1、第一章交流調壓調速系統第一章交流調壓調速系統 一、引言一、引言 三相交流異步電動機的發明在電力拖動史上有著十三相交流異步電動機的發明在電力拖動史上有著十分重要的意義。因為它的轉子電路不需要和外電路相分重要的意義。因為它的轉子電路不需要和外電路相聯接，轉子繞組由兩側端部互相短接的銅條或鋁條聯接，轉子繞組由兩側端部互相短接的銅條或鋁條( (俗稱鼠籠條俗稱鼠籠條) )構成，可以自成回路，形狀象個構成，可以自成回路，形狀象個“鼠鼠籠籠”，故常稱為籠形電動機，如圖所示。，故常稱為籠形電動機，如圖所示。異步電動機交流電機的結構異步電動機交流電機的結構圖8-1 三相異步電動機的結構圖1-軸承蓋；2-端蓋；3

2、-接線盒；4-定子鐵心；5-定子繞組；6-散熱筋； 7-轉軸；8-轉子；9-風扇；10-罩殼；11-軸承；12機座123645789101112在所有電動機中，這種結構在簡單、堅固方面是首在所有電動機中，這種結構在簡單、堅固方面是首屈一指的。這帶來了使用壽命長、易于維修、以及價屈一指的。這帶來了使用壽命長、易于維修、以及價格低廉等極為突出的優點，使它在整個電力拖動領域格低廉等極為突出的優點，使它在整個電力拖動領域獨占鰲頭。獨占鰲頭。 在在2020世紀的大部分時間里，約占有整個電力拖動容世紀的大部分時間里，約占有整個電力拖動容量的量的80%80%的的不變速拖動不變速拖動系統都是采用的交流電動機，

3、系統都是采用的交流電動機，而只占而只占20%20%的高控制性能的高控制性能可調速的電力拖動可調速的電力拖動系統采用系統采用的是直流電動機。這幾乎已經成為一種舉世公認的格的是直流電動機。這幾乎已經成為一種舉世公認的格局。交流調速系統的調速方案雖然早已有多種發明并局。交流調速系統的調速方案雖然早已有多種發明并得到了實際應用，但由于其調速性能始終無法與直流得到了實際應用，但由于其調速性能始終無法與直流調速系統相匹配，所以一直沒有在高控制性能的調速調速系統相匹配，所以一直沒有在高控制性能的調速中得以使用。中得以使用。%s)91( 轉子轉速亦可由轉差率求得：轉子轉速亦可由轉差率求得：%100%10011

4、nnnnns)1 (60)1 (11spfsnn交流調速的基本方案交流調速的基本方案 由異步電動機的轉差率與轉速之間的關系：由異步電動機的轉差率與轉速之間的關系：)1 (60)1 (1111spfsnsnnn2pp122mrer22m1121212033/nn U rsPRTIsrrXXs異步電機的電磁轉矩為異步電機的電磁轉矩為（1-1） 式（1-1）就是異步電機的機械特性方程式。它表明，當轉速或轉差率一定時，電磁轉矩與電磁轉矩與定子電壓的平方成正比定子電壓的平方成正比。 這樣，不同電壓下的機械特性便如圖1-1所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。一一.異步電機的調壓調速原理異步電機的調壓調速原

5、理 異步電動機機械特性異步電動機機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性恒轉矩負載特性圖1-1 異步電動機不同電壓下的機械特性 由圖可見，帶恒轉矩負載工作時，普通籠型異步電機變電壓時的穩定工作點為A、B、C，轉差率s的變化范圍不超過0sm，調速范圍有限。如果帶風機類負載運行，則工作點為D、E、F，調速范圍可以大一些。2 2、最大轉矩公式、最大轉矩公式2rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT 最大轉矩時的靜差率和最大轉矩最大轉矩時的靜差率和最大轉矩（1-21-2）（1-31-3） 為了能在

6、恒轉矩負載下擴大調速范圍，并使電機能在較低轉速下運行而不致過熱，就要求電機轉子有較高的電阻值，這種電機又稱作交流力矩電機。 采用普通異步電機的變電壓調速時，調速范圍很窄，采用高轉子電阻的力矩電機可以增大調速范圍，但機械特性又變軟，因而當負載變化時靜差率很大，電機的機械特性如圖1-2。 交流力矩電機的機械特性交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉矩負載特性圖1-2 高轉子電阻電動機（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性 調壓調速常用的方法有調壓調速常用的方法有：l定子測串飽和電抗器 多余的能量被電阻以熱能的多余的能量被電阻以熱能的形式消耗掉形式消耗掉l定

