現(xiàn)代交流電機(jī)控制技術(shù)C1基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制技術(shù)課件

1、第一章基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制技術(shù)內(nèi)容概要異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速控制原理；異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性；異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的功率損耗；異步電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)；閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)分析。本章講述：* 調(diào)壓調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)便的一種。由電機(jī)原理可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率 基本不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，即 ，因此，改變定子電壓就可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 交流調(diào)壓調(diào)速的主電路已由晶閘管構(gòu)成的交流調(diào)壓器取代了傳統(tǒng)的自耦變壓器和帶直流磁化繞組的飽和電抗器，裝置的體積得到了減小，調(diào)速性能也得到了提高。晶閘管交

2、流調(diào)壓器的主電路接法有以下幾種方式，如圖1-1所示。1.1 異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速控制原理*a）*b）c）圖1-1 三相交流晶閘管調(diào)壓器主電路接法a) 電機(jī)繞組Y聯(lián)接時(shí)的三相分支雙向電路 b) 電機(jī)繞組Y聯(lián)接時(shí)的三相分支單向電路c)電機(jī)繞組聯(lián)接時(shí)的三相形雙向電路 電機(jī)繞組Y聯(lián)接時(shí)的三項(xiàng)分支雙向控制電路，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每相繞組上。調(diào)壓時(shí)用相位控制，當(dāng)負(fù)載電流流通時(shí)，至少要有一相的正向晶閘管和另一相的反向晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，所以要求各晶閘管的觸發(fā)脈沖寬度都大于 ，或者采用雙脈沖觸發(fā)。最大移相范圍為 。移相調(diào)壓時(shí)，輸出電壓中含有奇次諧波，其中以三次諧波為主。如果電機(jī)繞組不

3、帶零線，則三次諧波電勢(shì)雖然存在，卻不會(huì)有三次諧波電流。由于電機(jī)繞組屬感性負(fù)載，電流波形會(huì)比電壓波形平滑些，但仍然含有諧波，從而產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和附加損耗等不良影響，這是晶閘管調(diào)壓電路的缺點(diǎn)。* 電機(jī)繞組Y聯(lián)接時(shí)的三項(xiàng)分支單相控制電路，每相只有一個(gè)晶閘管，反向由與它反并聯(lián)的二極管構(gòu)成通路。這種接法設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉，但正、負(fù)半周電壓電流不對(duì)稱，高次諧波中有奇次，也有偶次諧波電流，產(chǎn)生與電磁轉(zhuǎn)矩相反的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，效率降低，僅用于簡(jiǎn)單的小容量裝置。 電機(jī)繞組聯(lián)接時(shí)三相雙向控制電路，晶閘管串接在相繞組回路中，同等容量下，晶閘管承受的電壓高而電流小，存在三次諧波電流損耗。此種接法用于聯(lián)接的電機(jī)

4、。 比較而言，接法的綜合性能較好，在交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中多采用這種方案。* 電機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的主電路如圖1-2所示，正轉(zhuǎn)時(shí)16晶閘管工作；反轉(zhuǎn)時(shí)1、4、710晶閘管工作。另外，利用圖1-2的電路還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)。*圖1-2晶閘管交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)正、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)電路根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為式中 為異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； 為電機(jī)極對(duì)數(shù)； 、 分別為定子供電電壓和供電頻率； 、 分別為定子每相電阻、折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻； 、 分別為定子每相電抗、折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子側(cè)每相電抗； 為轉(zhuǎn)差率。1.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性*（1-1）改變定子供電電壓，可以

5、得到不同的人為異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線，如圖1-3所示。圖中 為額定電壓。*圖1-3異步電動(dòng)機(jī)在不同定子供電電壓下的機(jī)械特性曲線將式（1-1）對(duì) 求導(dǎo)，并令 ，可以計(jì)算出產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率 和最大轉(zhuǎn)矩 ，分別為*（1-2）（1-3）* 普通鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性工作段 很小，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言調(diào)速范圍很小。但對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，采用調(diào)壓調(diào)速可以得到較寬的調(diào)速范圍。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載要擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速范圍，采用高阻轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性變軟，如圖1-4所示的高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性。顯然，即使在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩下工作，也不至于燒毀電機(jī)，提高了調(diào)速范圍。圖1

