第七章 繞線轉子異步電動機調速系統(tǒng)課件

1、第第7 7章章 繞線轉子異步電動機調速系統(tǒng)繞線轉子異步電動機調速系統(tǒng)內容提要內容提要7.1 7.1 繞線轉子異步電動機串級調速原理繞線轉子異步電動機串級調速原理7.27.2串級調速系統(tǒng)的性能串級調速系統(tǒng)的性能7.37.3轉速、電流雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)轉速、電流雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)7.47.4超同步串級調速系統(tǒng)超同步串級調速系統(tǒng)7.1 7.1 繞線轉子異步電動機串級調速原理繞線轉子異步電動機串級調速原理7.1.1 7.1.1 異步電動機轉子附加電動勢時的工作情異步電動機轉子附加電動勢時的工作情況況繞線式異步電動機運行時，其轉子相電動勢為 （7-1）式中 s異步電動機的轉差率； E20繞線轉子異步電動

2、機在轉子不動時的相電勢，或稱開路電動勢、轉子額定相電壓。202sEE 式中 R2轉子繞組每相電阻； X20s=1時轉子繞組每相漏抗。式（7-1）說明，轉子電動勢E2值與其轉差率s成正比，同時它的頻率f2也與s成正比，f2=s f1。當轉子按常規(guī)接線時，轉子相電流的方程式為22022202sXRsEI（7-2）現(xiàn)在在轉子電路中引入一個可控的交流附加電動勢Eadd，并與轉子電動勢E2串聯(lián)。Eadd應與E2有相同的頻率，但與E2同相或反相，如圖7-l所示。轉子電路的電流方程式如下22022202sXREsEIadd由于轉子電流I2與負載的大小有直接關系，當電動機的負載轉矩TL恒定時，可以認為不論轉速

3、高低轉子電流I2都不變，即在不同的s值下式（7-2）和式（7-3）相等。設附加電動勢Eadd=0時，電動機在s=s1的轉差率下穩(wěn)定運行。當加入反向的附加電動勢后，電動機轉子回路的合成電動勢減小了，轉子電流和電磁轉矩也相應減小，由于負載轉矩未變，電動機必然減速，因而s增大，轉子總電動勢增大，轉子電流也逐漸增大，直至轉差率增大到s2（ s1）時，轉子電流又恢復到原值，電動機進入新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。此時s1與s2之間有如下關系（7-3）可見，改變附加電動勢Eadd的大小，即可調節(jié)電動機的轉差率s，亦即調節(jié)電動機的轉速。同理，如果引入同相的附加電動勢，則可使電動機的轉速增大。22022220222201

4、22201XsREEsIXsREsadd7.1.2 7.1.2 串級調速的各種運行狀態(tài)及功率傳遞串級調速的各種運行狀態(tài)及功率傳遞關系關系在異步電動機轉子中串入附加電勢而形成的串級調速系統(tǒng)，從功率關系來看，實質上就是利用附加電勢由Eadd來控制異步電動機轉子中的轉差功率而實現(xiàn)調速的。因此，串級調速的各種基本運轉狀態(tài)，可以通過功率的傳遞關系來加以說明。串級調速可實現(xiàn)5種基本運轉狀態(tài)，不同運轉狀態(tài)下的功率傳遞關系如圖7-2所示。圖中忽略了電動機內部的各種損耗，認為定子輸入功率P1就是轉子電磁功率Pem。 由于轉子側串入附加電動勢極性和大由于轉子側串入附加電動勢極性和大小的不同，小的不同， s 和和

5、Pm 都可正可負，因而可都可正可負，因而可以有以下五種不同的工作情況。以有以下五種不同的工作情況。 1. 電機在次同步轉速下作電動運行l(wèi)工作條件：工作條件： 轉子側每相加上與轉子側每相加上與 Er0 同相的附加電動勢同相的附加電動勢+Eadd（Eadd Er0），并把轉子三相回路連通。），并把轉子三相回路連通。l運行工況：運行工況： 電機作電動運行，轉差率為電機作電動運行，轉差率為 0 s 1，從定子側輸，從定子側輸入功率，軸上輸出機械功率。入功率，軸上輸出機械功率。 snTesPmsP1P1(1+s)P1CU001n1a） 次同步速電動狀態(tài) 2. 電機在反轉時作倒拉制動運行l(wèi)工作條件：工作條

