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1、第三章 绕线型异步电动机的串级调速系统,3.1 绪论 3.2 串级调速系统的工作原理 3.3 串级调速系统的性能分析 3.4 次同步串级调速闭环控制系统 3.5 超同步串级调速系统,返回目录,一：异步电动机调速的结构特征 1.鼠笼型异步电动机的调速特点: 转子处于短路状态; 调速方法都是从电机定子侧引入控制变量(如改变定子电压,频率等)来改变电动机的转速;,2.绕线型异步电动机的调速特点: 转子可以通过滑环与外部电气设备相连接; 调速方法除了从定子侧控制电压,频率以外,还可以从转子侧引入控制变量实现调速; 转子侧的控制变量有电流,电动势,电阻等,通常转子稳态电流随负载变化,不能任意调节,一般可
2、以通过转子回路串电阻或引入附加电动势来实现;,3.1 绪论,3.1 绪论,二.绕线型转子回路串电阻调速特点 绕线型异步电动机过去使用最多的方法是在转子回路串入不同数值的可调电阻,从而获得电机的不同机械特性,以实现电气传动的转速调节.,3.1 绪论,这种方法简单,但是主要有以下缺点:,低速损耗大 它是通过增大转子回路的电阻值来降低电机转速.若带恒转矩负载,转速越低时转差功率就越大,因此这种方法是通过增大转差功率来降低转速,但是增加的转差功率全部被转化为热能消耗掉了,因此随着调速范围的增大,效率就越低,机械特性软 电机的理想转速不变,所以只能在同步转速以下调节,所串电阻越大,机械特性就越软,降低了
3、静态调速精度,3.1 绪论,这种方法简单,但是主要有以下缺点:,调速不平滑 由于电机转子回路所串附加电阻的档数有限,无法实现平滑调速,基本属于有级调速.另外转子回路的电流较大,使得电阻体积笨重,抽头不易.,调速范围小 一般为(23):1,负载越小,调速范围就越小.,3.1 绪论,这种方法简单,但是主要有以下缺点:,适用范围: 多用于断续工作的生产机械上,在低速运行的时间不长,并且要求调速性能不高的场合,如桥式起重机. 不能满足高性能节能型传动系统的要求,必须寻求一种效率较高,性能较好的调速方法,这就是下一节的串级调速.,一.串级调速原理,3.2 串级调速系统的工作原理,3.2 串级调速系统的工
4、作原理,分析: 设设备转矩恒定,未串入附加电动势Ef之前在s=s1上午转差率下运行.,因此若在绕线式异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势,就可以对电机的转速进行调节,引入不同数值的同相(反相)电动势,就可以使电机获得不同的稳定转速.,1.电气串级调速系统 电气串级调速系统包括两种类型：电机型串级调速系统和晶闸管串级调速系统。,电机型串级调速系统（一般不用） 电机型串级调速系统是通过一个旋转变流机组将异步电动机的转差功率整流后输出给直流电动机，后者拖动一台交流异步电机将功率回馈电网。这种串级调速方式的特点是： 系统复杂； 需要的附加旋转电机多； 因此难以在工业应用中推广。,二.串级调速系统
5、的类型,3.2 串级调速系统的工作原理,晶闸管串级调速系统（静止Scherbius系统） 目前广泛应用的是晶闸管串级调速系统。串级调速系统的核心环节是产生附加电动势。由于绕线型异步电动机转子回路感应电动势 的频率是随转差率变化的，所以附加电动势 的频率必须随电动机转速而变化。,这种调速方法就相当于在转子侧加入可变频可变幅交流电压的调速方法。实际系统中是把转子交流电动势整流成直流电动势，然后再与一个直流电动势进行比较，控制直流电动势的大小就可以调节惦记的转速，从而把交流变频问题转化为与频率无关的直流问题。,对直流电动势的技术要求： 平滑可调，从而实现对电机转速的平滑调节； 从功率传递提高调速效率
6、的角度，要求能吸收从转子侧传递过来的转差功率并加以利用，例如将电能回馈电网；,3.2 串级调速系统的工作原理,晶闸管串级调速系统是选用工作在逆变状态的晶闸管可控整流器来作为产生附加电动势的电源，从而满足上诉技术条件。典型的晶闸管串级调速系统如下图所示。,图中，三相异步电机M以转差率s运行，其转子相电动势经三相不可控整流装置UR整流，输出电压 。工作在逆变状的三相可控整流装置UI，除可提供一个可调直流输出电压 作为附加电动势外，还可将经整流后输出的电动机转差功率逆变回馈到电网。TI是逆变变压器，L为平波电抗器。,串级调速系统的工作原理,除电机外，其余都是静止型器件，所以又称为静止型电气串级调速系
7、统； 从装置的连接上构成一个交-直-交变频器，由于逆变器通过逆变变压器TI与交流电网相连，输出频率固定，是一个有源逆变器； 由于逆变角可以平滑连续调节，使得电机转速也能平滑连续调节；,晶闸管串级调速系统的特点：,由于电机转差功率能通过转子整流器UR变换为直流功率，再由逆变器UI变换为交流功率回馈电网，提高了效率； 由于转子回路采用采用不可控整流器，转差功率只能经整流器UR输出，为有源逆变器UI所吸收回馈电网，而无法实现由电网向电动机转子输送转差功率，转差功率的传递是不可逆的，只能运行在低于同步转速的电动状态和高于同步转速的再生制动状态。由于电动机的电动工作状态的转速范围低于同步转速，因此又称为
