第4章 交流拖动控制系统

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的 附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分 转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装 置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根 据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、 机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级 调速，其特点为： 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械 上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速 范围在额定转速70％－90％的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、
3. 特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积 不超过106 kW · /min，超过这一数值时，其设 r 计与制造就非常困难了。 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此， 特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井 卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、 离心机等，都以采用交流调速为宜。
1 降压调速
① 调速范围窄；
⑥适用于风 机水泵调速
既不是恒转距调速方式，
也不是恒功率调速方2
② 低速运行有过电流和 功率因数低的问题；
③ 运行效率低，过电流问 题，工作点容易波动。
• 交流变压调速系统可控电源
•利用晶闸管交流调 压器变压调速
~
•TVC——双向晶闸 管交流调压器
2 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速
r2 3I2 s , 保持I 不变，则有 T 2 1
2
I2
I2 I2N
E2 r2 R 2 x2 s E2 r2 s N 2 x2
2 2
I2N
① 调速范围一般（2~3）：1

原则：在空间电 角度360之内，绕
B
C
组轴线顺序相同。 空间 120
240°角度
空间 240 120°角度
Y-YY变极调速机械特性
n 2n1
s mYY
n1
smY
基本上属于恒转矩调速方式
A
分析其调速方式： 每半相绕组中都流过额定 电流
B
I1 N 。
假设：
电动机的功率因数 cos 1
三种常用变极接线方式
Y→反并YY，2p-p Y→反串Y，2p-p
∆→YY，2p-p
注意：
当改变 定子绕 组接线 时，必 须同时 改变定 子绕组 的相序
变极调速中需要注意的问题：

在改变极数的同
时，不能改变旋 转磁场的转向— —需要适当地改 变绕组的相序
机械 60°角度
0 A
f1
3 F 1 cos t 2
3.2 交流调速系统的主要类型
交流电机：异步电机（即感应电机）同步电机 步机转速公式
基本调速方法
调压调速 电磁转差离合器调速 变转差率调速 串电阻调速 串极调速 变极对数调速---对于鼠笼转子
n 60f1 (1 s) / n p n 0 (1 s)
变频调速
交—交变频调速 交—直—交变频调速
自控变频调速利用转子磁极位置的检测信 号来控制变压变频装置换相，类似于直流电 机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作 无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。 开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电 机，有其独特的比较简单的调速方法，在小 容量交流电机调速系统中很有发展前途。
交流异步电动机调速方法及特点
② 降低了电机的效率
③ 有级调速
r2 R r2 所以， , 得到T 常数 s sN
3 鼠笼式三相异步电动机变极调速
正向串联
反向串联
反向并联
若把定子每相绕组中一半线圈的电 流改变方向，即半相绕组反向，则电动机
的极数便成倍变化。
n 60f1 (1 s) / n p n 0 (1 s)
2.转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部分 转差功率在转子侧通过变流装置馈出或 馈入，转速越低，能馈送的功率越多， 上述第④串极调速方法属于这一类。无 论是馈馈出还是馈入的转差功率，扣除 变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高， 但要增加一些设备。
•按电动机的调速方法分类
常见的交流调速方法有： ①降电压调速； ②转差离合器调速； ③转子串电阻调速； ④绕线电机串级调速或双馈电机调速； ⑤变极对数调速； ⑥变压变频调速等等。
•按电动机的能量转换类型分类
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。 从能量转换的角度上看，转 差功率是否增大，是消耗掉 还是得到回收，是评价调速 系统效率高低的标志。从这 点出发，可以把异步电机的 调速系统分成三类 。
TVC
M 3~ 图5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速
• 可逆和制动控制
电路结构：
采用晶闸管 反并联供电 方式，实现 异步电动机 可逆和制动。
图5-2 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路
• 控制方式
TVC的变压控制方式
具有速度负反馈的调压调速系统
速度闭环系统
闭环系统机械特性
系统静态结构
3. 转差功率不变型调速系统 在这类系统中，转差功率只有转子铜损， 而且无论转速高低，转差功率基本不变， 因此效率更高，上述的第⑤变极、⑥变 频两种调速方法属于此类。其中变极对 数调速是有级的，应用场合有限。只有 变压变频调速应用最广，可以构成高动 态性能的交流调速系统，取代直流调速； 但在定子电路中须配备与电动机容量相 当的变压变频器，相比之下，设备成本 最高。
绕线式异步电动机的定、转子三相绕组分别接到两个独立的三相
对称电源，其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源，而转子
电源电压的幅值、频率和相位则需按运行要求分别进行调节：在 任何情况下都应与转子感应电动势同频率。
~
特点：效率较高 （85~93%），机 械特性硬，无级平滑 调速，闭环控制简单。 但功率因数低，满载 时只有0.6。
-TL Uc Us n
ASR U*n Un
Ks
n=f(Us,Te)

异步电机闭环变压调速系统的静态结构图
• 系统动态结构
Uc (s) U*n(s) - U (s) n WASR(s) WGT-V (s) Us(s) n(s)
WMA (s)
WFBS(s)
异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图
MA——异步电机 FBS——测速反馈环节
• 交流拖动控制系统的应用领域
主要有三个方面：

一般性能的节能调速


高性能的交流调速系统和伺服系统
特大容量、极高转速的交流调速
1. 一般性能的节能调速
在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、 水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量 的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速， 只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依 赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许 多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把 消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、 水泵平均都可以节约 20 ~ 30% 以上的电能，效果是 很可观的。 但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求 都不高，只需要一般的调速性能。

三相异步电动机可以通过改变电源频率改变旋转磁通势的同 步转速，达到调速的目的。 额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可 以从基频向下调。
从基频向下调

U1 E1 4.44 f1W1kW 1 m
原则：降低电源频率时，必须同时 降低电源电压。
E1 常数 保持 f1
U1 常数 保持 f1
2. 高性能的交流调速系统和伺服系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去 多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机 结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方 便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动， 显然能够带来不少的效益。但是，由于交 流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像 直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实 时控制。
• 同步电机的调速
同步电机没有转差，也就没有转差功率，所 以同步电机调速系统只能是转差功率不变型 （恒等于 0 ）的，而同步电机转子极对数又 是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有 像异步电机那样的多种调速方法。 在同步电机的变压变频调速方法中，从频 率控制的方式来看，可分为他控变频调速和 自控变频调速两类。
TL TSY TmY TSYY
Y接 法 ： PY 3U N I 1 N cos 1
及效率 均保持不变。
TmYY
PYY
YY 接 法 ： 3U N 2 I 1 N cos 1 2 PY PYY P 9550 Y TY 2n1 n1
T
PY PY TY 9550 9550 nY n1
Pm =Pmech + Ps
Pmech = (1 – s) Pm Ps = sPm ~ Pm
Pmech
Ps
1. 转差功率消耗型调速系统
这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在 转子回路中，上述的第①降压、②转差离合器、 ③转子串电阻三种调速方法都属于这一类。在 三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最 低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转 差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负 载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最 低，所以还有一定的应用价值。
直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术 的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动 系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算 机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而 生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调 速性能分工的格局终于被打破了。 总结（1）电力电子技术的发展 （2）微机及数字信号处理技术的发展 （3）现代控制理论的应用及交流调速原理 的发展和成熟