电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt5-交流拖动控制系统.ppt

电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1第 2 篇电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统交流拖动控制系统交流拖动控制系统1电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2内容提要l概述概述l交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型l5 5交流变压调速系统交流变压调速系统l6 6交流变频调速系统交流变频调速系统l7 7绕线转子异步电机双馈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转差功率馈送型调速系统l8 8同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统 2电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3概 述 2020世纪世纪6060年代以前的电气传动年代以前的电气传动 80%80%交流不调速传动交流不调速传动 18%18%直流可调速传动直流可调速传动 2%2%交流可调速传动交流可调速传动3电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统4直流电机的不足 具有电刷和换向器，必须经常检查具有电刷和换向器，必须经常检查维修。维修。换向火花使其应用环境受到限制。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换向能力限制电机的容量和速度（极限容量（极限容量 转速约为转速约为 ）。）。4电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统5 直到直到2020世纪世纪60607070年代，随着电力年代，随着电力电子技术的发展，出现了采用电力电子电子技术的发展，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经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破。格局终于被打破。交流拖动控制系统已经成为当前电力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。拖动控制的主要发展方向。5电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统6交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：主要有三个方面：l一般性能的节能调速一般性能的节能调速 l高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 l特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 6电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统71.1.一般性能的节能调速一般性能的节能调速 在在过过去去，风风机机、水水泵泵等等通通用用机机械械的的依依赖赖挡挡板板和和阀阀门门来来调调节节送送风风和和供供水水的的流流量量，因因而而把把许许多多电电能白白地浪费了。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、水泵平均都可以上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约节约 202030%30%以上的电能，效果是很可观的。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。求都不高，只需要一般的调速性能。7电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统8 许多在工艺上需要调速的生产机械过去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，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。显然能够带来不少的效益。8电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统92.2.高性能的交流调速系统和伺服系统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，其由于交流电机原理上的原因，其电磁转电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行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灵活的实时控制。9电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统10 2020世世纪纪7070年年代代初初发发明明了了矢矢量量控控制制技技术术，或或称称磁磁场场定定向向控控制制技技术术，通通过过坐坐标标变变换换，把把交交流流电电机机的的定定子子电电流流分分解解成成转转矩矩分分量量和和励励磁磁分分量量，用用来来分分别别控控制制电电机机的的转转矩矩和和磁磁通通，就就可可以以获获得得和和直直流流电电机机相相仿仿的的高高动动态态性性能能，从从而而使使交交流流电电机机的的调调速速技技术取得了突破性的进展。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）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。美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。10电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统11交流调速系统的两大类交流调速系统的两大类 异步电动机步电动机调速系统 同步电动机同步电动机调速系统11电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统12异步电动机的转速异步电动机的转速（1 1）改变极对数）改变极对数（2 2）改变电源频率）改变电源频率（3 3）改变电动机的转差率）改变电动机的转差率 这第（这第（3 3）条不能说明问题！它包含了多种）条不能说明问题！它包含了多种 性能差别很大的调速方法。性能差别很大的调速方法。12电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统13按电动机的实际调速方法分类按电动机的实际调速方法分类 降电压调速降电压调速 转差离合器调速转差离合器调速 转子串电阻调速转子串电阻调速 绕线电机串级调速或双馈电机调速绕线电机串级调速或双馈电机调速 变极对数调速变极对数调速 变压变频调速变压变频调速这只是罗列，看不出规律来。这只是罗列，看不出规律来。13电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统14按电动机的能量转换类型分类按电动机的能量转换类型分类 按照交流异步电机按照交流异步电机的原理，从定子传入的原理，从定子传入转子的电磁功率可分转子的电磁功率可分成两部分：成两部分：一部分是拖动负载的有效一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率路的转差功率，与转差率 s s 成正比。成正比。PmechPmPs14电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统15 即即 Pm=Pmech+Ps Pmech=(1 s)Pm Ps=sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增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，可以系统效率高低的标志。从这点出发，可以把把异步电机的调速系统异步电机的调速系统分成三类分成三类 。