交流调压调速系统.ppt

1,第 2 篇,电力拖动控制系统,交流拖动控制系统,2,内容提要,概述交流调速系统的主要类型交流调压调速系统交流变压变频调速系统绕线转子异步电机调速系统交流调速系统的MATLAB仿真,3,交流调速系统的主要类型,交流调速系统(AC Speed Regulating System):以实现交流电动机转速调节为目标的电力拖动自动控制系统.,4,励磁同步电动机,一、交流调速系统的分类,交流电动机,异步电动机,永磁同步电动机,无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转速有严格比例关系”的条件，所以也把它归入同步电动机。,当电机转子的转速与定子电流的频率有严格比例关系的电动机称同步电动机，无严格比例关系的电动机称异步电动机。,特种同步电动机,无刷直流电动机开关磁阻电动机直流无换向器电动机交流无换向器电动机,交流电动机是定子绕组通入交流电的电机，其定子磁动势是一个旋转的磁动势。,同步电动机,5,交流调速系统的分类,6,7,二、异步电动机调速系统的分类,可归纳出三类调速方法：变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。,原始的分类方法有：1）变极调速；2）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；3）变频调速。,(1)从异步电机转速表达式,8,从定子传入转子的电磁功率,总机械功率,转子铜耗（转差功率）,定义：转差功率 Ps s Pem,(2)按电动机的能量转换类型分类,9,按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。,10,（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率回馈型调速系统转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。特点：效率较高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。,科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：,11,第 5 章,电力拖动控制系统,交流调压调速系统一种转差功率消耗型调速系统,12,本章提要,异步电动机改变电压时的机械特性异步电动机变压调速电路闭环控制的调压调速系统及其静特性,13,一、异步电动机的固有机械特性,式中：,为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻；,为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感,5.1 异步电动机改变电压时的机械特性,14,可见，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。当电压Us和频率1一定时，机械特性方程式Te=f（s）是一个二次表达式。在定子电压Us和频率1均为额定值的情况下，可画出异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。,15,注意：（1）设计电动机时通常把额定转矩Ten确定为 左右。定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为,M称为过载倍数。,16,(2)异步电动机的工作区域，一般只能在 范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则为机械特性的非线性段。,图异步电动机固有机械特性,（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，此点对应着电机刚开始启动的状态，此时启动电流很大，可达电机额定电流的47倍，但启动转矩却不大。,17,异步电动机调压调速方式广泛应用于启动时限制启动电流和一些调速精度要求不高的场合，目前调压调速方式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然普遍应用。根据异步电动机机械特性方程式，当电源频率1、转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，这说明不同的定子电压，可以得到不同的人为机械特性。,二、调压时的人为机械特性,18,调压时的机械特性,Te,O,n,n1,sm,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,Tst,图5-2 异步电动机在不同电压下的机械特性,特点：,(1)n1不变,(2)T(包括Tst)正比于u1的平方,(3)Sm不变,(4)降压调速,19,带恒转矩负载TL时，可得不同的稳定转速，如图5-2中的A，B，C点。由于普通异步电动机工作段转差率S很小，因此对恒转矩负载来说，调速范围很小。但是，对风机泵类机械，由于其负载特性为TL=kna(a1)，采用调压调速则可得到较大的调速范围，如图5-2中的D，E，F点。,20,显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。,为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-3。,21,交流力矩电机的机械特性,图5-3 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性,UsN,0.7UsN,A,B,C,TL,0.5UsN,恒转矩负载特性,22,所谓的调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。,那么，怎样实现调压调速呢？,23,5.2 异步电动机变压调速电路,一、调压调速方法 获取交流调压电源的方法：（1）调压器调压 如图（a）所示。,24,（2）饱和电抗器调压 如图（b）所示，饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组的交流电抗器。,（3）晶闸管交流调压器调压 如图（c）所示。单相调压电路如图所示，其控制方法有两种：1）相位控制方式 通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图所示。特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。,25,晶闸管相位控制下的负载电压波形,晶闸管单相调压电路,26,2）开关控制方式 把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/tp来调节。输出电压波形如图所示。,晶闸管开关控制下的负载电压波形,特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。,27,二、交流调压电路 晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。,三相全波星形联结的调压电路,28,电路正常工作的条件：（1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。（2）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。（3）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差120，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差120；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差 180。根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60。,29,调压调速系统的可逆运行及制动,图5-4 电动机的正、反转及制动电路,30,1、可逆运行 方法：改变定子供电电压的相序，如图所示。图中晶闸管16供给电动机定子正相序电源；而晶闸管710及1、4供给定子反相序电源。2、反接制动与能耗制动 反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元件。耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。例：使1、2、6三个元件导通，其它元件都不工作，这样就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。所以调压调速系统具有良好的制动特性。,31,5.3 闭环控制的调压调速系统及其静特性,采用普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图5-6a）。,32,1.系统组成,33,2.系统静特性,34,当系统带负载在 A 点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A。,35,按照反馈控制规律，将A、A、A 连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。,36,尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。,37,(1)电动机的额定转矩Ten设定为 左右。,定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为,M称为过载倍数，它表示电动机在短时间内允许超过额定负载的能力。如果让异步电动机带动接近于Temax的负载长时间运行，就会使电动机因过热而损坏。,异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是:,3.变压调速系统的特点,38,当负载变化时,（2）异步电动机的工作区域，一般只能在0sm范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则称为机械特性的非线性段。,静特性左右两边都有极限，不能无限延长,它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性,如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。,39,（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，电机刚开始启动，此时启动电流很大，可达电机额定电流的47倍，但启动转矩却不大。直流电动机启动时，要减小启动转矩，以防启动转矩太大，造成机械冲击，损伤设备。减小启动转矩，也就减小了启动电流。异步电动机启动时，则存在两方面的问题，一要解决启动电流的问题，二要解决启动转矩不足的矛盾。,40,4 调压调速系统中的能耗与效率分析,(1)转差功率Ps 传到转子上的电磁功率P2与转子轴上输出的机械功率PM之差Ps为,Ps称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步电动机的能量流程图。,41,（2）电动机的效率 若忽略其它损耗，则电动机的效率为,讨论：1)恒转矩负载时：有Te=TL不变；因f1不变，故n0不变，电磁功率P2也不变。随着转速的降低，转差功率sP2增大，效率降低。2)风机泵类负载时：有Te=TL=Kn2，Te、P2随转速以平方速率下降，尽管低速时，s增大，但总的转差功率Ps=sP2下降，损耗变小。故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。,42,三、系统静态结构,图5-7 异步电动机闭环变压调速系统的静态结构图,根据图5-6（a）所示的系统可以画出其静态结构图如图5-7所示。,43,图中，Ks=U1/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；=Un/n 为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；n=f(U1,T)是式（5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。,44,稳态时，Un*=Un=n T=TL 根据负载需要的 n 和TL 可由式（5-3）计算出所需的 Us 以及相应的 Uc。,45,5.3.2 闭环变压调速系统的动态结构图,对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图5-7的静态结构图可以得到动态结构图，如图5-8所示。其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。,46,系统动态结构,47,转速调节器ASR,转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为,48,晶闸管交流调压器和触发装置,装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那一样。传递函数可写成,49,其近似条件是 对于三相全波Y联结调压电路，可取 Ts=3.3ms 对其他型式的调压电路则须另行考虑。,50,测速反馈环节,考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成,51,异步电机近似的传递函数,异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。,52,（1）异步电机近似的线性机械特性,由式（5-3）已知电磁转矩为（5-3）当 s 很小时，可以认为,且,53,后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，（5-6）这是在上述条件下异步电机近似的机械特性。,54,（2）稳态工作点计算,设A为近似机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上（5-7）在A点附近有微小偏差时，T=TA+T，U1=U1A+Us，而 s=sA+s，代入式（5-6）得,55,（3）微偏线性化,（5-8）将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则（5-9）,56,从式（5-9）中减去式（5-7），得（5-10）,已知转差率，其中1是同步角转速，是转子角转速，则(5-11),57,将式（5-11）代入式（5-10），得（5-11）式（5-11）就是在稳态工作点附近微偏量T与U1和间的关系。,58,带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为 按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为（5-13）,59,将式（5-12）和（5-13）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图5-9所示。,60,（4）近似动态结构图,图5-9 忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图,61,如果只考虑U1到之间的传递函数，可先取 TL=0，图5-9中小闭环传递函数可变换成,62,（5）异步电机的近似线性化传递函数,于是，异步电机的近似线性化传递函数为,63,式中 KMA 异步电机的传递系数，Tm 异步电机拖动系统的机电时间常数，,64,由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即(5-14)把得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构图。,65,最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构图时要注意下述两点：由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。,66,调压调速小结,调压调速时供电电网电压是固定的，通过调压器来获得电压可调的交流电源。主要优点是控制设备比较简单，可无级调速，投资低，使用维护比较方便，可以兼作笼型电动机的降压起动设备。缺点是调速过程中转差功率以发热的形式消耗在转子绕组中，属于低效调速方式，低速运行时效率更低；调速范围小，只有对风机和泵类机械调速才可以获得较宽的调速范围；调速特性比较软，调速精度差。因此，通常用于调速范围要求不宽，较长时间在高速区运行的中小容量的异步机传动场合。,