第五章閉環(huán)異步機(jī)調(diào)壓調(diào)速

1第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)——

一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

—運(yùn)動控制系統(tǒng)25.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法5.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速電路5.4閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.5閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(*)5.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析5.7降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)35.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路和機(jī)械特性，兩者既有聯(lián)系，又有區(qū)別。穩(wěn)態(tài)等值電路描述了在一定的轉(zhuǎn)差率下電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣特性。機(jī)械特性則表征了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率（或轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。4異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型與轉(zhuǎn)速相關(guān)的基本物理量：同步頻率f1同步轉(zhuǎn)速n1同步電角速度ω1同步機(jī)械角速度ωm1電機(jī)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速n電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電角速度ω電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度ωm轉(zhuǎn)差s轉(zhuǎn)差頻率fs轉(zhuǎn)差電角速度ωs轉(zhuǎn)差機(jī)械角速度ωms轉(zhuǎn)差率s與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系或

np為電動機(jī)極對數(shù)

5

根據(jù)電機(jī)學(xué)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(jī)的T型穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-3。異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—穩(wěn)態(tài)等值電路6

異步電動機(jī)等效電路圖5-3異步電動機(jī)的T型穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—穩(wěn)態(tài)等值電路7

參數(shù)定義異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—穩(wěn)態(tài)等值電路Rs、Rr—定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr′—定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；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；Us、1—定子相電壓和供電角頻率；

s—轉(zhuǎn)差率;8

電流公式(5-1)式中由圖可以導(dǎo)出異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—穩(wěn)態(tài)等值電路9異步電動機(jī)簡化等效電路

在一般情況下，LmLl1，則，C1

1這相當(dāng)于將上述假定條件的第③條改為忽略鐵損和勵磁電流。忽略鐵損忽略勵磁電流

電流簡化公式(5-2)異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—穩(wěn)態(tài)等值電路10

電磁轉(zhuǎn)矩公式電磁功率

Pm=3Ir'2Rr'/s

同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速

m1=1/np式中np

—極對數(shù)，則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為(5-3)

即異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。表明，當(dāng)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。異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—機(jī)械特性11

最大轉(zhuǎn)矩公式

將式（5-3）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對應(yīng)于臨界靜差率和臨界最大轉(zhuǎn)矩（5-4）（5-5）異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—機(jī)械特性12將機(jī)械特性方程式分母展開異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—機(jī)械特性

機(jī)械特性曲線特點(diǎn)13當(dāng)s很小時，忽略分母中含s各項(xiàng)轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性近似為直線異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—機(jī)械特性

機(jī)械特性曲線特點(diǎn)14當(dāng)s較大時，忽略分母中s的一次項(xiàng)和零次項(xiàng)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—機(jī)械特性

機(jī)械特性曲線特點(diǎn)15異步電動機(jī)由額定電壓UsN、額定頻率f1N供電，且無外加電阻和電抗時的機(jī)械特性方程式，稱作固有特性或自然特性。異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型—機(jī)械特性

機(jī)械特性曲線特點(diǎn)16基于異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的調(diào)速方法所謂基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的調(diào)速，就是人為地改變機(jī)械特性的參數(shù)，使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點(diǎn)偏離固有特性，工作在人為機(jī)械特性上，以達(dá)到調(diào)速的目的。能夠改變的參數(shù)可分為3類：電動機(jī)參數(shù)電源電壓電源頻率（或角頻率）175.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法5.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速電路5.4閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.5閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(*)5.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析5.7降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)185.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理

異步電動機(jī)的氣隙磁通Φm

氣隙磁通Φm在定子每相繞組中的感應(yīng)電勢Eg為了使參考極性與電動狀態(tài)下的實(shí)際極性相吻合，感應(yīng)電動勢采用電壓降的表示方法，由高電平指向低電平Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)kNs—定子基波繞組系數(shù)19忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降可知，當(dāng)f1等于常數(shù)時為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使或近似為20調(diào)壓調(diào)速原理：保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調(diào)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。由于受電動機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又稱作降壓調(diào)速。21調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速保持額定值不變氣隙磁通

隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速。22Us可調(diào)電磁轉(zhuǎn)矩Te與定子電壓的平方成正比理想空載轉(zhuǎn)速n0保持為同步轉(zhuǎn)速n1N不變臨界轉(zhuǎn)差率Sm保持不變臨界轉(zhuǎn)矩Tem隨定子電壓的減小而成平方比地下降調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性

23TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-4異步電動機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性不同電壓下的機(jī)械特性如圖5-4所示，UsN表示額定定子電壓。調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性

帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行時，普通籠型異步電機(jī)變電壓時的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，降壓調(diào)速時的穩(wěn)定工作范圍0<s<sm

