電力拖動自動控制系統(tǒng)(第3版)(陳伯時)第11講

1、第第 5 5 章章 閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(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)一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 第第 11 11 講講概概 述述 直流電力拖動和交流電力拖動在直流電力拖動和交流電力拖動在1919世紀先后誕生。世紀先后誕生。 在在2020世紀上半葉，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，世紀上半葉，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，而約占電力拖動總?cè)莞咝阅芸烧{(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘苛?0%80%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機。以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機。 交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲

2、得實交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。際應用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。 直到直到2020世紀世紀60607070年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，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)。使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)。 直流電機具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、直流電機具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機的應用環(huán)境受到限制、以及換向能力換向火花使直流電機的應用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機的容量和速度等缺點日益突出起來，用交限制了直流電機的

3、容量和速度等缺點日益突出起來，用交流可調(diào)拖動取代直流可調(diào)拖動的呼聲越來越強烈，流可調(diào)拖動取代直流可調(diào)拖動的呼聲越來越強烈，交流拖交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。 交流拖動控制系統(tǒng)的應用領(lǐng)域交流拖動控制系統(tǒng)的應用領(lǐng)域主要有三個方面：主要有三個方面：v一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 v高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) v特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 1. 一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 在過去大量的所謂在過去大量的所謂“不變速交流拖動不變速交流拖動”中，風中

4、，風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨希渲杏胁簧賵龊喜⒉皇遣恍枰{(diào)容量的一半以上，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風和供水的流量，因而不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把許多電能白白地浪費了。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，每臺風機、把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風機、水泵平均都可以節(jié)約水泵平均都可以節(jié)約202030%30%以上

5、的電能，效果是很以上的電能，效果是很可觀的。可觀的。 但風機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要但風機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。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)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)機械過去多用直流拖許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原動，顯

6、然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。電流施行靈活的實時控制。 2020世紀世紀7070年代初發(fā)明了年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù)，或稱磁場定，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標變換，把交流電機的定子電流分向控制技術(shù)，通過坐標變換，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

7、破性的進展。使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展。 其后，又陸續(xù)提出了其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制解耦控制等方等方法，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)。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直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過轉(zhuǎn)速積不超過10106 6 kWkW r r /min/min，超過這，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。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，

8、不受這種限制，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，都以采用交動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。流調(diào)速為宜。n 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型 交流電機主要分為交流電機主要分為異步電機異步電機（即感應（即感應電機）和電機）和同步電機同步電機兩大類，每類電機又有兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。 現(xiàn)有文獻中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)有文獻中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同

9、的角度進行分類。種類繁多，可按照不同的角度進行分類。按電動機的調(diào)速方法分類按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：常見的交流調(diào)速方法有：降電壓調(diào)速降電壓調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；繞線電機繞線電機串級調(diào)速串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；或雙饋電機調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速；變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速等等。等等。按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類 按照交流異步電機按照交流異步電機的原理，從定子傳入的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的電磁功率電磁功率可分可分成兩部分：一部分是成兩部分：一部分是拖動負載的有效功率，拖動負載的有效功率，稱作稱作機械

10、功率機械功率；另一；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的路的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率，與，與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率差率s s成正比。成正比。 PmechPmPs 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)增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志。從這點出發(fā)，可速系統(tǒng)效率高低的標志。從這點出發(fā)，可以把以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類分成三類 。1. 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)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)換成熱這種類型的全

11、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、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。在三類三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率異步電機調(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)矩負載時）。可是這類系統(tǒng)低的（恒轉(zhuǎn)矩負載時）。可是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應用價值定的應用價值。 2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)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，大部在這類

12、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，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)化成有用裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。要增加一些設(shè)備。3. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)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

13、低，轉(zhuǎn)差功率基本損，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、不變，因此效率更高，上述的第、兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應用場合有限。只有變調(diào)速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)壓變頻調(diào)速應用最廣，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；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機容量相但在定子電路中須配備與電動機容量相當?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本當?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。最高。 同步電機的調(diào)速同步電機的調(diào)速 同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功同步電

14、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，所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于率不變型（恒等于0 0）的，而同步電機轉(zhuǎn)子）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)速方調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。法。 在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，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，可分為從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻他控變頻調(diào)速調(diào)速和和自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速兩類兩類。 自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻

15、裝置換相，類似于直流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，或作無換向器電機調(diào)速，或無刷直流電機調(diào)速無刷直流電機調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機開關(guān)磁阻電機是一種特殊型式的同步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。小容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。第第5章章 閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(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)一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)v異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)