6、-4高轉(zhuǎn)子電阻異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型的調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電阻和其外接電阻上，消耗功率的多少與系統(tǒng)的調(diào)速范圍和所帶負(fù)載的性質(zhì)有著密切的關(guān)系。 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率為1.3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的功率損耗*（1-4）（1-5）*不同性質(zhì)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩可用下式表示(1-6)式中 為常數(shù)， 分別代表恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、與轉(zhuǎn)速成比例的負(fù)載和與轉(zhuǎn)速的平方成比例的負(fù)載（風(fēng)機(jī)、泵類等）。當(dāng) 時(shí)，轉(zhuǎn)差功率為(1-7)而輸出的機(jī)械功率為(1-8)*當(dāng) 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率最大，為(1-9)以 為基準(zhǔn)值，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù) 為(1-

7、10)按式（1-10）可以得到不同類型負(fù)載所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線，見圖1-5。圖1-5不同類型負(fù)載所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差功率消耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系*為了求得最大轉(zhuǎn)差功率消耗系數(shù)及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率，由式（1-10）對(duì) 求導(dǎo)，并令此導(dǎo)數(shù)等于零。則，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為(1-11)最大轉(zhuǎn)差功率消耗系數(shù)為(1-12)*對(duì)于不同類型負(fù)載 ，帶入式（1-11）和式（1-12），則有不同類型負(fù)載時(shí) 和 的值，計(jì)算結(jié)果列于表1-1。01210.50.3310.250.148表1-1 不同類型負(fù)載時(shí) 和 的值根據(jù)以上分析可知，對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率消耗系數(shù)最小，因此，調(diào)壓調(diào)速對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載比較合適

8、；對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則不宜長(zhǎng)期在低速下運(yùn)行，以免電機(jī)過(guò)熱。1.4異步電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)* 根據(jù)采用的控制方式不同，交流-交流調(diào)壓器可分為相控式和斬控式。傳統(tǒng)方案多采用相控式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以采用電源換相方式，即使是采用半控型器件也無(wú)需附加換相電路，但存在輸出電壓諧波含量大，深控時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低等缺點(diǎn)；相反斬控式電路則沒有上述缺點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的相控式SCR電路正逐漸被PWM-IGBT電路所取代，因?yàn)镻WM-SCR電路由于無(wú)法采用電源換相，必須附加換相電路，此外由于SCR的器件開關(guān)頻率較低，對(duì)于SCR電路而言不宜采用PWM方式，為此本節(jié)介紹斬控式電路。 凡是能量能在交流電源和負(fù)載之間雙向流動(dòng)的

9、電路稱為雙向交流變換電路；相反能量只能從電源向負(fù)載流動(dòng)的電路則稱為單相電路。由于具有更好的負(fù)載適應(yīng)性，雙向電路具有更廣的發(fā)展前景。* PWM交流調(diào)壓電路三相結(jié)構(gòu)，如圖1-6a所示，它由三只串聯(lián)開關(guān)VGA、VGB和VGC以及一只續(xù)流開關(guān)VGN組成，串聯(lián)開關(guān)共用一個(gè)控制信號(hào) ，它與續(xù)流開關(guān)的控制信號(hào) 在相位上互補(bǔ)，這樣當(dāng)VGA、VGB和VGC導(dǎo)通時(shí)，VGN即關(guān)斷；反之，當(dāng)VGN導(dǎo)通時(shí)，VGA、VGB和VGC均關(guān)斷。當(dāng)VGN處于斷態(tài)時(shí)，負(fù)載電壓等于電源電壓；當(dāng)VGN導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流沿VGN續(xù)流，負(fù)載電壓為零。 在PWM控制方式下，輸出線電壓 和 的波形分別如圖1-6b所示。為避免輸出電壓和電流中含有

