電力拖動自動控制系統(tǒng)-交流拖動控制系統(tǒng)

1、第 2 篇電力拖動自動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要概述交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型5交流變壓調(diào)速系統(tǒng)6交流變頻調(diào)速系統(tǒng)7繞線轉(zhuǎn)子異步電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)8同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 2概 述 20世紀60年代以前的電氣傳動 80%交流不調(diào)速傳動 18%直流可調(diào)速傳動 2%交流可調(diào)速傳動3直流電機的不足 具有電刷和換向器，必須經(jīng)常檢查維修。 換向火花使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。 換向能力限制電機的容量和速度（極限容量 轉(zhuǎn)速約為 ）。4 直到20世紀6070年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路和計算機控制的應(yīng)用，使高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)得到

2、發(fā)展，一直被認為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破。 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。5交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：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 61. 一般性能的節(jié)能調(diào)速 在過去，風(fēng)機、水泵等通用機械的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(fēng)機、水泵平均都可以節(jié)約 2030% 以上的電能，效果是很可觀的。 但風(fēng)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。7 許多在工藝上需

3、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。 82. 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) 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電流施行靈活的實時控制。9 20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，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，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展。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

4、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)。103. 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轉(zhuǎn)速積不超過106 kW r /min，超過這一數(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，不受這種限制，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)速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。11交流調(diào)速系統(tǒng)的兩大類 異步電動機調(diào)速系統(tǒng) 同步電動機調(diào)速系統(tǒng)12異步電動機的轉(zhuǎn)速（1）改變極對數(shù)（2）改變電源頻率（3）改變電動機的轉(zhuǎn)差率 這第（3）條不能說明問題！它包含了多種 性能差別很大的調(diào)速方法。13按電

5、動機的實際調(diào)速方法分類 降電壓調(diào)速 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速 變極對數(shù)調(diào)速 變壓變頻調(diào)速這只是羅列，看不出規(guī)律來。14按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類 按照交流異步電機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負載的有效功率，稱作機械功率；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。 PmechPmPs15 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，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志。從這點出發(fā)，可以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類 。

6、161. 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，如降壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、串電阻調(diào)速。 效率最低，越到低速時效率越低； 但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低。172. 轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 如第類：串級調(diào)速，雙饋調(diào)速。 一部分轉(zhuǎn)差功率被消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)（或從電網(wǎng)饋入）或轉(zhuǎn)化成機械能予以利用。 效率較高，但要增加一些設(shè)備。 183. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率中的轉(zhuǎn)子銅損部分基本不變，如變極調(diào)速、變壓變頻調(diào)速。 變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。 只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，而且效率更高，設(shè)備成本也最高。19 同步電機的調(diào)速 同步電

7、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)差功率不變型（恒等于 0 ）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調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。 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，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。20 自控變頻調(diào)速 利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測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，因此有時又稱作無換向器電機調(diào)速，或無刷直流電機調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機 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，在小容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。21第 5 章交流調(diào)速的基本類型和交流變壓調(diào)速系統(tǒng) 一種

8、轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 22本章提要異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機改變電壓時的機械特性閉環(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)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中的應(yīng)用23本章要點本章主要討論交流變壓調(diào)速問題了解交流變壓的基本方式；掌握交流變壓調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)特性；重點、難點: 異步電動機改變電壓時機械特性的變化規(guī)律。 245.1 異步電動機變壓調(diào)速電路 變壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡便的一種。 由電力拖動原理可知，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函數(shù)關(guān)系，從而改變電機在一定

9、負載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。(5-3)25 交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3TVC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5-1 利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 26 控制方式TVC的變壓控制方式工作周期1S27電路結(jié)構(gòu)： 采用晶閘管反并聯(lián)供電方式，實現(xiàn)異步電動機可逆和制動。圖5-2 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28 反向運行方式 圖5-2所示為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路，其中，晶閘管 16 控制電動機正轉(zhuǎn)運行，反轉(zhuǎn)時，可由晶閘管 1、4 和 710 提供逆相序電源，同時也可用于反接制動。29制動運行方式 當需要能耗制動時，可以根據(jù)制動電路的要求

10、選擇某幾個晶閘管不對稱地工作，例如讓 1、2、6 三個器件導(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制制動電流。30圖5-3 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrLm5.2 異步電動機改變電壓時的機械特性三個假定條件：1）忽略空間和時間諧波，2）忽略磁飽和，3）忽略鐵損，31 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，即勵磁電感；s 轉(zhuǎn)差率。32電流公式

11、由圖可以導(dǎo)出(5-1) 式中33 在一般情況下，LmLls，則，C1 1 這相當于將上述假定條件的第3)條改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成(5-2)34 轉(zhuǎn)矩公式令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1/np式中 np 極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為 （5-3）35最大轉(zhuǎn)矩公式 將式（5-3）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（5-4）（5-5）36異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsNUsNABCFDEUsN風(fēng)機類負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖5-4 異步電動機不同電壓下的機械特性37 帶恒轉(zhuǎn)矩負載

12、工作時，普通籠型異步電機變電壓時的穩(wěn)定工作點為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍不超過 0sm ，調(diào)速范圍有限。 帶風(fēng)機類負載運行，則工作點為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些。 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，就要求電機轉(zhuǎn)子有較高的電阻值。 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，這種電機又稱作交流力矩電機。38 交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsNUsNABCTLUsN恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖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 395.3 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用普通異步電機的變電壓調(diào)速時，調(diào)