15电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统161.1.转差功率消耗型调速系统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全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，如子回路中，如降压调速、降压调速、转差离转差离合器调速、合器调速、串电阻调速。串电阻调速。效率最低，越到低速时效率越低；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。但系统结构简单，设备成本低。16电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统172.2.转差功率馈送型调速系统转差功率馈送型调速系统 如第如第类：串级调速，双馈调速。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）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。或转化成机械能予以利用。效率较高，但要增加一些设备。效率较高，但要增加一些设备。17电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统183.3.转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统 无论转速高低，转差功率中的转子无论转速高低，转差功率中的转子铜损部分基本不变，如铜损部分基本不变，如变极调速、变极调速、变压变频调速。变压变频调速。变极对数调速是有级的，应用场合变极对数调速是有级的，应用场合有限。有限。只有变压变频调速应用最广，而且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。效率更高，设备成本也最高。18电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统19 同步电机的调速同步电机的调速 同步电机没有转差，也就没有转差功率，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所以同步电机调速系统只能是转差功率不只能是转差功率不变型变型（恒等于（恒等于 0 0）的，而同步电机转子极）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此对数又是固定的，因此只能靠变压变频调只能靠变压变频调速速，没有像异步电机那样的多种调速方法。，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，可分为频率控制的方式来看，可分为他控变频调他控变频调速速和和自控变频调速自控变频调速两类。两类。19电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统20 自控变频调速自控变频调速 利用转子磁极位置的检测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。作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。开关磁阻电机开关磁阻电机 是一种特殊型式的同步电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容量交流电机调速系统中很有发展前途。20电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统21第 5 章交流调速的基本类型和交流变交流调速的基本类型和交流变压调速系统压调速系统 一种转差功率消耗型调速一种转差功率消耗型调速系统系统 21电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统22本章提要本章提要u异步电动机变压调速电路异步电动机变压调速电路u异步电动机改变电压时的机械特性异步电动机改变电压时的机械特性u闭环控制的变压调速系统及其静特性闭环控制的变压调速系统及其静特性u闭环变压调速系统的近似动态结构图闭环变压调速系统的近似动态结构图u变压控制在软起动器和轻载降压节能变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用运行中的应用22电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统23本章要点本章要点本章主要讨论交流变压调速问题本章主要讨论交流变压调速问题l了解交流变压的基本方式；了解交流变压的基本方式；l掌握交流变压调速系统的闭环特性；掌握交流变压调速系统的闭环特性；重点、难点重点、难点:异步电动机改变电压时机械特性的变异步电动机改变电压时机械特性的变化规律。化规律。23电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统245.1 5.1 异步电动机变压调速电路异步电动机变压调速电路 变压调速是异步电机调速方法中比较简便变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。的一种。由电力拖动原理可知，当异步电机等效电由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比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特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。转矩下的转速。(5-3)24电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统25 交流变压调速系统可控电源交流变压调速系统可控电源M3TVC利用晶闸管交流利用晶闸管交流调压器变压调速调压器变压调速TVCTVC双向晶闸双向晶闸管交流调压器管交流调压器 图5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速 25电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统26 控制方式控制方式TVC的变压控制方式工作周期工作周期1S26电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统27n电路结构：电路结构：采用晶闸采用晶闸管反并联供电管反并联供电方式，实现异方式，实现异步电动机可逆步电动机可逆和制动和制动。图5-2 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路 可逆和制动控制可逆和制动控制27电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统28l 反向运行方式反向运行方式 图图5-25-2所示为采用晶闸管反并联的异步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，晶闸管电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管 1 16 6 控制电动机正转运行，反转时，可控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管由晶闸管 1 1、4 4 和和 7 710 10 提供逆相序电提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。源，同时也可用于反接制动。28电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统29l制动运行方式制动运行方式 当需要能耗制动时，可以根据制动电当需要能耗制动时，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，路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如让例如让 1 1、2 2、6 6 三个器件导通，其余均三个器件导通，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。