交流调速基础和原理概要课件.ppt

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1、交流变频调速技术,大连海事大学轮机工程学院船电教研室朱景伟2011 年 1 月,Email: ,1,交流变频调速技术大连海事大学轮机工程学院船电教研室 E,本课程的性质与任务,本课程是为船舶电子电气工程专业本科学生开设的一门专业课。通过本课程的学习，使学生较全面地了解交流变频调速的类型和应用领域，掌握交流变频调速的各种控制方法和控制技术。为后续课程船舶电力拖动系统的学习，打下坚实的理论和实践的基础。,2,本课程的性质与任务 本课程是为船舶电子电气工程专,课程主要内容,1 交流调速原理及基础2 基于稳态模型的异步电动机变压变频调速系统3 基于动态模型的异步电动机变压变频调速系统4 同步电动机变压

2、变频调速系统5 变频调速的工程实用技术,3,课程主要内容1 交流调速原理及基础3,教 材： 交流调速系统 冯垛生 主编 机械工业出版社参考书： (1) 电力拖动自动控制系统, 李华德,李擎,白晶编著 机械工业出版社 (2) 电力拖动自动控制系统, 陈伯时主编第版 机械工业出版社学时分配：36学时 (讲课 34，实验 2)考 核：考试成绩: 80% 平时成绩: 10% 实验成绩: 10%,4,教 材：4,实验内容,实验题目：交流变压变频调速系统实验实验内容：系统接线；观察SPWM和SVPWM变频调速系统各测试点波形。在加减速情况下，记录空间电压矢量的变化情况。,5,实验内容实验题目：交流变压变频

3、调速系统实验5,第章交流调速原理及基础,本章主要内容1.1 异步电动机的工作原理及特性1.2 交流调速原理及分类1.3 交流调速的发展及特点1.4 交流电动机调压调速原理*1.5 交流电动机串级调速原理,6,第章交流调速原理及基础本章主要内容6,1.1.1 交流电动机的分类,交流电动机分类：（1）异步电动机(Induction Motor) 笼形异步电动机 绕线转子异步电动机（双馈电机）（2）同步电动机(Synchronous Motor) 直流励磁同步电动机 永磁同步电动机 正旋波永磁同步电机 梯形波永磁同步电机（3）变磁阻电动机 开关磁阻电动机(Switch Reluctance Moto

4、r) 步进电动机,第章交流调速原理及基础,1.1 异步电动机工作原理及特性,7,1.1.1 交流电动机的分类交流电动机分类：第章交流调速,1.1.2 异步电动机的结构及工作原理,异步电动机,定子绕组,定子铁心,转子,机座,笼 型 结构,转子铁心,转轴,转子绕组,绕线型 结构,定子,8,1.1.2 异步电动机的结构及工作原理异步电动机定子绕组定子,导条,端环,笼型绕组,9,导条端环笼型绕组9,交流异步电动机的工作原理是由于定子绕组在接通电源后，建立旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子中感应电动势并产生电流这样转子电流与磁场相互作用，就产生电磁转矩，从而实现能量变换。由于转子中的电流是感应产生的，因

5、此异步电动机又称为感应电动机。,异步电动机的工作原理,对于异步电动机，转子转速总是低于旋转磁场的转速，即同步转速，因为如果两者相同，则转子导体和旋转磁场间相对静止，转子就不会切割磁力线，导体的感应电动势为零，因而就不会产生电磁转矩。,10,交流异步电动机的工作原理是由于定子绕组在接通电源后，建立,异步电动机的定子通以三相交变的电流后，定子将产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0旋转。电机转子的实际转速 n 总是小于同步转速。两者的差值叫转差。,同步转速与转差率,f1-定子供电电源频率，Hz np-电机极对数同步转速和实际转速的差值与同步转速的比值叫转差率。,11,异步电动机的定子通以三相交变的电流

