资源描述
l 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。l 对于绕线型异步电动机，定、转子电路可以同时(tngsh)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(zhun z)异步电动机双馈调速系统第1页/共136页第一页，共136页。l “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。l 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(din z q jin)出现以后，才得到更好的应用。绕线转子(zhun z)异步电动机双馈调速系统第2页/共136页第二页，共136页。l 绕线型异步电动机双馈调速工作(gngzu)原理l 绕线型异步电动机串级调速系统l 串级调速的机械特性l 串级调速系统的技术经济指标l 双闭环控制的串级调速系统l 串级调速系统的起动方式l 绕线转子异步风力发电机组 内 容 提 要第3页/共136页第三页，共136页。7.1 绕线转子(zhun z)异步电动机双馈调速工作原理l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。 l在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流( jioli)电网直接连接，转子侧与交流(jioli)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(jioli)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。第4页/共136页第四页，共136页。绕线转子异步电动机转子附加(fji)电动势的作用图7-1 绕线型异步电动机转子(zhun z)附加电动势的原理图第5页/共136页第五页，共136页。转子附加(fji)电动势的作用l 异步电动机运行(ynxng)时其转子相电动势为l(7-1)l 式中 异步电动机的转差率；0rrsEE s0rE 绕线型异步电动机转子开路(kil)相电动势，也就是转子开路(kil)额定相电压值。第6页/共136页第六页，共136页。转子(zhun z)相电流在转子短路情况(qngkung)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。2020)(rrrrsXRsEIrR0rX1s第7页/共136页第七页，共136页。串电阻(dinz)调速l 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(yu zhe)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。 rIRU第8页/共136页第八页，共136页。转子附加(fji)电动势的作用l 如果在转子绕组回路(hul)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。RUaddErE第9页/共136页第九页，共136页。转子(zhun z)附加电动势的原理图图7-1 绕线型异步电动机转子(zhun z)附加电动势的原理图第10页/共136页第十页，共136页。转子附加(fji)电动势的作用l 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(brn)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。0rrEsEs21()ssrI第11页/共136页第十一页，共136页。转子(zhun z)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(suy)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。 addE102022221020()()rraddrrrrrs Es EEIRs XRs X21()ss第12页/共136页第十二页，共136页。绕线转子(zhun z)异步电动机双馈调速的五种工况l 在绕线型异步电动机转子(zhun z)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。l 可控附加电动势的引入必然在转子(zhun z)侧形成功率的传送，可以把转子(zhun z)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(zhun z)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(zhun z)中转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的调节。 第13页/共136页第十三页，共136页。绕线转子(zhun z)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(jnxng)变换的功能，故称为功率变换单元（Power Converter Unit，简称CU），见图7-2。12sff 第14页/共136页第十四页，共136页。图7-2 绕线型异步电动机在转子附加(fji)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功率变换单元第15页/共136页第十五页，共136页。