交流电动机调速系统
交流调速系统的主要类型
交流调速系统的主要类型
交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。
现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。
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。
即Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 –s) Pm Ps = sPm 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。
1. 转差功率消耗型调速系统 2.转差功率馈送型调速系统 3. 转差功率不变型调速系统同步电机的调速: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.可分为他控变频调速和自控变频
调速两类。
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。
交流调速系统概述
交流调速系统概述Revised on July 13, 2021 at 16:25 pm交流调速系统概述1.1、交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统;工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类;这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的..所谓交流调速系统;就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置;并对其进行控制以产生所需要的转速..相比于直流电动机;交流电动机具有结构简单;制造成本低;坚固耐用;运行可靠;维护方便;惯性小;动态响应好;以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点..随着电力电子技术;大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展;交流可调传动得到了广泛的发展;诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速;特别是矢量控制技术的应用;使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能..现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统;从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动;从单机传动到多机协调运转;已几乎都可采用交流调速传动..1.2交流调速系统的应用由于交流调速系统的优越性;其已经普遍应用于现代工业中;主要由以下几个方面：1、风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%;进行变频、串级调速;可以节能..2、对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速;运行平稳、档次提高..3、纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械;采用交流无级变速;提高产品的质量和效率..4、钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动..5、有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制..6、油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油..此外;在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统..7、变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水..8、变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用;提高调速性能和产品质量..9、变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用..如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速..10、机械行业是企业最多、分布最广的基础行业..从电线电缆的制造到数控机床的制造..电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统..一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统;主轴一般采用变频器调速只调节转速或交流伺服主轴系统既无级变速又使刀具准确定位停止;各伺服轴均使用交流伺服系统;各轴联动完成指定坐标位置移动..1.3、交流调速系统分类交流调速系统分为交流异步电动机调速系统和交流同步电动机调速系统两大类..1、在交流异步电动机中;从定子传入转子的电磁功率m p 可以分成两部分：一部分m mech p s -1p ）（=是拖动负载的有效功率;另一部分是m s sp p =与转差率s 成正比的转差功率;转差功率的流向是调速系统效率高低的标志..就转差功率的流向向而言;交流异步电动机调速系统可以分为三种：1、转差功率消耗型调速系统这种调速系统全部转差功率都被消耗掉;用增加转差功率的消耗来换取转速的降低;转差率s 增大;转差功率m s sp p =增大;以发热形式消耗在转子电路里;使得系统效率也随之降低..