第10章-交流自动调速控制系统

项目2交流调速系统交流调速系统第15讲项目2交流调速系统概述交流调速系统的主要类型交流变压调速系统交流变频调速系统*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*同步电动机变压变频调速系统项目2交流调速系统调速系统及其组成项目2交流调速系统交流调速系统的基本控制量是位置、速度、转矩这三个物理量转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位置控制器速度控制器转矩控制器电流控制功能电动机转矩检测器机械负载＋－＋－＋－＋－s*rr*rrr*eTeT*ii项目2交流调速系统位置控制将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到另一确定的空间位置。例如数控机床和机器人就是典型的位置控制系统即伺服系统。速度控制以确定的速度曲线使负载产生运动。例如风机水泵通过调速来调节流量，电梯通过速度和加速度调节来实现平稳升降。转矩控制维持转矩的恒定或遵循某一变化规律。如轧钢机械、造纸机械和传送带中的张力控制等。闭环控制策略项目2交流调速系统1、交直流调速系统的格局19世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速系统20世纪60年代以前80%——交流定速运行18%——直流可调速运行2%——交流可调速运行70年代以前直流占统治地位。70年代电力电子技术的发展开创了交流可调速传的新纪元。目前，交流调速是调速领域的主要发展方向。1.概述项目2交流调速系统直流调速系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护优点：数学模型简单，转矩易于控制。交流调速系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂,调速方式多电机无电刷，无换向火化问题转速高、耐压高容量大（交流电机本身容量大）电机不易损坏，适应恶劣现场体积小、重量轻，基本免维护节能显著缺点:动态数学模型复杂具有非线性多变量强耦合的性质交、直流调速的特点项目2交流调速系统交流调速系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属于一般性能调速高性能的交流调速系统和伺服系统矢量控制技术、直接转矩控制特大容量、极高转速的交流调速厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。项目2交流调速系统交流调速系统的主要类型交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。项目2交流调速系统)1(60)1(11SpfnSn变频变极由转速公式可归纳出三类基本的调速方法：变极对数p的调速、变电源频率f1调速及变转差率s调速。异步电动机调速变转差率按调速方法分类①降电压调速②转差离合器调速③转子串电阻调速④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速⑤变极对数调速⑥变压变频调速项目2交流调速系统~按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率PM可分成：机械功率Pm--拖动负载的有效功率；转差功率Ps--传输给转子电路的，与转差率s成正比。PmPMPsPM=Pm+PsPm=(1–s)PMPs=sPM按能量转换类型分类异步电动机调速项目2交流调速系统从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类：①转差功率消耗型②转差功率馈送型③转差功率不变型按能量转换类型分类异步电动机调速项目2交流调速系统科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率馈送型调速系统——转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。特点：效率高。串级调速和双馈调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统——调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。2sMCuPsPP转差功率项目2交流调速系统①降电压调速②转差离合器调速③转子串电阻调速④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速⑤变极对数调速⑥变压变频调速等交流电动机调速——异步电动机调速转差功率消耗型转差功率馈送型转差功率不变型按调速方法分类按能量转换类型分类项目2交流调速系统同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。同步电动机转子极对数是固定的，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。交流电动机调速——同步电动机调速项目2交流调速系统从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。他控变频调速利用独立的变压变频装置给同步电动机供电。自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。交流电动机调速——同步电动机调速项目2交流调速系统21TU异步电动机调压调速系统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；'2''2M21222'121'211123/32260PRpURsTInsRfRXXs异步电机的电磁转矩公式一、交流异步电动机调压调速原理项目2交流调速系统0风机类负载特性011N7.0U1NU1N5.0U0nECABDSnmSFeTmaxeT图5-1异步电动机在不同电压下的机械特性图4-1异步电动机在不同电压下的机械特性项目2交流调速系统调压调速的三种方法：1.自耦调压器-----对小容量电机,体积重量大。2.