華科 第5章(電力拖動控制系統(tǒng))資料

1、5.1.1 交流調(diào)速的發(fā)展(fzhn)概況交流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)：由交流電動機拖動、電機轉(zhuǎn)速為控制目標的電力拖動自動控制系統(tǒng)直流電動機優(yōu)點：調(diào)速性能好直流電動機缺點：體積大、容量小、制造成本高、有機械換向裝置，維護困難 20世紀70年代，研究開發(fā)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，期望用它來節(jié)約能源。 同期，電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、各種控制理論、計算機控制技術(shù)的 飛速發(fā)展，為交流調(diào)速電力拖動的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。交流電動機優(yōu)點 ：結(jié)構(gòu)簡單可靠，維護少，無機械換向火花，制造成本低51 交流調(diào)速系統(tǒng)概述 20世紀80年代，原有的交直流調(diào)速拖動系統(tǒng)的分工格局被逐漸打破。 目前的許多交流調(diào)速系統(tǒng)在裝置容量上

2、、動靜態(tài)性能上、可四象限運 行的要求上，以至在系統(tǒng)制造成本上都可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 第5章 異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 20世紀90年代，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)占到了調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。 共十九頁勵磁(l c)同步電動機 5.1.2交流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的分類交流電動機異步電動機 永磁同步電動機 無刷直流電動機及開關(guān)磁阻電動機都滿足“定子電流的頻率與轉(zhuǎn)速有嚴格比例關(guān)系”的條件，所以也把它歸入同步電動機。 當電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率有嚴格比例關(guān)系的電動機稱同步電動機，無嚴格比例關(guān)系的電動機稱異步電動機。特種同步電動機 無刷直流電動機開關(guān)磁阻電動機直流無換向器電動機交流無換向器電動機 交流電動

3、機是定子繞組通入交流電(或周期脈沖電流)的電機，其定子磁動勢是一個旋轉(zhuǎn)(或步進旋轉(zhuǎn))的磁動勢。同步電動機 共十九頁交流(jioli)調(diào)速系統(tǒng)的分類電動機類別調(diào)速原理電力電子變換器形式變換器的電源特性異步電動機繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機串級調(diào)速（變轉(zhuǎn)差）交直交變頻（整流有源逆變）交交變頻電流源型鼠籠式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機調(diào)壓調(diào)速交流調(diào)壓電壓源型變頻調(diào)速，他控式變頻調(diào)速，矢量控制交直交變頻（整流無源逆變）交交變頻電流源型電壓源型同步電動機常規(guī)意義同步電動機無換向器電機變頻調(diào)速，自控式交直交變頻（可控整流有源逆變）交交變頻電流源型無刷直流電動機變頻調(diào)速，自控式交直交變頻電壓源型開關(guān)磁阻電動機變頻調(diào)速，自控式交直

4、交，（單極性脈動電流）共十九頁5.1.3 異步電動機調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的分類1.異步電動機功率(gngl)(能量)圖從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率總機械功率轉(zhuǎn)子銅耗（轉(zhuǎn)差功率）定義：轉(zhuǎn)差功率 Ps s Pm共十九頁2.常見的異步電動機調(diào)速類別（按主要特征(tzhng)分類） 調(diào)壓調(diào)速； 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子回路(hul)串電阻調(diào)速；串級調(diào)速； 變極調(diào)速；變頻調(diào)速； 定子回路串電抗調(diào)速。 3 調(diào)速系統(tǒng)按所改變的物理量分類 （1）變頻調(diào)速 （2）變極調(diào)速 （3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 4. 按轉(zhuǎn)差功率Ps 去向分類（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型（系統(tǒng)效率較低） （2）轉(zhuǎn)差功率回饋型（把部份轉(zhuǎn)差功率送回電網(wǎng)）

5、（系統(tǒng)效率稍高） （3）轉(zhuǎn)差功率不變型（系統(tǒng)效率最高） 共十九頁5.2 異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)（交調(diào)系統(tǒng)(xtng)） 該系統(tǒng)(xtng)使用的電動機一般是鼠籠型異步電動機。5.2.1 異步電動機調(diào)壓時的開環(huán)機械特性 低轉(zhuǎn)差率電動機調(diào)壓調(diào)速時的開環(huán)機械特性 當電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，盡管電壓改變很大，但速度的變化并不大。系統(tǒng)能調(diào)速的最大區(qū)域只在轉(zhuǎn)差率 之間 當電動機拖動風機、泵類負載時不再受Sm的限制， 異步電動機的固有機械特性方程 風機泵類負載恒轉(zhuǎn)矩負載 ，為減小損耗，電動機在額定點的轉(zhuǎn)差率一般在0.020.06之間，最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率也較小，在0.15左右共十九頁異步電動機調(diào)壓

