第七章 绕线转子异步电动机调速系统

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,第,7,章,绕线转子异步电动机调速系统,内容提要,7.1,绕线转子异步电动机串级调速原理,7.2,串级调速系统的性能,7.3,转速、电流双闭环串级调速系统,7.4,超同步串级调速系统,7.1,绕线转子异步电动机串级调速原理,7.1.1,异步电动机转子附加电动势时的工作情况,绕线式异步电动机运行时，其转子相电动势为,（,7-1,）,式中,s,异步电动机的转差率；,E,20,绕线转子异步电动机在转子不动时的相电势，或称开路电动势、转子额定相电压。,式中,R,2,转子绕组每相电阻；,X,20,s,=1,时转子绕组每相漏抗。,式（,7-1,）说明，转子电动势,E,2,值与其转差率,s,成正比，同时它的频率,f,2,也与,s,成正比，,f,2,=,s f,1,。当转子按常规接线时，转子相电流的方程式为,（,7-2,）,现在在转子电路中引入一个可控的交流附加电动势,E,add,，并与转子电动势,E,2,串联。,E,add,应与,E,2,有相同的频率，但与,E,2,同相或反相，如图,7-l,所示。,转子电路的电流方程式如下,由于转子电流,I,2,与负载的大小有直接关系，当电动机的负载转矩,T,L,恒定时，可以认为不论转速高低转子电流,I,2,都不变，即在不同的,s,值下式（,7-2,）和式（,7-3,）相等。设附加电动势,E,add,=0,时，电动机在,s,=,s,1,的转差率下稳定运行。当加入反向的附加电动势后，电动机转子回路的合成电动势减小了，转子电流和电磁转矩也相应减小，由于负载转矩未变，电动机必然减速，因而,s,增大，转子总电动势增大，转子电流也逐渐增大，直至转差率增大到,s,2,（,s,1,）时，转子电流又恢复到原值，电动机进入新的稳定运行状态。此时,s,1,与,s,2,之间有如下关系,（,7-3,）,可见，改变附加电动势,E,add,的大小，即可调节电动机的转差率,s,，亦即调节电动机的转速。同理，如果引入同相的附加电动势，则可使电动机的转速增大。,7.1.2,串级调速的各种运行状态及功率传递关系,在异步电动机转子中串入附加电势而形成的串级调速系统，从功率关系来看，实质上就是利用附加电势由,E,add,来控制异步电动机转子中的转差功率而实现调速的。因此，串级调速的各种基本运转状态，可以通过功率的传递关系来加以说明。,串级调速可实现,5,种基本运转状态，不同运转状态下的功率传递关系如图,7-2,所示。图中忽略了电动机内部的各种损耗，认为定子输入功率,P,1,就是转子电磁功率,P,em,。,由于转子侧串入附加电动势极性和大小的不同，,s,和,P,m,都可正可负，因而可以有以下五种不同的工作情况。,1.,电机在次同步转速下作电动运行,工作条件：,转子侧每相加上与,E,r0,同相的附加电动势,+,E,add,（,E,add,E,r0,），并把转子三相回路连通。,运行工况：,电机作电动运行，转差率为,0 ,s, 1,，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率。,s,n,T,e,sP,m,sP,1,P,1,(1+,s,),P,1,CU,0,0,1,n,1,a,） 次同步速电动状态,2.,电机在反转时作倒拉制动运行,工作条件：,轴上带有位能性恒转矩负载（这是进入倒拉制动运行的必要条件），此时逐渐减少,+,E,add,值，并使之反相变负，只要反相附加电动势,E,add,有一定数值，则电机将反转。,运行工况：,电机进入倒拉制动运行状态，转差率,s, 1,，此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子侧馈送给电网。,功率流程,b,）反转倒拉制动状态,T,e,0,1,2,s,-n,-n,1,CU,电机在超同步转速下作回馈制动运行,工作条件：,进入这种运行状态的必要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速,n,1,的情况下运行。