交流调速原理及运用

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1、第八章交流调速原理及运用8.1概述8.1.1交流调速技术的发展一、发展过程19世纪相继诞牛了直流电动机和交流电动机，由于直流电动机转矩容易控制，因此它作为调速电动机的代表在20世纪的大部分年代广泛地应用于工业牛:产中。直流调速系统具冇起、制动性能好、调速范围广、静差小及稳定性能好等优点，晶闸管整流装置的应用更使肓流调速在白动调速系统屮占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速的或要求调递性能不高的传动系统中。虽然直流调速系统的理论和实践应用比鮫成熟.但由于电动机的单机容量、最高耐电压、最高转速及过载能力等主要技术指标受机械换向的制约，限制了肯流调速系统的发展,使得人们氏期以来寻找

2、用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没冇换向器的交流调速系统。交流电动机的主耍优点是：没有电刷和换向器，结构简单，运行町靠，使用寿命长,维护方便，口价格比相同容量的百流电动机低。早在20世纪30年代就有人提出用交流调速代替直流调速的有关理论，到60年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。1971年们拉斯切克（F.Rlaschke）提出了交流电动机矢量控制原理，使交流转动技术从理论上解决丁获得与直流传动相似的静、动态特性问题。矢量变换控制技术（或称磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制。众所周知，调速的关键问题在于转矩的控制，直流电动机的转矩表达式为T=CT（

3、t）I（t,其中Cy是转矩常数.磁通0和电枢电流厶是两个可以单独控制的独立变量，它们之间互成90°正交关系，在电路上互不影响，可以分别进行调节。而交流界步电动机的转矩表达式为T=CT^mI2cos（p2f其中是界步电动机转矩系数气隙，有效磁通血与转子电流厶之间是既不成直和关系又不相互独立的两个变量，转子电流厶不仅少血有关，且还与转差率s（或转速n）有关（因为（pr=arctg»）,这也是交流〜〜厂2电动机转矩难以控制的原因所在。为了获得与直流电动机和似的控制性能，欠量控制理论提出了朋标变换，即把交流电动机的定子电流右分解成磁场定向坐标的磁场电流分最口和与Z相垂直的坐标转矩电流分量人

4、7・，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制即变为直流量的控制，就与直流电动机和同了。矢量控制理论的提岀只解决了交流传动控制理论上的问题，而要实现矢量控制技术，则需要复杂的模拟电了电路，其设计、制造和调试均很麻烦，肓到有了全控型人功率快速电力电子器件和微机控制Z后，可以用软件来实现矢虽控制的处法，才使驶件电路规范化，从而降低了成本，提高了控制系统的可靠性。由此可见，电力电子技术和微机控制技术的发展给交流调速系统的发展奠定了物质基础，它们的迅速进步是推动交流调速系统不断更新的动力。继欠量控制技术发明Z后，又相继提出了直接转矩控制、标量解耦控制等万法，均能达到良好的动态性能，

5、这都表明交流调速系统完全可以与直流调速系统相抗衡、相媲美。二、交流调速系统分类（一）概述我们知道交流电机包括异步电机和同步电机两大类；对交流异步电动机而言，其转速为n=^-（l-5）（r/min）；从转速公式可知改变电动机的极对数P、改变定子供电频率f以P及改变转差率s都可达到调速的目的。对同步电机而言，同步电机转速为刃二型（厂/min）,P由于实际使用屮同步电机的极对数P固定，因此只有采用变压变频（WVF）调速，即通常说的变频调速。变频调速系统的静、动态特性能与直流调速系统媲美，实际应用中最为广泛，也是最有发展前途的调速系统。（-）交流调速系统1.异步电机调速系统（1）转差功率不

6、变型调速系统。这种调速系统中，转差功率是消耗在转子上的，不论转速高低，转差功率基本不变，因此效率高。变极对•数调速和变频调速均居于此类，但变极对数调速是有级调速，应川受到限制；而变频调速是无级调速，应用非常'广。根据变频器的不同，变频调速又可分为交-肓-交变频调速（如图&1所示）和交-交变频调速（如图8.2所示）。（2）转差功率消耗型调速系统。这种调速系统中，转差功率全部转换成热能被消耗，因此效率低，但系统简单，因此仍冇一定的应用场合。如图&3所示的变电压调速、如图&4所示的电磁转差离合器调速以及如图&5所示的绕线式异步电动机转子回路串电阻调速均属此类。图8.1交-直-交变频器异步

7、电动机主回路结构（a）电压型变频器（b）电流型变频器50Hr图8.2三相交-交变频系统原理图三、交流调速系统的主要应用领域交流电动机在工业设备电气传动巾应用十分广泛，据有关资料统计，我国在电网的总负荷中，动力负荷约占60%,其中界步电动机负荷约占总负荷的85%左右，因此对•交流电动机的冇效利用，在改善其运行性能、节约能源等方面，交流调速系统大冇用武之地，其主要应用可归纳如下。（-）以节能为目的工业企业人量使用的风机、水泵、压缩机类负载是川交流电动机拖动的，这类负载的川