《现代交流调速PPT电子教案第二章 绕线式异步电动机串级调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代交流调速PPT电子教案第二章 绕线式异步电动机串级调速系统（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一节第一节 串级调速的原理与基本类型串级调速的原理与基本类型第二节第二节 串级调速系统转子整流电路的工作特性串级调速系统转子整流电路的工作特性第三节第三节 串级调速系统的调速特性和机械特性串级调速系统的调速特性和机械特性第四节第四节 串级调速的效率和功率因数串级调速的效率和功率因数第五节第五节 串级调速闭环控制系统串级调速闭环控制系统第六节第六节 串级调速系统应用中的几个问题串级调速系统应用中的几个问题第七节第七节 串级调速系统应用实例串级调速系统应用实例 第二章第二章 绕线式异步电动机绕线式异步电动机 串级调速系统串级调速系统1第一节第一节 串级调速的原理与基本类型串级调速的原理与基本类型
2、 一一. .串级调速的原理串级调速的原理 二二. .串级调速的基本运行状态及功率关系串级调速的基本运行状态及功率关系 三三. .附加电动势的实现附加电动势的实现 四四. .次同步串级调速主电路次同步串级调速主电路2一一. . 串级调速的原理串级调速的原理 我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其我们知道，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。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：大量转差功率转子串电阻调速方法的主要缺点：大量转差功率将
3、在转子所串电阻上变成热量被消耗掉，因此不适合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。适宜长期运行。 基本结论是：基本结论是： 串入电阻越大，转速越低，转差就越大，机械串入电阻越大，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。功率在电磁功率中所占的比率就越低，效率越低。转子串电阻调速方法有什么缺点？转子串电阻调速方法有什么缺点？3 串级调速的基本原理是什么？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针对绕线转子异步电动机转子串电阻调速方
4、法转差功率消耗在电阻上，运行效率太低的缺点，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入附加电阻-改为串入附加电动势来调速，改为串入附加电动势来调速，并将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电并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的动机本身，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。调速控制方案。 4工作原理：工作原理：三相异步电动机的转子感应电压为：三相异步电动机的转
5、子感应电压为：式式中：中：转子电流为：转子电流为：异步电动机电磁转矩为：异步电动机电磁转矩为：由电动机结构确定的转矩系数气隙磁通折算到转子侧的定子电流转子侧功率因数5电磁转矩的表达式中：电磁转矩的表达式中： 转矩系数由电动机结构决定转矩系数由电动机结构决定 电源频率及定子相电压不变时，气隙磁通电源频率及定子相电压不变时，气隙磁通则不变则不变 转子侧功率因数由于转子侧功率因数由于S S通常较小而近似为通常较小而近似为1 1 电机稳定运行时，电磁转矩基本恒定电机稳定运行时，电磁转矩基本恒定因此上式中的电流因此上式中的电流 就基本是个恒定的值就基本是个恒定的值电流电流I2=CONST（常数）（常数）
6、6如果此时在电路中加入一个附加电动势如果此时在电路中加入一个附加电动势E Eaddadd，附加电动附加电动势的频率与转子相电动势势的频率与转子相电动势sEsE2020的频率相同，而相位相的频率相同，而相位相同或者相反同或者相反分母中只有分母中只有s s为变量，为变量，而而s s的值通常很少，从的值通常很少，从而可以认定分母为一而可以认定分母为一个不变的定值个不变的定值由于由于E E2020是一个是一个电机参数决定的电机参数决定的常数，因此常数，因此E Eaddadd的变化就能导致的变化就能导致S S发生变化发生变化7 将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势将绕线异步电动机的转子电路中串入
7、交流附加电势 Eadd a. a. 如串入的附加电势如串入的附加电势Eadd与转子感生电势与转子感生电势方向相反，频率相同方向相反，频率相同则转子电流将变小则转子电流将变小：转子电流转子电流将减小，会引起交流电动机将减小，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，动机降速，在降速的过程中，随着速度减小，转差率转差率S S增大，分子中增大，分子中sE2sE2回升，电流也回升，回升，电流也回升，使拖动转矩升高后再次与负载平衡，
8、降速过程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运行。最后会在某一个较低的速度下重新稳定运行。* 这种向下调速的情况成为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）低于同步速的串级调速。（低同步串调）8b. 如串入的附加电势如串入的附加电势EaddEadd与转子感生电势与转子感生电势方向相同方向相同，频率相同频率相同则转子电流将变大则转子电流将变大：转子电流转子电流的的增大，会引起交流电动机增大，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，串入附加电势引起电相等，处于平衡状态
