1、5.1.1 交流調速的發展概況交流調速的發展概況交流調速系統：交流調速系統：由交流電動機由交流電動機拖動拖動、電機轉速為、電機轉速為控制目標控制目標的電力拖動自動控制系統的電力拖動自動控制系統直流電動機優點：直流電動機優點：調速性能好調速性能好直流電動機缺點：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，維護困難體積大、容量小、制造成本高、有機械換向裝置，維護困難 l 20 20世紀世紀7070年代，研究開發高性能的交流調速系統，期望用它來節約能源。年代，研究開發高性能的交流調速系統，期望用它來節約能源。 同期，電力電子技術、大規模集成電路、各種控制理論、計算機控制技術的同期，電

2、力電子技術、大規模集成電路、各種控制理論、計算機控制技術的 飛速發展，為交流調速電力拖動的發展創造了有利條件。飛速發展，為交流調速電力拖動的發展創造了有利條件。交流電動機優點交流電動機優點 ：結構簡單可靠，維護少，無機械換向火花，結構簡單可靠，維護少，無機械換向火花，制造成本低制造成本低51 交流調速系統概述交流調速系統概述l 20 20世紀世紀8080年代，原有的交直流調速拖動系統的分工格局被逐漸打破。年代，原有的交直流調速拖動系統的分工格局被逐漸打破。 l 目前的許多交流調速系統在裝置容量上、動靜態性能上、可四象限運目前的許多交流調速系統在裝置容量上、動靜態性能上、可四象限運 行的要求上，

3、以至在系統制造成本上都可以與直流調速系統相媲美。行的要求上，以至在系統制造成本上都可以與直流調速系統相媲美。 第第5章章 異步電動機調壓調速系統異步電動機調壓調速系統 l 20 20世紀世紀9090年代，交流調速系統已經占到了調速系統的主導地位。年代，交流調速系統已經占到了調速系統的主導地位。 勵磁同步電動機勵磁同步電動機 5.1.2交流調速系統的分類交流調速系統的分類交流電動機交流電動機異步電動機異步電動機 永磁同步電動機永磁同步電動機 無刷直流電動機及無刷直流電動機及開關磁阻電動機都滿足開關磁阻電動機都滿足“定子電流的頻率與轉定子電流的頻率與轉速有嚴格比例關系速有嚴格比例關系”的的條件，所

4、以也把它歸入條件，所以也把它歸入同步電動機。同步電動機。 當電機轉子的轉速與當電機轉子的轉速與定子電流的頻率有嚴格定子電流的頻率有嚴格比例關系的電動機稱同比例關系的電動機稱同步電動機，無嚴格比例步電動機，無嚴格比例關系的電動機稱異步電關系的電動機稱異步電動機。動機。特種同步電動機特種同步電動機 無刷直流電動機無刷直流電動機開關磁阻電動機開關磁阻電動機直流無換向器電動機直流無換向器電動機交流無換向器電動機交流無換向器電動機 交流電動機是交流電動機是定子繞組通入交流定子繞組通入交流電電( (或周期脈沖電或周期脈沖電流流) )的電機，其定的電機，其定子磁動勢是一個旋子磁動勢是一個旋轉轉( (或步進旋

5、轉或步進旋轉) )的的磁動勢。磁動勢。同步電動機同步電動機 u交流調速系統的分類交流調速系統的分類電動機類別電動機類別調速原理調速原理電力電子變換器電力電子變換器形式形式變換器的變換器的電源特性電源特性異異步步電電動動機機繞線式轉子繞線式轉子感應電動機感應電動機串級調速（變轉差）串級調速（變轉差）交直交變頻交直交變頻（整流有源逆變）（整流有源逆變）交交變頻交交變頻電流源型電流源型鼠籠式轉子鼠籠式轉子感應電動機感應電動機調壓調速調壓調速交流調壓交流調壓電壓源型電壓源型變頻調速，他控式變頻調速，他控式變頻調速，矢量控變頻調速，矢量控制制交直交變頻交直交變頻（整流無源逆變）（整流無源逆變）交交變頻交

