(精品)绕线转子异步电动机双馈调速系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。,对于绕线型异步电动机，定、转子电路可以同时与外电路相连，转差功率可以从转子输出，也可以向转子馈入，故称作双馈调速系统。,绕线转子异步电动机双馈调速系统,“,双馈”的一个特点是转差功率可以回馈到电网，也可以由电网馈入。至于电功率是馈入定子绕组和,/,或转子绕组，还是由定子绕组和,/,或转子绕组馈出，则要视电动机的工况而定。,绕线转子异步电动机双馈调速方法早在,20,世纪,30,年代就已被提出，到了,6070,年代，当可控电力电子器件出现以后，才得到更好的应用。,绕线转子异步电动机双馈调速系统,绕线型异步电动机双馈调速工作原理,绕线型异步电动机串级调速系统,串级调速的机械特性,串级调速系统的技术经济指标,双闭环控制的串级调速系统,串级调速系统的起动方式,绕线转子异步风力发电机组,内 容 提 要,7.1,绕线转子异步电动机双馈调速工作原理,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行。,在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。,7.1.1,绕线转子异步电动机转子附加电动势的作用,图,7-1,绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图,转子附加电动势的作用,异步电动机运行时其转子相电动势为,(7-1),式中,异步电动机的转差率,；,绕线型异步电动机转子开路相电动势，也就是转子开路额定相电压值。,转子相电流,在转子短路情况下，转子相电流的表达式为,（,7-2,）,式中,转子绕组每相电阻；,时的转子绕组每相漏抗。,串电阻调速,在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，转子电流 会在外接电阻上产生一个交流电压 ，这一交流电压与转子电流有着相同的频率和相位，调速时产生的转差功率被消耗在外接电阻上。,转子附加电动势的作用,如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势 来代替外接电阻，附加电动势的幅值和频率与交流电压 相同，相位与转子电动势 相反（如图,7-1,所示），则它对转子电流的作用与外接电阻是相同的，附加电动势将会吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。,转子附加电动势的原理图,图,7-1,绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图,转子附加电动势的作用,引入附加电动势后，电动机转子回路的合电动势减小了，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 增大，转子电动势 随之增大，转子电流 也逐渐增大，直至转差率增大到 时，转子电流又恢复到负载所需的值，电动机便进入新的较低转速的稳定状态。,转子附加电动势的作用,此时，未串入附加电动势和串入附加电动势后的转子电流相等,:,而减小 则可使电动机的转速升高。所以在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。,7.1.2,绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况,在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的附加电动势并改变其幅值，就可以实现对电动机转速的调节。,可控附加电动势的引入必然在转子侧形成功率的传送，可以把转子侧的转差功率传输到与之相连的交流电源或外电路中去，也可以是从外面吸收功率到转子中来。从功率传送的角度看，可以认为是用控制异步电动机转子中转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的调节。,7.1.2,绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况,考虑到电动机转子电动势与转子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一致，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。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进行变换的功能，故称为功率变换单元（,Power Converter Unit,，简称,CU,），见图,7-2,。,图,7-2,绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程,a),次同步速电动状态,b),反转倒拉制动状态,c),超同步速回馈制动状态,d),超同步速电动状态,e),次同步速回馈制动状态,CU,功率变换单元,忽略机械和杂散损耗时，异步电动机的功率关系为,（,7-4,）,电动机定子传入转子的电磁功率，,包括转子损耗的转子电路输入功率，,即转差功率，,电动机轴上输出或输入的功率。,由于转子侧串入附加电动势极性和大小不同，和,都可正可负，因而可以有以下几种不同的工作,状况。,1.,电动机在次同步转速下作电动运行,异步电动机定子接交流电网，转子短路，转子轴上带有反抗性的恒值额定负载（对应的转子电流为 ），此时电动机在固有机械特性上以额定转差率 运行。若在转子侧每相加上附加电动势 （与,反相，），根据式（,7-3,），转子电流将减小，从而使电动机减速，转子电流回升，最终进入新的稳态运行。,此时，转子回路的电势平衡方程式为,若继续加大 值，则 值继续增大，转速还将降低，实现了对电动机的调速。,对照式（,7-4,）可知，由于电动机作电动运行，转差率为,0s,。,由图,7-4,可以写出整流后的直流回路电压平衡方程式：,或,(7-5),式中，、,UR,与,UI,的电压整流系数，如两者都是三相桥式电路，则；,串级调速系统的工作原理,从式,(7-5),中可以看出，中包含了电动机的转差率,s,，而 与电动机转子交流电流 之间有固定的比例关系，因此它近似地反映了电动机电磁转矩的大小，而,角是控制变量。所以该式可以看作是在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式。,串级调速系统的工作原理,1,起动,异步电动机在静止不动时，其转子电动势为 ；控制逆变角,，使在起动开始的瞬间，与 的差值能产生足够大的 ，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。