電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第七章：繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)

1、第第 7 章章繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要內(nèi)容提要n引言n異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理n異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的雙饋系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)n異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及其提高方案n雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)n*異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng) 7.0 引言引言 n轉(zhuǎn)差功率問(wèn)題轉(zhuǎn)差功率問(wèn)題 轉(zhuǎn)差功率始終是人們?cè)谘芯慨惒诫妱?dòng)機(jī)調(diào)速方法時(shí)所關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)楣?jié)約電能是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要目的之一，而如何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的效率。 如第5章所述，交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的處理方式可分為三種類型

2、。 l 交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的分類 （1）轉(zhuǎn)差功率消耗型異步電機(jī)采用調(diào)壓控制等調(diào)速方式，轉(zhuǎn)速越低時(shí)，轉(zhuǎn)差功率的消耗越大，效率越低；但這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。 （2）轉(zhuǎn)差功率不變型變頻調(diào)速方法轉(zhuǎn)差功率很小，而且不隨轉(zhuǎn)速變化，效率較高；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。 l 交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的分類（續(xù)） （3）轉(zhuǎn)差功率饋送型控制繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓，利用其轉(zhuǎn)差功率并達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，這種調(diào)節(jié)方式具有良好的調(diào)速性能和效率；但要增加一些設(shè)備。 前兩章已分別討論了轉(zhuǎn)差功率消耗型和不變型兩種調(diào)速方法，本章將討論轉(zhuǎn)差

3、功率饋送型調(diào)速方法。返回目錄返回目錄7.1 異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理 本節(jié)提要n概述n異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用n異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況l轉(zhuǎn)差功率的利用 眾所周知，作為異步電動(dòng)機(jī)，必然有轉(zhuǎn)差功率，要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去利用它。 但要利用轉(zhuǎn)差功率，就必須使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電動(dòng)機(jī)難以勝任，只有繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)才能做到。 7.1.0 概述概述l繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī) PsP1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉(zhuǎn)差功率可以分別向定子和轉(zhuǎn)子饋入，也可以從定子或轉(zhuǎn)子輸出，故稱作雙饋

4、電機(jī)。l 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 根據(jù)電機(jī)理論，改變轉(zhuǎn)子電路的串接電阻，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的原理如圖所示，調(diào)速過(guò)程中，轉(zhuǎn)差功率完全消耗在轉(zhuǎn)子電阻上。PmPmechPsl 雙饋調(diào)速的概念 所謂“雙饋”，就是指把繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組與交流電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組與其他含電動(dòng)勢(shì)的電路相連接，使它們可以進(jìn)行電功率的相互傳遞。 至于電功率是饋入定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組，還是由定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組饋出，則要視電機(jī)的工況而定。 l 雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)功率變換單元功率變換單元電網(wǎng)K1M3 K2TI 如上圖所示，在雙饋調(diào)速工作時(shí)，除了電機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外，轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電

5、網(wǎng)或外接電動(dòng)勢(shì)相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個(gè)交流電動(dòng)勢(shì)。l 功率變換單元 由于轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與電流的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，即 f2 = s f1 ，因此必須通過(guò)功率變換單元（Power Converter UnitCU）對(duì)不同頻率的電功率進(jìn)行電能變換。 對(duì)于雙饋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，CU應(yīng)該由雙向變頻器構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳遞。l 雙饋調(diào)速的功率傳輸（1）轉(zhuǎn)差功率輸出狀態(tài) 異步電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行； CUP1PsM3 Pmech（2）轉(zhuǎn)差功率輸入狀態(tài) 當(dāng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它被拖著運(yùn)轉(zhuǎn)，從軸上輸入

6、機(jī)械功率，經(jīng)機(jī)電能量變換后以電功率的形式從定子側(cè)輸出（饋出）到電網(wǎng)。 PsP1M3 CUPmech7.1.1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用n異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為 式中 s 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； Er0 繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的相電動(dòng)勢(shì)，或稱轉(zhuǎn)子開(kāi)路電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。0rrsEE (7-1)n轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為式中 Rr 轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； Xr0 s = 1時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。 20r2r0rr)(sXRsEI(7-2)n 轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì) 圖7-1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖M30rrsEE addErI附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子

7、電動(dòng)勢(shì)有相同的頻率，可同相或反相串接。 引入可控的交流附加電動(dòng)勢(shì)n有附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的轉(zhuǎn)子相電流： 如圖7-1所示，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在外接附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式20r2radd0rr)(sXREsEI(7-3)n 轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用1. Er 與 Eadd 同相l(xiāng)當(dāng) Eadd 使得這里 snTIEEseradd0r1add0r2add0r1EEsEEs21ss 轉(zhuǎn)速上升；轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）l當(dāng) Eadd 使得這里snTIEEseradd0r1add0r2add0r1EEsEEs21ss 轉(zhuǎn)速下降；轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）2. Er 與 Eadd反相 同理可知，若減少或串