定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类;这类调速系统存在着调速范围愈宽;转差功率s p 愈大;系统效率愈低的问题;故不值得提倡..2、转差功率馈送型调速系统这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用;转速越低回馈的功率越多;但是增设的装置也要多消耗一部分功率..绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类;它将转差功率通过整流和逆变作用;经变压器回馈到交流电网;但没有以发热形式消耗能量;即使在低速时;串级调速系统的效率也是很高的..3、转差功率不变型调速系统这种调速系统中;转差功率仍旧消耗在转子里;但不论转速高低;转差功率基本不变..如变极对数调速;变频调速即属于这一类;由于在调速过程中改变同步转速0n ;转差率s 是一定的;故系统效率不会因调速而降低..在改变0n 的两种调速方案中;又因变极对数调速为有极调速;且极数很有限;调速范围窄;所以;目前在交流调速方案中;变频调速是最理想;最有前途的交流调速方案..2、在交流同步电动机中;由于其转差功率恒为零;从定子传入的电磁功率m P 全部变为机械轴上输出的机械功率m ech P ;只能是转差功率不变型的调速系统..其表达式为p 1n f60n n ==;同步电动机的调速只能通过改变同步转速1n 实现;由于同步电动机极对数是固定的;只能采用变压变频调速..交流调速系统的调速2.1三大调速方案由电机与拖动技术知;交流异步电动机的转速公式如下：n 1p s -1f 60n ）（=1-1式中 n p ——电动机定子绕阻的磁极对数；1f ——电动机定子电压供电频率；s ——电动机的转差率..由电机理论知道;三相异步电动机定子每相电动势的有效值是m 11g N 4.44f Φ=E 1-2式中g E —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值V ；1f —定子频率Hz ；1N —定子每相绕组串联匝数；m Φ—每极磁通量Wb..从上两式中可以看出;调节交流异步电动机的转速有三大类方案..1、变压变频调速当异步电动机的磁极对数n p 一定;转差率s —定时;改变定子绕组的供电频率1f 可以达到调速目的;为了达到良好的控制效果;常采用电压——频率协调控制;电动机转速n 基本上与电源的频率 1f 成正比;因此;就能平滑地调节供电电源的频率;无级地调节异步电动机的转速..变频调速调速范围大;低速特性较硬;只要控制好g E 和1f 便可达到控制气隙磁通m Φ的目的;对此有基频额定频率50Hz f =以下和基频以上两种情况;基频50Hz f =以下;保持气隙磁通不变;属于恒转矩调速方式；在基频50Hz f =以上;保持定子电压不变;属于恒功率调速方式..1、基频以下调速在基频一下调速时;为了保持电动机的负载能力;应保持气隙磁通m Φ为额定值N m Φ不变;这就要求频率1f 从额定值N 1f 向下调节时;必须同时降g E 使 m 11g N 4.44f Φ=E 常数= ; 即保持电动势与频率之比常数进行控制..这种控制又称为恒磁通变频调速;属于恒转矩调速方式..但是;g E 难于直接检测和直接控制..当g E 和1f 的值较高时;定子的漏阻抗压降相对比较小;如忽略不计;则可近似地保持定子相电压s U 和频率1f 的比值为常数;即认为g E U =1;保持=1f s U 常数即可;这就是恒压频比控制方式;是近似的恒磁通控制..低频时;1U 和g E 都较小;定子电阻和漏磁感抗压降主要是定子电阻压降所占的分量比较显着;不能再忽略..这时;可以人为地适当提高定子电压s U ;以便近似地补偿定子阻抗压降;使气隙磁通基本保持不变..图1 基频以下调速机械特性（2）、基频以下电流补偿控制基频以下运行时;采用恒压频比的控制方法具有控制简便的有点;但负载的变化将导致磁通的改变;因此采用需要采用定子电流补偿;根据电子电流的大小改变电子电压;保持磁通恒定..有保持定子磁通ms Φ曲线a 、气隙磁通m Φ曲线b 和转子磁通mr Φ曲线c 恒定的三种控制方法;以下图 2 是这三种控制方法的特性曲线图2 不同控制方式下;异步电动机的机械特性与恒压频比控制相比;恒定子磁通ms Φ、恒气隙磁通m Φ和恒转子磁通mr Φ的控制方式均需要定子电流补偿;控制要复杂一些..恒定子磁通ms Φ和恒气隙磁通m Φ的控制方式虽然改善了低速性能;但机械特性还是非线性的;产生转矩的能力受到限制..恒转子磁通mr Φ的控制方式;可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性;性能最佳..3、基频以上调速在基频以上调速时;频率可以从N 1f 往上升高;但受电机绝缘耐压的限制;定子电压s U 却不能超过额定电压;最多只能保持sN U U =s 额定电压不变..由式1-2可知;这必然会导致主磁通m Φ随着1f 的上升而降低;使异步电动机工作在弱磁状态;允许输出转矩减小;但转速却升高了;可以认为允许输出转功率基本不变;属于近似的恒功率调速方式..其机械特性曲线在固有特性曲线之上..2、改变电动机的极对数调速由异步电动机的同步转速n 11p f 60n =可知;在供电电源频率1f 不变的条件下;通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数n p ;即可改变异步电动机的同步转速1n ;从而达到调速的目的..这种控制方式比较简单;只要求电动机定子绕组有多个抽头;然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数..