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(dinc)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。smmmPssPP)1 ( mPs)1 ( msPmPmP第16页/共136页第十六页，共136页。1.电动机在次同步转速(zhun s)下作电动运行l 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(duyng)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。 0addrEsE0rsEaddENsrNI第17页/共136页第十七页，共136页。addEs1012210()raddrNNrrs EEIssRs Xl 此时，转子回路(hul)的电势平衡方程式为l 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。第18页/共136页第十八页，共136页。l 对照式（7-4）可知(k zh)，由于电动机作电动运行，转差率为0s 。 l 由图7-4可以(ky)写出整流后的直流回路电压平衡方程式：l l 或 (7-5)l 式中， 、 UR与UI的电压整流系数，如两者都是三相桥式电路，则； iUdURIUUdidRIUKsEKdTrcos2201122.34KK2K1K第37页/共136页第三十七页，共136页。串级调速系统的工作(gngzu)原理 l 从式(7-5)中可以看出(kn ch)， 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。dI),(dIfs rIdU第38页/共136页第三十八页，共136页。串级调速系统的工作(gngzu)原理 l 1起动l 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(ynx)的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。dI0rEiUdU第39页/共136页第三十九页，共136页。串级调速系统的工作(gngzu)原理 l 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(wndng)运行。 ()diUUdU第40页/共136页第四十页，共136页。串级调速系统(xtng)的工作原理 l 设此时的,则式（7-5）可写作l 式中 为对应(duyng)于负载转矩的直流回路电流。 11, ssRIUKEsKdLTr122011cosdLI第41页/共136页第四十一页，共136页。串级调速系统(xtng)的工作原理 l 2调速当增大角使=21时，逆变(n bin)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2121,ss10rK sEdIdIiURIUKEsKdLTr222021cos第42页/共136页第四十二页，共136页。串级调速系统(xtng)的工作原理 l 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(yko)负载阻转矩的作用自由停车。dI第43页/共136页第四十三页，共136页。l 结论：l （1）串级调速系统能够靠调节逆变角实现平滑无级调速。l （2）系统能把绕线型异步电动机的转差功率(gngl)回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率(gngl)得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。 第44页/共136页第四十四页，共136页。串级调速系统(xtng)的其它类型 l 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(zhngli)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。第45页/共136页第四十五页，共136页。机械(jxi)串级调速系统l 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(tnggu)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。 fIfI第46页/共136页第四十六页，共136页。l 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(snho)，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。LPMDP1P第47页/共136页第四十七页，共136页。恒功率(gngl)调速l 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(yxi)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。第48页/共136页第四十八页，共136页。内馈串级调速系统(xtng)l 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(zuwi)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。