電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第

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篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)容提要概述交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類(lèi)型交流變壓調(diào)速系統(tǒng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)*繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)*同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)概

述直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī)，而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī)，這種分工在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問(wèn)世，并已獲得實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。直到20世紀(jì)60~70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(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動(dòng)按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。這時(shí)，直流電機(jī)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(jī)的應(yīng)用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度等缺點(diǎn)日益突出起來(lái)，用交流可調(diào)拖動(dòng)取代直流可調(diào)拖動(dòng)的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈，交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個(gè)方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)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)速在過(guò)去大量的所謂“不變速交流拖動(dòng)”中，風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康囊话胍陨希渲杏胁簧賵?chǎng)合并不是不需要調(diào)速，只是因?yàn)檫^(guò)去的交流拖動(dòng)本身不能調(diào)速，不得不依賴(lài)擋板和閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費(fèi)了。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(mén)上的能量節(jié)省下來(lái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均都可以節(jié)約20~30%

以上的電能，效果是很可觀(guān)的。但風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速范圍和對(duì)動(dòng)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)許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械過(guò)去多用直流拖動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動(dòng)，顯然能夠帶來(lái)不少的效益。但是，由于交流電機(jī)原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣通過(guò)電樞電流施行靈活的實(shí)時(shí)控制。20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來(lái)分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)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)）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)速直流電機(jī)的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過(guò)106

kW·

r/min，超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。交流電機(jī)沒(méi)有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，如厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等，都以采用交流調(diào)速為宜。交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類(lèi)型交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）和同步電機(jī)兩大類(lèi)，每類(lèi)電機(jī)又有不同類(lèi)型的調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中介紹的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類(lèi)繁多，可按照不同的角度進(jìn)行分類(lèi)。按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類(lèi)常見(jiàn)的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線(xiàn)電機(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速；⑤變極對(duì)數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等等。在研究開(kāi)發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào)速的途徑，因而種類(lèi)繁多是很自然的?，F(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(mǎn)足于這種表面上的羅列，而要進(jìn)一步探討其本質(zhì)，認(rèn)識(shí)交流調(diào)速的基本規(guī)律。~按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類(lèi)型分類(lèi)按照交流異步電機(jī)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(dòng)負(fù)載的有效功率，稱(chēng)作機(jī)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。PmechPmPs即Pm

=

Pmech

+

PsPmech

=

(1

–

s)PmPs

=

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(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類(lèi)。1.

轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)這種類(lèi)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①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類(lèi)。在三類(lèi)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類(lèi)系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)）?？墒沁@類(lèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)在這類(lèi)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(guò)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④種調(diào)速方法屬于這一類(lèi)。無(wú)論是饋出還是饋入的轉(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(lèi)系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。3.

轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)在這類(lèi)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無(wú)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⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類(lèi)。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)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(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。同步電機(jī)的調(diào)速同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不

變型（恒等于0

）的，而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極

對(duì)數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)

速，沒(méi)有像異步電機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。在同步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來(lái)看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類(lèi)。自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制變壓變頻裝置換相，類(lèi)似于直流電機(jī)中電刷和換向器的作用，因此有時(shí)又稱(chēng)作無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速，或無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種特殊型式的同步電機(jī)，有其獨(dú)特的比較簡(jiǎn)單的調(diào)速方法，在小容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。第

5

章電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)——一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)本章提要異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路異步電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的機(jī)械特性閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)差功率損耗分析變壓控制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用5.1

異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路變壓調(diào)速是異步電機(jī)調(diào)速方法中比較簡(jiǎn)便的一種。由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，在相同的轉(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(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。過(guò)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(lèi)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(duì)晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)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(fù)載abca)uaubucUa0ia

VT1VT2VT3D型接法負(fù)載b)abcuaubucia交流變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源~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M3~圖5-1

利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速控制方式TVC的變壓控制方式圖5-2

采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路可逆和制動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)：采用晶閘管

反并聯(lián)供電

方式，實(shí)現(xiàn)

異步電動(dòng)機(jī)

可逆和制動(dòng)。反向運(yùn)行方式圖5-2所示為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路，其中，晶閘管1~6控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，反轉(zhuǎn)時(shí)，可由晶閘管1，4和7~10

提供逆相序電源，同時(shí)也可用于反接制動(dòng)。制動(dòng)運(yùn)行方式當(dāng)需要能耗制動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)制動(dòng)電

