交流電力拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)

根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式

交流電力拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)有交流調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、交流串級(jí)調(diào)速、變級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速5種。

交流電力拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)交流調(diào)壓調(diào)速

改變定子電源電壓的調(diào)速方法。交流異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與定子電壓U1成平方正比關(guān)系。調(diào)節(jié)定子電壓使電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生變化，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)，一般都采用低于銘牌規(guī)定的定子額定電壓進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速。交流調(diào)壓一般采用定子繞組串接可調(diào)阻抗、串接自耦變壓器和串接晶閘管調(diào)壓器的方法。交流調(diào)壓調(diào)速方法調(diào)速范圍不大，調(diào)速引起的損耗隨轉(zhuǎn)速的降低而增大。適用于調(diào)速要求不高、不經(jīng)常在低速下運(yùn)行的負(fù)載。

交流電力拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

改變轉(zhuǎn)子繞組電路外串電阻的調(diào)速方法。這種調(diào)速方法只適用于繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速n1和臨界轉(zhuǎn)矩Mm都與轉(zhuǎn)子回路電阻無關(guān)，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子回路電阻成正比關(guān)系。所以，改變轉(zhuǎn)子回路電阻即改變了電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的斜率。在一定的負(fù)載下，采用不同的轉(zhuǎn)子回路電阻值就得到不同的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖1中的n1、n2、n3……。這種方法的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法在低速時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率高而使電動(dòng)機(jī)損耗嚴(yán)重；且在低速時(shí)由于調(diào)速特性軟，而工作轉(zhuǎn)速不易穩(wěn)定，同時(shí)在輕載時(shí)調(diào)速范圍很小。

交流電力拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)交流串級(jí)調(diào)速

交流繞組式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中，外加附加電動(dòng)勢(shì)，通過調(diào)節(jié)附加電動(dòng)勢(shì)值進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法。 　按附加電動(dòng)勢(shì)的獲得方式不同，串級(jí)調(diào)速有晶閘管串級(jí)調(diào)速和電機(jī)串級(jí)調(diào)速。目前，晶閘管串級(jí)調(diào)速已取代了電機(jī)串級(jí)調(diào)速,圖2為其電氣原理圖。圖2中AM為交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中感生的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)三相不可控整流橋DR整流成直流電壓Ud。TR是由晶閘管組成的三相可控整流器，它工作在逆變狀態(tài)，其輸出的逆變電壓Uβ作為串級(jí)調(diào)速的附加電動(dòng)勢(shì),Ud>Uβ。Uβ和Ud比較后產(chǎn)生的電流Id與電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)的轉(zhuǎn)子電流I2成正比。在同一負(fù)載下，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所以改變Uβ就可進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

串級(jí)調(diào)速具有良好的力能指標(biāo)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路把電機(jī)轉(zhuǎn)子交流轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換成直流功率，再通過工作在逆變狀態(tài)的晶閘管整流器轉(zhuǎn)換為交流功率返回電網(wǎng)。故串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率高，在高速時(shí)可達(dá)90%以上，是一般交流調(diào)速方法所不及的。由于回路中的晶閘管整流器工作在逆變狀態(tài)，它除了向電網(wǎng)返送有功功率外，還要向電網(wǎng)吸取無功功率，從而使串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)僅為0.5左右。

交流電力拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)變極調(diào)速

改變電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速方法。改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的接線方式,使電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)p變化,即可改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1(=60f1/P)。

變極調(diào)速要求拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)必須是專門的變極電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)可成倍比地改變(如2/4極，4/8極)；也有非倍比的雙速電動(dòng)機(jī)（如4/6極，6/8極）或三速電動(dòng)機(jī)（如4/6/8）,這時(shí)電動(dòng)機(jī)裝有兩套定子繞組。因此，變速變極電動(dòng)機(jī)體積大,利用率比較低,成本高。它的調(diào)速級(jí)數(shù)少（2～3級(jí)）,僅適用于不要求平滑調(diào)速,與齒輪機(jī)械調(diào)速配合用的各種機(jī)床等生產(chǎn)機(jī)械。

交流電力拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)變頻調(diào)速

改變交流電動(dòng)機(jī)定子供電電源頻率的調(diào)速方法。交流異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1與電源頻率f1成正比，改變f1就能進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速。但是由于電動(dòng)機(jī)氣隙磁通和電源頻率f1的乘積是與電源電壓U1成正比的，如果調(diào)節(jié)f1時(shí)不改變電源電壓U1，將引起電機(jī)氣隙磁通變化，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩下降或勵(lì)磁電流上升。為了使電機(jī)磁通保持不變，在調(diào)頻時(shí)必須同時(shí)進(jìn)行調(diào)壓，保持U1/f1不變。在這種條件下進(jìn)行調(diào)速,能保證電動(dòng)機(jī)的過載能力不變，得到近似直流調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速特性(圖3)。 要實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速，必須具有頻率和電壓可調(diào)節(jié)的交流電源。過去曾用一套旋轉(zhuǎn)的變頻機(jī)組來實(shí)現(xiàn)，但其體積龐大，噪聲大，效率很低，所以曾影響了交流變頻調(diào)速的應(yīng)用和發(fā)展。20世紀(jì)60年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了靜止式電力電子變頻電源,它具有靜止、重量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。

