第6章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版)

电力拖动自动控制系统—运动控制系统第6章基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的异步电动机调速在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。基于稳态模型的调速方法常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。内容提要异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机调压调速异步电动机变压变频调速电力电子变压变频器转速开环变压变频调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统6.1异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。6.1.1异步电动机稳态数学模型转差率与转速的关系11nnsn1(1)nsn或电动机极对数供电电源频率同步转速1160pfnn1fpn异步电动机稳态等值电路图6-1异步电动机T型等值电路假定条件：①忽略空间和时间谐波，②忽略磁饱和，③忽略铁损异步电动机稳态等值电路式中转子相电流（折合到定子侧）2'1212'1'lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111异步电动机稳态等值电路图6-2异步电动机简化等值电路忽略励磁电流异步电动机稳态等值电路2'212''lrlsrssrsLLsRRUII简化等值电路的相电流异步电动机的机械特性异步电动机传递的电磁功率机械同步角速度sRIPrrm'2'3pmn11异步电动机的机械特性异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）2'2122'1'22'212'1'2'2'113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT异步电动机的机械特性对s求导，并令0dsdTe最大转矩，又称临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性临界转差率：对应最大转矩的转差率2'212')(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开2'222'2'22'112'22'222''2113232psresrsrlslrpsrlslrssrrnURsTsRRsRRsLLnURsLLsRssRRR异步电动机的机械特性当s很小时，忽略分母中含s各项2'13psernUsTsR转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线异步电动机的机械特性当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线2'222'1131psreslslrnURTssRLL异步电动机的机械特性异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性。图6-3异步电动机的机械特性6.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLL异步电动机的气隙磁通三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44ΦSgsmNEfNk14.44ΦSsgsmNUEfNk异步电动机的气隙磁通气隙磁通为了保持气隙磁通恒定，应使11Φ//mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为6.2异步电动机调压调速保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。异步电动机调压调速调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变气隙磁通随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn1Φ4.44SsmsNUfNk6.2.1异步电动机调压调速主电路图6-4晶闸管交流调压器调速TVC——双向晶闸管交流调压器a)不可逆电路b)可逆电路6.2.2异步电动机调压调速的机械特性可调调压调速的机械特性表达式2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLLsU电磁转矩与定子电压的平方成正比6.2.2异步电动机调压调速的机械特性临界转差率保持不变理想空载转速保持为同步转速不变01Nnn2'212')(lrlssrmLLRRs6.2.2异步电动机调压调速的机械特性临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT随定子电压的减小而成平方比地下降6.2.2异步电动机调压调速的机械特性图6-5异步电动机调压调速的机械特性6.2.2异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。0mss6.2.2异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。11LmmLpTPTn1LT、均为常数6.2.2异步电动机调压调速的机械特性转差功率随着转差率的加大而增加。带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。1LsmmLpTPsPsTsn6.2.2异步电动机调压调速的机械特性增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。缺点是机械特性较软。图6-6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6.2.3闭环控制的调压调速系统要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，往往须采用带转速反馈的闭环控制系统。图6-7带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统6.2.3闭环控制的调压调速系统当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。6.2.3闭环控制的调压调速系统静特性左右两边都有极限，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。图6-8转速闭环控制的交流调压调速系统静特性sNUminsU*6.2.4降压控制应用三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。2'212''lrlsrssrstsstLLRRUII2'22'2'113psrestsrlslrnURTRRLL*6.2.4降压控制应用中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。*软起动器当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。*6.2.4降压控制应用三相异步电动机运行时的总损耗smechCurFeCuspppppp电机的运行效率pPPPP2212*轻载降压运行为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。6.3异步电动机变压变频调速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn260601116.3.1变压变频调速的基本原理异步电动机的实际转速1111(1)nsnnsnnn稳态速降1snn随负载大小变化气隙磁通控制只要控制14.44ΦSgsmNEfNk14.44ΦSsgsmNUEfNk便可控制气隙磁通基频以下调速当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速当频率从额定值向下调节时，必须使14.44ΦSgsNmNENkf常值基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。基频以下调速恒压频比的控制方式当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，gsEU基频以下调速低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。基频以下调速通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。a——无补偿b——带定子电压补偿图6-9恒压频比控制特性基频以上调速在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速图6-10异步电动机变压变频调速的控制特性6.3.2变压变频调速时的机械特性基频以下采用恒压频比控制异步电动机机械特性方程式改写为2'2122''121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速当s很小时，忽略上式分母中含s各项，sRsUnTrspe'1213或21'13sperUnTRs基频以下调速对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。2'111210602reeppsRTnsnsTnnU基频以下调速临界转矩随着频率的降低而减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。2'21121)(123lrlsssspemLLRRUnT基频以下调速转差功率与转速无关，故称作转差功率不变型。'21213resmespRTPsPsTUn基频以上调速电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成临界转矩表达式2'2122'1'2)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT2'21212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基频以上调速临界转差当s很小时，忽略上式分母中含s各项2'212')(lrlssrmLLRRs2'13sNeprUsTnR或'21123repsNRTsnU基频以上调速带负载时的转速降落对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。'21112210602reppsNRTnsnsnnU基频以上调速转