6、后，定子将产生旋转磁场,主磁通和定子感应电动势,主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等五部分感应电机中主磁通所经过的磁路如下页图所示。气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通 m 将在定子每相绕组中感生电动势有效值 Es。,N1-定子每相绕组串联匝数 kw1-与绕组有关的常数,12,主磁通和定子感应电动势主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕,感应电机中主磁通所经过的磁路,13,感应电机中主磁通所经过的磁路13,1）等效电路 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：(1) 忽略空间和时间谐波； (2)忽略磁饱和； (3)忽

7、略铁损。则异步电机的稳态等效电路如下所示：,异步电动机的稳态等效电路,1.1.3 异步电动机的等效电路、功率及转矩,14,1）等效电路异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLl,参数定义,Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；Us、1 定子相电压和供电角频率； s 转差率。,该等效电路可用于分析异步电动机的机械特性。,15,参数定义Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的该等效,感应电动机从电源输入的电功率： m1是电机的相数。 消耗于定子绕组的电阻而变成铜

8、耗： 消耗于定子铁心变为铁耗(忽略)： 从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：,2）异步电动机的功率方程，电磁功率和转差功率,16,感应电动机从电源输入的电功率：2）异步电动机的功率方,转差功率,功率方程为：,其中,输入功率,电磁功率,总机械功率,总机械功率,转子铜耗,其中pJ 为机械损耗和附加损耗功率。 P2为实际输出机械功率。,17,转差功率功率方程为：其中输入功率电磁功率总机械功率总机械功率,异步电动机的功率流程图,18,异步电动机的功率流程图 输入功率P1电磁功率Pe=P1-,3） 异步电动机的转矩方程,总电磁转矩：,实际输出转矩：,式中CT为转矩系数。,总机械功率,19,3） 异步电动

9、机的转矩方程总电磁转矩：实际输出转矩：式中C,理想空载点:图中的E点，在这点上，电动机以同步转速n0运行 (s0)，其电磁转矩T0。,1.1.4 异步电动机的机械特性,机械特性：是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系。即:nf (T ),异步电动机的机械特性曲线,20,理想空载点:图中的E点，在这点上，电动机以同步转速n0运行,临界点：临界点K是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定运行区的分界点。,起动点：图中的S点，在起动点上，电动机已接通电源，但尚未起动。对应这一点的转速n0 (s1)，电磁转矩称起动转矩Tst。,异步电动机的机械特性曲线,21,临界点：临界点K是一个非

10、常重要的点，它是机械特性稳定运行区和,1.1.5 异步电动机的运行,稳定运行时的机械特性曲线,(1) 电动机稳定运行状态: 当电动机稳定运行时 T = TL,(2) 电动机工作点的动态调整过程:,由于负载波动使负载转矩增大为TL。此时电磁转矩TTL，电动机将减速。转速的下降又使电动机的电磁转矩增大，当T = TL时，转速不再下降，电动机在图中的C点稳定运行，即 T TLnTT = TL,22,1.1.5 异步电动机的运行稳定运行时的机械特性曲线(1),(3) 异步电动机的起动 电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，叫做起动过程。电动机起动时起动电流很大，可以达到额定电流的57倍，而起动转矩

11、Tst却并不很大，一般Tst (1.82)TN。(4) 异步电动机的制动 电动机在工作过程中，如电磁转矩方向和转子的实际旋转方向相反，就称作制动状态。制动有再生制动、直流制动和反接制动。,再生制动:当转子转速 n 超过旋转磁场转速 n0 ，此时旋转磁场切割转子绕组的方向与电动状态时相反，电磁转矩T 就变成了制动转矩 。实例有：起重机械在重物下降时，重物的重力加速度可能使电动机的转速超过同步转速 。 直流制动:直流制动也叫能耗制动，是在定子绕组中通入直流电流，使电动机产生一个制动转矩。,23,(3) 异步电动机的起动 再生制动:当转子转速 n 超,1.2.1 交流电动机调速的概念,调速：是在负载

12、没有改变的情况下，根据生产过程需要人为地强制性地改变拖动系统的转速。 速度改变：是由于负载变化而引起拖动系统转速改变。 调速范围：指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nLmax与最低转速nLmin之比，即,调速的平滑性：是指相邻两级转速的接近程度。 调速特性： 静态特性：主要是指调速后机械特性的硬度。工程上常用静差度来表示。, 动态特性：指过渡过程中的性能。,1.2 交流调速原理及分类,24,1.2.1 交流电动机调速的概念 调速：是在负载没有改变的情,(1) 异步电机的转速表达式 (r/min),1.2.2 异步电动机的调速方法,25,(1) 异步电机的转速表达式调转差率s 效率最差的调速

