第十章 交流传动控制系统

第十章 交流调速控制系统

长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方案一直占主要地位。

60年代以后，随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变流技术的交流调

速系统得以实现，特别是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力传动的进一步开发创造了有利的条件。

在实际应用中，由于交流调速技术不仅具有优良的调速性能，而且还带来节约能源与占

地面积、减少维护费用等优点，尤其是在大容量或工作于恶劣环境时，更为直流拖动所不及。因此，了解和掌握交流调速的原理和方法，熟悉交流传动控制系统研究的现状和发展，已经成为从事电力拖动与控制的人们十分关注的一个领域。 由第四章交流电动机的转速)1(60)1(0S p

f S n n −=

−= 可知，异步电动机的调速方法大致分为三种：

¾ 即改变转差率S ；——改变定子串电阻、定子电压和转子串电阻；

¾ 改变极对数p ；

¾ 改变频率f 。

本章将主要介绍异步电动机各种调速系统的基本原理及特性，着重介绍改变电压及改变

频率的各种调速系统。 10.1 晶闸管交流调压调速系统

由异步电动机电磁转矩和机械特性方程可知，异步电动机的输出转矩与定子电压的平方

成正比，因此，改变异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩及机械特性，从而实现调速，这是一种比较简单而方便的方法。

一、采用晶闸管的交流调压电路

晶闸管交流调压电路与晶闸管整流电路一样，也有单相与三相之分。

1. 单相交流调压电路

单相晶闸管交流调压电路的种类很多，但应用最广的是反并联电路。现以此电路为代表

分析它带电阻性负载及电感性负载的工作情况。

如图10.1所示为单相交流反并联电路及其带电阻性负载时的电压电流波形图。

图10.1 单相交流反并联电路及波形图

(a)反并联晶闸管电路图 (b)双向晶闸管示意图

(c)α较小时的电压电流波形图 (d) α较大时的电压电流波形图

由图可见：

不断重复触发VS1、VS2，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角α的大小，就可以改变负载上交流电压的大小。

对于电阻性负载其电流波形与电压波形同相。

如果晶闸管调压电路带电感性负载（如异步电动机），其电流波形由于电感上电流不能突变而有滞后现象，其电路和波形如图10.2所示。

(a) 电路 (b)波形图

图10.2 带电感性负载的电路及波形图

由于电感性负载中电流的波形滞后于电压的波形，因此，当电压过零变为负值后电流经过一个延迟角才能降到零，从而晶闸管也要经过一个延迟角才能关断。延迟角的大小与控制角α、负载功率因数角ϕ都有关系，这一点和单相整流电路带电感性负载相似。

2.三相交流调压电路

工业中常用的异步电动机都是三相的，因此晶闸管交流调压电路大都采用三相交流调压电路。

将三对反并联的晶闸管（或三个双向晶闸管）分别接至三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电路。负载可以是Y形连接，也可以是∆形连接，Y形接法的电阻性负载如图10.3所示。

图10.3 Y形接法电阻性负载图

三相交流调压电路的分析与单相电路的分析大同小异,但必须注意它的特殊性。

1）为保证输出电压对称并有相应的控制范围，首先要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。

2）其次是在感性负载或小导通角情况下，为了确保晶闸管可靠触发，如同三相全控桥式整流电路一样，要求采用控制角大于0

60的双脉冲或宽脉冲触发电路。

二、异步电动机调压调速系统

1．异步电动机调压调速特性

如图10.4所示为异步电动机改变定子电压时的一组机械特性曲线。

(a)普通异步电动机的特性 (b)笼型异步电动机的特性

图10.4 异步电动机改变定子电压时的一组机械特性曲线 在某一负载L T的情况下，将稳定工作于不同的转速[如图(a)中a,b,c三点对应的转速]。

由图可见，异步电动机调压调速的特点如下：

1）异步电动机在轻载时，即使外加电压变化很大，转速变化也很小。即电动机的转速变化范围不大；

2）异步电动机在重载时，如果降低供电电压，则转速下降很快，甚至停转，从而引起电动机过热甚至烧坏；

3）如果要使电动机能在低速段运行（如点d），一方面传动系统运行不稳定，另外，随着电动机转速的降低会引起转子电流相应增大，可能引起过热而损坏电动机。

所以，为了使电动机能在低速下稳定运行又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。

对于笼型异步电动机，可以将电动机转子的鼠笼由铸铝材料改为电阻率较大的黄铜条，使之具有如图(b)所示的机械特性。即使这样，调速范围仍不大，且低速时运行稳定性不好，不能满足生产机械的要求。

2．异步电动机调压调速系统

为了既能保证低速时的机械特性硬度，又能保证一定的负载能力，一般在调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统，其控制系统原理框图如图10.5所示。

图10.5 加转速反馈的调压调速系统方框图 1）晶闸管交流调压系统:

）电动机定子电压（可调触发控制角电网电压（固定不变）X 11U U U ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→⎯∝α

fn g U U U −=

2）速度调节过程如下：

|X f g fn ————————————负载↑↑

→−↑=↓→↓→↑→n U U U U U n n

3）特点：

¾ 只要能平滑地改变定子电压，就能平滑调节异步电动机的转速；

¾ 加转速负反馈后，低速的特性较硬，调速范围亦较宽。

3.异步电动机调压调速时的损耗及容量限制

转差功率：传到转子上的电磁功率与转子轴上产生的机械功率之差叫损耗功率，也叫转

差功率。

由于旋转磁场和转子具有不同的速度，因此，转差功率为：

S P n n n Tn Tn Tn P P P ψ0

000m ψs 955095509550=−=−=−= 由上可见：

1)转差功率的大小由转差率S 决定；

2)这个转差功率,它将通过转子导体发热而消耗掉；

3)在调压调速中，如果工作在低速状态，S 将较大，即转差功率很大，所以，这种调压

调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械，如要用于这种机械，电动机容量就要适当

选择大一些。

另外，如果负载具有转矩随转速降低而减小的特性（如通风机类型的工作机械