路的要求選擇某幾個(gè)晶閘管不對(duì)稱(chēng)地工作，例如讓1，2，6

三個(gè)器件導(dǎo)通，其余均關(guān)

斷，就可使定子繞組中流過(guò)半波直流電流，對(duì)旋轉(zhuǎn)著的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)作用。必

要時(shí)，還可以在制動(dòng)電路中串入電阻以限

制制動(dòng)電流。返回目錄5.2

異步電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的機(jī)械特性根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損，異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-3。異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖5-3

異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路Usw1RsLlsL’lrLmrR’

/sIsI0I’rLm參數(shù)定義Rs、R’r

——定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、L’lr——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(lì)磁電感；Us、w1

——定子相電壓和供電角頻率；s

——轉(zhuǎn)差率。電流公式由圖可以導(dǎo)出(5-1)式中2'2

r

1sr1

ls

1

lrUss

R'

2

R

+

CI

'

=

+w

(L

+

C

L

)m1

ms1L1

ls?1+

LlsC

=1+jw

LR

+

jw

L在一般情況下，Lm>>Ll1，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(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成(5-2)2'

r

s21

ls

lrUss

R'

2R

+I

?

I

'

=s

r+w

(L

+

L

)轉(zhuǎn)矩公式令電磁功率同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速Pm

=

3Ir'2

Rr'/swm1

=w1

/

np式中np

—極對(duì)數(shù)，則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）=2'22'r1

sp

s

rrr1m1elr1

lsLsR3n

U

2

R'

/

ssR'p

I

'23nPT

=

m

=

+w

(

+

L

)w

R

+ww式（5-3）就是異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，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(jī)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(dòng)機(jī)機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsNABCFDE0.5UsN0.7UsN風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-4

異步電動(dòng)機(jī)不同電壓下的機(jī)械特性最大轉(zhuǎn)矩公式將式（5-3）對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（5-4）)2R'sm

=

r

R2

+w

2

(L

+

L's

1

ls

lr]

（5-5）s1emax)23n

U

2p

sT

=[

R2

+w

2

(L

+

L's

1

ls

lr2w

R

+由圖5-4可見(jiàn)，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，普通籠型異步電機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為

A、B、C，轉(zhuǎn)差率

s

的變化范圍不超過(guò)

0~sm，調(diào)速范圍有限。如果帶風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載運(yùn)行，則工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)速范圍，并使電機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過(guò)熱，就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機(jī)在變電壓時(shí)的機(jī)械特性繪于圖5-5。顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的變壓調(diào)速范圍增大了，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機(jī)，這種電機(jī)又稱(chēng)作交流力矩電機(jī)。交流力矩電機(jī)的機(jī)械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-5

高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（交流力矩電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性返回目錄5.3

閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性采用普通異步電機(jī)的變電壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電機(jī)可以增大調(diào)速范圍，但機(jī)械特性又變軟，因而當(dāng)負(fù)載變化時(shí)靜差率很大（見(jiàn)圖5-5），開(kāi)環(huán)控制很難解決這個(gè)矛盾。為此，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，要求調(diào)速范圍大于D=2時(shí)，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖5-6a）。1.

系統(tǒng)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~a)原理圖T-G-~Ucn2.

系統(tǒng)靜特性T

enn0O

TLUsNAA’A’’Us

min恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-6b

閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*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(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載在A(yíng)

點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，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(shí)，會(huì)在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點(diǎn)A’’。按照反饋控制規(guī)律，將A’’、A、A’連接起來(lái)便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。盡管異步電機(jī)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性和直流電機(jī)的開(kāi)環(huán)特性差別很大，但是在不同電壓的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性上各取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，連接起來(lái)便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣的分析方法對(duì)兩種電機(jī)是完全一致的。盡管異步力矩電機(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，照樣可以做到無(wú)靜差。改變給定信號(hào)，則靜特性平行地上下移動(dòng)，達(dá)到調(diào)速的目的。變壓調(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(wú)限延長(zhǎng)，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(shí)，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(kāi)環(huán)特性變化。3.

