運(yùn)動(dòng)控制2-第七章

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-2交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)第七章1緒論電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況20世紀(jì)70年代以前直到20世紀(jì)60-70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調(diào)速系統(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)用而生，直流調(diào)速一統(tǒng)江湖的格局終于被打破了。2直流電機(jī)被高精度的調(diào)速系統(tǒng)廣泛使用換向問題限制了裝機(jī)容量20世紀(jì)70年代以后調(diào)速系統(tǒng)格局緒論交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較直流電機(jī)交流電機(jī)結(jié)構(gòu)及制造有電刷

制造復(fù)雜無電刷

結(jié)構(gòu)簡單重量/功率約2倍1倍體積/功率約2倍1倍價(jià)格/功率幾倍1倍最大容量12MW~14MW幾十MW最大轉(zhuǎn)速1000r/min左右數(shù)千r/min最高電樞電壓1kv6kv~10kv安裝環(huán)境要求高要求低維護(hù)較多較少調(diào)速性能好復(fù)雜3緒論交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較交流調(diào)速VS直流調(diào)速1）在大功率負(fù)載情況下，交流調(diào)速性價(jià)比最優(yōu)2）交流調(diào)速系統(tǒng)可滿足高速運(yùn)行要求3）在易燃易爆多塵場合，交流調(diào)速系統(tǒng)無需過多維護(hù)4）交流調(diào)速系統(tǒng)成本低5）交流電動(dòng)機(jī)易于同某些生產(chǎn)機(jī)械行成機(jī)電一體化產(chǎn)品4緒論交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程：

5緒論交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)交流電機(jī)：6AXCZBY緒論交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程：

定子的3相交變電流

因此決定交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的電樞電流和氣隙磁通是一對(duì)相互耦合的非獨(dú)立變量7第七章概述異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，靜止式變頻器的誕生，異步電動(dòng)機(jī)在速度可調(diào)拖動(dòng)中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)分析的一般思路：物理模型-等效電路數(shù)學(xué)模型機(jī)械特性方程調(diào)速性能深入分析

87.1-7.2交流調(diào)速系統(tǒng)原理第七章9第七章7.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括穩(wěn)態(tài)等效電路和機(jī)械特性穩(wěn)態(tài)等效電路描述了一定轉(zhuǎn)差率下電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣特性電機(jī)機(jī)械特性表征轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率（Or轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系一、異步電動(dòng)機(jī)的等效電路前提假設(shè)1）忽略空間和時(shí)間諧波2）忽略磁飽和3）忽略磁鐵損T型等效電路10第七章異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動(dòng)機(jī)T

型等效電路

轉(zhuǎn)差率：

同步轉(zhuǎn)速：

11第七章折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流幅值

電阻電感

其中：

（7-0）異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路12第七章

忽略勵(lì)磁電流

（7-1）異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路13第七章異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)傳遞的電磁功率

電氣特性機(jī)械特性

（7-2）14第七章異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性調(diào)壓調(diào)速原理--變轉(zhuǎn)差功率調(diào)速異步電機(jī)機(jī)械特性曲線

臨界轉(zhuǎn)差：

15第七章異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性調(diào)壓調(diào)速原理

各電壓下T-s曲線與負(fù)載曲線交點(diǎn)即運(yùn)行點(diǎn)

16第七章異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性交流力矩電動(dòng)機(jī)通過以上分析，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)差功率、減小輸出功率來換取轉(zhuǎn)速的降低所增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上如果增加轉(zhuǎn)子電阻值，可使臨界轉(zhuǎn)差率s加大，

從而擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速范圍缺點(diǎn)：特性軟（斜率大）17第七章異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)以上是開環(huán)調(diào)速因此，要想獲得高性能控制高轉(zhuǎn)子電機(jī)：交流調(diào)速系統(tǒng)必須引入速度反饋，在速度閉環(huán)控制下，使異步電動(dòng)機(jī)具有較硬的靜特性。調(diào)壓調(diào)速：調(diào)速范圍窄特性軟18第七章異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器ASR轉(zhuǎn)速反饋裝置晶閘管調(diào)壓異步電動(dòng)機(jī)19第七章異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)最小輸出電壓系統(tǒng)靜特性左邊的極限最大輸出電壓系統(tǒng)靜特性右邊的極限20第七章7.1-7.2小結(jié)主要內(nèi)容調(diào)壓調(diào)速屬于變轉(zhuǎn)差功率調(diào)速，適合風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載；對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作點(diǎn)少；高轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)可以擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍，但是特性軟轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速可以獲得較高的調(diào)速性能，但是有左右極限的限制1）異步電機(jī)調(diào)速的分析思路；2）等效電路，電流、功率、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)矩等3）機(jī)械特性分析4）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理系統(tǒng)特點(diǎn)21第一次課結(jié)束22第七章23內(nèi)容回顧：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng)分類異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的工作原理調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性高轉(zhuǎn)子力矩電動(dòng)機(jī)交流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速原理晶閘管相控三相交流調(diào)壓主電路結(jié)構(gòu)7.2.5基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結(jié)構(gòu)圖第七章24圖7-8轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖速度比較環(huán)節(jié)：

速度調(diào)節(jié)器：PI調(diào)節(jié)器晶閘管交流調(diào)壓器：

電動(dòng)機(jī)輸入與輸出關(guān)系：轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié):

7.2.5基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結(jié)構(gòu)圖第七章25

二者之間的關(guān)系可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的輸入、輸出關(guān)系計(jì)算7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用第七章26第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器（7-1）（7-2）令s=1起動(dòng)電流起動(dòng)轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)電流比較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化不大