第49页/共136页第四十九页，共136页。7.3 串级调速的机械(jxi)特性l串级调速机械特性的特征(tzhng)l串级调速的转子整流电路l串级调速的机械特性方程式第50页/共136页第五十页，共136页。串级调速的机械(jxi)特性l 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(yugun)。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。dIdU第51页/共136页第五十一页，共136页。1. 理想空载转速在异步电动机转子(zhun z)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。第52页/共136页第五十二页，共136页。串级调速机械特性(txng)的特征 根据式(7-5)，当系统在理想空载(kn zi)状态下运行时(Id = 0)，转子直流回路的电压平衡方程式变成 cos22001TUKEsKrs0 s0 异步电动机在串级调速时对应异步电动机在串级调速时对应(duyng)(duyng)于某一于某一 角的理想空载转差率。角的理想空载转差率。取取 K1=K2 K1=K2 ，则，则 cos020rEUsT(7-6)第53页/共136页第五十三页，共136页。串级调速机械(jxi)特性的特征由此可得相应的理想(lxing)(lxing)空载转速 n0 n0 为：式中式中 n1 n1 异步电动机的同步异步电动机的同步(tngb)(tngb)转速。转速。 (7-7)2T0101r0cos(1)(1)UnnsnE第54页/共136页第五十四页，共136页。串级调速机械(jxi)特性的特征l 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。l 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(txng)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(txng)。 第55页/共136页第五十五页，共136页。串级调速机械特性(txng)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(zhungzh)(包括整流和逆变装置(zhungzh)、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。 第56页/共136页第五十六页，共136页。转子(zhun z)回路电阻和漏抗的影响l 受转子回路电阻增加的影响：当电机在最高转速(zhun s)的特性上（ = 90）带额定负载，也难以达到其额定转速(zhun s)。l 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。第57页/共136页第五十七页，共136页。串级调速时的机械(jxi)特性图图7-6 异步电动机串级调速时的机械(jxi)特性a) 大电机 b)小电机 第58页/共136页第五十八页，共136页。l 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(xinzh)的差异。第59页/共136页第五十九页，共136页。转子整流(zhngli)电路的特点（1 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(binhu)(binhu)的，随电机转速的改变而变化(binhu)(binhu)。（2 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 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件的强迫延迟换相现象。第60页/共136页第六十页，共136页。假设(jish)条件（1）整流器件具有理想(lxing)的整流特性，管压降及漏电流均可忽略；（2）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；（3）忽略电动机励磁阻抗的影响。 第61页/共136页第六十一页，共136页。转子(zhun z)整流电路图7-7 转子整流(zhngli)电路 第62页/共136页第六十二页，共136页。换相重叠(chngdi)l 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 era、erb、erc。当各整流器件依次导通时，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，产生换相重叠(chngdi)压降，如下图所示。第63页/共136页第六十三页，共136页。换相重叠(chngdi)角 根据“电力电子技术” 中介绍的理论，换相重叠(chngdi)角为 其中 XD0 s = 1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。0rdD0r0dD0621arccos621arccosEIXsEIsX（7-8） 第64页/共136页第六十四页，共136页。l 由式（7-8）可知，换相重叠(chngdi)角随着整流电流 Id 的增大而增加。