8、次同步串级调速系统。,恒转矩调速（转子电流基本不变） 注：在中小功率串级调速系统中为了简化电路，降低成本，还采用三相零式电路，并采用进线电抗器省去了逆变变压器。,晶闸管串级调速系统的特点：,由于需要附加一台直流电机,并且直流电机的功率随调速范围的扩大而增大,由于这一缺点目前很少采用,2.机械串级调速系统,在异步电动机转子中串入附加电动势构成串级调速，从功率关系上就是利用附加电动势来控制异步电动机转差功率进而实现调速，因此串级调速系统的基本运行状态可以通过功率传递关系来分析。（图中忽略了电机内部的各种损耗，定子输入功率P1就是转子电磁功率）,1.低于同步转速的电动状态（图a）,2.高于同步转速的
9、电动状态（图b）,3.高于同步转速的再生制动状态（图c）,4.低于同步转速的再生制动状态（图d）,三.串级调速的功率传递关系,3.3 串级调速系统的机械特性,1.特点,2.逆变变压器,(2)使电动机转子电路与交流电网隔离 逆变变压器可以使电动机转子电路与交流电网相互隔离，从而减弱了大功率晶闸管对电网波形的影响，并能限制晶闸管关断电压上升率和导通电流上升率。,(1)串级调速装置的组成(结构的角度) 串级调速装置是指整个串级调速系统中除电动机外为了实现串级调速所需附加的所有功率器件,主要包括: 转子整流装置; 平波电抗器; 逆变装置; 逆变变压器;,3.串级调速装置的容量,（1）电压,（2）电流,
10、采用串级调速系统可以实现对异步电动机的平滑调速,而且效率高,但是需要增加一些串级调速装置; 次同步调速系统较为合适的调速范围在21.5之间,装置容量比较小,比较经济; 次同步串级调速系统的功率因数较低,高速时约为0.60.7,需要采取无功补偿措施; 次同步串级调速系统容量大约与调速范围成正比,当调速范围在2:1以下时,变流装置不会超过电动机额定容量的一半.,适用范围: 调速范围不大的中小功率绕线型转子异步电动机调速,如风机及泵类设备的调速.,4.结论,对于开环控制的串级调速系统,它的机械特性比较软,调速精度不高.为了提高静态调速精度以获得较好的动态特性,可以采用闭环控制的串级调速方式.通常采用
11、转速反馈和电流反馈的双闭环控制方式.,由于次同步串级调速系统中转子整流器是不可控的,所以系统不能产生电气制动作用.闭环控制对系统动态性能的改善一般只是指启动和加速过程性能的改善,而减速过程只能靠负载作用自由降速.,M,ASR转速调节器 ACR电流调节器 ASR和ACR均采用带输出限幅的PI调节器,3.4 次同步串级调速闭环控制系统,转速反馈信号取自与异步电动机同轴连接的测速发电机TG，电流反馈信号取自逆变器交流侧，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子的直流回路。,为了防止逆变器逆变失败，在电流调节器ACR的输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角,2.工作原理 图示系统的工作与直流不可逆调速
12、系统一样,具有静态稳速与动态恒流的作用.所不同的是它的控制作用是通过异步电动机转子回路实现的,由于串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势来工作,为了使系统正常工作,防止逆变器失败,对系统的启制动控制必须采取合理的措施.总的原则是: 启动时必须使逆变器先于电动机接上电网; 制动时必须使逆变器在电动机后面脱离电网. 为了防止逆变器交流侧断电,逆变器晶闸管无法关断而造成逆变器短路.,3.启制动原则,考虑3.2节的电气串级调速系统(如下图所示),由于转子整流器是不可控的,它只能从交流侧吸收转差功率.如果把转子整流器改为可控的,使它工作在整流或逆变状态下,就可以相应地从电动机转子吸收或向转子输送转差功率
13、.,3.5 超同步串级调速系统,当转子整流器1UR工作在逆变状态,相应地变压器侧整流器工作在整流状态,向电动机转子输送功率,并且电动机定子同时从电网吸收功率时,电动机将在超同步状态下电动运行,此时,电动机的转子定子都吸收电能,并转换成机械能从轴上输出,所以电机处于定,1.超同步运行,1.超同步运行,2.再生制动运行,若负载轴上加的是阻转性负载，负载在此时协助起制动作用，这样电动机从转子侧与机械轴上分别输入功率，并转换为电磁功率由定子侧回馈电网，电动机处于再生制动状态。,2.再生制动运行,3.注意： 如图所示实际上是一种交流电机转子交直交变频调速系统，转子侧可控整流器就是一台变频器，它的负载是转
14、子绕组，不能依靠电网电压实现自然换流。所以若采用普通晶闸管组成转子侧变频器，需要附加强迫换流装置，以输出电动机转子所需不同频率的电压。当然也可以采用具有自关断能力的全控型功率元件或采用可依靠交流电网电压过零自然换相过零的交交变频电路，则不需要换流。,4.超同步调速系统的特点 主电路结构和控制方面都要比次同步串级调速系统复杂; 相同调速范围和额定负载功率下,超同步串级调速系统可以在电机额定转速上下进行调速,装置容量可比单纯采用次同步串级调速时的容量小; 可以实现四种运行状态,如低于同步转速的再生制动,使系统具有良好动态响应,而次同步串级调速则无法实现; 超同步串级调速,效率和功率因数要高,机械输出功利也提高很大.,适用范围: 大容量宽调速范围,对动态响应要求高的场合. 主要应用于容量比较大的风机,泵类变速传动.,END,