16、速電路v異步電動機改變電壓時的機械特性異步電動機改變電壓時的機械特性v閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及靜特性v閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1 異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)速電路 變壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡變壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡便的一種。便的一種。 由電力拖動原理可知，由電力拖動原理可知，當異步電機等效當異步電機等效電路的參數(shù)不變時，在相同的轉(zhuǎn)速下，電電路的參數(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，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改變定子外加

17、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載轉(zhuǎn)矩函數(shù)關(guān)系，從而改變電機在一定負載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。下的轉(zhuǎn)速。 過去改變交流電壓的方法多用過去改變交流電壓的方法多用自耦變自耦變壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器，自自從電力電子技術(shù)興起以后，這類比較笨重從電力電子技術(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。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)壓器一般用目前，交流調(diào)壓器一般用三對晶閘管三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位電路中，主電路接法有多種方

18、案，用相位控制改變輸出電壓。控制改變輸出電壓。Y型接法型接法0負載abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3型接法型接法負載b)abcuaubucia 交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3TVC利用晶閘管交流調(diào)利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速壓器變壓調(diào)速TVC雙向晶閘雙向晶閘管交流調(diào)壓器管交流調(diào)壓器 圖圖5-1 利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 控制方式控制方式TVC的的變壓控制方式變壓控制方式n電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：采用晶閘管采用晶閘管反并聯(lián)供電反并聯(lián)供電方式，實現(xiàn)方式，實現(xiàn)異步電動機異步電動機可逆和制動?？赡婧椭苿印D圖5-2 采用晶閘管反并聯(lián)的異

19、步電動機可逆和制動電路采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路 可逆和制動控制可逆和制動控制v 反向運行方式反向運行方式 圖圖5-25-2所示為所示為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路動機可逆和制動電路，其中，晶閘管，其中，晶閘管1 16 6控控制電動機正轉(zhuǎn)運行，反轉(zhuǎn)時，可由晶閘管制電動機正轉(zhuǎn)運行，反轉(zhuǎn)時，可由晶閘管 1 1，4 4 和和 7 710 10 提供逆相序電源，同時也可提供逆相序電源，同時也可用于反接制動。用于反接制動。v制動運行方式制動運行方式 當需要能耗制動時，可以根據(jù)制動電當需要能耗制動時，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，

20、路的要求選擇某幾個晶閘管不對稱地工作，例如讓例如讓1 1，2 2，6 6 三個器件導通，其余均關(guān)三個器件導通，其余均關(guān)斷，就可使定子繞組中流過半波直流電流，斷，就可使定子繞組中流過半波直流電流，對旋轉(zhuǎn)著的電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動作用。必對旋轉(zhuǎn)著的電動機轉(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要時，還可以在制動電路中串入電阻以限制制動電流。制制動電流。5.2 異步電動機改變電壓時的機械特性異步電動機改變電壓時的機械特性 根據(jù)電機學原理，在下述三個假定條件下：根據(jù)電機學原理，在下述三個假定條件下：v忽略空間和時間諧波，忽略空間和時間諧波，v忽略磁飽和，忽略磁飽和，v忽略鐵損忽略鐵損， 異

21、步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-35-3。 異步電動機等效電路異步電動機等效電路圖圖5-3 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm 參數(shù)定義數(shù)定義Rs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感；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定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效 電感，即勵磁電感；電感，即勵磁電感； Us、 1 定子相電壓和供電角頻率；定子相電壓和供電角頻

22、率； s 轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率。電流公式電流公式由圖可以導出由圖可以導出(5-1) 式中式中2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll 在一般情況下，在一般情況下，L Lm mL Ll l1 1，則，則，C C1 1 1 1這相這相當于將上述假定條件的第當于將上述假定條件的第條改為忽略鐵條改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成(5-2)2rs212rssrsllLLsRRUII 轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)矩公式令電磁功率令電磁功率 P Pm m = 3 = 3I Ir r2 2 R Rr r / /s s 同步機械角轉(zhuǎn)速同步機械

23、角轉(zhuǎn)速 m1m1 = = 1 1/ /n np p式中式中n np p極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）2rs212rs1r2spr2 r1p1mme/33llLLsRRsRUnsRInPT 式（式（5 - 35 - 3）就是異步電機的機械特性）就是異步電機的機械特性方程式。它表明，當轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時，方程式。它表明，當轉(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，不同電壓下的機械特性便如圖這樣，不同電壓下的機械特性便如圖5-45-4所示，圖中，所示，圖中，U UsN sN 表示額定定子電壓。表示額定定子電壓。