13、方法,(2) 常见的交流调速方法有： 降电压调速(变压调速）； 转差离合器调速； 转子串电阻调速； 绕线电机串级调速或双馈电机调速； 变极对数调速； 变压变频调速等等。,26,(2) 常见的交流调速方法有：26,按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。电磁功率：Pe = P+ Ps 总机械功率：P = (1 s) Pe 转差功率：Ps = sPe,27,PmPsPmech 按照交流异步电机的原理，从定子传入,从能量转换的角度上看，转差功率是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统

14、效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。,(a) 转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，如降电压调速、转差离合器调速和转子串电阻调速都属于这一类。这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。,(b) 转差功率回馈型调速系统在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，串级调速方法属于这一类。这类系统的效率较高，但要增加一些设备。,28,从能量转换的角度上看，转差功率是消耗

15、掉还是得到回收，,(c) 转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高。如变极对数调速、变压变频调速两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 目前，交流变压变频调速应用越来越广泛，因此我们开始本门课程。,29,(c) 转差功率不变型调速系统29,1.2.3同步电动机调速系统的基本类型,同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型的

16、，而同步电机转子的极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速。按频率控制方法分类：他控变频调速和自控变频调速。他控变频同步电机调速系统：用独立的变压变频装置给同步电机供电的系统叫他控变频调速系统。自控变频同步电机调速系统：用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统叫自控变频调速系统。,30,1.2.3同步电动机调速系统的基本类型 同步电,1.3.1 运动控制系统概述,运动控制系统：是以机械运动的驱动设备电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。电机消耗50电能功

17、能：控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动控制。,分类种类繁多，只列三种，其它如开环，单闭环，双闭环等。(a)按被控物理量分：调速系统，位置随动系统（伺服系统）。(b)按电机类型分：直流传动系统和交流传动系统。(c)按控制器类型分：模拟控制系统和数字控制系统。,1.3 交流调速的发展及其特点,31,1.3.1 运动控制系统概述运动控制系统：是以机械运动的驱动,运动控制系统的发展过程,交、直流两种电气传动系统并存于各个工业领域，相互竞争、相互促进、随着电力电子技术的发展不断完善和发展。(1) 直流调速系统发展世纪年代起开始使用直流调速系统。由最早的旋转交流机组控制发

18、展为放大机，磁放大器控制，再进一步用晶闸管变流装置实现直流调速，后来用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化直流调速。调速性能不断提高。,() 交流调速系统发展1820年， 奥斯特发现，安培总结了电流在磁场中产生机械力-电动机。,32,运动控制系统的发展过程 交、直流两种电气传动系统并存,(2) 交流调速系统的发展（续）1831年法拉第提出电磁感应定律-发电机。在19世纪80年代以前，只有直流电力拖动。由于直流电在当时的条件下，不宜于远距离传输，所以，工业动力主要为蒸汽机和水轮机。1888年，多利沃-多勃罗沃尔斯基提出三相电制和三相异步电动机，奠定了交流电动机在工业上的应用基础。

19、交流电宜于远距离传输，使交流电机迅速发展，广泛应用于各个领域。在20世纪上半叶：鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机。但交流调速系统性能却始终无法与直流调速系统相匹敌,33,(2) 交流调速系统的发展（续）33,(2) 交流调速系统的发展（续）20世纪6070年代后：随着电力电子技术和PWM技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。矢量控制理论的诞生和发展奠

20、定了现代交流调速系统高性能化的基础。1971年德国学者提出交流电机的矢量控制理论（Vector Control)、20世纪80年代中期德国学者提出直接转矩控制(Direct Torque Control)。,34,(2) 交流调速系统的发展（续）34,(1) 系统的组成,1.3.2 交流调速系统的组成及特点,电力电子变换器：完成ACDCAC或ACAC变换。控制器（装置）：DSP或单片机等传感器：检测电压、电流和转速等。功率变换器与控制器及传感器集中于一体，称为变频器（变频调速装置）。,现代交流调速系统组成框图,35,(1) 系统的组成1.3.2 交流调速系统的组成及特点电力电,直流电机具有电刷

