交流调速系统5

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•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。

交流伺服电动机调速系统介绍概述交流伺服电动机调速系统是一种广泛应用于工业自动化领域的高性能电动机控制系统。

它通过对电机的电流和速度进行精准控制，实现高速度、高精度的电动机调速。

本文将详细介绍交流伺服电动机调速系统的工作原理、组成部分、应用领域以及优势等内容。

工作原理交流伺服电动机调速系统的工作原理基于闭环控制理论。

它通过反馈电机的位置、速度和转矩等信号，与预设值进行比较，并根据比较结果调整电机的控制信号，使电机以预期的速度和转矩运行。

系统主要包含三个部分：电机驱动器、位置反馈装置和控制器。

其中，电机驱动器将控制信号转换为电机驱动所需的电流和电压；位置反馈装置用于实时监测电机的位置和速度；控制器根据反馈信号和预设值进行控制算法运算，并输出控制信号给电机驱动器。

组成部分1. 电机驱动器电机驱动器是交流伺服电动机调速系统的核心组件。

它通过将控制信号转换为电机驱动所需的电流和电压，控制电机的转速和转矩。

通常使用的电机驱动器有两种类型：直流耦合型和速度闭环型。

直流耦合型驱动器适用于要求较低的精度和转速要求较高的应用，而速度闭环型驱动器则适用于对精度和速度要求较高的应用。

2. 位置反馈装置位置反馈装置用于实时监测电机的位置和速度。

常用的位置反馈装置有编码器、光电传感器和霍尔传感器等。

编码器是最常用的位置反馈装置，它通过检测电机轴上的旋转磁场脉冲来计算电机的位置和速度。

光电传感器和霍尔传感器则通过检测旋转齿轮的牙齿或永磁体的磁场变化来实现位置和速度的反馈。

3. 控制器控制器是交流伺服电动机调速系统的智能核心。

它根据反馈信号和预设值进行控制算法运算，并输出控制信号给电机驱动器。

常用的控制器有PID控制器和模糊控制器等。

PID控制器通过比例、积分和微分三个控制参数对反馈信号和预设值进行加权求和，得出控制信号。

模糊控制器则是一种基于模糊逻辑的控制方法，它通过定义模糊集合和规则库来实现对电机的控制。

应用领域交流伺服电动机调速系统广泛应用于以下领域：1.机床工业：用于铣床、车床、磨床等机床设备的高速度、高精度调速。

交流电机简介“交流电机”是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。

由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。

交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。

交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。

20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。

交流电机是由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉发明的。

电机原理用单相电容式电机说明：单相电机有两个绕组，即起动绕组和运行绕组。

两个绕组在空间上相差90度。

在起动绕组上串联了一个容量较大的电容器，当运行绕组和起动绕组通过单相交流电时，由于电容器作用使起动绕组中的电流在时间上比运行绕组的电流超前90度角，先到达最大值。

在时间和空间上形成两个相同的脉冲磁场，使定子与转子之间的气隙中产生了一个旋转磁场，在旋转磁场的作用下，电机转子中产生感应电流，电流与旋转磁场互相作用产生电磁场转矩，使电机旋转起来。

调速原理额定转速n=60f/p（1-s）=同步转速N1（1-S）f电源频率p电机极对数s转差率1.利用变频器改变电源频率调速，调速范围大，稳定性平滑性较好，机械特性较硬。

就是加上额定负载转速下降得少。

属于无级调速。

适用于大部分三相鼠笼异步电动机。

2.改变磁极对数调速，属于有级调速，调速平滑度差，一般用于金属切削机床。

3.改变转差率调速。

（1）转子回路串电阻：用于交流绕线式异步电动机。

调速范围小，电阻要消耗功率，电机效率低。

一般用于起重机。

（2）改变电源电压调速，调速范围小，转矩随电压降大幅度下降，三相电机一般不用。

用于单相电机调速，如风扇。

（3）串级调速，实质就是就是转子引入附加电动势，改变它大小来调速。

也只用于绕线电动机，但效率得到提高。

交流电机调速方法一、变极对数调速方法：改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速。

二、交流调速系统问题2-1：交流调速技术引起人们广泛重视的原因是什么?交流电动机优点，20世纪30年代，交流调速系统存在问题，70年代电子技术发展，高性能交流调速技术的不断涌现：矢量变换控制、直接转矩控制、无速度传感器控制系统、数字化技术等，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制策略不断推进。

问题2-2：简述异步电机的工作原理。

三相异步电动机的定子通入对称三相电流产生旋转磁场 → 与静止的转子有相对运动 → 产生感应电动势 →转子导体有感应电流 → 转子导体带电导体在磁场中受电磁力的作用 → 两边同时受到电磁力的作用，产生电磁力矩 →转子转动 → 带动生产机械运动。