24、異步電動機機械特性異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性風機類負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖圖5-4 異步電動機異步電動機不同電壓下的機械特性不同電壓下的機械特性最大轉(zhuǎn)矩公式最大轉(zhuǎn)矩公式 將式（將式（5-35-3）對）對s s求導，并令求導，并令d dT Te e/d/ds s=0=0，可，可求出對應于最大轉(zhuǎn)矩時的靜差率和最大轉(zhuǎn)求出對應于最大轉(zhuǎn)矩時的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩矩（5-4）（5-5）2rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT 由圖由圖5-45-4可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負載工

25、作時，可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負載工作時，普通籠型異步電機變電壓時的穩(wěn)定工作點普通籠型異步電機變電壓時的穩(wěn)定工作點為為A A、B B、C C，轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差率s s的變化范圍不超過的變化范圍不超過0 0 s sm m，調(diào)速范圍有限。如果帶風機類負載運，調(diào)速范圍有限。如果帶風機類負載運行，則工作點為行，則工作點為D D、E E、F F，調(diào)速范圍可以大，調(diào)速范圍可以大一些。一些。 為了能在恒轉(zhuǎn)矩負載下擴大調(diào)速范圍，為了能在恒轉(zhuǎn)矩負載下擴大調(diào)速范圍，并使電機能在較低轉(zhuǎn)速下運行而不致過熱，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

26、的機械特性繪于圖機在變電壓時的機械特性繪于圖5-55-5。 顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負載時的變壓調(diào)速范圍顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負載時的變壓調(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。機又稱作交流力矩電機。 交流力矩電機的機械特性交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖圖5-5 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 5.3 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用普通異步電機的

27、變電壓調(diào)速時，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，機可以增大調(diào)速范圍，但機械特性又變軟，因而當負載變化時靜差率很大（見圖因而當負載變化時靜差率很大（見圖5-55-5），），開環(huán)控制很難解決這個矛盾。開環(huán)控制很難解決這個矛盾。 為此，對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，要求為此，對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，要求調(diào)速范圍大于調(diào)速范圍大于D=2D=2時，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋時，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖的閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖5-6a5-6a）。）。1. 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成圖圖5-6 帶轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流

28、變壓調(diào)速系統(tǒng)帶轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理圖原理圖 -Ucn2. 系統(tǒng)靜特性系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒轉(zhuǎn)矩負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖圖5-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n2 圖圖5-6b5-6b所示的是閉環(huán)控制變壓調(diào)速系所示的是閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。當系統(tǒng)帶負載在統(tǒng)的靜特性。當系統(tǒng)帶負載在A A點運行時，點運行時，如果負載增大引起轉(zhuǎn)速下降，反饋控制作如果負載增大引起轉(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用能提高定子電壓，從而在右邊一條機械特性上

29、找到新的工作點特性上找到新的工作點AA。同理，當負載。同理，當負載降低時，會在左邊一條特性上得到定子電降低時，會在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點壓低一些的工作點AA。 按照反饋控制規(guī)律，將按照反饋控制規(guī)律，將AA、A A、A A 連接連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。盡管異步電機的開起來便是閉環(huán)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，但環(huán)機械特性和直流電機的開環(huán)特性差別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機械特性上各取一個相應的是在不同電壓的開環(huán)機械特性上各取一個相應的工作點，連接起來便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣工作點，連接起來便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣的分析方法對兩種

30、電機是完全一致的。的分析方法對兩種電機是完全一致的。 盡管異步力矩電機的機械特性很軟，但由系盡管異步力矩電機的機械特性很軟，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。統(tǒng)放大系數(shù)決定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性卻可以很硬。 如果采用如果采用PIPI調(diào)節(jié)器，照樣可以做到無靜差。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，達到改變給定信號，則靜特性平行地上下移動，達到調(diào)速的目的。調(diào)速的目的。 變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點 異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直異步電機閉環(huán)變壓調(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：流電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的地方是：靜特靜特性左右兩邊都有極限，

31、不能無限延長，它性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們是額定電壓們是額定電壓U UsN sN 下的機械特性和最小輸出下的機械特性和最小輸出電壓電壓U Usmin smin 下的機械特性下的機械特性。 當負載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限當負載變化時，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。作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。3. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu) Ksn=f(Us,Te) ASRU*nUnUcUs-TLn圖圖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)圖異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖根據(jù)圖5-6a5-6a

32、所示的原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)所示的原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖構(gòu)圖，如圖5-75-7所示。圖中：所示。圖中：K Ks s = =U Us s/ /U Uc c 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；放大系數(shù)； = =U Un n/ /n n 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；ASRASR采用采用PIPI調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器；n n = =f f ( (U Us s, , T Te e ) )是式（是式（5-35-3）所表達的異步電機）所表達的異步電機機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)時， U Un n* * = =