6、交變頻電流源型電流源型電壓源型電壓源型同同步步電電動動機機常規意義常規意義同步電動機同步電動機無換向器無換向器電機電機變頻調速，自控式變頻調速，自控式交直交變頻（可控交直交變頻（可控整流有源逆變）整流有源逆變）交交變頻交交變頻電流源型電流源型無刷直流電動機無刷直流電動機變頻調速，自控式變頻調速，自控式交直交變頻交直交變頻電壓源型電壓源型開關磁阻電動機開關磁阻電動機變頻調速，自控式變頻調速，自控式交直交，交直交，（單極性脈動電流）（單極性脈動電流）5.1.3 異步電動機調速系統的分類異步電動機調速系統的分類1.異步電動機功率異步電動機功率(能量能量)圖圖從定子傳入轉從定子傳入轉子的電磁功率子的電

7、磁功率總機械功率總機械功率轉子銅耗轉子銅耗（轉差功率）（轉差功率）定義：轉差功率定義：轉差功率 Ps s Pm1mccemPs P2cuemspsPP2emmeccuPPpemP2.常見的異步電動機調速類別（按主要特征分類）常見的異步電動機調速類別（按主要特征分類） 調壓調速；調壓調速； 電磁轉差離合器調速；電磁轉差離合器調速；繞線轉子轉子回路串電阻調速；繞線轉子轉子回路串電阻調速；串級調速；串級調速； 變極調速；變極調速；變頻調速；變頻調速； 定子回路串電抗調速。定子回路串電抗調速。 spfn16013 調速系統按所改變的物理量分類調速系統按所改變的物理量分類 （1）變頻調速）變頻調速 （2

8、）變極調速）變極調速 （3）變轉差率調速）變轉差率調速 4. 按轉差功率按轉差功率Ps 去向分類去向分類（1）轉差功率消耗型）轉差功率消耗型（系統效率較低）（系統效率較低） （2）轉差功率回饋型）轉差功率回饋型（把部份轉差功率送回電網）把部份轉差功率送回電網） （系統效率稍高）（系統效率稍高） （3）轉差功率不變型）轉差功率不變型（系統效率最高）（系統效率最高） 5.2 異步電動機調壓調速系統（交調系統）異步電動機調壓調速系統（交調系統） 該系統使用的電動機一般是該系統使用的電動機一般是鼠籠型異步電動機。鼠籠型異步電動機。5.2.1 異步電動機調壓時的開環機械特性異步電動機調壓時的開環機械特性

9、 低轉差率電動機調壓調速時低轉差率電動機調壓調速時的的開環機械特性開環機械特性NU10 . 1NU1707. 0NU15 . 0l 當電動機拖動當電動機拖動恒轉矩負載恒轉矩負載時，盡管電時，盡管電壓改變很大，但速度的變化并不大。系統壓改變很大，但速度的變化并不大。系統能調速的最大區域只在轉差率能調速的最大區域只在轉差率 之間之間 mss0l 當電動機拖動當電動機拖動風機、泵類負載風機、泵類負載時不再受時不再受Sm的限制，的限制， 異步電動機的固有機械特性方程異步電動機的固有機械特性方程 21222112123/pU RsTRRsxx風機泵類負載風機泵類負載恒轉矩負載恒轉矩負載l ，為減小損耗，

10、電動機在額，為減小損耗，電動機在額定點的轉差率一般在定點的轉差率一般在0.020.06之間，最大之間，最大轉矩時的轉差率也較小，在轉矩時的轉差率也較小，在0.15左右左右2UT 0T1NSmTSmSlTT1mTSmSlTa)b)0異步電動機調壓調速時的開環機械特性異步電動機調壓調速時的開環機械特性高轉差率電動機高轉差率電動機交流力矩電動機交流力矩電動機為了能在恒轉矩負載下擴大調壓調速的范圍，這就要求電動機有較大的為了能在恒轉矩負載下擴大調壓調速的范圍，這就要求電動機有較大的Sm可以使用可以使用高轉差率電動機高轉差率電動機或者或者交流力矩電動機交流力矩電動機，這兩類電機，這兩類電機通過通過增大轉