7、子測加自耦變壓器 多余的能量的能量沒有被回多余的能量的能量沒有被回收收l晶閘管調壓 交流調壓器的主要形式交流調壓器的主要形式單相交流調壓電路單相交流調壓電路單相晶閘管交流調壓電路的種類很多，但是應用最廣的是反并聯電路。現在以此電路代表分析它帶電阻性及負載的工作情況。圖1-3 晶閘管單相調壓電路圖1-3所示為單相交流反并聯電路及其帶電阻性負載時的電壓電流波形圖。由圖可知，當電源電壓為正半周時，在控制角為的時刻觸發VS1使之導通，電壓過零時，VS1自行關斷。負半周時，在同一控制角下觸發VS2，如此不斷重復，負載上便得到正負對稱的交流電壓。改變晶閘管控制角的大小就可以改變交流電壓的大小。對于電阻性負

8、載其電流波形與電壓波形同相的。 晶閘管交流調壓的觸發電路在原理上與晶閘管整流所用的觸發電路使相同的，只是要使每周期輸出的兩個脈沖彼此沒有公共點且要有良好的絕緣。若晶閘管調壓電路帶電阻性負載，其電流波形由于電感上的電流不能突變而有滯后現象，其電路和波形如圖所示。 由于電感性負載中的電流的波形滯后于電壓的波形，因此，當電壓過零變為負的時候電流經過一個延遲角才能降到零，從而晶閘管也要經過一個延遲角才能關斷。延遲角的大小與控制角、負載功率因素角都有關系，這一點與單相整流電路帶電感性負載十分相似。 單相交流調壓電路單相交流調壓電路 RuouV1V22sin21RURUIoo圖 1-4 單相交流調壓電路0

9、ut0tuo0ug1t0ug2t圖 1-5 電阻性負載單相交流調壓電路工作波形 電阻性負載電阻性負載 在電源電壓在電源電壓u u 的正半周內，晶閘管的正半周內，晶閘管V V1 1承受正向電壓，承受正向電壓，當當tt時，觸發時，觸發V V1 1使其導通，則負載上得到缺使其導通，則負載上得到缺角的正弦半波電壓，當電源電壓過零時，角的正弦半波電壓，當電源電壓過零時，V V1 1管管電流下電流下降為零而關斷。降為零而關斷。 在電源電壓在電源電壓u u 的負半周，的負半周，V V2 2晶閘管承受正向電壓，晶閘管承受正向電壓，當當tt時，觸發時，觸發V V2 2使其導通，則負載上又得使其導通，則負載上又得

10、到缺到缺角的正弦負半波電壓。持續這樣的控制，在負角的正弦負半波電壓。持續這樣的控制，在負載電阻上便得到每半波缺載電阻上便得到每半波缺角的正弦電壓。改變角的正弦電壓。改變角角的大小，便改變了輸出電壓有效值的大小。的大小，便改變了輸出電壓有效值的大小。 設設 , , 隨著隨著角的增大，角的增大，U Uo o逐漸減逐漸減小小; ;當當時，時，U Uo o0 0。因此，單相交流調壓器對于。因此，單相交流調壓器對于電阻性負載，電阻性負載， 其電壓的輸出調節范圍為其電壓的輸出調節范圍為0 0U U，控制，控制角角的移相范圍為的移相范圍為0 0。2sinuUt輸出電壓與輸出電壓與a 的關系的關系: : 移相

11、范圍為0 a 。a =0時，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨a的增大，Uo降低，a =時，Uo=0。功率因數功率因數與與a 的關系的關系： a =0時，功率因數=1，a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低阻感負載時：阻感負載時：負載的阻抗負載的阻抗：負載阻抗角負載阻抗角： arctanWLR22)(WLRZ設電路中電壓為設電路中電壓為)sin(2)(wtUtu假設電路中的晶閘管在假設電路中的晶閘管在t=0時刻觸發導通，時刻觸發導通，等效于此時觸發角為等效于此時觸發角為二.晶閘管三相調壓電路此時電路合閘的瞬時電流為：tLReZUwtZUt i)sin(2)sin(2)(11穩態分量，記為)(ti暫

