交流调速系统及应用
第8章 交流调压调速系统
调压调速的功率损耗
转速负反馈闭环控制交流调压调速系统
1．异步电动机传递函数 • 在机械特性近似线性段上的稳态工作点A附近，可以证明：
2 3 pn U1A Td (2U1A sA U1 ) ' 1R2 1
J G d ( ) Td TL pn dt
转速负反馈闭环控制交流调压调速系统
调压调速和变极调压调速效率曲线及 机械特性曲线
•低速时，多速电动机效率比4极单速电动机提高很多，定子 电流也减小许多。 •机械特性最上面为 4极，最下面为 10 极。中间部为 6 极。端 电压各为U1＞U2＞U3＞U4，可见调速范围扩大了。
Δ-Y变换节电
采用由交流接触器和时间继电器等简单电器就可构成 ΔY切换降压装置。其显著的特点是：体积小、成本低、 寿命长、动作可靠。因此在工矿企业中某些轻载设备上 使用，可取得显著的节电效果。 当电动机定子绕组由 Δ 形联结改接成 Y 形联结后，电动 1 =3 机每相定子绕组电压降为原来的，即：UY/U 。 Δ 电动机线电流、电磁转矩均降为原来的 1/3 ，即： IY/IΔ =1/3，TY/TΔ =1/3。 由于 Y 接法与 Δ 接法虽然有电压变化，但是电动机的转 速变化不大，可近似的认为n近似为nN，所以Y接法时电 动机的功率降为原来的1/3，即： PY TY n 1 ＝ P T nN 3
第8章 交流调压调速系统
8.1概述 8.1.1交流调压调速的发展 8.1.2交流调速系统的分类 8.2异步电动机调压调速系统工作原理 8.2.1调压调速的工作原理 8.2.2交流调压器原理 8.3异步电动机调压调速系统 8.3.1调压调速系统的组成 8.3.2调压调速系统的特性 8.3.3调压调速的功率损耗
交流电机变频调速原理与应用
异步电动机的“多功能控制器”。
3．风机、泵类的调速节能
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。
3 异步电动机变频调速基础
变频调速时s变化很小，效率最高，性能也最好。
变频调速是异步电机交流调速系统的主流。
3.1 变频时的电压控制方式及控制特性
xK
1．变频的同时为什么要变压
r1
x1
②交交变频
电 动
鼠笼式转子
调压调速
机 感应电动机
交流调压
电压源型
常规意义 同步电动机
①变频调速，他控式
②变频调速，矢量控 制
①交直交变频 （整流＋无源逆变） ②交交变频
①电流源型 ②电压源型
同 步
无换向器 电机
变频调速，自控式
电
动 机 无刷直流电动机 变频调速，自控式
开关磁阻电动机 变频调速，自控式
I1
定子每相电动势的有效值: E 14.44f1N 1kN 1 mU 1 U1
E1
x2
Im
xm
若f1↓，U1不变，则磁通Φm ↑ ，Im ↑ ↑ 。
rm
r2
I2 Er
若f1↑，U1不变，则磁通Φm↓，I不变时T ↓ 。
B m ,E1
结论：频率变化时，若不同时改变电压， 则会使电机的磁通 mN 大幅变化，这将使电机运行不正常甚至损坏电机，所以变频的
Ui
+
-
GT
U ct
+
TG
～ VVC
M 3~
Hale Waihona Puke 2.3 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。
第六章 交流调速系统
交流电机的同步转速表达式为：
n1
＝
60 f1 p
异步电动机的转速表达式为：
n1＝
60 f1 p
(1
s)
因此，异步电动机的调速方法有改变电动机
定子供电频率，改变转差率及改变极对数等三种。
其中改变转差率又可通过调定子电压、转子电阻、
转差电压及定、转子频率差等方法实现。同步电
动机的调速可用改变供电频率从而改变同步转速
Sm
R2
R12 12 (Ll1 Ll2 )2
Tm
21[R1
3 pU12
R12 12 (Ll1 L'l 2 ) 2 ]
华南理工大学
上式表明，当转速或转差率一定时，电磁转
矩与电压平方成正比。对应不同的定子电压，可 得到一组机械特性曲线，如图6—3 所示，图中
U1N表示定子额定电压。
右图分析： 带恒转矩负载时，普 通笼型异步电动机调 压时的稳定工作点为 A—B—C，转差率在 0—Sm范围内变化，调 速范围很小。如带风 机类负载运行，工作 点为D、E、F，调速范 围稍大些。
