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n=m0(-S)=50(-s)可知,异步电动机的调速方法大 P 致分为三种: 即改变转差率S;一一改变定子串电阻、定子电压和转子串电阻: 改变极对数p; 改变频率∫ 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。 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
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 ) 0 S p f n = n − S = − 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
设电源电压2为正半周的 方向是上正卜负,在控制 角为a的时刻触发Ws1使之 导通,电压过零时,Ws1 又向晶闸管 白行关断:负载电阻上得 到的电压方向与设定方向 相同,为正半周 VS2 电源电压∥2为责半周的方2 R R 向是下正上负,在同一控+ 制角的时刻触发VS2使之 导通,电压过零时,Vs2 白行关断:负载电阻上得 到的电压方向与设定方向 相反,为贞半周 图101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)a较小时的电压电流波形图(d)a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 VSI L --1/2 R (a)电路 (b)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a、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 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Δ形连接,Y形接法的电阻性负载如图10.3 所示。 R A R B 6 R C 图10.3Y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60°的双脉冲或宽脉冲触发电路。 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
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
n n 0 1009U 100%LN 709U 50%U (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(ωb)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
(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TL 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
晶闸Ux 管调 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: 电网电压(固定不变)触发控制角ax1(,x电动机定子电压(可调) U=0.-U 2)速度调节过程如下 负载↑→n→Uh↓→U↑=Un-Um→Uy↑ n 3)特点: ≯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; 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: P -Pm= Tno-Ins Tio Mo-n=P,S 955095509550n0 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
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 1 1 U U U ⎯⎯ → ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ α∝ U = Ug −Ufn 2）速度调节过程如下： | fn g f X — — — — — — — — — — — — 负载 ↑ ↑→ ↓→ ↓→ ↑= − → ↑ n n U U U U n U 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： P S n Tn Tn Tn n n P P P ψ 0 0 0 0 s ψ m 9550 9550 9550 = − = − = − = 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