串级调速系统概要课件

,第,4,章 交流调压调速系统和串级调速系统,第一节 概 述,第二节 交流异步电动机调压调速系统,第三节 绕线式异步电动机串级调速系统,第4章 交流调压调速系统和串级调速系统第一节 概 述,一、交流调速系统的特点,（,1,）容量大。,（,2,）转速高且耐高压。,（,3,）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。,（,4,）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。,（,5,）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流,拖动系统一样的性能指标。,（,6,）交流调速系统能显著地节能。,从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。,一、交流调速系统的特点,二、交流调速系统的分类,从交流电机转速表达式：,可归纳出三类调速方法：,变极对数,p,的调速、变转差率,s,调速及变电源频率,f,1,调速。,原始的分类方法有,：,1,）变极调速；,2,）变,s,调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、,绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；,3,）变频调速。,二、交流调速系统的分类可归纳出三类调速方法： 原始的分,科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：,（,1,）转差功率消耗型,调速系统,：,转差功率全部转化成热能而被消耗掉。,特点,：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。,（,2,）转差功率回馈型,调速系统,转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。,特点,：效率高。串级调速属该类系统。,（,3,）转差功率不变型,调速系统,调速过程中，转差功率基本不变。,特点,：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。,科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：（1,第二节 交流异步电动机调压调速系统,一、交流异步电动机调压调速原理和方法,1,、调压调速原理,异步电动机的机械特性方程式,当,s,一定时， ，改变,U,1,得到一组不同的人为特性如图,4-1,所示。在带恒转矩负载,T,L,时，可得到不同的稳定转速，如图中的,A,、,B,、,C,点。,第二节 交流异步电动机调压调速系统 当s一定时，,图,4-1,异步电动机在不同电压下的机械特性,图4-1 异步电动机在不同电压下的机械特性,2,、调压调速方法,获取交流调压电源的方法：,（,1,）,调压器调压,如图,4-2,（,a,）所示。,图,4-2,异步电动机调压调速原理,2、调压调速方法图4-2 异步电动机调压调速原理,（,2,）饱和电抗器调压,如图,4-2,（,b,）所示，饱和电抗器,L,S,是带有直流励磁绕组的交流电抗器。,（,3,）晶闸管交流调压器调压,如图,4-2,（,c,）所示。单相调压电路如图,4-3,所示，其控制方法有两种：,1,）相位控制方式,通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图,4-4,所示。,特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。,（2）饱和电抗器调压（3）晶闸管交流调压器调压,图,4-4,晶闸管相位控制下的负载电压波形,图,4-3,晶闸管单相调压电路,图4-4 晶闸管相位控制下的负载电压波形 图4-3,2,）开关控制方式,把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比,t,0,/ t,p,来调节。输出电压波形如图,4-5,所示。,图,4-5,晶闸管开关控制下的负载电压波形,特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。,2）开关控制方式图4-5 晶闸管开关控制下的负载电,二、交流调压电路,晶闸管三相交流调压电路如图,4-6,所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。,图,4-6,三相全波星形联结的调压电路,二、交流调压电路图4-6三相全波星形联结的调压电路,电路正常工作的条件：,（,1,）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。,（,2,）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。,（,3,）要求,U,、,V,、,W,三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差,120,，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差,120,；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差,180,。