第一章基于稳态数学模型的异步电动机调压调速控制技术内容概要l异步电动机晶闸管调压调速控制原理；l异步电动机调压调速的机械特性；l异步电动机调压调速的功率损耗；l异步电动机PWM调压调速控制系统；l闭环控制的异步电动机调压调速控制系统分析。本章讲述：* * 调压调速是异步电动机调速系统中比较简便的一种。由电机原理可知，当转差率 基本不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，即 ，因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电机转速的目的。 交流调压调速的主电路已由晶闸管构成的交流调压器取代了传统的自耦变压器和带直流磁化绕组的饱和电抗器，装置的体积得到了减小，调速性能也得到了提高。晶闸管交流调压器的主电路接法有以下几种方式，如图1-1所示。1.1 异步电动机晶闸管调压调速控制原理* *a）* *b）c）图图1-1 三相交流晶闸管调压器主电路接法三相交流晶闸管调压器主电路接法a) 电机绕组Y联接时的三相分支双向电路 b) 电机绕组Y联接时的三相分支单向电路c)电机绕组联接时的三相形双向电路 电机绕组Y联接时的三项分支双向控制电路，用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在每相绕组上。调压时用相位控制，当负载电流流通时，至少要有一相的正向晶闸管和另一相的反向晶闸管同时导通，所以要求各晶闸管的触发脉冲宽度都大于 ，或者采用双脉冲触发。最大移相范围为 。移相调压时，输出电压中含有奇次谐波，其中以三次谐波为主。如果电机绕组不带零线，则三次谐波电势虽然存在，却不会有三次谐波电流。由于电机绕组属感性负载，电流波形会比电压波形平滑些，但仍然含有谐波，从而产生脉动转矩和附加损耗等不良影响，这是晶闸管调压电路的缺点。* * 电机绕组Y联接时的三项分支单相控制电路，每相只有一个晶闸管，反向由与它反并联的二极管构成通路。这种接法设备简单、成本低廉，但正、负半周电压电流不对称，高次谐波中有奇次，也有偶次谐波电流，产生与电磁转矩相反的转矩，使电机输出转矩减小，效率降低，仅用于简单的小容量装置。 电机绕组联接时三相双向控制电路，晶闸管串接在相绕组回路中，同等容量下，晶闸管承受的电压高而电流小，存在三次谐波电流损耗。此种接法用于联接的电机。 比较而言，接法的综合性能较好，在交流调压调速系统中多采用这种方案。* * 电机正、反转运行时的主电路如图1-2所示，正转时16晶闸管工作；反转时1、4、710晶闸管工作。另外，利用图1-2的电路还可以实现电机的反接制动和能耗制动。* *图图1-2晶闸管交流调压调速系统正、反晶闸管交流调压调速系统正、反转和制动电路转和制动电路根据电机学原理可知，异步电动机的机械特性方程式为式中 为异步电动机的电磁转矩； 为电机极对数； 、 分别为定子供电电压和供电频率； 、 分别为定子每相电阻、折算到定子侧的转子每相电阻； 、 分别为定子每相电抗、折算到定子侧的转子侧每相电抗； 为转差率。1.2异步电动机调压调速的机械特性* *（1-1）改变定子供电电压，可以得到不同的人为异步电动机机械特性曲线，如图1-3所示。图中 为额定电压。* *图图1-3异步电动机在不同定子供电电压异步电动机在不同定子供电电压下的机械特性曲线下的机械特性曲线将式（1-1）对 求导，并令 ，可以计算出产生最大转矩时的临界转差率 和最大转矩 ，分别为* *（1-2）（1-3）* * 普通鼠笼型异步电动机机械特性工作段 很小，对于恒转矩负载而言调速范围很小。但对于风机、泵类机械，由于负载转矩与转速的平方成正比，采用调压调速可以得到较宽的调速范围。对于恒转矩负载要扩大调压调速范围，采用高阻转子电动机，使电动机机械特性变软，如图1-4所示的高转子电阻电动机的调压调速机械特性。