交流调压调速课件.pptx

1、1.交流调压调速交流调压调速第二篇第二篇 交流调速系统交流调速系统 交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型n交流变压调速系统交流变压调速系统n绕线转子异步电机串级调速系统绕线转子异步电机串级调速系统n转差功率馈送型调速系统转差功率馈送型调速系统n交流变频调速系统交流变频调速系统要要 求求交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型交流调速系统交流调速系统(AC Speed Regulating System):以实现交流电动机转速以实现交流电动机转速调节为目标的电力拖动自动控调节为目标的电力拖动自动控制系统制系统.1.交流调速的发展概况交流调速的发展概况交流调速系统：交流调速系统：由交流

2、电动机由交流电动机拖动拖动、电机转速为、电机转速为控制目标控制目标的电力拖动自动控制系统的电力拖动自动控制系统直流电动机优点：直流电动机优点：调速性能好调速性能好直流电动机缺点：直流电动机缺点：体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难 l 20 20世纪世纪7070年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的的 飞速发展，为交流调速电力

3、拖动的发展创造了有利条件。飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。交流电动机优点交流电动机优点 ：结构简单可靠，维护少，无机械换向火花，结构简单可靠，维护少，无机械换向火花，制造成本低制造成本低第一章第一章 交流调速系统概述交流调速系统概述l 20 20世纪世纪8080年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。l 目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运 行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。行的要求上，以至在系统制造成本

4、上都可以与直流调速系统相媲美。l 20 20世纪世纪9090年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。励磁同步电动机励磁同步电动机 2.交流调速系统的分类交流调速系统的分类交流电动机交流电动机异步电动机异步电动机 永磁同步电动机永磁同步电动机 无刷直流电动机及无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转定子电流的频率与转速有严格比例关系速有严格比例关系”的的条件，所以也把它归入条件，所以也把它归入同步电动机。同步电动机。当电机转子的转速当电机转子的转速与定子电流的频率有严与定子电流的频率有严格比例关系的电动机

5、称格比例关系的电动机称同步电动机，无严格比同步电动机，无严格比例关系的电动机称异步例关系的电动机称异步电动机。电动机。特种同步电动机特种同步电动机 无刷直流电动机无刷直流电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机直流无换向器电动机直流无换向器电动机交流无换向器电动机交流无换向器电动机 交流电动机是交流电动机是定子绕组通入交流定子绕组通入交流电电(或周期脉冲电或周期脉冲电流流)的电机，其定的电机，其定子磁动势是一个旋子磁动势是一个旋转转(或步进旋转或步进旋转)的的磁动势。磁动势。同步电动机同步电动机 u交流调速系统的分类交流调速系统的分类电动机类别电动机类别调速原理调速原理电力电子变换器电力电子变换器形

6、式形式变换器的变换器的电源特性电源特性异异步步电电动动机机绕线式转子绕线式转子感应电动机感应电动机串级调速（变转差）串级调速（变转差）交直交变频交直交变频（整流有源逆变）（整流有源逆变）交交变频交交变频电流源型电流源型鼠笼式转子鼠笼式转子感应电动机感应电动机调压调速调压调速交流调压交流调压电压源型电压源型变频调速，他控式变频调速，他控式变频调速，矢量控变频调速，矢量控制制交直交变频交直交变频（整流无源逆变）（整流无源逆变）交交变频交交变频电流源型电流源型电压源型电压源型同同步步电电动动机机常规意义常规意义同步电动机同步电动机无换向器无换向器电机电机变频调速，自控式变频调速，自控式交直交变频（可

7、控交直交变频（可控整流有源逆变）整流有源逆变）交交变频交交变频电流源型电流源型无刷直流电动机无刷直流电动机变频调速，自控式变频调速，自控式交直交变频交直交变频电压源型电压源型开关磁阻电动机开关磁阻电动机变频调速，自控式变频调速，自控式交直交，交直交，（单极性脉动电流）（单极性脉动电流）3.异步电动机调速系统的分类异步电动机调速系统的分类1).异步电动机功率异步电动机功率(能量能量)图图从定子传入转从定子传入转子的电磁功率子的电磁功率总机械功率总机械功率转子铜耗转子铜耗（转差功率）（转差功率）定义：转差功率定义：转差功率 Ps s Pem 按照交流异步电机按照交流异步电机的原理，从定子传入转的原

8、理，从定子传入转子的子的电磁功率电磁功率可分成可分成两部分：一部分是拖动两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作负载的有效功率，称作机械功率机械功率；另一部分；另一部分是传输给转子电路的是传输给转子电路的转转差功率差功率，与转差率，与转差率 s 成正比。成正比。PmechPmPs2).常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）调压调速；调压调速；电磁转差离合器调速；电磁转差离合器调速；绕线转子转子回路串电阻调速；绕线转子转子回路串电阻调速；串级调速；串级调速；变极调速；变极调速；变频调速；变频调速；定子回路串电抗调速。定子回路串电抗调速。3)调速系统按

