第3部分-運動控制-交流調(diào)速系統(tǒng)

1、第第 2 篇篇 交流拖動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng) 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 n概述 n交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型 n交流變壓調(diào)速系統(tǒng) n交流變頻調(diào)速系統(tǒng) n*繞線轉(zhuǎn)子異步電機雙饋調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) n*同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 概概 述述 直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先 后誕生。在20世紀上半葉的年代里，鑒于直 流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速 拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)?量80%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電 機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世 公認的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然 早已問世，并已獲得實際應用，但其性能卻 始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。

2、直到20世紀6070年代，隨著電力電子 技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的 交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集 成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流 調(diào)速系統(tǒng)便應運而生，一直被認為是天經(jīng) 地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局 終于被打破了。 這時，直流電機具有電刷和換相器因而 必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機 的應用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制 了直流電機的容量和速度等缺點日益突出 起來，用交流可調(diào)拖動取代直流可調(diào)拖動 的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統(tǒng)已 經(jīng)成為當前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。 交流拖動控制系統(tǒng)的應用領域交流拖動控制系統(tǒng)的應用領域 主要有三個方面： n一般性能的節(jié)能

3、調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 n高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) n特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 1. 一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 在過去大量的所謂“不變速交流拖動” 中，風機、水泵等通用機械的容量幾乎占 工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨希渲杏?不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過 去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴 擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風和供水的流量，因 而把許多電能白白地浪費了。 一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)）一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)） 如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板 和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風機、水 泵平均都可以節(jié)約 20 30%

4、 以上的電能， 效果是很可觀的。 但風機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速 性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。 2. 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) 許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去 多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機 結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方 便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動， 顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交 流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像 直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實 時控制。 20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)， 或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標變換， 把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和 勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)

5、矩和磁 通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài) 性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了 突破性的進展。 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)） 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)） 其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、 解耦控制等方法，形成了一系列可以 和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào) 速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。 3. 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn) 速積不超過106 kW r /min，超過這一數(shù)值 時，其設計與制造就非常困難了。 交流電機沒有換向器，不受這種限制， 因此，

6、特大容量的電力拖動設備，如厚板 軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖 動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交 流調(diào)速為宜。 n 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型 交流電機主要分為異步電機異步電機（即感應電 機）和同步電機同步電機兩大類，每類電機又有不 同類型的調(diào)速系統(tǒng)。 現(xiàn)有文獻中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)種 類繁多，可按照不同的角度進行分類。 按電動機的調(diào)速方法分類按電動機的調(diào)速方法分類 常見的交流調(diào)速方法有： 降電壓調(diào)速； 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速； 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速； 繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速； 變極對數(shù)調(diào)速； 變壓變頻調(diào)速等等。 在研究開發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào) 速的途徑，因而種類繁

7、多是很自然的。現(xiàn) 在交流調(diào)速的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，為了深 入掌握其基本原理，就不能滿足于這種表 面上的羅列，而要進一步探討其本質(zhì)，認 識交流調(diào)速的基本規(guī)律。 按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類 按照交流異步電機 的原理，從定子傳入 轉(zhuǎn)子的電磁功率可分 成兩部分：一部分是 拖動負載的有效功率， 稱作機械功率；另一 部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電 路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn) 差率 s 成正比。 Pmech Pm Ps 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否 增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào) 速系統(tǒng)效率高低的標志。從

8、這點出發(fā)，可 以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類 。 1. 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能 消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第、 三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步 電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低， 而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn) 差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn) 矩負載時）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設 備成本最低，所以還有一定的應用價值。 2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分 轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋 入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述 第種調(diào)速方法屬于這一類。無論是饋出 還是饋

9、入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身 的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因 此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設 備。 3. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅 損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本 不變，因此效率更高，上述的第、 兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù) 調(diào)速是有級的，應用場合有限。只有變 壓變頻調(diào)速應用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài) 性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速； 但在定子電路中須配備與電動機容量相 當?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設備成本 最高。 同步電機的調(diào)速同步電機的調(diào)速 同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率， 所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不 變

10、型（恒等于 0 ）的，而同步電機轉(zhuǎn)子極 對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào) 速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。 在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從 頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調(diào)他控變頻調(diào) 速速和自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速兩類。 自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信 號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電 機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作 無換向器電機調(diào)速，或無刷直流電機調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機開關(guān)磁阻電機是一種特殊型式的同步電 機，有其獨特的比較簡單的調(diào)速方法，在小 容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。 第第 5 章章 閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的異步電