电路（e）只用三个晶闸管，它们位于三相绕 组后面可减少电网浪涌电压对它的冲击，即使 三相绕组发生相间短路也不致损坏晶闸管，它 的移相范围为2100。此电路要求定子绕组中性 点能拆开，且只能接成Y形。电路上有偶次谐 波，对电机不利。
华南理工大学
优胜电路：
综上所述，电路（b）、(e)性能 较好，在交流调压调速系统中多采 用这两个方案。
华南理工大学
6.2.2 异步电动机 在调压时的机械特性
根据电机学原理，异步电动机稳态时的简化 等值电络图如图6—2所示。
I1
R1
Ll1
交流伺服电动机调速系统介绍
交流伺服电动机调速系统介绍概述交流伺服电动机调速系统是一种广泛应用于工业自动化领域的高性能电动机控制系统。
它通过对电机的电流和速度进行精准控制，实现高速度、高精度的电动机调速。
本文将详细介绍交流伺服电动机调速系统的工作原理、组成部分、应用领域以及优势等内容。
工作原理交流伺服电动机调速系统的工作原理基于闭环控制理论。
它通过反馈电机的位置、速度和转矩等信号，与预设值进行比较，并根据比较结果调整电机的控制信号，使电机以预期的速度和转矩运行。
系统主要包含三个部分：电机驱动器、位置反馈装置和控制器。
其中，电机驱动器将控制信号转换为电机驱动所需的电流和电压；位置反馈装置用于实时监测电机的位置和速度；控制器根据反馈信号和预设值进行控制算法运算，并输出控制信号给电机驱动器。
组成部分1. 电机驱动器电机驱动器是交流伺服电动机调速系统的核心组件。
它通过将控制信号转换为电机驱动所需的电流和电压，控制电机的转速和转矩。
通常使用的电机驱动器有两种类型：直流耦合型和速度闭环型。
直流耦合型驱动器适用于要求较低的精度和转速要求较高的应用，而速度闭环型驱动器则适用于对精度和速度要求较高的应用。
2. 位置反馈装置位置反馈装置用于实时监测电机的位置和速度。
常用的位置反馈装置有编码器、光电传感器和霍尔传感器等。
编码器是最常用的位置反馈装置，它通过检测电机轴上的旋转磁场脉冲来计算电机的位置和速度。
光电传感器和霍尔传感器则通过检测旋转齿轮的牙齿或永磁体的磁场变化来实现位置和速度的反馈。
3. 控制器控制器是交流伺服电动机调速系统的智能核心。
它根据反馈信号和预设值进行控制算法运算，并输出控制信号给电机驱动器。
常用的控制器有PID控制器和模糊控制器等。
PID控制器通过比例、积分和微分三个控制参数对反馈信号和预设值进行加权求和，得出控制信号。
模糊控制器则是一种基于模糊逻辑的控制方法，它通过定义模糊集合和规则库来实现对电机的控制。
应用领域交流伺服电动机调速系统广泛应用于以下领域：1.机床工业：用于铣床、车床、磨床等机床设备的高速度、高精度调速。
第四章 交流电动机调速控制系统
r12
(X1
c1 X
' 20
)2
]
（4-8）
因 r12
(X1
c1
X
' 20
)
2
，近似得：
Mm
1 2c1
2f1[r1
m1PU12
(X1
c1 X
' 20
)]
（4-9）
2. 生产机械的转矩特性
摩擦类 特性曲线见图（a） 负载： ，位于1、3象限。
生产机械
恒转矩负载：它的负载转矩是一 个恒值，不随转速 而改变。
——定子极对数
（4-3）
4)．传给转子的功率（又称电磁功率）与机械功率、转子铜耗之间有如下
关系式 ： PMX PM PM 2 (1 S)PM
（4-4）
式中：
PM ——传给转子的功率（又称电磁功率）
PMX ——机械功率
PM 2 ——转子铜耗
5)．电机的平均转矩为：
M CP
PMX
M0 Mn 否则电机无法进入正常运转工作区。
交流机的起动电流一般为额定电流的4~6倍 ,起动时 一般要考虑以下几个问题：
图4-7 机械特性曲线
1. 应有足够大的起动力矩和适当的机械特性曲线。 2. 尽可能小的起动电流。 3．起动的操作应尽可能简单、经济。 4．起动过程中的功率损耗应尽可能小。
普通交流电机在起动过程中为了限制起动电流，常用的起动方法有三种。即：
图6-1的等效电路，经化简后得到能耗制动的等效电路如图4-10所示。
图4-10 能耗制动的等效电路
图中：
•
I1 ——直流励磁电流的等效交流电流
简述交流异步电动机变压调速系统的特点及应用场合
简述交流异步电动机变压调速系统的特点及应用场合交流异步电动机变压调速系统是一种常见的电动机调速控制系统，其特点和应用场合如下：特点：1. 变压调速系统采用变压器来调整电动机的输入电压，从而实现调速控制。