33、 U Un n = = n n T Te e = = T TL L 根據(jù)負載需要的根據(jù)負載需要的n n 和和T TL L 可由式（可由式（5-35-3）計算出或用機械特性圖解法求出所需的計算出或用機械特性圖解法求出所需的U Us s 以及相應的以及相應的U Uc c。5.4 閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 對系統(tǒng)進行動態(tài)分析和設(shè)計時，須先對系統(tǒng)進行動態(tài)分析和設(shè)計時，須先繪出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由圖繪出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由圖5-75-7的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖可以得到動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-85-8所示。所示。 其中有些環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以直接寫其中有些環(huán)節(jié)

34、的傳遞函數(shù)可以直接寫出來，只有異步電機傳遞函數(shù)的推導須費出來，只有異步電機傳遞函數(shù)的推導須費一番周折。一番周折。 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖5-8 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 MAMA異步電機異步電機 FBSFBS測速反饋環(huán)節(jié)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) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRASR常用常用PIPI調(diào)節(jié)器，用以消除調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為靜差并改善動態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為ssK

35、sWnnnASR1)( 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置 裝置的輸入裝置的輸入- -輸出關(guān)系原則上是非線輸出關(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)，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)可寫成那樣。傳遞函數(shù)可寫成1)(ssVGTsTKsW 其近似條件是其近似條件是 對于三相全波對于三相全波Y Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取 T Ts s = 3.3ms = 3.3ms 對其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮

36、。對其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。sc31T 測速反饋環(huán)節(jié)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)考慮到反饋濾波作用，測速反饋環(huán)節(jié)FBSFBS的傳遞函數(shù)可寫成的傳遞函數(shù)可寫成1)(onFBSsTsW 異步電機近似的傳遞函數(shù)異步電機近似的傳遞函數(shù) 異步電機的動態(tài)過程是由一組非線性異步電機的動態(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)來準微分方程描述的，要用一個傳遞函數(shù)來準確地表示它的輸入輸出關(guān)系是不可能的。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，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用穩(wěn)態(tài)工作點附近的微偏線性化方法

37、求出一種近似的傳遞函數(shù)。一種近似的傳遞函數(shù)。（1）異步電機近似的線性機械特性）異步電機近似的線性機械特性 由式（由式（5-35-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為）已知電磁轉(zhuǎn)矩為（5-35-3）當當 s s 很小時，可以認為很小時，可以認為2rs212rs1r2spe)()(/3llLLsRRsRUnTsRRrssRLLllrrs1)(且 后者相當于忽略異步電機的漏感電磁后者相當于忽略異步電機的漏感電磁慣性。在此條件下，慣性。在此條件下，（5-65-6） 這是在上述條件下異步電機近似的線這是在上述條件下異步電機近似的線性機械特性。性機械特性。sURnT2sr1pe3（2）穩(wěn)態(tài)工作點計算）穩(wěn)態(tài)工作點計算 設(shè)設(shè)A

38、 A為近似線性機械特性上的一個穩(wěn)為近似線性機械特性上的一個穩(wěn)態(tài)工作點，則在態(tài)工作點，則在A A點上點上（5-75-7） 在在A A點附近有微小偏差時，點附近有微小偏差時，T Te e= =T TeAeA+ + T Te e，U Us s = =U UsAsA + + U Us s ，而，而 s s = =s sA A + + s s，代入式，代入式（5-65-6）得）得A2sAr1peA3sURnT（3）微偏線性化）微偏線性化 將上式展開，并忽略兩個和兩個以上微將上式展開，并忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積，則偏量的乘積，則（5-8）)()(3A2ssAr1peeAssUURnTT)2(32sA

39、sAsAA2sAr1peeAsUUsUsURnTT 從式（從式（5-85-8）中減去式（）中減去式（5-75-7），得），得（5-95-9） )2(32sAsAsAr1pesUUsURnT1s 已知轉(zhuǎn)差率已知轉(zhuǎn)差率 ，其中，其中 1 1是同步角轉(zhuǎn)是同步角轉(zhuǎn)速，速， 是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則(5-10)11s 將式（將式（5-105-10）代入式（）代入式（5-95-9），得），得（5-115-11） 式（式（5-115-11）就是在穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏）就是在穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏量量 T Te e與與 U Us s和和 間的關(guān)系。間的關(guān)系。)2(312sAsAsAr1peUUsURnT 帶恒轉(zhuǎn)矩負載時電力拖動系統(tǒng)的運動帶恒轉(zhuǎn)矩負載時電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為方程式為 按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)工作點工作點A A附近的微偏量運動方程式為附近的微偏量運動方程式為（5-12）tnJTTddpLetnJTTd)(dpLe 將式（將式（5-115-11）和（）和（5-125-12）的微偏量關(guān)系）的微偏量關(guān)系畫在一起，即得異步電機在忽略電磁