8、入反相的附加電動(dòng)勢(shì)，則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。 所以，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，就可調(diào)側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 7.1.2 異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況 本節(jié)摘要n電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行n電機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行n電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行n電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行n電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行n 異步電機(jī)的功率關(guān)系 忽略機(jī)械損耗和雜散損耗時(shí)，異步電機(jī)在任何工況下的功率關(guān)系都可寫作 mmm)1 (PssPP（7-4） 式中 Pm 從電機(jī)定子傳入轉(zhuǎn)子（或由轉(zhuǎn)子

9、傳 出給定子）的電磁功率； sPm 輸入或輸出轉(zhuǎn)子電路的功率，即轉(zhuǎn) 差功率； (1-s)Pm 電機(jī)軸上輸出或輸入的功率。 由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動(dòng)勢(shì)極性和大小的不同， s 和 Pm 都可正可負(fù)，因而可以有以下五種不同的工作情況。 1. 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行l(wèi)工作條件： 轉(zhuǎn)子側(cè)每相加上與 Er0 同相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd（Eadd Er0），并把轉(zhuǎn)子三相回路連通。l運(yùn)行工況： 電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)差率為 0 s 1，從定子側(cè)輸入功率，軸上輸出機(jī)械功率。 l 功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1圖7-2a 次同步速電動(dòng)狀態(tài) 2. 電機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行l(wèi)工作條

10、件 軸上帶有位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（這是進(jìn)入倒拉制動(dòng)運(yùn)行的必要條件），此時(shí)逐漸減少 + Eadd 值，并使之反相變負(fù)，只要反相附加電動(dòng)勢(shì) Eadd 有一定數(shù)值，則電機(jī)將反轉(zhuǎn)。 l運(yùn)行工況 電機(jī)進(jìn)入倒拉制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率 s 1，此時(shí)由電網(wǎng)輸入電機(jī)定子的功率和由負(fù)載輸入電機(jī)軸的功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率，并從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送給電網(wǎng)。式（7-4）可改寫作 mmm)1 (sPPsPl 功率流程圖7-2b 反轉(zhuǎn)倒拉制動(dòng)狀態(tài) PS PS) 1(PSPTe012s-n-n1PmCU3. 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行l(wèi)工作條件 進(jìn)入這種運(yùn)行狀態(tài)的必要條件是有位能性機(jī)械外力作用在電機(jī)軸上，并使電機(jī)能在超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速n1

11、的情況下運(yùn)行。 此時(shí)，如果處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)子回路再串入一個(gè)與 sEr0 反相的附加電動(dòng)勢(shì) +Eadd ，電機(jī)將在比未串入 +Eadd 時(shí)的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動(dòng)運(yùn)行。l運(yùn)行工況 電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)工作，s 1，電機(jī)功率由負(fù)載通過(guò)電機(jī)軸輸入，經(jīng)過(guò)機(jī)電能量變換分別從電機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電網(wǎng)。此時(shí)式（7-4）可改寫成 mmm)1 (PssPPl 功率流程圖7-2c 超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài) 12nnPS PS)1 ( PSP00s11n-TePmCU4. 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行l(wèi)工作條件 設(shè)電機(jī)原已在 0 s 1 作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子側(cè)串入了同相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd，軸上拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩的反

12、抗性負(fù)載。 當(dāng)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如繼續(xù)加大+Eadd電機(jī)將加速到的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即電機(jī)在超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。l運(yùn)行工況 電機(jī)的軸上輸出功率由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)兩部分輸入功率合成，電機(jī)處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)，其輸出功率超過(guò)額定功率，式（7-4）改寫成mmm)1 (PssPPl 功率流程圖7-2d 超同步速電動(dòng)狀態(tài) 12nnPS PS)1 ( PSP00s11nPmTeCU5. 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行工作條件 很多工作機(jī)械為了提高其生產(chǎn)率，希望電力拖動(dòng)裝置能縮短減速和停車的時(shí)間，因此必須使運(yùn)行在低于同步轉(zhuǎn)速電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)切換到制動(dòng)狀態(tài)下工作。 設(shè)電機(jī)原在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子