11、動機變壓調(diào)速系統(tǒng) 一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 本章提要本章提要 n異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)速電路 n異步電異步電動動機改變電壓時的機械特性機改變電壓時的機械特性 n閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 n閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 n轉(zhuǎn)差功率損耗分析轉(zhuǎn)差功率損耗分析 n變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行 中的應用中的應用 5.1 異步電動機變壓調(diào)速電路異步電動機變壓調(diào)速電路 變壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡 便的一種。 由電力拖動原理可知，當異步電機等效 電路的參數(shù)不變時，在

12、相同的轉(zhuǎn)速下，電 磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此， 改變定子外加電壓就可以改變機械特性的 函數(shù)關(guān)系，從而改變電機在一定負載轉(zhuǎn)矩 下的轉(zhuǎn)速。 過去改變交流電壓的方法多用自耦變壓 器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器，自從 電力電子技術(shù)興起以后，這類比較笨重的 電磁裝置就被晶閘管交流調(diào)壓器取代了。 目前，交流調(diào)壓器一般用三對晶閘管反 并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電 路中，主電路接法有多種方案，用相位控 制改變輸出電壓。 Y型接法 0 負載 a b c a) ua ub uc ia Ua0 VT1 VT2 VT3 型接法 負載 b) a b c ua ub uc ia 交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源

13、M 3 TVC 利用晶閘管交流調(diào) 壓器變壓調(diào)速 TVC雙向晶閘 管交流調(diào)壓器 圖5-1 利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 控制方式 TVC的變壓控制方式 n電路結(jié)構(gòu)： 采用晶閘管 反并聯(lián)供電 方式，實現(xiàn) 異步電動機 可逆和制動。 圖5-2 采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動機可逆和制動電路 可逆和制動控制 n 反向運行方式 圖5-2所示為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電 動機可逆和制動電路，其中，晶閘管 16 控制電動機正轉(zhuǎn)運行，反轉(zhuǎn)時，可由晶閘 管 1，4 和 710 提供逆相序電源，同時也 可用于反接制動。 n制動運行方式 當需要能耗制動時，可以根據(jù)制動電 路的要求選擇某幾個晶閘管不對稱地工作， 例如讓 1，

14、2，6 三個器件導通，其余均關(guān) 斷，就可使定子繞組中流過半波直流電流， 對旋轉(zhuǎn)著的電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動作用。必 要時，還可以在制動電路中串入電阻以限 制制動電流。 返回目錄返回目錄 5.2 異步電動機改變電壓時的機械特性異步電動機改變電壓時的機械特性 根據(jù)電機學原理，在下述三個假定條件下： 忽略空間和時間諧波， 忽略磁飽和， 忽略鐵損， 異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-3。 異步電動機等效電路 圖5-3 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路 Us 1 RsLls Llr LmRr /s Is I0 Ir Lm 參數(shù)定義 nRs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻； nLls、Llr 定子每相漏

15、感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感； n Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵磁電感； n Us、1 定子相電壓和供電角頻率； n s 轉(zhuǎn)差率。 電流公式 由圖可以導出 (5-1) 式中 2 r1s 2 1 2 r 1s s r ll LCL s R CR U I m s m1 s1s 1 11 L L Lj LjR C ll 在一般情況下，LmLl1，則，C1 1 這 相當于將上述假定條件的第條改為忽略 鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化 成 (5-2) 2 rs 2 1 2 r s s rs ll LL s R R U II 轉(zhuǎn)矩公式 令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s

16、 同步機械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1 / np 式中 np 極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為 （5-3） 2 rs 2 1 2 r s1 r 2 sp r 2 r 1 p 1m m e /33 ll LL s R R sRUn s R I n P T 式（5 - 3）就是異步電機的機械特性方 程式。它表明，當轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時， 電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。 這樣，不同電壓下的機械特性便如圖5-4 所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。 異步電動機機械特性 Te O n n0 Temax sm TL UsN 0.7UsN A B C F D E 0.5UsN 風機類負載

