第 2 篇电力拖动自动控制系统交流拖动控制系统内容提要
概述
交流调速系统的主要类型
交流变压调速系统
交流变频调速系统
*绕线转子异步电机双馈调速系统 ——
转差功率馈送型调速系统
*同步电动机变压变频调速系统概 述直流电力拖动和交流电力拖动在 19世纪先后诞生。在 20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量 80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。
直到 20世纪 60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。
这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈,交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向 。
交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：
一般性能的节能调速
高性能的交流调速系统和伺服系统
特大容量、极高转速的交流调速
1,一般性能的节能调速在过去大量的所谓,不变速交流拖动,
中,风机,水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上,其中有不少场合并不是不需要调速,只是因为过去的交流拖动本身不能调速,不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量,因而把许多电能白白地浪费了 。
一般性能的节能调速（续）
如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 ~ 30% 以上的电能，
效果是很可观的。
但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。
2,高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，
显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。
20世纪 70年代初发明了矢量控制技术,
或称磁场定向控制技术,通过坐标变换,
把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量,用来分别控制电机的转矩和磁通,就可以获得和直流电机相仿的高动态性能,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展 。
高性能的交流调速系统和伺服系统（续）
高性能的交流调速系统和伺服系统（续）
其后，又陆续提出了直接转矩控制、
解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。
3,特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过 106 kW · r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。
交流电机没有换向器，不受这种限制，
因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。
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。
在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。
~
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 。
Pmech
Pm
Ps
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，上述的第①、②、③
三种调速方法都属于这一类。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，上述第④种调速方法属于这一类。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，上述的第⑤、⑥
两种调速方法属于此类。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。
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，没有像异步电机那样的多种调速方法。
在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为 他控变频调速 和 自控变频调速 两类。
自控变频调速 利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或 无刷直流电机调速 。
开关磁阻电机 是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。
第 5 章电力拖动自动控制系统闭环控制的异步电动机变压调速系统
—— 一种转差功率消耗型调速系统本章提要
异步电动机变压调速电路
异步电 动 机改变电压时的机械特性
闭环控制的变压调速系统及其静特性
闭环变压调速系统的近似动态结构图
转差功率损耗分析
变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用
5.1 异步电动机变压调速电路变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，
改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。
目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。
交流调速的基本类型（总结）
转差功率消耗型调速系统
(降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速 )
转差功率回馈型调速系统 （ 串级调速 ）
转差功率不变型调速系统 （ 变极对数,变频调速 ）
转差功率 Ps=SPm
从定子传入转子的 电磁功率 Pm =有效功率 +转差功率有效功率 P2=（ 1-S） Pm
定子铜耗,Pcu1=3I12R1
定子输入功率,P1= Pm+ Pcu1+ PFe
电磁功率,Pm = Pout + Pcu2
定子铁耗,PFe= PFe1=3I12R1
转子铜耗,Pcu2=3I’22R’2
轴上输出功率,Pout = P2 + Ps + P’f 机械损耗,Ps
附加损耗,P’f输出功率,P
2
P1
Pm P
out P
2
Pcu1
PFe P
cu2 P
s + P’f
电机功率流图效率 =
定子输入功率 P1
输出功率 P2
变极调速是通过 改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速 的，是无附加转差损耗的高效调速方式。
1、变极调速：
由于极对数 p是整数，它不能实现平滑调速，只能 有级调速 。
在供电频率 f＝ 50Hz的电网，
p＝ 1,2,3,4时，
相应的同步转速 n0＝ 3000,1500,1000,750r/min。
改变极对数是用改变定子绕组的接线方式 来完成的
（双速电动机、三速和四速电动机）
这种改变极对数来调速的笼型电动机，
通常称为 多速感应电动机或 变极感应电动机。
问题 1：
从定子传入转子的电磁功率 Pm = +
其中转差功率消耗型的调速系统有转差功率不变型的调速系统有转差功回馈型的调速系统有问题 2：
请简述交流异步电动机变极调速的工作原理，
并说明其特点和应用场合。
问题 3：
请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。
本方法 适合于：
按 2～ 4档固定调速变化的场合
（不需要无级调速的生产机械），
如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
缺点,
有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。
特点：
1,具有较硬的机械特性，稳定性良好；
2,无转差损耗，效率高；
3,接线简单、控制方便、价格低；
4,有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；
5,可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。
串级调速是在 绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低转子的转矩，
从而达到调速的目的 。
转子电路内不再串入外接附加电阻产生转差损耗，而是 将转子的转差功率回馈电网或机轴，是一种高效调速方式。
2、串级调速：
串级调速的典型调速系统有两种：
电气串级调速系统 和 电机串级调速系统电气串级调速电路 是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。
电气串级调速系统比较 简单，控制方便,应用比较广泛 。