13、側(cè)已加入一定的 + Eadd 。要使之進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)突加一個(gè)反相的附加電動(dòng)勢(shì)。l 運(yùn)行工況 在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，Eadd 由“+”變?yōu)椤?”，并使 |- Eadd| 大于制動(dòng)初瞬的sEr0 ，電機(jī)定子側(cè)輸出功率給電網(wǎng)，電機(jī)成為發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)工作，并產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以加快減速停車過(guò)程。電機(jī)的功率關(guān)系為 mmm)1 (PsPsPl 功率流程圖7-2e 次同步速回饋制動(dòng)狀態(tài) 1nnPS PS)1 ( PSP01s00Pm-TeCUl五種工況小結(jié)圖7-2 異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的工況及其功率流程 五種工況都是異步電機(jī)轉(zhuǎn)子加入附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。 在工況a,b,c中，轉(zhuǎn)子

14、側(cè)都輸出功率，可把轉(zhuǎn)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。 a）轉(zhuǎn)子輸出功率的工況TICU2CU1sEr0M3圖7-4 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元b）轉(zhuǎn)子輸入功率的工況 圖7-4 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元TICU2CU1sEr0M3返回目錄返回目錄7.2 異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的 雙饋系統(tǒng)雙饋系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng) 本章摘要本章摘要n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的其他類型串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的其他類型 n基本思路 如前所述，在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)

15、串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？ 對(duì)于只用于次同步電動(dòng)狀態(tài)的情況來(lái)說(shuō)，比較方便的辦法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個(gè)附加的直流電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 這樣，就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的直流變壓?jiǎn)栴}，對(duì)問(wèn)題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都方便多了。 7.2.1 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 n 對(duì)直流附加電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)要求 l首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求；l其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。 n 系

16、統(tǒng)方案 根據(jù)以上兩點(diǎn)要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的電源，這就形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。 按照上述原理組成的異步電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)如圖7-5所示，習(xí)慣上稱之為電氣串級(jí)調(diào)速電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)（或稱或稱Scherbius系統(tǒng)系統(tǒng)）。 圖7-5 電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 n 系統(tǒng)組成n 功率變換單元lUR 三相不可控整流裝置，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì) sEr0 整流為直流電壓 Ud 。lUI 三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：l可提供可調(diào)的直流電壓 Ui ，作為電機(jī)調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢(shì)；l可將轉(zhuǎn)

17、差功率變換成交流功率，回饋到交流電網(wǎng)。n 工作原理（1）起動(dòng)）起動(dòng)l起動(dòng)條件 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)而言，起動(dòng)應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)子電流 Ir 或足夠大的整流后直流電流 Id ，為此，轉(zhuǎn)子整流電壓 Ud 與逆變電壓 Ui 間應(yīng)有較大的差值。l 起動(dòng)控制u控制逆變角 ，使在起動(dòng)開(kāi)始的瞬間，Ud與 Ui 的差值能產(chǎn)生足夠大的 Id ，以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過(guò)允許的電流值，這樣電動(dòng)機(jī)就可在一定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動(dòng)。u隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大 角以減小值 Ui ，從而維持加速過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定 。工作原理（續(xù)）（2）調(diào)速）調(diào)速l調(diào)速原理：通過(guò)改變 角的大小調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。l調(diào)速過(guò)程： UiIdK1s

18、Er0nTeTe = TLId工作原理（續(xù)）（3） 停車停車 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有制動(dòng)停車功能。只能靠減小 角逐漸減速，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。 結(jié)結(jié) 論論n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速n系統(tǒng)能把異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。返回目錄返回目錄*7.3 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性本節(jié)提要n概述n異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征n異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路n異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式n概概 述述 在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器的輸出量、分別與異

19、步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因此，可以從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路著手來(lái)分析異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性。*7.3.1 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征1. 理想空載轉(zhuǎn)速n在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，其理想空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定不變，調(diào)速時(shí)機(jī)械特性變軟，調(diào)速性能差。n在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速都不變，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的，但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。 根據(jù)式（7-5），當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（Id = 0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式變成 cos22001TUKEsKr其中，s0 異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)對(duì)應(yīng)于

20、某一 角的理想空載轉(zhuǎn)差率，并取 K1 = K2，則 cos020rEUsT(7-6) 理想空載轉(zhuǎn)速方程由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速 n0 為： )cos1 ()1 (0rT2syn0syn0EUnsnn(7-7)式中 nsyn 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 特性分析n從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級(jí)調(diào)在串級(jí)調(diào)速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的。當(dāng)改變逆變角 時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)差率和理想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。n由式（7-5）還可看出，在不同的 角下，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的機(jī)械特性。 2機(jī)械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩

21、 串級(jí)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級(jí)調(diào)速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實(shí)際上相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。 由于轉(zhuǎn)子回路電阻的影響，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性比其固有特性要軟得多。 轉(zhuǎn)子回路電阻的影響n當(dāng)電機(jī)在最高速的特性上 （ = 90）帶額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。n整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級(jí)調(diào)速時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)在正常接線時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。 這樣，串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性便如圖7-7所示。 串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖圖7-7 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性a) 大電機(jī)