,根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为,VT,1,、,VT,2,、,VT,3,、,VT,4,、,VT,5,、,VT,6,、,VT,1,，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为,60,。,电路正常工作的条件：,三、闭环控制的调压调速系统,（一）异步电动机调压调速时的机械特性,1,、普通异步电动机调压调速时存在的问题,1,）普通异步电动机调压时调速范围不大（恒转矩负载），如图,4-1,中,A,、,B,、,C,点；,2,）在,s,s,m,的低速段，调速范围虽大，但系统运行不稳定，且低速时，转差功率增大，转子阻抗减小，转子电流增大。,2,、解决问题的措施,使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图,4-7,所示。,三、闭环控制的调压调速系统 1、普通异步电动机调压调速时,图,4-7,高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性,可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。,图4-7 高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：,（二）闭环控制的调压调速系统,转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速,静差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。,（,a,）原理图,（二）闭环控制的调压调速系统（a）原理图,（,b,）静特性,图,4-8,转速闭环调压调速系统,（b）静特性,（三）调压调速系统闭环静态结构图,图,4-9,调压调速系统静态结构框图,它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只,要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成,晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电,动机即可。,（三）调压调速系统闭环静态结构图 图4-9调压调速系统静态,（四）调压调速系统的可逆运行及制动,图,4-10,电动机的正、反转及制动电路,（四）调压调速系统的可逆运行及制动图4-10 电动,（四）调压调速系统的可逆运行及制动,1,、可逆运行,方法：改变定子供电电压的相序，如图,4-10,所示。图,中晶闸管,16,供给电动机定子正相序电源；而晶闸管,710,及,1,、,4,供给定子反相序电源。,2,、反接制动与能耗制动,反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的,6,个元,件。 耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。,例：使,1,、,2,、,6,三个元件导通，其它元件都不工作，这样,就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。,所以调压调速系统具有良好的制动特性。,（四）调压调速系统的可逆运行及制动 1、可逆运行,（五）调压调速系统中的能耗与效率分析,1,、转差功率,P,s,传到转子上的电磁功率,P,2,与转子轴上输出的机械功率,P,M,之差,P,s,为,P,s,称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步,电动机的能量流程图。,（五）调压调速系统中的能耗与效率分析 1、转差功率Ps,2,、电动机的效率,若忽略其它损耗，则电动机的效率为,讨论：,1),恒转矩负载时：有,T,e,=,T,L,不变；因,f,1,不变，故,n,0,不变，,电磁功率,P,2,也不变。随着转速的降低，转差功率,sP,2,增,大，效率降低。,2),风机泵类负载时：有,T,e,=,T,L,=,Kn,2,，,T,e,、,P,2,随转速以平,方速率下降，尽管低速时，,s,增大，但总的转差功率,P,s,=,sP,2,下降，损耗变小。,故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。,2、电动机的效率讨论：,四、电磁转差离合器调速系统,电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。,（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理,四、电磁转差离合器调速系统,1,、电磁转差离合器的组成,它由电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。