制輸出電壓較為準確，調速精度較高，快速性好，低速時轉速脈動較小，但這種控制方式，會產生成分復雜的諧波，對電網造成諧波污染。常用于中、小功率、調速精度與穩(wěn)定性要求較高的場合。(一)晶閘管交流調壓器14

2．晶閘管調壓電路帶負載分析

負載性質對交流調壓電路的工作有很大的影響，阻抗抗角φ是反映負載性質的電氣參數(shù)。以交流調壓電路帶電感性負載進行分析。當交流調壓電路的負載為感性負載時，電流和電壓波形不同相，且電流滯后電壓一個角度，調壓電路的輸出電壓不僅與控制角α有關，還與負載的阻抗角φ有關。根據(jù)圖4—2帶感性負載的調壓電路，繪出了調壓電路的導通區(qū)間及其輸出電流i、電壓u的波形圖，如圖4—5所示。(一)晶閘管交流調壓器15圖4—5交流調壓電路帶感性負載時的電壓、電流波形(一)晶閘管交流調壓器圖4—2晶閘管單相調壓電路16

設交流電源電壓為，觸發(fā)時刻為ωt＝0，并使α＞φ，根據(jù)電路理論流過負載的電流為（4—2）

式中第一項為電流的穩(wěn)態(tài)分量，是按正弦規(guī)律變化的；第二項為暫態(tài)分量，是在短時間內存在的一個按指數(shù)規(guī)律衰減的自由分量，當t≥4τ（τ＝）后，這一項基本消失，如圖4—6所示。(一)晶閘管交流調壓器17圖4—6感性負載瞬時電流分析

(一)晶閘管交流調壓器18

設VTl的導通角為θ，則在ωt＝θ時，i＝0，把這個條件代入（4—2）式中，得到此式表示了θ與α、φ的關系，通過圖解法來求出θ＝f（α，φ），見圖4—7曲線族。（4—3）(一)晶閘管交流調壓器19圖4—7當α＞φ時電路的θ＝（α，φ）曲線(一)晶閘管交流調壓器20

根據(jù)式（4—2）、（4—3），在不同α和φ

時的輸出電壓、電流波形見圖4—8。

圖4—8不同α和φ

時的輸出電壓、電流波形a)α=0?b)α=φc)α＞φ(θ＜180?)d)α＜φ(窄脈沖，θ＞180?)e)α＜φ(寬脈沖，θ=180?)

(一)晶閘管交流調壓器21由圖4—7及式（4—3）得出：（1）當φ＝0o時，為純電阻負載，α＋θ＝180o

。此時負載電壓與電流波形如圖4—8a所示。（2）當α＝φ時，由式（4—3）可知，此時θ＝180o，反并聯(lián)晶閘管相當于全導通，調壓器失去調壓作用，負載電壓與電流波形如圖4—8b所示。（3）當α＞φ時，從式（4—3）可知，θ＜180o，電流出現(xiàn)斷續(xù)，負載電壓與電流波形如圖4—8c所示。

(一)晶閘管交流調壓器22

（4）當α＜φ時，從式（4—3）可知，θ＞180o，采用單個窄觸發(fā)脈沖，將出現(xiàn)“單相半波整流”現(xiàn)象，如圖4—8d所示。

如果寬觸發(fā)脈沖或脈沖列，便可消除這種現(xiàn)象，但穩(wěn)定工作時，負載上將得到和α＝φ時一樣的電流波形，負載電壓不可調。為避免出現(xiàn)“單向半波整流”現(xiàn)象，應采用寬脈沖或脈沖列進行觸發(fā)，如圖4—8e所示。

分析表明，對感性負載而言，調壓電路需采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，且φ≤α≤180o。(一)晶閘管交流調壓器23(二)交流調壓調速電路的機械特性

根據(jù)電機學原理，在下述假定前提條件下：（1）忽略空間和時間諧波；（2）忽略磁飽和；（3）忽略鐵損。異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖4—9所示。圖4—9異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路24

