异步电动机的串级调速

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1、*一、一、 串级调速的原理与基本类型串级调速的原理与基本类型二、绕线转子异步电动机串级调速时的机械特性二、绕线转子异步电动机串级调速时的机械特性三、三、 串级调速系统的效率和功率因数串级调速系统的效率和功率因数四、四、 双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统五、五、 串级调速系统的应用串级调速系统的应用绕线转绕线转绕线转绕线转 子异步子异步电动电动电动电动 机串机串级调级调级调级调 速系速系统统统统*串级调速的原理与基本类型一.串级调速的原理二.串级调速的基本运行状态及功率关系三.串级调速系统的基本类型*绕线型异步电动机的转子*绕线型异步电动机的转子集电环 *三相绕线型异步电动机示意

2、图转子三相绕组接成 Y 形 短接或 外接对称电阻等 *一一. . 串串级调级调级调级调 速的原理速的原理 问题的引入: 转子串电阻调速分析我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其转子回路串入电阻来我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其转子回路串入电阻来 减小电流，增大转差率，从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方减小电流，增大转差率，从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方 法。法。优点优点: :简单方便简单方便 主要缺点：主要缺点：1. 1.低效率低效率 R R2F2FI I2 2T Te en n 实现调速；但实现调速；但n ns s转差功率转差功率P Ps s=s.=s.P

3、Pemem ， 大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉，因此不适合对大容大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉，因此不适合对大容 量电机降速，对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。量电机降速，对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。*转速越低，转差越大，电 阻发热越多，效率越低。*基本结论：串入电阻越大，转速越低，转差就越大， 机械功率在电磁功率中所占的比率就越低，效率 越低。n问题：如何在改变转子电流的基础上，提高技术 性能和经济性能？2.调速时，其机械特性随着转子回路附加电阻增加而变软，大大降

4、低了调速 精度。3.实际应用中，由于串入转子回路的附加电阻级数有限，无法实现平滑调速 。*s=1s=1时转子开路相电动势时转子开路相电动势s=1s=1时转子绕组的相漏抗时转子绕组的相漏抗串级调速的基本原理是什么？基本思路： 1.转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速； 2.转子不串入附加电阻-改为串入附加电动势同样可实现调速； 3.将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身，既提高效率 、又实现变转差率调速。 4.该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。工作原理：三相异步电动机的转子感应电压为：式中：转子电流为：*将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 a.

5、 如串入的附加电势与转子感生电势方向相反，频率相同* 这种向下调速的情况成为向低于同步速方 向的串级调速。b. 如串入的附加电势与转子感生电势 方向相同，频率相同* 这种向上调速的情况称为向高于同步 速方向的串级调速。*向低于同步速方向的串级调速w 串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl；w 串附加电动势之后：n 电机在转速n处实现平衡，转速调为n 。*向高于同步速方向的串级调速w 串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl；w 串附加电动势之后：n 电机在转速n 处实现平衡，转速调为n 。*二二. .串串级调级调级调级调 速的基本运行状速的基本运行状态态态态及功率关系及功率关

6、系串级调速系统基本运行状态：四种n在转子侧引入一个可控的附加 电动势，就可实现调速，这个调 速过程必然在转子侧形成功率的 传递。n在调节前后，转子电阻消耗功 率不变，但转差率s改变，即转差 功率改变；n功率的流向要么是从转子侧传 输到与之相连的交流网或外电路 中，要么是从外面吸收功率到转 子中来。*说明电网向电动机定子输入的电磁功率Pem一部分变为机械功率PM 从电动机轴输出；另一部分变为转差功率Ps通过产生0sl，Te0，则 装置回馈给电网。1. 低于同步转速的电动运行状态*2. 低于同步转速的回馈制动运行状态 说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率PM与从电网通过产生装置输入的转差功率Ps

7、之和，都变为电磁功率Pem，并通过电动机 定子回馈给电网。0sl，Te0，则*3. 高于同步转速的电动运行状态s0，Te0。则 说明从电网向电动机定子输入电磁功率Pem，同时从电网通过产生 装置向电动机转子输入转差功率Ps。电动机把定子和转子同时吸收的 电功率变为机械功率PM从轴上输出。*4. 高于同步转速的回馈制动运行状态s0，Te0。则 说明电动机从轴上吸收机械功率PM，一部分变为电磁功率Pem， 通过定子回馈给电网；另一部分变为转差功率Ps，通过产生 装置回馈给电网。*可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。超同步串级调速系统系统装置复杂，费用高。n实用的串级调速系统，一般采用低同

8、步串级调速：n将转子电路接整流电路；n在直流回路中串入直流附加电动势；n通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。*主要介绍低同步串级调速系统的基本类型。低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整 成直流电，在直流电路中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源 的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。从能量关系来说，低同步串级调速电动状态的基本能量关系是串 入附加电势，吸收转子降速引起的转差功率，并将吸收的功率回馈电 网的过程。 按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为电气串级调速系 统和机械串级调速系统两大类。*电气串级调速系统由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电

9、源， 通过控制逆变角控制转子转速，其交流侧通过逆变变压器接电网。 呈现恒转矩机械特性。*机械串级调速系统用直流电动机作为可控直流电源， 通过控制直流电动机的励磁控制转子转速。 所吸收转差功率可以通过直流电动机与绕线电动机 的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。 具有恒功率调速的特性 *对于电气串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的转矩为 ： 对于机械串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的机械功率 为：结论：电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。常数常数*n低同步串级调速系统n电气串级调速系统因效率高、技术成熟和低成本而获得广 泛应