9、所改变的物理量分类调速系统按所改变的物理量分类（1）变频调速）变频调速（2）变极调速）变极调速（3）变转差率调速）变转差率调速 4)按转差功率按转差功率Ps 去向分类去向分类（1）转差功率消耗型）转差功率消耗型（系统效率较低）（系统效率较低）（2）转差功率回馈型）转差功率回馈型（把部分转差功率送回电网）把部分转差功率送回电网）（系统效率稍高）（系统效率稍高）（3）转差功率不变型）转差功率不变型（系统效率最高）（系统效率最高）第第 2 章章闭环控制的异步电动机调压调速系统闭环控制的异步电动机调压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统一种转差功率消耗型调速系统 本章提要本章提要n异步电动机变压调速电

10、路异步电动机变压调速电路n异步电异步电动动机改变电压时的机械特性机改变电压时的机械特性n闭环控制的变压调速系统及其静特性闭环控制的变压调速系统及其静特性n变压控制在软起动器和轻载降压节能运行变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用中的应用要要 求求 n了解交流变压的基本方式。了解交流变压的基本方式。n掌握交流变压调速系统的开环特掌握交流变压调速系统的开环特性和闭环特性。性和闭环特性。n了解交流变压调速系统在了解交流变压调速系统在软起动软起动器和轻载降压节能运行中的应用。器和轻载降压节能运行中的应用。2.1 异步电动机调压调速电路异步电动机调压调速电路 调压调速是异步电机调速方法中比较调压调

11、速是异步电机调速方法中比较简便的一种。简便的一种。由电力拖动原理可知，由电力拖动原理可知，当异步电机等当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。下的转速。交流调压调速：交流调压调速：改变感应电动机定子绕组供电电改变感应电动机定子绕组供电电压有效值以调节其运行转速压有效值以调节其运行转速.在感应电动机定子三相电路中在感应电动机定

12、子三相电路中 串入自耦变压器或饱和电抗器串入自耦变压器或饱和电抗器 来实现调速来实现调速.交流交流 调压调速调压调速 在感应电动机定子三相电路中在感应电动机定子三相电路中 串入晶闸管交流调压器进行调速串入晶闸管交流调压器进行调速.Y形接法0负载abca)uaubuciaUa0VT1VT2VT3形接法负载b)abcuaubucia 交流调压调速系统可控电源交流调压调速系统可控电源M3TVC利用晶闸管交流调利用晶闸管交流调压器调压调速压器调压调速TVC双向晶闸双向晶闸管交流调压器管交流调压器 图图2-1 利用晶闸管交流调压器变压调速利用晶闸管交流调压器变压调速 控制方式控制方式TVC的的变压控制方

13、式变压控制方式采用晶闸管采用晶闸管反并联供电反并联供电方式，实现方式，实现异步电动机异步电动机可逆和制动。可逆和制动。图图2-2 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路 可逆和制动控制可逆和制动控制 图图2-2所示为采用晶闸管反并联的所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路，其中，异步电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管晶闸管16控制电动机正转运行，反转控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管时，可由晶闸管 1，4 和和 710 提供逆提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。相序电源，同时也可用于反接制动。n反向运行方式反向运行方式制动运行方式制

14、动运行方式 当需要能耗制动时，可以根据制动电当需要能耗制动时，可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如让例如让 1，2，6 三个器件导通，其余均关三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以要时，还可以在制动电路中串入电阻以限在制动电路中串入电阻以限制制动电流。制制动电流。2.2 异步电动机改变电压时的机械特性异步电动机改变电压时的机械特性 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：根据电机学原理，在下述三个

15、假定条件下：忽略空间和时间谐波忽略空间和时间谐波 忽略磁饱和忽略磁饱和 忽略铁损忽略铁损 异步电机的稳态等效电路示于图异步电机的稳态等效电路示于图2-3。异步电动机等效电路异步电动机等效电路图图2-3 异步电动机的稳态等效电路异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrLm 参数定义参数定义nRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；转子每相电阻；nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；转子每相漏感；nLm定子每相绕组产生气隙主磁通的定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即

16、励磁电感；等效电感，即励磁电感；nUs、1 定子相电压和供电角频率；定子相电压和供电角频率；n s 转差率。转差率。电流公式电流公式由图可以导出由图可以导出(2-1)式中式中 在一般情况下，在一般情况下，LmLl1，则，则，C1 1 这相当于将上述假定条件的第这相当于将上述假定条件的第条改为忽条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成化成(2-2)转矩公式转矩公式令电磁功率令电磁功率 Pem=3Ir2 Rr/s 同步机械角转速同步机械角转速 m1=1/np式中式中 np 极对数，则异步电机的电磁转矩为极对数，则异步电机的电磁转矩为（2-3）式（式（2-

