1、第 2 篇,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),交流拖動(dòng)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(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng),概 述 (遠(yuǎn)程教育),直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)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(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī)，而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī)，這種分工在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)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(shí)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(jì)6070年代，隨著電力電子技

2、術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動(dòng)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(jī)工藝復(fù)雜、增加直流電機(jī)成本。 2、換向器的換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度。 3、電刷的火花限制了直流電機(jī)的安裝和使用環(huán)境。 4、直流電機(jī)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(jī)效率低。（中大容量電機(jī)需要強(qiáng)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(jī)控制比較復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)取代直流可調(diào)拖動(dòng)

3、的呼聲越來越強(qiáng)烈，交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。實(shí)際應(yīng)用中交流調(diào)速系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)。,交流調(diào)速,1、大功率負(fù)載情況下，電力機(jī)車、卷?yè)P(yáng)機(jī)等控制系統(tǒng)。 2、高速運(yùn)行的場(chǎng)合，高速電鉆、離心機(jī)等控制轉(zhuǎn)速達(dá)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(yuǎn)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(diǎn)和復(fù)雜性，難點(diǎn)來自轉(zhuǎn)矩控制困難交流電機(jī)是一個(gè)多輸入多輸出、非線性、強(qiáng)耦合且時(shí)變得被控對(duì)象。電機(jī)轉(zhuǎn)矩為,吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育,轉(zhuǎn)矩控制的難點(diǎn)： 1 是由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生 2 和 是兩

4、個(gè)耦合的變量， 對(duì) 一般的鼠籠電機(jī)是無法測(cè)量的，無法 直接控制。 3 是與轉(zhuǎn)速相關(guān)的時(shí)變量， 隨 溫度變化， 隨之變化上式是由穩(wěn)態(tài),吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育,等值電路推導(dǎo)的平均轉(zhuǎn)矩，更何況 瞬時(shí)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(jì)70年代石油危機(jī)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(yuǎn)程教育,占電機(jī)用電量一半以上的風(fēng)機(jī)，泵類 負(fù)載利用閥門和擋板調(diào)節(jié)流量和壓力， 浪費(fèi)大量電能，迫使先進(jìn)工業(yè)國(guó)家， 投入大量的人力和財(cái)力高效和高性能 的交流調(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(yuǎn)程教育,電力電子器件的不

5、斷進(jìn)步，為交流電機(jī) 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(shí)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(jī)是一個(gè)多變量、非線性的被控,吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育,對(duì)象，過去從電機(jī)穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其 控制特性，動(dòng)態(tài)效果不理想。20世紀(jì)70年代提出矢量變換的方法研究電機(jī)的動(dòng)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(jì)的現(xiàn)代控制概念 實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)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位轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制,吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育,通過坐標(biāo)變換和電壓補(bǔ)

6、償，實(shí)現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦和閉環(huán)控制。由于磁場(chǎng)的定向使得異步電機(jī)的機(jī)械特性和直流電機(jī)的機(jī)械 特性一樣，方便控制。但是轉(zhuǎn)子時(shí)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(yuǎn)程教育,為簡(jiǎn)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(jiǎn)化很適合電流控制PWM 電壓型逆變器供電的異步電機(jī)控制系統(tǒng)， 進(jìn)一步簡(jiǎn)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(jī)、泵類調(diào)速領(lǐng)域,吉林大學(xué)遠(yuǎn)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)系上計(jì)算 磁通的模和轉(zhuǎn)矩的大小并

7、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(duì)參數(shù)變化不敏感。,吉林大學(xué)遠(yuǎn)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(chǎng)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(yuǎn)程教育,古典控制只考慮穩(wěn)態(tài)特性，啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)控制，只研究一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的變化，不考慮電磁過程只重視動(dòng)力學(xué)過程。 （4計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 （1）交流電機(jī)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(jī)組成最小目標(biāo)系統(tǒng)，復(fù)

8、雜的系統(tǒng)可采用微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器。 （2）數(shù)字仿真和輔助設(shè)計(jì)。,吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育,（5高精度的交流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制， 坐標(biāo)矢量變換控制系統(tǒng)機(jī)械和電磁解耦特性 是通過參考坐標(biāo)系放在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 上來實(shí)現(xiàn)的 ，構(gòu)成運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn) 動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良） （2）最優(yōu)位置控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)）,吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育,（6開發(fā)新型電機(jī)和無機(jī)械傳感器技術(shù) 小功率運(yùn)動(dòng)控制中得到重視和應(yīng)用的 永磁同步電機(jī)。目前研究和發(fā)展的開關(guān)磁阻電機(jī)。為滿足高性能的調(diào)速，閉環(huán)控制 必不可少，為實(shí)現(xiàn)位置和速度控制，用