9、，串入附加电势引起电动机升速，在升速的过程中，随着速度增加动机升速，在升速的过程中，随着速度增加，转差率转差率S S减小，分子中减小，分子中sEsE2 2减小，电流也减小，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。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）高于同步速的串级调速。（超同步串调）9在转子回路中串入附加电动势，不仅改变了转子在转子回路中串入附加电动势，不仅改变了转子回路的有功功率的大小，而且可以通过调节附加回
10、路的有功功率的大小，而且可以通过调节附加电动势的相位来调节异步电动机的功率因数（即电动势的相位来调节异步电动机的功率因数（即调节了转子电流的无功分量）调节了转子电流的无功分量）10二二.串级调速的基本运行状态及功率传递方向串级调速的基本运行状态及功率传递方向11串级调速系统有四种基本运行状态：串级调速系统有四种基本运行状态：snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1次同步速度电动运行状态次同步速度电动运行状态 电动机电动电动机电动运行运行0s10s1，从，从定子侧输入功定子侧输入功率，轴上输出率，轴上输出机械功率，而机械功率，而转差功率从转转差功率从转子侧馈送到电子侧馈送到电网。
11、网。 由于电机在由于电机在低于同步转速低于同步转速下工作，故称下工作，故称为为次同步转速次同步转速的电动运行的电动运行。12超同步转速电动状态超同步转速电动状态 PmTeCU 不断加大不断加大+ +EaddEadd，就可提高电机的转就可提高电机的转速。当接近额定转速。当接近额定转速时，如继续加大速时，如继续加大+ +EaddEadd，电机将加速，电机将加速到到s0s0的新的稳态下的新的稳态下工作，即电机在超工作，即电机在超过其同步转速下稳过其同步转速下稳定运行。定运行。电机处于定、转子双输入状态。绕线型异步电机在转子中电机处于定、转子双输入状态。绕线型异步电机在转子中串入附加电动势后可以在超同
12、步转速下作电动运行，并可串入附加电动势后可以在超同步转速下作电动运行，并可使输出超过其额定功率，这一特殊工况正是由定、转子双使输出超过其额定功率，这一特殊工况正是由定、转子双馈的条件形成的。馈的条件形成的。电机的轴上输出功电机的轴上输出功率由定子侧与转子率由定子侧与转子侧两部分输入功率侧两部分输入功率合成。合成。13电动机转子输出电动机转子输出转差功率，经附转差功率，经附加电动势回馈给加电动势回馈给电网，电网，定子也向电网回定子也向电网回馈功率。馈功率。 s0超同步速度再生制动状态超同步速度再生制动状态 -TePmCU电动机被负载拖电动机被负载拖动，产生电气制动，产生电气制动动14很多工作机械
13、为了提很多工作机械为了提高其生产率，希望电高其生产率，希望电力拖动装置能缩短减力拖动装置能缩短减速和停车的时间，因速和停车的时间，因此必须使运行在低于此必须使运行在低于同步转速电动状态的同步转速电动状态的电机切换到制动状态电机切换到制动状态下工作。下工作。 电机定子侧输出功电机定子侧输出功率给电网，电机成率给电网，电机成为发电机处于制动为发电机处于制动状态工作，并产生状态工作，并产生制动转矩以加快减制动转矩以加快减速停车过程。速停车过程。次同步速度再生制动状态次同步速度再生制动状态 Pm-TeCU 0s1 15 次同步速串调速系统的主要优点：次同步速串调速系统的主要优点： 在调速范围不大时，装
14、置容量小在调速范围不大时，装置容量小 系统把大部份转差功率回馈给了电网，所以在系统把大部份转差功率回馈给了电网，所以在低速时的效率较转差功率消耗型的调速系统要高低速时的效率较转差功率消耗型的调速系统要高 原因是异步电动机的功率因数本来就原因是异步电动机的功率因数本来就不高，再加上装置的变换电路及逆变变压器的不高，再加上装置的变换电路及逆变变压器的工作都要从电网中吸收无功功率工作都要从电网中吸收无功功率 。系统的功率因数低。系统的功率因数低。 串调系统的主要缺点串调系统的主要缺点:16 ：不是以电机是否工作在同步转速以不是以电机是否工作在同步转速以上或以下来区分超同步或次同步串级调速系统，上或以
15、下来区分超同步或次同步串级调速系统，而是以转差功率的传递方向来区分的。超同步串而是以转差功率的传递方向来区分的。超同步串调调速系统也会工作在同步转速以下（调调速系统也会工作在同步转速以下（超同步速超同步速串级调速系统的再生制动）串级调速系统的再生制动），次同步串调调速系，次同步串调调速系统也会工作在同步转速以上（统也会工作在同步转速以上（次同步速串级调速次同步速串级调速系统的回馈制动）系统的回馈制动）17 电动机转子电动势与电流的频率在不同转速电动机转子电动势与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下有不同的数值，其值与交流电网的频率往往不一致一致(f2=sf1)(f2
16、=sf1)，所以不能把电动机的转子直接与，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。或者交流电网相连，而必须通过一个中间环节。或者说，恒压恒频（工频）的交流电网不能向电动机说，恒压恒频（工频）的交流电网不能向电动机转子提供一个变频变压的附加电动势，需要通过转子提供一个变频变压的附加电动势，需要通过一个中间换流环节来解决。这个中间环节除了有一个中间换流环节来解决。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（进行变换的功能，故称为功率变换单元（Power Power Convert