21、和换相器，必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度。交流调速系统具有如下特点：(a)容量大；直流机12-14MW,交流机数十MW(b)转速高且耐压；直流电机小于10000rpm,交流数万rpm耐压直流机1000V,交流机6-10KV(c)交流电机体积、重量、价格比同等容量的直流电机小，且结构简单、经济可靠、惯性小；(d)环境适应性强，坚固耐用，可在十分恶劣环境下使用；(e)交流调速系统能显著地节能。如一套2050mm的热连轧板机，精轧采用变频调速后比直流传动节电1150万kw.h/年。因此交流传动系统广泛应用，据统计，在2001年世界可调电

22、气传动产品中，交流传动占 2/3。,(2) 交流调速系统的特点,36,直流电机具有电刷和换相器，必须经常检查维修、换向火花使直流电,1.3.3 交流调速系统的应用领域,（1）风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进行变频、串级调速，可以节能。 （2）对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。 （3）纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。 （4）钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。 （5）有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。 （6）油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油

23、。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。,37,1.3.3 交流调速系统的应用领域 （1）风机、水泵、压,（7）变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。 （8）变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。 （9）变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。 （10）机械行业。是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速

24、又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。,38,（7）变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。38,1.3.4 交流调速系统的发展趋势,交流调速取代直流调速已是不争的事实，当前交流调速系统正朝着高电压、大容量、高性能、高效率、绿色化、网络化的方向发展。高性能交流调速系统的进一步研究与技术开发：将先进的控制策略应用到交流调速系统中，提高直接转矩控制技术中低速时的控制性能等；新型拓扑结构功率变换器的研究与技术开发：提高变频器输出效率，降低开关损耗（零关断技术），抑制高频、大功率变频器的电磁干扰；PWM模式的改进与优化研究：如多电平中压变频器控制模式；中压变

25、频装置的研究与开发：1-10kV电压，300kW以上功率。,39,1.3.4 交流调速系统的发展趋势交流调速取代直流调速已,1.4异步电动机变压调速原理简介,1.4.1 异步电动机变压调速原理,(2) 调压调速原理（理论依据）由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。,() 调压调速的概念所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的。,40,1.4异步电动机变压调速原理简介1.4.1 异步电动机

26、变,1.4.2 异步电动机变压调速电路,传统调压器调压自耦变压器调速(2)饱和电抗器调压饱和电抗器是带有直流励磁绕组的交流电抗器。改变直流励磁电流可以改变交流电抗值。电机定子绕组与电抗器串联连接，电抗值改变，其电压也随之改变，从而电机的定子电压也改变，实现调压调速。(3)晶闸管交流调压器调压交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制或开关控制（周期）方式改变输出电压。,41,1.4.2 异步电动机变压调速电路传统调压器调压41,晶闸管交流调压器调压结论：1) 由于至少有正、反向各一只晶闸管导通，才能形成通路，因此，需采用大于600的宽

27、脉冲（或双窄脉冲）。2) 单相电阻负载的移相范围是 1500, 0度时输出电压最大3)单相 RL 负载的移相范围是： 1800。 4)三相 RL 负载的移相范围是： 1500 。,42,晶闸管交流调压器调压结论：42,Y形接法的晶闸管三相交流调压器,输入是正弦波，输出是交流电压，不是正弦波，谐波分量较大,43,Y形接法的晶闸管三相交流调压器0负载abca)uaubuci,形接法的晶闸管三相交流调压器,44,形接法的晶闸管三相交流调压器负载b)abcuaubucia,利用晶闸管交流调压器变压调速 TVC双向晶闸管交流调压器,利用晶闸管交流调压器变压调速,45,利用晶闸管交流调压器变压调速利用晶闸

