《电力拖动自动控制系统--运动控制系统第4版 教学课件 ppt 作者 阮毅 陈伯时 第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动自动控制系统--运动控制系统第4版 教学课件 ppt 作者 阮毅 陈伯时 第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第7章,绕线转子异步电动机双馈调速系统,绕线转子异步电动机双馈调速系统,转差功率是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能也是异步电动机调速的主要目的之一。作为异步电动机，必然有转差功率，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。,要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。 对于绕线型异步电动机，定、转子电路可以同时与外电路相连，转差功率可以从转子输出，也可以向转子馈入，故称作双馈调速系统。,绕线转子异步电动机双馈调速系统,“双馈”的一个特点是转差功率可以回馈到电网，也可以由电网馈入。至于电功率是馈入定
2、子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电动机的工况而定。 绕线转子异步电动机双馈调速方法早在20世纪30年代就已被提出，到了6070年代，当可控电力电子器件出现以后，才得到更好的应用。,绕线转子异步电动机双馈调速系统,绕线型异步电动机双馈调速工作原理 绕线型异步电动机串级调速系统 串级调速的机械特性 串级调速系统的技术经济指标 双闭环控制的串级调速系统 串级调速系统的起动方式 绕线转子异步风力发电机组,内 容 提 要,7.1 绕线转子异步电动机双馈调速工作原理,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运
3、行。 在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。,7.1.1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的作用,图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图,转子附加电动势的作用,异步电动机运行时其转子相电动势为 (7-1) 式中 异步电动机的转差率；,绕线型异步电动机转子开路相电动势，也就是转子开路额定相电压值。,转子相电流,在转子短路情况下，转子相电流的表达式为 （7-2） 式中 转子绕组每相电阻； 时的转子绕组每相漏抗。,串电
4、阻调速,在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，转子电流 会在外接电阻上产生一个交流电压 ，这一交流电压与转子电流有着相同的频率和相位，调速时产生的转差功率被消耗在外接电阻上。,转子附加电动势的作用,如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势 来代替外接电阻，附加电动势的幅值和频率与交流电压 相同，相位与转子电动势 相反（如图7-1所示），则它对转子电流的作用与外接电阻是相同的，附加电动势将会吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。,转子附加电动势的原理图,图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图,转子附加电动势的作用,引入附加电动势后，电动机转子回路的合电动势减小了，转子电流和电磁转
5、矩也相应减小，由于负载转矩未变，电动机必然减速，因而 增大，转子电动势 随之增大，转子电流 也逐渐增大，直至转差率增大到 时，转子电流又恢复到负载所需的值，电动机便进入新的较低转速的稳定状态。,转子附加电动势的作用,此时，未串入附加电动势和串入附加电动势后的转子电流相等 : 而减小 则可使电动机的转速升高。所以在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。,7.1.2 绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况,在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的附加电动势并改变其幅值，就可以实现对电动机转速的调节。 可控附加电动势的引入必然在转子侧形成功率的传送，可以把转子侧的转差功率
6、传输到与之相连的交流电源或外电路中去，也可以是从外面吸收功率到转子中来。从功率传送的角度看，可以认为是用控制异步电动机转子中转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的调节。,7.1.2 绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况,考虑到电动机转子电动势与转子电流的频率在不同转速下有不同的数值( )，其值与交流电网的频率往往不一致，所以不能把电动机的转子直接与交流电网相连，而必须通过一个中间环节。这个中间环节除了有功率传递作用外，还应具有对不同频率的电功率进行变换的功能，故称为功率变换单元（Power Converter Unit，简称CU），见图7-2。,图7-2 绕线型异步电动机在转子附加电动势时的
7、工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态 d)超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态 CU功率变换单元,忽略机械和杂散损耗时，异步电动机的功率关系为 （7-4） 电动机定子传入转子的电磁功率， 包括转子损耗的转子电路输入功率， 即转差功率， 电动机轴上输出或输入的功率。 由于转子侧串入附加电动势极性和大小不同， 和 都可正可负，因而可以有以下几种不同的工作 状况。,1.电动机在次同步转速下作电动运行,异步电动机定子接交流电网，转子短路，转子轴上带有反抗性的恒值额定负载（对应的转子电流为 ），此时电动机在固有机械特性上以额定转差率 运行。若在转子