采用这种控制方式;电动机转速的变化是有级的;不是连续的;一般最多只有三档;适用于自动化程度不高;且只需有级调速的场合..3、改变电动机的变转差率调速由式1-1知;可以通过改变异步电动机的转差率s 来改变电动机转速..改变转差率调速的方法很多;常用的方案有：异步电动机定子调压调速、电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速和串级调速等..1、异步电动机定子调压调速定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器;这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载..为了能得到好的调速精度与能稳定运行;一般采用带转速负反馈的控制方式..所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机..2、电磁转差离合器调速电磁转差离台器调速系统;是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成..鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动;通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节..这种系统一般也采用转速闭环控制..3、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速;这种调速方法简单;但调速是有级的;串入较大附加电阻后;电动机的机械特性很软;低速运行损耗大;稳定性差..4、绕线式异步电动机串级调速绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势f E ;只要改变这个附加的;同电动机转子电压同频率的反向电势f E ;就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速..f E 越大;电动机转速越低..上述这些调速的共同特点是在调速过程中没有改变电动机的同步转速0n ;所以低速时转差率s 较大..2.2、异步电动机的调速系统1、脉冲宽度调制技术在异步电动机变频调速时;为了得到理想的控制效果需要有电压与频率均可调的交流电源;常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器;一般称为变频器..这就涉及到了交流PWM 变频技术;即脉冲宽度调制技术;这是现代变频器中用得最多的控制技术..脉冲宽度调制PWM 的基本思想是：控制逆变器中的电力电子器件的开通或关断;输出电压为高度相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列;用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压..传统的交流PWM 技术是用正玄波来调制等腰三角波;称为正弦脉冲宽度调制SPWM;随着控制技术的发展;产生了电流跟踪PWMCFPWM 控制技术和电压空间矢量PWMSVPWM 控制技术..1、正弦脉冲宽度调制SPWMSPWM 是以频率与期望值得输出电压波相同的正弦波作为调制波;以频率与期望波高得多的等腰三角波作为载波;当调制波与载波相交时;由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻;从而获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列..SPWM 采用三相分别调制;在调制度为1时;输出相电压的基波幅值为2U d;输出线电压的基波幅值为d 23U ;直流电压的利用率为[]9866.0..若调制度大于1;直流电压的利用率可以提高;但会产生失真现象;谐波分量增加..这是普通SPWM 变频器的一个短处;其输出电压带有一定得谐波分量;为降低谐波分量;减少电动机的转矩脉动;在SPWM 的基础上衍生出“消除指定次数谐波”的SHEPWM 控制技术..2、电流跟踪PWMCFPWM 控制技术SPWM 控制技术的目的只在于使输出电压接近正玄波;并为考虑到电流波形因负载的性质及大小的影响..对了、交流电动机来说;应该保证为正玄波的是电流;稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值;不产生脉动;这就是以正弦波电流为控制目标的优越性;电流跟踪PWM 就能实现这种控制..CFPWM 的控制方法是在原有主回路的基础上;采用电流闭环控制;使实际电流快速跟随给定值;在稳态时;尽可能使实际电流接近正弦波形..常用的电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM..在电流滞环跟踪PWM 的控制系统中;以PWM 变压变频器的A 相控制原理为例..其中;电流控制器是滞环的比较器;环宽为2h;将给定电流与输出电流进行比较;当电流偏差A i ∆超过h ±时;经滞环控制器HBC 控制逆变器A 相上或下桥臂的功率器件动作..B 、C 两相的控制与A 相相同..电流跟踪PWMCFPWM 控制技术的特点是精度高、响应快;且易于实现;但功率开关器件的开关频率不定..一般可采用具有恒定开关频率的电流控制器来克服..具有电流滞环跟踪控制的PWM型变压变频器用于调速系统时;只需要改变电流给定信号的频率即可实现变频调速;无需再人为地调节逆变器电压..此时;电流控制环只是系统的内环;外环仍应有转速外环;才能视不同负载的需要自动控制给定电流的幅值..3、电压空间矢量PWMSVPWM控制技术交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场;从而产生恒定的电磁转矩..