17、特性 恒轉(zhuǎn)矩負載特性 圖5-4 異步電動機不同電壓下的機械特性 最大轉(zhuǎn)矩公式 將式（5-3）對s求導，并令dTe/ds=0，可求 出對應于最大轉(zhuǎn)矩時的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩 （5-4） （5-5） 2 rs 2 1 2 s r m )( ll LLR R s 2 rs 2 1 2 ss1 2 sp maxe )(2 3 ll LLRR Un T 由圖5-4可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負載工作時， 普通籠型異步電機變電壓時的穩(wěn)定工作點 為 A、B、C，轉(zhuǎn)差率 s 的變化范圍不超 過 0 sm ，調(diào)速范圍有限。如果帶風機類 負載運行，則工作點為D、E、F，調(diào)速范 圍可以大一些。 為了能在恒轉(zhuǎn)矩負載下擴大調(diào)速范圍，并

18、使電機能在較低轉(zhuǎn)速下運行而不致過熱，就 要求電機轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機 在變電壓時的機械特性繪于圖5-5。 顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負載時的變壓調(diào)速范圍增 大了，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機，這種電機 又稱作交流力矩電機。 交流力矩電機的機械特性 Te O n n0 UsN 0.7UsN A B C TL 0.5UsN 恒轉(zhuǎn)矩負載特性 圖5-5 高轉(zhuǎn)子電阻電動機（交流力矩電動機） 在不同電壓下的機械特性 返回目錄返回目錄 5.3 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用普通異步電機的變電壓調(diào)速時，調(diào)速 范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電機可 以增大調(diào)速范圍，但機械特性又變軟

19、，因 而當負載變化時靜差率很大（見圖5-5）， 開環(huán)控制很難解決這個矛盾。 為此，對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，要求調(diào)速 范圍大于D=2時，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的 閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖5-6a）。 1. 系統(tǒng)組成 圖5-6 帶轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng) ASR U*n + - Un GT + M 3 TG a)原理圖 - Uc n 2. 系統(tǒng)靜特性 e T O n n0 TL UsN A A A Us min 恒轉(zhuǎn)矩負載特性 圖5-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 U*n3 U*n1 U*n2 圖5-6b所示的是閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng) 的靜特性。當系統(tǒng)帶負載在 A 點運行時， 如果負載增大引起轉(zhuǎn)

20、速下降，反饋控制作 用能提高定子電壓，從而在右邊一條機械 特性上找到新的工作點 A。同理，當負載 降低時，會在左邊一條特性上得到定子電 壓低一些的工作點 A。 按照反饋控制規(guī)律，將A、A、A 連接起 來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。盡管異步電機 的開環(huán)機械特性和直流電機的開環(huán)特性差 別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機械特性 上各取一個相應的工作點，連接起來便得 到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣的分析方法對兩 種電機是完全一致的。 盡管異步力矩電機的機械特性很軟， 但由系統(tǒng)放大系數(shù)決定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特 性卻可以很硬。 如果采用PI調(diào)節(jié)器，照樣可以做到無 靜差。改變給定信號，則靜特性平行地 上下移動，達到調(diào)速的目的。 變

21、壓調(diào)速系統(tǒng)的特點 異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流 電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的地方是：靜特性 左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們 是額定電壓 UsN 下的機械特性和最小輸出 電壓Usmin下的機械特性。 當負載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值， 閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點 只能沿著極限開環(huán)特性變化。 3. 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu) Ks n=f(Us,Te) ASR U*n Un Uc Us - -TL n 圖5-7 異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖5-6a所示的原理圖，可以畫出靜 態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-7所示。圖中， nKs = Us/Uc 為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的 放大系數(shù)； n

22、= Un/n 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)； nASR采用PI調(diào)節(jié)器； nn =f (Us, Te )是式（5-3）所表達的異步電機機 械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)時， Un* = Un = n Te = TL 根據(jù)負載需要的 n 和TL 可由式（5-3） 計算出或用機械特性圖解法求出所需的 Us 以及相應的 Uc。 返回目錄返回目錄 5.4 閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 對系統(tǒng)進行動態(tài)分析和設計時，須 先繪出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由圖5-7的靜態(tài)結(jié) 構(gòu)圖可以得到動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-8所 示。 其中有些環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以直接 寫出來，只有異步電機傳遞函數(shù)的推 導須費一番

