運動控制系統(tǒng)：第七章

1、第七章第七章交流調壓調速系統(tǒng)學習內容學習內容7.0 7.0 引言引言7.1 7.1 交流調速系統(tǒng)的基本分類交流調速系統(tǒng)的基本分類7.2 7.2 異步電動機調壓調速系統(tǒng)異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.3 7.3 調壓調速的應用調壓調速的應用引言引言：電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展20世紀世紀70年代以前年代以前20世紀世紀70年代以后年代以后高精度的調速系統(tǒng)都是使用直流電力拖動直流電力拖動調速范圍廣調速范圍廣靜差率小靜差率小穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好動態(tài)性動態(tài)性好好發(fā)明了矢量控制矢量控制使交流電力拖動飛速發(fā)展 通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量分別控制，通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成轉

2、矩分量和勵磁分量分別控制，解決了交流電動機轉矩和磁通的控制問題，獲得和直流電動機相仿的高動態(tài)性能解決了交流電動機轉矩和磁通的控制問題，獲得和直流電動機相仿的高動態(tài)性能7.1：交流調速系統(tǒng)的基本分類交交流流電電動動機機調調速速系系統(tǒng)統(tǒng)異步電動機調異步電動機調速系統(tǒng)速系統(tǒng)同同步電動機調步電動機調速系統(tǒng)速系統(tǒng)轉差功率不變型變壓變頻調速轉差功率消耗型轉差功率回饋型轉差功率不變型降壓調速轉差離合器調速轉子串電阻繞線轉子串級調速雙饋電動機調速變極對數調速變壓變頻調速交流調速系統(tǒng)的分類交流調速系統(tǒng)的分類：7.1：交流調速系統(tǒng)的基本分類異步電動機：異步電動機：轉差功率消耗型特點全部轉差功率都轉換成熱能轉換成熱

3、能消耗在轉子回路上系統(tǒng)效率最低恒轉矩負載時是以增加轉以增加轉差功率消耗換取轉速降低差功率消耗換取轉速降低缺缺點點優(yōu)優(yōu)點點系統(tǒng)結構簡單，設備成本最低常見的調速方法1）降電壓調速；2）轉差離合器調速；3）轉子串電阻調速7.1：交流調速系統(tǒng)的基本分類異步電動機：異步電動機：轉差功率回饋型特點 除轉子銅損外，大部分轉差功率在轉子在轉子側通過變流裝置饋出或饋入側通過變流裝置饋出或饋入，轉速越低，能饋送的功率越多缺缺點點優(yōu)優(yōu)點點系統(tǒng)效率較高要增加一些設備常見的調速方法繞線轉子電動機串級調速，雙饋電動機調速7.1：交流調速系統(tǒng)的基本分類異步電動機：異步電動機：轉差功率不變型特點 轉差功率只有轉子銅損，無論轉

4、速高低，轉差功率基本不變缺缺點點優(yōu)優(yōu)點點系統(tǒng)效率更高系統(tǒng)效率更高變極對數變極對數變壓變頻變壓變頻有級調速應用場合有限應用廣泛，成本高7.1：交流調速系統(tǒng)的基本分類同步同步電動機：電動機：定轉子同步沒有轉速差，也就沒有轉差功率只能：變壓變頻調速只能：變壓變頻調速極對數固定結構特性結構特性不能通過變極對數進行調速從頻率控制方式分：他控和自控變頻自控變頻調速有時又稱作無換向器電動機調速，或無刷直流電動機調速7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.1 異步電動機調壓調速的工作原理異步電動機調壓調速的工作原理根據電機學原理，在下述根據電機學原理，在下述三個假設條件下三個假設條件下：忽略空間和時間諧波；忽略