电机串级调速电路 是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。
电机串级调速的 调速范围不大,又增加了一台直流电动机，使系统复杂 化，应用不多。
特点：
1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；
2,装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速
７０％－９０％的生产机械上；
3,调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；
4,晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大；
适合于 风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
变频调速是 通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的,是无附加转差损耗的 高效 调速方式。
变频调速系统的 关键装置是频率变换器，即变频器,由它来提供变频电源。
变频器的 变流元件 目前主要有大功率三极管、晶闸管和可关断晶闸管三种。
3、变频调速：
变频器可分为：
交－直－交 （交流－直流－交流） 变频器交－交 （交流－交流） 变频器 两大类 。
变频调速的 特点,
1,效率高，调速过程中没有附加损耗
2,应用范围广，可用于笼型异步电动机
3,调速范围大，特性硬，精度高
4,技术复杂，造价高，维护检修困难，对电网有干扰 。
适用于 调速性能较好（ 调速范围宽、起停频繁、较长时间低速运行）
场合,以及调 速精度要求高 的过程工艺控制设备上。
绕线式异步电动机转子串入附加电阻,使电动机的转差率加大，电动机 在较低的转速下运行
4、绕线式电动机转子串电阻调速方法串入的电阻越大，电动机的转速越低。
此方法 设备简单，控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。
属 有级调速，机械特性较软 。
变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
5、定子调压调速方法由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，
其调速范围较小，使 一般笼型电动机难以应用 。
为了扩大调速范围，调压调速应采用 转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的 力矩电动机,或者 在绕线式电动机上串联频敏电阻 。
为了扩大稳定运行范围，当调速在 2,1以上的场合应采用 反馈控制 以达到自动调节转速目的。
调压调速的 主要装置 是一个能提供电压变化的电源。
调压调速的特点：
1,调压调速线路简单，易实现自动控制。
2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
目前常用的调压方式 有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。
晶闸管调压方式为最佳。
调压调速一般 适用于 100KW以下的生产机械。
Y型接法
0
负载
a
b
c
a)
ua
ub
uc
ia Ua0VT1
VT2
VT3
型接法负载b)
a
b
c
ua
ub
uc
ia
交流变压调速系统可控电源
M
3~
~
TVC
利用晶闸管交流调压器变压调速
TVC——双向晶闸管交流调压器图 5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速
控制方式
TVC的 变压控制方式
电路结构：
采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆和制动。
图 5-2 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路
可逆和制动控制
反向运行方式图 5-2所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管 1~6
控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管 1,4 和 7~10 提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。
制动运行方式当需要能耗制动时，可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，
例如让 1,2,6 三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，
对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。
返回目录电磁调速电动机 组成：
笼型电动机、
电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）
6、电磁调速电动机调速方法直流励磁电源 功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。
电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组 三部分组成。
电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。
电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；
磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分电磁调速电动机的调速 特点：
1,装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；
2,调速平滑、无级调速
3,对电网无谐影响；
4,速度失大、效率低。
当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对 N,S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。
当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速 N1，这是一种 转差调速方式,变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。
本方法 适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械 。
液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。
液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。
在工作过程中,改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速 。
7、液力耦合器调速方法特点：
1,功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；
2,结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；
3,尺寸小，能容大；
4,控制调节方便，容易实现自动控制。
本方法 适用于风机、水泵的调速。
5.2 异步电动机改变电压时的机械特性根据电机学原理，在下述三个假定条件下：
忽略空间和时间谐波，
忽略磁饱和，
忽略铁损，
异步电机的稳态等效电路示于图 5-3。
异步电动机等效电路图 5-3 异步电动机的稳态等效电路
Us
1
Rs Lls L’lr
Lm R’r /s
Is
I0
I’r
Lm
参数定义
Rs,R’r ——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；
Lls,L’lr ——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；
Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电感；
Us,?1 ——定子相电压和供电角频率；
s ——转差率 。
电流公式由图可以导出
(5-1)
式中
2' r1s21
2
'
r
1s
s'
r
ll LCL
s
R
CR
U
I
m
s
m1
s1s
1 11 L
L
Lj
LjRC ll
在一般情况下,LmLl1，则,C1? 1 这相当于将上述假定条件的第 ③ 条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成
(5-2)
2' rs21
2
'
r
s
s'
rs
ll LL
s
R
R
U
II
转矩公式令电磁功率 Pm = 3Ir'2 Rr' /s
同步机械角转速?m1 =?1 / np
式中 np —极对数,则异步电机的电磁转矩为
（ 5-3）
2'
rs
2
1
2
'
r
s1
'
r
2
sp
'
r2'
r