,1),直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电供电，产生固定磁场；,2),机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；,3),电枢：圆筒形实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套在异步电动机,5,的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生涡流；,4),磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴,6,上而输出转矩，在机械上与电枢,3,无连接，借助气隙分开；,5),异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；,6),从动轴：输出机械转矩；,7),是磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分,。,1、电磁转差离合器的组成,2,、电磁转差离合器的转动原理,1,）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座气隙电枢气隙磁极导磁体机座；,2,）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；,3,）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；,4,）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，与主磁通合成并产生转矩；,5,）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就带着生产机械一同旋转。,2、电磁转差离合器的转动原理,3,、电磁转差离合器的转速和转向,1,）从动轴的转速,n,取决于励磁电流的大小；,2,）从动轴的转向则取决于原动机的转向。,电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。,3、电磁转差离合器的转速和转向,（二）电磁转差离合器的机械特性及调速系统,1,、电磁转差离合器的机械特性,式中,n,1,原动机转速；,T,e,电磁转差离合器轴上输出转矩；,I,L,电磁转差离合器的励磁电流；,K,与电磁转差离合器结构有关的常数。,经验公式表达：,（二）电磁转差离合器的机械特性及调速系统式中 n1原动机,2,、电磁转差离合器闭环调速系统,电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得,10:1,的调速范围。闭环系统的组成与相应的静特性如下图所示。,2、电磁转差离合器闭环调速系统,第三节 绕线式异步电动机串级调速系统,一、串级调速原理,（一）串电阻调速的原理,绕线式异步机在转子回路中串接电阻的调速原理：,从串电阻调速的原理中可获得串级调速的启发。,第三节 绕线式异步电动机串级调速系统 一、串级调速原理 从,。,已经降低，实现了调速,达到新的平衡，但速度,使,=,-,dL,e,e,dL,e,e,f,T,T,T,I,s,n,dt,dn,T,T,T,I,E,2,2,0,0,),(,（二）串级调速原理,在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通,过改变附加电势的幅值和相位实现调速。,。已经降低，实现了调速达到新的平衡，但速度使=,当转子串入的附加电势,E,f,相位与转子电势,sE,20,的相位相差,180,时，电机在额定转速以下调速，称为次同步调速。,当附加电势,E,f,相位与转子感应电势,sE,20,的相位相同时，串,级调速可向高于同步转速的方向调速。,（三）串级调速系统的基本类型,工程上获取与转子感应电势,sE,20,反相位同频率且频率随,转子频率变化的交流变频电源,E,f,比较困难，所以在次同步,串级调速系统中采用整流器将转子电势,sE,20,整流为直流电,势，再与转子回路中串入的直流附加电动势,E,进行比较。,而可调直流附加电动势,E,在工程上比较容易实现。,按产生直流附加电势方式的不同，次同步串级调速系统,可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。,当转子串入的附加电势Ef相位与转子电势sE20的相位相差,1.,电气串级调速系统,系统中，直流附加电势,E,由逆变器,UI,产生，改变逆变角就,改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势,E,，可实,现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功,率为： ，角速度 ，则电机输出转矩为：,，恒转矩调速特性。,1.电气串级调速系统，恒转矩调速特性。,2,、机械串级调速系统,机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势,E,由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势,E,的值，实现串级调速。,在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：,（,1-,s,）,P,2,+s,P,2,=,P,2,=,常数。具有恒功率调速特性。,2、机械串级调速系统,二、电气串级调速系统中电动机转子的工作状态,转子整流器与一般整流器的不同点：,1,）转子三相感应电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也是转差率,s,的函数。,3,）电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，引起转子整流电路的特殊工作状态,。