5、磁飽和；忽略鐵損穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)等效電路等效電路7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.1 異步電動機調壓調速的工作原理異步電動機調壓調速的工作原理其中同步同步機械角轉速機械角轉速異步電動機傳遞電磁功率異步電動機傳遞電磁功率 （7-1）（7-2） 7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.2 晶閘管相控三相交流調壓主電路結構晶閘管相控三相交流調壓主電路結構優(yōu)點優(yōu)點具有體積具有體積小小 重量輕重量輕 慣性小慣性小 控制方便控制方便晶閘管組成調壓器成為交流調壓器的主要形式 一般用三對晶閘管反并聯或三個雙向三對晶閘管反并聯或三個雙向晶閘管分別串接晶閘管分別串接在三相電路中結構結構圖 7-37.2：異步電動機調壓調

6、速系統(tǒng)7.2.2 晶閘管相控三相交流調壓主電路結構晶閘管相控三相交流調壓主電路結構正轉運行時正轉運行時，由晶閘管16控制1、2、反轉或反接制動時反轉或反接制動時，由晶閘管1、4和710提供逆相序電源控制能耗制動時能耗制動時，可根據控制要求選擇幾個晶閘管不對稱工作，如讓晶閘管1、2、6導通，其它晶閘管都關斷，這時定子繞組流過的是半波直流電流，對旋轉著的電動機轉子產生制動作用3、 若異步電動機需要可逆運行和制動電路，則可采用如圖7-4所示晶閘管反并聯異步電動機可逆和制動電路圖 7-47.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.3 異步電動機異步電動機調壓調速的機械調壓調速的機械特性特性機械特性：就是轉矩

7、與轉速的關系機械特性：就是轉矩與轉速的關系（7-2）式7-2對s求導可求出臨界轉差率臨界轉差率（7-3）最大轉矩最大轉矩（7-4）7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.3 異步電動機異步電動機調壓調速的機械調壓調速的機械特性特性圖7-6異步電動機恒轉矩負載在不同電壓下的機械特性圖7-5 異步電動機風機類負載在不同電壓下的機械特性7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.3 異步電動機異步電動機調壓調速的機械調壓調速的機械特性特性轉子串電阻轉子串電阻電動機在恒轉矩負載下能實現低速穩(wěn)定運行而不至過熱調節(jié)定子電壓，能得到較寬的調速范圍，而且在堵轉力矩下工作也不致燒壞電動機此時，此時，缺點：缺點：特性太軟

8、，常不能滿足生產機械的要求，低速時過載能力差，負載波動，電動機轉速變化大圖7-7 高轉子電阻電動機在不同電壓下的機械特性7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.3 異步電動機異步電動機調壓調速的機械調壓調速的機械特性特性以上是開環(huán)調速以上是開環(huán)調速因此，因此，要想獲得高性能控制負載轉矩發(fā)生變化或電源電壓波動，電動機轉速都會隨之波動特別是低速時波動尤為明顯交流調速系統(tǒng)必須引入速度反饋，在速度閉環(huán)控制下，使異步電動機具有較硬的靜特性。圖 7-8 轉速負反饋閉環(huán)控制的交流調壓調速系統(tǒng)原理圖7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.4 速度閉環(huán)控制下調壓調速系統(tǒng)的組成和工作原理速度閉環(huán)控制下調壓調速系統(tǒng)的組

9、成和工作原理轉速負反饋閉環(huán)交流調壓調速轉速負反饋閉環(huán)交流調壓調速系統(tǒng)由系統(tǒng)由調節(jié)器ASR晶閘管調壓裝置轉速反饋裝置異步電動機等圖 7-9 轉速負反饋閉環(huán)控制的交流調壓調速系統(tǒng)靜特性圖系統(tǒng)結構圖與靜特性圖如下：系統(tǒng)結構圖與靜特性圖如下：7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.4 速度閉環(huán)控制下調壓調速系統(tǒng)的組成和工作原理速度閉環(huán)控制下調壓調速系統(tǒng)的組成和工作原理異步電動機調壓調速系統(tǒng)和直流電動機調壓調速系統(tǒng)異步電動機調壓調速系統(tǒng)和直流電動機調壓調速系統(tǒng)最大的最大的不同：不同：前者存在失控區(qū) 最小輸出電壓 下的機械特性是閉環(huán)系統(tǒng)靜特性左邊的極限，額定電壓 下的機械特性是閉環(huán)系統(tǒng)靜特性右邊的極限，當負