28、管交流调压器变压调速,控制方式,TVC的变压控制方式,46,控制方式TVC的变压控制方式46,电路结构：采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆运行和制动运行方式。正转：晶闸管1-6工作；反转：晶闸管1,和7-10工 作，提供逆相序电源；,采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路,可逆和制动控制电路,制动：根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如让 1，2，6 三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。,47,电路结构：采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆运行和,1.4.3 异步电动机改变电压时的机械特性,根据电机学

29、原理，在下述三个假定条件下：(1) 忽略空间和时间谐波； (2)忽略磁饱和； (3)忽略铁损。则异步电机的稳态等效电路如下所示：,异步电动机的稳态等效电路,48,1.4.3 异步电动机改变电压时的机械特性 根据电机,参数定义,Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；Us、1 定子相电压和供电角频率； s 转差率。,49,参数定义Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的49,电流公式,由图可以导出,其中,当励磁电感大于定子漏感(LmL1s)，即忽略铁损和励磁电流时,

30、 C1 1,50,电流公式由图可以导出其中当励磁电感大于定子漏感(LmL1,电流公式可简化成:,51,电流公式可简化成:则异步电机的电磁转矩为:同步机械角转速:令,上式就是异步电机的机械特性方程式。结论:当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。 不同电压下的机械特性如下图所示。,图1-4 异步电动机在不同电压下的机械特性,结论:变压调速适合于风机类负载,因调速范围较大。,Te,0,n,n0,Temax,sm,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,1,s,52,上式就是异步电机的机械特性方程式。图1-4 异步电动机在不同,

31、最大转矩公式:,将式Te表达式对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩：,与定子电压无关,53,最大转矩公式: 将式Te表达式对s求导，并令dTe/d,由图1-4可见，如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围较大一些。带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超过 0 sm ，调速范围有限或很小。 如果使电机运行在s=sm的低速段,系统运行可能不稳定，另外转速降低后，s将增大，导致转差功率增大，转子电阻降低，引起转子电流增大，因过热而损坏电机。,为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转

32、速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，即笼型转子采用高电阻率材料（用黄铜代替铸铝）这样的电机在变电压时的机械特性绘于图1-5。 显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。,54,由图1-4可见，如果带风机类负载运行，,交流力矩电机的机械特性,UsN,0.7UsN,A,B,C,TL,0.5UsN,恒转矩负载特性,图1-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性,55,交流力矩电机的机械特性UsN0.7UsNABCTL0.5U,普通异步电机的变电压调速特点（开环控制）：调速范围很窄，机械特性较硬，低转速时转差功率增大

33、，转子电流增大，电机可能过热高转子电阻的力矩电机特点（开环控制） ：可以增大调速范围，但机械特性变软，当负载变化时转速静差率很大（见图1-5），开环控制很难解决这个矛盾。 为解决上述问题，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围D大于2时，在低速时能稳定运行，具有一定的调速精度(静差率低)，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图1-6a）。闭环控制可以扩大调速范围,1.4.4 闭环控制的变压调速系统及其静特性,(1) 为什么采用闭环控制,56,普通异步电机的变电压调速特点（开环控制）：调速范,1. 系统组成,图1-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统,ASR-转速调节器GT-触发装置TVC-双

34、向晶闸管 调压器TG-测速发电机ASR 输出电压控制GT输出的触发角脉冲的相位。,(2) 系统组成,57,1. 系统组成图1-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速,(3) 系统静特性,图1-6b 闭环控制变压调速系统的静特性,给定电压为:TL增加使转速下降时，使Un增大，从而转速不变；TL减小使转速增大时，使Un降低，使转速不变；,直线A、A、A为闭环系统在给定电压下的静特性。改变给定电压 ，则静特性上下平行移动，达到调速的目的。,58,(3) 系统静特性图1-6b 闭环控制变压调速系统的静特性e,尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。 如果采用PI

35、调节器，照样可以做到无静差。由于静特性具有一定的硬度，它既可以保证电机在低速下稳定运行，提高了调速的精度，也扩大了调速范围，一般可达10：1。,异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性。 当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。,(4) 闭环变压调速系统的特点,59,尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系,调压调速总结：依据：电磁转矩与定子电压的平方成正比；开环变压调速系统带恒转矩负载存在的问题：

