交流异步电动机的调速方法7-7

第七章交流异步电动机的其它调速方法第二节绕线转子异步电动机串级调速系统——转差功率回馈型调速系统引言串级调速原理及基本类型串级调速系统工作时的机械特性串级调速系统性能的讨论第二节绕线转子异步电动机串级调速系统——转差功率回馈型调速系统基本思路对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。四.电气串级调速系统的工作原理7.2.1串级调速原理及基本类型对直流附加电动势的技术要求首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。7.2.1串级调速原理及基本类型系统方案根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的串级调速系统如下图所示，习惯上称之为电气串级调速系统。7.2.1串级调速原理及基本类型电气串级调速系统原理图系统组成7.2.1串级调速原理及基本类型功率变换单元UR—三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势sEr0整流为直流电压Ud。UI—三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：可提供可调的直流电压Ui，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。7.2.1串级调速原理及基本类型调速原理（1）起动起动条件对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后直流电流Id，为此，转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。7.2.1串级调速原理及基本类型起动控制控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，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。随着转速的增高，相应地增大角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。7.2.1串级调速原理及基本类型调速原理（续）（2）调速调速原理：通过改变角的大小调节电动机的转速。调速过程：7.2.1串级调速原理及基本类型UiIdsE20nTmId=ILId调速原理（续）（3）停车串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。7.2.1串级调速原理及基本类型结论串级调速系统能够靠调节逆变角实现平滑无级调速。系统能把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。7.2.1串级调速原理及基本类型7.2.2串级调速系统工作时的机械特性内容提要异步电动机转子整流电路的工作状态串级调速系统的调速特性串级调速系统的机械特性7.2.2串级调速系统工作时的机械特性异步电动机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，主要是：一.异步电动机转子整流电路的工作状态7.2.2串级调速系统工作时的机械特性（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XD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件的强迫延迟换相现象。•整流电路的不同点7.2.2串级调速系统工作时的机械特性1.转子整流电路转子整流电路7.2.2串级调速系统工作时的机械特性2.电路分析假设条件（1）整流器件具有理想的整流特性，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。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性换相重叠现象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，产生换相重叠压降。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性根据“电力电子技术”中的内容，换相重叠角为换相重叠角D0dr02arccos16XIE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。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性由上式可知，换相重叠角随着整流电流Id的增大而增加。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换流，整流波形正常。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性当电流Id增大到计算出来的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，出现了强迫延迟换相现象，所延迟的角度称作强迫延时换相角p。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。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性转子整流电路的工作状态（1）第一种工作状态的特征是0≤≤60°，p=0此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。（2）第二种工作状态的特征是=60°，0p30°这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态，p角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性转子整流电路的工作状态（续）（3）当=30°时，整流电路中会出现4个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，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。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性转子整流电流与、p间的函数关系转子整流电路的=f(Id)，p=f(Id)Id1-27.2.2串级调速系统工作时的机械特性串级调速时转子整流电路的电流和电压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整流电路的电流和电压。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性第一工作区r0dD06(1cos)2EIXD0dr0d32.34(2)πDsXUsERI7.2.2串级调速系统工作时的机械特性电流：电压：串级调速时转子整流电路的电流和电压第二工作区r0dpD06πsin()26EIXD0dr0pd32.34cos(2)πDsXUsERI7.2.2串级调速系统工作时的机械特性电流：电压：串级调速时转子整流电路的电流和电压二.串级调速的调速特性a）主电路b）等效电路1.电路结构7.2.2串级调速系统工作时的机械特性2.第一工作区调速特性电压平衡方程dr0dD0D32.34(2)πUsEIsXRT2dTT32.34cos(2)πUUIXR转子整流电路的输出电压为逆变器直流侧电压ddLUUIR7.2.2串级调速系统工作时的机械特性由上三式，D0TT2dTDLr0D0d332.34cos(22)ππ32.34πXXUIRRRsEXI将s=(n0–n)/n0代入上式，得到串级调速时的转速特性D0Tr0T2dTDLr0D0d0332.34(cos)(22)ππ13(2.34)πXXEUIRRRnEXIn7.2.2串级调速系统工作时的机械特性分析D0Tr0T2dTDLr0D0d0332.34(cos)(22)ππ13(2.34)πXXEUIRRRnEXInUdRΣCEdΣEdUIRnC7.2.2串级调速系统工作时的机械特性讨论：r0D0d032.34πEEXICnD0TTDL3322ππXXRRRRr0T22.34(cos)UEU改变β的值就可以改变U的值，相当于改变了它励直流电机的端电压。相当于直流电机的电枢电阻，只不过这个值有点大，特性较软。随Id的增加，CE值变小，相当于去磁效应强烈。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性两种转速特性的比较在第一工作区，异步电动机串级调速系统与它励直流电动机的转速特性在形式上完全相同，改变电压即可得到一族平行移动的调速特性。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，它是通过改变第二项中的控制角β来实现的。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性3.第二工作区调速特性D0Tr0T2dTDLr0dp00pD332.34(cos)(22)ππ13(2.34)πcoscosXXEUIRRRnEXIn在同一逆变角下的电压更小，相当于n0也发生变化，因而在第二工作区的调速特性更软。随Id的增加，p增加，去磁效应更强。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性三.串级调速的机械特性机械特性：()eTfn()eTfs电磁转矩111eesePsPPTss7.2.2串级调速系统工作时的机械特性1.第一工作区电磁转矩转差功率可以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D0sr0dd3(2.34)πddsXPUIsEII7.2.2串级调速系统工作时的机械特性电磁转矩sD0er0ddTd1131(2.34)πPXTEIICIs1111609.552260TECnnnC可见，CM和CE的关系与直流他励电动机中Cm和Ce的关系完全一致。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性1.第一工作区电磁转矩（续）sD0er0ddTd1131(2.34cos)πpPXTEIICIs1111609.552260TECnnnC可见，CM和CE的关系与直流他励电动机中Cm和Ce的关系完全一致。7.2.2串级调速系统工作时的机械特性2.第二工作区电磁转矩3.串级调速系统的机械特性D0er0dd131(2.34)πXTEII第一工作区机械特性0T2dD0TTDL2.34(cos)3322ππrsEUIsXXRRR7.2.2串级调速系统工作时的机械特性电磁转矩电流2D0Tr010TDLe10D0T1TDL33(2.34)(22)ππ()33(22)ππXXEsRRRTsssXXRRRS和Te的关系式近似为一直线。21020cosTUsE7.2.2串级调速系统工作时的机械特性由上两式,得第一工作区机械特性：第一工作区机械特性2201e10276DETX理论最大转矩：Id的实际最大值：r0dD06πsin26EIXD0er0dd131(2.34)πXTEII代入2201-21m10278DETTX实际最大转矩：7.2.2串级调速系统工作时的机械特性第一工作区机械特性第二工作区的机械特性方程式D0er0dd131(2.34cos)πpXTEII转矩：r0dD06πsin()26pEIX电流：201D093πsin(2)43repETX机械特性方程式：7.2.2串级调速系统工作时的机械特性讨论：p=150时，有最大转矩：2021D0934rmETX对应的电流：r0dD06πsin()26pEIXr0dD032EIX7.2.2串级调速系统工作时的机械特性第二工作区的机械特性方程式2D0Tr010TDLe10D0T1TDL33(2.34)(22)ππ()33(22)ππXXEsRRRTsssXXRRR