10、載變化達到兩側的極限時，閉環(huán)系統(tǒng)便失去了自動調節(jié)作用，回到開環(huán)機械特性上工作。7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.5 基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結構圖基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結構圖如圖如圖7-8所示，異步電動機閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)關系所示，異步電動機閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)關系如下如下:圖 7-8 轉速負反饋閉環(huán)控制的交流調壓調速系統(tǒng)原理圖速度比較環(huán)節(jié)：（7-6）速度調節(jié)器：PI調節(jié)器晶閘管交流調壓器：（7-7）電動機輸入與輸出關系： （7-8）轉速反饋環(huán)節(jié):（7-9）7.2：異步電動機調壓調速系統(tǒng)7.2.5 基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結構圖基于穩(wěn)態(tài)模型的等效結構圖圖7-10 異步電動機變壓調速系統(tǒng)靜態(tài)結構框

11、圖二者之間的關系可根據電動機的輸入、輸出關系計算7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器調壓調速控制調壓調速控制除了在調速系統(tǒng)中應用以外除了在調速系統(tǒng)中應用以外，還用于，還用于軟啟動器輕載降壓節(jié)能運行1. 軟軟起動器工作原理起動器工作原理（7-1）（7-2）令 s=1（7-10）（7-11）起動電流起動轉矩7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器 從式7-1、7-2、7-10、7-11可以看出，在異步電動機起動階段，雖然起動電流比較大，但是起動轉矩的變化并不大。對于一般的籠型電動機，起動電流和起動轉矩對其額定值的倍數大約為：起動電流倍數起動電流倍數 起動轉矩倍數起動轉矩倍數 對

12、于較小容量電動機對于較小容量電動機只要供電網絡和變壓器的容量足夠大（一般要求比電動機容量大4倍以上），而供電線路并不太長，可以直接起動，操作也很簡便而對于而對于大容量大容量電動機電動機起動電流大，會使電網電壓降落過大，影響其他用電設備的正常運行，甚至使電動機根本起動不起來，因此需要在起動環(huán)節(jié)采取一定的措施1. 軟軟起動器工作原理起動器工作原理7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器降壓起動的特點降壓起動的特點 起動電流起動電流與起動電壓有直接關系，若起動電壓降低起動電流就會成正比地下降，因此降低起動電壓可以有效地使電動機避開起動電流的高峰沖擊。 起動轉矩起動轉矩與電壓的平方成正比，起動

13、轉矩的減小將比起動電流的降低更快，會出現起動轉矩不夠的問題，因此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。降壓起動的方法降壓起動的方法 自耦變壓器降壓起動星-三角起動、定子串電阻或電抗起動等1. 軟軟起動器工作原理起動器工作原理7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器降壓起動的方法缺點降壓起動的方法缺點 它們都是經過一次降壓起動，因此在起動過程中會有兩次電流沖擊，如圖 7-11所示。 采用降壓起動后優(yōu)點是兩次幅值都比直接起動電流低，缺點是起動過程略長，影響了起動的快速性。圖7-11 異步電動機的起動過程與電流沖擊a-直接起動 b-一級降壓起動 隨著電力電子技術的發(fā)展上述問題

