随着电力电子器件和控制技术的高速发展，尤其是大规模集成电路和计算机控制技术的出现，高性能的交流调速系统应运而生，交流电动机特有的优点在电力拖动中逐渐地表现出来。特大容量、极高转速的交流调速系统。取代热机、液压和气动控制的交流调速系统。世界石油资源的逐渐衰竭和环境污染，促进了交流电动机车辆的发展。对交流调速的方式也还在不断地深入研究。......
2023-06-25
探析三相交流调压调速系统的应用
【摘要】：这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机，虽然调速范围变大了，但是机械特性较软，因此交流调压调速系统常采用闭环控制。交流调压调速系统在调速精度要求不是很高的场合有应用价值，如起重机、风机、水泵及行车等设备。
1.主电路与机械特性
交流调压调速系统主回路采用双向晶闸管，反转时主回路需另外增加两只双向晶闸管以改变三相电压的相序。电路具有逻辑检测及自动逻辑开关装置，利用这个装置可以完成正转与反转的自动切换。电路还具有转速负反馈和电流负反馈环节以及比例-积分调节器，以实现系统快速的动态响应和静态无静差，同时限制启动电流。
1）主电路
晶闸管三相交流调压电路由于采用晶闸管种类及连接电路形式的不同，可有多种组合形式，但只选用由双向晶闸管组成的能耗较小的三相全波相位控制的Y型连接的调压电路。由于系统无零线，故在进行相位控制时，至少要有两个晶闸管同时导通，并对触发电路要求如下：
①三相正（或负）触发脉冲依次间隔120°，而每相正、负脉冲间隔180°；
②采用双脉冲或宽脉冲触发，以确保两相同时导通；
③确保触发脉冲与主电源电压同步，以保证输出的三相电压对称可调。
Y接法的调压电路如图8-9所示，Z为负载，对于不同性质负载、不同触发角α，电压电流波形及其特点也不相同。纯电阻负载其特点是电压波形与电流波形相似，其相位差（阻抗角）φ=0°；对于电阻-电感性负载、反电动势负载，由于其电流滞后电压一个阻抗角φ，故调压电路的输出电压不仅与控制角α有关，还与阻抗角φ有关。
2）机械特性
该系统工作在不同状态时的机械特性如图8-10所示，现在以负载为起重机为例分析其工作特性。
提升重物时，给定电压Urn＞0，正转晶闸管工作，电动机运行在由给定电压和负载决定的机械特性曲线A的点1，同时又运行在电动机固有机械特性曲线b1上。此时电动机处于正向运行状态。若在正向运行时给出下放重物信号，给定电压Ug＜0，由于转速反馈电压Ufn受限于转速来不及变化，故调节器输出电压变负，正转晶闸管关断，再经逻辑开关延时后，控制反转晶闸管导通，由于电动机进行电源反接制动，从系统特性A与电动机固有特性C2的交点2开始，系统运行速度骤减至零，即运行至点3，并随之反向启动。当速度达到反向给定电压所对应的转速时刻，由于是下放位能负载，转速会出现超调，其电流变零，系统又在反向给定下切换到正转晶闸管导通，系统由反向运行的点4切换到负载倒拉反接制动的点5，电动机产生制动转矩阻碍重物下放，此时电动机由重物带动即以稳定的速度下放。
图8-9 Y接法的调压电路
图8-10 异步电动机调压调速系统的机械特性
2.系统控制特性
为了提高控制特性，系统采用了双闭环调速系统，控制对象为交流异步电动机，其动态特性可以用一阶惯性环节和积分环节串联来表示。为了保证调速精度、提高系统的动态响应，其电流调节器和速度调节器均采用比例-积分调节器。整个系统以电流闭环为内环，以速度闭环为外环，其动态结构图如图8-11所示。
图8-11 双闭环系统动态结构图
1）给定积分环节
为了消除阶跃给定时对调速系统的过大冲击，并使系统的电动机转速能稳步上升，在速度调节器的输入端接以给定积分器，给定积分器的输入输出信号如图8-12所示。
2）速度调节器
系统采用PI调节器作为速度调节器，如图8-13所示。由于在速度调节过程中，即使PI调节器的输入ΔU=0，但∫ΔU d t却存在，系统仍能产生控制电压来维持正常运行。故该系统可以实现静态无静差调速。
在静态时，电容C2相当于开路，放大器处于开环状态，其放大倍数很大；动态时，电容C2相当于短路，放大倍数为RIT/Ri，数值很小，提高了其静态的稳定性。
图8-12 给定积分器的输入输出信号
图8-13 速度调节器原理图
3）电流调节器
电流PI调节在结构上与转速调节器相同，如图8-14所示，其功能是放大电枢给定电流的偏差信号，并进行误差积累，其输出控制触发器工作。电流调节器启动的整个工作过程中，它是不应饱和的，故在调节电位器RP11、RP12时应确保电流调节器不饱和。只是在其输入端串入一些高幅值的杂波干扰时方才起限幅作用。故电流调节器的限幅电路与速度调节器的限幅电路的区别还是很大的。
4）逻辑切换装置
晶闸管可逆调压调速系统在正反转组晶闸管工作状态切换时，两组绝对不能同时导通，否则必然会造成电源相间短路。而晶闸管工作状态由导通到阻断的过程中，须经过关断等待时间和触发等待时间，才能确保其可靠关断。为此选择的逻辑切换装置应满足以下要求。
①在任何情况下，正反转组晶闸管的工作状态互锁，确保其不被同时触发。
②速度调节器的输出Uri代表系统转矩或电流的极性，作为逻辑装置切换的必要条件；而零电流检测装置发出“零电流”信号，作为逻辑装置切换的充分条件。
③发出切换指令后，经过2～3 ms的关断等待时间，封锁导通组脉冲；再经过7 ms左右的触发等待时间，才能开放另一组。
逻辑切换装置由电平检测、逻辑判断、延时电路、逻辑保护等四部分组成。其框图如图8-15所示。
图8-14 电流调节器原理图
图8-15 逻辑切换装置
3.应用说明
交流调压调速系统中，异步电动机带恒转矩负载调速时，实际上是靠增大转差率、减小输出功率来换取转速的降低的。而输入的功率没有改变，增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，属于转差功率消耗型的调速方法。
交流调压调速如果增大转子电阻，临界转差率将加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，并使电动机能在较低转速下运行而不至于过热。这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机，虽然调速范围变大了，但是机械特性较软，因此交流调压调速系统常采用闭环控制。
交流调压转速单闭环控制的调速系统在很大程度上提高了系统的机械特性，但是系统的特性不是十分理想，采用双闭环控制的调速系统可以使系统的静态特性和动态特性都有提高。交流调压调速系统在调速精度要求不是很高的场合有应用价值，如起重机、风机、水泵及行车等设备。
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