《交流调速系统 第2版 教学课件 ppt 作者 宋书中 常晓玲 主编 第二章 串级调速》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流调速系统 第2版 教学课件 ppt 作者 宋书中 常晓玲 主编 第二章 串级调速（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第一节 串级调速的原理与基本类型 第二节 低同步串级调速系统的机械特性 第三节 串级调速系统的效率和功率因数 第四节 串级调速的闭环控制系统 第五节 串级调速应用中的几个问题 第六节 串级调速系统应用实例,第二章 绕线转子异步电动机 串级调速系统,2,第一节 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,3,一. 串级调速的原理,转子串电阻调速方法有什么缺点？ 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法。 转子串电阻调速方法的主要缺点：大量转
2、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。 转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。 参照电动机内部各项功率表达式，对照能量关系图，可以估算出电动机的效率情况。 基本结论是： 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。,4,*转速越低，转差越大，电阻发热越多，效率越低。,5,串级调速的基本原理是什么？,针对绕线转子异步电动机转子串电阻调速方法转差功率消耗在电阻上，运行效率太低的缺点，引入了一种新的调速方法：基本思路是转子不串入附加电阻-改为串入附加电动势来调速，并将调速引起的转差功率损
3、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的方法，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：,6,将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势,a. 如串入的附加电势,与转子感生电势,方向相反，频率相同,则转子电流将变小：,转子电流,的减小，会引起交流电动机,拖动转矩的减小，设原来电机拖动转矩与负载 相等处于平衡状态，串入附加电势必然引起电 动机降速，在降速的过程中，随着速度减小， 转差率S增大，分子中sE2回升，电流也回升， 使拖动转矩升高后再次与负载平衡，降速过程 最后会在某一个较低的速度下重新稳定
4、运行。,* 这种向下调速的情况成为低于同步速的串级调速。（低同步串调）,7,b. 如串入的附加电势,与转子感生电势,方向相同，频率相同,则转子电流将变大：,转子电流,的增大，会引起交流电动机,拖动转矩的增大，设原来电机拖动转矩与负载 相等处于平衡状态，串入附加电势必然引起电 动机升速，在升速的过程中，随着速度增加， 转差率S减小，分子中sE2减小，电流也减小， 使拖动转矩减小后再次与负载平衡，降速过程 最后会在某一个较高的速度下重新稳定运行。,* 这种向上调速的情况称为高于同步速的串级调速。（超同步串调）,8,串级调速系统 有四种 基本运行状态：,二.串级调速的基本运行状态及功率关系,9,10
5、,11,12,三.串级调速系统的基本类型,要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流附加电势完成调速的基本思想，则所串入的交流附加电势应该满足如下条件：,1.首先，转子是三相交流电路，因此交流附加电势,应为三相对称,交流电。,因此附加的三相交流电势,3.附加的三相交流电势,可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。 实用的串级调速系统，一般采用将转子电路接整流电路，在直流回路中串入直流附加电势，通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。,2.转子感应的三相交流电势,的频率、大小都是随转差率变化的，,也应随之变频变压。,在控制过程中，要始终保持与转子感应的,相位相同或相反，即相位要同步。,
6、三相交流电势,13,主要介绍低同步串级调速系统的基本类型。 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。 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。 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
7、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。,14,绕线异步机,转子整流器,有源逆变器,绕线异步机,转子整流器,直流电动机,电气串级调速系统,机械串级调速系统,15,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。,* 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用。,常数,常数,16,第二节 低同步串级调速
8、系统的 机械特性 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,17,一.转子整流器的三种工作状态,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
9、对二极管换相的影响。,分析注意事项:,18,1.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。,（Id较小， 的情况 ）,19,由整流电路计算，得第一工作状态下的重叠角,计算公式：,20,第一工作状态的边界,电压、电流波形：,21,2.转子整流器的第二工作状态,（Id较大， 不变，出现强迫延时换相角）,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
10、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：,22,23,3.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 ）,24,二.串级调
11、速系统的调速特性 （n或s与电流Id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：,25,由直流回路等效电路，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：,26,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s
12、Te关系,27,二.串级调速系统的机械特性 （s或n与Te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：,28,* 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,29,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
13、级调速系统进入第二工作状态运行。,* 重要结论： 当串级调速系统带额定负载时运行于第一工作区内。,原因分析：电机过载倍数在2左右，即最大自然拖动转矩为额定转矩的2倍，所以额定负载TeN/Temax约为0.5，故额定负载线必然在0.716之内。,30,（二）第二工作状态的机械特性及最大转矩讨论：,第二工作状态下的方程推导过于复杂，这里只给出结论： 拖动转矩表达式为：,串调系统取得最大拖动转矩：,最大拖动转矩在机械特性曲线上的横轴位置：,* 重要结论： 串级调速系统与转子自然接线相比，最大拖动转矩减少到 原来的82.6%,即异步电动机的过载能力损失17%左右。,31,第三节 串级调速系统的 效率和
14、功率因数 一.串级调速系统的总效率 二.串级调速系统的总功率因数,32,一.串级调速系统的总效率,串调系统的总效率，是绕线异步电动机轴上输出功率P2与串调系统从电网输入的总有功功率PW之比。,串调系统功率关 系单线图 P为有功功率 Q为无功功率 系统从电网输入 的总有功功率Pw 是定子取用功率 P1和逆变变压器 返回功率PT的差。,33,设 、 、 分别为定子、转子、转子反馈电路的功率损耗， 为机械损耗，则有：,结论：串调系统系统具有较高的总效率。,理论上，如果忽略小的损耗，串级调速系统的总功率因数将接近100%。 实际运行中，大容量串级调速系统在接近满载时的效率可达90%以上。,原因分析：由
15、于串级调速系统的转差功率中的大部分被回馈电网。,34,二.串级调速系统的总功率因数,普通异步电动机的功率因数在0.80.9之间,如果采用串级调速而不采取任何改善功率因数的措施,则串级调速系统的总功率因数会很低,即使高速运行也只有0.6左右。 串级调速系统总功率因数低的原因有主要有两个： 1.由于逆变变压器和异步电动机均为电感性,工作时都要从电网吸收无功功率,所以其无功功率是相加的，使功率因数表达式中的分母增大，因此系统总功率因数降低。 分析参考总功率因数表达式：,2.由于转子整流器的接入造成了转子电流的换流重叠和波形畸变，使得绕线电动机自身的功率因数变低，从而也造成系统总功率因数降低。,35,
16、改善功率因数的方法： 方法一：在三相交流进线上接入功率补偿电容器。 方法二：采用高功率因数的串级调速系统。 有两种典型的电路结构：斩波式串级调速系统 GTO串级调速系统,（一）斩波式串级调速系统,整流器,斩波器 （占空比可调）,逆变器 （逆变角固定 在最小值）,36,（二）GTO串级调速系统,GTO称为可关断晶闸管，与普通晶闸管不同之处是该器件具有自关断能力，GTO串级调速系统，与晶闸管串级调速系统主电路基本相同，也是转子整流器接有源逆变器，但使用GTO的逆变器可以通过控制GTO的开通关断时刻，使逆变电路产生超前于电网电压的电流，从而使串级调速系统的逆变侧呈现电容性，提高总功率因数。 由于GTO价格较高，该控制方案适用于大容量绕线异步电动机的串级调速。,37,第四节 串级调速的 闭环控制系统 一.双闭环串级调速系统的组成和工作原理 二.双闭环串级调速系统的动态结构图,38,一.双闭环串级调速系统的组成和工作原理,绕线 异步 电动机,逆变 变压器,电流 互感器,转子 整流器,测速 发电机,速度