6、件： 軸上帶有位能性恒轉矩負載（這是進入倒軸上帶有位能性恒轉矩負載（這是進入倒拉制動運行的必要條件），此時逐漸減少拉制動運行的必要條件），此時逐漸減少 + Eadd 值，并使之反相變負，只要反相附加電動值，并使之反相變負，只要反相附加電動勢勢 Eadd 有一定數(shù)值，則電機將反轉。有一定數(shù)值，則電機將反轉。 l運行工況： 電機進入倒拉制動運行狀態(tài)，轉差率 s 1，此時由電網(wǎng)輸入電機定子的功率和由負載輸入電機軸的功率兩部分合成轉差功率，并從轉子側饋送給電網(wǎng)。功率流程b）反轉倒拉制動狀態(tài) 1PS 1) 1(PS 1PS1PTe012s-n-n1CU電機在超同步轉速下作回饋制動運行 工作條件： 進入這

7、種運行狀態(tài)的必要條件是有位能性機械外力作用在電機軸上，并使電機能在超過其同步轉速n1的情況下運行。 此時，如果處于發(fā)電狀態(tài)運行的電機轉子回路再串入一個與 sEr0 反相的附加電動勢 +Eadd ，電機將在比未串入 +Eadd 時的轉速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。l運行工況： 電機處在發(fā)電狀態(tài)工作，s 1，電機功率由負載通過電機軸輸入，經(jīng)過機電能量變換分別從電機定子側與轉子側饋送至電網(wǎng)。功率流程c） 超同步速回饋制動狀態(tài) 12nn1PS 1)1 (PS1PS1P00s11n-TeCU. 電機在超同步轉速下作電動運行 工作條件： 設電機原已在 0 s 1 作電動運行，轉子側串入了同相的附加電動勢+

8、Eadd，軸上拖動恒轉矩的反抗性負載。 當接近額定轉速時，如繼續(xù)加大+Eadd電機將加速到的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即電機在超過其同步轉速下穩(wěn)定運行。l運行工況： 電機的軸上輸出功率由定子側與轉子側兩部分輸入功率合成，電機處于定、轉子雙輸入狀態(tài)，其輸出功率超過額定功率。功率流程d） 超同步速電動狀態(tài) 12nn1PS 1)1 (PS1PS1P00s11nTeCU電機在次同步轉速下作回饋制動運行電機工作條件： 很多工作機械為了提高其生產(chǎn)率，希望電力拖動裝置能縮短減速和停車的時間，因此必須使運行在低于同步轉速電動狀態(tài)的電機切換到制動狀態(tài)下工作。 設電機原在低于同步轉速下作電動運行，其轉子側已加入一定的 +

9、Eadd 。要使之進入制動狀態(tài)，可以在電機轉子側突加一個反相的附加電動勢。在次同步轉速下作回饋制動運行在低于同步轉速下作電動運行，在低于同步轉速下作電動運行，Eadd 由由“+”+”變變?yōu)闉椤?”-”，并使并使 |- Eadd| 大于制動初瞬的大于制動初瞬的sEr0 ，電機定子側輸出功率給電網(wǎng)，電機成為發(fā)電電機定子側輸出功率給電網(wǎng)，電機成為發(fā)電機處于制動狀態(tài)工作，并產(chǎn)生制動轉矩以加機處于制動狀態(tài)工作，并產(chǎn)生制動轉矩以加快減速停車過程?？鞙p速停車過程。功率流程e） 次同步速回饋制動狀態(tài) 1nn1PS 1)1 (PS1PS1P01s00-TeCU五種工況小結 五種工況都是異步電機轉子加入附加電動勢

10、時的運行狀態(tài)。 在工況a,b,c中，轉子側都輸出功率，可把轉子的交流電功率先變換成直流，然后再變換成與電網(wǎng)具有相同電壓與頻率的交流電功率。 7.1.3 7.1.3 串級調速系統(tǒng)的基本類型串級調速系統(tǒng)的基本類型在異步電動機轉子回路中串入附加電動勢固然可以改變電動機的轉速，但由于電動機轉子回路感應電動勢E2的頻率隨轉差率而變化，所以附加電動勢的頻率亦必須能隨電動機轉速而變化。這種調速方法就相當于在轉子側加入了一個可變頻、可變幅的電壓。由于在工程上獲取可變頻、可變幅的可控交流電源是有一定難度的，因此常變換到直流電路上來處理，即先將電動機轉子電動勢整流成直流電壓，然后引入一個直流附加電動勢，調節(jié)直流附