17、er UnitConverter Unit，简称，简称CUCU）。）。三三. .附加电动势附加电动势EaddEadd的实现的实现18 要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流附要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流附加电动势完成调速的基本思想，则所串入的交流附加加电动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：电势应该满足如下条件： 1.1.首先，转子是三相交流电路，因此交流附加电势首先，转子是三相交流电路，因此交流附加电势应为三相对称应为三相对称交流电。交流电。 因此附加的三相交流电势因此附加的三相交流电势 3.3.附加的三相交流电势附加的三相交流电势 可见，可见，三
18、相交流附加电势的实现在实际中十分困难。三相交流附加电势的实现在实际中十分困难。 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。附加电势的大小来调速的控制方案。 2.2.转子感应的三相交流电势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，的频率、大小都是随转差率变化的，也应随之变频变压。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。相位相同或相反，
19、即相位要同步。三相交流电势三相交流电势19a)转子输出功率的工况次同步速串级调速系统主电路 20b)转子输入功率的工况超同步速串级调速系统主电路21 从能量关系来说，低同步串级调速电动状态的从能量关系来说，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。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
20、源的电压对转可调直流电源，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。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分为电气串级调速系统和机械串级调速系统两大类。四四.次同步串级调速系统次同步串级调速系统的基本类型及主电路。的基本类型及主电路。22电气串级调速系统由晶闸管有源逆变电路作为可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
21、转矩机械交流侧通过逆变变压器接电网。呈现恒转矩机械特性。特性。机械串级调速系统用直流电动机作为可控直流电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。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。机的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。23绕线异步机绕线异步机转子整流器转子整流器有源逆变器有源逆变器绕线异步机绕线异步机转子整流器转子整流器直流电动机直流电动机电气串级调速系统电气串级调速系统机械串级调速系统机械串级调速系统逆变变压器
22、逆变变压器24次同步速串级调速系统的构成次同步速串级调速系统的构成绕线转子绕线转子异步电动异步电动机机MA 起动电阻起动电阻R 切换用接触器切换用接触器1C、2C 串调装置主电路（交直交变频电路）串调装置主电路（交直交变频电路） 不控整流桥不控整流桥VR 平波电抗器平波电抗器有源逆变桥有源逆变桥VI 逆变变压器逆变变压器TI 测速信号取测速信号取自测速发电自测速发电机机TG 电流反馈电流反馈信号在逆信号在逆变桥交流变桥交流侧采样经侧采样经整流得到整流得到 电流反馈电流反馈信号也可信号也可在直流侧在直流侧采样得到采样得到 控制系统为转速、电流双闭环控制系统控制系统为转速、电流双闭环控制系统25
23、对于电气串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上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：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：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：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。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。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。常数常数常数常数26电动机稳态时：27如果
24、系统中的负载保持不变，则电动机会加速如果系统中的负载保持不变，则电动机会加速S减减小，小，sE20也就减小也就减小Id减小，达到另一个动态平衡减小，达到另一个动态平衡由于惯性维持不变增大Id增大Te增大28为逆变器的逆变角为逆变器的逆变角= -= -在上述的电路中，为了防止逆变颠覆，逆变角在上述的电路中，为了防止逆变颠覆，逆变角的取值范围为的取值范围为30309090取得最小值取得最小值30 30 ，电动机最低速运行，电动机最低速运行取得最大值取得最大值9090 ，电动机最高速运行，电动机最高速运行29b.起动控制：起动控制：控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与U的差值能产生足够大的 Id
