運動控制系統(tǒng)-2交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)第七章1緒論電機與電力拖動系統(tǒng)發(fā)展概況20世紀70年代以前直到20世紀60-70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)用而生，直流調(diào)速一統(tǒng)江湖的格局終于被打破了。2直流電機被高精度的調(diào)速系統(tǒng)廣泛使用換向問題限制了裝機容量20世紀70年代以后調(diào)速系統(tǒng)格局緒論交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較直流電機交流電機結(jié)構(gòu)及制造有電刷

制造復(fù)雜無電刷

結(jié)構(gòu)簡單重量/功率約2倍1倍體積/功率約2倍1倍價格/功率幾倍1倍最大容量12MW~14MW幾十MW最大轉(zhuǎn)速1000r/min左右數(shù)千r/min最高電樞電壓1kv6kv~10kv安裝環(huán)境要求高要求低維護較多較少調(diào)速性能好復(fù)雜3緒論交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較交流調(diào)速VS直流調(diào)速1）在大功率負載情況下，交流調(diào)速性價比最優(yōu)2）交流調(diào)速系統(tǒng)可滿足高速運行要求3）在易燃易爆多塵場合，交流調(diào)速系統(tǒng)無需過多維護4）交流調(diào)速系統(tǒng)成本低5）交流電動機易于同某些生產(chǎn)機械行成機電一體化產(chǎn)品4緒論交流調(diào)速系統(tǒng)的難點直流電機轉(zhuǎn)矩方程：

5緒論交流調(diào)速系統(tǒng)的難點交流電機：6AXCZBY緒論交流調(diào)速系統(tǒng)的難點交流電機轉(zhuǎn)矩方程：

定子的3相交變電流

因此決定交流電機轉(zhuǎn)矩的電樞電流和氣隙磁通是一對相互耦合的非獨立變量7第七章概述異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維修工作量小等優(yōu)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，靜止式變頻器的誕生，異步電動機在速度可調(diào)拖動中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。對調(diào)速系統(tǒng)分析的一般思路：物理模型-等效電路數(shù)學(xué)模型機械特性方程調(diào)速性能深入分析

87.1-7.2交流調(diào)速系統(tǒng)原理第七章9第七章7.1異步電動機穩(wěn)態(tài)模型異步電動機的數(shù)學(xué)模型包括穩(wěn)態(tài)等效電路和機械特性穩(wěn)態(tài)等效電路描述了一定轉(zhuǎn)差率下電動機的穩(wěn)態(tài)電氣特性電機機械特性表征轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率（Or轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系一、異步電動機的等效電路前提假設(shè)1）忽略空間和時間諧波2）忽略磁飽和3）忽略磁鐵損T型等效電路10第七章異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機T

型等效電路

轉(zhuǎn)差率：

同步轉(zhuǎn)速：

11第七章折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流幅值

電阻電感

其中：

（7-0）異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路12第七章

忽略勵磁電流

（7-1）異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路13第七章異步電動機的機械特性異步電動機傳遞的電磁功率

電氣特性機械特性

（7-2）14第七章異步電動機的機械特性調(diào)壓調(diào)速原理--變轉(zhuǎn)差功率調(diào)速異步電機機械特性曲線

臨界轉(zhuǎn)差：

15第七章異步電動機的機械特性調(diào)壓調(diào)速原理

各電壓下T-s曲線與負載曲線交點即運行點

16第七章異步電動機的機械特性交流力矩電動機通過以上分析，帶恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)差功率、減小輸出功率來換取轉(zhuǎn)速的降低所增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上如果增加轉(zhuǎn)子電阻值，可使臨界轉(zhuǎn)差率s加大，

從而擴大恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速范圍缺點：特性軟（斜率大）17第七章異步電動機的機械特性閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)以上是開環(huán)調(diào)速因此，要想獲得高性能控制高轉(zhuǎn)子電機：交流調(diào)速系統(tǒng)必須引入速度反饋，在速度閉環(huán)控制下，使異步電動機具有較硬的靜特性。調(diào)壓調(diào)速：調(diào)速范圍窄特性軟18第七章異步電動機的機械特性閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器ASR轉(zhuǎn)速反饋裝置晶閘管調(diào)壓異步電動機19第七章異步電動機的機械特性閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)最小輸出電壓系統(tǒng)靜特性左邊的極限最大輸出電壓系統(tǒng)靜特性右邊的極限20第七章7.1-7.2小結(jié)主要內(nèi)容調(diào)壓調(diào)速屬于變轉(zhuǎn)差功率調(diào)速，適合風(fēng)機、水泵類負載；對于恒轉(zhuǎn)矩負載工作點少；高轉(zhuǎn)子力矩電機可以擴大調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍，但是特性軟轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速可以獲得較高的調(diào)速性能，但是有左右極限的限制1）異步電機調(diào)速的分析思路；2）等效電路，電流、功率、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)矩等3）機械特性分析4）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理系統(tǒng)特點21第一次課結(jié)束22第七章23內(nèi)容回顧：運動控制系統(tǒng)的發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng)分類異步電動機調(diào)壓調(diào)速的工作原理調(diào)壓調(diào)速的機械特性高轉(zhuǎn)子力矩電動機交流電機的閉環(huán)調(diào)速原理晶閘管相控三相交流調(diào)壓主電路結(jié)構(gòu)7.2.5基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結(jié)構(gòu)圖第七章24圖7-8轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖速度比較環(huán)節(jié)：

速度調(diào)節(jié)器：PI調(diào)節(jié)器晶閘管交流調(diào)壓器：

電動機輸入與輸出關(guān)系：轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié):