各參量的定義如下：

R1、R‘2——定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻；

Lll、L‘l2

——定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感；

Lm——定子每相繞組產生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；

U1、ω1——電動機定子相電壓和供電角頻率；

s

——轉差率。

由圖4—9可以得出式中(二)交流調壓調速電路的機械特性25

一般情況下，Lm＞＞Ll1，則C1≈1。則，電流公式可簡化成

令電磁功率Pm＝3（I'2）2R'2／s,同步機械角轉速Ω1＝ω1/p。則異步電動機的電磁轉矩為

式（4—6）就是異步電動機的機械特性方程式。(4-5)(4-6)(二)交流調壓調速電路的機械特性26

機械特性方程式表明：當轉速和轉差率一定時，電磁轉矩與電壓的平方成正比。圖4—10異步電動機在不同電壓下的機械特性(二)交流調壓調速電路的機械特性27

將式（4—6）對s求導，并令dTe/ds＝0，求出產生最大轉矩時的轉差率sm和最大轉矩Temax。

從圖4—10可見，帶恒轉矩負載TL時，普通的籠型異步電動機變電壓時的穩(wěn)定工作點在A、B、C，轉差率的變化范圍不會超過s＝0～sm，調速范圍很小。

帶風機類負載運行，工作點在D、E、F，調速范圍要大些。(二)交流調壓調速電路的機械特性28

為在恒轉矩負載下擴大變壓調速范圍，常選用轉子繞組電阻值較高的高轉子電阻電動機(交流力矩電機)。

高轉子電阻電動機變電壓時的機械特性如圖4—11所示。圖4—11高轉子電阻電動機在不同電壓下的機械特性(二)交流調壓調速電路的機械特性29(三)交流調壓調速系統(tǒng)

異步電動機變電壓調速時，如采用開環(huán)控制，機械特性很軟，負載變化時的靜差率較大，通常采用帶轉速負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其原理圖如圖4—12a所示。圖4—12轉速負反饋閉環(huán)交流調壓控制系統(tǒng)a）原理圖b）機械特性30

結論:

在額定電壓U1N下的機械特性和最小輸出電壓U1min下的機械特性是閉環(huán)系統(tǒng)靜特性左右兩邊的極限，當負載變化達到兩側的極限時閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力。(三)交流調壓調速系統(tǒng)31

n＝f（Ul、Te）是式（4—6）表達的異步電動機機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。圖4—13異步電動機調壓調速系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖

根據(jù)圖4—12a所示的系統(tǒng)得靜態(tài)結構圖如圖4—13所示。(三)交流調壓調速系統(tǒng)32(四)調壓調速的功率損耗

異步電動機的效率為輸出機械功率P2與輸入電功率P1之比。在忽略了電動機定子與轉子的一些損耗后，亦可用P2戶與電磁功率Pm之比來表示，即

轉差功率為不同性質負載用下式表示：

TL=Cnα

式中，C為常數(shù)，α＝0、1、2分別表示恒轉矩負載、轉矩與轉速成正比的負載以及轉矩與轉速平方成正比的負載（如離心泵、風機等）。33

由以上三式可得

在s＝0時，從上式可得出電動機的最大機械功率輸出為電動機轉差功率損耗系數(shù)為

按式（4—14）繪制不同性質負載時轉差功率損耗系數(shù)與s的關系如圖4—14所示。

可見，電動機的轉差功率損耗系數(shù)是隨s變化的。

（4—14）(四)調壓調速的功率損耗34圖4—14不同負載性質時轉差功率損耗系數(shù)與s的關系(四)調壓調速的功率損耗35

由式（4—14）對s求導可知，產生最大轉差功率損耗系數(shù)時的s為相應的轉差功率損耗系數(shù)為對于不同類型的負載，把α＝0、1、2帶入式（4—15）和（4—16），得到時不同類型負載時電動機的轉差功率損耗系數(shù)和轉差率的值，計算結果列入表4—1。（4—15）（4—16）(四)調壓調速的功率損耗36

結論:調壓調速方式適用于風機、水泵類負載。至于恒轉矩負載，則不宜于長期在低速下工作，以免電動機過熱受損。

為了擴大調速范圍而又不致使電動機過熱受損，常采用變極調速和調壓調速相結合的方法。α012s10.50.3310.250.148表4—1不同類型負載時的s和(四)調壓調速的功率損耗37(一)交流異步電動機的軟起動(二)交流異步電動機的調壓調速節(jié)能原理(三)單片機控制交流異步電動機節(jié)電器 三交流異步電動機的軟起動與降壓節(jié)能原理38引言