13、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，因而當負載變化時靜差率很大，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，要求調(diào)速范圍大于D=2時，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。401. 系統(tǒng)組成圖5-6 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 -Ucn412. 系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖5-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n2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特性上找到新的工作點 A。按照反饋控制規(guī)律，將A、A、

14、A 連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性42 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，但是在不同電壓的開環(huán)機械特性上各取一個相應(yīng)的工作點，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，則靜特性平行地上下移動，達到調(diào)速的目的。43 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)不同于直流電機閉環(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，它們是額定電壓 UsN 下的機械特性和最小輸出電壓Usmin下的機械特性。 當負

15、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)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。443. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu) Ksn=f(Us,Te) ASRU*nUnUcUs-TLn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 45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）所表達的異步電機機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。 46 穩(wěn)態(tài)時， Un* = Un = n Te = TL 根據(jù)負載需要的 n 和TL 可由式（5-3）計算出或用機械特性圖解法求出所需的 Us以及相應(yīng)的U

16、c。475.4 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，須先繪出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由圖5-7的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-8所示。 其中有些環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以直接寫出來，只有異步電機傳遞函數(shù)的推導(dǎo)須費一番周折。48 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖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 MA異步電機 FBS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)49 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態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為50 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置 裝置的輸入-輸

17、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)，在動態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)。傳遞函數(shù)可寫成 其近似條件是 對于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取Ts。51 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)FBS的傳遞函數(shù)可寫成52 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。 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一種近似的傳遞函數(shù)。53（1）異步電機近似的線性機械特性 由式（5-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為當 s 很小時，可以認為且54 后者相當于忽略異步電機的漏感電磁慣性。在此條件下

18、，（5-6） 這是在上述條件下異步電機近似的線性機械特性。55（2）穩(wěn)態(tài)工作點計算 設(shè)A為近似線性機械特性上的一個穩(wěn)態(tài)工作點，則在A點上（5-7） 在A點附近有微小偏差時，Te= TeA+Te，Us=UsA+Us，而s=sA+s，代入式（5-6）得56（3）微偏線性化 將上式展開，并忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積，則（5-8）57 式（5-8）減去式（5-7），得（5-9） 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（5-10）58 將式（5-10）代入式（5-9），得（5-11） 式（5-11）就是在穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏量Te與Us和間的關(guān)系。59 帶恒轉(zhuǎn)矩負載時電力拖動系統(tǒng)的運動方

19、程式為 按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)工作點A附近的微偏量運動方程式為（5-12）60 將式（5-11）和（5-12）的微偏量關(guān)系畫在一起，即得異步電機在忽略電磁慣性時的微偏線性化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-9所示。 如果只考慮U1到之間的傳遞函數(shù)，可先取 TL = 0，圖5-9中小閉環(huán)傳遞函數(shù)可變換成61（4）近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3np1Rr2UsASA3npU 2sAs2 Rrnp JsUsTeTL+-圖5-9 忽略電磁慣性時異步電機微偏線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 62（5）異步電機的近似線性化傳遞函數(shù) 于是，異步電機的近似線性化傳遞函數(shù)為63式中 KMA 異步電機的傳遞系數(shù)， Tm 異步電機拖動系統(tǒng)的機

20、電時間常數(shù)， 64 由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉(zhuǎn)體的機電慣性，異步電機便近似成一個線性的一階慣性環(huán)節(jié)，即(5-13) 把得到的四個傳遞函數(shù)式寫入圖5-8中各方框內(nèi)，即得異步電機變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。65 最后，應(yīng)該再強調(diào)一下，具體使用這個動態(tài)結(jié)構(gòu)圖時要注意下述兩點：由于它是偏微線性化模型，只能用于機械特性線性段上工作點附近的穩(wěn)定性判別和動態(tài)校正，不適用于起制動時轉(zhuǎn)速大范圍變化的動態(tài)響應(yīng)。由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計算有很大的近似性。66*5.6 變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中的應(yīng)用 除了調(diào)速系統(tǒng)以外，異步電動機的變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中也得到

21、了廣泛的應(yīng)用。67*5.6.1 軟起動器起動電流問題 常用的三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，而且性能良好，運行可靠。 對于小容量電動機，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機容量大4倍以上），而供電線路并不太長（起動電流造成的瞬時電壓降落低于10%15%），可以直接通電起動，操作也很簡便。 對于容量大一些的電動機，問題就不這么簡單了。 68 起動電流和轉(zhuǎn)矩公式 在式（5-2）和式（5-3）中已導(dǎo)出異步電動機的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，起動時，s =1，因此起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為（5-19） （5-20） 69 由上述二式不難看出，在一般情況下，三相異步電動機的起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。對于一般的籠型電動機，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩對其額定值的倍數(shù)大約為起動電流倍數(shù) 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 起動電流和轉(zhuǎn)矩分析70起動電流和轉(zhuǎn)矩分析（續(xù)） 中、大容量電動機的起動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其它用電設(shè)備的正常運行，甚至使該電動機本身根本起動不起來。這時，必須采取措施來降低其起動電流，常用的辦法是降壓起動。71 軟起動器原