饱和电抗器----控制铁心电感的饱和程度改变串联阻抗，体积重量大。3.晶闸管交流调压器-----用电力电子装置调压调速，体积小，轻便。二、异步电动机调压调速方法项目2交流调速系统三、转速闭环调压调速系统的组成普通异步电动机的开环机械特性很软,且开环调压调速范围太小,对于恒转矩的负载，要求调速范围D大于2时，往往采用带转速负反馈的闭环控制系统。项目2交流调速系统当系统带负载在A点运行时，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B。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点。速度调节器ASR常采用PI调节器，可以做到无静差并改善动态性能。nT01nABC2U1U3UlT'lT可控硅调压装置M触发器调节器速度给定-+UU'UkU测速发电机项目2交流调速系统绕线式异步电动机转子串电阻调速调速原理根据前面的分析已知，在绕线式异步电动机的转子回路串入对称电阻的人为机械特性的特点是：理想空载转速不变，最大转矩不变，临界转差率正比于转子总电阻。假设转子绕组本身电阻为r2，串入不同电阻时，其机械特性如下图所示。当拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩TN，电动机的转差率发生明显变化。显然，所串电阻越大，转速越低。nT01nlT2r12Rr22Rr32RrABCN图9.1绕线式异步电动机转子串电阻调速项目2交流调速系统调速方式对于异步电动机而言，当电源电压仍为额定电压时，气隙磁通基本保持不变，如果调速前转子电流为额定值，希望调速后仍为额定值，则有：式中R是转子回路所串联的电阻。2020222222222()()NEEIrRrxxss定值项目2交流调速系统必然有（1）转子回路功率因数为：已知电磁转矩为:22cosICTmTj22NrrRss常数222222/cosxsRrsRr根据（1）可以看出，如果保持调速前后转子电流不变，电磁转矩也不变。因此，转子回路串电阻调速适用于恒转矩的系统，属于恒转矩调速方式。项目2交流调速系统调速的性能和特点调速范围这种调整方法对应的最高转速不超过理想空载转，低速运行时机械特性太软，静差度大，因而限制了调速范围.平滑性由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重，抽头不易，所以调速的平滑性也不好,基本上属有级调整.经济性这种方法简单、容易实现，初期投资较少。但低速运行时效率低。sspPPCumM:1:1::2项目2交流调速系统鼠笼式三相异步电动机变极调速变极的原理异步电动机旋转磁场的同步转速与电机极对数成反比，改变鼠笼式三相异步电动机定子绕组的极对数，就改变了旋转磁场的同步转速，实现变极调速。下面以四极变两极为例，简单说明变极的原理。项目2交流调速系统图为一台四极三相异步电动机定子A相绕组接线图。每相绕组由两个等效集中线圈正向串联而成，以A相为例，AX绕组为a1x1与a2x2头尾串联。当流过电流时，由绕组产生的磁极数便是四极的。++..NSNS1a2a1x2x1a1x2a2xxANSNS(a)(b)项目2交流调速系统如果把图中的接线方式改变一下，每相绕组不再是两个线圈头尾串联，而变成为两个线圈尾尾串联，即为反向串联，如图(a)所示。或者为反向并联，如图(b)所示。改变后的相绕组流过电流时产生的脉振磁势的极数都是二极的如图（c）。++..NS1a2a1x2x1a1x2a2xxANS(a)(b)1a1x2a2xxANS(c)项目2交流调速系统从上面分析可以看出，若把三相鼠笼式异步电动机的定子绕组每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化（称为倍极比变极）。因此，同步转速n1也成倍变化，对拖动恒转矩负载运行的电机来讲，运行的转速也接近成倍改变。绕线式异步电动机转子极对数不能自动随定子极对数变化，如果同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变极调速。该方法主要适用于鼠笼式异步电动机。需要说明的是，为了保证变极调速时电动机的转向不变，变极调速的同时，需要改变绕组的相序或者说是电源的相序。理由很简单，要使电动机转向不变，就要求磁通势旋转方向不变。项目2交流调速系统变压变频（VVVF）调速系统概述异步电机的变压变频（VVVF，是VariableVoltageandVariableFrequency）调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是交流调速的重点。项目2交流调速系统变频调速改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，从而达到调速的目的。如果电源频率连续可调，可以平滑调节电动机转速。忽略定子漏阻抗压降，三相异步电动机每相电压11111144.4dpkNfEU项目2交流调速系统式中，定子绕组匝数N1，定子绕组系数Kdp1为常数。在电源频率f1一定时，定子绕组感应电动势E1与产生它的气隙合成磁通Φ1成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电压U1与E1近似相等。若U1不变，f1与Φ1成反比。f1如果下降，则Φ1增加，使磁路过饱和，励磁电流迅速上升，铁损增加，电动机效率降低，这是电机不允许的。如果f1上升，则Φ1减小，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。可见调速时为维持恒磁通不变，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，才可以使异步电动机具有较好的性能。项目2交流调速系统降低电源电压，有两种控制方法。1.保持常数降低电源频率f1的同时，保持常数，则Φ1=常数，是恒磁通控制方式。11fE11fE'22'2'221111'222'22'2'2111'22'211122602RXssRfEpfmsRXsREfpmnsRImPTM项目2交流调速系统令可求得：0dsdT'2'2XRsm常数'2211121221LfEpmTm常数pLRpfXRnsnm