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必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。阻以限制制动电流。29电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统30图图5-3 异步电动机的稳态等效电路异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrLm5.2 异步电动机改变电压时的机异步电动机改变电压时的机械特性械特性三个假定条件：三个假定条件：1）忽略空间和时间谐波，）忽略空间和时间谐波，2）忽略磁饱和，）忽略磁饱和，3）忽略铁损，）忽略铁损，30电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统31 参数定义参数定义lR Rs s、RRr r 定子每相电阻和折合到定子侧定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；的转子每相电阻；lL Ll ls s、LLl lr r 定子每相漏感和折合到定子侧定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；的转子每相漏感；lL Lm m 定子每相绕组产生气隙主磁通的定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；等效电感，即励磁电感；ls s 转差率。转差率。31电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统32电流公式电流公式由图可以导出由图可以导出(5-1)(5-1)式中式中32电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统33 在一般情况下，在一般情况下，L Lm mL Llsls，则，则，C C1 1 1 1 这相当于将上述假定条件的这相当于将上述假定条件的第第3)3)条改为忽条改为忽略铁损和励磁电流略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简。这样，电流公式可简化成化成(5-2)(5-2)33电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统34 转矩公式转矩公式令电磁功率令电磁功率 P Pm m=3=3I Ir r2 2 R Rr r /s s 同步机械角转速同步机械角转速 m1m1=1 1/n np p式中式中 n np p 极对数，则异步电机的电磁转矩为极对数，则异步电机的电磁转矩为 （5-3）34电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统35最大转矩公式最大转矩公式 将将式式（5-35-3）对对s s求求导导，并并令令d dT Te e/d/ds s=0=0，可可求求出出对对应应于于最最大大转转矩矩时时的的静静差差率率和和最最大大转矩转矩（5-45-4）（5-55-5）35电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统36异步电动机机械特性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图5-4 异步电动机异步电动机不同电压下的机械特性不同电压下的机械特性36电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统37 带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机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变电压时的稳定工作点为A A、B B、C C，转差率转差率s s的的变化范围不超过变化范围不超过 0 0s sm m ，调速范围有限。调速范围有限。带风机类负载运行，则工作点为带风机类负载运行，则工作点为D D、E E、F F，调速范围可以大一些。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。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，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堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。矩电机。37电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统38 交流力矩电机的机械特性交流力矩电机的机械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性图图5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）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在不同电压下的机械特性 38电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统395.3 5.3 闭环控制的变压调速系统及其闭环控制的变压调速系统及其静特性静特性 采采用用普普通通异异步步电电机机的的变变电电压压调调速速时时，调调速速范范围围很很窄窄，采采用用高高转转子子电电阻阻的的力力矩矩电电机机可可以以增增大大调调速速范范围围，但但机机械械特特性性又又变变软软，因因而而当当负负载载变变化化时时静静差差率率很很大大，开开环环控控制制很很难难解解决决这个矛盾。这个矛盾。为为此此，对对于于恒恒转转矩矩性性质质的的负负载载，要要求求调调速速范范围围大大于于D=2D=2时时，往往往往采采用用带带转转速速反反馈馈的的闭闭环环控制系统控制系统。39电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统401.系统组成系统组成图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理图-Ucn40电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统412.2.系统静特性系统静特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性恒转矩负载特性图5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2如果负载增大引如果负载增大引起转速下降，反起转速下降，反馈控制作用能提馈控制作用能提高定子电压，从高定子电压，从而在右边一条机而在右边一条机械特性上找到新械特性上找到新的工作点的工作点 A A。按照反馈控制规按照反馈控制规律，将律，将A、A、A 连接起来便是闭连接起来便是闭环系统的静特性环系统的静特性41电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统42 尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的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，开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械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。完全一致的。尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用如果采用PIPI调节器，照样可以做到无静差。调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的调速的目的。42电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统43 变压调速系统的特点变压调速系统的特点 异步电机闭环变压调速系统不同于直流异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：电机闭环变压调速系统的地方是：静特性静特性左右两边都有极限，不能无限延长左右两边都有极限，不能无限延长，它们，它们是额定电压是额定电压 U UsNsN 下的机械特性和最小输出下的机械特性和最小输出电压电压U Usminsmin下的机械特性。