1
p
1m
m
e
/33
ll LL
s
R
R
sRUn
s
R
I
nP
T
式（ 5 - 3）就是异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，
电磁转矩与定子电压的平方成正比 。
这样，不同电压下的机械特性便如图 5-4
所示，图中,UsN表示额定定子电压。
异步电动机机械特性
TeO
n
n0
Temax
sm
TL
UsN
0.7UsN
A
BC
F
D
E
0.5UsN
风机类负载特性恒转矩负载特性图 5-4 异步电动机 不同电压下的机械特性异步电动机在不同电压下的机械特性问题,调速范围小解决,如需扩大调速范围，电机在低速稳定运行而不至于过热，
要求电机转子有较高电阻。
高转子电阻电动机
最大转矩公式将式 （ 5-3） 对 s求导,并令 dTe/ds=0,可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩
（ 5-4）
（ 5-5）
2'
rs
2
1
2
s
'
r
m
)( ll LLR
R
s
2' rs212ss1
2
sp
m a xe
)(2
3
ll LLRR
Un
T
由图 5-4可见，带恒转矩负载工作时，
普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A,B,C，转差率 s 的变化范围不超过 0 ~ sm,调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为 D,E,F，调速范围可以大一些。
为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图 5-5。
显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。
交流力矩电机的机械特性
TeO
n
n0
UsN
0.7UsN
A
B
C
TL
0.5UsN
恒转矩负载特性图 5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）
在不同电压下的机械特性返回目录高转子电阻电动机
（交流力矩电机）
在不同电压下的机械特性问题,机械特性软解决,闭环控制
5.3 闭环控制的变压调速系统及其静特性采用普通异步电机的变电压调速时,调速范围很窄,采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围,但机械特性又变软,因而当负载变化时静差率很大 （ 见图 5-5）,
开环控制很难解决这个矛盾 。
为此,对于恒转矩性质的负载,要求调速范围大于 D=2时,往往采用带转速反馈的闭环控制系统 （ 见图 5-6a） 。
1,系统组成图 5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
ASR
U*n
+
- U
n
GT+
M
3~
TG a)原理图--
~
Uc
n
2,系统静特性
eTO
n
n0
TL
UsN
A
A’A’’
Us min
恒转矩负载特性图 5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性
U*n3
U*n1
U*n2
图 5-6b所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在 A 点运行时，
如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A’。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A’’。
按照反馈控制规律，将 A’’,A,A’ 连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。
尽管异步力矩电机的机械特性很软，
但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。
如果采用 PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。
变压调速系统的特点异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压 Usmin下的机械特性。
当负载变化时，如果电压调节到极限值，
闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。
3,系统静态结构
Ks n=f(Us,Te)
ASR
U*n
Un
Uc U
s
-
-TL
n
图 5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态结构图根据图 5-6a所示的原理图，可以画出静态结构图，如图 5-7所示。图中，
Ks = Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；
= Un/n 为转速反馈系数；
ASR采用 PI调节器；
n =f (Us,Te )是式（ 5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。
稳态时，
Un* = Un =?n
Te = TL
根据负载需要的 n 和 TL 可由式（ 5-3）
计算出或用机械特性图解法求出所需的
Us 以及相应的 Uc。
返回目录
5.4 闭环变压调速系统的近似动态结构图对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图 5-7的静态结构图可以得到动态结构图，如图 5-8所示。
其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。
图 5-8 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图
MA——异步电机 FBS——测速反馈环节
WFBS(s)
U*n(s)
Un(s)
Uc (s)
-
n(s)
WASR(s) WGT-V (s) WMA (s)
Us(s)
由测速反馈环节 WFBS(S)检测交流异步电动机 WMA(S)
的 速度反馈信号，与速度给定比较,
两者 偏差送速度调节器 WASR进行 PI调节,
调节器 输出控制信号控制晶闸管交流调压器和触发装置 WGT-v(s)，达到对电机速度的闭环控制。
转速调节器 ASR
转速调节器 ASR常用 PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为
s
s
KsW n
n
nA S R
1
)(
晶闸管交流调压器和触发装置装置的输入 -输出关系原则上是非线性的，
在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。
传递函数可写成
1
)(
s
s
VGT sT
KsW
晶闸管交流调压器和触发装置，
同晶闸管触发与整流装置，
有 失控时间 TS,
可近似成一阶惯性环节。
其近似条件是对于三相全波 Y联结调压电路，可取
Ts = 3.3ms
对其他型式的调压电路则须另行考虑。
s
c 3
1
T
测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节 FBS
的传递函数可写成
1
)(
on
F B S sTsW
测速反馈环节中含有滤波环节。
异步电机近似的传递函数异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。
在这里，可以先在一定的假定条件下，
用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。
（ 1）异步电机近似的线性机械特性由式（ 5-3）已知电磁转矩为
（ 5-3）
当 s 很小时，可以认为
2'
rs
2
1
2
'
r
s1
'
r
2
sp
e
)()(
/3
ll LLs
R
R
sRUn
T
s
RR 'r
s s
RLL
ll
'
r
rs1 )(
且后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，
（ 5-6）
这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。
sU
R
n
T 2s'
r1
p
e
3
（ 2）稳态工作点计算设 A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在 A点上
（ 5-7）
在 A点附近有微小偏差时,Te= TeA+?Te,
Us = UsA +?Us,而 s = sA +?s，代入式
（ 5-6）得
A
2
sA'
r1
p
eA
3
sU
R
n
T
（ 3）微偏线性化将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则
（ 5-8）
)()(3 A2ssA'
r1
p
eeA ssUUR
nTT
)2(3 2sAsAsAA2sA'
r1
p
eeA sUUsUsUR
nTT
从式（ 5-8）中减去式（ 5-7），得
（ 5-9）
)2(3 2sAsAsA'
r1
p
e sUUsUR
nT
1?