25、，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大角以减小值 U ，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。 （1）起动：a.起起动条件：动条件：对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后直流电流Id，为此，转子整流电压Ud与逆变电压U间应有较大的差值。30b.b.调速过程：调速过程：随着转速的增高，相应地增大角以减小值 U ，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。 （2）调速a.a.调速原理调速原理：通过改变角的大小调节电动机的转速。 31结论：（1）串级调速系统能够靠调节逆变角实现平滑无级调速，（2）系统
26、能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。（3）停车串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。32第二节第二节 低同步串级调速系统整流低同步串级调速系统整流电路的工作特性电路的工作特性 一一. .转子整流器的电路转子整流器的电路 二二. .转子整流电路的三种工作状态转子整流电路的三种工作状态 33一一. .转子整流电路转子整流电路D0D0可以看成导通角可以看成导通角为为0 0的三相全控的三相全控整流电路整流电路两个三相半波两个三相半波可控整流电路可控整流电路串接串接34假设条件假设条
27、件（1 1）整流器件具有理想的整流特性，管压降及）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏电流均可忽略；漏电流均可忽略；（2 2）转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷）转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷大，直流电流波形平直；大，直流电流波形平直；（3 3）忽略电动机励磁阻抗及变压器绕组电阻的）忽略电动机励磁阻抗及变压器绕组电阻的影响。影响。 35n 换相重叠现象换相重叠现象 设电动机在某一转差率下稳定运行，转子设电动机在某一转差率下稳定运行，转子三相的感应电动势为三相的感应电动势为 e ea a、e eb b、e ec c。当各整流器当各整流器件依次导通时，必有器件间的换相过程，这时件依次导通
28、时，必有器件间的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠压降，如下图所示。相重叠压降，如下图所示。36换相重叠压降edr换相重叠角37根据电力电子学中可知：38二二. .整流电路的三种工作区域整流电路的三种工作区域1.1.第一工作区域第一工作区域 该工作区域中有两个晶闸管发生换流，换流该工作区域中有两个晶闸管发生换流，换流时两个晶闸管所在的支路都导通，一个管子的电时两个晶闸管所在的支路都导通，一个管子的电流逐渐减少至零从而关断，另一个管子的电流逐流逐渐减少至零从而关断，另一个管子的电流逐渐增大直至完全导通。渐增大直至完全导通。 两个管
29、子都处于导通时候称为换流重叠，从两个管子都处于导通时候称为换流重叠，从而有换流重叠角，当转子整流电流增大，换流重而有换流重叠角，当转子整流电流增大，换流重叠角叠角也随之增大。也随之增大。39此时由于是不可控整流电路，因此此时由于是不可控整流电路，因此a=0a=0，X XD D=sX=sXD0D0，E E2 2=sE=sE2020，上述的公式则可以变换为上述的公式则可以变换为40转子整流器输出电压和转子相电流的波形图如下：转子整流器输出电压和转子相电流的波形图如下：41当整流电路中的电流当整流电路中的电流Id增大到使得换流重叠角增大到使得换流重叠角=60=60时，前一对晶闸管换流的终点就成了下一
30、时，前一对晶闸管换流的终点就成了下一对换流晶闸管的换流的起点。因此我们把换流重对换流晶闸管的换流的起点。因此我们把换流重叠角叠角 6060时的工作区域称为时的工作区域称为第一工作区域。第一工作区域。 如果在此基础上整流电流再增大电路则进入第如果在此基础上整流电流再增大电路则进入第 二工作区域。下面我们先看二工作区域。下面我们先看=60=60时的电压电流时的电压电流波形图波形图42=60=60时的电压电流波形图时的电压电流波形图前一换流终前一换流终点为下一换点为下一换流起点，但流起点，但并没有出现并没有出现强迫延迟角强迫延迟角432.2.第二工作区域第二工作区域 在在=60=60时，时，负载电流
31、继续增大，最初时重负载电流继续增大，最初时重叠角会大于叠角会大于6060，但稳定以后，两个二极管的重，但稳定以后，两个二极管的重叠角会均匀地保持叠角会均匀地保持6060不变，但所有二极管的换不变，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流都被迫从自然换流点向后延迟一个角度a ap p。电流越大，这个强迫延时换相角电流越大，这个强迫延时换相角apap就越大，但就越大，但是是apap也有一个取值范围：也有一个取值范围：(0，3044 在第二工作区域内，在第二工作区域内， =60=60保持不变化，强迫保持不变化，强迫延迟角从大于零度到小于等于三十度之间变化。延迟角从大于零度到小于等于三十
32、度之间变化。此阶段电路中任何时刻均有三个晶闸管处于同时导此阶段电路中任何时刻均有三个晶闸管处于同时导通的状态。每个管子出现的强迫延迟角都相同。通的状态。每个管子出现的强迫延迟角都相同。此时电路中所对应的电压电流的表达式，可以用此时电路中所对应的电压电流的表达式，可以用第一工作区域中表达式中的第一工作区域中表达式中的=60=60，a= ap代替即代替即可。可。4546=60， 对应工作区域的电流电压图473.3.第三工作区域第三工作区域转子整流器的故障状态转子整流器的故障状态特征特征： 当重叠达当重叠达到到60600 0、 强迫延强迫延时换相角达到时换相角达到30300 0时的电压电流波时的电压