8、侧每相加上附加电动势 （与 反相， ），根据式（7-3），转子电流将减小，从而使电动机减速，转子电流回升，最终进入新的稳态运行。,此时，转子回路的电势平衡方程式为 若继续加大 值，则 值继续增大，转速还将降低，实现了对电动机的调速。,对照式（7-4）可知，由于电动机作电动运行，转差率为0s1，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收从转子侧馈送到电网，其功率流程示于图7-2a。由于电动机在低于同步转速下工作，故称为次同步转速的电动运行。,2.电动机在反转时作倒拉制动运行,设异步电动机在转子侧已接入一定数值+ 的情况下作电动运行，其轴上带有位能性恒转矩负载（这
9、是进入倒拉制动运行的必要条件）。此时若逐渐增大 值，且使 ，根据式（7-3）的平衡条件，可使 ，则电动机将反转。这表明在附加电动势与位能负载外力的作用下，可以使电动机进入倒拉制动运行状态（在 、n坐标系的第四象限）。,值越大，电动机的反向转速越高。由于 ，故式（7-4）可改写作: 此时由电网输入电动机定子的功率和由负载输入电动机轴的功率两部分合成转差功率，由附加电势吸收从转子侧馈送给电网，见图7-2b。,3. 电动机在超同步转速下作回馈制动运行,进入这种运行状态的必要条件是有恒定机械外力作用在电动机轴上，方向与电动机转速方向相同，并使电动机能在超过其同步转速 的情况下运行。 典型的工况为电动车
10、辆下坡的运动，车辆上坡时电动机作电动运行，下坡时车辆重量形成的坡向分力能克服各种磨擦阻力而使车辆下滑，为了防止下坡速度过高，被车辆拖动的电动机便需要产生制动转矩以限制车辆的速度。,超同步转速下作回馈制动运行,此时电动机的运转方向和上坡时一样，但运行状态却变成回馈制动，转速超过其同步转速 ，转差率 ，转子电动势 和转子电流 的相位都与电动运行时相反。,若处于发电状态运行的电动机转子回路再串入一个与转子电动势 反相的附加电动势 。根据式（7-3）， 电动机将在比未串入 时的转速更高的状态下作回馈制动运行。,超同步转速下作回馈制动运行,由于电动机处在发电状态工作，由负载通过电动机轴输入机械功率，经过
11、机电能量变换分别从电动机定子侧与转子侧馈送至电网。这一结果也可从式（7-4）得到，此时式（7-4）可改写成 （式中 与 本身都为负值）。超同步速回馈制动状态的功率流程示于图7-2c。,4. 电动机在超同步转速下作电动运行,当电动机已在 的情况下作电动运行，轴上拖动恒转矩的额定负载，若转子侧串入了与 同相的附加电动势 ，则式（7-3）变为： 从前面讨论可知，只要不断加大附加电动势的幅值 ，就可提高电动机的转速。,4. 电动机在超同步转速下作电动运行,当电动机的转速到达或超过额定转速时，如继续加大 ，转子电动势 必然反相变负，电动机将加速到 的新的稳态下工作，即超同步电动运行状态。必须指出，此时电
12、动机转速虽然超过了其同步转速，但它仍拖动着负载作电动运转。因此电动机轴上可以输出比其铭牌所示额定功率还要高的功率。,4. 电动机在超同步转速下作电动运行,电动机轴上输出机械功率由定子侧与转子侧两部分输入电功率合成，电动机处于定、转子双输入状态，式（7-4）可改写成 ： （式中s本身为负值）。 其功率流程示于图7-2d。,5电动机在次同步转速下作回馈制动运行,当电动机在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入与转子电动势 反相的附加电动势 （注意在电动状态工作时 ）。根据式（7-3）可知，若使 大于 ， 变为负值，电动机即可进入制动状态，工作在 范围内的第二象限。,5电动机在次同步转速下作回馈制
13、动运行,回馈电网的功率一部分由负载的机械功率转换而成，另一部分则由转子提供。由式（7-4）可知，电动机的功率关系为： 此时转子从电网获取转差功率 ，功率流程图如图7-2e所示。,5电动机在次同步转速下作回馈制动运行,以上五种工况都是异步电动机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况1,2,3中，转子回路输出电功率，可以先把转子的交流电功率变换成直流，然后再逆变至电网。此时功率变换单元CU的组成如图7-3a所示，其中CU1是整流器，CU2是有源逆变器。对于工况4和5，电动机转子要从电网吸收功率，必须用一台变频器与转子相连，其结构如图7-3b，CU2工作在可控整流状态，CU1工作在逆变状态。,绕线转
14、子异步电动机转子侧连接的功率变换单元,图7-3 绕线型异步电动机转子侧连接的功率变换单元,7.2绕线转子异步电动机串级调速系统,在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的附加电动势 。怎样才能获得这样的附加电动势呢？,7.2.1串级调速系统的工作原理,对于转子侧输出转差功率的情况来说，比较方便的办法是，将异步电动机的转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都更加容易。,7.2.1串级调速系统的
15、工作原理,对直流附加电动势的技术要求：首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。 根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图7-3a中所示的功率变换单元CU2。,图7-4 电气串级调速系统原理图,串级调速系统的工作原理,系统在稳定工作时，必有 。 由图7-4可以写出整流后的直流回路电压平衡方程式： 或 (7-5) 式中， 、 UR与UI的电压整流系数，如两者都是三相桥式电路，则 ；,串级调速系统的工作原理,从式(7-5)中可以看出， 中包含了电动机的转差率s，而 与电动机转子交流电流 之间有固定的比例关系，因此它近似地反映了电动机电磁转矩的大小，而角是控制变量。所以该式可以看作是在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式 。,串级调速系统的工作原理,1起动 异步电动机在静止不动时，其转子电动势为 ；控制逆变角，使在起动开始的瞬间， 与 的差值能产生足够大的 ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的