11、加電動勢的幅值就可以調節(jié)異步電動機的轉速 直流附加電動勢技術要求按前述，首先它應該是平滑可調的，以滿足對電機轉速的平滑調節(jié)。另外從功率傳遞的角度來看，希望能吸收從電動機轉子側傳遞過來的轉差功率并加以利用，譬如把能量回饋電網(wǎng)，而不讓它無謂地損耗掉，這就可以大大提高調速的效率。根據(jù)上述兩點，如果選用工作在逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流器作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源，是完全能滿足上述要求的。 按產(chǎn)生直流附加電動勢的方式不同，次同步串級調速系統(tǒng)可分為電氣串級調速系統(tǒng)、機械串級調速系統(tǒng)。1.電氣串級調速系統(tǒng)圖7-3為根據(jù)前面的討論而組成的異步電動機電氣串級調速系統(tǒng)原理圖。圖中異步電動機以轉差率s在運行，其轉子

12、電動勢sE20經(jīng)三相不可控整流裝置UR整流，輸出直流電壓Ud。工作在逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置UI除提供可調的直流輸出電壓Ui作為調速所需的附加電動勢外，還可將經(jīng)UR整流后輸出的電動機轉差功率逆變，并回饋到交流電網(wǎng)。圖中TI為逆變變壓器，L為平波電抗器。兩個整流裝置的電壓Ud與Ui的極性以及電流Id的方向如圖7-3所示?？蓪懗稣骱蟮霓D子直流回路的電壓平衡方程式 或 （7-4） 式中 K1、K2UR與UI兩個整流裝置的電壓整流系數(shù)，如果都采用三相橋式整流電路，則K1= K2=2.34； U2T逆變變壓器的二次相電壓； 工作在逆變狀態(tài)的可控整流裝置UI的逆變角； R轉子回路總電阻。RIUUdid

13、RIUKsEKdTcos22201在電動機負載轉矩不變的條件下作穩(wěn)態(tài)運行時，可以近似認為Id為恒值，當增大角時，逆變電壓Ui減小，電動機轉速因存在機械慣性尚未變化，Ud仍維持原值，直流回路電流Id增大，轉子電流I2也相應增大，電動機加速；轉子整流電壓Ud隨轉速增大而減小，直至Ud與Ui依式取得新的平衡，電動機進入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高的轉速運行。同理，減小時，電動機減速。圖7-3中，除電動機外，其余裝置都是靜止型的元器件，故稱這種系統(tǒng)為靜止型電氣串級調速系統(tǒng)。由上述原理可見，系統(tǒng)轉子側構成了一個交一直一交有源逆變器，由于逆變器通過變壓器與交流電網(wǎng)相連，其輸出頻率是固定的，因而是一個有源逆變器。由此

14、可見，這種調速系統(tǒng)可以看作是電動機定子恒頻恒壓供電下的轉子變頻調速系統(tǒng)。由于其值可平滑連續(xù)變化，因而電動機的轉速也能平滑地連續(xù)調節(jié)。這種調速方法因為逆變器能將電動機的轉差功率回饋到交流電網(wǎng)，比之轉子串電阻調速可大大提高調速系統(tǒng)的效率，故稱為轉差功率回饋型的調速方法。2.機械串級調速系統(tǒng)機械串級調速系統(tǒng)在國際上又稱為Kramer系統(tǒng)，其原理圖如圖7-4所示。異步電動機轉子電動勢經(jīng)整流后，接到一臺與異步電動機同軸相連的直流電動機上，共同拖動負載。系統(tǒng)中直流附加電動勢由直流電動機產(chǎn)生，通過改變直流電動機勵磁電流的大小就可以改變電樞感應電動勢，相當于改變直流附加電動勢的大小，從而實現(xiàn)串級調速。當不計電

15、機的各種損耗時，異步電機從電網(wǎng)吸收的功率為P，直接輸送給負載的機械功率為P(1-s)，另一部分轉差功率sP經(jīng)轉子整流器送給直流電機。由于直流電機與異步電機同軸硬性連接，直流電機吸收的轉差功率sP轉變?yōu)檩S上的機械功率仍然又輸送給負載。這樣串級調速系統(tǒng)調到低速運轉時，負載得到的機械功率總和為P(1-s)+ sP=P，具有恒功率的調速特性。因為轉速太低時直流電機不能產(chǎn)生足夠的附加電勢，所以調速范圍不大，通常在2:1以內。7.27.2串級調速系統(tǒng)的性能串級調速系統(tǒng)的性能7.2.17.2.1串級調速系統(tǒng)的機械特性串級調速系統(tǒng)的機械特性在串級調速系統(tǒng)中，電動機的同步轉速由電源頻率與電動機的結構決定，且恒定