s
已知转差率,其中?1是同步角转速,?是转子角转速，则
(5-10)
1
1s
将式 （ 5-10） 代入式 （ 5-9）,得
（ 5-11）
式 （ 5-11） 就是在稳态工作点附近微偏量
Te与?Us和间的关系 。
)2(
3
1
2
sA
sAsA'
r1
p
e
UUsU
R
n
T
带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点 A附近的微偏量运动方程式为
（ 5-12）
tn
JTT
d
d
p
Le
tn
JTT
d
)(d
p
Le
将式（ 5-11）和（ 5-12）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图 5-9所示。
如果只考虑?U1到之间的传递函数，可先取?TL = 0，图 5-9中小闭环传递函数可变换成
'
r
2
1
2
sAp
p
p
'
r
2
s
2
sAp
p
3
s
1
s
3
1
s
R
Un
n
J
J
n
R
Un
J
n
（ 4）近似动态结构图
3np
ω1Rr 2UsASA
3npU 2sA
ωs2 R’r
np
Js
ΔUs ΔTe
ΔTL
Δ?+
-
-
图 5-9 忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图
（ 5）异步电机的近似线性化传递函数于是，异步电机的近似线性化传递函数为
1
1
3
2
3
2
3
)(
)(
)(
m
MA
2
sA
2
p
'
r
2
1
sA
1A
'
r
2
1
2
sAp
p
AsA'
r1
p
s
MA
sT
K
s
Un
RJ
U
s
R
Un
s
n
J
sU
R
n
sU
s
sW
交流异步电动机的动态过程是一组非线性的微分方程。
只有作出比 较强的假定，并用稳态工作点附近微偏线性化的方法才能得到近似的传递函数。
式中
KMA— 异步电机的传递系数,
Tm— 异步电机拖动系统的机电时间常数,
sA
A1
sA
1A
MA
)(22
UU
sK
2
sA
2
p
'
r
2
1
m 3 Un
RJT
由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即
(5-13)
把得到的四个传递函数式写入图 5-8中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的 近似动态结构图 。
1)(
)()(
m
MA
s
MA
sT
K
sU
ssW?
最后,应该再强调一下,具体使用这个动态结构图时要注意下述两点：
由于它是偏微线性化模型,只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正,不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应 。
由于它完全忽略了电磁惯性,分析与计算有很大的近似性 。
返回目录问题 5-4：
在交流异步电动机变压调速系统中，怎样解决 调速范围小和机械特性软的问题？
问题 5-5：
请画出交流异步电动机变压调速系统的动态结构图，并简述其工作原理。
*5.5 转差功率损耗分析（略）
返回目录
*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，关于其运行中的一些具体问题可参看参考文献
[42],[43],[44]。
*5.6.1 软起动器
起动电流问题常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大 4倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于 10%~15%），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了。
起动电流和转矩公式在式 （ 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
2' rs212'rs
s'
r s tsst
ll LLRR
UII
2' rs212'rs1
'
r
2
sp
e s t
3
ll LLRR
RUn
T
（ 5-19）
（ 5-20）
由上述二式不难看出，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
7~4
sN
s s t
I I
IK
3.1~9.0
eN
e s t
T T
TK
起动电流倍数起动转矩倍数
起动电流和转矩分析起动电流和转矩分析（续）
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 。
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 。
传统的降压起动方法传统的降压起动方法有：
星 -三角（ Y-Δ）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。
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。
软起动方法（续）
视起动时所带负载的大小，起动电流可在 (0.5~4) 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 。
三种起动过程的电流比较图 5-12 异步电动机的起动过程与电流冲击一级降压起动软起动器直接起动
*5.6.2 轻载降压节能运行
电机功率损耗三相异步电动机运行时的总损耗可用下式表达
sm e c hC urFeC us pppppp
（ 5-21）
— 定子铜损；
— 铁损；
— 转子铜损；
— 机械损耗；
— 杂散损耗。
式中 PCus
PFe
PCur
Pmech
Ps
电机运行效率电动机的运行效率为
pP
P
P
P
2
2
1
2? （ 5-22）
式中 — 效率；
— 输入电功率；
— 轴上输出功率。
1P
2P
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 ( 0.7 ~ 1.1 ) 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
Te = KT?m Ir' cos?r （ 5-23）
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 Ir’很小,PCur 很小，但 PFe、
Pmech,Ps 基本不变，而定子电流为
0'rs III
（ 5-24）
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。总之，轻载时在式（ 5-22）的分母中所占的成分较大，效率将急剧降低。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 Ir’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返回目录
max
Us*
最佳电压本章小结本章主要讨论交流变压调速问题，学习要求是：
了解交流变压的基本方式；
掌握交流变压调速系统的开环特性和闭环特性；
了解系统模型的非线性性质和线性化方法；
了解交流变压调速系统在 软起动器和轻载降压节能运行中的应用。
课程开始
概述
交流调速系统的主要类型
交流变压调速系统
交流变频调速系统
*绕线转子异步电机双馈调速系统 ——
转差功率馈送型调速系统
*同步电动机变压变频调速系统概 述直流电力拖动和交流电力拖动在 19世纪先后诞生。在 20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量 80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。
直到 20世纪 60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。
这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈,交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向 。
交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：
一般性能的节能调速
高性能的交流调速系统和伺服系统
特大容量、极高转速的交流调速
1,一般性能的节能调速在过去大量的所谓,不变速交流拖动,
中,风机,水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上,其中有不少场合并不是不需要调速,只是因为过去的交流拖动本身不能调速,不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量,因而把许多电能白白地浪费了 。