22、b)小電機(jī) 從圖7-5中可以看出，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動(dòng)機(jī)定子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來(lái)研究串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路。 但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是： *7.3.2 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值與頻率都是變化的，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而變化。（2）異步電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子頻率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)。（3）由于異步電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)

23、的漏抗值較大，所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴(yán)重，從而在負(fù)載較大時(shí)會(huì)引起整流器件的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象。 整流電路的不同點(diǎn) 1. 轉(zhuǎn)子整流電路圖7-8 轉(zhuǎn)子整流電路 D0D02. 電路分析n假設(shè)條件（1）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（2）轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為無(wú)窮大，直流電流波形平直；（3）忽略電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁阻抗的影響。 n 換相重疊現(xiàn)象 設(shè)電動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 era、erb、erc。當(dāng)各整流器件依次導(dǎo)通時(shí)，必有器件間的換相過(guò)程，這時(shí)處于換相中的兩相電動(dòng)勢(shì)同時(shí)起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。 換相重疊波形換相重疊壓降換相重

24、疊角 根據(jù)“電力電子技術(shù)” 中介紹的理論，換相重疊角換相重疊角為n 換相重疊角0rdD0r0dD0621arccos621arccosEIXsEIsX（7-8） 其中 XD0 s = 1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。 由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流電流 Id 的增大而增加。n當(dāng) Id 較小， 在0 60之間時(shí)，整流電路中各整流器件都在對(duì)應(yīng)相電壓波形的自然換相點(diǎn)處換流，整流波形正常。n當(dāng)電流 Id 增大到按式（7-8）計(jì)算出來(lái)的 角大于60時(shí)，器件在自然換相點(diǎn)處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點(diǎn)換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強(qiáng)

25、迫延時(shí)換相角強(qiáng)迫延時(shí)換相角 p 。 由此可見(jiàn)，串級(jí)調(diào)速時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。 n 轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài) （1）第一種工作狀態(tài)的特征是 0 60， p = 0 此時(shí)，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是 = 60， 0 p 30 這時(shí)，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)， p 角相當(dāng)于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。 轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)（續(xù)） （3）當(dāng) = 30時(shí)，整流電路中會(huì)出現(xiàn)4個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，形成共陽(yáng)極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后 p 保持為30，而 角繼續(xù)增

26、大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。 轉(zhuǎn)子整流電流與 、p 間的函數(shù)關(guān)系 圖7-9 轉(zhuǎn)子整流電路的 = f ( Id )， p = f ( Id )Id1-2n 串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓 由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時(shí)的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式來(lái)表示串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。)6sin(26)cos(cos26p0D0rppD0r0dXEXEI(7-9)n 串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電壓式中，RD = sRs + Rr 為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。 dDpp0rd22)cos(cos3

27、4. 2IRsEUdDdDprIRIsXsE23cos34. 200(7-10)上兩式中l(wèi)當(dāng) 0 p 30， =60時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第二工作區(qū)；l當(dāng)p = 0， = 0 60 時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第一工作區(qū)。*7.3.3 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式 圖7-10 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)a）主電路b）等效電路 1. 電路結(jié)構(gòu)2. 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程n轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為n逆變器直流側(cè)電壓n電壓平衡方程)23(cos34. 2D0Ddp0rdRsXIsEU(7-11)23(cos34. 2TTd2TiRXIUU(7-12)(7-13)LdidRIUU以上三

28、式中 RL直流平波電抗器的電阻； XT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效電阻，RT = RT 1 + RT 2 。 3. 轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速方程 解式（711）式（713），可以得到用轉(zhuǎn)差率表示的方程式d0Dp0rLDTTd2T3cos34. 2)223(cos34. 2IXERRRXIUs（7-14） 轉(zhuǎn)速特性方程 將 s = (n0 n ) / n0代入上式，得到串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速特性為d0Dp0rLDTT0Dd2Tp0r03cos34. 2)2233()coscos(34. 2IXERRRXXIUEnn(7-15)

29、 如令p = 0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。 分析式（7-15）可以看出，等號(hào)右邊分子中的第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓 )coscos(34. 22Tp0rUEU（7-16） 第二項(xiàng)相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可以寫作 Id R ，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓。 等效電動(dòng)勢(shì)系數(shù)公式 如借用直流電動(dòng)機(jī)的概念和有關(guān)算式，引入電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CE ，使 0d0D0d0d0Dp0rE33cos34. 2nIXUnIXEC（7-17） 轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式則式（7-15）可改寫成 )(1dERIUCn（7-18） 其中， p0r0dcos34. 2EULDTT0D2233RRRX

