电力拖动自动控制系统第二十四讲.ppt

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1、第二十四讲,要求：1.了解软启动器的实现方法及其特点； 2.了解电机运行过程中损耗种类及降低 损耗的方法； 3.掌握变压变频调速的基本控制方式； 4.掌握基频以下电压-频率协调控制的 基本原理及其机械特性,5.6 变压控制在软起动器和 轻载降压节能运行中的 应用 除了调速系统以外，异步电动机的变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛的应用。 本节主要介绍它们的基本原理。,5.6.1 软起动器 1、起动电流问题 A.起动电流和起动转矩 在式（5-2）和式（5-3）中已导出异步电动机的电流和转矩方程式，起动时， s =1，因此起动电流和起动转矩分别为： ，,B.分析 由上述二式不难看出，

2、在一般情况下，三相异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大。,对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为 起动电流倍数 ； 起动转矩倍数,C.直接起动的后果 中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时，必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。,D.降压起动的矛盾 由式（5-19）可知，当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。 但是，式（5-20）又表明，起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时又会出现起动转矩够不够的

3、问题。,为了避免这个麻烦，降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合,2、传统的降压起动方法 及其特点 星-三角（Y-）起动 定子串电阻或电抗起动 自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动 它们都是一级降压起动，起动过程中电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，而起动过程时间略长，如图5-12所示。,图5-12 异步电动机的起动过程与电流冲击 a直接起动 b一级降压起动 c软启动器,3、软起动方法 现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图5-12中曲线c），起动时间也短于一级降压起动。,主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其

4、输出电压来保证恒流起动； 稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。 视起动时所带负载的大小，起动电流可在 (0.54)IsN之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。,负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。 软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。,5.6.2 轻载降压节能运行 三相异步电动机运行时的总损耗可用下式表达p=pcus+pFe+pcur+pmech+ps 式中pcus定子铜损； pFe 铁损； pcur 转子铜损； pmech 机械损耗； ps 杂散损耗。,电动机的运行效率为 式中 效率； P1

5、输入电功率； P2轴上输出,当电动机在额定工况下运行时，由于输出功率大，总损耗只占很小的成分，所以额定效率N较高，一般可达75%95%，最大效率发生在(0.71.1)P2N 的范围内。电动机容量越大时，N越高。,完全空载时，理论上P2=0，则=0。但实际上生产机械总有一些摩擦负载，只能算作轻载，这时，电磁转矩很小。,电磁转矩可表示成 电动机在正常运行时，气隙磁通m基本不变，因此轻载时转子电流 很小，pcur很小，但pFe、pmech、 ps基本不变，而定子电流为 ，受励磁电流的牵制，定子电流并没有转子电流降低得那么多。,(5-23),总之，轻载时在式（5-22）的分母中所占的成分较大，效率将急

6、剧降低。如果电动机长期轻载运行，将无谓地消耗许多电能。,由上述分析可知，为了减少轻载时的能量损耗，关键是降低气隙磁通m，这样可以同时降低铁损pFe和励磁电流I0，降低定子电压可以达到这一目的。,但是，如果过份降低电压和磁通，由式（5-23）可知，转子电流 必然增大，则定子电流Is反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。 如图5-13所示，当负载转矩一定时，轻载降压节能有一个最佳电压值，此时效率最高，这样，=f(Us) 的曲线可由试验取得。,图5-13 轻载降压节能的效率曲线与最佳电压值(TL),第6章 笼型异步电机变压 变频调速系统(VV 系统）转差功 率不变型调速系统,0

7、 概 述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。 由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。 因此现在应用面很广，是本篇的重点。,6.1 变压变频调速的基本控 制方式 1、原理 在进行电机调速时，常希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。,如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； 如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,在交流异步电机中，定子每相电动势: Eg4.44f1NsKNsm （6-1） 式中： Eg气隙磁通在定子每

8、相中感应电动势的有效值，单位为V； f1定子频率，单位为Hz； Ns定子每相绕组串联匝数； KNs基波绕组系数； m每极气隙磁通量，单位为Wb。,由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m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.,2、基频以下调速 由式（6-1）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使 常值，即采用恒值电动势频率比的控制方式,恒压频比的控制方式 异步电机绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压UsEg，则得Us/f1=常值，这是恒压频比的控制

9、方式。,带压降补偿的恒压频比控制特性 但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。,带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a 线。,图6-1 恒压频比控制特性,2、基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫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。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图6-2所示。,图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性,如果电机在不

10、同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”,6.2 异步电动机电压频率 协调控制时的机械特性 6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异 步电动机的机械特性,1、机械特性方程式 第5章式（5-3）已给出异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Tef(s)。当定子电压Us和1电源角频率恒定时，可以改写成如下形式： （6-4）,2、特性分析 当s很小时 可忽略上式分母中含s各项，则 也就是说，当s很小时，转矩近似与s成

11、正比，机械特性Tef(s)是一段直线，见图6-3。,（6-5）,当s接近于1时 可忽略式（6-4）分母中的 ，则： 即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时Tef(s) 是对称于原点的一段双曲线。,3、当s为以上两段的中间数值时 机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,6.2.2 基频以下电压-频率协调控 制时的机械特性 由式（6-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1可以有多种配合。 在Us和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。,1、恒压频比控制（Us/1恒

12、值） 在第6-1节中已经指出，在基频以下采用恒压频比控制。这时，同步转速n0随频率而变化。,带负载时的转速降落为： ， 在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出： 。,由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te， s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。,这就是说，在恒压频比的条件下改变频率1 时，机械特性基本上是平行下移，如图6-4所示。,图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性,它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似，不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。 而且频率越低时最大转矩值越小，见式（ 5-5）,对式（5-5）稍加整理后可得 可见最大转

13、矩Temax是随着1的降低而减小的.频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图6-4。,2、恒Eg /1控制 感应电动势 图65再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下： Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。,异步电动机等效电路,图6-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势,特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（

14、基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。,由等效电路可以看出 代入电磁转矩关系式，得： （6-12）,结论 利用与前相似的分析方法， A.当s很小时 可忽略式（6-12）分母中含s项，则 这表明机械特性的这一段近似为一条直线,B.当s接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的 项，则,C. s值为上述两段的中间值时 机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。,恒Eg /1控制与恒Us/1性能比较 对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒 Eg/1特性分母中含s项的参数要小于恒Us/1特性中的同类项，也就是说，s值要更大一些才能使该项占有显著的

15、份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。,将式（6-12）对s求导，并令 ， 可得恒Eg /1控制特性在最大转矩时的转差率： 和最大转矩： （6-16）,值得注意的是，在式（6-16）中，当Eg /1为恒值时，Temax恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒Us/1控制的性能。 这正是恒Eg /1控制中补偿定子压降所追求的目标。,机械特性曲线 恒 / 控制时变频调速的机械特性,3、恒Er /1控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？,由等效电路图可写出 代入电磁转矩基本关系式，得 现在，不必再作

16、任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6-6。,图66 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,4、恒Er /1控制的实现 显然，恒Er /1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。,现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er/1呢？ 按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。,在式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值m，那么，转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值rm： Er4.44f1NsKNsrm （6-19）,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值m=Constant进行控制，就可以获得恒Er /1了。 这正是矢量控制系统所遵循的原则，下面在第6-7节中将详细讨论。,课后思考,1. 如何实现电动机的软启动？与传统方法相比，软起动法有什么特点？ 2. 电机运行过程中有哪些种类损耗？如何降低 损耗的方法？ 3. 变压变频调速有哪些基本控制方式？ 4.如何实现基频以下的电压-频率协调控制？它们有哪些种类？特点是什么？,