,此时，如果,处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与,sE,r0,反相的附加电动势,+,E,add,，电机将在比未串入,+,E,add,时的转速更高的状态下作回馈制动运行。,运行工况：,电机处在发电状态工作，,s, 1,，电机功率由负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。,功率流程,c,） 超同步速回馈制动状态,-T,e,CU,.,电机在超同步转速下作电动运行,工作条件：,设电机原已在,0,s, 1,作电动运行，,转子侧串入了同相的附加电动势,+,E,add,，,轴上拖动恒转矩的反抗性负载。,当接近额定转速时，如继续加大,+,E,add,电机将加速到的新的稳态下工作，即电机在超过其同步转速下稳定运行。,运行工况：,电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成，电机处于定、转子双输入状态，其输出功率超过额定功率。,功率流程,d,） 超同步速电动状态,T,e,CU,电机在次同步转速下作回馈制动运行,电机工作条件：,很多工作机械为了提高其生产率，希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间，因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。,设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入一定的,+,E,add,。要使之进入制动状态，可以在电机转子侧突加一个反相的附加电动势。,在次同步转速下作回馈制动运行,在低于同步转速下作电动运行，,E,add,由,“,+,”,变为,“,-,”,，,并使,|-,E,add,|,大于制动初瞬的,sE,r0,，电机定子侧输出功率给电网，电机成为发电机处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减速停车过程。,功率流程,e,） 次同步速回馈制动状态,-T,e,CU,五种工况小结,五种工况都是异步电机转子加入附加电动势时的运行状态。,在工况,a,b,c,中，转子侧都输出功率，可把转子的交流电功率先变换成直流，然后再变换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率。,7.1.3,串级调速系统的基本类型,在异步电动机转子回路中串入附加电动势固然可以改变电动机的转速，但由于电动机转子回路感应电动势,E,2,的频率随转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必须能随电动机转速而变化。这种调速方法就相当于在转子侧加入了一个可变频、可变幅的电压。由于在工程上获取可变频、可变幅的可控交流电源是有一定难度的，因此常变换到直流电路上来处理，即先将电动机转子电动势整流成直流电压，然后引入一个直流附加电动势，调节直流附加电动势的幅值就可以调节异步电动机的转速,直流附加电动势技术要求,按前述，首先它应该是平滑可调的，以满足对电机转速的平滑调节。另外从功率传递的角度来看，希望能吸收从电动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用，譬如把能量回馈电网，而不让它无谓地损耗掉，这就可以大大提高调速的效率。根据上述两点，如果选用工作在逆变状态的晶闸管可控整流器作为产生附加直流电动势的电源，是完全能满足上述要求的。,按产生直流附加电动势的方式不同，次同步串级调速系统可分为电气串级调速系统、机械串级调速系统。,1.,电气串级调速系统,图,7-3,为根据前面的讨论而组成的异步电动机电气串级调速系统原理图。图中异步电动机以转差率,s,在运行，其转子电动势,sE,20,经三相不可控整流装置,UR,整流，输出直流电压,U,d,。工作在逆变状态的三相可控整流装置,UI,除提供可调的直流输出电压,U,i,作为调速所需的附加电动势外，还可将经,UR,整流后输出的电动机转差功率逆变，并回馈到交流电网。