，調(diào)速范圍有限。帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，則穩(wěn)定工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍稍大一些。24由于ω1和TL均為常數(shù)，故Pm恒定不變與轉(zhuǎn)速無關(guān)調(diào)壓調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載）轉(zhuǎn)差功率隨著轉(zhuǎn)差率的加大而增加?？紤]恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時，定子側(cè)輸入的電磁功率帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的降壓調(diào)速是靠增大轉(zhuǎn)差功率、減小輸出功率來換取轉(zhuǎn)速的降低。增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，這就是轉(zhuǎn)差功率消耗型的由來。25交流力矩電動機(jī)增加轉(zhuǎn)子電阻值，臨界轉(zhuǎn)差率加大，可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速范圍，并使電機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過熱，這種高轉(zhuǎn)子電阻電動機(jī)又稱作交流力矩電動機(jī)。UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性n0Te0s,n10圖5-5交流力矩電動機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性優(yōu)點(diǎn)：調(diào)壓調(diào)速范圍增大，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機(jī)缺點(diǎn)：機(jī)械特性較軟265.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法5.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速電路5.4閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.5閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(*)5.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析5.7降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)27調(diào)壓調(diào)速是異步電機(jī)調(diào)速方法中比較簡便的一種。因此，改變定子外加電壓就可以改變機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的主電路28

改變交流電壓的方法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。29

交流調(diào)壓器的負(fù)載接法a)Y形接法0負(fù)載abcuaubuciaUa0VT1VT2VT3b)△形接法ia負(fù)載abcuaubuc30

交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源TVC—雙向晶閘管交流調(diào)壓器

不可逆電路可逆電路315.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法5.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速電路5.4閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.5閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(*)5.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析5.7降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)325.4閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性開環(huán)控制存在的問題：采用普通異步電機(jī)的變電壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的交流力矩電機(jī)可以增大調(diào)速范圍，但機(jī)械特性變軟，因而當(dāng)負(fù)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。解決途徑：為此，對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，要求調(diào)速范圍D大于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）。331.閉環(huán)系統(tǒng)的組成圖5-6帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)ASRU*n+-UnGT+M3~TGa)原理圖--~Ucn342.閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性（A’’--A—A’)eT0nn0TLUsNAA’A’’Usmin恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性U*n3U*n1U*n2b)靜特性圖5-6帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載在A點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時，如果負(fù)載增大引起轉(zhuǎn)速下降，反饋控制作用能提高定子電壓，從而在右邊一條機(jī)械特性上找到新的工作點(diǎn)A′

。同理，當(dāng)負(fù)載降低時，會在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的新工作點(diǎn)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。35雖然異步電機(jī)和直流電機(jī)的開環(huán)特性差別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機(jī)械特性上各取一個相應(yīng)的工作點(diǎn)，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(jī)是完全一致的。盡管交流力矩電機(jī)的機(jī)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，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(dá)到調(diào)速的目的。363.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)異步電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電機(jī)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(jī)械特性和最小輸出電壓Usmin下的機(jī)械特性。當(dāng)負(fù)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(diǎn)只能沿著極限開環(huán)特性變化。374.系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)框構(gòu)根據(jù)圖5-6a所示原理圖，可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(圖5-7)。圖5-7異步電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖5-6a異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理圖38圖中：Ks=Us/Uc為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；

=Un/n

為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；ASR采用PI調(diào)節(jié)器；n=f(Us,Te

)是異步電機(jī)機(jī)械特性方程式（5-3），它是一個非線性函數(shù)。Ksn=f(Us，Te)

ASRU*nUnUcUs--TLn穩(wěn)態(tài)時

Un*=Un=n;Te=TL根據(jù)負(fù)載需要的n和TL

可由式（5-3）計算出或用機(jī)械特性圖解法求出所需的Us以及相應(yīng)的Uc。395.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法5.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速電路5.4閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.5閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(*)5.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析5.7降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)405.5閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析和設(shè)計時，須先繪出動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。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(jī)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)須費(fèi)一番周折。41

系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖5-8異步電動機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)圖5-6a異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖5-7異步電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖MA——異步電機(jī)FBS——測速反饋環(huán)節(jié)42WFBS(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43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。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。WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置其近似條件是44WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)

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45WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化異步電機(jī)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(zhǔn)確地表示它的輸入輸出關(guān)系是不可能的?？梢栽谝欢ǖ募俣l件下，用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的微偏線性化方法求出其近似的傳遞函數(shù)。46電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)s很小時，可以認(rèn)為（5-3）后者相當(dāng)于忽略異步電機(jī)的漏感電磁慣性，得到異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化（1）異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性47在A點(diǎn)附近有微小偏差時，Te=TeA+Te

，Us=UsA+Us

，s=sA+s，代入式（5-6）得設(shè)A為近似線性機(jī)械特性上的一個穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，則在A點(diǎn)上（5-7）將上式展開，并忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積，則（5-8）

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化（2）穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的計算48從式（5-8）中減去式（5-7），得（5-9）(5-10)根據(jù)轉(zhuǎn)差率此即在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近微偏量Te與Us和間的關(guān)系