,串级调速系统的工作原理,随着异步电动机转速的增高，其转子电动势减少，为了维持加速过程中动态转矩基本恒定，必须相应地增大,角以减小 值，维持 基本恒定。当电动机加速到所需转速时，不再调整,角，电动机即在此转速下稳定运行。,串级调速系统的工作原理,设此时的,则式（,7-5,）可写作,式中 为对应于负载转矩的直流回路电流。,串级调速系统的工作原理,2,调速当增大,角使,=,2,1,时，逆变电压 减小，但电动机的转速不能立即改变，所以 将增大，电磁转矩增大，使电动机加速。随着电动机转速的增高，减少，回落，直到新的平衡状态，电动机在增高了的转速下稳定运行。式中,串级调速系统的工作原理,3,停车 对于处于低同步转速下运行的双馈调速系统，必须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制动。在串级调速系统中与转子连接的是,不可控整流装置,，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不可能向转子输入电功率。因此串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小,角减小 ，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。,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,）系统能把绕线型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。,*,7.2.2,串级调速系统的其它类型,机械串级调速系统（或称,Kramer,系统），其原理图如图,7-5,所示。在绕线型异步电动机同轴上装有一台直流电动机，异步电动机的转差功率经整流后传给直流电动机，后者把这部分电功率变换为机械功率，再帮助异步电动机拖动负载，从而使转差功率得到利用。,机械串级调速系统,在图,7-5,中，直流电动机的电动势就相当于直流附加电动势，通过调节直流电动机的励磁电流 可以改变其电动势，从而调节交流电动机的转速。增大 可使电动机减速，反之则可使电动机加速。,从功率传递的角度看，如果忽略调速系统中所有的电气与机械损耗，认为异步电动机的转差功率全部为直流电动机所接受，并以机械功率 的形式从轴上输出给负载。则负载轴上所得到的机械功率 应是异步电动机与直流电动机两者轴上输出功率之和，并恒等于电动机定子输入功率 ，而与电动机运行的转速无关。,恒功率调速,所以这类机械串级调速系统属于恒功率调速，其特点是系统在低速时能够产生较大的转矩输出，因而适用于一些需要低速大转矩传动的场合，如螺纹钢线材轧机。而前述的电气串级调速系统则为恒转矩调速，因为其输出的机械功率与电动机的转速成正比。,内馈串级调速系统,另外还有一种类似于,Kramer,系统的内馈串级调速系统，其主要特点是在异步电动机定子中装有另一套绕组，称作调节绕组。转差功率经交,-,直,-,交变换器变换成工频功率后送到调节绕组上，作为附加的定子功率送给电动机，这样就取代了,Kramer,系统中的直流电动机，同样能获得恒功率调速的效果。但这时必须专门制造有两套定子绕组的绕线转子电动机。,7.3,串级调速的机械特性,串级调速机械特性的特征,串级调速的转子整流电路,串级调速的机械特性方程式,串级调速的机械特性,在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量 、分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。,7.3.1串级调速机械特性的特征,1.,理想空载转速,在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。,在串级调速系统中，电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。,串级调速机械特性的特征,根据式,(7-5),，当系统在理想空载状态下运行时,(,I,d,=0),，转子直流回路的电压平衡方程式变成,s,0,异步电动机在串级调速时对应于某一,角的理想空载转差率。,取,K,1,=,K,2,，则,(7-6),串级调速机械特性的特征,由此可得相应的理想空载转速,n,0,为：,式中,n,1,异步电动机的同步转速,。,(7-7),串级调速机械特性的特征,从式（,7-6,）和式（,7-7,）可知，在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角,时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。,由式（7-5）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。,串级调速机械特性的特征,2机械特性的斜率与最大转矩,串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置,(,包括整流和逆变装置、平波电抗器、逆变变压器等,),，实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。由于转子回路阻抗的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。,转子回路电阻和漏抗的影响,受转子回路电阻增加的影响：当电机在最高转速的特性上（,=90,）带额定负载，也难以达到其额定转速。,受转子回路漏抗增加的影响：整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。,串级调速时的机械特性,图,图,7-6,异步电动机串级调速时的机械特性,a),大电机,b),小电机,7.3.2串级调速的转子整流电路,异步电动机转子电动势相当于转子整流器的供电电源。如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。但是，两者之间还存在着一些显著的差异。,转子整流电路,的,特点,（,1,）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化。,（,2,）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关。,（,3,）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流器