下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。只能沿着极限开环特性变化。43电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统443.3.系统静态结构系统静态结构 Ksn=f(Us,Te)ASRU*nUnUcUs-TLn图5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态结构图 44电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统45图中，图中，lK Ks s=U Us s/U Uc c 为晶闸管交流调压器和触发装为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；置的放大系数；l =U Un n/n n 为转速反馈系数；为转速反馈系数；lASRASR采用采用PIPI调节器；调节器；ln n=f f(U Us s,T Te e )是式（是式（5-35-3）所表达的异）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。性函数。45电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统46 稳态时，稳态时，U Un n*=U Un n=n n T Te e=T TL L 根据负载需要的根据负载需要的 n n 和和T TL L 可由式（可由式（5-5-3 3）计算出或用机械特性图解法求出所需）计算出或用机械特性图解法求出所需的的 U Us s以及相应的以及相应的U Uc c。46电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统475.4 5.4 闭环变压调速系统的近似动闭环变压调速系统的近似动态结构图态结构图 对系统进行动态分析和设计时，须先对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图绘出动态结构图。由图5-75-7的静态结构图的静态结构图可以得到动态结构图，如图可以得到动态结构图，如图5-85-8所示。所示。其中有些环节的传递函数可以直接写其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折一番周折。47电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统48 系统动态结构系统动态结构图5-8 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图 MA异步电机 FBS测速反馈环节 WFBS(s)U*n(s)Un(s)Uc(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA(s)Us(s)48电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统49 转速调节器转速调节器ASRASR 转速调节器转速调节器ASRASR常用常用PIPI调节器，用以消调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为除静差并改善动态性能，其传递函数为49电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统50 晶闸管交流调压器和触发装置晶闸管交流调压器和触发装置 装置的输入装置的输入-输出关系原则上是非线性的，输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节。传递函数可写以近似成一阶惯性环节。传递函数可写成成 其近似条件是其近似条件是 对于三相全波对于三相全波Y Y联结调压电路，可取联结调压电路，可取T Ts s=3.3ms=3.3ms。50电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统51 测速反馈环节测速反馈环节 考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBSFBS的传递函数可写成的传递函数可写成51电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统52 异步电机近似的传递函数异步电机近似的传递函数 异步电机的动态过程是由一组非线性异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能准确地表示它的输入输出关系是不可能的。的。在这里，可以先在一定的假定条件下，在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。出一种近似的传递函数。52电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统53（1 1）异步电机近似的线性机械特性）异步电机近似的线性机械特性 由式（由式（5-35-3）已知电磁转矩为）已知电磁转矩为当当 s s 很小时，可以认为很小时，可以认为且53电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统54 后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，性。在此条件下，（5-65-6）这是在上述条件下异步电机近似的线性这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。机械特性。54电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统55（2 2）稳态工作点计算）稳态工作点计算 设设A A为近似线性机械特性上的一个稳态为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则工作点，则在在A A点上点上（5-75-7）在在A A点附近有微小偏差时，点附近有微小偏差时，T Te e=T TeAeA+T Te e，U Us s=U UsAsA+U Us s，而，而s s=s sA A+s s，代入式（代入式（5-65-6）得得55电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统56（3 3）微偏线性化）微偏线性化 将上式展开，并忽略两个和两个以上微将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则偏量的乘积，则（5-85-8）56电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统57 式（式（5-85-8）减去式（）减去式（5-75-7），得），得（5-95-9）已知转差率已知转差率 ，其中，其中 1 1是同步角是同步角转速，转速，是转子角转速，则是转子角转速，则（5-10）57电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统58 将式（将式（5-105-10）代入式（）代入式（5-95-9），得），得（5-115-11）式式（5-115-11）就就是是在在稳稳态态工工作作点点附附近近微微偏偏量量 T Te e与与 U Us s和和 间的关系。间的关系。58电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统59 带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为程式为 按上面相同的方法处理，可得在稳态工按上面相同的方法处理，可得在稳态工作作点点A A附近的微偏量运动方程式为附近的微偏量运动方程式为（5-125-12）59电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统60 将式（将式（5-115-11）和（）和（5-125-12）的微偏量关系）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图的微偏线性化动态结构图，如图5-95-9所示。