14、得到有效解決，采用晶閘管和微處理相結合方法，產生了一種智能化程度較高的一種新型電機起動裝置-軟起動器。1. 軟軟起動器工作原理起動器工作原理7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器2. 軟起動器的組成軟起動器的組成軟軟起動器系統(tǒng)構成起動器系統(tǒng)構成 在起動過程中，通過控制晶閘管導通角，使三相輸出電壓按預設起動曲線上升，電動機的起動轉矩與轉速逐漸增加，達到控制起動電流、縮短起動時間的目的。 在穩(wěn)定運行時可用接觸器將晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長期工作。三相交流調壓設備 主電路采用晶閘管交流調壓器。圖7-12 微機控制軟起動器硬件結構圖軟起動器實質上是軟起動器實質上是以微處理器為核心，包括

15、開關電源、同步信號采樣電路、脈沖觸發(fā)電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、控制信號處理電路等7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3. 軟起動器的工作模式軟起動器的工作模式 軟起動器在使電動機“柔性”起動同時，也可以使電動機“柔性”停止，因此工作模式一般分為起動模式和停車模式起動模式和停車模式。（1）斜坡升壓）斜坡升壓（2）斜坡恒流）斜坡恒流（3）脈沖沖擊起動）脈沖沖擊起動下面是幾種常見的起動模式：7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3. 軟起動器的工作模式軟起動器的工作模式（1）斜坡升壓）斜坡升壓圖7-13 斜坡升壓軟起動曲線圖 如圖7-13所示，這種起動方式首先要設置一個

16、初始電壓，在規(guī)定的加速時間內，使電動機兩端電壓均勻上升至全電壓，一定時間延時后，旁路接觸器閉合，電機起動過程結束，進入正常運行階段。這種起動方式簡單，只需使晶閘管導通角與時間成一定函數關系，不需要電流閉環(huán)控制，一般適用空載或輕載起動。起動過程起動過程起動特點起動特點7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3. 軟起動器的工作模式軟起動器的工作模式（2）斜坡恒流）斜坡恒流 如圖7-14所示，這種起動方式 在電動機起動初始階段，起動電流增加到預先設定值 I0 后，電流值保持恒定,直到電動機的轉速達到額定轉速 旁路接觸器閉合，電動機電流迅速下降至額定電流 Ie 以內，起動過程完成。 起動過程

17、電流的上升率可以根據電動機負載變化調整設定，電流上升速率大，則起動轉矩大，起動時間短。起動過程起動過程起動特點起動特點圖7-14 恒流軟起動曲線圖7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3. 軟起動器的工作模式軟起動器的工作模式（3）脈沖沖擊起動脈沖沖擊起動 如圖7-15所示，這種起動方式 在起動初期先提供短時的脈動轉矩，以克服負載的靜摩擦力，滿足較高起動轉矩的負載要求 然后再進入斜坡升壓或者斜坡恒流的起動模式 這種起動方式適用于負載靜摩擦力較大或帶較重負載起動的場合。起動過程起動過程起動特點起動特點圖7-15 脈沖沖擊起動曲線圖7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3. 軟

18、起動器的工作模式軟起動器的工作模式除此之外，還有一些根據特別要求而設計的起動模式:電流斜坡起動模式電流電壓雙閉環(huán)起動模式雙斜坡起動模式等根據負載特性進行調整， 達到盡量減小起動電流、縮短起動時間、順利起動電動機的最終目的。軟起器本質軟起器本質屬于降壓起動裝置屬于降壓起動裝置，是繼常用自耦變壓器降壓起動和 Y-星型降壓起動之后，采用晶閘管和微處理器控制的電動機起動裝置，降壓范圍更寬，并且可以適當調整降壓范圍更寬，并且可以適當調整，使電動機更好地“柔性”起動。軟啟動器在完成起動過程后軟啟動器在完成起動過程后需要通過旁路接觸器切換到旁路正常運行狀態(tài)，因此旁路切換點的選取旁路切換點的選取非常重要。即使