36、调速范围小；交流力矩电动机：可增加调速范围，但存在静差；解决办法：采用闭环控制变压调速系统，无静差，调速范围可达10:1。闭环控制变压调速系统静特性：存在极限；额定电压下机械特性和最小输出电压下的机械特性。,60,调压调速总结：60,内容提要,1.5.1 引言1.5.2 异步电机双馈调速工作原理1.5.3 异步电机转子附加电动势的作用1.5.4 串级调速系统的工作原理,*1.5异步电动机串级调速原理简介,61,内容提要1.5.1 引言*1.5异步电动机串级调速原理简介,1.5.1 引 言,转差功率问题 转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能是异步电动机调速的主要

37、目的之一，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。按转差功率的处理方式，交流调速系统可分为三种类型。,（1）转差功率消耗型异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低；但这类系统的结构简单，设备成本最低，所以有一定的应用价值。 （2）转差功率不变型变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。,（3）转差功率馈送型控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些设备。 本节将讨论转差功率馈送型调速方法

38、，即串级调速。,62,1.5.1 引 言 转差功率问题 （1）转差功率消耗型,适用电机类型：绕线转子异步电动机。,绕线转子异步电动机结构如图所示，从广义上讲，定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入，也可以从定子或转子输出，故称作双馈电机。,1.5.2 异步电机双馈调速工作原理,要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。,(1) 电机类型,63,适用电机类型：绕线转子异步电动机。 PsP1,(2) 绕线转子异步电动机转子串电阻调速,根据电机理论，改变转子电路的串接电阻，可以改变电机的转速。 转子串电阻调速的原理

39、如图所示，调速过程中，转差功率完全消耗在转子电阻上。,64,(2) 绕线转子异步电动机转子串电阻调速 根据电机,(3) 双馈调速的概念和结构,所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。 至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。,65,(3) 双馈调速的概念和结构 所谓“双馈”，就是指把,双馈调速的基本结构,如上图所示，在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路

40、中附加一个交流电动势。,TI：逆变变压器,66,双馈调速的基本结构功率变换单元电网K1M3 K2TI,(4) 功率变换单元,由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2 = s f1 ，因此必须通过功率变换单元（Power Converter UnitCU）对不同频率的电功率进行电能变换。 对于双馈系统来说，CU应该由双向变频器构成，以实现功率的双向传递。从功率传送的角度看，串级调速是用控制异步电动机转子中转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的控制。,67,(4) 功率变换单元 由于转子电动势与电流的频率,(5) 双馈调速的功率传输,（a）转差功率输出状态,异步电动机由电网供电并以电动状态

41、运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行；,68,(5) 双馈调速的功率传输（a）转差功率输出状态 异步电,（b）转差功率输入状态,当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。,69,（b）转差功率输入状态 当电机以发电状态运行时，它被拖,1.5.3 异步电机转子附加电动势的作用,(1) 异步电机运行时其转子相电动势为,式中 s 异步电机的转差率； Er0 绕线转子异步电机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压值。,(2) 转子相电流的表达式为,式中 Rr

42、转子绕组每相电阻； Xr0 s = 1时的转子绕组每相漏抗。,70,1.5.3 异步电机转子附加电动势的作用(1) 异步电机,(3) 转子附加电动势及其作用,绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图,附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。,外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式,71,(3) 转子附加电动势及其作用绕线转子异步电动机转子附加电动,转子附加电动势的作用条件：恒转矩负载，Ir 不变,(a) Er 与 Eadd 同相当 Eadd ,使得,直到：,72,转子附加电动势的作用条件：恒转矩负载，Ir 不变(a),当 Eadd ,转速下降；,使得,(b) Er 与 Eadd

43、反相 同理可知，若串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。 结论：在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。,时便进入新的稳定状态。,直到,73,当 Eadd 转速下降；使得(b) Er 与 Eadd反,(4) 异步电机的功率关系及五种工况,忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的功率关系都可写作,（-4）,式中 Pm 从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率； sPm 输入或输出转子电路的功率，即转差功率； (1-s)Pm 电机轴上输出或输入的功率。,由于转子侧串入附加电动势极性和大小的不同， s 和 Pm 都可正可负，因而可以有以下