12、態分量，記為()i t 感性負載的電流滯后電壓一個角度，對于異步電動感性負載的電流滯后電壓一個角度，對于異步電動機，電路的總阻抗隨轉差率機，電路的總阻抗隨轉差率S S的變化而變化，阻抗是變的變化而變化，阻抗是變化的，阻抗角就為變量化的，阻抗角就為變量 針對交流調壓器，晶閘管導通角針對交流調壓器，晶閘管導通角180180，再根，再根據據f f（, ）可繪出曲線，如圖）可繪出曲線，如圖1-6 1-6 所示。所示。 040801201401804080120140180 / / ( 153045607590) 下面分別就下面分別就 、 、 三種情況來三種情況來討論調壓電路的工作情況。討論調壓電路的工

13、作情況。(1) (1) 當當 時，時， 由式可由式可以判斷出導通角以判斷出導通角180180, , 正負半波電流斷續。正負半波電流斷續。越越大，大，越小，波形斷續愈越小，波形斷續愈嚴重。嚴重。圖1-6 以 為參變量時與的關系 此時電路中 0,0,使得使得i(t)i(t)到達零點的時間比到達零點的時間比 到達零點的時間推遲了到達零點的時間推遲了當下一個晶閘管的觸發脈沖到達時，前一導通的晶閘管還當下一個晶閘管的觸發脈沖到達時，前一導通的晶閘管還未關斷，下一管子的觸發信號起不了作用從而未關斷，下一管子的觸發信號起不了作用從而不能導通不能導通0ut0ug1t0ug2t0iot圖1-7 感性負載窄脈沖觸

14、發時的工作波形窄脈沖觸發時，結果形成單向半波整流現象，如圖1-7所示，回路中出現很大的直流電流分量，無法維持電路的正常工作。 采用寬脈沖或脈沖列觸發，以保證V1管電流下降到零時，V2管的觸發脈沖信號還未消失，V2可在V1電流為零關斷后接著導通。但V2的初始觸發控制角-，即V2的導通角180。從第二周開始，由于V2的關斷時刻向后移，因此V1導通角逐漸減小，V2導通角逐漸增大，直到兩個晶閘管的導通角180解決上述失控現象的辦法是：時達到平衡。 根據以上分析，當并采用寬脈沖觸發時，負載電壓、電流總是完整的正弦波， 改變控制角，負載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調壓作用。在感性負載時，要實現交

15、流調壓的目的，則最小控制角（負載的功率因素角），所以的移相范圍為-180。圖1-8 電流標幺值與電流標幺值與控制角的關系控制角的關系三相交流調壓電路 工業中常用的異步電動機都是三相的，因此，晶閘管交流調壓電路大都采用三相交流調壓電路。將三對反并聯的晶閘管分別接至三相負載及構成了一個典型的三相交流調壓電路。根據聯結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式根據聯結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式1 1）三相全波星形聯接的調壓電路三相全波星形聯接的調壓電路2 2）帶零線的）帶零線的三相全波星形聯接三相全波星形聯接 調壓電路（零線的電流大）調壓電路（零線的電流大）3 3）三相半控星形聯接的調壓

16、電路三相半控星形聯接的調壓電路4 4）晶閘管與負載接成內三角形的晶閘管與負載接成內三角形的 調壓電路調壓電路5 5）晶閘管三角形聯接的調壓電路晶閘管三角形聯接的調壓電路 圖 1-9 三相交流調壓電路 星形聯結 b) 線路控制三角形聯結 a) c) 支路控制三角形聯結 d) 中點控制三角形聯結n負載acn負載abca)b)負載abcc)負載bd) 圖4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2l晶閘管導通順序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 晶閘管脈沖依次相差60特點：l晶閘管進行調壓時，負載電流為非

17、正弦波。非正弦晶閘管進行調壓時，負載電流為非正弦波。非正弦波信號中必有諧波分量存在，諧波分量不僅與觸發波信號中必有諧波分量存在，諧波分量不僅與觸發角角 有關，還與電路的結構有關。有關，還與電路的結構有關。三三.閉環控制的調壓調速系統閉環控制的調壓調速系統異步電動機開環機械特性很軟異步電動機開環機械特性很軟 且開環調壓調速的范圍太小且開環調壓調速的范圍太小需要采用閉環調速系統。需要采用閉環調速系統。給定轉速轉速調節 器觸發電路主電路測速電機圖圖1-10 帶轉速負反饋閉環控制的交流變壓調速系統帶轉速負反饋閉環控制的交流變壓調速系統ASRU*n+-UnGT+M3TG-Ucn1.轉速閉環調壓調速系統的