l 当 Id 较小， 在0 60之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处开始换流，到 处结束换流，整流波形正常。第65页/共136页第六十五页，共136页。强迫(qing p)延迟换相现象l 当电流 Id 增大到按式（7-8）计算出来的 角大于60时，器件在自然换相点处未能结束换流，从而迫使本该在自然换相点换流的器件推迟换流，出现了强迫(qing p)延迟换相现象，所延迟的角度称作强迫(qing p)延时换相角 p 。l 由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路有两种正常工作状态。 第66页/共136页第六十六页，共136页。l需要指出的是，强迫延时换相只说明在 超过某一值时，整流器件比自然(zrn)换相点滞后 角换流，但从总体上看，6个器件在360内轮流工作，每一对器件的换流过程最多只能是60，也就是说， 再大，也只能使l 不变。60pdIpdI第67页/共136页第六十七页，共136页。转子整流电路的工作(gngzu)状态 （1）第一种工作状态的特征是 0 60， p = 0 此时，转子整流(zhngli)电路处于正常的不可控整流(zhngli)工作状态，可称之为第一工作区。（2）第二种工作状态的特征是 = 60， 0 p 30 这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流(zhngli)电路类似处于可控整流(zhngli)工作状态， p 角相当于整流(zhngli)器件的控制角，这一状态称作第二工作区。第68页/共136页第六十八页，共136页。转子(zhun z)整流电路的工作状态 （3）当 p = 30时，整流电路中会出现4个器件(qjin)同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件(qjin)双换流的重叠现象，此后 p 保持为30，而 角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状态。第69页/共136页第六十九页，共136页。 转子整流电流与 、p 间的函数(hnsh)关系 图7-8 转子整流(zhngli)电路的 = f ( Id )， p = f ( Id )第70页/共136页第七十页，共136页。转子(zhun z)整流电路的电流和电压 l 由于整流电路的不可控整流状态是可控整流状态当控制角为零时的特殊情况，所以可以直接引用可控整流电路的有关分析式来表示串级调速时转子(zhun z)整流电路的电流和电压。)6sin(26)cos(cos26p0D0rppD0r0dXEXEI(7-9)第71页/共136页第七十一页，共136页。转子整流电路(dinl)的电压 式中，RD = sRs + Rr 为折算到转子侧的电动机定子(dngz)和转子每相等效电阻。ppdr0DdD0r0pdDdcoscos()2.342232.34cos2UsER IsXsEIR I(7-10)第72页/共136页第七十二页，共136页。 上两式中当p = 0， = 0 60时表示转子整流电路工作在第一(dy)工作区。当 0 p 30， = 60时表示转子整流电路工作在第二工作区。第73页/共136页第七十三页，共136页。1.串级调速系统的主电路及等效电路 根据串级调速系统主电路接线图（当整流器和逆变器都为三相桥式电路时）及相应(xingyng)的等效电路（见图79），考虑到电动机转子与逆变变压器的电阻和换相重叠压降后，可以列出系统的稳态电路方程式。第74页/共136页第七十四页，共136页。图7-9 串级调速系统(xtng)的主电路及等效电路 图7-9 串级调速系统(xtng)主电路及等效电路a）主电路）主电路(dinl)b）等效电路）等效电路 1. 电路电路结构结构第75页/共136页第七十五页，共136页。2. 稳态电路(dinl)方程l 转子(zhun z)整流电路的输出电压为l 逆变器直流侧电压l 电压平衡方程)23(cos34. 2D0Ddp0rdRsXIsEU(7-11)(7-12)(7-13)23(cos34. 2TTd2TiRXIUULdidRIUU第76页/共136页第七十六页，共136页。以上三式中 RL直流平波电抗器的电阻； XT 折算(sh sun)到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算(sh sun)到二次侧的逆变变压器每相等效电阻，RT = RT 1 + RT 2 。 第77页/共136页第七十七页，共136页。3. 转差率与转速(zhun s)方程 解式（7-11）式（7-13），可以得到(d do)用转差率表示的方程式d0Dp0rLDTTd2T3cos34. 2)223(cos34. 2IXERRRXIUs（7-14） 第78页/共136页第七十八页，共136页。转速(zhun s)特性方程 将 s = (n0 n ) / n0代入上式，得到串级调速时的转速(zhun s)特性为d0Dp0rLDTT0Dd2Tp0r03cos34. 2)2233()coscos(34. 2IXERRRXXIUEnn(7-15) 如令 p = 0，则式（7-15）就表示系统(xtng)在第一工作区的转速特性。第79页/共136页第七十九页，共136页。 分析式（7-15）可以看出，等号右边(yu bian)分子中的第一项是转子直流回路的直流电压 )coscos(34. 