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化（3）線性機(jī)械特性的偏微線性化1:同步角轉(zhuǎn)速:轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速可得代入（5-9），得(5-11)49

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化（4）異步電動機(jī)的微偏量運(yùn)動方程帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)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(diǎn)A附近的微偏量運(yùn)動方程式為(5-12)50

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化（5）近似動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖將式（5-11）和（5-12）的微偏量關(guān)系畫在一起，即得異步電機(jī)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。3npω1R’r2UsAsA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔ+--圖5-9異步電機(jī)微偏線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（忽略電磁慣性）51如果只考慮Us到之間的傳遞函數(shù)，可先取TL=0，圖5-9中小閉環(huán)的傳遞函數(shù)可變換成3npω1R’r2UsAsA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔ+--圖5-952（6）異步電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化3npω1R’r2UsAsA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔ+--圖5-953式中KMA—異步電機(jī)的傳遞系數(shù)Tm—異步電機(jī)拖動系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)

異步電動機(jī)環(huán)節(jié)的線性化（6）異步電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)(5-13)由于忽略電磁慣性，只剩下同軸旋轉(zhuǎn)體的機(jī)電慣性，異步電機(jī)便近似成一個線性的一階慣性環(huán)節(jié)。54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(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。

異步電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)微偏線性化的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖55

最后，應(yīng)該再強(qiáng)調(diào)一下，具體使用這個動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖時要注意下述兩點(diǎn)：由于它是偏微線性化模型，只能用于機(jī)械特性線性段上工作點(diǎn)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(yīng)。由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計算有很大的近似性。565.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法5.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速電路5.4閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.5閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(*)5.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析5.7降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)575.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析

轉(zhuǎn)差功率損耗與系統(tǒng)的調(diào)速范圍和所帶負(fù)載的性質(zhì)都有密切的關(guān)系。58C為常數(shù)對應(yīng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)載與轉(zhuǎn)速平方成正比的負(fù)載（風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載）異步機(jī)的電磁功率：不同性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可近似表示為：59定義轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)為，可導(dǎo)出轉(zhuǎn)差功率輸出機(jī)械功率（5-15）代入（5-14）（5-16）是標(biāo)志轉(zhuǎn)差功率損耗大小的指標(biāo)。60對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，α=0，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)σ與s成正比，調(diào)速越深損耗越大。當(dāng)α=1或α=2

時，在s=0和s=1處都有σ=0，而在當(dāng)中的某一s值處σ最大。(5-17)最大轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)為(5-18)61結(jié)論=0對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,與s成正比，轉(zhuǎn)速越低時，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，因此，變壓調(diào)速不宜長期在低速工作。=1對于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)載，當(dāng)s=0.5時，轉(zhuǎn)差功率損耗最大，其值為max=0.25

。=2對于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，當(dāng)s=0.33時，最大值只有max=0.148，在s=0~1區(qū)間，值都較小。變壓調(diào)速對風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載比較適宜。625.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法5.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理5.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速電路5.4閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性5.5閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.6轉(zhuǎn)差功率損耗分析5.7降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用第五章閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)635.7變壓控制在軟起動器

和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用

除了調(diào)速系統(tǒng)以外，異步電動機(jī)的變壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中也得到了廣泛的應(yīng)用。本節(jié)主要介紹它們的基本原理，關(guān)于其運(yùn)行中的一些具體問題可參看參考文獻(xiàn)[42]，[43]，[44]。641軟起動器起動電流問題常用的三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，而且性能良好，運(yùn)行可靠。對于小容量電動機(jī)，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機(jī)容量大4倍以上），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(jī)，問題就不這么簡單了。65

起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分析

在式（5-2）和式（5-3）中已導(dǎo)出異步電動機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，起動時，s=1，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為（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(jī)的起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。66對于一般的籠型電動機(jī)，起動電流倍數(shù)

起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分析中、大容量電動機(jī)的起動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動機(jī)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。67

降壓起動的矛盾由式（5-19）可知，當(dāng)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(jī)空載（或輕載）起動的場合68

傳統(tǒng)的降壓起動方法

傳統(tǒng)的降壓起動方法有：星-三角（Y-△）起動定子串電阻或電抗起動自耦變壓器（又稱起動補(bǔ)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。69

三種起動過程的電流比較圖5-12異步電動機(jī)的起動過程與電流沖擊一級降壓起動軟起動器直接起動70

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(yùn)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。一級降壓起動軟起動器直接起動71視起動時所帶負(fù)載的大小，起動電流可在(0.5~4)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(fù)載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時，可在起動時突加短時的脈沖電流，以縮短起動時間。軟起動的功能同樣也可以用于制動，用以實(shí)現(xiàn)軟停車。

一級降壓起動軟起動器直接起動

軟起動方法722輕載降壓節(jié)能運(yùn)行電機(jī)功率損耗