通过调整输入电压，可以改变电动机的转速，从而满足不同工况下的需求。
2. 交流异步电动机变压调速系统结构简单，成本低廉。
相比其他调速方法，如变频调速系统，变压调速系统的设备和维护成本较低。
3. 变压调速系统的调速响应速度较快，精度较高，可在短时间内实现从低速到高速的平稳调速。
4. 变压调速系统的稳定性较强，适用于工况变化较大的场合。
由于其调速控制是通过调整输入电压实现的，所以对负载的适应性较好。
应用场合：1. 工业生产线：交流异步电动机变压调速系统常用于工业生产线上，如输送带、搅拌设备、风机等。
由于生产线上的负载和工况经常变化，变压调速系统能够快速、稳定地满足不同负载要求。
2. 电梯系统：电梯是一个需要精确调速的系统，交流异步电动机变压调速系统可根据电梯载重情况和乘客需求来调整电梯的运行速度，提高乘坐的舒适性和安全性。
3. 污水处理系统：污水处理系统中的泵和风机需要根据进水量和水质变化来调整运行速度，以保证处理效果。
交流异步电动机变压调速系统能够根据实时需求来调整设备的转速，提高处理效率。
4. 能源系统：交流异步电动机变压调速系统可用于风力发电机组和太阳能跟踪系统中，根据天气条件和电网负荷情况来调整发电设备的转速，最大限度地利用风能和太阳能资源。
总之，交流异步电动机变压调速系统具有调速响应快、稳定性强、成本低廉等特点，广泛应用于工业生产线、电梯系统、污水处理系统和能源系统等场合。
它为各种设备和系统的调速控制提供了可靠的解决方案。
4.交流变频调速系统
交压变频调速系统
第一节 变频调速技术的发展及应用 第二节 变频调速系统的工作原理 第三节 变频调速系统无逆变电路 第四节 晶闸管变频调速系统 第五节 正弦波脉宽调制技术
第一节 变频技术的发展及应用
什么叫变频?变频器有什么特点？
变频调速就是通过变频器将固定频率和固定电压 的交流电源转化为能在宽广的范围内电压和频率 均可调的变频电源。
U1 R1I1 E1 E1 4.44 f1 N1K1
E1 U1 4.44 f1 N1 K1 4.44 f1 N1 K1
由上面推导出来的式子可知，只要控制好 U1 和 f1 ，便可达到控制磁通 的目的， 对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基 频以上两种情况。
a、基频以下的变频控制方式
b、基频以上的变频控制方式 在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却 不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，使 磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升 速的情况。
m
U 1N 4.44 f1 N 1 K N 1
f1 f1 N
恒电压的控制方式用于基频以上的变频系统中，此时 电压恒定，磁通会从额定值ΦN向下调节。
60 f1 n (1 s) 1.异步电动机的转速： n1 (1 s) np
改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电 动机的转速。
2、变频调速的基本控制方式
由电机学知
E1 4.44 f1 N1 K1
/ Te Cm m I 2 cos 2
如果忽略定子上的电阻压降，则有
n
I sb , 1a
I sa , 1a
I sa I sb
1a 1b
I sb , 1b
交流调速简答 (1)
直流调速系统：控制简单、调速平滑、性能良好。
但换向器存在，维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制交流调速系统：交流调速系统，励磁电流和转矩电流互相耦合，调速困难。
现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器及电量检测器组成，称为变频器。
课后习题1.交流调速的主要应用领域：1.冶金机械2.电气牵引3.数控机床4.矿井提升机械5.起重、装卸机械6.原子能及化工设备7.建筑电气设备8.纺织、食品机械2.异步电动机的优点：结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉。