显然，即使在堵转转矩下工作，也不至于烧毁电机，提高了调速范围。图图1-4高转子电阻异步电动机的调压调高转子电阻异步电动机的调压调速机械特性速机械特性 异步电动机调压调速属于转差功率消耗型的调速系统，调速过程中的转差功率消耗在转子电阻和其外接电阻上，消耗功率的多少与系统的调速范围和所带负载的性质有着密切的关系。 根据电机学原理，异步电动机的电磁功率为 电机的转差功率为1.3 异步电动机调压调速的功率损耗* *（1-4）（1-5）* *不同性质负载的转矩可用下式表示(1-6)式中 为常数， 分别代表恒转矩负载、与转速成比例的负载和与转速的平方成比例的负载（风机、泵类等）。当 时，转差功率为(1-7)而输出的机械功率为(1-8)* *当 时，电动机的输出功率最大，为(1-9)以 为基准值，转差功率损耗系数 为(1-10)按式（1-10）可以得到不同类型负载所对应的转差功率损耗系数与转差率的关系曲线，见图1-5。图图1-5不同类型负载所对应的转差功率消耗系数与转差率的关系不同类型负载所对应的转差功率消耗系数与转差率的关系* *为了求得最大转差功率消耗系数及其对应的转差率，由式（1-10）对 求导，并令此导数等于零。则，对应的转差率为(1-11)最大转差功率消耗系数为(1-12)* *对于不同类型负载 ，带入式（1-11）和式（1-12），则有不同类型负载时 和 的值，计算结果列于表1-1。01210.50.3310.250.148表表1-1 不同类型负载时不同类型负载时 和和 的值的值根据以上分析可知，对于风机泵类负载电动机的转差功率消耗系数最小，因此，调压调速对于风机泵类负载比较合适；对于恒转矩负载，则不宜长期在低速下运行，以免电机过热。1.4异步电动机PWM调压调速控制系统* * 根据采用的控制方式不同，交流-交流调压器可分为相控式和斩控式。传统方案多采用相控式，结构简单，可以采用电源换相方式，即使是采用半控型器件也无需附加换相电路，但存在输出电压谐波含量大，深控时网侧功率因数低等缺点；相反斩控式电路则没有上述缺点，因此传统的相控式SCR电路正逐渐被PWM-IGBT电路所取代，因为PWM-SCR电路由于无法采用电源换相，必须附加换相电路，此外由于SCR的器件开关频率较低，对于SCR电路而言不宜采用PWM方式，为此本节介绍斩控式电路。 凡是能量能在交流电源和负载之间双向流动的电路称为双向交流变换电路；相反能量只能从电源向负载流动的电路则称为单相电路。由于具有更好的负载适应性，双向电路具有更广的发展前景。* * PWM交流调压电路三相结构，如图1-6a所示，它由三只串联开关VGA、VGB和VGC以及一只续流开关VGN组成，串联开关共用一个控制信号 ，它与续流开关的控制信号 在相位上互补，这样当VGA、VGB和VGC导通时，VGN即关断；反之，当VGN导通时，VGA、VGB和VGC均关断。当VGN处于断态时，负载电压等于电源电压；当VGN导通时，负载电流沿VGN续流，负载电压为零。 在PWM控制方式下，输出线电压 和 的波形分别如图1-6b所示。为避免输出电压和电流中含有偶次谐波，且保持三相输出电压对称，频率比K必须选6的倍数。* *a)b)图图1-6三相三相IGBT-PWM交流调压电路交流调压电路a）主电路）主电路 b）电量波形）电量波形1.5 闭环控制的异步电动机调压调速控制系统分析* * 在1.2节中，为了扩大调压调速的调速范围，增加了转子电阻，使得机械特性变软。这样的特性，当电机低速运行时，负载或电压稍有波动，就会引起转速的很大变化，运行不稳定。为了提高系统的稳定性，常采用闭环控制（如图1-7），以提高调压调速特性的硬度。a)b)图图1-7转速闭环的交流调压调速系统转速闭环的交流调压调速系统a）系统原理图）系统原理图 b）闭环控制静特性）闭环控制静特性* * 当系统要求不高时，也可以采用定子电压反馈控制方式，见图1-8。