22Tp0rUEU（7-16） 第二项相当于回路中的总电阻(dinz)压降，可以写作 Id R ，而分母则是转子整流器的输出电压。 第80页/共136页第八十页，共136页。电动势系数(xsh) 如借用直流电动机的概念和有关算式(sunsh)，引入电动势系数 CE ，使 0d0D0d0d0Dp0rE33cos34. 2nIXUnIXEC（7-17） p0r0dcos34. 2EU其中其中(qzhng)， 第81页/共136页第八十一页，共136页。转速特性方程(fngchng)的直观形式则式（7-15）可改写(gixi)成 )(1dERIUCn（7-18） 其中其中(qzhng)， LDTT0D2233RRRXXR第82页/共136页第八十二页，共136页。 注意 在直流调速系统中，电动势系数 Ce 是常数，但在串级调速系统中，CE是负载电流的函数，它是使转速特性成为(chngwi)非线性的重要因素，故两个符号的下标不同，以示区别。第83页/共136页第八十三页，共136页。两种转速(zhun s)特性的比较l 式（7-18）表明，异步电动机串级调速系统与直流它励电动机的转速特性(txng)在形式上完全相同，改变电压即可得到一族平行移动的调速特性(txng)。 l 在直流调速系统中，须直接改变电压 Ud；而在异步电动机串级调速系统中，它是通过改变式（7-16）第二项中的控制角 来实现的。第84页/共136页第八十四页，共136页。两种转速特性(txng)的比较（续） 在串级调速系统中总电阻 R 较大，系统的调速特性较软；对于p 0 的第二工作区，计及p 的影响，在同一逆变角 下的电压(diny)更小，相当于 也发生变化，因而调速特性更软。0n第85页/共136页第八十五页，共136页。4. 电磁(dinc)转矩方程 l 转差功率l 可以(ky)从转子整流电路的功率传递关系入手，暂且忽略转子铜耗，则转子整流器的输出功率就是电动机的转差功率dd0Dp0rs)3cos34. 2(IIsXsEP第86页/共136页第八十六页，共136页。l 而电磁功率(gngl) Pm = Ps /s，因此电磁转矩为sD0mer0pdd000D0d0ddMd031(2.34cos)31()PXPTEIIsXUIIC I 0 理想空载(kn zi)机械角转速(rad/s ) ；CM 串级调速系统的转矩系数， （7-19） 第87页/共136页第八十七页，共136页。因为(yn wi)，)3(1000dDdMIXUC它也是电流它也是电流 Id 的函数。与式（的函数。与式（7-17）的电动）的电动势系数势系数 CE 相比可知相比可知(k zh)， CM 和和 CE 对对 Id 的关系是一样的。由于的关系是一样的。由于0 =2n0 /60，所以所以 EM30CC（7-20） 可见可见(kjin)， CM 和和 CE的关系与直流的关系与直流他励电动机中他励电动机中Cm 和和 Ce的关系完全一致。的关系完全一致。第88页/共136页第八十八页，共136页。5. 串级调速的机械特性(txng)方程当串级调速系统在第一(dy)工作区运行时， p = 0 ，代入式（7-19）, 再令 dTe/ dt = 0，可求出电磁转矩的计算最大值Te1m，经过适当的数学推导，得第一(dy)工作区的机械特性方程式：24m111m1e1messssTT(7-21)第89页/共136页第八十九页，共136页。第一工作区的机械(jxi)特性方程式 24m111m1e1messssTT(7-21) s1m = s1m- s10 在给定在给定(i dn) 值值下，从理想空载到计算最大转矩点的转差率下，从理想空载到计算最大转矩点的转差率增量；增量； s1 = s - s10 在相应的在相应的 值下，由负载值下，由负载引起的转差率增量；引起的转差率增量； 第90页/共136页第九十页，共136页。第一工作区的机械(jxi)特性方程式s10 相应 值下的理想空载(kn zi)转差率；s1m 对应于计算最大转矩Te1m的临界转差率：TTDL1m10D032223XRRRssX(7-22)第91页/共136页第九十一页，共136页。 Te1m 系统在第一工作区的计算最大转矩。 由于在异步电动机串级调速时，负载增大到一定程度，必然会出现转子(zhun z)整流器的强迫延迟换相现象，系统必然会进入第二工作区。而 Te1m 是在 p= 0 的条件下由式（7-19）求得的，它只表示若系统能继续保持第一工作状态将会达到的最大转矩。 第92页/共136页第九十二页，共136页。第二工作(gngzu)区的机械特性方程式 当串级调速系统在第二工作区运行时， p不等于零，= 60，代入式（7-19），再令 dTe/dt = 0，可求出第二工作区的最大转矩值Te2m，经过(jnggu)适当的数学推导，得第二工作区的机械特性方程式： 第93页/共136页第九十三页，共136页。第二工作区的机械(jxi)特性方程式 (7-23)2cos4m222m2p2e1messssTT s2m = s2m- s20 计及强迫延时换计及强迫延时换相，对应于某一相，对应于某一 p 值时的转差率增量；值时的转差率增量； s2 = s - s20 在给定在给定(i dn) 与与 p值下，由负载引起的转差率增量值下，由负载引起的转差率增量;式中式中第94页/共136页第九十四页，共136页。 s20相应(xingyng) 与 p 值下的理想空载转差率：p0r2T20coscosEUs322320DLDTT20m2XRRRXss(7-24)而而第95页/共136页第九十五页，共136页。