30、XRn注意 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce 是常數(shù)，但在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，CE是負(fù)載電流的函是負(fù)載電流的函數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因素素，故兩個(gè)符號(hào)的下角不同，以示區(qū)別。兩種轉(zhuǎn)速特性的比較n式（7-18）表明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動(dòng)的調(diào)速特性。 n在直流調(diào)速系統(tǒng)中，須直接改變電壓 U；而在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過(guò)改變式（7-16）第二項(xiàng)中的控制角 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兩種轉(zhuǎn)速特性的比較（續(xù)）n在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中總電阻 R 較大，系統(tǒng)的調(diào)速特性較軟；對(duì)于p 0

31、的第二工作區(qū)，計(jì)及p 的影響，在同一逆變角 下的電壓更小，相當(dāng)于也發(fā)生變化，因而調(diào)速特性更軟。4. 電磁轉(zhuǎn)矩方程 n轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率 可以從轉(zhuǎn)子整流電路的功率傳遞關(guān)系入手，暫且忽略轉(zhuǎn)子銅耗，則轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率 dd0Dp0rs)3cos34. 2(IIsXsEPn 電磁轉(zhuǎn)矩公式而電磁功率 Pm = Ps /s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為ddDprsmeIIXEsPPT)3cos34. 2(100000dMddDdICIIXU0003（7-19） 0 理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)速(rad/s ) ；CM 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， 式中 因?yàn)椋?3(1000dDdMIXUC它也是電流 Id 的函

32、數(shù)。與式（7-17）的電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CE 相比可知， CM 和 CE 對(duì) Id 的關(guān)系是一樣的。由于0 =2n0 /60，所以 EM30CC（7-20） 可見(jiàn)， CM 和 CE的關(guān)系與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)中Cm 和 Ce的關(guān)系完全一致。5. 串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性方程 當(dāng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運(yùn)行時(shí)， p= 0 ，代入式（7-19），再令 dTe/dt = 0，可求出電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算最大值電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算最大值Te1m，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第一工作區(qū)的機(jī)械特第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式性方程式： n第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式 24m111m1e1messssTT(7-21)s1m = s1m- s10 在給

33、定 值下，從理想空載到計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率增量； s1 = s- s10 在相應(yīng)的 值下，由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)差率增量；式中 s10 相應(yīng) 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率；s1m 對(duì)應(yīng)于計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩Te1m的臨界轉(zhuǎn)差率：322320DLDTT10m1XRRRXss(7-22) Te1m 系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩”。 由于在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)，負(fù)載增大到一定程度，必然會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子整流器的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，也就是說(shuō)，系統(tǒng)必然會(huì)進(jìn)入第二工作區(qū)。而 Te1m 是在 p= 0 的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會(huì)達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩。 n第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式 (7-23)2

34、cos4m222m2p2e1messssTTs2m = s2m- s20 計(jì)及強(qiáng)迫延時(shí)換相，對(duì)應(yīng)于某一p 值時(shí)的轉(zhuǎn)差率增量； s2 = s- s20 在給定 與p值下，由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)差率增量;式中 s20相應(yīng) 與 p 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率：p0r2T20coscosEUs322320DLDTT20m2XRRRXss(7-24)而n注意 在用式（7-23）計(jì)算第二工作區(qū)的一段機(jī)械特性時(shí)，等號(hào)左邊分母中仍用Te1m ，這是為了使第一、二工作區(qū)的機(jī)械特性計(jì)算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩就是Te1m ，它具有另外一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩Te2m 。 n 幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系和計(jì)算 從異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

35、數(shù)據(jù)可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)矩TeN和正常運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩Tem 。 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有實(shí)用意義的是第一工作區(qū)的計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩 Te1m 和第二工第二工作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩 Te2m （可證明，Te2m 對(duì)應(yīng)于p= 15）。還有第一、二工作區(qū)交界的轉(zhuǎn)矩值，稱作交接轉(zhuǎn)矩稱作交接轉(zhuǎn)矩 Te1-2 。 按照上面的推導(dǎo)，可得40955. 0eme1mTT827. 0eme2mTT716. 0em2e1TT（7-25） （7-26） （7-27） 式（7-26）說(shuō)明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時(shí)減少時(shí)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時(shí)減少了了17.3%，這在選

36、用電機(jī)時(shí)必須注意。 另外，由式（7-27）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力一般大于2，即Tem 2TeN，所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下工作時(shí)，還是處于第一工作區(qū)負(fù)載下工作時(shí)，還是處于第一工作區(qū)。 6. 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 圖7-11 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 返回目錄返回目錄s20本節(jié)提要n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑n斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)n串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量*7.4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 及其提高方案及其提高方案*7.4.1 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率圖