图图1-8定子电压反馈的交流调压调速系统定子电压反馈的交流调压调速系统1.5.1闭环控制的异步电动机调压调速控制系统静态分析* * 由图1-7（b）可知，当系统原来工作于a点，负载由 变到 ，系统开环工作时，定子供电电压 不变，转速由a点沿同一机械特性变化到b点稳定工作，转速变化很大。采用闭环控制后，负载转矩的增加，使得转速下降，由于系统引入转速负反馈，输入偏差增大，使得输出到定子的电压升高，转速提高，由于负载转矩增大而引起的转速下降得到一定程度的补偿，系统稳定工作于c点。可见，由于负载变化引起的转速变化很小，于是扩大了调速范围。* * 由图1-7（a）所示可以得到系统的静态结构图，如图1-9所示。图中， 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数， 为转速反馈系数，ASR为速度调节器， 是式（1-1）表示的异步电动机机械特性方程式，是一个非线性函数。稳态时， ， 。 图图1-9异步电动机调压调速系统静态结异步电动机调压调速系统静态结构图构图1.5.2闭环控制的异步电动机调压调速控制系统动态分析* * 为了对系统进行动态分析和设计，绘制系统的动态结构图是必须的。由图1-9（异步电动机调压调速系统静态结构图）可以得到系统的动态结构框图，如图1-10所示。图图1-10异步电动机调压调速系统动态结构图异步电动机调压调速系统动态结构图* * 图中各个环节的传递函数如下。（1）速度调节器）速度调节器ASR消除静差，改善系统动态性能，通常采用PI调节器，其传递函数为(1-13)（2）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假设其输入、输出是线性的，其动态特性可近似看成一阶惯性环节，其传递函数为(1-14)（3）测速反馈环节）测速反馈环节考虑到反馈的滤波作用，其传递函数为(1-15)* *（4）异步电动机环节）异步电动机环节 由于异步电动机是一个多输入、多输出，耦合非线性系统，用一个传递函数来准确描述异步电动机在整个调速范围内的输入输出关系是不可能的，因此，可以采用在其稳定工作点附近微偏线性化的方法得到近似的传递函数。 异步电动机在其稳定工作点A点（见图1-3）的机械特性方程为(1-16)式中 为异步电动机在工作点A对应的同步旋转角速度。通常在异步电动机稳定工作点附近 值很小，可以认为，* *后者相当于忽略异步电动机的漏感电磁惯性。因此可以得到稳态工作点A点近似的线性机械特性方程式(1-17)在A点附近有微小偏差时， ， ， ，其中， 。(1-18)展开上式，忽略两个以上微偏量乘积项得(1-19)式（1-19）减式（1-18）得(1-20)* *将 代入上式得(1-21)电力拖动系统的运动方程式为(1-22)在工作点A稳定运行时，(1-23)式中 为异步电动机在工作点A时的旋转速度。当在A点附近有微小偏差时，(1-24)* *式（1-24）减式（1-23）得(1-25)式（1-21）和式（1-25）表示了异步电动机微偏线性化的近似动态结构关系，动态结构图如图1-11所示。图图1-11异步电动机微偏线性化的近似异步电动机微偏线性化的近似动态结构图动态结构图* * 如果只考虑 与 之间的传递函数，可令 ，于是异步电动机的近似线性化传递函数为(1-26)式中 为异步电动机传递函数； 为异步电动机拖动系统的机电时间常数。由于忽略了电磁惯性，异步电动机便近似成了一个线性的一阶惯性环节。 需要说明的是，首先，由于异步电动机的传递函数采用的是微偏线性化模型，只适用于稳态工作点附近的动态分析，不能用于大范围起制动时动态响应指标的计算；其次，由于忽略了电动机的电磁惯性，分析和计算有很大的偏差。习题1.1 简述异步电动机晶闸管调压调速控制原理1.2 简述异步电动机调压调速的机械特性与功率损耗1.3 试述异步电机PWM调压调速控制系统的原理并画出电路图本章结束！