3.异步电动的调速方法：改变电源频率、改变极对数以及改变转差率。
4.变频调速的基本要求：1.保持磁通为额定值 2.保持电压为额定值5.交－直－交变频器与交－交变频器的主要特点比较：比较项目类型交－直－交变频器交－交变频器换能方式两次换能，效率略低一次换能，效率高晶闸管换向方式强迫换向或负载换向电网换向所用器件数量较少较多调频范围频率调节范围宽一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/3～1/2电网功率因素采用晶闸管可控整流调压，低频低压时功率因数较低，采用斩波器或PWM方式调压，功率因数高较低适用场所可用于各种电力拖动装置，稳频稳压电源和不间断电源适用于低速大功率拖动6.同步电动机变频调速方法：他控式变频调速、自控式变频调速。
不同：他控式变频调速采用独立的变频器（即输出频率由外部振荡器控制）作为同步电机的变压变频电源。
自控式变频器调速由电动机轴上所带的转子位置检测器发出信号来控制逆变器的触发换相，即采用输出频率由转子位置来控制的变压变频电源为同步电机供电。
这样就从内部结构和原理上保证了频率与转速必然同步，构成“自控式”。
7.各种变频调速的基本原理：按结构分为交－直－交变频器与交－交变频器；按电源性质分电压型变频器：变频器主电路中的中间直流环节采用大电容滤波，使直流电压波形比较平直，对于负载来说，是一个内阻抗为零的恒压源，这类变频调速装置叫做电压源变频器。
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PAM 方式--------脉冲幅值调节方式
是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆 变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩 波器通过调节直流电压去实现 PWM 方式--------脉冲宽度调节方式
IGBT不会立即进入放大状态。
UR VT1 VT3
VT4 VT6
（a）
ura
VC1 +
-
urb
VC4 VC3
+ -
GM
VC6
VC5
urc
VC2
+ -
+ -
+ -
+ -
UI VT5
M
VT2 3
生产机械
AP1 ug1 AP4 ug4 AP3 ug3 AP6 ug6 AP5 ug5 AP2 ug2
UR
+
交—交变频器 是将恒压频的交流电一次 变换成调压调频的交流电， 它由三组可逆整流器组成
通常用于大功率（500kw或1000kw 以上）、低速（600r/min以下）的 场合，如扎钢机、球磨机、水泥回 转窑等
交-直-交变频器的结构
是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后 再经过逆变电路将直流变换成调压调频的交流电
矢量控制从原理上说可以得到与直流电动机相同的控制性
能，但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数。
变频器的基本类型
3、 按变频器的用途分类
通用变频器
基本上采用电路结构简单的U/f控制方式
专用变频器
分为高性能变频器（采用VC控制方式）、 高频变频器和高压变频器
交-直-交变频器的内部结构简介
~
整流
Udc
1、载波频率高 大多数变频器的载波频率可在3～15kHz的范围内任意可调。
2、电流波形大为改善 载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近正弦波，
故电磁噪声减小，而电动机的转矩增大。
3、控制功耗减小 IGBT的驱动电路取用电流极小，几乎不损耗功率。
4、瞬间停电可以不停机 这是因为IGBT的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减较慢，
基本构成框图
中间环节是大电容器滤波，使 直流侧电压 恒定，变频器 的输出电压随之恒定，相当于 理想的电压源，称为交－直－ 交电压型变频器
中间环节是电感很大的电抗器 滤波，电源阻抗很大，直流环 节中的电流 可近似于恒定， 逆变器输出电流随之恒定，相 当于理想的电流源，称为交－ 直－交电流型变频器
变频器电压调节方式
用PWM逆变器，输出电压是 一系列脉冲，调节脉冲宽 度就可以调节输出电压值