把逆变器和交流电动机视为一体;以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作;这种控制方法称作为“磁链跟踪控制”磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的;所以又称为“电压空间矢量PWM控制”..电压空间矢量控制是一种新的控制理论和控制技术;它的基本思想是：按空间矢量的平行四边形合成法则;用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量;设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制..调速的关键问题是转矩控制问题;为使交流电动机得到和直流电动机一样的转矩控制性能;必须通过坐标变换理论;按转子磁链定向把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的励磁分量和与之相垂直的坐标转矩分量;把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后;交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机..即如果在调速过程中始终维持定子电流的励磁分量不变;而控制转矩分量;它就相当于直流电机中维持励磁不变;而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样;能使系统具有较好的动态特性..SVPWM控制模式的特点:1、逆变器共有8个基本输出矢量;6个有效工作矢量和2个零矢量;在一个旋转周期内;每个有效工作矢量只作用1次的方式；只能生成正六边形的旋转磁链;谐波分量大;将导致转矩脉动..2、用相邻的2个有效工作矢量;可合成任意的期望输出电压矢量;使磁链轨迹接近于圆..开关周期越小;旋转磁场越接近于圆;但功率器件的开关频率提高..3、利用电压空间矢量直接生成三相PWM波;计算方便..4、与一般的SPWM相比较;SVPWM控制方式的输出电压可提高15%..异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统通过坐标变换和按转子磁链定向;可以得到等效的直流电动机模型;在按转子磁链定向坐标系中;用直流机的方法控制电磁转矩与磁链;然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经逆变换得到三相坐标系的对应量;以施以控制..由于变换的是矢量;所以坐标变换也可称作矢量变换;相应的控制系统成为矢量控制系统..图 3 矢量控制系统控制原理结构图按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是准确定向;也就是说需要获得转子磁链矢量的空间位置;根据转子磁链的实际值进行矢量变换的方法;称作直接定向..转子磁链的直接检测相当困难;实际的系统中;多采用间接计算的方法;即利用容易测得的电压、电流或转速等信号;借助于转子磁链模型;实时计算磁链的幅值与空间位置.. 在计算模型中;由于主要实测信号的不同;分为电流模型和电压模型两种..电压模型更适合于中、高速范围;而电流模型能适应低速..有时为了提高准确度;把两种模型结合起来;在低速时采用电流模型;在中、高速时采用电压模型..矢量控制系统的特点：1、按转子磁链定向;实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦;需要电流闭环控制..2、转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节;可以采用磁链闭环控制;也可以是开环控制..3、采用连续的PI 控制;转矩与磁链变化平稳;电流闭环控制可有效地限制启、制动电流..异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显着的改善;并且具有调速范围宽的特点..但是经典的矢量控制方法比较复杂;它要进行坐标变换;且需精确测算出转子磁链的大小和方向;比较麻烦;且其精度受转子参数变化的影响很大..继而又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法;它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量;直接在它的转速环里面;利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩;其基本原理是根据定子磁链幅值偏差和电磁转矩偏差的符号;再根据当前定子磁链矢量所在的位置;直接选取合适的电压空间矢量;减少定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差;实现电磁转矩与定子磁链的控制;响应较快;控制性能比矢量控制还好..直接转矩控制系统简称DTC 系统;是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统;在它的转速环里面;利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩..图4 直接转矩控制系统原理结构在转速环里面设置了转速内环;可以抑制定子磁链对内环控制对象的扰动;从而实现了转速和磁链子系统之间的近似解耦..根据定子磁链幅值偏差s ϕ∆的符号和电磁转矩e T ∆的符号;再依据当前定子磁链矢量s ψ所在的位置;直接选取合适的电压空间矢量;减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差;实现电磁转矩与定子磁链的控制..