第6章-电力拖动自动控制系统--运动控制系统(第5版.pptx
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1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第6章章基于稳态模型的异基于稳态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速l在在基基于于稳稳态态模模型型的的异异步步电电动动机机调调速速系系统统中中,采采用用稳稳态态等等值值电电路路来来分分析析异异步步电电动动机机在在不不同同电电压压和和频频率率供供电电条条件件下下的的转转矩矩与与磁磁通通的的稳稳态态关关系系和和机机械械特特性性,并并在在此此基基础础上上设设计计异异步步电动机调速系统。电动机调速系统。基于稳态模型的调速方法基于稳态模型的调速方法l常常用用的的基基于于稳稳态
2、态模模型型的的异异步步电电动动机机调调速速方方法法有有调调压压调调速速和和变变压压变变频频调调速两类。速两类。内内 容容 提提 要要n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和调速方法n异步电动机调压调速异步电动机调压调速n异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器n转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统n转转速速闭闭环环转转差差频频率率控控制制的的变变压压变变频频调调速速系统系统6.1 异步电动机稳态数学模异步电动机稳态数学模型和调速方法型和调速方法l异步电动机稳态数学模型包括异步电动机异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等
3、值电路和机械特性,两者既有联系,稳态等值电路和机械特性,两者既有联系,又有区别。又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率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。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(或机械特性则表征了转矩与转差率(或转速)的稳态关系。转速)的稳态关系。6.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路图图6-1 异步电动机异步电动机T型等值电路型等值电路假定条件:假定条件:忽略空间和
4、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动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路式中式中 l转子相电流(折合到定子侧)转子相电流(折合到定子侧)异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路图图6-2 异步电动机简化等值电路异步电动机简化等值电路忽略励磁电流忽略励磁电流异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路l简化等值电路的相电流简化等值电路的相电流异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩(机械特性方程式异步电动机
5、的电磁转矩(机械特性方程式)异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导,并令求导,并令 l最大转矩,又称临界转矩最大转矩,又称临界转矩 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l临界转差率:对应最大转矩的转差率临界转差率:对应最大转矩的转差率异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时,忽略分母中含很小时,忽略分母中含s各项各项l转矩近似与转矩近似与s成正比,机械特性近似为直成正比,机械特性近似为直线线 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s较大时,忽略分母中较大时,忽略分母中s的一
6、次项和零次项的一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比,机械特性是一段双曲成反比,机械特性是一段双曲线线异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电,且无外率供电,且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械特性方程的机械特性方程式,称作固有特式,称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图6-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性6.1.2异步电动机的调速方异步电动机的调速方法与气隙磁通法与气隙磁通l异步电动机的调速方法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
7、点偏离固有的参数,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,以达到调特性,工作在人为机械特性上,以达到调速的目的。速的目的。异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知,能够改变的参数可分为可知,能够改变的参数可分为3类:类:电电动动机机参参数数、电电源源电电压压和和电电源源频频率率(或或角角频频率)。率)。异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l三相异步电动机定子每相电动势的有效值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忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙
8、磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定,应使为了保持气隙磁通恒定,应使 或近似为或近似为 6.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速l保保持持电电源源频频率率为为额额定定频频率率,只只改改变变定定子电压的调速方法称作调压调速。子电压的调速方法称作调压调速。l由由于于受受电电动动机机绝绝缘缘和和磁磁路路饱饱和和的的限限制制,定定子子电电压压只只能能降降低低,不不能能升升高高,故故又又称作降压调速。称作降压调速。异步电动机调压调速异步电动机调压调速l调调压压调调速速的的基基本本特特征征:电电动动机机同同步步转转速速保保持额定值不变持额定值不变 l气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小,属于弱磁调