11、子電增大轉子電阻阻使電機的使電機的機械特性變軟機械特性變軟，Sm增大，拓寬了低速運行區增大，拓寬了低速運行區 。u 交流力矩電動機交流力矩電動機允許電動機長期堵轉及低速運行，允許電動機長期堵轉及低速運行， Sm等于等于1，電動機的主要技，電動機的主要技術參數就是堵轉轉矩，額定點就是堵轉點。術參數就是堵轉轉矩，額定點就是堵轉點。 u 高轉差率電動機高轉差率電動機兼顧了高速及低速的性能，額定轉差率一般在兼顧了高速及低速的性能，額定轉差率一般在0.070.13之間，之間， Sm一般在一般在0.5左右，堵轉轉矩也較大，堵轉轉矩等于最大轉矩。左右，堵轉轉矩也較大，堵轉轉矩等于最大轉矩。 5.2.2 調壓

12、調速主電路調壓調速主電路+-sLMb)M3c)M3a)串聯分段串聯分段電抗器降壓電抗器降壓 串聯飽和串聯飽和電抗器降壓電抗器降壓 l串聯飽串聯飽和電抗器和電抗器降壓降壓降壓降壓調速原理調速原理缺點缺點：需體積龐大且笨重的需體積龐大且笨重的設備，自電力電子技術發展設備，自電力電子技術發展起來已很少采用。起來已很少采用。自耦變壓器自耦變壓器調壓調壓 l 現在調壓調速設備一般采用由晶閘管構成現在調壓調速設備一般采用由晶閘管構成的負載的負載Y接法的接法的晶閘管相控交流調壓器晶閘管相控交流調壓器 l VVC為相控交流調壓器，由三只雙向為相控交流調壓器，由三只雙向晶閘管或三對反并聯晶閘管構成，電動晶閘管或

13、三對反并聯晶閘管構成，電動機定子繞組接成機定子繞組接成Y接法接法Yl V VC工作原理工作原理VR1C1VT4VT6VT3VT5VT2VT2CVVC1idIABC1C1C2CM3早期的早期的 方法有：方法有：l VR為可控整流橋，制動時用為可控整流橋，制動時用5.2.3 調壓調速系統的系統原理圖調壓調速系統的系統原理圖 *nUnUASRctUVVCTGnM3 3異步電動機速度單閉環調壓調速系統原理圖異步電動機速度單閉環調壓調速系統原理圖系統控制的對象：系統控制的對象：電動機的端電壓電動機的端電壓 速度調節器速度調節器ASR的輸出：的輸出： 電壓指令信號電壓指令信號 交流調壓器的輸出電壓交流調壓

14、器的輸出電壓 U1與移與移相控制角相控制角之間有確定的對應關系，之間有確定的對應關系，U1 與與是一一對應且是唯一的，因是一一對應且是唯一的，因此速度調節器的輸出可直接作為此速度調節器的輸出可直接作為角角的指令值而不必再加電壓閉環的指令值而不必再加電壓閉環 l 限流環節限流環節檢測異步檢測異步電動機的定子電流，與給電動機的定子電流，與給定的限流值進行比較定的限流值進行比較 l GB框內的曲線是其輸框內的曲線是其輸入輸出曲線入輸出曲線 帶電流限流環節的單閉環調壓調速系統帶電流限流環節的單閉環調壓調速系統不但與不但與 角的大小有關，還與負載的功率因數角有關。角的大小有關，還與負載的功率因數角有關。

15、 l VVC，5.2.4 系統穩態結構圖及其靜特性系統穩態結構圖及其靜特性異步電動機調壓調速系統穩態結構圖異步電動機調壓調速系統穩態結構圖l ASR是速度調節器，采用是速度調節器，采用PIPI調節器調節器 該系統與直流該系統與直流VM系統有許多系統有許多本質上的不同之處本質上的不同之處 是一個復雜的非線性函數，且是一個復雜的非線性函數，且 、 2R2X也不是一個定值，隨電機轉速變化而大幅度變化也不是一個定值，隨電機轉速變化而大幅度變化可見用穩態結構圖計算求解某些性能或確定控制調節參數時其結果是近似的。可見用穩態結構圖計算求解某些性能或確定控制調節參數時其結果是近似的。 l 只要改變轉速給定信號