37、7-12 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞 b)系統(tǒng)的功率流程圖 n 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率流程 l在串級(jí)調(diào)速時(shí)（圖7-12a），Ps未被全部消耗掉，而是扣除了轉(zhuǎn)子銅損 PCur、雜散損耗 Ps 和附加的串級(jí)調(diào)速裝置損耗 Ptan 后通過(guò)轉(zhuǎn)子整流器與逆變器返回電網(wǎng)，這部分返回電網(wǎng)的功率稱作回饋功率 Pf 。l對(duì)整個(gè)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它從電網(wǎng)吸收的凈有功功率應(yīng)為 Pin = P1 Pf 。 n 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率及比較l串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率 %100%100f1mechmechin2schPPpPPP%100)1()1(tanmechmmechmpppsPpsP(7-28)式中 p 是異步電動(dòng)機(jī)定

38、子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗； ptan 附加的串級(jí)調(diào)速傳動(dòng)(tandem drive)裝 置損耗 。 在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變， p 和 ptan 都基本不變，式（7-28）分子和分母中的項(xiàng)隨著的增大而同時(shí)減少，對(duì)值的影響并不太大。 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的效率是%100%100sCurFeCusmechmechmech12RppppPpPPP%100)1 ()1 (mechmmechmppsPpsP=其中，Pm(1- s) 項(xiàng)隨s 的變化和串級(jí)調(diào)速時(shí)一樣，而所串電阻越大時(shí)，pCus 越大，p 也越大，因而效率 R 越低，幾乎是

39、隨著轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。 l 效率的比較p串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率是比較高的，且當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，sch 的減少并不多。p而繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)的效率幾乎隨轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。圖7-13 電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng) = f (s) 的比較 *7.4.2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)與系統(tǒng)所用的異步電動(dòng)機(jī)、不可控整流器和逆變器三大部分有關(guān)：l異步電動(dòng)機(jī)本身的功率因數(shù)就會(huì)隨著負(fù)載的減輕而下降；l轉(zhuǎn)子整流器的換相重迭和強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通等作用都會(huì)通過(guò)電機(jī)從電網(wǎng)吸收換相無(wú)功功率；l逆變器的相控作用使其電流與

40、電壓不同相，也要消耗無(wú)功功率。n 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù) 在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，從交流電網(wǎng)吸收的總有功功率是電動(dòng)機(jī)吸收的有功功率與逆變器回饋至電網(wǎng)的有功功率之差，然而從交流電網(wǎng)吸收的總無(wú)功功率卻是電動(dòng)機(jī)和逆變器所吸收的無(wú)功功率之和（見(jiàn)圖7-12），因此，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)可用下式表示 功率因數(shù)計(jì)算公式 s 系統(tǒng)總的視在功率；Q1 電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率；Qf 逆變變壓器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率。2f12f1f1insch)()(cosQQPPPPSP式中(7-29) 功率因數(shù)范圍p一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)為0.60.65，比正常接線時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)減少0.1左右；p在低速時(shí)可降

41、到0.40.5（對(duì)調(diào)速范圍為2的系統(tǒng)）。這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。p對(duì)于寬調(diào)速的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，隨著轉(zhuǎn)差率的增大，系統(tǒng)的功率因數(shù)還要下降，這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。*7.4.3 斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)n問(wèn)題的提出 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)差的一個(gè)重要原因就是采用了相位控制的逆變器，控制角 越大時(shí)，逆變器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率越多。 如果用斬波器來(lái)控制直流電壓，而將逆變器的控制角設(shè)定為允許的最小值不變，即可降低無(wú)功的消耗，而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。 n 系統(tǒng)組成圖7-14 斬波控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖7-14繪出了斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

42、，圖中CH是直流斬波器，可用普通晶閘管或可關(guān)斷電力電子器件組成，后者可大大簡(jiǎn)化斬波器電路。 系統(tǒng)中斬波器CH工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其工作原理和功率因數(shù)如下分析。 1工作原理n當(dāng)它接通時(shí)，逆變器輸出的附加電動(dòng)勢(shì)被短接（Eadd = 0）；n斷開(kāi)時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)最大（ Eadd = Ui）。 設(shè)斬波器的開(kāi)關(guān)周期為 T ，開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間為 ，則逆變器經(jīng)CH送出的平均電動(dòng)勢(shì)為 iUTT 改變占空比（T- ）/ T 即可調(diào)節(jié)平均電動(dòng)勢(shì)的大小，從而調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 附加電動(dòng)勢(shì)的斬波波形 圖7-15為忽略交流電壓變化時(shí)附加電動(dòng)勢(shì)的斬波波形。圖7-15 轉(zhuǎn)子斬波串級(jí)調(diào)速時(shí)的附加電動(dòng)勢(shì)波形 OtEaddT 斬波控