一般性能的节能调速（续）
如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 ~ 30% 以上的电能，
效果是很可观的。
但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。
2,高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，
显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。
20世纪 70年代初发明了矢量控制技术,
或称磁场定向控制技术,通过坐标变换,
把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量,用来分别控制电机的转矩和磁通,就可以获得和直流电机相仿的高动态性能,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展 。
高性能的交流调速系统和伺服系统（续）
高性能的交流调速系统和伺服系统（续）
其后，又陆续提出了直接转矩控制、
解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。
3,特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过 106 kW · r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。
交流电机没有换向器，不受这种限制，
因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。
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。
在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。
~
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 。
Pmech
Pm
Ps
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，上述的第①、②、③
三种调速方法都属于这一类。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，上述第④种调速方法属于这一类。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，上述的第⑤、⑥
两种调速方法属于此类。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。
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，没有像异步电机那样的多种调速方法。
在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为 他控变频调速 和 自控变频调速 两类。
自控变频调速 利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或 无刷直流电机调速 。
开关磁阻电机 是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。
第 5 章电力拖动自动控制系统闭环控制的异步电动机变压调速系统
—— 一种转差功率消耗型调速系统本章提要
异步电动机变压调速电路
异步电 动 机改变电压时的机械特性
闭环控制的变压调速系统及其静特性
闭环变压调速系统的近似动态结构图
转差功率损耗分析
变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用
5.1 异步电动机变压调速电路变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，
改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。
目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。
交流调速的基本类型（总结）
转差功率消耗型调速系统
(降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速 )
转差功率回馈型调速系统 （ 串级调速 ）
转差功率不变型调速系统 （ 变极对数,变频调速 ）
转差功率 Ps=SPm
从定子传入转子的 电磁功率 Pm =有效功率 +转差功率有效功率 P2=（ 1-S） Pm
定子铜耗,Pcu1=3I12R1
定子输入功率,P1= Pm+ Pcu1+ PFe
电磁功率,Pm = Pout + Pcu2
定子铁耗,PFe= PFe1=3I12R1
转子铜耗,Pcu2=3I’22R’2
轴上输出功率,Pout = P2 + Ps + P’f 机械损耗,Ps
附加损耗,P’f输出功率,P
2
P1
Pm P
out P
2
Pcu1
PFe P
cu2 P
s + P’f
电机功率流图效率 =
定子输入功率 P1
输出功率 P2
变极调速是通过 改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速 的，是无附加转差损耗的高效调速方式。
1、变极调速：
由于极对数 p是整数，它不能实现平滑调速，只能 有级调速 。
在供电频率 f＝ 50Hz的电网，
p＝ 1,2,3,4时，
相应的同步转速 n0＝ 3000,1500,1000,750r/min。
改变极对数是用改变定子绕组的接线方式 来完成的
（双速电动机、三速和四速电动机）
这种改变极对数来调速的笼型电动机，
通常称为 多速感应电动机或 变极感应电动机。
问题 1：
从定子传入转子的电磁功率 Pm = +
其中转差功率消耗型的调速系统有转差功率不变型的调速系统有转差功回馈型的调速系统有问题 2：
请简述交流异步电动机变极调速的工作原理，
并说明其特点和应用场合。
问题 3：
请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。
本方法 适合于：
按 2～ 4档固定调速变化的场合
（不需要无级调速的生产机械），
如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
缺点,
有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。
特点：
1,具有较硬的机械特性，稳定性良好；
2,无转差损耗，效率高；
3,接线简单、控制方便、价格低；
4,有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；
5,可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。
串级调速是在 绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低转子的转矩，
从而达到调速的目的 。
转子电路内不再串入外接附加电阻产生转差损耗，而是 将转子的转差功率回馈电网或机轴，是一种高效调速方式。
2、串级调速：
串级调速的典型调速系统有两种：
电气串级调速系统 和 电机串级调速系统电气串级调速电路 是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。
电气串级调速系统比较 简单，控制方便,应用比较广泛 。
电机串级调速电路 是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。
电机串级调速的 调速范围不大,又增加了一台直流电动机，使系统复杂 化，应用不多。
特点：
1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；
2,装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速
７０％－９０％的生产机械上；
3,调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；
4,晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大；
适合于 风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