注意 在用式（7-23）计算第二工作区的一段机械特性时，等号左边分母中仍用Te1m ，这是为了使第一、二工作区的机械特性计算公式尽量一致，不要误解为第二工作区的最大转矩就是Te1m ，它具有(jyu)另外一个最大转矩Te2m 。 第96页/共136页第九十六页，共136页。几种(j zhn)最大转矩的关系和计算 从异步电动机的铭牌数据可计算出额定转矩TeN和正常运行(ynxng)时的最大转矩Tem 。 对串级调速系统来说，有实用意义的是第一工作区的计算最大转矩 Te1m 和第二工作区真正的最大转矩 Te2m （可证明，Te2m 对应于p= 15）。还有第一、二工作区交界的转矩值，称作交接转矩 Te1-2 。 第97页/共136页第九十七页，共136页。按照上面(shng min)的推导，可得41955. 0eme1mTT827. 0eme2mTT716. 0em2e1TT（7-25） （7-26） （7-27） 第98页/共136页第九十八页，共136页。 式（7-26）说明，异步电动机串级调速时所能产生的最大转矩比正常接线时减少了17.3%，这在选用(xunyng)电机时必须注意。 另外，由式（7-27）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而异步电动机的转矩过载能力一般大于2，即Tem 2TeN，所以当电动机在额定负载下工作时，还是处于第一工作区。 第99页/共136页第九十九页，共136页。6. 异步电动机串级调速时的机械(jxi)特性 图7-10 异步电动机串级调速时的机械(jxi)特性 第100页/共136页第一百页，共136页。*7.4 串级调速系统(xtng)的技术经济指标l串级调速系统(xtng)的效率l串级调速系统(xtng)的功率因数l串级调速装置的电压和容量第101页/共136页第一百零一页，共136页。 串级调速系统(xtng)的效率l 在串级调速时，Ps未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损 pCur、杂散损耗 ps 和附加的串级调速装置(zhungzh)损耗 ptan 后经过转子整流器和逆变器返回电网，这部分返回电网的功率称作回馈功率 Pf 。l 对整个串级调速系统来说，它从电网吸收的净有功功率应为 Pin = P1 Pf 。第102页/共136页第一百零二页，共136页。串级调速系统效率(xio l)(xio l)分析图7-11 串级调速系统效率(xio l)分析a)系统的功率传递 b)系统的功率流程图 第103页/共136页第一百零三页，共136页。串级调速系统(xtng)的效率l 串级调速系统的总效率l 式中 p 是异步电动机定子(dngz)和转子内的总损耗；l ptan 附加的串级调速传动(tandem drive)装l 置损耗 。mechmech2schin1fmmechmmechtan100%100%(1)100%(1)PpPPPPPspPsppp (7-28)第104页/共136页第一百零四页，共136页。串级调速系统(xtng)的效率在串级调速系统中，当电动机的转速降低时，如果负载转矩不变， p 和 ptan 都基本不变，式（7-28）分子和分母中的项随着s增大而同时减少(jinsho)，对sch值的影响并不太大。 第105页/共136页第一百零五页，共136页。转子回路串电阻(dinz)调速的效率 当电动机转子(zhun z)回路串电阻调速时，调速系统的效率是%100%100sCurFeCusmechmechmech12RppppPpPPP%100)1 ()1 (mechmmechmppsPpsP=其中(qzhng)，Pm(1- s) 项随s 的变化与串级调速时一样，而所串电阻越大时，pCur 越大，p 也越大，因而效率 R 越低，几乎是随着转速的降低而成比例地减少。 第106页/共136页第一百零六页，共136页。效率(xio l)的比较l串级调速系统的总效率是比较高的，且当电 动 机 转 速 降 低(jingd)时，sch 的减少并不多。l而绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速时的效率几乎随转速的降低(jingd)而成比例地减少。图7-12 电气串级调速系统(xtng)与转子串电阻调速系统(xtng) = f (s) 的比较 第107页/共136页第一百零七页，共136页。l 异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；l 转子整流器的换相重迭和强迫延迟(ynch)导通等作用都会通过电动机从电网吸收换相无功功率；l 逆变器的相控作用使其电流相位落后于电压相位，也会使功率因数下降；第108页/共136页第一百零八页，共136页。串级调速系统(xtng)的功率因数l 在串级调速系统中，从交流电网吸收的总有功(yu n)功率是电动机吸收的有功(yu n)功率与逆变器回馈至电网的有功(yu n)功率之差，然而从交流电网吸收的总无功功率却是电动机和逆变器所吸收的无功功率之和（见图7-11），因此，串级调速系统总功率因数可用下式表示 ：第109页/共136页第一百零九页，共136页。功率因数(n l yn sh)计算公式 S 系统总的视在功率；Q1 电动机从电网吸收的无功功率(w n n l)；Qf 逆变变压器从电网吸收的无功功率(w n n l)。2f12f1f1insch)()(cosQQPPPPSP式中式中(7-29)第110页/共136页第一百一十页，共136页。