43、制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速方程 當(dāng)轉(zhuǎn)子回路整流器和逆變器都是橋式電路時(shí)，可得理想空載的電壓平衡方程式min2T0r0cos)1 (34. 234. 2UTEsmin0r2Tsyn0cos11EUTnn（7-30） n0 不同占空比時(shí)的理想空載轉(zhuǎn)速；nsyn異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。式中 因此 2系統(tǒng)的功率因數(shù) 在斬波控制時(shí)，逆變角設(shè)定為 min ，則逆變器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率可減到最小程度。圖7-16繪出了帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的斬波控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)差率下的功率因數(shù)。圖7-16 兩種串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)比較斬波控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)常規(guī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)*7.4.4 串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量

44、串級(jí)調(diào)速裝置是指整個(gè)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中除異步電動(dòng)機(jī)以外為實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速而附加的所有功率部件，包括轉(zhuǎn)子整流器、逆變器和逆變變壓器。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，必須正確合理地選擇這些附加設(shè)備的電壓和容量，以提高整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能價(jià)格比。n 整流器和逆變器容量 選擇主要依據(jù)其電流與電壓的定額。l電流定額決定于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定電流和所拖動(dòng)的負(fù)載 IrN；l電壓定額則決定于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定相電壓（即轉(zhuǎn)子開(kāi)路電動(dòng)勢(shì) Er0 ）和系統(tǒng)的調(diào)速范圍 D。這里， min0synnnD 其中， n0min 是調(diào)速系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)于最大理想空載轉(zhuǎn)差率 s0max ，由式（7-7）可得)1 (max0synmin0snnDs

45、11max0（7-31） 調(diào)速范圍越大時(shí)， s0max也越大，整流器和逆變器所承受的電壓越高。n 逆變變壓器的容量 l逆變變壓器的二次側(cè)相電壓 )11 (15. 10r2TDEU（7-32） )11 (45. 3T220TDIEW（7-33） l逆變變壓器的容量計(jì)算返回目錄返回目錄7.5 雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng) 由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的靜差率較大，所以開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動(dòng)態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，通常采用具有電流反饋與轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方式。7.5.1 雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉

46、環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖7-17 雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng) n 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n 控制環(huán)節(jié)說(shuō)明 圖7-17所示為雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自異步電動(dòng)機(jī)軸上聯(lián)接的測(cè)速發(fā)電機(jī)，電流反饋信號(hào)取自逆變器交流側(cè)的電流互感器，也可通過(guò)霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子直流回路。 為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調(diào)節(jié)器ACR輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為 = min 。 n 系統(tǒng)比較l圖7-17所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動(dòng)態(tài)恒流的作用。l所不同的是它的控制作用都是通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。 在圖7-17所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)

47、節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖均與直流調(diào)速系統(tǒng)中相同，本節(jié)不再贅述。 但是，在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路中，不少物理量都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，所以要單獨(dú)處理。*7.5.2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動(dòng)態(tài)電壓平衡方程ddidddRItILUsU00(7-34)式中Ud0 = 2.34Er0 cosp當(dāng) s = 1 時(shí)轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓；Ui0 = 2.34UT2 cos 逆變器直流側(cè)的空載電壓； L 轉(zhuǎn)子直流回路總電感； L = 2LD + 2LT + LL LD 折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動(dòng)機(jī)每相漏感； LT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感；

48、 LL 平波電抗器電感； R 轉(zhuǎn)差率為時(shí)轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻，LTDT0D2233RRRXsXR 轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) 由上式可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)1)()(0000sTKUsnnUUsILrLriddd(7-36)RLTLrRK1Lr 轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)間常數(shù)； 轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù)。式中 轉(zhuǎn)子直流回路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖7-18 轉(zhuǎn)子直流回路動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 將電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式tnGDTTddLe3752tnGDIICddLdM375)(2或?qū)懗墒街?IL 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL 所對(duì)應(yīng)的等效直流電流。2異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù) 帶入異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程dMddDdeICIIXUT)3(

49、1000(7-19) 可推得異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的傳遞函數(shù)為： 串級(jí)調(diào)速時(shí)的傳遞函數(shù)sTCRsCCRGDCRsIsIsnMEME2ELd375/)()()(7-37)ME2M375CCRGDT式中 機(jī)電時(shí)間常數(shù)。 TM 與 R 、CE 、CM 都有關(guān)系，所以也不是常數(shù)，而是 Id 和 n 的函數(shù)。3串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖7-19 雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 sTCRME*7.5.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應(yīng)使系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。在采用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可以象直流調(diào)速系統(tǒng)那樣：n轉(zhuǎn)速環(huán)