图中,TI,为逆变变压器，,L,为平波电抗器。两个整流装置的电压,U,d,与,U,i,的极性以及电流,I,d,的方向如图,7-3,所示。,可写出整流后的转子直流回路的电压平衡方程式,或,（,7-4,）,式中,K,1,、,K,2,UR,与,UI,两个整流装置的电压整流系数，如果都采用三相桥式整流电路，则,K,1,=,K,2,=2.34,；,U,2T,逆变变压器的二次相电压；,工作在逆变状态的可控整流装置,UI,的逆变角；,R,转子回路总电阻。,在电动机负载转矩不变的条件下作稳态运行时，可以近似认为,I,d,为恒值，当增大,角时，逆变电压,U,i,减小，电动机转速因存在机械惯性尚未变化，,U,d,仍维持原值，直流回路电流,I,d,增大，转子电流,I,2,也相应增大，电动机加速；转子整流电压,U,d,随转速增大而减小，直至,U,d,与,U,i,依式取得新的平衡，电动机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小,时，电动机减速。,图,7-3,中，除电动机外，其余装置都是静止型的元器件，故称这种系统为静止型电气串级调速系统。由上述原理可见，系统转子侧构成了一个交一直一交有源逆变器，由于逆变器通过变压器与交流电网相连，其输出频率是固定的，因而是一个有源逆变器。由此可见，这种调速系统可以看作是电动机定子恒频恒压供电下的转子变频调速系统。由于其值可平滑连续变化，因而电动机的转速也能平滑地连续调节。这种调速方法因为逆变器能将电动机的转差功率回馈到交流电网，比之转子串电阻调速可大大提高调速系统的效率，故称为转差功率回馈型的调速方法。,2.,机械串级调速系统,机械串级调速系统在国际上又称为,Kramer,系统，其原理图如图,7-4,所示。异步电动机转子电动势经整流后，接到一台与异步电动机同轴相连的直流电动机上，共同拖动负载。系统中直流附加电动势由直流电动机产生，通过改变直流电动机励磁电流的大小就可以改变电枢感应电动势，相当于改变直流附加电动势的大小，从而实现串级调速。当不计电机的各种损耗时，异步电机从电网吸收的功率为,P,，直接输送给负载的机械功率为,P,(1-,s,),，另一部分转差功率,sP,经转子整流器送给直流电机。由于直流电机与异步电机同轴硬性连接，直流电机吸收的转差功率,sP,转变为轴上的机械功率仍然又输送给负载。这样串级调速系统调到低速运转时，负载得到的机械功率总和为,P,(1-,s,)+,sP,=,P,，具有恒功率的调速特性。因为转速太低时直流电机不能产生足够的附加电势，所以调速范围不大，通常在,2:1,以内。,7.2,串级调速系统的性能,7.2.1,串级调速系统的机械特性,在串级调速系统中，电动机的同步转速由电源频率与电动机的结构决定，且恒定不变，但其理想空载转速是可调的，由式（,7-4,），设,K,1,=,K,2,，当,I,d,=0,时，有,即,（,7-5,）,由式（,7-5,）可见，改变,角时,s,0,也随之改变。在系统中，,角的调节范围对应于电动机调速范围的上、下限，一般逆变角的调节范围为,30,90,。其下限,30,是为了防止逆变颠覆而设置的最小逆变角，其具体数值也可根据系统的电气参数来设定。由式（,7-4,）还可看出，在不同的,角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。,1.,转子整流电路的工作特性,典型的次同步串级调速系统如图,7-3,所示，该系统中的核心部分是有源逆变器和转子整流器，该转子整流器与一般整流器有以下几点不同。,（,1,）转子三相感应电动势的幅值和频率都是转差率,s,的函数。,（,2,）折算到转子侧的漏抗值是转差率,s,的函数。,（,3,）由于电动机折算到转子侧的漏抗值较大，换流重叠现象严重，转子整流器会出现“强迫延迟换流”现象，从而引起转子整流电路的特殊工作状态。,由于电动机存在漏抗，使换流过程中电流不能突变，因而产生换流重叠角，转子整流器换流重叠角,的一般公式为,（,7-6,）,式中,X,D0,s,=1,时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。