所示。如果只考虑如果只考虑 U U1 1到到 之间的传递函数，之间的传递函数，可先取可先取 T TL L =0=0，图，图5-95-9中小闭环传递函数中小闭环传递函数可变换成可变换成60电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统61（4 4）近似动态结构图）近似动态结构图3np1Rr2UsASA3npU 2sAs2 Rrnp JsUsTeTL+-图5-9 忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图 61电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统62（5 5）异步电机的近似线性化传递函数）异步电机的近似线性化传递函数 于是，异步电机的近似线性化传递函数于是，异步电机的近似线性化传递函数为为62电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统63式中式中 K KMAMA 异步电机的传递系数，异步电机的传递系数，T Tm m 异异步步电电机机拖拖动动系系统统的的机机电电时时间间常常数，数，63电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统64 由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即性的一阶惯性环节，即(5-13)(5-13)把得到的四个传递函数式写入图把得到的四个传递函数式写入图5-85-8中中各方框内，即得异步电机变压调速系统微各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构图。偏线性化的近似动态结构图。64电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统65 最最后后，应应该该再再强强调调一一下下，具具体体使使用用这这个个动态结构图时要注意下述两点：动态结构图时要注意下述两点：l由由于于它它是是偏偏微微线线性性化化模模型型，只只能能用用于于机机械械特特性性线线性性段段上上工工作作点点附附近近的的稳稳定定性性判判别别和和动动态态校校正正，不不适适用用于于起起制制动动时时转转速速大范围变化的动态响应大范围变化的动态响应。l由由于于它它完完全全忽忽略略了了电电磁磁惯惯性性，分分析析与与计计算有算有很大的近似性很大的近似性。65电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统66*5.6 5.6 变压控制在软起动器和轻载变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用降压节能运行中的应用 除了调速系统以外，异步电动机的变压除了调速系统以外，异步电动机的变压控制在控制在软起动器软起动器和和轻载降压节能轻载降压节能运行中也运行中也得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。66电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统67*5.6.1 5.6.1 软起动器软起动器l起动电流问题起动电流问题 常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要供电网络和变压器对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大的容量足够大（一般要求比电机容量大4 4倍以上）倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电，而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于压降落低于10%10%15%15%），可以直接通电起动，操），可以直接通电起动，操作也很简便。作也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就不这么简对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了。单了。67电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统68n 起动电流和转矩公式起动电流和转矩公式 在式在式（5-25-2）和式和式（5-35-3）中已导出异步中已导出异步电动机的电流和转矩方程式，起动时，电动机的电流和转矩方程式，起动时，s s=1=1，因此起动电流和起动转矩分别为因此起动电流和起动转矩分别为（5-19）（5-20）68电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统69 由上述二式不难看出，在一般情况下，由上述二式不难看出，在一般情况下，三相异步电动机的起动电流比较大，而起三相异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大。对于一般的笼型电动机，动转矩并不大。对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为约为起动电流倍数起动电流倍数 起动转矩倍数起动转矩倍数 n 起动电流和转矩分析起动电流和转矩分析69电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统70起动电流和转矩分析（续）起动电流和转矩分析（续）中、大容量电动机的起动电流大，会中、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使电网压降过大，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常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时，必须采取措施来降低其起动起来。这时，必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是电流，常用的办法是降压起动降压起动。70电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统71n 软起动器原理图软起动器原理图71电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统72n 降压起动的矛盾降压起动的矛盾 由式（由式（5-195-19）可知，当电压降低时，起）可知，当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以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峰。避开起动电流冲击的高峰。但是，式（但是，式（5-205-20）又表明，起动转矩与）又表明，起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时又会出起动电流的降低更快，降压起动时又会出现起动转矩够不够的问题。为了避免这个现起动转矩够不够的问题。为了避免这个麻烦，麻烦，降压起动只适用于中、大容量电动降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合机空载（或轻载）起动的场合。72电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统73n 传统的降压起动方法传统的降压起动方法 传统的降压起动方法有：传统的降压起动方法有：l星星-三角（三角（Y-Y-）起动起动l定子串电阻或电抗起动定子串电阻或电抗起动l自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动 它们都是一级降压起动，起动过程中它们都是一级降压起动，起动过程中电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，而起动过程时间略长，如图流低，而起动过程时间略长，如图5-125-12所所示。示。73电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电