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1、第 七 章,交流异步电动机的其他调速方法,自动控制系统,内容提要,交流调压调速系统转差功率消耗型调速系统绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率回馈型调速系统,第一节 交流调压调速转差功率消耗型调速系统,一、交流调压调速系统的特性及组成,（一）异步电动机改变电压时的机械特性,异步电动机的电磁转矩为,（7-1）,式（7-1）就是异步电机的机械特性方程式。它表明，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。这样，不同电压下的机械特性便如图7-7所示，图中，UsN表示额定定子电压。,异步电动机机械特性,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转
2、矩负载特性,图7-7 异步电动机在不同电压下的机械特性,最大转矩公式,将式（7-1）对s求导，并令dTM/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩（7-2）（7-3）,由图7-7可见，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。如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。,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速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图7-8。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
3、种电机又称作交流力矩电机。,UsN,0.7UsN,A,B,C,0.5UsN,恒转矩负载特性,图7-8 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,（二）闭环控制的变压调速系统及其静特性,采用普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变化时静差率很大（见图7-8），开环控制很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围D大于2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图7-9a）。,1.系统组成,图7-9 转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统,-,Uc,n,2.系统静特性,图7-9b所示的是闭环控制变压
4、调速系统的静特性。当系统带负载在 A 点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A。,按照反馈控制规律，将A、A、A连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。,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调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平
5、行地上下移动，达到调速的目的。,变压调速系统的特点,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。,3.系统静态结框构,Ks,n=f(Us，Te),ASR,U*n,Un,Uc,Us,-,-TL,n,图7-10 异步电机调压调速系统的静态结构框图,图中：Ks=Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；=Un/n 为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；n=f(U1
6、，TM)是异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。,稳态时 Un*=Un=n TM=TL 根据负载需要的 n 和TL 可计算出或用机械特性图解法求出所需的 U1 以及相应的 Uc。,（三）近似的动态结构框图,对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构框图。由系统的静态结构图（图7-10）可以直接得到动态结构图如图7-11所示。,系统动态结构,1）转速调节器ASR,转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为,2）晶闸管交流调压器和触发装置,如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。传递函数可写成,其近似条件是 对于三相全波Y联结调压电路，可取 Ts=3.3m
7、s 对其他型式的调压电路则须另行考虑。,测速反馈环节,考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成,异步电机近似的传递函数,异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。,（1）异步电机近似的线性机械特性,由式（7-1）已知电磁转矩为当 s 很小时，可以认为,且,后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下（7-4）这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。,（2）稳态工作点计算,设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上
8、（7-5）在A点附近有微小偏差时，TM=TMA+TM，U1=U1A+U1，而 s=s1+s，代入式（7-4）得,（3）微偏线性化,将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则（7-6）,已知转差率，其中1是同步角转速，是转子角转速，则(7-8),从式（7-6）中减去式（7-5），得（7-7）,将式（7-8）代入式（7-7），得（7-9）式（7-9）就是在稳态工作点附近微偏量T与U1和间的关系。,带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为 按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为（7-11）,将式（7-9）和（7-11）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时
9、的微偏线性化动态结构图，如图7-12所示。如果只考虑U1到之间的传递函数，可先取 TL=0，图7-12中闭环传递函数可变换成,（4）近似动态结构框图,3np,1R2,2U1AsA,3npU 21A,12 R2,np,Js,U1,TM,TL,+,-,-,图7-12 异步电机微偏线性化的近似动态结构框图,（5）异步电机的近似线性化传递函数,于是，异步电机的近似线性化传递函数为,式中 KMA 异步电机的传递系数，Tm 异步电机拖动系统的机电时间常数，,由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即 把得到的四个传递函数式写入图7-11中各方框内，即得异步电
