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作业思考题5-4,5-5习题5-11附加题3、对于负载恒定的变压变频调速系统，在变频调速时，为何要保持磁通恒定？如何保持磁通恒定？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1fpn5.1异步电动机稳态数学模型和调速方法1.异步电动机稳态等效电路假定条件：①忽略空间和时间谐波，②忽略磁饱和③忽略铁损2'212''lrlsrssrsLLsRRUII2.异步电动机的机械特性异步电动机传递的电磁功率sRIPrm223机械同步角速度ωm1pmppnnfnnfn11111122异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）pmn112'2122'1'22'212'1'2'2'113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPTsRIPrm223异步电动机的机械特性对s求导，并令0dsdTe最大转矩，又称临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性临界转差率：对应最大转矩的转差率2'212')(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性当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异步电动机的机械特性当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图5-3异步电动机的机械特性TL可知，能够改变的参数可分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLL5.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通1.异步电动机的调速方法2.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Eg气隙磁通为了保持气隙磁通恒定，应使11Φ//mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为在进行调速时希望保持电动机中每极磁通φm为额定值不变，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，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。5.2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。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。异步电动机调压调速调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变气隙磁通随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn1Φ4.44SsmsNUfNk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可调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5.2.2异步电动机调压调速的机械特性临界转差率保持不变理想空载转速保持为同步转速不变01Nnn2'212')(lrlssrmLLRRs5.2.2异步电动机调压调速的机械特性临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT随定子电压的减小而成平方比地下降5.2.2异步电动机调压调速的机械特性图5-5异步电动机调压调速的机械特性5.2.2异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。0mss5.2.2异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。11LmmLpTPTn1LT、均为常数5.2.2异步电动机调压调速的机械特性转差功率随着转差率的加大而增加。带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。1LsmmLpTPsPsTsn5.2.2异步电动机调压调速的机械特性增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。缺点是机械特性较软。图5-6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5.2.3闭环控制的调压调速系统当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。5.2.3闭环控制的调压调速系统静特性左右两边都有极限，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。图5-8转速闭环控制的交流调压调速系统静特性sNUminsU5.3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5.3.1变压变频调速的基本原理要保持磁通恒定，在变频的同时要改变电源电压14.44ΦSsgsmNUEfNk当频率从额定值向下调节时，必须使14.44ΦSgsNmNENkf常值基频以下应采用为恒值的控制方式。1fEg1.基频以下调速基频以下调速常值fUsgsEU则得这就是恒压频比控制方式。由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于恒转矩调速由于电动势难以控制，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降glsssEILjRU11)(Eg基频以下调速当频率比较低时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。仅保持Eg/f1=常数不能保持磁通恒定。因此要人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。glsssEILjRU11)(基频以下调速通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。a——无补偿b——带定子电压补偿图5-9恒压频比控制特性2.基频以上调速在基频以上调速时，频率从基频向上升高，受到电机绝缘耐压限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机磁通减少，Te减小。即转速上升，电磁转矩减少。只能实现恒功率调速。14.44ΦSsgsmNUEfNk变压变频调速图5-10异步电动机变压变频调速的控制特性5.3.2变压变频调速时的机械特性一、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sperUnTRssTe很小时当s.1基频以下调速2.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21'13sperUnTRs基频以下调速3.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4.转差功率（转子铜损）与转速无关故称作转差功率不变型。'21213resmespRTPsPsTUn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，临界转矩减小21'13sperUnTRs2'21121)(123lrlsssspemLLRRUnT二、基频以上调速1.电压保持额定值不变，Te随着频率的增大而减小2.临界转矩随着频率的增大而减小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3.转速降落增大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。属于恒功率调速'21112210602reppsNRTnsnsnnU↑'21123repsNRTsnU基频以上调速4.转差功率基本不变带恒功率负载运行时'221123resmepsNRTPsPsTnU221eT常数转差功率基本不变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。glsssEILjRU11)(5.3.3基频以下电压补偿控制为了使参考极性与电动状态下的实际极性相吻合，感应电动势采用电压降的表示方法，由高电位指向低电位。图5-12异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通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转子全磁通在转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14.44ΦSssmsNEfNk恒定子磁通控制1fEs忽略励磁电流，转子电流电磁转矩2'212'')(lrlsrsrLLsREI2'2122''121'2'212'21)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒定子磁通控制临界转矩)(123'21lrlsspemLLEnT结论：恒定子磁通控制的临界转矩大于恒压频比控制方式。2'21121)(123lrlsssspemLLRRUnT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