17、3）就是异步电机的机械特性）就是异步电机的机械特性方程式。它表明，方程式。它表明，当转速或转差率一定时当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。电磁转矩与定子电压的平方成正比。这样，不同电压下的机械特性便如图这样，不同电压下的机械特性便如图2-4所示，图中，所示，图中，UsN表示额定定子电压。表示额定定子电压。异步电动机机械特性异步电动机机械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性图图2-4 异步电动机在异步电动机在不同电压下的机械特性不同电压下的机械特性最大转矩公式最大转矩公式 将式（将式（2-3）对）对s求导，并令

18、求导，并令dTe/ds=0，可，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩矩（2-4）（2-5）由图由图2-4可见，可见，带恒转矩负载工作时带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为为 A、B、C，转差率，转差率 s 的变化范围不超的变化范围不超过过 0 sm，调速范围有限。如果，调速范围有限。如果带风机类带风机类负载运行负载运行，则工作点为，则工作点为D、E、F，调速范，调速范围可以大一些。围可以大一些。为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热

19、，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，就要求电机转子有较高的电阻值，交流力矩交流力矩电机电机在变电压时的机械特性绘于图在变电压时的机械特性绘于图2-5。交流力矩电机的机械特性交流力矩电机的机械特性UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性图图2-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性在不同电压下的机械特性 n0Te0s,n102.3 闭环控制的变压调速系统及其静特性闭环控制的变压调速系统及其静特性 采用普通异步电机的变电压调速时，采用普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩

20、电调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变化时静差率很大（见图因而当负载变化时静差率很大（见图2-5），），开环控制很难解决这个矛盾。开环控制很难解决这个矛盾。为此，为此，对于恒转矩性质的负载对于恒转矩性质的负载，要求调要求调速范围速范围D大于大于2时，往往采用带转速反馈的时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（闭环控制系统（见图见图2-6a）。）。1.系统组成系统组成图图2-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TG-Ucn2.系统静特性系

21、统静特性eT0nn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性图图2-7 闭环控制变压调速系统的静特性闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2 图图2-7所示的是闭环控制变压调速系统所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在的静特性。当系统带负载在 A 点运行时，点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点特性上找到新的工作点 A。同理，当负载。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点

22、压低一些的工作点 A。按照反馈控制规律，将按照反馈控制规律，将A、A、A连连接起来便是闭环系统的静特性接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。对两种电机是完全一致的。尽管异步力矩电机的机械特性很软，尽管异步力矩电机的机械特性很软，但但由系统放大系数决定的闭环系统静特由系统放大系数决

23、定的闭环系统静特性却可以很硬。性却可以很硬。如果采用如果采用PI调节器，照样可以做到调节器，照样可以做到无静差无静差。改变给定信号改变给定信号，则静特性平行，则静特性平行地上下移动，地上下移动，达到调速的目的达到调速的目的。调压调速系统的特点调压调速系统的特点 异步电机闭环异步电机闭环调调压调速系统不同于直压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的之处流电机闭环变压调速系统的之处：静特性：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出下的机械特性和最小输出电压电压Usmin下的机械特性。下的机械特性。当负载变化

24、时，如果电压调节到极限当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。作点只能沿着极限开环特性变化。2.4 变压控制在软起动器和轻载降压节变压控制在软起动器和轻载降压节 能运行中的应用能运行中的应用 除了调速系统以外，异步电动机的变除了调速系统以外，异步电动机的变压控制在压控制在软起动器软起动器和和轻载降压节能轻载降压节能运行中运行中也得到了广泛的应用。也得到了广泛的应用。本节主要介绍它们的基本原理，关于本节主要介绍它们的基本原理，关于其运行中的一些具体问题可参看相关参考其运行中的一些具体问题可参看相关参考文

25、献。文献。1、软起动器软起动器n起动电流问题起动电流问题 常用的三相异步电动机结构简单，价常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求容量足够大（一般要求比电机容量大比电机容量大4倍倍以以上），而供电线路并不太长上），而供电线路并不太长（起动电流造起动电流造成的瞬时电压降落低于成的瞬时电压降落低于10%15%），可以），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了。大一些的电动机

26、，问题就不这么简单了。中、大容量电动机的起动电流大，会中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时，必须采取措施来降低其起动起来。这时，必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是电流，常用的办法是降压起动降压起动。n 传统的降压起动方法传统的降压起动方法 传统的降压起动方法有：传统的降压起动方法有：l星星-三角（三角（Y-）起动）起动l定子串电阻或电抗起动定子串电阻或电抗起动l自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动 它们都是一级降压起动，起动过程中它们都是一级降压起动，起动过程中电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，而起动过程时间略长，如图流低，而起动过程时间略长，如图2-8所示。所示。