33、电流波形如右图所示。形如右图所示。（IdId过大过大， 的情况的情况 ）48 如果负载电流继续增大，重叠角又会大于如果负载电流继续增大，重叠角又会大于60600 0，但，但强迫延时换相角会保持强迫延时换相角会保持30300 0不变。原因是：即使前面两不变。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，就会出现而导通，这样，就会出现共阴极管和共阳极管都在换共阴极管和共阳极管都在换流，四个二极管同时导通流，四个二极管同时导通-转子整流器短路的故障转子整流器短路的故障情况情况 。* * 串级调速系统要避免运行时严重过载的情
34、况。串级调速系统要避免运行时严重过载的情况。为什么此时就是为什么此时就是故障情况呢？故障情况呢？49 转子整流电路的转子整流电路的 =f(Id)、 =f (Id)不同工作区域的不同工作区域的 和和 的变化曲线的变化曲线50第三节第三节 串级调速系统的调速特性串级调速系统的调速特性与机械特性与机械特性一一. .串级调速系统的调速特性串级调速系统的调速特性二二. .串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性51 n n与电流与电流I Id d和逆变角和逆变角之间的关系式之间的关系式，需要从直流，需要从直流等效电路入手加以推导：第一工作状态下，整流器等效电路入手加以推导：第一工作状态下，整流器-
35、-逆变器的直流回路等效电路如下：逆变器的直流回路等效电路如下：1.1.串级调速系统的调速特性串级调速系统的调速特性 （n n与电流与电流I Id d及逆变角之间的关系式）及逆变角之间的关系式）52转子整流电路的输出电压为转子整流电路的输出电压为逆变器直流侧电压逆变器直流侧电压电压平衡方程电压平衡方程53 由直流等效电路列出的由直流等效电路列出的第一工作状态下第一工作状态下的电压方程式的电压方程式将将 代入上式得转速代入上式得转速n n为为式中，式中，R R、C Ce e均为常数，均为常数，U U受逆变角控制。结果类似于受逆变角控制。结果类似于直流电动机调压调速的速度表达式，但因直流电动机调压调
36、速的速度表达式，但因R R更大，故更大，故串级调速的调速特性很软。串级调速的调速特性很软。54 改改变变，相相当当于于他他励励直直流流电电机机调调压压调调速速。特特性性为为n=f（Id），但但由由于于R比比直直流流电电机机电电枢枢回回路路总总电电阻阻大大，故故n=f（Id）相相对对要要软软一一些些。而而在在第第二二工工作作状状态态时时：特性更软特性更软。上式中上式中U U、R R、C CE E的表达式：的表达式：在串级调速在串级调速系统中，系统中，C CE E是负载电流是负载电流的函数，它的函数，它是使转速特是使转速特性成为非线性成为非线性的重要因性的重要因素素55第二工作区域的调速特性第二工
37、作区域的调速特性负载增大至第二工作区域时，出现强迫延迟角，从而负载增大至第二工作区域时，出现强迫延迟角，从而不变不变整流器输出端整流器输出端电压出现强迫电压出现强迫延迟的影响延迟的影响56第二工作区域中的转速表达式为第二工作区域中的转速表达式为：负载增加即整流电流增大，从而会使得转速减小。负载增加即整流电流增大，从而会使得转速减小。第二工作区域的调速特性比第一工作区域的特性更第二工作区域的调速特性比第一工作区域的特性更软。软。57* * 机械特性推导思路：在机械特性推导思路：在已经推出调速特性已经推出调速特性sIsId d 关系之后，关系之后， 继续推导电磁转矩继续推导电磁转矩T Te eI
38、Id d关系，关系， 两者联立，得到机械特性两者联立，得到机械特性sTsTe e关系关系2.2.串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性 （s s或或n n与与T Te e的关系）的关系）58异步电动机串级调速时的机械特性异步电动机串级调速时的机械特性 a) 大电机b）小电机59交流异步电动机的电磁转矩表达式为：交流异步电动机的电磁转矩表达式为：转子整流电路中如果忽略转子铜耗，则转子整流器转子整流电路中如果忽略转子铜耗，则转子整流器的输出功率就是电动机的转差功率，转差功率表达的输出功率就是电动机的转差功率，转差功率表达式为：式为：U Ud d60则则第一工作区域第一工作区域的电磁转矩表达式
39、如下：的电磁转矩表达式如下：其中的其中的C Cm m与串级调速系统与串级调速系统等效电势系数等效电势系数C Ce e表达式类似表达式类似61则则第二工作区域第二工作区域的电磁转矩表达式如下：的电磁转矩表达式如下：其中的其中的C Cm m与串级调速系统与串级调速系统等效电势系数等效电势系数C Ce e表达表达式类似式类似62第一工作状态的机械特性及最大转矩第一工作状态的机械特性及最大转矩把电流把电流I Id d的表达式代入上面电磁转矩的表达式中的表达式代入上面电磁转矩的表达式中要求最大值则求电磁转矩对转差率要求最大值则求电磁转矩对转差率s s求导等于零求导等于零63求得最大电磁转矩求得最大电磁转
40、矩T T1m1m和对应的临界转差率和对应的临界转差率S S1m1m为：为：64第一工作区域和第二工作区域交界处对应的电流第一工作区域和第二工作区域交界处对应的电流及电磁转矩的值为：及电磁转矩的值为：可以看出求导得到的最大电磁转矩大于电磁转矩可以看出求导得到的最大电磁转矩大于电磁转矩的临界值因此在第一工作区域实际取不到最大电的临界值因此在第一工作区域实际取不到最大电磁转矩的值。因此第一工作区域的实际最大电磁磁转矩的值。因此第一工作区域的实际最大电磁转矩为一二工作区域的临界值。转矩为一二工作区域的临界值。65第二工作状态的机械特性及最大转矩第二工作状态的机械特性及最大转矩按第一工作区域电磁转矩的求
