第5章-基于稳态模型的异步电动机调速系统

电力拖动自动控制系统—运动控制系统第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的异步电动机调速在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。基于稳态模型的调速方法常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。5.1异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。5.1.1异步电动机稳态数学模型转差率与转速的关系11nnsn1(1)nsn或电动机极对数供电电源频率同步转速1160pfnn1fpn根据电机学原理，在下述三个假定条件下：•忽略空间和时间谐波；•忽略磁饱和；•忽略铁损；异步电机的稳态等效电路示于图5-1。•一、异步电动机等效电路图5-1异步电动机的稳态等效电路Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rLmRs、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；Us、1——定子相电压和供电角频率；s——转差率。二、异步电动机的机械特性异步电动机传递的电磁功率机械同步角速度sRIPrrm'2'3pmn11异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）2'2122'1'22'212'1'2'2'113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT上式表明，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。对s求导，并令0dsdTe1、最大转矩，又称临界转矩：2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT2、临界转差率：对应最大转矩的转差率2'212')(lrlssrmLLRRs假如将机械特性方程式分母展开2'222'2'22'112'22'222''2113232psresrsrlslrpsrlslrssrrnURsTsRRsRRsLLnURsLLsRssRRR当s很小时，忽略分母中含s各项2'13psernUsTsR转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线2'222'1131psreslslrnURTssRLL异步电动机的机械特性异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性。图5-3异步电动机的机械特性5.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式可知，改变的参数可分为3类：1、电动机参数；2、电源电压；3、电源频率（或角频率）。2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLL异步电动机的气隙磁通三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44ΦSgsmNEfNk14.44ΦSsgsmNUEfNk气隙磁通为了保持气隙磁通恒定，应使11Φ//mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为5.2异步电动机调压调速保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速，又称作降压调速。5.2.1异步电动机调压调速的主电路图5-4晶闸管交流调压器调速TVC双向晶闸管交流调压器a)不可逆电路b)可逆电路5.2.2异步电动机调压调速的机械特性调压调速的机械特性表达式2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLLsU电磁转矩与定子电压的平方成正比•不同电压下的机械特性便如图5-5所示，UsN表示额定定子电压。TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性图5-5异步电动机不同电压下的机械特性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，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-6。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。•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返回目录5.2.3闭环控制的调压调速系统要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，往往须采用带转速反馈的闭环控制系统。图5-7带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统系统静特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒转矩负载特性图5-8闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2*5.2.4降压控制应用（略）5.3异步电动机变压变频调速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn26060111在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。5.3.1变压变频调速的基本原理异步电动机的实际转速1111(1)nsnnsnnn稳态速降1snn随负载大小而变化气隙磁通控制只要控制14.44ΦSgsmNEfNk14.44ΦSsgsmNUEfNk由式5-11可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.基频以下调速由式（5-11）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使1gfE常值（5-26）即采用恒值电动势频率比的控制方式。•恒压频比的控制方式然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得（6-3）这是恒压频比的控制方式。常值1fUs在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。OUsf1图5-9恒压频比控制特性•带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿2.基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。f1N•变压变频控制特性图6-2异步电机变压变频调速的控制特性恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf1O如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录5.3.2变压变频调速时的机械特性基频以下采用恒压频比控制异步电动机机械特性方程式改写为2'2122''121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速：当s很小时，忽略上式分母中含s各项，sRsUnTrspe'1213或21'13sperUnTRs基频以下调速对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。2'111210602reeppsRTnsnsTnnU基频以下调速临界转矩随着频率的降低而减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。2'21121)(123lrlsssspemLLRRUnT基频以下调速转差功率与转速无关，故称作转差功率不变型。'21213resmespRTPsPsTUn基频以上调速电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成临界转矩表达式2'2122'1'2)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT2'21212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基频以上调速临界转差当s很小时，忽略上式分母中含s各项2'212')(lrlssrmLLRRs2'13sNeprUsTnR或'21123repsNRTsnU基频以上调速带负载时的转速降落对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。'21112210602reppsNRTnsnsnnU基频以上调速转差功率带恒功率负载运行时'221123resmepsNRTPsPsTnU转差功率基本不变，所以看书。221eT常数变压变频调速时的机械特性图5-11异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速”方式。5.3.3基频以下电压补偿控制在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。图5-12异步电动机稳态等效电路和感应电动势Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r•异步电动机等效电路EgEsEr三种磁通:气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势14.44ΦSgsmNEfNk定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势14.44ΦSssmsNEfNk14.44ΦSrsmrNEfNk1、恒定子磁通控制保持定子磁通恒定：定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。1/fEssssEIRU1常值2、恒气隙磁通控制保持气隙磁通恒定：定子电压：除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。1/gEglsssEILjRU11)(常值3、恒转子磁通控制如果希望电压－频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制。那么，机械特性会怎样呢？由此可写出：sREI/'rr'r（5-53）代入电磁转矩基本关系式，得'r121rp'r2'r2r1pe33RsEnsRsREnT（5-54）现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图5-13。0s10Te•几种电压－频率协调控制方式的特性比较图5-13不同电压－频率协调控制方式时的机械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制abc4、几种协调控制方式的比较综上所述，在正弦波供电时，按不同