7.2.5基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結(jié)構(gòu)圖第七章25

二者之間的關(guān)系可根據(jù)電動機的輸入、輸出關(guān)系計算7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用第七章26第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器（7-1）（7-2）令s=1起動電流起動轉(zhuǎn)矩啟動電流比較大啟動轉(zhuǎn)矩變化不大

27第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器小容量電機供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大，而供電線路并不太長，可以直接起動，操作也很簡便大容量電機起動電流大，會使電網(wǎng)電壓降落過大，影響其他用電設(shè)備的正常運行，使電動機起動不起來28第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用29圖7-11異步電動機的起動過程與電流沖擊1.軟起動器工作原理對于降壓啟動，傳統(tǒng)的方法有：自耦變壓器降壓啟動星-三角啟動定子串電阻或電抗軟啟動器在啟動過程中，通過控制晶閘管導(dǎo)通角，使三相輸出電壓按預(yù)設(shè)啟動曲線上升，電動機的啟動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速逐漸增加，達到控制啟動電流、縮短啟動時間的目的第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器工作模式幾種常見的啟動模式（1）斜坡升壓（2）斜坡恒流（3）脈沖沖擊起動首先要設(shè)置一個初始電壓，在規(guī)定的加速時間內(nèi)，使電動機兩端電壓均勻上升至全電壓，一定時間延時后，旁路接觸器閉合，電機起動過程結(jié)束，進入正常運行階段。只需使晶閘管導(dǎo)通角與時間成一定函數(shù)關(guān)系，不需要電流閉環(huán)控制，一般適用空載或輕載起動30第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器工作模式（2）斜坡恒流在電動機起動初始階段，起動電流增加到預(yù)先設(shè)定值I0后，電流值保持恒定,直到電動機的轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速旁路接觸器閉合，電動機電流迅速下降至額定電流Ie

以內(nèi)，起動過程完成起動過程電流的上升率可以根據(jù)電動機負載變化調(diào)整設(shè)定，電流上升速率大，則起動轉(zhuǎn)矩大，起動時間短。31第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器工作模式（3）脈沖沖擊在起動初期先提供短時的脈動轉(zhuǎn)矩，以克服負載的靜摩擦力，滿足較高起動轉(zhuǎn)矩的負載要求然后再進入斜坡升壓或者斜坡恒流的起動模式適用于負載靜摩擦力較大或帶較重負載起動的場合32第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器工作模式電流斜坡起動模式電流電壓雙閉環(huán)起動模式雙斜坡起動模式軟起器本質(zhì)屬于降壓起動裝置，是繼常用自耦變壓器降壓起動和Y-星型降壓起動之后，采用晶閘管和微處理器控制的電動機起動裝置，降壓范圍更寬，并且可以適當(dāng)調(diào)整，使電動機更好地“柔性”起動軟起器不足需要通過旁路接觸器切換到旁路正常運行狀態(tài)，即使在低電壓條件下，也會造成斷路器跳閘或損壞。切換遲了，會使電動機震動，影響負載正常運行，所以對旁路切換點的硬件檢測電路要求很高，相應(yīng)程序處理也要引起重視。33第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器停車模式34第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器停車模式（3）直流制動停車接到停車命令后晶閘管的調(diào)壓輸出控制停車過程可控直流電流制動時間可調(diào)，用于對停車時間和停車距離有要求的工作場合，因此又稱為精確停車控制，一般軟起動器不具備此種功能35第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用軟啟動器特點（5）軟起動器具有故障保護功能，可實現(xiàn)對晶閘管電路的短路、缺相、過熱、欠壓等方面的保護（1）起動電壓以一定的斜率上升，使電動機的電流逐漸增大，對電網(wǎng)無沖擊電流，同時減小了對負載的機械沖擊，（2）起動電壓上升率可依據(jù)不同負載進行調(diào)節(jié)，保證了起動過程平滑性，一般起動電壓應(yīng)在30%~70%額定電壓范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)（3）根據(jù)負載的具體要求，設(shè)定與負載相適應(yīng)的起動時間（4）軟起動器同時能夠?qū)崿F(xiàn)軟停車功能36第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能—能耗分析三相異步電動機運行時會有損耗，包括定子銅損耗pCus鐵損耗pFe轉(zhuǎn)子銅損耗pCur機械損耗pmech附加損耗ps總損耗表達式定子銅損鐵損轉(zhuǎn)子銅損

37第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能—轉(zhuǎn)子銅損電動機空載運行時，理論上因為P2=0，所以效率η=0。但在實際運行中由于生產(chǎn)機械總有一些摩擦負載，也就是說可算作輕載，電磁轉(zhuǎn)矩可表示成電動機正常運行時，氣隙磁通Φm基本不變，輕載時電磁轉(zhuǎn)矩很小，因此輕載時轉(zhuǎn)子電流很小，對應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損pCur

很小。38第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能—定子銅損由于定子電流為

受勵磁電流

的制約，定子電流Is

并沒有轉(zhuǎn)子電流降低得那么多，因此定子銅損沒有降很多，鐵損

pFe、機械損耗pmech、附加損耗ps

基本不變。因此輕載時式7-17的分母中所占的成分較大，效率η將急劇降低。

39第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能如果電動機長期輕載運行，將無謂地消耗許多電能，因此要設(shè)法減少輕載時的能量損耗?？蛰d時：轉(zhuǎn)子銅損：小定子銅損：與額定負載相當(dāng)定子鐵損及附加損耗：基本不變40第七章7.3調(diào)壓調(diào)速的應(yīng)用變壓節(jié)能-解決方案可降低定子電壓降低氣隙磁通Φm同時降低鐵損pFe

減少輕載時能量損耗

過分降低電壓和磁通，由式7-18可知，轉(zhuǎn)子電流