41、法求第二工作区域的表按第一工作区域电磁转矩的求法求第二工作区域的表达式达式66求得最大电磁转矩求得最大电磁转矩T T2m2m和对应的临界转差率和对应的临界转差率S S2m2m为：为：=90=90时电磁转矩取得时电磁转矩取得最大值，最大值，a ap p=15=1567异步电动机忽略定子电阻时，正常接线时的最大电磁异步电动机忽略定子电阻时，正常接线时的最大电磁转矩为：转矩为：因此可以得出：因此可以得出：当串级调速系统带额定负载时运行当串级调速系统带额定负载时运行于第一工作区内。于第一工作区内。电机过载倍数在电机过载倍数在2 2左右，即最大自然拖动转矩为额左右，即最大自然拖动转矩为额定转矩的定转矩的
42、2 2倍，所以额定负载倍，所以额定负载T TeNeN/T/Temaxemax约为约为0.50.5，故额定负载线必，故额定负载线必然在然在0.7160.716之内。之内。串级调速系统与转子自然接线相串级调速系统与转子自然接线相比，最大拖动转矩减少到比，最大拖动转矩减少到 原来原来的的82.6%,82.6%,即异步电动机的过载能即异步电动机的过载能力损失力损失17%17%左右。左右。68异步电动机串级调速时的机械特性曲线图异步电动机串级调速时的机械特性曲线图s20横轴为串调横轴为串调时的拖动转时的拖动转矩与与电机矩与与电机自然特性最自然特性最大拖动转矩大拖动转矩的比值。的比值。负载比值达到负载比值
43、达到0.7160.716及以上时，串级及以上时，串级调速系统进入第二工作状态运行调速系统进入第二工作状态运行69第四节第四节 串级调速系统的效率串级调速系统的效率和功率因数和功率因数一一. .串级调速系统的总效率串级调速系统的总效率二二. .串级调速系统的总功率因数串级调速系统的总功率因数70一一. .串调系统的总效率串调系统的总效率是指串调系统电机轴上的输出功率与从电网输入的是指串调系统电机轴上的输出功率与从电网输入的总有功功率之比。下图是反映串调系统各部分有功总有功功率之比。下图是反映串调系统各部分有功和无功功率间关系的单线图。和无功功率间关系的单线图。P P为有功功率为有功功率Q Q为无
44、功功率，为无功功率，系统从电网输系统从电网输入的总有功功入的总有功功率率P Pw w是定子取是定子取用功率用功率P P1 1和逆和逆变变压器返回变变压器返回功率功率P PT T的差。的差。 71输入定子输入定子定子的铜耗和铁耗定子的铜耗和铁耗输入转子输入转子转子损耗转子损耗机械功率机械功率机械损耗机械损耗电动机轴上电动机轴上的输出功率的输出功率72P Pinin电网输入电网输入P Pi i输入定子输入定子P P1 1定子的铜、铁损耗定子的铜、铁损耗P Pe e转子输入转子输入P Ps s转差转差功率功率sPsPe e转子损耗转子损耗P P2 2逆变器回馈给电网的功率逆变器回馈给电网的功率P P
45、F FP Pi i转子中整流和逆变的损耗转子中整流和逆变的损耗P Pm m机械机械功率功率(1-s)P(1-s)Pe e机械损耗机械损耗P Pm m电动机轴上的输出功率电动机轴上的输出功率P Pexex731 1、定子输入功率定子输入功率定子输入功率定子输入功率Pi由电网向整个串调系统提供的有由电网向整个串调系统提供的有功功率功功率Pin及晶闸管逆变器返回到电网的回馈功率及晶闸管逆变器返回到电网的回馈功率PF构成；构成；定子输入功率定子输入功率Pi减去定子损耗减去定子损耗P1（包括定子的（包括定子的铜耗和铁耗）得到电磁功率铜耗和铁耗）得到电磁功率Pe；Pe中的一部分转中的一部分转变为转差功率变
46、为转差功率Ps，另一部分转变成机械功率，另一部分转变成机械功率Pm；2 2、旋转磁场传送的电磁功率、旋转磁场传送的电磁功率743、回馈电网的功率、回馈电网的功率转差功率减去转子损耗转差功率减去转子损耗P2和转子整流器、晶闸管逆变和转子整流器、晶闸管逆变器的损耗器的损耗Pi，剩下部分即为回馈电网的功率，剩下部分即为回馈电网的功率PF；4、电网向整个系统提供的有功功率：、电网向整个系统提供的有功功率：5、电机轴上输出功率：、电机轴上输出功率：；电机轴上输出功率电机轴上输出功率Pex则要从机械功率则要从机械功率Pm中减去机械损耗中减去机械损耗Pm后获得。后获得。756、串级调速系统的总效率、串级调速
47、系统的总效率 由于大部分转差功率被送回电网，使串级调速由于大部分转差功率被送回电网，使串级调速系统从电网输入的总有功功率并不多，故串级调系统从电网输入的总有功功率并不多，故串级调速系统的效率很高。效率可达速系统的效率很高。效率可达9090以上。以上。如果是转子串电阻的形式，如果是转子串电阻的形式，系统的效率会是多少呢？系统的效率会是多少呢？76二二. .串级调速系统的总功率因数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普通异步电动机的功率因数在0.80.90.80.9之间之间, ,如果采用串级调速而不采取任何改善功率因数的如果采用串级调速而不采取任何改善功率因数的措施措施, ,则串级
48、调速系统的总功率因数会很低则串级调速系统的总功率因数会很低, ,即使即使高速运行也只有高速运行也只有0.60.6左右。左右。 a.a.由于逆变变压器和异步电动机均为电感性由于逆变变压器和异步电动机均为电感性, ,工作工作时都要从电网吸收无功功率时都要从电网吸收无功功率, ,所以其无功功率是相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。统总功率因数降低。串级调速系统串级调速系统总功率因数低的原因总功率因数低的原因有主要有两个：有主要有两个：77b.b.由于转子整流器的接入造成了转子电流的换流由于转子整流器的接入造成了转子
