第5章-基于稳态模型的异步电动机调速系统1

电力拖动自动控制系统—运动控制系统第2篇交流调速系统在20世纪上半叶，由于交流电动机调速困难，可调速拖动一般都采用直流传动。直流电机具有电刷和换相器，必须经常检查维修，换向火花使直流电机的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度。到20世纪60~70年代，电力电子技术、大规模集成电路的发展，具备了交流调速发展的技术基础。73年第一次世界石油危机爆发，促使工业界考虑节能问题，交流调速系统便应运而生。风机、水泵等负载的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，浪费能量。该类负载对调速范围和动态性能要求不高，只需要一般的调速性能，就能产生很好的节能效果。交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。目前主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速一般性能调速和节能调速风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足够了。需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属于一般性能调速。高性能的交流调速系统和伺服系统矢量控制技术、直接转矩控制可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。特大容量、极高转速的交流调速特大容量的电力拖动设备厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。交流调速系统的主要类型按交流电动机类型分类：交流电动机主要分为异步电动机（即感应电动机）和同步电动机两大类，每类电动机又有不同类型的调速系统。按交流电动机调速方法分类①转子串电阻调速②转差离合器调速③降定子电压调速④绕线转子电动机双馈（串级）调速⑤变极对数调速⑥变压变频调速等按电动机的转差功率分类20121016七1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。~~PmechPmPs转差功率即Pm=Pmech+PsPmech=(1–s)PmPs=sPm调速过程中转差功率是否增大，是消耗掉了，还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。1.异步电动机调速按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类：转差功率消耗型转差功率馈送型转差功率不变型转差功率消耗型全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。以增加转差功率的消耗来换取转速降低（恒转矩负载时），转速越低，效率也越低。结构简单，设备成本低，还有一定的应用价值。转差功率馈送型转差功率一小部分被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈调速系统。效率较高，只能采用绕线转子感应电动机。转差功率不变型变压变频调速，转子铜损基本不变，转子电路中没有附加的损耗，效率最高。须配置与电动机容量相当的变压变频器，设备成本最高。变极对数调速也是转差功率不变型调速系统，属于有级调速。2.同步电动机调速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。同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。同步电动机调速从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。两类交流调速控制方案基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。基于交流电动机的动态模型，能实现高动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。主要章节第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统第6章基于动态模型的异步电动机调速系统第7章绕线转子异步电动机串级和双馈调速系统第8章同步电动机调速系统电力拖动自动控制系统—运动控制系统第5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异步电机的结构Polyphaseinductionmachine异步电动机的结构定子stator：固定部分气隙airgap：很小，0.2-1mm对电机性能影响很大转子rotor：旋转部分异步电动机的定子定子铁芯core——磁路部分，放置定子绕组。一般采用导磁性能良好和比损耗小的0.5mm厚的电工硅钢片叠成。为了嵌放定子绕组，在定子铁芯内圆冲出许多形状相同的槽——定子槽slot。定子绕组statorwinding——电路部分——感应电势——双层短距绕组。机座——固定和支撑定子铁芯。定子铁芯定子槽形散嵌绕组成型绕组效率和功率因数较高绕组嵌线工艺复杂小容量及中型低压电机可嵌放成型线圈大型低压电动机绝缘放置可靠、绕组下线方便高压电动机可以减少主磁路的磁阻，减少激磁电流但嵌线不方便槽口宽度等于或略大于槽宽的一半槽口宽度等于槽宽定子绕组定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应用单层绕组。异步电动机的转子转子铁芯一般由硅钢片叠成。在转子铁芯上开有槽，以供放置或浇注转子绕组。转子绕组——产生感应电势、流过转子电流并产生电磁转矩。转轴shaft——固定转子鉄芯和转子绕组，两端安装有轴承。转子铁芯转子槽槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。小功率电动机，槽面积相对较大，转子电阻较小，运行性能较好较大功率电动机，槽面积相对较小，转子电阻较大，提高起动转矩获得更大的起动转矩，但槽型较复杂，工艺较差冲模简化，减小杂散损耗，但漏磁较大，运行时功率因素较低平行槽凸行槽刀行槽闭口槽转子绕组鼠笼式转子squirrel-cagerotor：焊接，铸铝。斜槽形式转轴shaft线绕转子woundrotor：铁芯上绕有一对称绕组，和定子绕组有相同的极数，常常制成相同的相数。通常采用对称的三相绕组，连接成星形。线绕转子绕组采用波绕组或叠绕组转子的一端装有三个集电环，各与转子绕组的三个起始端相连接。每个集电环上各有一电刷，通过电刷把转子绕组与外接变阻器相接。安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。异步电机的气隙airgap特点——气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1.5毫米。气隙大小对电机性能有很大的影响气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善启动性能。气隙小：按加工可能及机械安全所限制。为减小励磁电流，异步电动机的空气隙长度应为机械条件所容许达到的最小值5.1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。5.1.1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5-1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）11'2'22'1srrslslrUIRRLLsCC11111slslsmmRjLLjLCL异步电动机稳态等值电路图5-2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''2113232psresrsrlslrpsrlslrssrrnURsTsRRsRRsLLnURsLLsRsRRsR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5-3异步电动机的机械特性5.1.2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14.44ΦSgsmNEfNk气隙磁通1Φ/mgEf异步电动机的气隙磁通为了保持气隙磁通恒定，应使1gmEf常数s1Umf常数气隙磁通或近似为14.44ΦSsgsmNUEfNk由于忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降5.2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5.2.1异步电动机调压调速主电路图5-4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)可逆电路电压控制方式5.2.2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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异步电动机调压调速的机械特性图5-5异步电动机调压调速的机械特性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