6、調(diào)速時的開環(huán)機械(jxi)特性高轉(zhuǎn)差率電動機交流力矩電動機為了能在恒轉(zhuǎn)矩負載(fzi)下擴大調(diào)壓調(diào)速的范圍，這就要求電動機有較大的Sm可以使用高轉(zhuǎn)差率電動機或者交流力矩電動機，這兩類電機通過增大轉(zhuǎn)子電阻使電機的機械特性變軟，Sm增大，拓寬了低速運行區(qū) 。 交流力矩電動機允許電動機長期堵轉(zhuǎn)及低速運行， Sm等于1，電動機的主要技術(shù)參數(shù)就是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，額定點就是堵轉(zhuǎn)點。 高轉(zhuǎn)差率電動機兼顧了高速及低速的性能，額定轉(zhuǎn)差率一般在0.070.13之間， Sm一般在0.5左右，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也較大，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩。 共十九頁5.2.2 調(diào)壓調(diào)速主電路(dinl)串聯(lián)分段(fn dun)電抗器降壓 串聯(lián)飽和電

7、抗器降壓 串聯(lián)飽和電抗器降壓降壓調(diào)速原理缺點：需體積龐大且笨重的設(shè)備，自電力電子技術(shù)發(fā)展起來已很少采用。自耦變壓器調(diào)壓 現(xiàn)在調(diào)壓調(diào)速設(shè)備一般采用由晶閘管構(gòu)成的負載Y接法的晶閘管相控交流調(diào)壓器 VVC為相控交流調(diào)壓器，由三只雙向晶閘管或三對反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成，電動機定子繞組接成Y接法 V VC工作原理早期的 方法有： VR為可控整流橋，制動時用共十九頁5.2.3 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的系統(tǒng)(xtng)原理圖 異步電動機速度單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)控制的對象(duxing)：電動機的端電壓 速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出： 電壓指令信號 交流調(diào)壓器的輸出電壓 U1與移相控制角之間有確定的對應(yīng)關(guān)系，U

8、1 與是一一對應(yīng)且是唯一的，因此速度調(diào)節(jié)器的輸出可直接作為角的指令值而不必再加電壓閉環(huán) 限流環(huán)節(jié)檢測異步電動機的定子電流，與給定的限流值進行比較 GB框內(nèi)的曲線是其輸入輸出曲線 帶電流限流環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)共十九頁不但(bdn)與 角的大小有關(guān)，還與負載的功率因數(shù)角有關(guān)。 VVC，5.2.4 系統(tǒng)(xtng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其靜特性異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ASR是速度調(diào)節(jié)器，采用PI調(diào)節(jié)器 該系統(tǒng)與直流VM系統(tǒng)有許多本質(zhì)上的不同之處 是一個復(fù)雜的非線性函數(shù)，且 、 也不是一個定值，隨電機轉(zhuǎn)速變化而大幅度變化可見用穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖計算求解某些性能或確定控制調(diào)節(jié)參數(shù)時其結(jié)果是近似的。 只要改

9、變轉(zhuǎn)速給定信號就可以使靜特性平行地上下移動，達到調(diào)速的目的。 靜特性 是一個無靜差的系統(tǒng) 左、右極限 異步電機，共十九頁5.2.5 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的制動 交調(diào)系統(tǒng)制動時，通常采用在定子繞組(roz)中通入直流電流（能耗制動）的方法。 可控制整流橋VR就是為制動而設(shè)置的。1C斷開、2C閉合、VR工作時，異步電動機將進入制動狀態(tài)，直到電機停轉(zhuǎn)。 通直流時，電機繞組的兩種常用接法： 調(diào)節(jié)可控整流電路輸出電流Id 的大小，就可改變合成磁勢Fs 的大小,就改變了制動轉(zhuǎn)矩的大小。共十九頁a) 等效電路圖 b)波形圖 觸發(fā)VT1、VT6工作，恒關(guān)斷VT2、VT3、VT4、VT5，則A、B兩相的

10、繞組反向串聯(lián)(chunlin)后接在一個半波整流電路的輸出端上 改變控制角的大小，可改變平均(pngjn)制動轉(zhuǎn)矩的大小。 利用交流調(diào)壓器主電路來實現(xiàn)制動時制動轉(zhuǎn)矩一般較小，轉(zhuǎn)矩脈動較大。 能耗制動時，電源輸入的能量消耗在電機的定子繞組上，拖動系統(tǒng)機械能所轉(zhuǎn)變成的電能都消耗在電機的轉(zhuǎn)子繞組上， 利用交流調(diào)壓器的主電路來實現(xiàn)能耗制動發(fā)熱嚴重。共十九頁5.2.6 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的效率及電機(dinj)冷卻當電動機轉(zhuǎn)速降低（s增大）時，電動轉(zhuǎn)子(zhun z)銅耗增加，電動機的效率下降，電動機的發(fā)熱將增加。交流力矩電機：電動機的設(shè)計就允許電機長期堵轉(zhuǎn)運行，電機出廠時就帶有他扇冷式的強迫通風系統(tǒng)，對

