交流调速系统与变频器应用 教学课件 ppt 作者 田效伍 第3章 串级调速2

1、2019年5月20日星期一,第一节 串级调速的原理与基本类型 第二节 绕线转子异步电动机串级调速时的 机械特性 第三节 串级调速系统的效率和功率因数 第四节 双闭环控制的串级调速系统 第五节 串级调速系统的应用,第三章 绕线转子异步电动机 串级调速系统,2019年5月20日星期一,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,2019年5月20日星期一,绕线型异步电动机的转子,2019年5月20日星期一,绕线型异步电动机的转子,集电环,2019年5月20日星期一,三相绕线型异步电动机示意图,转子三相绕组接成 Y 形,短接或 外接对称电阻等,2019年5月20日星期一,一. 串级调速的原理,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。 优点:简单方便 主要缺点： 1.低效率 R2FI2Ten实现调速；但 ns转差功率Ps=s.Pem， 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

2、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。,2019年5月20日星期一,*转速越低，转差越大，电阻发热越多，效率越低。,2019年5月20日星期一,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。,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。,2019年5月20日星期一,s=1时转子开路相电动势 s=1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：,2019年5月20日星期一,将绕线异步电动

3、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,* 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。,2019年5月20日星期一,向低于同步速方向的串级调速,串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：,电机在转速n处实现平衡，转速调为n 。,2019年5月20日星期一,向高于同步速方向的串级调速,串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：,电机在转速n 处实现平衡，转速调为n 。,2019年5月20日星期一,二.串级调速的基本运行状态及功率关系,串级调速系统基本运行状态： 四种,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。 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； 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。,2019年5月20日星期一,说明电网向电动机定子

4、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,2019年5月20日星期一,2. 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,2019年5月20日星期一,3. 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。,2019年5月20日星期一,4. 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。,2019年5月20日星期一,三.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

5、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。,3.附加的三相交流电势,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。,三相交流电势,两类：超同步串级调速系统 低同步串级调速系统,（一）超同步串级调速系统,因此交流附加电势,2019年5月20日星期一,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。,实用的串级调速系统，一般采用低同步串级调速： 将转子电路接整流电路； 在直流回路中串入直流附加电动势； 通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。,2019年5月20日星期一,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

6、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。,2019年5月20日星期一,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。,2019年5月20日星期一,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,2019年5月20日星期一,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,2019年5月20日星期一,低同步串级调速系统 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。 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

7、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。,2019年5月20日星期一,一.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,第二节 低同步串级调速系统的 机械特性,2019年5月20日星期一,一.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） 忽略电动机内阻对二极管换相的影响。,2019年5月20日星期一,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

8、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，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：,2019年5月20日星期一,（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。,2019年5月20日星期一,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， 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)。,2019年5月20日星期一,（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

9、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：,2019年5月20日星期一,3.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 ）,2019年5月20日星期一,二.串级调速系统的调速特性 （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：,2019年5月20日星期一,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：,2019年5月20日星期一,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,2019年5月20日星期一,二.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：,2019年5月20日星期一,* 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

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