9、速。随定子电压的降低而减小,属于弱磁调速。6.2.1 异步电动机调压调速异步电动机调压调速主电路主电路图图6-4 晶闸管交流调压器调速晶闸管交流调压器调速TVC双双向晶闸管向晶闸管交流调压交流调压器器a)不可逆不可逆电路电路b)可逆电可逆电路路6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性可调可调 l调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式l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 6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转差率保持不变临界转差率保持不变 l理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转
10、速不变 6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转矩临界转矩 l 随定子电压的减小而成平方比地下随定子电压的减小而成平方比地下降降6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性图图6-5 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l带恒转矩负载时,普通笼型异步电动机降带恒转矩负载时,普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为压调速时的稳定工作范围为 调速范围有限,图中调速范围有限,图中A、B、C为恒转矩负载为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。在不同电压时
11、的稳定工作点。l带风机类负载运行,调速范围可以稍大一带风机类负载运行,调速范围可以稍大一些,图中些,图中D、E、F为风机类负载在不同电压为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。时的稳定工作点。6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性带恒转矩负载工作时,定子侧输入的电带恒转矩负载工作时,定子侧输入的电磁功率磁功率故电磁功率恒定不变,与转速无关。故电磁功率恒定不变,与转速无关。均为常数均为常数 6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。l带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转带恒转矩
12、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。差功率、减小输出功率来换取转速的降低。l增加的转差功率全部消耗在转子电阻上,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。这就是转差功率消耗型的由来。6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l增加转子电阻值,增加转子电阻值,临界转差率加大,临界转差率加大,可以扩大恒转矩负可以扩大恒转矩负载下的调速范围,载下的调速范围,这种高转子电阻电这种高转子电阻电动机又称作交流力动机又称作交流力矩电动机。矩电动机。l缺点是机械特性缺点是机械特性较软。较软。图图6-6 高转子电阻电动机(交流力矩高转子
13、电阻电动机(交流力矩电动机)在不同电压下的机械特性电动机)在不同电压下的机械特性6.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l要求带恒转要求带恒转矩负载的调矩负载的调压系统具有压系统具有较大的调速较大的调速范围时,往范围时,往往须采用带往须采用带转速反馈的转速反馈的闭环控制系闭环控制系统统。图图6-7 带转速负反馈闭环控带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统制的交流调压调速系统 6.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l当系统带负载稳定时,如果负载增大或减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,反馈控制作用小,引起转速下降或上升,反馈控制作用会自
14、动调整定子电压,使闭环系统工作在会自动调整定子电压,使闭环系统工作在新的稳定工作点。新的稳定工作点。l按照反馈控制规律,将稳定工作点连接起按照反馈控制规律,将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。来便是闭环系统的静特性。6.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l静特性左右静特性左右两边都有极两边都有极限,它们是限,它们是额定电压下额定电压下的机械特性的机械特性和最小输出和最小输出电压下的机电压下的机械特性。械特性。图图6-8 转速闭环控制的交流转速闭环控制的交流调压调速系统静特性调压调速系统静特性*6.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机直接接电网起动时,起动三相异
15、步电动机直接接电网起动时,起动电流比较大,而起动转矩并不大。电流比较大,而起动转矩并不大。*6.2.4降压控制应用降压控制应用l中、大容量电动机的起动电流大,会使电中、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常运网压降过大,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起来。行,甚至使该电动机本身根本起动不起来。l必须采取措施来降低其起动电流,常用的必须采取措施来降低其起动电流,常用的办法是降压起动。办法是降压起动。*软起动器软起动器l当电压降低时,起动电流将随电压成正比当电压降低时,起动电流将随电压成正比地降低,从而可以避开起动电流冲击的高地降低,从而可以避
16、开起动电流冲击的高峰。峰。l起动转矩与电压的平方成正比,起动转矩起动转矩与电压的平方成正比,起动转矩的减小将比起动电流的降低更多,降压起的减小将比起动电流的降低更多,降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。动时又会出现起动转矩不够的问题。l降压起动只适用于中、大容量电动机空载降压起动只适用于中、大容量电动机空载(或轻载)起动的场合。(或轻载)起动的场合。*6.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机运行时的总损耗三相异步电动机运行时的总损耗 l电机的运行效率电机的运行效率*轻载降压运行轻载降压运行l为为了了减减少少轻轻载载时时的的能能量量损损耗耗,降降低低定定子子电电压压可可以以降降低低气
17、气隙隙磁磁通通,这这样样可可以以同同时时降降低低铁损和励磁电流。铁损和励磁电流。l过过分分降降低低电电压压和和磁磁通通,转转子子电电流流必必然然增增大大,定定子子电电流流反反而而可可能能增增加加,铁铁损损的的降降低低将将被被铜损的增加填补,效率反而更差了。铜损的增加填补,效率反而更差了。l当当负负载载转转矩矩一一定定时时,轻轻载载降降压压运运行行有有一一个个最佳电压值,此时效率最高。最佳电压值,此时效率最高。6.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转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的一种调速方法,同步转速随