16、就可只要改變轉速給定信號就可以使靜特性平行地上下移動，以使靜特性平行地上下移動，達到調速的目的。達到調速的目的。 靜特性靜特性sK)T ,U(fn1l 是一個無靜差的系統是一個無靜差的系統 l 左、右極限左、右極限 l 異步電機，異步電機，ctsU/UK1)T ,U(fn15.2.5 交流調壓調速系統的制動交流調壓調速系統的制動l 交調系統制動時，通常采用交調系統制動時，通常采用在定子繞組中通入直流電流（能耗制動）在定子繞組中通入直流電流（能耗制動）的方法。的方法。 b)a)ABCdIABCSFCFAFBFSFAFBFdIl 可控制整流橋可控制整流橋VR就是為制動而設置的。就是為制動而設置的。

17、1C斷開、斷開、2C閉合、閉合、VR工作時，異步電動機工作時，異步電動機將進入制動狀態，直到電機停轉。將進入制動狀態，直到電機停轉。VR1C1VT4VT6VT3VT5VT2VT2CVVC1idIABC1C1C2CM3l 通直流時，通直流時，電機繞組的兩電機繞組的兩種常用接法：種常用接法：l 調節可控整流調節可控整流電路輸出電流電路輸出電流Id 的大小，就可改的大小，就可改變合成磁勢變合成磁勢Fs 的的大小大小,就改變了制就改變了制動轉矩的大小。動轉矩的大小。nT001nlTAB12WVU1VT6VTa)b)UUViABCia) 等效電路圖等效電路圖 b)波形圖波形圖l 觸發觸發VT1、VT6工

18、作，恒關斷工作，恒關斷VT2、VT3、VT4、VT5，則，則A、B兩相的繞組反向串聯后接在一個半波整流電路的輸出端上兩相的繞組反向串聯后接在一個半波整流電路的輸出端上 l 改變控制角的大小，可改變平均制動轉矩的大小。改變控制角的大小，可改變平均制動轉矩的大小。l 利用交流調壓器主電路來實現制動時制動轉矩一般較小，轉矩脈動較大。利用交流調壓器主電路來實現制動時制動轉矩一般較小，轉矩脈動較大。l 能耗制動時，電源輸入的能量消耗在電機的定子繞組上，能耗制動時，電源輸入的能量消耗在電機的定子繞組上，拖動系統機械能所轉變成的電能都消耗在電機的轉子繞組上，拖動系統機械能所轉變成的電能都消耗在電機的轉子繞組

19、上，l 利用交流調壓器的主電路來實現能耗制動利用交流調壓器的主電路來實現能耗制動發熱嚴重。發熱嚴重。5.2.6 交流調壓調速系統的效率及電機冷卻交流調壓調速系統的效率及電機冷卻sPPPPemmec112當電動機轉速降低（當電動機轉速降低（s增大）時，電動轉子銅耗增加，電動機的增大）時，電動轉子銅耗增加，電動機的效率下降效率下降，電動機的，電動機的發熱將增加發熱將增加。交流力矩電機：交流力矩電機：電動機的設計就允許電機長期堵轉運行，電機出廠時就帶有他扇冷電動機的設計就允許電機長期堵轉運行，電機出廠時就帶有他扇冷式的強迫通風系統，對這類電動機不用再考慮發熱問題。式的強迫通風系統，對這類電動機不用再