变频调速是 通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的,是无附加转差损耗的 高效 调速方式。
变频调速系统的 关键装置是频率变换器，即变频器,由它来提供变频电源。
变频器的 变流元件 目前主要有大功率三极管、晶闸管和可关断晶闸管三种。
3、变频调速：
变频器可分为：
交－直－交 （交流－直流－交流） 变频器交－交 （交流－交流） 变频器 两大类 。
变频调速的 特点,
1,效率高，调速过程中没有附加损耗
2,应用范围广，可用于笼型异步电动机
3,调速范围大，特性硬，精度高
4,技术复杂，造价高，维护检修困难，对电网有干扰 。
适用于 调速性能较好（ 调速范围宽、起停频繁、较长时间低速运行）
场合,以及调 速精度要求高 的过程工艺控制设备上。
绕线式异步电动机转子串入附加电阻,使电动机的转差率加大，电动机 在较低的转速下运行
4、绕线式电动机转子串电阻调速方法串入的电阻越大，电动机的转速越低。
此方法 设备简单，控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。
属 有级调速，机械特性较软 。
变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
5、定子调压调速方法由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，
其调速范围较小，使 一般笼型电动机难以应用 。
为了扩大调速范围，调压调速应采用 转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的 力矩电动机,或者 在绕线式电动机上串联频敏电阻 。
为了扩大稳定运行范围，当调速在 2,1以上的场合应采用 反馈控制 以达到自动调节转速目的。
调压调速的 主要装置 是一个能提供电压变化的电源。
调压调速的特点：
1,调压调速线路简单，易实现自动控制。
2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
目前常用的调压方式 有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。
晶闸管调压方式为最佳。
调压调速一般 适用于 100KW以下的生产机械。
Y型接法
0
负载
a
b
c
a)
ua
ub
uc
ia Ua0VT1
VT2
VT3
型接法负载b)
a
b
c
ua
ub
uc
ia
交流变压调速系统可控电源
M
3~
~
TVC
利用晶闸管交流调压器变压调速
TVC——双向晶闸管交流调压器图 5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速
控制方式
TVC的 变压控制方式
电路结构：
采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆和制动。
图 5-2 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路
可逆和制动控制
反向运行方式图 5-2所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管 1~6
控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管 1,4 和 7~10 提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。
制动运行方式当需要能耗制动时，可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，
例如让 1,2,6 三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，
对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。
返回目录电磁调速电动机 组成：
笼型电动机、
电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）
6、电磁调速电动机调速方法直流励磁电源 功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。
电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组 三部分组成。
电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。
电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；
磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分电磁调速电动机的调速 特点：
1,装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；
2,调速平滑、无级调速
3,对电网无谐影响；
4,速度失大、效率低。
当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对 N,S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。
当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速 N1，这是一种 转差调速方式,变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。
本方法 适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械 。
液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。
液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。
在工作过程中,改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速 。
7、液力耦合器调速方法特点：
1,功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；
2,结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；
3,尺寸小，能容大；
4,控制调节方便，容易实现自动控制。
本方法 适用于风机、水泵的调速。
5.2 异步电动机改变电压时的机械特性根据电机学原理，在下述三个假定条件下：
忽略空间和时间谐波，
忽略磁饱和，
忽略铁损，
异步电机的稳态等效电路示于图 5-3。
异步电动机等效电路图 5-3 异步电动机的稳态等效电路
Us
1
Rs Lls L’lr
Lm R’r /s
Is
I0
I’r
Lm
参数定义
Rs,R’r ——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；
Lls,L’lr ——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；
Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电感；
Us,?1 ——定子相电压和供电角频率；
s ——转差率 。
电流公式由图可以导出
(5-1)
式中
2' r1s21
2
'
r
1s
s'
r
ll LCL
s
R
CR
U
I
m
s
m1
s1s
1 11 L
L
Lj
LjRC ll
在一般情况下,LmLl1，则,C1? 1 这相当于将上述假定条件的第 ③ 条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成
(5-2)
2' rs21
2
'
r
s
s'
rs
ll LL
s
R
R
U
II
转矩公式令电磁功率 Pm = 3Ir'2 Rr' /s
同步机械角转速?m1 =?1 / np
式中 np —极对数,则异步电机的电磁转矩为
（ 5-3）
2'
rs
2
1
2
'
r
s1
'
r
2
sp
'
r2'
r
1
p
1m
m
e
/33
ll LL
s
R
R
sRUn
s
R
I
nP
T
式（ 5 - 3）就是异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，
电磁转矩与定子电压的平方成正比 。
这样，不同电压下的机械特性便如图 5-4
所示，图中,UsN表示额定定子电压。
异步电动机机械特性
TeO
n
n0
Temax
sm
TL
UsN
0.7UsN
A
BC
F
D
E
0.5UsN