转速双闭环：ASR 的输出作为电磁转矩的给定信号；设置转矩控制内环;它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响;从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦..转矩和磁链的控制器：用滞环控制器取代通常的PI 调节器..与VC 系统一样;它也是分别控制异步电动机的转速和磁链;但在具体控制方法上;DTC 系统与VC 系统不同的特点是：1、转矩和磁链的控制采用双位式控制器;并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形省去了旋转变换和电流控制;简化了控制器的结构..2、选择定子磁链作为被控量;计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响;提高了控制系统的鲁棒性..如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律;显然要比按转子磁链定向时复杂;但是;由于采用了非线性的双位式控制;这种复杂性对控制器并没有影响..3、由于采用了直接转矩控制;在加减速或负载变化的动态过程中;可以获得快速的转矩响应;但必须注意限制过大的冲击电流;以免损坏功率开关器件;因此实际的转矩响应的快速性也是有限的..1、同步电动机的分类与异步电动机相比;在稳态时同步电动机的稳态转速等于同步转速;即1n n =；定子除了定子磁动势外;在转子侧还有独立的直流励磁或者永久磁钢励磁；同步电动机的气隙是不均匀的有凸极和隐极之分;异步电动机要靠加大转差后才能提高转矩;而同步电动机只需加大功率角就能增大转矩;同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力;动态响应快..同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永久同步电动机..可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流励磁;可以通过调节转子的直流励磁电流;改变输入功率因数;可以滞后也可以超前..永磁同步电动机的转子用永磁材料制成;无需直流励磁;具有体积小、重量轻;运行效率高;结构紧凑和动态性能好的特点..2、同步电动机的特点与异步电动机相比;同步电动机具有以下特点：1、交流电机旋转磁场的同步转速1n 与定子电源频率1f 有确定的关系：异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的;而同步电动机的稳态转速等于同步转速..2、异步电动机的磁场仅靠定子供电产生;而同步电动机除定子磁动势外;在转子侧还有对立的直流励磁;或者靠永久磁钢励磁..3、同步电动机转子除直流励磁磁阻外;还可能有自身短路的阻尼绕组..4、异步电动机的气隙是均匀的;而同步电动机则有隐极和凸极之分;隐极式电机气隙均匀;凸极式则不均匀..同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种..其中;永磁同步电动机按气隙磁场分布分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机无刷直流电动机..分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题;在20πθ<<的范围内;同步电动机能够稳定运行..在πθπ<<2的范围内;当负载转矩加大时;转子减速使矩角θ增加;但随着θ增加;电磁转矩反而减小;由于电磁转矩的减小;导致θ继续增加;最终;同步电动机转速偏离同步转速;出现失步现象;同步电动机不能稳定运行..当同步电动机在工频电源下起动时;定子磁动势以同步转速旋转;电动机转速具有较大的滞后;不能快速跟上同步转速；在一个周期内;电磁转矩平均值等于零;故同步电动机不能起动..同步电动机中转子有起动绕组;使电动机按异步电动机的方式起动;当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步..3、同步电动机的调速方式。
交流调速系统的分类及性能
交流调速系统的分类及性能由异步电动机转速表达式可知，转变频率、转差率S、磁极对数p均可实现对沟通电动机的速度调整。
有用中，沟通调速方式大致有以下几种：变极调速转子串电阻调速串级调速调压调速电磁调速异步电动机变频调速无换向器电动机调速1．变极调速通过转变异步电动机的绕组极数来转变其同步转速。
该方式为有级调速，异步电动机的转速不能连续变化，只应用于一些特别的场合，只能达到大范围粗调的目的。
变极调速只用于特地生产的变极多速鼠笼型异步电动机，通过转变定子绕组的联接或另设绕组的方法可得到D/YY、Y/YY双速电动机、三速、四速等电动机。
2．转子串电阻调速通过转变串联于转子电路中的电阻阻值来转变电动机的转差率，进而达到调速的目的。
因串联电阻的阻值可多级转变，故可实现多种速度的调速。
这种方式结构简洁，价格廉价，操作便利；但由于转差功率损耗在电阻上，效率随着转差率增加而下降，同时其机械特性比较软，只适合于调速性能要求不高的场合。
这种调速方式只适用于绕线式转子异步电动机。
3．串级调速通过在异步电动机的转子侧接一个二极管或晶闸管整流桥，将转差频率沟通电变为直流电，再用直流电机旋转变流机组或逆变器将转差功率返回电源，或直接将转差功率变为机械能加以利用。
串级调速在风机、泵类等传动系统上广泛采纳。
这种调速方法常用的结构方案有：电气串级方式、电动机串级方式、低同步串级调速方式、超同步串级调速。
该方法适用于绕线式异步电机。
4．调压调速这是将晶闸管反并联连接，构成沟通调速电路，通过调整晶闸管的触发角，转变异步电动机的端电压进行调速（如图6-5所示）。
这种方式也转变转差率S，转差功率消耗在转子回路中，效率较低，仅适用于特别笼型电动机（例如深槽电动机等高转差率电动机）和绕线转子等小容量电动机。