電動機起動電流過大，一者給電機帶來很大的機械沖擊，二者會影響其它設備的安全運行。因此要求電動機起動時有足夠大的、并能平穩(wěn)提升的起動轉矩和較小的起動功耗,即軟起動方式。軟起動就是按照預先設定的控制模式對電動機進行減壓起動的過程。(一)交流異步電動機的軟起動39(一)交流異步電動機的軟起動

1．軟起動方式交流異步電動機軟起動的方式有

①傳統(tǒng)的減壓起動方式；②晶閘管減壓軟起動器；③變頻軟起動方式。40圖4—15軟起動器的控制框圖(一)交流異步電動機的軟起動

2．晶閘管減壓軟起動器41圖4—16各種軟起動方式波形圖a)限流軟起動b)電壓斜坡起動c)轉矩控制起動

d)加突跳轉矩控制起動e)電壓控制起動

(一)交流異步電動機的軟起動常見軟起動器的起動曲線見4—16。42

（1）限流軟起動

在起動過程中限制起動電流不超過某一設定值（Im），主要用于輕載起動，圖4—16a。優(yōu)點：起動電流小，可按需要調整，對電網電壓影響小。缺點：起動轉矩不能保持最大，起動時間相對較長。（2）電壓斜坡起動

輸出電壓按預先設定的斜坡線性上升，主要用于重載起動，圖4—16

。優(yōu)點：起動電流相對較大，但起動時間相對較短，缺點：起動轉矩小，且轉矩特性呈拋物線形上升，對起動不利，起動時間長，對電機不利。(一)交流異步電動機的軟起動43

（3）轉矩控制起動

按電動機的起動轉矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，主要用于重載起動，圖4—16c。優(yōu)點：起動平滑、柔性好，能減少對電網的沖擊。但起動時間較長。（4）加突跳轉矩控制起動與（3）不同在于起動瞬間加突跳轉矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉矩，圖4—16d。優(yōu)點：可縮短起動時間。但加突跳轉矩會給電網帶來沖擊，干擾其他負載。

（5）電壓控制起動在保證起動壓降的前提下使電動機獲得最大的起動轉矩，盡可能地縮短起動時間，是最優(yōu)的輕載軟起動方式。如圖4—16e所示。

(一)交流異步電動機的軟起動44(二)交流異步電動機的調壓調速節(jié)能原理

1.交流異步電動機調壓節(jié)能原理

電動機的損耗是指輸入的電功率與輸出機械功率之差。功率較小的交流異步電動機的各類損耗與總損耗比例如表4—2。

可見電機主要損耗是銅損和鐵損，共占總損耗的86℅。電機銅損可用下式表示由于負載電流是隨負載變化而變化的，pCu也隨負載變化而變化，稱pCu為可變損耗。2％12％30％16％40％機械損耗雜散損耗鐵損轉子銅損定子銅損表4—2三相異步電機各類損耗占總損耗的百分比

45

電動機的鐵損可用下式表示

電動機接工頻交流電運行時，鐵損與電壓平方成正比是個常量，稱pFe為不變損耗。

如果用p0表示銅損和鐵損之和，則

此式表明，U1增大，鐵損增加，銅損減小。顯然有一個最佳定子供電電壓U1使得總的損耗p0最小。對式（4—19）對U1求導，令dp0/dU1=0，可求得最佳定子供電電壓U1為（4—19）

（4—20）

(二)交流異步電動機的調壓調速節(jié)能原理46

結論:電機定子端電壓與負載平方根成正比。只要使電動機定子端電壓隨負載增加而增加，或隨負載減小而減小，就可保證電動機損耗最小，電動機始終處于最佳工作狀態(tài)，其效率最高。(二)交流異步電動機的調壓調速節(jié)能原理47

2．交流電動機調壓調速的節(jié)能實質電動機通過調壓調速達到節(jié)能的目的，節(jié)省的是拖動