系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)Ksn=f(Us,Te)ASRU*nUnUcUs--TLna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)圖根據(jù)圖5-6a所示的原理圖，可以畫(huà)出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-7所示。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)；a

=Un/n

為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；ASR采用PI調(diào)節(jié)器；n=f(Us,Te)是式（5-3）所表達(dá)的異步電機(jī)機(jī)械特性方程式，它是一個(gè)非線(xiàn)性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，*Un

=

Un

=

anTe

=

TL根據(jù)負(fù)載需要的n和TL

可由式（5-3）計(jì)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。返回目錄5.4

閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，須先繪出動(dòng)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(dòng)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(xiě)出來(lái)，只有異步電機(jī)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)須費(fèi)一番周折。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5-8

異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖MA——異步電機(jī)

FBS——測(cè)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(dòng)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為nnnASRt

st

s

+1W

(s)

=

K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(xiàn)性的，在一定范圍內(nèi)可假定為線(xiàn)性函數(shù)，在動(dòng)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(xiě)成sT

s

+1KsWGT-V

(s)

=其近似條件是對(duì)于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取Ts

=

3.3ms對(duì)其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。sc3T￡

1w測(cè)速反饋環(huán)節(jié)考慮到反饋濾波作用，測(cè)速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數(shù)可寫(xiě)成onFBST s

+1W

(s)

=

a

異步電機(jī)近似的傳遞函數(shù)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是由一組非線(xiàn)性微分方程描述的，要用一個(gè)傳遞函數(shù)來(lái)準(zhǔn)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(diǎn)附近的微偏線(xiàn)性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。（1）異步電機(jī)近似的線(xiàn)性機(jī)械特性由式（5-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）當(dāng)s

很小時(shí)，可以認(rèn)為p

s

re)2lr1

s

1

ls+

L'sR'3n

U

2

R'

/

sT

=w

(R

+

r

)2

+

w

2

(LsR'sR

<<

r

sR'w1

(Lls

+

Llr

)

<<

r

且后者相當(dāng)于忽略異步電機(jī)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(jī)近似的線(xiàn)性機(jī)械特性。U

2

ss1

rpe3nw

R'T

?（2）穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算設(shè)A為近似線(xiàn)性機(jī)械特性上的一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，則在A(yíng)點(diǎn)上（5-7）在A(yíng)點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)，Te=TeA+DTe

，Us

=UsA

+DUs

，而s

=sA

+Ds，代入式（5-6）得sA

A1

reAw

R'3nT

?

p

U

2

s（3）微偏線(xiàn)性化將上式展開(kāi)，并忽略?xún)蓚€(gè)和兩個(gè)以上微偏量的乘積，則5-8）1

rpeeA3n(U

+

DU

)2

(s

+

Ds)sA

s

AT

+

DT

?w

R'2sAssA

AsA

A1

rpeeA(U

2

s3n+

2U

s

DU

+U

Ds)

（T

+

DT

?w

R'從式（5-8）中減去式（5-7），得（5-9）1

rpe3n(2U

s

DU

+U

2

Ds)sA

A

s

sADT

?w

R'1(5-10)w1速，w

是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則Ds

=

-

Dww1已知轉(zhuǎn)差率s

=1-w

，其中w

是同步角轉(zhuǎn)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(diǎn)附近微偏量DTe與DUs和Dw間的關(guān)系。11

rwU

2(2UsA

sADUs

-

sA

Dw

)w

R'3npDTe

?帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)方程式為（5-12）np

dtLe=

J

dwT

-Tn

dtpLe=

J

d(Dw

)DT

-

DT將式（5-11）和（5-12）的微偏量關(guān)系畫(huà)在一起，即得異步電機(jī)在忽略電磁慣性時(shí)的微偏線(xiàn)性化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-9所示。如果只考慮DU1到Dw之間的傳遞函數(shù)，可先取DTL

=0，圖5-9中小閉環(huán)傳遞函數(shù)可變換成1

rp

sAps

rp

sA

pp13n

U

2JJs

n3n

U

2

nnw

2

R'w

2

R's

+

Js

=1+（4）近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3np2UsASAω1Rr3npU2sA2ωs

R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔw+--圖5-9

忽略電磁慣性時(shí)異步電機(jī)微偏線(xiàn)性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（5）異步電機(jī)的近似線(xiàn)性化傳遞函數(shù)于是，異步電機(jī)的近似線(xiàn)性化傳遞函數(shù)為mp

sA1

rp

sApsMA===

1 r

T s

+1KMA

1 r

s

+13n2U

2UsA3n

U

2s

+nJ

3npDU

(s)W

(s)

=Jw

2

R'2sAw1w

2

R'