10、偶次諧波，且保持三相輸出電壓對(duì)稱，頻率比K必須選6的倍數(shù)。*a)b)圖1-6三相IGBT-PWM交流調(diào)壓電路a）主電路 b）電量波形1.5 閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)分析* 在1.2節(jié)中，為了擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍，增加了轉(zhuǎn)子電阻，使得機(jī)械特性變軟。這樣的特性，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載或電壓稍有波動(dòng)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)速的很大變化，運(yùn)行不穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常采用閉環(huán)控制（如圖1-7），以提高調(diào)壓調(diào)速特性的硬度。a)b)圖1-7轉(zhuǎn)速閉環(huán)的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)a）系統(tǒng)原理圖 b）閉環(huán)控制靜特性* 當(dāng)系統(tǒng)要求不高時(shí)，也可以采用定子電壓反饋控制方式，見圖1-8。圖1-8定子電壓反饋的交流調(diào)壓調(diào)速

11、系統(tǒng)1.5.1閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)靜態(tài)分析* 由圖1-7（b）可知，當(dāng)系統(tǒng)原來(lái)工作于a點(diǎn)，負(fù)載由 變到 ，系統(tǒng)開環(huán)工作時(shí)，定子供電電壓 不變，轉(zhuǎn)速由a點(diǎn)沿同一機(jī)械特性變化到b點(diǎn)穩(wěn)定工作，轉(zhuǎn)速變化很大。采用閉環(huán)控制后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，使得轉(zhuǎn)速下降，由于系統(tǒng)引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，輸入偏差增大，使得輸出到定子的電壓升高，轉(zhuǎn)速提高，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而引起的轉(zhuǎn)速下降得到一定程度的補(bǔ)償，系統(tǒng)穩(wěn)定工作于c點(diǎn)?？梢姡捎谪?fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化很小，于是擴(kuò)大了調(diào)速范圍。* 由圖1-7（a）所示可以得到系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-9所示。圖中， 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)， 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，A

12、SR為速度調(diào)節(jié)器， 是式（1-1）表示的異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式，是一個(gè)非線性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時(shí)， ， 。 圖1-9異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.5.2閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析* 為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)，繪制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖是必須的。由圖1-9（異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖）可以得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1-10所示。圖1-10異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖* 圖中各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如下。（1）速度調(diào)節(jié)器ASR消除靜差，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，通常采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(1-13)（2）晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置假設(shè)其輸入、輸出是線性的，其動(dòng)態(tài)特性可近似看成一

13、階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為(1-14)（3）測(cè)速反饋環(huán)節(jié)考慮到反饋的濾波作用，其傳遞函數(shù)為(1-15)*（4）異步電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié) 由于異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多輸入、多輸出，耦合非線性系統(tǒng)，用一個(gè)傳遞函數(shù)來(lái)準(zhǔn)確描述異步電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的輸入輸出關(guān)系是不可能的，因此，可以采用在其穩(wěn)定工作點(diǎn)附近微偏線性化的方法得到近似的傳遞函數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)在其穩(wěn)定工作點(diǎn)A點(diǎn)（見圖1-3）的機(jī)械特性方程為(1-16)式中 為異步電動(dòng)機(jī)在工作點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的同步旋轉(zhuǎn)角速度。通常在異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)附近 值很小，可以認(rèn)為，*后者相當(dāng)于忽略異步電動(dòng)機(jī)的漏感電磁慣性。因此可以得到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)A點(diǎn)近似的線性機(jī)械特性方程式(1-17)在A

14、點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)， ， ， ，其中， 。(1-18)展開上式，忽略兩個(gè)以上微偏量乘積項(xiàng)得(1-19)式（1-19）減式（1-18）得(1-20)*將 代入上式得(1-21)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為(1-22)在工作點(diǎn)A穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，(1-23)式中 為異步電動(dòng)機(jī)在工作點(diǎn)A時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)在A點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)，(1-24)*式（1-24）減式（1-23）得(1-25)式（1-21）和式（1-25）表示了異步電動(dòng)機(jī)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-11所示。圖1-11異步電動(dòng)機(jī)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖* 如果只考慮 與 之間的傳遞函數(shù)，可令 ，于是異步電動(dòng)機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)為(1-26)式中 為異步電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)； 為異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)