问题2-3：设异步电动机运行时，定子电流的须率为f 1，试问此时定子磁势F1、转子磁势F2是多少？请画出异步动电机的等效电路，并按频率折算(折算前后磁动势不变)和绕组折算(折算前后电机内部的电磁性能和功率不变)对相关参数进行折算，最后得出T 形效电路。

问题2-4：请写出异步电动机的电磁关系。

定子输入功率： P 1= P m + P cu1+ P fe定子铜耗：P cu1=3I 12R 1定子铁耗： P Fe = P Fe1=3I 12R 1转子铜耗：P cu2=3I’22R’2电磁功率： P m = P out + P cu2机械损耗：P s 附加损耗： P’f轴上输出功率： P out = P 2 + P s + P’f输出功率： P 2问题2-5：常用的异步电动机调速有哪些？哪些属于转差功率消耗型？哪些属于转差功率不变型？哪些属于转差功率回馈型？① 异步电动机调速方法有：降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等。

② 降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率消耗型③ 串级调速属于转差功率回馈型④ 变极调速、变频调速属于转差功率不变型。

问题2-6：变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用，为什么?变极调速只适合于本身具备改变极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动机），它们可以通过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成调速，绕线式电动机一般采用转子传电阻或串级调速。

《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。

答：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：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，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。

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。

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，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。

无论是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。

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，变极对数调速、变压变频调速属于此类。

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。

5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。

直流调速系统：控制简单、调速平滑、性能良好。

但换向器存在，维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制交流调速系统：交流调速系统，励磁电流和转矩电流互相耦合，调速困难。

现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器及电量检测器组成，称为变频器。

课后习题1.交流调速的主要应用领域：1.冶金机械2.电气牵引3.数控机床4.矿井提升机械5.起重、装卸机械6.原子能及化工设备7.建筑电气设备8.纺织、食品机械2.异步电动机的优点：结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉。

3.异步电动的调速方法：改变电源频率、改变极对数以及改变转差率。

4.变频调速的基本要求：1.保持磁通为额定值 2.保持电压为额定值5.交－直－交变频器与交－交变频器的主要特点比较：比较项目类型交－直－交变频器交－交变频器换能方式两次换能，效率略低一次换能，效率高晶闸管换向方式强迫换向或负载换向电网换向所用器件数量较少较多调频范围频率调节范围宽一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/3～1/2电网功率因素采用晶闸管可控整流调压，低频低压时功率因数较低，采用斩波器或PWM方式调压，功率因数高较低适用场所可用于各种电力拖动装置，稳频稳压电源和不间断电源适用于低速大功率拖动6.同步电动机变频调速方法：他控式变频调速、自控式变频调速。

不同：他控式变频调速采用独立的变频器（即输出频率由外部振荡器控制）作为同步电机的变压变频电源。

自控式变频器调速由电动机轴上所带的转子位置检测器发出信号来控制逆变器的触发换相，即采用输出频率由转子位置来控制的变压变频电源为同步电机供电。

这样就从内部结构和原理上保证了频率与转速必然同步，构成“自控式”。

7.各种变频调速的基本原理：按结构分为交－直－交变频器与交－交变频器；按电源性质分电压型变频器：变频器主电路中的中间直流环节采用大电容滤波，使直流电压波形比较平直，对于负载来说，是一个内阻抗为零的恒压源，这类变频调速装置叫做电压源变频器。

实验一双闭环三相异步电机调压调速系统实验一、实验目的(1) 了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成。

(2) 了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性。

(3) 通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。

二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围很有限，无实用价值，而对力矩电机或线绕式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软其调速范围有所扩大，但在负载或电网电压波动情况下，其转速波动严重，为此常采用双闭环调速系统。

双闭环三相异步电机调压调速系统的主电路由三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机组成。

控制部分由“电流调节器”、“速度变换”、“触发电路”、“正桥功放”等组成。

其系统原理框图如图1-1所示：整个调速系统采用了速度、电流两个反馈控制环。

这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同，而电流环的作用则有所不同。

在稳定运行情况下，电流环对电网扰动仍有较大的抗扰作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。

给左转子bII加电卩 1.异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正、反转，反 接和能耗制动。

但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率P s = SR 全部消耗在转子电阻中，使转子过热。

图1-1双闭环三相异步电机调压调速系统原理图四、实验内容 (1) 测定三相绕线式异步电动机转子串电阻时的机械特性。

(2)测定双闭环交流调压调速系统的静态特性。

五、 预习要求(1) 复习电力电子技术、 交流调速系统教材中有关三相晶闸管调压电路和异步电机晶闸管调压调速系 统的内容，掌握调压调速系统的工作原理。

(2) 学习有关三相晶闸管触发电路的内容，了解三相交流调压电路对触发电路的要求。