20、考慮發熱問題。 低轉差率電機：低轉差率電機：電機只能在轉差小于額定轉差下連續運行，低速運行時一方面電電機只能在轉差小于額定轉差下連續運行，低速運行時一方面電機發熱增加，另一方面因轉速降低，轉軸上風扇的通風效果減弱，使電機會產生機發熱增加，另一方面因轉速降低，轉軸上風扇的通風效果減弱，使電機會產生過熱。這類電機只能短時間內低速運行，或應重新考慮電動機的散熱條件，防止過熱。這類電機只能短時間內低速運行，或應重新考慮電動機的散熱條件，防止電機過熱而燒毀。電機過熱而燒毀。高轉差率電動機：高轉差率電動機：介于上述兩種電機之間，使用中根據實際的工況來決定是否需介于上述兩種電機之間，使用中根據實際的工況來決

21、定是否需要加強電動機通風冷卻系統。要加強電動機通風冷卻系統。 l 效率及電機發熱效率及電機發熱l 電機冷卻電機冷卻5.2.7 系統的動態結構圖系統的動態結構圖)(1sU)(sUct- -)(*sUn)(sUnsTKiP1)(sn1sTKSS)(sWMA)(sWFBS 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，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，參數的時變性及參數之間關系的非線性，使得建立交流調速系統精確參數的時變性及參數之間關系的非線性，使得建立交流調速系統精確的數學模型極為困難。的數學模型極為困難。 l 只能在一些強假定條件下簡化后，來建立其近似的數學模型：

22、只能在一些強假定條件下簡化后，來建立其近似的數學模型： a)b)1U112122212/13AAAsUJrsp U1MAMKT s1U- -1U11 26AApU srsJp+ +- -TLT212123ApUr+ +異步電動機的微偏線性化近似動態結構圖異步電動機的微偏線性化近似動態結構圖 傳遞函數為：傳遞函數為： 1sTKsWMMAMA53 異步電動機調壓調速系統的應用與節能異步電動機調壓調速系統的應用與節能缺點：缺點：調速范圍不大，調速精度低，調速時電機發熱嚴重調速范圍不大，調速精度低，調速時電機發熱嚴重優點：優點：系統結構簡單，容易實現，成本低廉系統結構簡單，容易實現，成本低廉主主要要的

23、的應應用用領領域域 1需要調速運行的場合需要調速運行的場合2異步電動機異步電動機“軟起動軟起動”裝裝置置3風機、泵類的調速節能風機、泵類的調速節能u 交流調壓交流調壓象限，能耗制動象限，能耗制動象限，配合接觸器象限，配合接觸器四象限四象限u 因此，需要調速運行的工作機械或負載，理論上都可以使用調速系統因此，需要調速運行的工作機械或負載，理論上都可以使用調速系統來實現來實現 ，例，例“交調交調”電梯。（注意：選用合適電機，電機冷卻問題）電梯。（注意：選用合適電機，電機冷卻問題）u 異步電動機的異步電動機的“軟起動裝置軟起動裝置”：利用帶有限流環節的交流調壓器利用帶有限流環節的交流調壓器 就可實現

24、異步電動機的降壓起動，起動電流的最大值可限定。就可實現異步電動機的降壓起動，起動電流的最大值可限定。u 若使軟起動裝置同時帶有一定的調速功能，則稱之為：若使軟起動裝置同時帶有一定的調速功能，則稱之為： 異步電動機的異步電動機的“多功能控制器多功能控制器”。u 風機、泵類的調速節能是調壓調速系統應用得最多的領域之一。風機、泵類的調速節能是調壓調速系統應用得最多的領域之一。風機、泵類的調速節能風機、泵類的調速節能l 應用條件應用條件風機、水泵用不調速的交流電機，依賴于風機、水泵用不調速的交流電機，依賴于風門檔板和閥風門檔板和閥門來調節流量門來調節流量，使大量的電功率白白消耗在檔板和閥門上。，使大量的電功率白白消耗在檔板和閥門上。 l 選用的理由選用的理由風機、水泵的轉矩與轉速平方成正比，功率與轉速立方風機、水泵的轉矩與轉速平方成正比，功率與轉速立方成正比，因此對調速范圍的要求不大，調速的精度要求也不高，動態響應成正比，因此對調速范圍的要求不大，調速的精度要求也不高，動態響應更是幾乎沒有要求，這些特征都使廉價的交流調壓調速系統成為風機、水更是幾乎沒有要求，這些特征都使