23、周折。 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu) 圖5-8 異步電動機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 MA異步電機 FBS測速反饋環(huán)節(jié) WFBS(s) U*n(s) Un(s) Uc (s) - n(s) WASR(s) WGT-V (s)WMA (s) Us(s) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)器，用以消 除靜差并改善動態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為 s s KsW n n nASR 1 )( 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置 裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非線性的， 在一定范圍內(nèi)可假定為線性函數(shù)，在動態(tài) 中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào) 速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣。 傳遞函數(shù)可寫成 1 )( s s VGT

24、 sT K sW 其近似條件是 對于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取 Ts = 3.3ms 對其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。 s c 3 1 T 測速反饋環(huán)節(jié) 考慮到反饋濾波作用，測速反饋環(huán)節(jié)FBS 的傳遞函數(shù)可寫成 1 )( on FBS sT sW 異步電機近似的傳遞函數(shù) 異步電機的動態(tài)過程是由一組非線性微 分方程描述的，要用一個傳遞函數(shù)來準確 地表示它的輸入輸出關(guān)系是不可能的。 在這里，可以先在一定的假定條件下， 用穩(wěn)態(tài)工作點附近的微偏線性化方法求出 一種近似的傳遞函數(shù)。 （1）異步電機近似的線性機械特性 由式（5-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為 （5-3） 當 s 很小時，可以認為 2 rs 2 1

25、 2 r s1 r 2 sp e )()( /3 ll LL s R R sRUn T s R R r s s R LL ll r rs1 )( 且 后者相當于忽略異步電機的漏感電磁慣 性。在此條件下， （5-6） 這是在上述條件下異步電機近似的線性 機械特性。 sU R n T 2 s r1 p e 3 （2）穩(wěn)態(tài)工作點計算 設A為近似線性機械特性上的一個穩(wěn)態(tài)工 作點，則在A點上 （5-7） 在A點附近有微小偏差時，Te= TeA+Te ， Us = UsA + Us ，而 s = sA + s，代入式 （5-6）得 A 2 sA r1 p eA 3 sU R n T （3）微偏線性化 將上

26、式展開，并忽略兩個和兩個以上微 偏量的乘積，則 （5-8） )()( 3 A 2 ssA r1 p eeA ssUU R n TT )2( 3 2 sAsAsAA 2 sA r1 p eeA sUUsUsU R n TT 從式（5-8）中減去式（5-7），得 （5-9） )2( 3 2 sAsAsA r1 p e sUUsU R n T 1 s 已知轉(zhuǎn)差率 ，其中1是同步角轉(zhuǎn) 速， 是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則 (5-10) 1 1 s 將式（5-10）代入式（5-9），得 （5-11） 式（5-11）就是在穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏量 Te與Us和間的關(guān)系。 )2( 3 1 2 sA sAsA r1 p e U

27、 UsU R n T 帶恒轉(zhuǎn)矩負載時電力拖動系統(tǒng)的運動方程 式為 按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)工作 點A附近的微偏量運動方程式為 （5-12） tn J TT d d p Le tn J TT d )(d p Le 將式（5-11）和（5-12）的微偏量關(guān)系畫 在一起，即得異步電機在忽略電磁慣性時的 微偏線性化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-9所示。 如果只考慮U1到之間的傳遞函數(shù)，可 先取 TL = 0，圖5-9中小閉環(huán)傳遞函數(shù)可變 換成 r 2 1 2 sAp p p r 2 s 2 sAp p 3 s 1 s 3 1 s R Un n J J n R Un J n （4）近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 3np

28、1Rr 2UsASA 3npU 2sA s2 Rr np Js Us Te TL + - - 圖5-9 忽略電磁慣性時異步電機微偏線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （5）異步電機的近似線性化傳遞函數(shù) 于是，異步電機的近似線性化傳遞函數(shù)為 1 1 3 2 3 2 3 )( )( )( m MA 2 sA 2 p r 2 1 sA 1A r 2 1 2 sAp p AsA r1 p s MA sT K s Un RJ U s R Un s n J sU R n sU s sW 式中 KMA 異步電機的傳遞系數(shù)， Tm 異步電機拖動系統(tǒng)的機電時間常 數(shù)， sA A1 sA 1A MA )(22 UU s K