18、频率而变化6.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 l稳态速降稳态速降 随负载大小变化随负载大小变化 气隙磁通气隙磁通控制控制l只要控制只要控制便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频(额定频率)以下运当异步电动机在基频(额定频率)以下运行时,如果磁通太弱,没有充分利用电机行时,如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;如果磁通过大,又的铁心,是一种浪费;如果磁通过大,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时还会因绕组过热而损坏电机。严重时还会因
19、绕组过热而损坏电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时,必须使当频率从额定值向下调节时,必须使 l基频以下应采用电动势频率比为恒值的基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。控制方式。基频以下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时,忽略定子电阻和漏感当电动势值较高时,忽略定子电阻和漏感压降,压降,基频以下调速基频以下调速 l低频补偿(低频转矩提升)低频补偿(低频转矩提升)低频时,定子电阻和漏感压降所占的份低频时,定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著,不能再忽略。量比较显
20、著,不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些,以补偿定人为地把定子电压抬高一些,以补偿定子阻抗压降。子阻抗压降。负载大小不同,需要补偿的定子电压也负载大小不同,需要补偿的定子电压也不一样。不一样。基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软通常在控制软件中备有不同件中备有不同斜率的补偿特斜率的补偿特性,以供用户性,以供用户选择。选择。a无补偿无补偿 b带定子带定子电压补偿电压补偿图图6-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时,频率从向上升高,在基频以上调速时,频率从向上升高,受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制,受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制,定子电压不能随之升
21、高,最多只能保定子电压不能随之升高,最多只能保持额定电压不变。持额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低,这将导致磁通与频率成反比地降低,使得异步电动机工作在弱磁状态。使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速变压变频调速 图图6-10 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性6.3.2 变压变频调速时的机械变压变频调速时的机械特性特性l基频以下采用恒压频比控制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异步电动机机械特性方程式改写为基频以下调速基频以下调速l当当s很小时,忽略上式分母中含很小时,忽略上式分母中含s各项,各项,或或 基频以下调速基频以下
22、调速l对于同一转矩,转速降落基本不变对于同一转矩,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。基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时,电动机带载能力减弱,采当频率较低时,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,可用低频定子压降补偿,适当地提高电压,可以增强带载能力。以增强带载能力。基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关,故称作转差功率不变型。基频以上调速基频以上调速l电电压压不不能能从从额额定定值值再再向向上上提提高高,只只能能保持不变,机械特性方程式可写成保持
23、不变,机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时,忽略上式分母中含很小时,忽略上式分母中含s各项各项 或或基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对对于于相相同同的的电电磁磁转转矩矩,角角频频率率越越大大,转转速速降降落落越越大大,机机械械特特性性越越软软,与与直直流流电电动动机机弱弱磁调速相似。磁调速相似。基频以上调速基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时转差功率基本不变。转差功率基本不变。变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图6-11 异步电动机变压变
24、频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下,由于磁通恒定,允许输在基频以下,由于磁通恒定,允许输出转矩也恒定,属于出转矩也恒定,属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上,转速升高时磁通减小,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,属于上升,允许输出功率基本恒定,属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。6.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在在基基频频以以下下运运行行时时,采采用用恒恒压压频频比比的的控控制方法具有控制简便的优点。制方
25、法具有控制简便的优点。l但但负负载载的的变变化化时时定定子子压压降降不不同同,将将导导致致磁通改变,须采用定子电压补偿控制。磁通改变,须采用定子电压补偿控制。l根根据据定定子子电电流流的的大大小小改改变变定定子子电电压压,以以保持磁通恒定。保持磁通恒定。6.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为为了了使使参参考考极极性性与与电电动动状状态态下下的的实实际际极极性性相相吻吻合合,感感应应电电动动势势采采用用电电压压降降的的表表示示方方法法,由由高高电电位位指向低电位。指向低电位。图图6-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l气隙磁通在
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