串级调速系统(xtng)的功率因数范围l 一般串级调速系统(xtng)在高速运行时的功率因数为0.60.65，比正常接线时电动机的功率因数减少0.1左右；l 在低速时可降到0.40.5（对调速范围为2的系统(xtng)）。这是串级调速系统(xtng)的主要缺点。第111页/共136页第一百一十一页，共136页。串级调速系统的功率因数(n l yn sh)补偿l 对于宽调速的串级调速系统，随着转差率的增大，系统的功率因数还要下降，这是串级调速系统能否被推广应用的关键问题之一。l 常用的方法是增加静止无功(w n)补偿装置电力电容器，采用无功(w n)就地补偿来解决。第112页/共136页第一百一十二页，共136页。l 串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外为实现串级调速而附加的所有功率部件，包括转子整流器、逆变器和逆变变压器。从经济角度出发，必须正确合理地选择这些(zhxi)附加设备的电压和容量，以提高整个调速系统的性能价格比。第113页/共136页第一百一十三页，共136页。整流器和逆变器容量(rngling)l 主要依据其电流与电压的定额。l 电流定额决定于异步电动机转子的额定电流和所拖动的负载电流IrN；l 电压定额则决定于异步电动机转子的额定相电压（即转子开路电动势 Er0 ）和系统的调速范围(fnwi) D。这里n1为同步转速。 1minnDn(7-30)第114页/共136页第一百一十四页，共136页。 其中， nmin 是调速系统的最低转速，对应于最大理想(lxing)空载转差率 smax ，由式（7-7）可得min1max(1)nnsmax11sD （7-31） 调速范围越大时，调速范围越大时， smax也越大，整流器和逆变器所也越大，整流器和逆变器所承受承受(chngshu)的电压越高（的电压越高（ smax Er0 ）。）。第115页/共136页第一百一十五页，共136页。逆变(n bin)变压器容量l 在交流串级调速系统中，设置逆变变压器的主要(zhyo)目的就是取得能与被控电动机转子相匹配的逆变电压，其次是把逆变器与交流电网隔离，以抑制电网的浪涌电压对晶闸管的影响。第116页/共136页第一百一十六页，共136页。逆变(n bin)变压器容量这样(zhyng)，由式（7-6）可以写出逆变变压器的二次侧相电压UT2和异步电动机转子电压之间的关系。一般取min=30，则max02mincosrTsEUmax02max01.15cos30rTrsEUsE第117页/共136页第一百一十七页，共136页。逆变(n bin)变压器容量逆变(n bin)变压器的二次侧相电压 )11 (15. 10r2TDEU（7-32） T02T13.45(1)rWE ID（7-33） 逆变变压器的容量(rngling)计算第118页/共136页第一百一十八页，共136页。7.5 双闭环控制的串级调速系统(xtng)l由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。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，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。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(q dn)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。 第119页/共136页第一百一十九页，共136页。双闭环控制的串级调速系统(xtng)原理图 图7-13 双闭环控制的串级调速系统(xtng) 第120页/共136页第一百二十页，共136页。 控制(kngzh)环节说明 图7-13所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变(n bin)器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。 为了防止逆变(n bin)器逆变(n bin)颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为 = min 。 第121页/共136页第一百二十一页，共136页。比较(bjio)l 图7-13 所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。l 所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现(shxin)的。l 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，减速过程只能靠负载作用自由降速。第122页/共136页第一百二十二页，共136页。* 7.6 串级调速系统的起动(q dn)方式l 串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流(jioli)侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。l 串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。第123页/共136页第一百二十三页，共136页。