风机类负载特性恒转矩负载特性图 5-4 异步电动机 不同电压下的机械特性异步电动机在不同电压下的机械特性问题,调速范围小解决,如需扩大调速范围，电机在低速稳定运行而不至于过热，
要求电机转子有较高电阻。
高转子电阻电动机
最大转矩公式将式 （ 5-3） 对 s求导,并令 dTe/ds=0,可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩
（ 5-4）
（ 5-5）
2'
rs
2
1
2
s
'
r
m
)( ll LLR
R
s
2' rs212ss1
2
sp
m a xe
)(2
3
ll LLRR
Un
T
由图 5-4可见，带恒转矩负载工作时，
普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A,B,C，转差率 s 的变化范围不超过 0 ~ sm,调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为 D,E,F，调速范围可以大一些。
为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图 5-5。
显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。
交流力矩电机的机械特性
TeO
n
n0
UsN
0.7UsN
A
B
C
TL
0.5UsN
恒转矩负载特性图 5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）
在不同电压下的机械特性返回目录高转子电阻电动机
（交流力矩电机）
在不同电压下的机械特性问题,机械特性软解决,闭环控制
5.3 闭环控制的变压调速系统及其静特性采用普通异步电机的变电压调速时,调速范围很窄,采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围,但机械特性又变软,因而当负载变化时静差率很大 （ 见图 5-5）,
开环控制很难解决这个矛盾 。
为此,对于恒转矩性质的负载,要求调速范围大于 D=2时,往往采用带转速反馈的闭环控制系统 （ 见图 5-6a） 。
1,系统组成图 5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
ASR
U*n
+
- U
n
GT+
M
3~
TG a)原理图--
~
Uc
n
2,系统静特性
eTO
n
n0
TL
UsN
A
A’A’’
Us min
恒转矩负载特性图 5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性
U*n3
U*n1
U*n2
图 5-6b所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在 A 点运行时，
如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A’。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A’’。
按照反馈控制规律，将 A’’,A,A’ 连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。
尽管异步力矩电机的机械特性很软，
但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。
如果采用 PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。
变压调速系统的特点异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压 Usmin下的机械特性。
当负载变化时，如果电压调节到极限值，
闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。
3,系统静态结构
Ks n=f(Us,Te)
ASR
U*n
Un
Uc U
s
-
-TL
n
图 5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态结构图根据图 5-6a所示的原理图，可以画出静态结构图，如图 5-7所示。图中，
Ks = Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；
= Un/n 为转速反馈系数；
ASR采用 PI调节器；
n =f (Us,Te )是式（ 5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。
稳态时，
Un* = Un =?n
Te = TL
根据负载需要的 n 和 TL 可由式（ 5-3）
计算出或用机械特性图解法求出所需的
Us 以及相应的 Uc。
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5.4 闭环变压调速系统的近似动态结构图对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图 5-7的静态结构图可以得到动态结构图，如图 5-8所示。
其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。
图 5-8 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图
MA——异步电机 FBS——测速反馈环节
WFBS(s)
U*n(s)
Un(s)
Uc (s)
-
n(s)
WASR(s) WGT-V (s) WMA (s)
Us(s)
由测速反馈环节 WFBS(S)检测交流异步电动机 WMA(S)
的 速度反馈信号，与速度给定比较,
两者 偏差送速度调节器 WASR进行 PI调节,
调节器 输出控制信号控制晶闸管交流调压器和触发装置 WGT-v(s)，达到对电机速度的闭环控制。
转速调节器 ASR
转速调节器 ASR常用 PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为
s
s
KsW n
n
nA S R
1
)(
晶闸管交流调压器和触发装置装置的输入 -输出关系原则上是非线性的，
在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。
传递函数可写成
1
)(
s
s
VGT sT
KsW
晶闸管交流调压器和触发装置，
同晶闸管触发与整流装置，
有 失控时间 TS,
可近似成一阶惯性环节。
其近似条件是对于三相全波 Y联结调压电路，可取
Ts = 3.3ms
对其他型式的调压电路则须另行考虑。
s
c 3
1
T
测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节 FBS
的传递函数可写成
1
)(
on
F B S sTsW
测速反馈环节中含有滤波环节。
异步电机近似的传递函数异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。
在这里，可以先在一定的假定条件下，
用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。
（ 1）异步电机近似的线性机械特性由式（ 5-3）已知电磁转矩为
（ 5-3）
当 s 很小时，可以认为
2'
rs
2
1
2
'
r
s1
'
r
2
sp
e
)()(
/3
ll LLs
R
R
sRUn
T
s
RR 'r
s s
RLL
ll
'
r
rs1 )(
且后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，
（ 5-6）
这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。
sU
R
n
T 2s'
r1
p
e
3
（ 2）稳态工作点计算设 A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在 A点上
（ 5-7）
在 A点附近有微小偏差时,Te= TeA+?Te,
Us = UsA +?Us,而 s = sA +?s，代入式
（ 5-6）得
A
2
sA'
r1
p
eA
3
sU
R
n
T
（ 3）微偏线性化将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则
（ 5-8）
)()(3 A2ssA'
r1
p
eeA ssUUR
nTT
)2(3 2sAsAsAA2sA'
r1
p
eeA sUUsUsUR
nTT
从式（ 5-8）中减去式（ 5-7），得
（ 5-9）
)2(3 2sAsAsA'
r1
p
e sUUsUR
nT
1?