16、不變，但其理想空載轉速是可調的，由式（7-4），設K1=K2，當Id=0時，有即 （7-5）由式（7-5）可見，改變角時s0也隨之改變。在系統(tǒng)中，角的調節(jié)范圍對應于電動機調速范圍的上、下限，一般逆變角的調節(jié)范圍為3090。其下限30是為了防止逆變顛覆而設置的最小逆變角，其具體數(shù)值也可根據(jù)系統(tǒng)的電氣參數(shù)來設定。由式（7-4）還可看出，在不同的角下，異步電動機串級調速時的機械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動機變壓調速的機械特性。cos2200TUEs2020cosEUsT1.轉子整流電路的工作特性典型的次同步串級調速系統(tǒng)如圖7-3所示，該系統(tǒng)中的核心部分是有源逆變器和轉子整流器，該轉子整流

17、器與一般整流器有以下幾點不同。（1）轉子三相感應電動勢的幅值和頻率都是轉差率s的函數(shù)。（2）折算到轉子側的漏抗值是轉差率s的函數(shù)。（3）由于電動機折算到轉子側的漏抗值較大，換流重疊現(xiàn)象嚴重，轉子整流器會出現(xiàn)“強迫延遲換流”現(xiàn)象，從而引起轉子整流電路的特殊工作狀態(tài)。由于電動機存在漏抗，使換流過程中電流不能突變，因而產(chǎn)生換流重疊角，轉子整流器換流重疊角的一般公式為 （7-6）式中 XD0s=1時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。dDIEX200621cos由式（7-6）可知，當E20和XD0確定時，換流重疊角隨著電流Id的增大而增大。當Id 時，60,器件在自然換流點換流；當Id= 時，=6

18、0，此時，若繼續(xù)增大Id，會出現(xiàn)強迫延遲換流現(xiàn)象，即器件的起始換流向后延遲一段時間，這段時間用強迫延遲換流角P來表示，在這一階段，保持60不變，而P在030間變化。當P=30后再繼續(xù)增大Id時，P保持30不變；而隨著Id增大，從60繼續(xù)增大。因此，串級調速時轉子整流電路有3種工作狀態(tài)。（1）060，在自然換流點換流的工作狀態(tài)為第一工作狀態(tài)。（2）保持=60不變，而P在030間變化的工作狀態(tài)為第二工作狀態(tài)。（3）P=30不變，隨著Id增大，從60繼續(xù)增大的工作狀態(tài)為第三工作狀態(tài)。該工作狀態(tài)屬于故障工作狀態(tài)，故不對它進行討論。2.串級調速系統(tǒng)的轉速特性和機械特性 串級調速系統(tǒng)主電路接線圖及相應的等

19、效電路如圖7-5所示，在等效電路中，忽略了導通二極管、晶閘管的管壓降。 （1）第一工作區(qū)的轉速特性和機械特性根據(jù)圖7-5b)所示的等效電路，可以列出其轉子整流器在第一工作狀態(tài)下的電壓平衡方程式為 （7-7）式中 Ud0轉子整流器在s=1時的理想空載輸出電壓，Ud0=2.34E20； Ui0逆變器直流側的理想空載電壓，Ui0=2.34U2Tcos RD折算到轉子側的異步電動機每相等效電阻， ； XD0在s=1時折算到轉子側的異步電動機每相漏抗； 由轉子漏抗引起的換相壓降； RL直流平波電抗器的電阻； RT折算到二次側的逆變變壓器每相等效電阻， ； XT折算到二次側的逆變變壓器每相漏抗， ； 由逆

20、變變壓器每相等效漏抗引起的換相壓降。TTLDDdidRXRsXRIUsU2332000dDIsX03dTIX3從式（7-7）中可求出轉差率s為dDTLDTdTIXERRRXIUs0202334. 2223cos34. 211nnns 將 代入式（7-8），則轉速為dDTLDTDdTIXERRRXXIUEnn02002201334. 22233)cos(34. 2（7-8）（7-9）令)cos(34. 2220TUEUTLDTDRRRXXR223301020334. 2nIXECdDe則式（7-9）可簡化為edCRIUn（7-10）由上式可見，串級調速系統(tǒng)當轉子整流電路運行在第一工作區(qū)時所具有的機械特性類似于他勵直流電動機調壓調速的機械特性。在串級調速系統(tǒng)中，調節(jié)角大小就可以改變 的大小，相當于改變他勵直流電動機電樞的外加直流電壓。Id相當于他勵直流電動機的電樞電流。串級調速系統(tǒng)中的等效電阻 相當于他勵直流電動機的電樞回路總電阻，它決定了機械特性的硬度，由于串級調速系統(tǒng)中的等效電阻 比直流電動機電樞回