10、机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构框图。,最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构框图时要注意下述两点：（1）由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于大范围启、制动时动态响应指标的计算。（2）由于忽略了漏感电磁惯性，分析与计算结果是比较粗略的。,小 结,掌握交流调压调速系统组成及工作原理了解动态结构图的构建过程以及系统的非线性性质和线性化方法。,第二节,绕线转子异步电动机串级调速系统转差功率回馈型调速系统,主要内容,串级调速原理及基本类型双闭环控制的串级调速系统串级调速系统性能的讨论,一、串级调速原理及基本类型,1.转子回路串电阻调速法
11、改变外界电阻的大小，以增减转子回路电流，从而改变消耗在转子回路的转差功率，进而影响转差率，达到调速的目的。但转差功率是一种无益转子的热能损失，它使系统的整体效率降低，因此，这种系统只适用于小功率绕线转子异步电动机及调速范围不宽的场合。,2.转子附加电动势调速法,在转子回路引入一个附加电动势 Ef，且令Ef的频率和转子电动势Er的频率相等，则转子回路的总电动势即为转子电动势和附加电动势的代数和，从而使转子电流随着二者的相互关系而变化，如果对电动势的方向及数值加以控制，就会得到性能优越的调速。该调速方法首先是节省了电阻上的热能损耗；其次是改变附加电动势的大小和方向十分灵活、方便，可做到平滑无级调速
12、。,要通过异步电动机的转子绕组与外界实现电气联接，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。,（一）异步电动机转子附加电动势的作用 及调速原理,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；E20 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。,(7-15),转子相电流的表达式为式中 R2 转子绕组每相电阻；X20 s=1时的转子绕组每相漏抗。,转子附加电动势,异步电动机在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。,引入可控的交流附加电动势,有附加电动势时的转子相电流：绕线转子异步电动机在外接附加
13、电动势时，转子回路的相电流表达式,(7-17),转子附加电动势的作用,1.Er 与 Eadd 同相当 Eadd 使得这里,转速上升,当 Eadd 使得这里,转速下降,2.E2 与 Eadd反相 同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。所以，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。,这种异步电动机转子回路中附加电动势的调速方法，称为异步电动机串级调速。如果引入的附加电动势和转子电动势反相，则转子回路电流只能低于额定转子电流，对应产生低于同步转速的速度，称为低同步串级调速。同理，加入同相附加电动势，则系统能产生高于同步转速的速度，称为超同
14、步串级调速。,（二）电气串级调速系统的工作原理,在异步电动机转子中引入可控的交流附加电动势，固然可以改变异步电动机的转速，但由于异步电动机转子感应电动势的频率随转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必须随异步电动机的转速而变化。这种调速方法就相当于在转子侧加入一个可变频、调压的调速方法，这将使控制线路结构十分复杂。,由于直流电量不存在频率与相位的问题，直流电压又易获得，所以可以考虑将异步电动机转子电动势先整流成直流电动势，然后串入一直流附加电动势，而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。,对直流附加电动势的要求：,首先，它应该是平滑可调的，以满足对异步电动机的平滑调速要求。其次
15、，从功率传递的角度来看，希望它能吸收从异步电动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用。比如把能量回馈电网，而不让它无谓地损耗掉，那就可以大大提高调速系统的效率。,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如图7-15所示，习惯上称之为电气串级调速系统（或称Scherbius系统）。,图7-15 电气串级调速系统原理图,系统组成,动画,UR 三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势 sEr0 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：
16、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；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。,工作原理,（1）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 I2 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 间应有较大的差值。,起动控制,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。,（2）调速调速原理：通过改变 角的大小调节电动机的转速。调
17、速过程：,（3）停车 串级调速系统没有制动停车功能。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。,结 论,串级调速系统能够靠调节逆变角 实现平滑无级调速；由于异步电动机的转差功率能通过转子整流器变换为直流功率，再通过逆变器变换为交流功率而回馈到交流电网，这就解决了一般转差功率消耗型调速法存在的不足问题。大大提高了调速系统的效率。,从图7-15中可以看出，异步电动机相当于转子整流器的供电电源。如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。但是，两者之间
18、的差异是什么？,思考：,一般整流电路接固定频率和幅值的电源，而转子电动势的幅值与频率则随异步电动机的转速而变化；专用整流变压器漏抗比较小，虽然会引起换相重叠角，但重叠角不大，而异步电动机折算至转子侧的等值电抗则大得多，且与转子频率有关，使换相重叠现象严重，甚至会造成强迫换流延迟现象，必须专门加以考虑；正常的整流器工作在额定负载以下，而异步电动机转子回路内的电流变化则很大，起动电流或过载电流往往超过额定值很多，这不仅加重了换相重叠现象，而且对元件参数选择也有影响。,整流电路的不同点,三、双闭环控制的串级调速系统,由于串级调速系统静态特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场
19、合。为了提高静态调速精度以及获得较好的动态特性，可以采用反馈控制。与直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，所以系统不能产生电气制动作用。而所谓动态性能的改善一般只是指起动与加速过程性能的改善，而减速过程只能靠负载作用自由降速。,双闭环控制的串级调速系统,1.闭环控制系统的组成,控制环节说明,图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为=min。,
20、系统在突加给定起动时的动态过程与直流调速系统一样。起动初期，速度调节器处于饱和输出状态，系统相当于转速开环。,系统分析：,随着起动过程的进行，电流调节器的输出增大，使逆变器的逆变角增大，逆变电压 Ui减少，打破了起动开始瞬间逆变电压大于异步电动机转子不动时的整流电压 Ud0的条件，产生直流电流Id，使异步电动机产生电磁转矩而加速起动。在异步电动机转速未到达给定值以前，调速系统始终由电流环起电流跟踪作用以维持动态电流Id为恒定，并使加速过程中逆变电压与转子整流器输出电压的变化速率相同。,直到异步电动机的转速超调，速度调节器退出饱和，转速环才投入工作，以保证最终获得与给定转速相一致的实际转速。,小 结,1.掌握异步电机串机级调速的基本工作原理；2.了解双闭环控制的串级调速系统组成及原理。,