2U

sw

R'

sA

ADw

(s)式中KMA—異步電機(jī)的傳遞系數(shù)，MAUsA

UsATm—

異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，K=

2sAw1

=

2(w1

-w

A

)p

sA3n2U

2Jw

2

R'Tm

=

1

r

由于忽略了電磁慣性，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(gè)線(xiàn)性的一階慣性環(huán)節(jié)，即(5-13)把得到的四個(gè)傳遞函數(shù)式寫(xiě)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(xiàn)性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。s

mMAT s

+1KMADU

(s)W

(s)

=

Dw

(s)

=最后，應(yīng)該再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，具體使用這個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖時(shí)要注意下述兩點(diǎn)：由于它是偏微線(xiàn)性化模型，只能用于機(jī)械特性線(xiàn)性段上工作點(diǎn)附近的穩(wěn)定性判別和動(dòng)態(tài)校正，不適用于起制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速大范圍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于它完全忽略了電磁慣性，分析與計(jì)算有很大的近似性。返回目錄*5.5轉(zhuǎn)差功率損耗分析（略）返回目錄*5.6

變壓控制在軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)的變壓控制在軟起動(dòng)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(wèn)題可參看參考文獻(xiàn)

[42]，[43]，[44]。*5.6.1

軟起動(dòng)器起動(dòng)電流問(wèn)題常用的三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，而且性能良好，運(yùn)行可靠。對(duì)于小容量電動(dòng)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(xiàn)路并不太長(zhǎng)（起動(dòng)電流造成的瞬時(shí)電壓降落低于10%~15%），可以直接通電起動(dòng)，操作也很簡(jiǎn)便。對(duì)于容量大一些的電動(dòng)機(jī)，問(wèn)題就不這么簡(jiǎn)單了。起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩公式在式（5-2）和式（5-3）中已導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，起動(dòng)時(shí)，s

=1，因此起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為)2'2's

rlr21

lsUsL

+

L(R

+

R

)

(I

?

I

'

=sst

rst+w(])2'22'r1

sp

s

rest1

ls

lr3n

U

2

R'L

+

L+T

=R

+

R

)

w

(w

[（5-19）（5-20）sNsstI=

4

~

7IIK

=eNT=

0.9

~

1.3T=

TestK起動(dòng)電流倍數(shù)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分析由上述二式不難看出，在一般情況下，三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流比較大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。對(duì)于一般的籠型電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)其額定值的倍數(shù)大約為起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分析（續(xù)）中、大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)壓降過(guò)大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動(dòng)機(jī)本身根本起動(dòng)不起來(lái)。這時(shí)，必須采取措施來(lái)降低其起動(dòng)電流，常用的辦法是降壓起動(dòng)。降壓起動(dòng)的矛盾由式（5-19）可知，當(dāng)電壓降低時(shí)，起動(dòng)電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開(kāi)起動(dòng)電流沖擊的高峰。但是，式（5-20）又表明，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小將比起動(dòng)電流的降低更快，降壓起動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩夠不夠的問(wèn)題。為了避免這個(gè)麻煩，降壓起動(dòng)只適用于中、大容量電動(dòng)機(jī)空載（或輕載）起動(dòng)的場(chǎng)合。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法有：星-三角（Y-Δ）起動(dòng)定子串電阻或電抗起動(dòng)自耦變壓器（又稱(chēng)起動(dòng)補(bǔ)償器）降壓起動(dòng)它們都是一級(jí)降壓起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程中電流有兩次沖擊，其幅值都比直接起動(dòng)電流低，而起動(dòng)過(guò)程時(shí)間略長(zhǎng)，如圖5-12所示。軟起動(dòng)方法現(xiàn)代帶電流閉環(huán)的電子控制軟起動(dòng)器可以限制起動(dòng)電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動(dòng)衰減下來(lái)（圖5-12中曲線(xiàn)c），起動(dòng)時(shí)間也短于一級(jí)降壓起動(dòng)。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(lái)保證恒流起動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可用接觸器給晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長(zhǎng)期工作。軟起動(dòng)方法（續(xù)）視起動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載的大小，起動(dòng)電流可在

(0.5~4)

IsN

之間調(diào)整，以獲得最佳的起動(dòng)效果，但無(wú)論如何調(diào)整都不宜于滿(mǎn)載起動(dòng)。負(fù)載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，可在起動(dòng)時(shí)突加短時(shí)的脈沖電流，以縮短起動(dòng)時(shí)間。軟起動(dòng)的功能同樣也可以用于制動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)軟停車(chē)。三種起動(dòng)過(guò)程的電流比較