电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt5-交流拖动控制系统

电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11第2篇电力拖动自动控制系统交流拖动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22内容提要概述交流调速系统的主要类型5交流变压调速系统6交流变频调速系统7绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统8同步电动机变压变频调速系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33概述20世纪60年代以前的电气传动80%——交流不调速传动18%——直流可调速传动2%——交流可调速传动电力拖动自动控制系统电力传动控制系统44直流电机的不足具有电刷和换向器，必须经常检查维修。换向火花使其应用环境受到限制。换向能力限制电机的容量和速度（极限容量转速约为）。min/106rkW电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，出现了采用电力电子变换器的交流拖动系统，大规模集成电路和计算机控制的应用，使高性能的交流调速系统得到发展，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破。交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66•交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速电力拖动自动控制系统电力传动控制系统771.一般性能的节能调速在过去，风机、水泵等通用机械的依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20~30%以上的电能，效果是很可观的。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统992.高性能的交流调速系统和伺服系统由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统101020世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。高性能的交流调速系统和伺服系统（续）其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1111交流调速系统的两大类异步电动机调速系统同步电动机调速系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212►异步电动机的转速（1）改变极对数（2）改变电源频率（3）改变电动机的转差率这第（3）条不能说明问题！它包含了多种性能差别很大的调速方法。)1(601snfnppn1fs电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1313按电动机的实际调速方法分类①降电压调速②转差离合器调速③转子串电阻调速④绕线电机串级调速或双馈电机调速⑤变极对数调速⑥变压变频调速这只是罗列，看不出规律来。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1414~•按电动机的能量转换类型分类按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。PmechPmPs电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515即Pm=Pmech+PsPmech=(1–s)PmPs=sPm从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统16161.转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，如①降压调速、②转差离合器调速、③串电阻调速。效率最低，越到低速时效率越低；但系统结构简单，设备成本低。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统17172.转差功率馈送型调速系统如第④类：串级调速，双馈调速。一部分转差功率被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网（或从电网馈入）或转化成机械能予以利用。效率较高，但要增加一些设备。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统18183.转差功率不变型调速系统无论转速高低，转差功率中的转子铜损部分基本不变，如⑤变极调速、⑥变压变频调速。变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，而且效率更高，设备成本也最高。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919•同步电机的调速同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2020自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2121第5章交流调速的基本类型和交流变压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2222本章提要异步电动机变压调速电路异步电动机改变电压时的机械特性闭环控制的变压调速系统及其静特性闭环变压调速系统的近似动态结构图变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323本章要点本章主要讨论交流变压调速问题了解交流变压的基本方式；掌握交流变压调速系统的闭环特性；重点、难点:异步电动机改变电压时机械特性的变化规律。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统24245.1异步电动机变压调速电路2'rs212'rs1'r2sp'r2'r1p1mme/33llLLsRRsRUnsRInPT变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。由电力拖动原理可知，当异步电机等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，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下的转速。(5-3)电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2525•交流变压调速系统可控电源M3~~TVC•利用晶闸管交流调压器变压调速•TVC——双向晶闸管交流调压器图5-1利用晶闸管交流调压器变压调速电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2626•控制方式TVC的变压控制方式工作周期1S电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727电路结构：采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆和制动。图5-2采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路•可逆和制动控制电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828反向运行方式图5-2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，晶闸管1~6控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管1、4和7~10提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2929制动运行方式当需要能耗制动时，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，例如让1、2、6三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030图5-3异步电动机的稳态等效电路Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rLm5.2异步电动机改变电压时的机械特性三个假定条件：1）忽略空间和时间谐波，2）忽略磁饱和，3）忽略铁损，电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131•参数定义Rs、R’r——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Lls、L’lr——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；s——转差率。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232•电流公式由图可以导出(5-1)式中2'r1s212'r1ss'rllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333在一般情况下，LmLls，则，C11这相当于将上述假定条件的第3)条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成(5-2)2'rs212'rss'rsllLLsRRUII电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3434•转矩公式令电磁功率Pm=3Ir'2Rr'/s同步机械角转速m1=1/np式中np—极对数，则异步电机的电磁转矩为（5-3）2'rs212'rs1'r2sp'r2'r1p1mme/33llLLsRRsRUnsRInPT电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535•最大转矩公式将式（5-3）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩（5-4）（5-5）2'rs212s'rm)(llLLRRs2'rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636•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5-4异步电动机不同电压下的机械特性电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3737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为A、B、C，转差率s的变化范围不超过0~sm，调速范围有限。带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。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，就要求电机转子有较高的电阻值。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838•交流力矩电机的机械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性图5-5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电力拖动自动控制系统电力传动控制系统39395.3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，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，因而当负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统40401.系统组成图5-6带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3~TGa)原理图--~Ucn电力拖动自动控制系统电力传动控制系统41412.系统静特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒转矩负载特性图5-6b闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2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特性上找到新的工作点A’。按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是闭环系统的静特性电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4242尽管异步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，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。尽管异步力矩