49、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。数变低，从而也造成系统总功率因数降低。分析参考总功率因数表达式：分析参考总功率因数表达式：78方法二：采用高功率因数的串级调速系统。方法二：采用高功率因数的串级调速系统。改善功率因数的方法：改善功率因数的方法：方法一：接入电力电容器进行功率补偿。方法一：接入电力电容器进行功率补偿。有两种典型的电路结构：斩波式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 GTOGTO串级调速系统串级调速系统GTOGTO价格较高，该方案适用于大容量绕线价格较高，该方案适用于大
50、容量绕线异步电动机的串级调速。异步电动机的串级调速。通过控制通过控制GTOGTO开通关断时刻，使逆变电路产生超前于电网电压的开通关断时刻，使逆变电路产生超前于电网电压的电流，从而使系统的逆变侧呈现电容性，提高总功率因数电流，从而使系统的逆变侧呈现电容性，提高总功率因数占空比可调，占空比可调，逆变角固定于逆变角固定于最小值最小值79功率因数功率因数 定子相电压与串级调速系统的总电流定子相电压与串级调速系统的总电流( (定子相电定子相电流和逆变变压器一次侧相电流向量之和流和逆变变压器一次侧相电流向量之和) )之间的夹角之间的夹角为串级调速系统的总功率因数角。为串级调速系统的总功率因数角。 逆变角的
51、变化将使逆变变压器一次侧的电流相逆变角的变化将使逆变变压器一次侧的电流相位发生改变。逆变角增大，电机高速运转，系统功位发生改变。逆变角增大，电机高速运转，系统功率因数角减小，功率因数增大。率因数角减小，功率因数增大。一般情况下高速运行时：一般情况下高速运行时：=0.6=0.60.650.65 低速运行时：低速运行时：=0.4=0.40.50.5均低于正常接线时的功率因数水平均低于正常接线时的功率因数水平80串级调速形态中由于换流重叠角的存在以及强迫串级调速形态中由于换流重叠角的存在以及强迫延迟角的出现，都将使整流器通过电动机向电网延迟角的出现，都将使整流器通过电动机向电网吸收吸收换相无功功率换
52、相无功功率，从而使得串级调速系统的功，从而使得串级调速系统的功率因数降低。率因数降低。电力电容器进行相位补偿是因为能产生相位超前电力电容器进行相位补偿是因为能产生相位超前于相位电压的电流信号于相位电压的电流信号81缺点：电力电容器对电网谐波敏感，容易发热，况且与电缺点：电力电容器对电网谐波敏感，容易发热，况且与电机电抗之间容易产生自激现象，从而使电机端子电压升高机电抗之间容易产生自激现象，从而使电机端子电压升高TICU2CU1sPeM3M3M382 第五节第五节 串级调速的串级调速的 闭环控制系统闭环控制系统 一一. .双闭环串级调速系统的组成和工作原理双闭环串级调速系统的组成和工作原理 二二
53、. .双闭环串级调速系统的动态结构图双闭环串级调速系统的动态结构图 83一一. .双闭环控制串级调速系统的组成双闭环控制串级调速系统的组成 为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具须采用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具有有静态稳速与动态恒流静态稳速与动态恒流的双闭环控制方式。的双闭环控制方式。 由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指起动与加速过程性
54、能的改善，减速过程只能靠负载作指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。用自由降速。 与直流调速的区别：它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。 84为了防止逆变为了防止逆变器逆变颠覆，器逆变颠覆，在电流调节器在电流调节器ACRACR输出电压输出电压为零时，应整为零时，应整定触发脉冲输定触发脉冲输出相位角为出相位角为转速反馈信号取自转速反馈信号取自异步电动机轴上联异步电动机轴上联接的测速电机接的测速电机电流反馈信号取自逆变器电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。互感器取自转子
55、直流回路。85 逆变逆变变压器变压器绕线异步绕线异步电动机电动机 电流电流互感器互感器 转子转子整流器整流器 测速发测速发电机电机 速度速度调节器调节器 电流电流调节器调节器 晶闸管晶闸管触发器触发器 逆变器逆变器86二二. .串级调速系统的动态数学模型串级调速系统的动态数学模型可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构图均与直流调速系统中相同。在异步电动机构图均与直流调速系统中相同。在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。所以要单独处理。转子直流回路的传递函数转子直流回路的传递函数
56、列出串级调速系统转子直流回路的动态电压平列出串级调速系统转子直流回路的动态电压平衡方程式衡方程式87s=1s=1时转子整流器输出的空载电压时转子整流器输出的空载电压；逆变器直流侧的空载电压；逆变器直流侧的空载电压；转子直流回路总电感；转子直流回路总电感；折算到转子侧的折算到转子侧的电机每相漏感；电机每相漏感；折算到二次侧的逆折算到二次侧的逆变变压器每相漏感变变压器每相漏感平波电抗平波电抗器电感；器电感；转差率为转差率为s s时转子直流回路等效电阻时转子直流回路等效电阻88转子直流回路的时间常数 转子直流回路的放大系数 转子直流回路的动态结构图需要指出，串级调速系统转子直流回路传递函数中的时间常