通常这种调速方法应构成转速或电压闭环，才能实际应用。
5．电磁调速异步电动机这种系统是在异步电动机与负载之间通过电磁耦合来传递机械功率，调整电磁耦合器的励磁，可调整转差率S的大小，从而达到调速的目的。
交直流调速系统
交直流调速系统•引言•交直流调速系统基本原理•交直流调速系统组成与结构目录•交直流调速系统控制策略•交直流调速系统性能分析•交直流调速系统设计与实践•交直流调速系统应用与展望引言01CATALOGUE调速系统概述调速系统的定义调速系统是一种能够改变电动机转速的控制系统，通过调整电动机的输入电压、频率等参数，实现对电动机转速的精确控制。
调速系统的分类根据电动机类型不同，调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统两大类。
其中，直流调速系统具有调速范围广、静差率小等优点，而交流调速系统则具有结构简单、维护方便等特点。
交直流调速系统的发展与应用发展历程交直流调速系统经历了从模拟控制到数字控制的发展历程。
早期的调速系统主要采用模拟控制技术，随着计算机技术的发展，数字控制技术逐渐取代了模拟控制技术，使得调速系统的性能得到了显著提升。
应用领域交直流调速系统广泛应用于工业生产的各个领域，如机械制造、冶金、化工、纺织等。
在现代化生产线中，交直流调速系统是实现自动化生产的关键技术之一，对于提高生产效率、降低能耗具有重要意义。
交直流调速系统基本原理02CATALOGUE直流电机通过电枢电流和磁通量的相互作用产生转矩，实现电机的旋转运动。
直流电机原理调速方式控制策略直流调速系统通过改变电枢电压、电枢电阻或磁通量来调节电机的转速。
直流调速系统常采用PID 控制、模糊控制等策略，实现电机转速的精确控制。
030201交流电机通过定子电流产生的旋转磁场与转子电流的相互作用，实现电机的旋转运动。
交流电机原理交流调速系统通过改变定子电压、频率或改变电机结构等方式来调节电机的转速。
调速方式交流调速系统常采用矢量控制、直接转矩控制等策略，实现电机转速的精确控制。
控制策略交直流混合调速系统原理混合调速原理交直流混合调速系统结合了直流和交流调速系统的优点，通过交直流变换器实现能量的双向流动和转速的精确控制。
能量转换交直流混合调速系统通过交直流变换器将直流电能转换为交流电能，或将交流电能转换为直流电能，以满足不同负载的需求。
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
交流电动机的调速方法
交流电动机的调速方法一、电压调速法电压调速法是通过改变电动机的供电电压来实现调速。
在实际应用中，可以通过调节电源电压的大小来改变电动机的转速。
电压调速法简单、成本低，但是在低速调节和大功率调节方面不够灵活。
二、变频调速法变频调速法是通过改变供电电压的频率来实现调速。
通过使用变频器，可以将电源的固定频率电压转换为可调节频率的电压，并将其供给电动机。
变频调速法调节范围广，调速性能好，但是设备成本相对较高。
三、电流调速法电流调速法是通过调节电动机的电流来实现调速。
可以通过调节供电电压的大小，使电动机的工作点在不同的电流区域内变化，从而实现对电动机的调速。
电流调速法适用于一些负载要求变化范围较大的情况，但是调速性能较差。
四、定子电压调速法定子电压调速法是通过改变电动机的定子电压来实现调速。
可以通过变压器等设备，将电源电压按一定比例切割，从而改变电动机的输出电压和转速。
定子电压调速法调速性能较好，但是设备成本较高。
五、转子电阻调速法转子电阻调速法是通过改变电动机转子电路中的电阻来实现调速。
可以通过串联电阻的方式改变电动机的发电电动势和转矩之间的关系，从而实现对电动机的调速。
转子电阻调速法适用于一些负载启动和调速时的特殊要求。
六、磁阻调速法磁阻调速法是通过改变电动机励磁电路的磁阻来实现调速。
可以通过调节励磁电路的磁阻，改变电动机的励磁电流和励磁电动势之间的关系，从而实现对电动机的调速。
磁阻调速法适用于一些对调速性能要求较高的精密控制系统中。
以上是常见的交流电动机调速方法，每种调速方法在不同的应用场景中有其独特的优势和适用性。
在实际应用中，需要根据具体的工作需求和经济性考虑，选择合适的调速方法。
同时，需要注意调速系统的稳定性和可靠性，避免因调速方法选择不当而导致电动机的故障和损坏。
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。
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•
提高控制性能实现自动化，用于运输机械、起重机等。
• 纺织专用变频器：改善传动特性，实现自动化。纺织、化纤机械。
• 矢量控制变频器：提高传动精度及实现系统的集散控制。冶金、印刷、造纸。
•
要求高精度的转矩控制，加速度大，能与上位机进行通讯。
• 机床专用变频器：用于机床主轴传动控制，以满足工艺上要求得大加减速转
变频器的安装、运行及维护
（1）变频器安装及连接 变频器的安装应按照变频器说明书的要求进行安装。固定变频 器的本体后，在接线时，应严格按照随机说明书的各项说明进 行接线，千万不要接错线。 （2）变频器的运行及维护 1） 按照随机说明书核对主线路和控制线路是否正确，确认无 误后，给变频器上电。 2） 在变频器上电后，对变频器进行调试，确认电动机的转向、 运行频率、电流、转速等指标是否达到工艺的要求。 3） 为使变频器能长期可靠运行，应进行日常检查和定期检查。 在运行时，应检查变频器的运行电流、电压是否平衡，是否有 突变声音。在停机时，可以采用目视和嗅觉检查，对变频器的 显示、控制、冷却部分以及主电路进行检查。
矩，宽广的恒功率控制及高精度的定位控制，提高机床自动化。
• 电梯专用矢量变换控制变频器：实现缓慢平稳的升降速。
• 高频变频器：用于超精密加工、高速电动机。如专用脉冲调幅型变频器，频