44、五种不同的工作情况。,74,(4) 异步电机的功率关系及五种工况 忽略机械损耗和,异步电机双馈调速的五种工况,电机在次同步转速下作电动运行-串级调速电机在反转时作倒拉制动运行电机在超同步转速下作回馈制动运行电机在超同步转速下作电动运行电机在次同步转速下作回馈制动运行,75,异步电机双馈调速的五种工况 电机在次同步转速下作电动运行-,电机在次 (低) 同步转速下作电动运行,工作条件： 原来转子短路，不接反电动势，电机稳态运行。 然后转子侧每相加上与 Er0 反相的附加电动势 -Eadd（Eadd 0,输出机械功率：P2=(1-s)Pm0转差功率：Ps=sPm0,76,电机在次 (低) 同步转速下

45、作电动运行工作条件：76,功率流程,77,功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU00,(1) 基本思路 如前所述，在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？ 对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。 这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。,1.5.4 串级调速系统的工作原理,78,(1) 基本思路1.5.4 串级调速系统

46、的工作原理 78,(2) 对直流附加电动势的技术要求,首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。,(3) 系统方案,根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置 (有源逆变器) 作为产生附加直流电动势的电源。 按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统，习惯上称之为电气串级调速系统（或称Scherbius系统）。,79,(2) 对直流附加电动势的技术要求 首先，它应该是可平滑调节,双馈调速：转子回路中串交流电势的调速

47、叫双馈调速串级调速：转子回路中串直流电势的调速叫串级调速。串级调速系统的组成：绕线转子异步电动机、三相桥式二极管整流器、三相桥式晶闸管有源逆变器、逆变变压器、滤波电抗器等。核心部分是有源逆变器和转子整流器。 串级调速的基本能量关系：是串入附加电动势，吸收转子降速引起的转差功率，并将吸收的功率回馈电网。系统组成见下页。,80,双馈调速：转子回路中串交流电势的调速叫双馈调速80,电气串级调速系统原理图,(4) 系统组成,T2,转子整流器,有源逆变器,81,电气串级调速系统原理图 (4) 系统组成T2转子整流器有源,功率变换单元,UR 三相不可控整流装置(转子整流器），将异步电机转子相电动势 sEr

48、0 整流为直流电压 Ud 。UI 三相可控整流装置，工作在有源逆变状态（有源逆变器）。其功能如下：a) 可提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所需的附 加直流电动势；b) 可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。,转子直流回路电压方程：,（-）,为工作在逆变状态的可控整流装置UI的逆变角，R为转子直流回路总电阻。 可见，转差率s与Id和有确定的关系。,82,功率变换单元UR 三相不可控整流装置(转子整流器），将异,(5) 工作原理分析,（a）起动起动条件 对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流 Ir 或足够大的整流后直流电流 Id ，为此，转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间

49、应有较大的差值。,控制逆变角 ，使在起动开始的瞬间，Ud与 Ui 的差值能产生足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大 角以减小值 Ui ，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。,起动控制（启动时s=1, 加速后n增加，s降低）,83,(5) 工作原理分析（a）起动控制逆变角 ，使在起动开始,（b）调速调速原理：通过改变 角的大小调节电动机的转速。调速过程：,同理减小 角时可使电动机在降低了的转速下稳定运行。,直到：系统稳定。,84,（b）调速同理减小 角时可使电动机在降低了的转速下稳定运,结 论：,串

50、级调速系统能够靠调节逆变角 实现平滑无级调速系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。,（c） 停车 串级调速系统没有制动停车功能。由于转子连接的是不可控的整流装置，因此不可能向转子输入电功率，只能靠减小 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。,85,结 论：串级调速系统能够靠调节逆变角 实现平滑无级,(6) 串级调速系统的效率分析,串级调速系统效率分析a)系统的功率传递 b)系统的功率流程图,86,(6) 串级调速系统的效率分析串级调速系统效率分析86,a) 串级调速系统功率流程,在串级调速时，Ps未被全部消耗掉，