9、測(cè)速電機(jī)和光電碼盤來檢測(cè)信號(hào)，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(yuǎn)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(diǎn)，該技術(shù)是在 電機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座上不安裝電磁或光電 傳感器的情況下、利用檢測(cè)到的電壓 電流和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推出電機(jī)轉(zhuǎn)子 的位置和速度的技術(shù)、有不改變電機(jī),電機(jī)、省去機(jī)械傳感器、降低維護(hù)費(fèi)用，不怕粉塵、潮濕的環(huán)境的特點(diǎn)。,交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 主要有三個(gè)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,1. 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(dòng)”中，風(fēng)機(jī)、水

10、泵等通用機(jī)械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康囊话胍陨?，其中有不少?chǎng)合并不是不需要調(diào)速，只是因?yàn)檫^去的交流拖動(dòng)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(fèi)了。,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(tái)風(fēng)機(jī)、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(jī)、水泵的調(diào)速范圍和對(duì)動(dòng)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(jī)械過去多用直流拖動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，如果改成

11、交流拖動(dòng)，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機(jī)原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣通過電樞電流施行靈活的實(shí)時(shí)控制。,20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)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,直流電

12、機(jī)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(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。 交流電機(jī)沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，如厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等，都以采用交流調(diào)速為宜。,三、 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型,交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）和同步電機(jī)兩大類，每類電機(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進(jìn)行分類。,按電動(dòng)機(jī)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(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速； 變極對(duì)數(shù)調(diào)速

13、； 變壓變頻調(diào)速等等。,吉林大學(xué)遠(yuǎn)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(jìn)一步探討其本質(zhì)，認(rèn)識(shí)交流調(diào)速的基本規(guī)律。,按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類,按照交流異步電機(jī)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(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)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。,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(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)

14、效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)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),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(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(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。,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

15、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),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，因此效率更高，上述的第、兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)的調(diào)速,同步電機(jī)沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)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(jī)那樣的多種調(diào)速方法。

16、在同步電機(jī)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。,自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機(jī)中電刷和換向器的作用，因此有時(shí)又稱作無換向器電機(jī)調(diào)速，或無刷直流電機(jī)調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機(jī)是一種特殊型式的同步電機(jī)，有其獨(dú)特的比較簡(jiǎn)單的調(diào)速方法，在小容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。,第 5 章,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制的異步電動(dòng)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),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,5.1 異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路,變壓調(diào)速是異步電

17、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。,吉林大學(xué)遠(yuǎn)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(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,型接法,交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源,利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 TVC雙向晶閘管交流

18、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,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5-2 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5-2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 16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 710 提供逆相序電源，同時(shí)也可用于反接制動(dòng)。,吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育,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)

19、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。,5.2 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。,一、 異步電動(dòng)機(jī)等效電路,參數(shù)定義,Rs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻； Lls、Llr 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 (5-1) 式中,在一般情況下，LmLl1，則，C1 1 這相當(dāng)于將上述假

20、定條件的第條改為忽略鐵損和勵(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成 (5-2),轉(zhuǎn)矩公式,令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /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 （5-3）,式（5 - 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5-4所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。,二、 異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,圖5-4 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（

21、5-3）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 （5-4） （5-5）,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5-5。 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,n0,UsN,0

22、.7UsN,A,B,C,0.5UsN,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,圖5-5 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,5.3 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5-5），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5-6a）。,一、系統(tǒng)組成,二、 系統(tǒng)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。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

23、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

24、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。,三、系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu),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(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

25、 根據(jù)負(fù)載需要的 n 和TL 可由式（5-3）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. 異步電機(jī)軟起動(dòng)和節(jié)能,一、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。,二、 起動(dòng)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(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,（5-19）,

26、（5-20）,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)。,三、降壓起動(dòng)的矛盾,由式（5-19）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（5-20）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

27、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。,四、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-）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。,五、 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5-12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

28、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 (0.54) 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5-12 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),六、 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),（5-21）,電機(jī)運(yùn)行效率,電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率為,（5-22）,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 Te = KT m Ir cosr,（5-23）,電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，氣隙磁通 m 基本不變