s
已知转差率,其中?1是同步角转速,?是转子角转速，则
(5-10)
1
1s
将式 （ 5-10） 代入式 （ 5-9）,得
（ 5-11）
式 （ 5-11） 就是在稳态工作点附近微偏量
Te与?Us和间的关系 。
)2(
3
1
2
sA
sAsA'
r1
p
e
UUsU
R
n
T
带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点 A附近的微偏量运动方程式为
（ 5-12）
tn
JTT
d
d
p
Le
tn
JTT
d
)(d
p
Le
将式（ 5-11）和（ 5-12）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图 5-9所示。
如果只考虑?U1到之间的传递函数，可先取?TL = 0，图 5-9中小闭环传递函数可变换成
'
r
2
1
2
sAp
p
p
'
r
2
s
2
sAp
p
3
s
1
s
3
1
s
R
Un
n
J
J
n
R
Un
J
n
（ 4）近似动态结构图
3np
ω1Rr 2UsASA
3npU 2sA
ωs2 R’r
np
Js
ΔUs ΔTe
ΔTL
Δ?+
-
-
图 5-9 忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图
（ 5）异步电机的近似线性化传递函数于是，异步电机的近似线性化传递函数为
1
1
3
2
3
2
3
)(
)(
)(
m
MA
2
sA
2
p
'
r
2
1
sA
1A
'
r
2
1
2
sAp
p
AsA'
r1
p
s
MA
sT
K
s
Un
RJ
U
s
R
Un
s
n
J
sU
R
n
sU
s
sW
交流异步电动机的动态过程是一组非线性的微分方程。
只有作出比 较强的假定，并用稳态工作点附近微偏线性化的方法才能得到近似的传递函数。
式中
KMA— 异步电机的传递系数,
Tm— 异步电机拖动系统的机电时间常数,
sA
A1
sA
1A
MA
)(22
UU
sK
2
sA
2
p
'
r
2
1
m 3 Un
RJT
由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即
(5-13)
把得到的四个传递函数式写入图 5-8中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的 近似动态结构图 。
1)(
)()(
m
MA
s
MA
sT
K
sU
ssW?
最后,应该再强调一下,具体使用这个动态结构图时要注意下述两点：
由于它是偏微线性化模型,只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正,不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应 。
由于它完全忽略了电磁惯性,分析与计算有很大的近似性 。
返回目录问题 5-4：
在交流异步电动机变压调速系统中，怎样解决 调速范围小和机械特性软的问题？
问题 5-5：
请画出交流异步电动机变压调速系统的动态结构图，并简述其工作原理。
*5.5 转差功率损耗分析（略）
返回目录
*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，关于其运行中的一些具体问题可参看参考文献
[42],[43],[44]。
*5.6.1 软起动器
起动电流问题常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大 4倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于 10%~15%），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了。
起动电流和转矩公式在式 （ 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
2' rs212'rs
s'
r s tsst
ll LLRR
UII
2' rs212'rs1
'
r
2
sp
e s t
3
ll LLRR
RUn
T
（ 5-19）
（ 5-20）
由上述二式不难看出，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
7~4
sN
s s t
I I
IK
3.1~9.0
eN
e s t
T T
TK
起动电流倍数起动转矩倍数
起动电流和转矩分析起动电流和转矩分析（续）
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 。
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 。
传统的降压起动方法传统的降压起动方法有：
星 -三角（ Y-Δ）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。
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。
软起动方法（续）
视起动时所带负载的大小，起动电流可在 (0.5~4) 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 。
三种起动过程的电流比较图 5-12 异步电动机的起动过程与电流冲击一级降压起动软起动器直接起动
*5.6.2 轻载降压节能运行
电机功率损耗三相异步电动机运行时的总损耗可用下式表达
sm e c hC urFeC us pppppp
（ 5-21）
— 定子铜损；
— 铁损；
— 转子铜损；
— 机械损耗；
— 杂散损耗。
式中 PCus
PFe
PCur
Pmech
Ps
电机运行效率电动机的运行效率为
pP
P
P
P
2
2
1
2? （ 5-22）
式中 — 效率；
— 输入电功率；
— 轴上输出功率。
1P
2P
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 ( 0.7 ~ 1.1 ) 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
Te = KT?m Ir' cos?r （ 5-23）
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 Ir’很小,PCur 很小，但 PFe、
Pmech,Ps 基本不变，而定子电流为
0'rs III
（ 5-24）
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。总之，轻载时在式（ 5-22）的分母中所占的成分较大，效率将急剧降低。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 Ir’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返回目录
max
Us*
最佳电压本章小结本章主要讨论交流变压调速问题，学习要求是：
了解交流变压的基本方式；
掌握交流变压调速系统的开环特性和闭环特性；
了解系统模型的非线性性质和线性化方法；
了解交流变压调速系统在 软起动器和轻载降压节能运行中的应用。
课程开始