用可控整流器调压、逆变器调频 用斩波器调压的交—直—交变频器
用PWM逆变器同时调压调频
2、 按变频器的控制方式分类
（1）U/f控制变频器（压频比控制）
对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/f恒定 使电动机获得所需的转矩特性
（2）SF控制变频器（转差频率控制）
变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。 在S很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。 控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。
（3）VC变频器（矢量控制）
将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其 垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制。
2、门极可关断晶闸管（GTO）
属于全控型器件，开通和关闭都可以由脉冲实现。无须强迫换相装置，损耗小， 装置效率高，易于实现PWM控制。
3、电力晶体管（GTR） 又称双极型晶体管，目前常用的GTR有单管、达林顿管和GTR模块3大
系列。缺点是耐冲击能力较差，易受二次击穿而损坏。
4、绝缘栅双极型晶体管IGBT
是场效应管（MOSFET）和电力晶体管（GTR）的产物。当栅极加正向电压时， IGBT导通；当栅极加负电压时，IGBT关断。
K G
A 图2-3 GTO的电气符号
D
D
G
G
S
S
N沟道
P沟道
图2-4 功率MOSFET电气符号沟道
A)小电流封装式 B)小电流螺旋式 D)大电流平板式
K G
A
C)大电流螺旋式
变频器的基本类型
1、 按变频的原理分类 交-交 变频器
变频器
交-直-交 变频器
按相数分 按环流情况分 按输出波形分 按储能方式分 按调压方式分
单相 三相 有环流 无环流 正弦波 方波 电压型 电流型 脉幅调制 脉宽调制
变频器的工作原理
变频器简单工作原理图
A 交-交变频器
B 交-直-交变频器
交-交变频器的主电路结构
交流调速系统及应用
无锡职业技术学院
黄麟
模块二 通用变频器使用及变频器 典型调速系统
项目二 通用变频器使用 项目三 学会通用变频器典型调速系统
模块二:通用变频器使用及变频器典型调速系统
项目二 通用变频器使用
变频器简介
变频器是将固定频率的交流电变换为 频率连续可调的交流电的装置。 变频器的问世，使得交流调速在很大 程度上取代了直流调速。
E)电气符号图
图2-1 晶闸管的外形和电气图形符号
C
ID RB
IC
C
G G
E
E
（a）内部结构
（b）简化等效电路 （c）电气图形符号
图2-6 IGBT的结构、简化等效电路及电气图形符号
ID
G
R1
C
VT2
VT1
R2
E 图2-7 IGBT的实际等效电路
二、逆变电路
以IGBT为逆变器件的逆变电路。其主要特点如下：
VT1
Us
VT4 -
（a） ura
+ -
GM urb
+ -
+
-
urc
+ -
UI VT3 VT6
VT5
M
VT2 3
生产机械
AP1 ug1 -1 AP4 ug4
AP3 ug3 -1 AP6 ug6
2
V1Βιβλιοθήκη V3V5MUdc
2
V4
V6
V2
Udc
逆变
Uabc, f 可调
一、变压器中的半导体开关器件
1、晶闸管（SCR）
属于半控型电力电子器件，在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门 极和阴极间也加正向电压形成触发电流，使晶闸管导通，一旦导通，门极即失去控制作用。
特点是耐压高，电流大，抗冲击能力强
变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频 器的输出电压和输出频率均由逆变器PWM方式调节。PWM信号 作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断。 SPWM 方式-------正弦脉冲宽度调节方式
变频器电压调节方式
调压和调频分别在两个环节 上，由控制电路进行协调
整流环节采用二极管不可 控整流，增设斩波器进行 调压，再用逆变器调频