57、数TLn和放大系数KLn都是转速n的函数，它们是非定常的。nn89 异步电动机的传递函数异步电动机的传递函数异步电动机的电磁转矩 电力拖动系统的运动方程式为 异步电动机在串级调速时的传递函数为 90双闭环串级调速系统的动态结构图双闭环串级调速系统的动态结构图：91调节器参数的设计 双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主要按抗扰性能考虑，即应使系统在负载扰动时有要按抗扰性能考虑，即应使系统在负载扰动时有良好的动态响应能力。良好的动态响应能力。 采用工程设计方法进行动态设计时，采用典型采用工程设计方法进行动态设计时，采用典型I I型系统设计电流环，转速环按典型
58、型系统设计电流环，转速环按典型IIII型系统设计。型系统设计。92 第六节第六节 串级调速应用中的串级调速应用中的 几个问题几个问题 一一. .电动机的选择电动机的选择 二二. .起动方式的选择起动方式的选择 三三. .串调装置的选择串调装置的选择 93一一. .电动机的选择电动机的选择串级调速系统电动机容量选择串级调速系统电动机容量选择： 首先按自然接线计算所需的电动机容量首先按自然接线计算所需的电动机容量P PL L，然后，然后乘以乘以1.15(1.151.15(1.151.2)1.2)倍左右的串级调速系数倍左右的串级调速系数K,K,得到得到串级调速后所需的绕线异步电动机容量串级调速后所需
59、的绕线异步电动机容量P P（1 1）串级调速系统的负载能力比自然接线损失）串级调速系统的负载能力比自然接线损失17%17%。（2 2）串级调速后电动机的功率因数降低。）串级调速后电动机的功率因数降低。（3 3）低速运行时，转子的高频谐波电流造成转子铜）低速运行时，转子的高频谐波电流造成转子铜损耗增加。损耗增加。94电动机转速的选择：电动机转速的选择： 由于串级调速系统的机械特性较软，电动机的由于串级调速系统的机械特性较软，电动机的额定转速选取要比生产机械所需的最高转速高出额定转速选取要比生产机械所需的最高转速高出10%10%左右。并进行适当的热校验和过载能力校验。左右。并进行适当的热校验和过载
60、能力校验。95二二. .串调装置的选择串调装置的选择 串调装置的额定电压或额定电流均指直流侧的串调装置的额定电压或额定电流均指直流侧的额定电压额定电压U Udndn和和额定电流额定电流I Idndn，选择算式如下：选择算式如下： 式中式中E E2n2n为为已选定电动机的转子开路线电压，已选定电动机的转子开路线电压，I I2n2n为为已选定电动机的转子额定电流。已选定电动机的转子额定电流。额定电压额定电压额定电流额定电流96直流侧额定电压与额定电流的乘积决定串级调直流侧额定电压与额定电流的乘积决定串级调速装置容量速装置容量。由算式可以发现，。由算式可以发现，调速范围调速范围D D越大，越大，所需
61、串调系统容量越大所需串调系统容量越大，成本越高。直接起动，成本越高。直接起动调速范围最大，故串级调速装置的设计容量就调速范围最大，故串级调速装置的设计容量就大。大。间接起动只需要按正常调速范围来设计串调间接起动只需要按正常调速范围来设计串调系统容量系统容量。97逆变变压器容量的选择：逆变变压器容量的选择：逆变电压与转子整流电压要平衡，则对逆变变压逆变电压与转子整流电压要平衡，则对逆变变压器二次侧的电压就有相应的匹配值。当器二次侧的电压就有相应的匹配值。当s s最大时：最大时：调速范围调速范围可以得到可以得到98则逆变变压器的容量为则逆变变压器的容量为调速范围越大，逆变变压器二次侧的电压越高，调
62、速范围越大，逆变变压器二次侧的电压越高，逆变变压器的容量也就越大。也就是说调速范逆变变压器的容量也就越大。也就是说调速范围越宽，系统通过串级调速系统回馈给电网的围越宽，系统通过串级调速系统回馈给电网的转差功率就越大。转差功率就越大。99三三. .起动方式的选择起动方式的选择 1.1.直接起动方式直接起动方式 利用串级调速装置直接起动电动机，不再另利用串级调速装置直接起动电动机，不再另接起动设备进行起动。接起动设备进行起动。 起动时要串入最大的直流附加电势，因此将起动时要串入最大的直流附加电势，因此将逆变角置为最小，然后逐渐增大逆变角，使串级逆变角置为最小，然后逐渐增大逆变角，使串级调速系统升到
63、所需的转速。调速系统升到所需的转速。 直接起动的缺点是所需的串级调速装置容量直接起动的缺点是所需的串级调速装置容量较大，直接起动适合于调速范围要求很大的负载。较大，直接起动适合于调速范围要求很大的负载。100 间接起动时一般在转子电路串入频敏变阻器或电间接起动时一般在转子电路串入频敏变阻器或电阻器。阻器。 2.2.间接起动方式间接起动方式 利用外加的起动设备进行起动，当速度进入利用外加的起动设备进行起动，当速度进入调速范围的速度下限时，再切除起动设备，将转调速范围的速度下限时，再切除起动设备，将转子电路与串级调速装置接通，对电动机进行调速子电路与串级调速装置接通，对电动机进行调速范围之内的无级
64、变速运行。范围之内的无级变速运行。 如果生产机械对调速范围要求不高，应尽量如果生产机械对调速范围要求不高，应尽量使用间接起动方式，以节约串级调速装置的容量。使用间接起动方式，以节约串级调速装置的容量。101 第七节第七节 串级调速系统串级调速系统 应用实例应用实例 一一. .计算机控制（微机、计算机控制（微机、PLCPLC，单片机，单片机，DSPDSP）的串）的串 级调速装置级调速装置 二二. .晶闸管串级调速系统参数的工程计算晶闸管串级调速系统参数的工程计算 102以教材以教材5959面的第八题，请大家计算并选择器件，面的第八题，请大家计算并选择器件，同时设计相应的系统框图及主电路，控制电路的同时设计相应的系统框图及主电路，控制电路的原理图。控制器采用单片机为微处理器。原理图。控制器采用单片机为微处理器。作业以小论文的形式书写。此次作业计入平时作业以小论文的形式书写。此次作业计入平时成绩。平时成绩以成绩。平时成绩以40-50%40-50%的比例计入总成绩。的比例计入总成绩。交作业的时间：交作业的时间：9 9月月3030日日103