27第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器小容量電機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大，而供電線路并不太長，可以直接起動(dòng)，操作也很簡便大容量電機(jī)起動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)電壓降落過大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)不起來28第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用29圖7-11異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程與電流沖擊1.軟起動(dòng)器工作原理對(duì)于降壓啟動(dòng)，傳統(tǒng)的方法有：自耦變壓器降壓啟動(dòng)星-三角啟動(dòng)定子串電阻或電抗軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)過程中，通過控制晶閘管導(dǎo)通角，使三相輸出電壓按預(yù)設(shè)啟動(dòng)曲線上升，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速逐漸增加，達(dá)到控制啟動(dòng)電流、縮短啟動(dòng)時(shí)間的目的第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器工作模式幾種常見的啟動(dòng)模式（1）斜坡升壓（2）斜坡恒流（3）脈沖沖擊起動(dòng)首先要設(shè)置一個(gè)初始電壓，在規(guī)定的加速時(shí)間內(nèi)，使電動(dòng)機(jī)兩端電壓均勻上升至全電壓，一定時(shí)間延時(shí)后，旁路接觸器閉合，電機(jī)起動(dòng)過程結(jié)束，進(jìn)入正常運(yùn)行階段。只需使晶閘管導(dǎo)通角與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系，不需要電流閉環(huán)控制，一般適用空載或輕載起動(dòng)30第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器工作模式（2）斜坡恒流在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始階段，起動(dòng)電流增加到預(yù)先設(shè)定值I0后，電流值保持恒定,直到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速旁路接觸器閉合，電動(dòng)機(jī)電流迅速下降至額定電流Ie

以內(nèi)，起動(dòng)過程完成起動(dòng)過程電流的上升率可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化調(diào)整設(shè)定，電流上升速率大，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短。31第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器工作模式（3）脈沖沖擊在起動(dòng)初期先提供短時(shí)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以克服負(fù)載的靜摩擦力，滿足較高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載要求然后再進(jìn)入斜坡升壓或者斜坡恒流的起動(dòng)模式適用于負(fù)載靜摩擦力較大或帶較重負(fù)載起動(dòng)的場合32第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器工作模式電流斜坡起動(dòng)模式電流電壓雙閉環(huán)起動(dòng)模式雙斜坡起動(dòng)模式軟起器本質(zhì)屬于降壓起動(dòng)裝置，是繼常用自耦變壓器降壓起動(dòng)和Y-星型降壓起動(dòng)之后，采用晶閘管和微處理器控制的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)裝置，降壓范圍更寬，并且可以適當(dāng)調(diào)整，使電動(dòng)機(jī)更好地“柔性”起動(dòng)軟起器不足需要通過旁路接觸器切換到旁路正常運(yùn)行狀態(tài)，即使在低電壓條件下，也會(huì)造成斷路器跳閘或損壞。切換遲了，會(huì)使電動(dòng)機(jī)震動(dòng)，影響負(fù)載正常運(yùn)行，所以對(duì)旁路切換點(diǎn)的硬件檢測(cè)電路要求很高，相應(yīng)程序處理也要引起重視。33第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器停車模式34第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器停車模式（3）直流制動(dòng)停車接到停車命令后晶閘管的調(diào)壓輸出控制停車過程可控直流電流制動(dòng)時(shí)間可調(diào)，用于對(duì)停車時(shí)間和停車距離有要求的工作場合，因此又稱為精確停車控制，一般軟起動(dòng)器不具備此種功能35第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動(dòng)器特點(diǎn)（5）軟起動(dòng)器具有故障保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管電路的短路、缺相、過熱、欠壓等方面的保護(hù)（1）起動(dòng)電壓以一定的斜率上升，使電動(dòng)機(jī)的電流逐漸增大，對(duì)電網(wǎng)無沖擊電流，同時(shí)減小了對(duì)負(fù)載的機(jī)械沖擊，（2）起動(dòng)電壓上升率可依據(jù)不同負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證了起動(dòng)過程平滑性，一般起動(dòng)電壓應(yīng)在30%~70%額定電壓范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)（3）根據(jù)負(fù)載的具體要求，設(shè)定與負(fù)載相適應(yīng)的起動(dòng)時(shí)間（4）軟起動(dòng)器同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)軟停車功能36第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能—能耗分析三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)有損耗，包括定子銅損耗pCus鐵損耗pFe轉(zhuǎn)子銅損耗pCur機(jī)械損耗pmech附加損耗ps總損耗表達(dá)式定子銅損鐵損轉(zhuǎn)子銅損

37第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能—轉(zhuǎn)子銅損電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，理論上因?yàn)镻2=0，所以效率η=0。但在實(shí)際運(yùn)行中由于生產(chǎn)機(jī)械總有一些摩擦負(fù)載，也就是說可算作輕載，電磁轉(zhuǎn)矩可表示成電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，氣隙磁通Φm基本不變，輕載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩很小，因此輕載時(shí)轉(zhuǎn)子電流很小，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損pCur

很小。38第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能—定子銅損由于定子電流為

受勵(lì)磁電流

的制約，定子電流Is

并沒有轉(zhuǎn)子電流降低得那么多，因此定子銅損沒有降很多，鐵損

pFe、機(jī)械損耗pmech、附加損耗ps

基本不變。因此輕載時(shí)式7-17的分母中所占的成分較大，效率η將急劇降低。

39第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能如果電動(dòng)機(jī)長期輕載運(yùn)行，將無謂地消耗許多電能，因此要設(shè)法減少輕載時(shí)的能量損耗。空載時(shí)：轉(zhuǎn)子銅損：小定子銅損：與額定負(fù)載相當(dāng)定子鐵損及附加損耗：基本不變40第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能-解決方案可降低定子電壓降低氣隙磁通Φm同時(shí)降低鐵損pFe

減少輕載時(shí)能量損耗

過分降低電壓和磁通，由式7-18可知，轉(zhuǎn)子電流