18、組成：轉速閉環調壓調速系統的組成：l工作在A點，當負載增大從而轉速下降，系統則提高定子電壓，從而在新的特性曲線上找到A 點，如果負載減少，轉速增大，系統減少定子電壓，找到新的工作點A 點，從而保持轉速的恒定。eTOnn0TLUsNAAAUs min恒轉矩負載特性圖圖 1-11 閉環控制變壓調速系統的靜特性閉環控制變壓調速系統的靜特性U*n3U*n1U*n2如果電壓調整到如果電壓調整到極限值，閉環系極限值，閉環系統失去控制能力統失去控制能力系統的工作點只系統的工作點只能沿著開環極限能沿著開環極限值變化值變化2.調壓調速系統的靜態結構圖調壓調速系統的靜態結構圖各控制環節的輸入輸出關系為：各控制環節

19、的輸入輸出關系為：圖圖1-12 1-12 閉環調速的結構框圖閉環調速的結構框圖Ksn=f(Us,Te) ASRU*nUnUcUs-TLn圖圖1-13異步電機閉環變壓調速系統的靜態結構圖異步電機閉環變壓調速系統的靜態結構圖 n =f (Us, Te ) ，是，是一個非線性函數一個非線性函數圖1-14 異步電動機閉環變壓調速系統的動態結構框圖 MA異步電機 FBS測速反饋環節 WFBS(s) U*n(s)Un(s)Uc (s)-n(s)WASR(s)WGT-V (s)WMA (s)Us(s)3.3.閉環變壓調速系統的近似動態結構圖閉環變壓調速系統的近似動態結構圖 轉速調節器轉速調節器ASR 轉速調

20、節器轉速調節器ASRASR常用常用PIPI調節器，其傳遞函數為調節器，其傳遞函數為ssKsWnnnASR1)( 晶閘管交流調壓器和觸發裝置晶閘管交流調壓器和觸發裝置 裝置的輸入裝置的輸入- -輸出在一定范圍內可假定為線性函輸出在一定范圍內可假定為線性函數，在動態中可以近似成一階慣性環節，正如直數，在動態中可以近似成一階慣性環節，正如直流調速系統中的晶閘管觸發和整流裝置那樣。傳流調速系統中的晶閘管觸發和整流裝置那樣。傳遞函數可寫成遞函數可寫成 其近似條件是其近似條件是 對于三相全波對于三相全波Y Y聯結調壓電路，可取聯結調壓電路，可取Ts = 3.3ms 1)(ssVGTsTKsWsc31T 測

21、速反饋環節測速反饋環節 考慮到反饋濾波作用，測速反饋環節考慮到反饋濾波作用，測速反饋環節FBS的傳遞函數可寫成的傳遞函數可寫成1)(onFBSsTsW異步電機便近似成一個線性的一階慣性環節，異步電機便近似成一個線性的一階慣性環節，即即 把得到的四個傳遞函數式寫入圖把得到的四個傳遞函數式寫入圖1-14中中各方框內，即得異步電機變壓調速系統微各方框內，即得異步電機變壓調速系統微偏線性化的偏線性化的近似動態結構圖近似動態結構圖。1)()()(mMAsMAsTKsUssW四.基于單片機的交流調壓調速系統設計 單片機控制調壓調速控制器應能實現如下功能單片機控制調壓調速控制器應能實現如下功能: :l能夠在

22、內部產生可由用戶選擇的理想速度指令能夠在內部產生可由用戶選擇的理想速度指令曲線，以數字化方法實現速度給定；曲線，以數字化方法實現速度給定；l晶閘管觸發；晶閘管觸發；l對起動加速和制動減速過程進行閉環控制；對起動加速和制動減速過程進行閉環控制；l對電機速度進行檢測；對電機速度進行檢測；l提供必要的保護；提供必要的保護；l使用單片機控制；使用單片機控制；l具有顯示轉速的功能；具有顯示轉速的功能；l具有良好的抗干擾性能。具有良好的抗干擾性能。基于單片機的具有以上功能的調壓調速控制器的功基于單片機的具有以上功能的調壓調速控制器的功能結構如圖能結構如圖1-151-15所示所示： 圖1-15調壓調速控制器的結構框圖調壓調速控制主回路的線路原理圖調壓調速控制主回路的線路原理圖 同步信號輸入電路同步信號輸入電路 T1T2T3UVWU1V1W1觸觸發線發線路的路的結構結構及工及工作原作原理圖