,（,1,）第一工作状态：转子整流器的换流重叠角,0 60,二极管元件在自然换流点换流。,（,2,）第二工作状态：换流重叠角保持,=60,不变，强迫延迟换流角在,0 30,间变化。,强迫延迟换流角 ：二极管元件的起始换流点从自然换流点向后延迟一段时间，这段时间所对应的 角。,二、电气串级调速系统中电动机转子的工作状态转子整流器与一般整,（,3,）第三工作状态：,=30,不变，随,I,d,增大 从,60,继续增大。第三工作状态属于故障工作状态。,图,4-19,转子整流电路的,=,f(I,d,),、,=,f,(,I,d,),（3）第三工作状态： =30不变，随Id增大,三、串级调速系统的调速特性和机械特性,（一）串级调速系统的调速特性,图,4-19,电气串调系统主回路接线图和直流等效电路,三、串级调速系统的调速特性和机械特性图4-19 电气串调系,由直流等效电路列出的,第一工作状态下,的电压方程式,将 代入上式得转速,n,为,改变,，相当于他励直流电机调压调速。特性为,n,=,f,（,I,d,），但由于,R,比直流电机电枢回路总电阻大，故,n,=,f,（,I,d,）相对要软一些。,而在第二工作状态时：特性更软,。,由直流等效电路列出的第一工作状态下的电压方程式将,（二）串级调速系统的机械特性与最大转矩,因转子整流器有第一和第二工作状态，所以串调系统机械特性也有第一和第二两个工作区。,串调系统的额定工作点位于机械特性第一工作区；串调系统在该区的过载能力比绕线式异步电机固有特性的过载能力降低了,17,左右。而最大转矩发生在第二工作区。,串调系统的机械特性比绕线异步电动机固有机械特性软，最大转矩比固有机械特性的小。,（二）串级调速系统的机械特性与最大转矩 串调系统的机械特,四、双闭环控制的串级调速系统,1.,双闭环串调系统的组成,图,4-22,双闭环串级调速系统的组成框图,2.,串级调速系统的调速原理,四、双闭环控制的串级调速系统图4-22 双闭环串级调速系,整定触发脉冲，使逆变角为最小值,min,。通常,min,限制为,30,，以防止逆变失败。当,ACR,的输出电压为上限幅值时，应整定逆变角为最大值,max,=90,。 利用,ASR,的输出饱和限幅值和,ACR,的电流负反馈调节作用，使双闭环串调系统在加速过程中实现恒流升速，获得良好的加速特性。,（二）闭环串调系统动态结构图,双闭环串调系统的设计方法与双闭环直流调速系统基本相同，通常也采用工程设计方法。即先设计电流环，然后把设计好的电流环看作是速度环中的一个等效环节，再进行转速环的设计。应用工程设计方法进行动态设计时，电流环宜按典,系统设计，转速环宜按典,系统设计。,整定触发脉冲，使逆变角为最小值min。通常min限,图,4-23,双闭环串级调速系统的动态结构图,图4-23 双闭环串级调速系统的动态结构图,五、串级调速系统的效率和功率因数,（一）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。,五、串级调速系统的效率和功率因数,1,、定子输入功率,定子输入功率,P,1,由电网向整个串调系统提供的有功功率,P,W,及晶闸管逆变器返回到电网的回馈功率,P,T,构成；,2,、旋转磁场传送的电磁功率,定子输入功率,P,1,减去定子损耗,P,1,（包括定子的铜耗和铁耗）得到电磁功率,P,2,；,P,2,中的一部分转变为转差功率,P,s,，另一部分转变成机械功率,P,M,；,1、定子输入功率定子输入功率P1由电网向整个串调系统提供的有,3,、回馈电网的功率,转差功率减去转子损耗,P,2,和转子整流器、晶闸管逆变器的损耗,P,s,，剩下部分即为回馈电网的功率,P,T,；,4,、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,P,0,则要从机械功率,P,M,中减去机械损耗,P,m,后获得。,3、回馈电网的功率转差功率减去转子损耗P2和转子整流器、晶,6,、串级调速系统的总效率,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,90,以上。,6、串级调速系统的总效率 由于大部分转差功率被送回电,(,二,),串级调速系统的总功率因数,晶闸管串调系统功率因数低。,主要原因：,1,、逆变变压器和异步电机都要从电网吸收无功，故串调系统比固有特性下异步电机从电网吸收的无功增多，而串调系统把转差功率的大部分又回馈给电网，使系统从电网吸收的有功减少，这是造成串调系统功率因数低的主要原因。例：,1),串调系统从电网吸收的有功功率,P,w,等于异步电机从电网吸收的有功,P,1,与通过逆变器回馈到电网的有功功率,-,P,T,的代数和，即,P,W,=,P,1,-,P,T,，有功功率减少；,2),串调系统从电网吸收的无功,Q,w,等于异步电机吸收的无功,Q,1,与逆变变压器吸收的无功,Q,T,之和，即,Q,w=,Q,1,+,Q,T,，无功功率增加。,(二) 串级调速系统的总功率因数,串调系统的总功率因数降低为,式中,P,W,串调系统从电网吸收的总有功功率；,S,串调系统的总视在功率。,2,、由于串调系统接入转子整流器，不仅出现换流重叠现象，还使转子电流发生畸变，这将使异步电机本身的功率因数降低，这是造成串调系统功率因数低的另一个原因。,为改善串调系统的功率因数，提出多种解决方法，可归为两大类：一类是利用电力电容器补偿；另一类是采用高功率因数的串级调速系统。,串调系统的总功率因数降低为 式中 PW串调系统从电网吸,