率达3kHZ，对应转速 18 × 104r/min。
变频器选择
• 分析控制对象的负载特性选择电动机的容量
• 根据用途选择合适的变频器类型
变频调速系统应用实例
ABB变频器在恒压供水控制系统中的应用 恒压供水是指不论用户端水量大小，总保持管网水压基本恒定。这样，既可以满足各 部位用户的用水的需要，又不使电动机空转，造成电能的浪费。因此，由变频器得到给 定压力信号和实际反馈信号，利用变频器内部固有的功能进行比较计算，通过频率输出 的变化调节水泵转速，从而控制管网中水压力恒定。 变频器恒压供水系统如图4-13所示。
变频器还可以按控制方式分为V/F（电压/频率）控制、转差频率控制和矢量控制三 种。其中，V/F控制属于开环控制，而转差控制和矢量控制属于闭环控制，二者的 主要区别在于V/F控制方式中没有进行速度反馈，而在转差频率控制方式和矢量控 制方式利用了速度传感器的速度闭环控制。
变频器种类
• 通用变频器：节能，节电20%，用于压缩机、泵、搅拌机、挤压机等；
直流、交流电动机调速系统
山东理工大学
制作人：董爱梅
第三章 直流电动机调速系统
直流电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。 尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应 用。
直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕 组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前 巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)。永磁式直流伺服电 动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而 被越来越重视。
交流电源 整流器
中间直流环节
交流电源 逆变器 电压频率可变
控制电路
变频器的分类方式很多，除了按电源变换方式分类外，还可以按逆变器开关方式来 分类，即PAM方式和PWM方式。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲振幅 调制）控制的简称； PWM控制是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）控制的简 称，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。 在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过 改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。目前在变频器中多采用正弦 波PWM控制方式，即通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近正 弦波，这种方式也被称为SPWM控制。
• 确定变频器容量
（1）选择变频器具体型号是以电动机额定电流值为依据，以电动机的额 定功率为参考值。变频器最大输出电流应大于电动机的额定电流值。 （2）变频器与电动机的距离过长时，为防止电缆对地耦合与变频器输出 电流中谐波叠加而造成的电动机端子处电压升高的影响，应在变频器的 输出端安装输出电抗器。 （3）变频器选择时，要考虑电动机的运行频率在什么功率范围内。在低 速范围内，应考虑电动机的温升情况，是否需加装风扇给电动机散热。 （4）变频器选择时，一定要注意其防护等级应与现场情况相匹配，防止 现场的粉末或水分影响变频器的长久运行。
状态显示 器
变频器
压力传感 器
进水管 阀门
水泵电动 机
M ~
止回阀
水泵
阀门
出水管
水池
一、可控硅直流调速驱动
RP1
Us
R0
R0
R1
U
-
+
Uc
+
Rb
L
Id
+
Ud
M Ua
-
Ufn
RP2 G
图4－7 带有转速负反馈的单闭环直流调速系统原理图
第三章 直流电动机调速系统
转速负反馈自动调速系统
电压负反馈和电流正反馈自动 调速系统
第四章 交流电动机调速
变频调速
间接变换方式 （交－直－交变频）
变频方式
直接变换方式（交－交变频）
交－直－交变频是把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频
率可变的交流电供给异步电动机。目前常用的通用变频器即属于交－直－交变频， 其基本结构原理如图4－12。由图可知，变频器主要由主回路（包括整流器、中间 直流环节、逆变器）和控制回路组成。变频器还有丰富的软件，各种功能主要靠软 件来完成。
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
Hale Waihona Puke 直流电机控制二、 驱动与控制
一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路 的性能以及两者之间的相互配合。对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回 授等。目前常用晶体管驱动和可控硅直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶 体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PwM)。 一般，宽频带低功 率系统选用线性放大器(小于几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其 是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。