50、按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 n電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 問(wèn)題和困難 但是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)間常數(shù) TLr 及放大系數(shù) KLr 都是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，而異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù) TM 又是轉(zhuǎn)速 n 和電流 Id 的函數(shù)，這就給調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。 解決辦法固定工作點(diǎn)求參數(shù) 具體設(shè)計(jì)時(shí)，可以先在確定的轉(zhuǎn)速 n 和負(fù)載電流 Id 的前提下，求出各傳遞函數(shù)中的參數(shù)，例如按照要求的最大轉(zhuǎn)差率 smax或平均轉(zhuǎn)差率 smax / 2 來(lái)確定轉(zhuǎn)速，按額定負(fù)載或常用的實(shí)際負(fù)載來(lái)選定電流，然后按定常系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 如果用模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，則當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速和/或電流改變時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就要變壞。 如果采

51、用微機(jī)數(shù)字控制，可以按照不同的轉(zhuǎn)速和電流事先計(jì)算好參數(shù)的變化，用表格的方式存入微機(jī)，實(shí)時(shí)控制時(shí)可根據(jù)檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速和電流查表調(diào)用，就可以得到滿意的動(dòng)態(tài)特性。 7.5.4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動(dòng)勢(shì)而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)與停車控制必須有合理的措施予以保證?？偟脑瓌t總的原則是在起動(dòng)時(shí)必須使逆變器先電機(jī)而接上電網(wǎng)，停車時(shí)則比電機(jī)后脫離電網(wǎng)，以防止逆變器交流側(cè)斷電，使晶閘管無(wú)法關(guān)斷，造成逆變器的短路事故。 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式通常有間接起動(dòng)和直接起動(dòng)兩種。1. 間接起動(dòng) 為了使串級(jí)調(diào)速裝置不受過(guò)電壓損壞，須采用間接起動(dòng)方式

52、，即將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動(dòng)，待轉(zhuǎn)速升高到串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最低轉(zhuǎn)速時(shí)，才把串級(jí)調(diào)速裝置投入運(yùn)行。 間接起動(dòng)控制原理圖 圖7-20串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)間接起動(dòng)控制原理圖 間接起動(dòng)操作順序（1）先合上裝置電源總開(kāi)關(guān)S，使逆變器在 min 下等待工作。（2）然后依次接通接觸器K1，接入起動(dòng)電阻R，再接通K0，把電機(jī)定子回路與電網(wǎng)接通，電動(dòng)機(jī)便以轉(zhuǎn)子串電阻的方式起動(dòng)。（3）待起動(dòng)到所設(shè)計(jì)的nmin（smax）時(shí)接通K2，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接到串級(jí)調(diào)速裝置，同時(shí)斷開(kāi)K1，切斷起動(dòng)電阻，此后電動(dòng)機(jī)就可以串級(jí)調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 停車操作順序 （1）由于沒(méi)有制動(dòng)作用，應(yīng)先斷開(kāi)K2，使電動(dòng)機(jī)

53、轉(zhuǎn)子回路與串級(jí)調(diào)速裝置脫離；（2）再斷開(kāi)K0，以防止當(dāng)K0斷開(kāi)時(shí)在轉(zhuǎn)子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。 2直接起動(dòng) n直接起動(dòng)又稱串級(jí)調(diào)速方式起動(dòng)。在起動(dòng)控制時(shí)讓逆變器先于電動(dòng)機(jī)接通交流電網(wǎng)，然后使電動(dòng)機(jī)的定子與交流電網(wǎng)接通，此時(shí)轉(zhuǎn)子呈開(kāi)路狀態(tài)，可防止因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的合閘過(guò)電壓通過(guò)轉(zhuǎn)子回路損壞整流裝置，最后再使轉(zhuǎn)子回路與整流器接通。 直接起動(dòng)操作順序（1）接觸器的工作順序?yàn)?SK0K2，此時(shí)不需要起動(dòng)電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路接通時(shí)，由于轉(zhuǎn)子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無(wú)電流，電動(dòng)機(jī)尚不能起動(dòng)。（2）待發(fā)出給定信號(hào)后，隨著 的增大，逆變電壓降低，產(chǎn)生直流電流，電動(dòng)機(jī)才逐漸加速，直至達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。 返回目錄返回目錄*7.6 異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)n概 述 上述的異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是從定子側(cè)饋入電能、從轉(zhuǎn)子側(cè)饋出電能的系統(tǒng)，從廣義上說(shuō)，它也是雙饋調(diào)速系統(tǒng)的一種。 但人們往往