19、在低電壓條件下，也會造成斷路器跳閘或損壞。切換遲了，會使電動機震動，影響負載正常運行，所以對旁路切換點的硬件檢測電路要求很高，相應程序處理也要引起重視。7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3. 軟起動器的工作模式軟起動器的工作模式軟起動器的停車模式軟起動器的停車模式在現實生活中許多應用場合在需要讓電動機“柔性”起動的同時，也需要電動機“柔性”停止，不允許電動機瞬間關機。例如：例如：高層建筑的水泵系統(tǒng)，如果瞬間停機，會產生巨大的“水錘效應”，使管道、水泵遭到損壞。為防止“水錘”效應，需要讓電動機逐漸停機，即軟停車。軟軟停車停車定義定義是指軟起動器在得到停車命令后，使晶閘管從全導通逐漸

20、地減小導通角，經過一定時間過渡到全關閉的過程，讓電動機“柔性”停止。（1）自由停車（2）軟停車3）直流制動停車7.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3.軟軟起動器的工作模式起動器的工作模式適用對象：適用對象：接到停車命令后斷開旁路接觸器，禁止晶閘管的調壓輸出負載慣性逐漸停車適用于對停車時間和停車距離都無要求的負載設備（1）自由停車）自由停車（2）軟停車）軟停車接到停車命令后切換到晶閘管調壓輸出輸出電壓逐漸減小，電機轉速平穩(wěn)降低，直至停止適用對象：適用對象：對停車時間和停車距離有要求的負載設備，以及有柔性停機要求的泵類負載等場合，如圖7-16所示。圖7-16 軟起動器停機模式17.3：

21、調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器3.軟軟起動器的工作模式起動器的工作模式接到停車命令后晶閘管的調壓輸出控制停車過程（3）直流制動直流制動停車停車可控直流電流制動時間制動時間可調可調，用于對停車時間和停車距離有要求的工作場合，因此又稱為精確停車控制，一般軟起動器不具備此種功能特點特點圖7-17 軟起動器停機模式27.3：調壓調速的應用7.3.1軟啟動器軟啟動器4. 軟起動器的工作特點軟起動器的工作特點（5）軟起動器具有故障保護功能，可實現對晶閘管電路的短路、缺相、過熱、）軟起動器具有故障保護功能，可實現對晶閘管電路的短路、缺相、過熱、欠壓等方面的保護。欠壓等方面的保護。（1）起動電壓以一

22、定的斜率上升，使電動機的電流逐漸增大，對電網無沖擊電）起動電壓以一定的斜率上升，使電動機的電流逐漸增大，對電網無沖擊電流，同時減小了對負載的機械沖擊，流，同時減小了對負載的機械沖擊，（2）起動電壓上升率可依據不同負載進行調節(jié)，保證了起動過程平滑性，一）起動電壓上升率可依據不同負載進行調節(jié)，保證了起動過程平滑性，一般起動電壓應在般起動電壓應在30%70%額定電壓范圍內連續(xù)可調。額定電壓范圍內連續(xù)可調。（3）根據負載的具體要求，設定與負載相適應的起動時間）根據負載的具體要求，設定與負載相適應的起動時間（4）軟起動器同時能夠實現軟停車功能。）軟起動器同時能夠實現軟停車功能。軟軟起起動動器器的的工工作作特特點點7.3：調壓調速的應用7.3.2 變壓節(jié)能變壓節(jié)能三相異步電動機運行時會有損耗，一般包括定子銅損耗 pCus鐵損耗 pFe轉子銅損耗 pCur機械損耗 pmech附加損耗 ps總損耗表達式（7-12）定子銅損可表達為鐵損可表達為轉子銅損可表達為（7-13）（7-14）（7-15）問題描述問題描述7.3：調壓調速的應用7.3.2 變壓節(jié)能變壓節(jié)能三相異步電動機軸上輸入功率與輸出功率的關系：（7-16）式中：P1輸入電功率； P2軸上輸出功率。三相異步電動機的運行效率為（7-17）電動機在額定工況下運行時，輸出功率大，總損耗只占很小的成分，所以額定效率較高，一