第5章电力拖动控制系统.ppt

5.1.1 交流调速的发展概况,交流调速系统：由交流电动机拖动、电机转速为控制目标的电力拖动自动控制系统,直流电动机优点：调速性能好,直流电动机缺点：体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难,20世纪70年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的 飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。,交流电动机优点：结构简单可靠，维护少，无机械换向火花，制造成本低,51 交流调速系统概述,20世纪80年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。,目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运 行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。,第5章 异步电动机调压调速系统,20世纪90年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。,励磁同步电动机,5.1.2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,定子绕组通入交流电(或周期脉冲电流)的电机，其定子磁动势是一个旋转(或步进旋转)的磁动势。,同步电动机,交流调速系统的分类,5.1.3 异步电动机调速系统的分类,1.异步电动机功率(能量)图,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 Pm,2.常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）,调压调速；电磁转差离合器调速；绕线转子转子回路串电阻调速；串级调速；变极调速；变频调速；定子回路串电抗调速。,3 调速系统按所改变的物理量分类,（1）变频调速,（2）变极调速,（3）变转差率调速,4.按转差功率Ps 去向分类,（1）转差功率消耗型（系统效率较低）,（2）转差功率回馈型（把部份转差功率送回电网）（系统效率稍高）,（3）转差功率不变型（系统效率最高）,5.2 异步电动机调压调速系统（交调系统）,该系统使用的电动机一般是鼠笼型异步电动机。,5.2.1 异步电动机调压时的开环机械特性,当电动机拖动恒转矩负载时，尽管电压改变很大，但速度的变化并不大。系统能调速的最大区域只在转差率 之间,当电动机拖动风机、泵类负载时不再受Sm的限制，,异步电动机的固有机械特性方程,风机泵类负载,恒转矩负载,，为减小损耗，电动机在额定点的转差率一般在0.020.06之间，最大转矩时的转差率也较小，在0.15左右,异步电动机调压调速时的开环机械特性,高转差率电动机,为了能在恒转矩负载下扩大调压调速的范围，这就要求电动机有较大的Sm,可以使用高转差率电动机或者交流力矩电动机，这两类电机通过增大转子电阻使电机的机械特性变软，Sm增大，拓宽了低速运行区。,交流力矩电动机允许电动机长期堵转及低速运行，Sm等于1，电动机的主要技术参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。,高转差率电动机兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在0.070.13之间，Sm一般在0.5左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。,5.2.2 调压调速主电路,串联分段电抗器降压,串联飽和电抗器降压,串联饱和电抗器降压降压调速原理,缺点：需体积庞大且笨重的设备，自电力电子技术发展起来已很少采用。,自耦变压器调压,现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成的负载Y接法的晶闸管相控交流调压器,VVC为相控交流调压器，由三只双向晶闸管或三对反并联晶闸管构成，电动机定子绕组接成Y接法,V VC工作原理,早期的 方法有：,VR为可控整流桥，制动时用,5.2.3 调压调速系统的系统原理图,系统控制的对象：电动机的端电压,速度调节器ASR的输出：电压指令信号,交流调压器的输出电压 U1与移相控制角之间有确定的对应关系，U1 与是一一对应且是唯一的，因此速度调节器的输出可直接作为角的指令值而不必再加电压闭环,限流环节检测异步电动机的定子电流，与给定的限流值进行比较,GB框内的曲线是其输入输出曲线,不但与 角的大小有关，还与负载的功率因数角有关。,VVC，,5.2.4 系统稳态结构图及其静特性,ASR是速度调节器，采用PI调节器,该系统与直流VM系统有许多本质上的不同之处,是一个复杂的非线性函数，且、,也不是一个定值，随电机转速变化而大幅度变化,可见用稳态结构图计算求解某些性能或确定控制调节参数时其结果是近似的。,只要改变转速给定信号就可以使静特性平行地上下移动，达到调速的目的。,是一个无静差的系统,左、右极限,异步电机，,5.2.5 交流调压调速系统的制动,交调系统制动时，通常采用在定子绕组中通入直流电流（能耗制动）的方法。,可控制整流桥VR就是为制动而设置的。1C断开、2C闭合、VR工作时，异步电动机将进入制动状态，直到电机停转。,通直流时，电机绕组的两种常用接法：,调节可控整流电路输出电流Id 的大小，就可改变合成磁势Fs 的大小,就改变了制动转矩的大小。,触发VT1、VT6工作，恒关断VT2、VT3、VT4、VT5，则A、B两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上,改变控制角的大小，可改变平均制动转矩的大小。,利用交流调压器主电路来实现制动时制动转矩一般较小，转矩脉动较大。,能耗制动时，电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上，拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上，,利用交流调压器的主电路来实现能耗制动,发热严重。,5.2.6 交流调压调速系统的效率及电机冷却,当电动机转速降低（s增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的效率下降，电动机的发热将增加。,交流力矩电机：电动机的设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。,低转差率电机：电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电机发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生过热。这类电机只能短时间内低速运行，或应重新考虑电动机的散热条件，防止电机过热而烧毁。,高转差率电动机：介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需要加强电动机通风冷却系统。,效率及电机发热,电机冷却,5.2.7 系统的动态结构图,交流电动机中的机、电、磁三种物理量的多变量之间的强耦合，参数的时变性及参数之间关系的非线性，使得建立交流调速系统精确的数学模型极为困难。,只能在一些强假定条件下简化后，来建立其近似的数学模型：,异步电动机的微偏线性化近似动态结构图,传递函数为：,53 异步电动机调压调速系统的应用与节能,缺点：调速范围不大，调速精度低，系统效率低，调速时电机发热严重优点：系统结构简单，容易实现，成本低廉,主要的应用领域,1需要调速运行的场合,2异步电动机“软起动”装置,3风机、泵类的调速节能,交流调压象限，能耗制动象限，配合接触器四象限 因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统来实现，例“交调”电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题）,异步电动机的“软起动装置”：利用带有限流环节的交流调压器 就可实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：异步电动机的“多功能控制器”。,风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。,风机、泵类的调速节能,应用条件风机、水泵用不调速的交流电机，依赖于风门档板和阀门来调节风量和流量，使大量的电功率白白消耗在档板和阀门上。,选用的理由风机、水泵的转矩与转速平方成正比，功率与转速立方成正比，因此对调速范围的要求不大，调速的精度要求也不高，动态响应更是几乎没有要求，这些特征都使廉价的交流调压调速系统成为风机、水泵调速改造的首选系统。,节能原理当转速下降时，电机损耗增加，效率降低，电机本身在这个过程中不但没有节能，反而是增加了损耗。但风机、水泵节省的能量大于电机所增加的损耗，从总体效果上看是节能了。,5.4 电磁转差离合器调速系统,同极性磁场的电磁转差离合器结构图1.从动轴 2.左端盖 3.磁通4.励磁线圈 5.机座 6.圆筒形电枢7.齿轮形磁极 8.异步电动机 9.主动轴,异极性磁场分布的电磁转差离合器,电磁转矩产生示意图,工作原理,转矩产生的原理（以异极性磁场为例）,在同一转差下，转矩随励磁电流的增大而增大,在同一励磁电流下，转矩随转差的增大而增大,系统原理图,静特性,理想空载点的转速为异步电动机转速n，而不是同步速n1,无静差调速系统,速度单闭环调速系统,