29、2 sA 2 p r 2 1 m 3 Un RJ T 由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉(zhuǎn) 體的機電慣性，異步電機便近似成一個線 性的一階慣性環(huán)節(jié)，即 (5-13) 把得到的四個傳遞函數(shù)式寫入圖5-8中各 方框內(nèi)，即得異步電機變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏 線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 1)( )( )( m MA s MA sT K sU s sW 最后，應該再強調(diào)一下，具體使用這個 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖時要注意下述兩點： n由于它是偏微線性化模型，只能用于機 械特性線性段上工作點附近的穩(wěn)定性判 別和動態(tài)校正，不適用于起制動時轉(zhuǎn)速 大范圍變化的動態(tài)響應。 n由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計 算有很大的近似

30、性。 返回目錄返回目錄 *5.5 轉(zhuǎn)差功率損耗分析（略）轉(zhuǎn)差功率損耗分析（略） 返回目錄返回目錄 *5.6 變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié) 能運行中的應用能運行中的應用 除了調(diào)速系統(tǒng)以外，異步電動機的變壓 控制在軟起動器軟起動器和輕載降壓節(jié)能輕載降壓節(jié)能運行中也 得到了廣泛的應用。 本節(jié)主要介紹它們的基本原理，關(guān)于其 運行中的一些具體問題可參看參考文獻 42，43，44。 *5.6.1 軟起動器軟起動器 n起動電流問題 常用的三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，價格 便宜，而且性能良好，運行可靠。對于小 容量電動機，只要供電網(wǎng)絡和變壓器的容 量足夠大（一般要求比電機容量大4倍

31、以 上），而供電線路并不太長（起動電流造 成的瞬時電壓降落低于10%15%），可以 直接通電起動，操作也很簡便。對于容量 大一些的電動機，問題就不這么簡單了。 n 起動電流和轉(zhuǎn)矩公式 在式（5-2）和式（5-3）中已導出異步電 動機的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，起動時，s =1， 因此起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為 2 rs 2 1 2 rs s rstsst ll LLRR U II 2 rs 2 1 2 rs1 r 2 sp est 3 ll LLRR RUn T （5-19） （5-20） 由上述二式不難看出，在一般情況下，三相 異步電動機的起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不 大。對于一般的籠型電動機，起動

32、電流和起動轉(zhuǎn) 矩對其額定值的倍數(shù)大約為 74 sN sst I I I K 3 . 19 . 0 eN est T T T K 起動電流倍數(shù) 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) n 起動電流和轉(zhuǎn)矩分析 起動電流和轉(zhuǎn)矩分析（續(xù)） 中、大容量電動機的起動電流大，會使 電網(wǎng)壓降過大，影響其他用電設備的正常 運行，甚至使該電動機本身根本起動不起 來。這時，必須采取措施來降低其起動電 流，常用的辦法是降壓起動。 n 降壓起動的矛盾 由式（5-19）可知，當電壓降低時，起 動電流將隨電壓成正比地降低，從而可以 避開起動電流沖擊的高峰。 但是，式（5-20）又表明，起動轉(zhuǎn)矩與 電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩的減小將比 起動電流的降低

33、更快，降壓起動時又會出 現(xiàn)起動轉(zhuǎn)矩夠不夠的問題。為了避免這個 麻煩，降壓起動只適用于中、大容量電動 機空載（或輕載）起動的場合。 n 傳統(tǒng)的降壓起動方法 傳統(tǒng)的降壓起動方法有： l星-三角（Y-）起動 l定子串電阻或電抗起動 l自耦變壓器（又稱起動補償器）降壓起動 它們都是一級降壓起動，起動過程中電 流有兩次沖擊，其幅值都比直接起動電流 低，而起動過程時間略長，如圖5-12所示。 n 軟起動方法 現(xiàn)代帶電流閉環(huán)的電子控制軟起動器可以 限制起動電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后 電流自動衰減下來（圖5-12中曲線c），起 動時間也短于一級降壓起動。主電路采用晶 閘管交流調(diào)壓器，用連續(xù)地改變其輸出電壓 來保證恒流起動，穩(wěn)定運行時可用接觸器給 晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長期工作。 軟起動方法（續(xù)） 視起動時所帶負載的大小，起動電流可 在 (0.54) IsN 之間調(diào)整，以獲得最佳的起動 效果，但無論如何調(diào)整都不宜于滿載起動。 負