10、用。n低同步机械串级调速系统的调速范围越大，所需直流电动 机容量也越大，只适用于大容量，调速范围小的恒功率生产 机械。超同步串级调速系统 优点：效率高，而且能四象限运行，调速装置容量小， 还可解决功率因数低的问题。 缺点：其主路和控制电路复杂，调速装置成本高， 使用场合：适用于需要四象限运行，大容量的生产机械 。*一.转子整流器的三种工作状态二.串级调速系统的调速特性三.串级调速系统的机械特性与最大转矩低同步串低同步串级调级调级调级调 速系速系统统统统的机械特性的机械特性*一一. .转转转转子整流器的三种工作状子整流器的三种工作状态态态态低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有

11、源逆变 器，这两部分电路的整流或逆变器件的开关过程会受到负载电流的影响。负载电流较小时换流速度较快，而负载电流较大时器件的换流速度较慢 ，换流速度慢会导致输出电压的降低，如果换流速度过慢甚至会引起电路故 障。下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。 分析前提条件:（1） 假设直流滤波电感足够大,转子整流器输出的直流电流平直。 （2） 整流二极管没有管压降。 （3） 忽略电动机内阻对二极管换相的影响。*分析注意事项:转子绕组感应电动势E2的幅值与频率都是转差率s的函数； 折算到转子侧的漏抗值也是转差率s的函数； 由于异步电机折算到转子侧的漏抗值比整流变压器的要大，换相 重叠现象严重

12、，转子整流器会出现“强迫延迟导通”现象。异步电机转子整流电路的工作与一般具有整流变压器的整流电路的 工作极为相似，因此可以引用电力电子整流电路分析中已有的一些结 论,但是要看到它们两者之间存在着差异，主要是： *（Id较小， 的情况 ）1.转子整流器的第一工作状态特征：转子电流较小，整流后直流电流Id也 较小；二极管整流器换相迅速，两个二极管之 间的换流重叠角较小。重叠角 随转子电流或Id的增大而增大 ，第一工作状态的小于等于600。 *可见，E20和XD0确定时，Id 越大，越大，当 时， 60o。 第一工作状态的边界时电压、电流波形由整流电路计算，得第一工作状 态下的重叠角计算公式：式中，

13、Id整流电流平均值；E20 转子开路时的相电动势 有效值；XD0 折算到转子侧的每相漏 抗(s=l时)。*（Id较大， 不变，出现强迫延时换相角）2.转子整流器的第二工作状态特征： 当重叠达到600，电流达到第一工作 状态最大电流（或一、二状态分界 电流Id1-2）以上，如果负载电流继 续增大，最初时重叠角会大于600， 但稳定以后，两个二极管的重叠会 均匀地保持600不变，但所有二极管 的换流都被迫从自然换流点向后延 迟一个角度 。电流越大，这个强迫延时换相 角就越大，但有： *3.转子整流器的故障状态特征： 当重叠达到600、 强迫延时 换相角达到300时的电压电流波 形如右图所示。如果负

14、载电流继续增大， 重叠角又会大于600，但强迫延 时换相角会保持300不变。原因 是：即使前面两个管子换流未 换完，后面该导通的管子也会 承受正压而导通，这样，就会 出现共阴极管和共阳极管都在 换流，四个二极管同时导通- 转子整流器短路的故障情况 。* 串级调速系统要避免运行 时严重过载的情况。 （Id过大， 的情况 ）*二二. .串串级调级调级调级调 速系速系统统统统的的调调调调速特性速特性 （n n或或s s与与电电电电流流IdId的关系式）的关系式）n或s与电流Id的关系式，需要从直流等效电路入手加以推导： 第一工作状态下，整流整流器-逆变器的直流回路等效电路如下：*由直流回路等效电路，

15、列出直流电压平衡方程：于是，推得转差率与电流之间的关系式：*将转差率s换成速度n，得串级调速系统的调速特性：式中，R、Ce均为常数，U受逆变角控制。该结果类似于直流电动机调压调速的速度表达式，但因R更大，故 串级调速的调速特性很软。第二工作状态下的调速特性更为复杂，推导从略。* 机械特性推导思路：在已经推出调速特性sId 关系之后，继续推导电磁转矩TeId关系，两者联立，得到机械特性sTe关系*二二. .串串级调级调级调级调 速系速系统统统统的机械特性的机械特性 （s s或或n n与与TeTe的关系）的关系）（一）第一工作状态的机械特性及最大转矩：于是：将第一、第二工作状态的边界电流Id1-2代入上式，得第一、第二工作 状态的分界转矩：* 第一、二工作状态的分界转矩Te1-2与电机固有最大转矩Temax的比例：将第一工作状态的转矩Id关系与前面推导的s-Id调速特性联立消 去Id， 得第一工作状态下机械特性：*该数值有利于机械特性曲线的作图*特征：串级调速系统在第一 工作状态下的机械特性如 右图中的“第一工作区”所 示。横轴为串调时的拖动 转矩与与电机自然特性最 大拖动转矩的比值。当负载比值达到 0.716及以上时，串级调 速系统进入第二工作状态 运行。 *（二）第二工作状态的机械特性及最大转矩第二工作状态下的方程