電力電子變頻器一般分兩類。 一類是交流-交流變頻器（又稱直接變頻器、循環(huán)變頻器），它是把電壓和頻率固定的交流電源直接轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電源。由于它的輸出波形不夠理想，所獲得的電源頻率大大低于原來電源的頻率，并且所用的電力電子器件數(shù)量較多,利用率不高,故應(yīng)用受到限制。另一類變頻器是交流-直流-交流變頻器（又稱間接變頻器），它是先把恒定電壓、恒定頻率的交流電源整流為可調(diào)壓的直流電源，然后再將直流電源逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電源。其整流器和逆變器均由電力電子器件構(gòu)成。

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的交流-直流-交流變頻器是脈寬調(diào)制型變頻器,又稱PWM變頻器。它采用不可控整流器，輸出電源頻率和電壓的調(diào)節(jié)均由 PWM逆變器來完成。這種變頻器不但提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，而且加快了變頻調(diào)速的動(dòng)態(tài)過程。如采用正弦波脈寬調(diào)制變頻器(稱SPWM)，其輸出的電壓可接近正弦波，諧波分量很少，提高了變頻調(diào)速的效率。脈寬調(diào)制型變頻器功率元件采用有自關(guān)斷能力的電力電子器件,如可關(guān)斷晶閘管(GTO)和大功率晶體管(GTR)等,簡(jiǎn)化了變頻電路的結(jié)構(gòu)，提高了開關(guān)頻率，并改善了輸出波形。

由于直流電動(dòng)機(jī)價(jià)格高，維修困難，而交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，幾乎不需維修等優(yōu)點(diǎn)，因而在各工礦企業(yè)中都希望采用交流電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)電機(jī)。

按電動(dòng)機(jī)供電電流制式的不同，有直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)兩種。早期的生產(chǎn)機(jī)械如通用機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵等不要求調(diào)速或調(diào)速要求不高，以電磁式電器組成的簡(jiǎn)單交、直流電力拖動(dòng)即可以滿足。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電力拖動(dòng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制性能都有了較高的要求，具有反饋控制的直流電力拖動(dòng)以其優(yōu)越的性能曾一度占據(jù)了可調(diào)速與可逆電力拖動(dòng)的絕大部分應(yīng)用場(chǎng)合。自20年代以來，可調(diào)速直流電力拖動(dòng)較多采用的是直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),并以電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、磁放大器作為其控制元件。電力電子器件發(fā)明后，以電子元件控制、由可控整流器供電的直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)逐漸取代了直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),并發(fā)展到采用數(shù)字電路控制的電力拖動(dòng)系統(tǒng)。這種電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有精密調(diào)速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等性能。這種以弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)是現(xiàn)代電力拖動(dòng)的重要特征和趨勢(shì)。 　交流電動(dòng)機(jī)沒有機(jī)械式整流子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠,有良好的節(jié)能效果,在功率和轉(zhuǎn)速極限方面都比直流電動(dòng)機(jī)高；但由于交流電力拖動(dòng)控制性能沒有直流電力拖動(dòng)好，所以70年代以前未能在高性能電力拖動(dòng)中獲得廣泛應(yīng)用。隨著電力電子器件的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了如晶閘管的串級(jí)調(diào)速、電力電子開關(guān)器件組成的變頻調(diào)速等交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)，使交流電力拖動(dòng)已能在控制性能方面與直流電力拖動(dòng)相抗衡和媲美，并已在較大的應(yīng)用范圍內(nèi)取代了直流電力拖動(dòng)。2100433B

內(nèi)容介紹

該書介紹了直流調(diào)速的基本概念，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及改善調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的若干措施，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的基本原理及有關(guān)技術(shù)問題，調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法，可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，調(diào)速系統(tǒng)的定性分析、工程估算與調(diào)試方法示例。

本書為求突出?？铺厣?，使學(xué)生掌握分析與設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及方法。在內(nèi)容安排上則根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的自身體系與控制規(guī)律，由簡(jiǎn)到繁循序漸進(jìn)，做到重點(diǎn)突出，內(nèi)容精練，實(shí)用和便于自學(xué)。教材各章均附有例題與足夠數(shù)量的練習(xí)題。

本書可作為各類高等?？茖W(xué)校工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)及相近專業(yè)的教材，也可作為中等專業(yè)學(xué)校有關(guān)專業(yè)的教材。亦可供從事電氣自動(dòng)化專業(yè)工作的工程技術(shù)人員參考。

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