11、這類電動機不用再考慮發(fā)熱問題。 低轉(zhuǎn)差率電機：電機只能在轉(zhuǎn)差小于額定轉(zhuǎn)差下連續(xù)運行，低速運行時一方面電機發(fā)熱增加，另一方面因轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)軸上風扇的通風效果減弱，使電機會產(chǎn)生過熱。這類電機只能短時間內(nèi)低速運行，或應(yīng)重新考慮電動機的散熱條件，防止電機過熱而燒毀。高轉(zhuǎn)差率電動機：介于上述兩種電機之間，使用中根據(jù)實際的工況來決定是否需要加強電動機通風冷卻系統(tǒng)。 效率及電機發(fā)熱 電機冷卻共十九頁5.2.7 系統(tǒng)(xtng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 交流電動機中的機、電、磁三種物理量的多變量之間的強耦合，參數(shù)的時變性及參數(shù)之間關(guān)系的非線性，使得建立交流調(diào)速系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型極為(j wi)困難。 只能在一些強假定條件

12、下簡化后，來建立其近似的數(shù)學(xué)模型： 異步電動機的微偏線性化近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 傳遞函數(shù)為： 共十九頁53 異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的應(yīng)用與節(jié)能缺點：調(diào)速范圍不大，調(diào)速精度低，調(diào)速時電機(dinj)發(fā)熱嚴重優(yōu)點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，成本低廉主要的應(yīng)用領(lǐng)域 1需要調(diào)速運行的場合2異步電動機“軟起動”裝置3風機、泵類的調(diào)速節(jié)能 交流調(diào)壓象限，能耗制動象限，配合接觸器四象限 因此，需要調(diào)速運行的工作機械或負載，理論上都可以使用調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn) ，例“交調(diào)”電梯。（注意：選用合適電機，電機冷卻問題） 異步電動機的“軟起動裝置”：利用帶有限流環(huán)節(jié)的交流調(diào)壓器 就可實現(xiàn)異步電動機的降壓起動，起動電流

13、的最大值可限定。 若使軟起動裝置同時帶有一定的調(diào)速功能，則稱之為： 異步電動機的“多功能控制器”。 風機、泵類的調(diào)速節(jié)能是調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用得最多的領(lǐng)域之一。共十九頁風機(fn j)、泵類的調(diào)速節(jié)能 應(yīng)用條件風機、水泵用不調(diào)速的交流電機，依賴于風門檔板和閥門來調(diào)節(jié)(tioji)流量，使大量的電功率白白消耗在檔板和閥門上。 選用的理由風機、水泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，因此對調(diào)速范圍的要求不大，調(diào)速的精度要求也不高，動態(tài)響應(yīng)更是幾乎沒有要求，這些特征都使廉價的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)成為風機、水泵調(diào)速改造的首選系統(tǒng)。 節(jié)能原理當轉(zhuǎn)速下降時，電機損耗增加，效率降低，電機本身在這個過程中不

14、但沒有節(jié)能，反而是增加了損耗。但風機、水泵節(jié)省的能量大于電機所增加的損耗，從總體效果上看是節(jié)能了。轉(zhuǎn)速（r/min)輸出功率(kW)轉(zhuǎn)差功率(kW )輸入功率(kW)電機原狀態(tài)1450 (s=0.0333)1003.45103.45電機現(xiàn)狀態(tài)1305 (s=0.13)1000.93 =72.910.8983.79共十九頁5.4 電磁(dinc)轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)同極性磁場的電磁轉(zhuǎn)差離合器結(jié)構(gòu)圖1.從動軸 2.左端蓋 3.磁通4.勵磁線圈 5.機座 6.圓筒形電樞7.齒輪(chln)形磁極 8.異步電動機 9.主動軸異極性磁場分布的電磁轉(zhuǎn)差離合器 電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生示意圖 工作原理 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理（以異極性磁場為例） 在同一轉(zhuǎn)差下，轉(zhuǎn)矩隨勵磁電流的增大而增大 在同一勵磁電流下，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差的增大而增大共十九頁電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)(xtng)原理圖 靜特性(txng)理想空載點的轉(zhuǎn)速為異步電動機轉(zhuǎn)速n，而不是同步速n1 無靜差調(diào)速系統(tǒng) 速度單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 共十九頁內(nèi)容摘要5.1.1 交流調(diào)速的發(fā)展概況。20世紀80年代，原有的交直流調(diào)速拖動系統(tǒng)的分工格局被逐漸打破。繞線轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速。為了(wi le)能在恒轉(zhuǎn)矩負載下擴大調(diào)壓調(diào)速的