间接(jin ji)起动l大部分采用串级调速的设备是不需要从零速到额定转速作全范围调速的，特别对于风机、泵、压缩机等机械，其调速范围本来(bnli)就不大，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。l串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。第124页/共136页第一百二十四页，共136页。间接(jin ji)起动l 为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投入运行。l 由于这类机械不经常起动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。从串电阻起动换接到串级调速可以(ky)利用对电动机转速的检测或利用时间原则自动控制。第125页/共136页第一百二十五页，共136页。间接(jin ji)起动原理图 图7-20串级调速系统间接起动(q dn)控制原理图第126页/共136页第一百二十六页，共136页。间接(jin ji)起动操作顺序1.先合上装置电源总开关S，使逆变器在 min 下等待工作。2.然后依次接通接触器K1 ，接入起动电阻R , 再接通K0 ，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。3.待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2 ，使电动机转子接到串级调速装置，然后断开K1 , 切断起动电阻，此后电动机就可以(ky)串级调速方式继续加速到所需的转速运行。 第127页/共136页第一百二十七页，共136页。停车(tng ch)操作顺序 1.由于串级调速没有制动能力，应先将转速降至nmin , 再合上K1 ，然后断开K2 ，使电动机转子回路与串级调速装置脱离；2.最后断开K0 ，以防止当K0断开时在转子侧感生(n shn)断闸高电压而损坏整流器与逆变器。 第128页/共136页第一百二十八页，共136页。直接(zhji)起动l直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态(zhungti)，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。第129页/共136页第一百二十九页，共136页。直接(zhji)起动操作顺序1.接触器的工作顺序为 S - K0- K2 ，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流(zhngli)电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。 2.待发出给定信号后，随着 的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。 第130页/共136页第一百三十页，共136页。*7.7 绕线转子(zhun z)异步风力发电机组 l 风能是一种重要的可再生能源，利用风力发电具有清洁、无污染且占地小等独特优点，因此风力发电技术已成为当前运动控制学科研究的一个热点。风能具有随机性和间歇性的特点(tdin)，风速往往是在不停的变化之中，而且变化范围很大，因此风力发电机组的转速与输出电功率也会随之变化，当风力发电机组与电网并联运行时，必须要求风力发电机组发出的电能频率与相位和电网频率与相位保持一致。第131页/共136页第一百三十一页，共136页。 绕线转子(zhun z)异步风力发电机组 l 绕线转子异步发电机可作为变速恒频风力发电机56，发电机定子绕组直接与电网连接，转子绕组由滑环引出后与转子侧变频器连接。通过转子回路中的变频器控制转差功率的大小和流向来实现变速恒频，实现发电机组的并网运行，见图7-15。l 转子侧和电网侧变频器均采用PWM四象限变频器，则转差功率可以由转子输出至电网或由电网输入(shr)转子，发电机运行在超同步回馈制动状态或次同步回馈制动状态，大大拓宽了风力发电机的速度范围。 第132页/共136页第一百三十二页，共136页。绕线转子(zhun z)异步风力发电机组原理图图7-15 绕线转子(zhun z)异步风力发电机组原理图第133页/共136页第一百三十三页，共136页。次同步回馈制动(zh dn)状态 l 当风速较低时，发电机转速n小于定子旋转磁场同步(tngb)转速n1，电网侧变频器处于整流工作状态而转子侧变频器处于逆变状态，电网通过变频器向转子提供转差功率Ps=sP1 ，若转子轴上输入机械功率为Pmech ，则发电机定子输出电功率:l转子轴上输入机械功率Pmech和转子绕组输入电功率Ps都通过定子绕组馈送到电网。1111(1)mechsmechPPPPsPs PsP第134页/共136页第一百三十四页，共136页。超同步回馈制动(zh dn)状态 l 当风速较高时，发电机转速n大于定子旋转磁场同步转速n1，转子侧变频器处于整流工作状态而电网侧变频器处于逆变状态，此时发电机转子输出转差功率Ps=sP1 ，其中s0 ,转子轴上输入机械(jxi)功率为Pmech ，则发电机定子输出电功率:l转子轴上输入机械(jxi)功率Pmech通过定子绕组和转子绕组馈送到电网。1mechsmechsmechsPPPPPPsP第135页/共136页第一百三十五页，共136页。感谢您的观看(gunkn)！第136页/共136页第一百三十六页，共136页。
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