,由式（,7-6,）可知，当,E,20,和,X,D0,确定时，换流重叠角,随着电流,I,d,的增大而增大。当,I,d,时，,60,器件在自然换流点换流；当,I,d,=,时，,=60,，此时，若继续增大,I,d,，会出现强迫延迟换流现象，即器件的起始换流向后延迟一段时间，这段时间用强迫延迟换流角,P,来表示，在这一阶段，,保持,60,不变，而,P,在,0,30,间变化。当,P,=30,后再继续增大,I,d,时，,P,保持,30,不变；而随着,I,d,增大，,从,60,继续增大。因此，串级调速时转子整流电路有,3,种工作状态。,（,1,）,0,60,，在自然换流点换流的工作状态为第一工作状态。,（,2,）保持,=60,不变，而,P,在,0,30,间变化的工作状态为第二工作状态。,（,3,）,P,=30,不变，随着,I,d,增大，,从,60,继续增大的工作状态为第三工作状态。该工作状态属于故障工作状态，故不对它进行讨论。,2.,串级调速系统的转速特性和机械特性,串级调速系统主电路接线图及相应的等效电路如图,7-5,所示，在等效电路中，忽略了导通二极管、晶闸管的管压降。,（,1,）第一工作区的转速特性和机械特性,根据图,7-5b),所示的等效电路，可以列出其转子整流器在第一工作状态下的电压平衡方程式为,（,7-7,）,式中,U,d0,转子整流器在,s,=1,时的理想空载输出电压，,U,d0,=2.34,E,20,；,U,i0,逆变器直流侧的理想空载电压，,U,i0,=2.34,U,2T,cos,R,D,折算到转子侧的异步电动机每相等效电阻，,；,X,D,0,在,s,=1,时折算到转子侧的异步电动机每相漏抗；,由转子漏抗引起的换相压降；,R,L,直流平波电抗器的电阻；,R,T,折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻，,；,X,T,折算到二次侧的逆变变压器每相漏抗，,；,由逆变变压器每相等效漏抗引起的换相压降。,从式（,7-7,）中可求出转差率,s,为,将,代入式（,7-8,），则转速为,（,7-8,）,（,7-9,）,令,则式（,7-9,）可简化为,（,7-10,）,由,上,式可见，串级调速系统当转子整流电路运行在第一工作区时所具有的机械特性类似于他励直流电动机调压调速的机械特性。在串级调速系统中，调节,角大小就可以改变,的大小，相当于改变他励直流电动机电枢的外加直流电压。,I,d,相当于他励直流电动机的电枢电流。串级调速系统中的等效电阻,相当于他励直流电动机的电枢回路总电阻，它决定了机械特性的硬度，由于串级调速系统中的等效电阻,比直流电动机电枢回路总电阻要大，故机械特性较软。,异步电动机在不考虑转子损耗时，转子整流器的输出功率就等于电动机的转差功率，即,而转差功率,P,s,与电动机机械功率的关系为,将式（,7-11,）代入式（,7-12,）得,（,7-11,）,（,7-12,）,（,7-13,）,利用式（,7-13,）和式（,7-7,）可以求得串级调速系统在第一工作区的机械特性表达式,式中，,s,0,为串级调速系统在某,值下的理想空载（,I,d,=0,）时的转差率，即,（,7-14,）,（,7-15,）,将式（,7-14,）对,s,求导，并令,，可求得理论上的最大转矩为,将第一、二工作区分界点电流,代入式（,7-13,）可得第一、二工作区分界点的转矩为,（,7-16,）,（,7-17,）,将式（,7-17,）与式（,7-16,）相比，可得,由式（,7-18,）可知，,T,(1-2),s,1,0,）的电动状态时，如果突然改变,1UR,与,2UR,的控制角，使它们分别处于逆变与整流状态，则电压,和,极性都反向，且使,，而转子直流回路电流方向不变，因此转差功率变成负值，变成从转子侧输入。在此瞬间，由于转速来不及变化，电磁转矩也变成负值，表明此时电磁转矩是制动转矩，在,T-s,坐标系的第二象限工作，成为次同步速的再生制动状态，如图,7-2,（,d,）所示。与此相对应，超同步速的电动状态也可以突然切换到超同步速的再生制动状态。,