6-绕线转子异步电动机的串级调速系统

增大，必然使s增大，才能在新的s下使拖动系统在新的稳态运行。6．1串级调速的原理与类型6.1.1绕线转子异步电动机串级调速原理1．绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速原理nT2IR)a2P~0T00nLT1ns)bM~3绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速a)电路图b)机械特性222122111Kxs/rrs/rUpmT从异步电动机电磁转矩参数表达式看串电阻调速即改变r2’，r2’改变，只要r2’/s不变，则T不变。第6章绕线转子异步电动机的串级调速系统2r串电阻调速可通过分析转子回路电流来认识其调速的物理过程22cosTmTCI从电磁转矩的物理表达式看电磁转矩T只与转子回路中的有功电流成正比222cosTII222022202222/jxsrEjsxrEsjxrEIss拖动系统达到降低速度后的新的平衡状态r2I2TTns回到原值sr/2T回到原值与负载转矩平衡频率折算nT2IR)a2P~0T00nLT1ns)bM~3222122111Kxs/rrs/rUpmT可知，转子回路串电阻调速的物理本质是改变转子回路的电流来改变转矩，从而达到调速的目的。)b)a2ISE2addEaddE2ISE22R绕线式是异步电动机转子回路串入附加电动势2．串级调速原理串级调速：在转子回路中串入一附加电势来改变转子回路电流，同样可改变电机的转矩，从而达到调速的目的。addE20222addsEEIrjsx串入addETnsI2T回到原值降速过程结束I2TaddE串入addEI2TTsE2I2回落s减小到零20sEI2T仍比原有的大电机冲过同步转速点s0定子旋转磁势相对于转子转向由正转变成反转反向sE2反向串联变成与addsEE2I2T回到原值电机达到超同步速的新稳态工作点有功功率输出addE超同步速串级调速系统1）相位相反时2addsEE与2）相位相同时2addsEE与吸收有功功率ns次同步速串级调速系统3．附加电势获得的方法次同步速串级调速系统主电路超同步速串级调速系统主电路附加电势吸收电机转子送来的转差功率Ps这部份能量可通过有源逆变送回电网转子电势经不控整流桥VR整流成直流，再经逆变桥VI把能量通过逆变变压器TI送回电网。调速系统类型：转差功率回馈型附加电势输出有功功率给电机转子不控整流桥改为可控整流桥，使交直交变频系统的能量反过来传输，2VR作为可控整流，1VR作为有源逆变为使Eadd和E2s的频率相同、相位相同，1VR应是有源逆变电路，而不是无源逆变电路~TI控制系统SE2VRVIMA2idoUiU~TI控制系统SE21VR2VRMA2i6.1.2绕线式异步电动机串级调速系统的类型及其控制原理串级调速次同步速串调系统超同步速串调系统运行原理及控制原理与串级调速非常接近，但属转差功率消耗型。MAn2iVFiPWM*nUASR+nUACR*iU-iUctU-fftΔ波WWTG斩波器可变电阻+RURRdL1．斩波变阻调速系统10(1)sononofftssTTRTTRRRTT控制系统采用转速、电流双闭环形式'2nicttUUURITn反馈比较速度调节器ASR的输出取为电流指令，控制转子电流*iU电流调节器的输出作为PWM占空比的控制电压Uct，控制占空比，改变电阻值。斩波变阻调速系统调节过程：2．次同步速串级调速系统~TI控制系统SE2VRVIMA2idoUiU控制有源逆变桥VI的逆变角ß控制转子电流控制电动机的转矩以实现调速iU2iTn3．超同步速串级调速系统~TI控制系统SE21VR2VRMA2i为了控制转矩T的大小，应控制转子回路电流的大小通过控制逆变桥1VR的逆变角1或（和）控制整流桥2VR的控制角来实现2通常固定其中一个、调节另一个以调节转子回路电流的大小4．早期的电气串调5．早期的机械串调把绕线式异步电动机MA1转子的转差功率经单枢换流机MB变成直流后输出给直流电动机MD再由直流电动机拖动另一台鼠笼异步电机MA2，由MA2将功率送回电网改变MD的励磁电流可改变直流电动机反电势的大小，也即改变了直流回路中的电流的大小从而改变了单枢换流机的输入电流即绕线转子电流的大小，达到调速的目的恒转矩调速系统直流电动机MD与绕线异步电动机MA同轴联接，把直流电动机得到的转差功率直接送给负载输出调节MD的励磁电流就可以调速，异步电动机的输入功率最终都输出给了负载电动机的最大输入功率是恒定的，系统在降速运行时，系统（含直流电动机）的最大输出功率不变，称恒功率调速系统拖动恒转矩负载时，若转速下降，负载的功率下降，则电机的输入功率也跟着下降，所指的恒功率是其所能够输出的最大值MBMA1MDdIMA2+-fIMBMAMDdI+-fI6．2次同步速串级调速系统MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ACR*iUctU--iU++~VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n绕线转子异步电动机MA起动电阻R切换用接触器1C、2C串调装置主电路（交直交变频电路）不控整流桥VRdL平波电抗器有源逆变桥VI逆变变压器TI控制系统为转速、电流双闭环控制系统测速信号取自测速发电机TG电流反馈信号在逆变桥交流侧采样经整流得到6.2.1次同步速串级调速系统的构成电流反馈信号也可在直流侧采样得到6.2.2串级调速系统的机械特性T00nNT1n00.20.40.6S0=0.6S0=0.4S0=0.2S0maxSmaxSS0=090固有机械特性电流断续区时90.1MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ACR*iUctU--iU++~VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n900iU相当于直流侧在平波电抗器后面短路，也即不串入附加电势电动机机械特性近似于固有机械特性但转子电流还流经整流二极管及平波电抗器，相当于在转子回路中串入了与二极管管压降相当的一电阻及把电抗器折算到交流侧的一个等效电感。电阻的串入，使机械特性稍软电抗的串入，使最大转矩减小900iU固定β为某一个确定值β1，可得到一条人为机械特性曲线00202.34dUsE0212.34cosiTUU0dI空载时00diUU在不同的β角下，机械特性是一组平行的曲线1|nfT（1）空载转差率s0（空载转速n0)（2）特性曲线直线段的斜率与最大转矩等效电路图+-+-UdReRLdR1Ui0RDUd0R2UiId解得121020cos|TUsE12.(90),电流连续时T00nNT1n00.20.40.6S0=0.6S0=0.4S0=0.2S0maxSmaxSS0=090固有机械特性电流断续区逆变角β减小，空载转差率s0增大与相比，转子回路的电阻与电抗不变。90所以，机械特性曲线斜率及最大转矩也相同。113.(90),电流断续时只有当三相整流电压ud波形中的最高点，低于ui波形的最低点时,电流才会真正为零。电流断续后的机械特性将上翘，S0将变小6.2.3逆变变压器把串调装置主电路与交流电网隔离，以抑制浪涌电压的影响使电动机转子绕组的电压与电网电压相匹配不同的电机，转子绕组开路电压不同。不同的调速系统，所要求的调速范围不同。设最大转差率maxs系统所需要到达的最小逆变角0max20min2cosTsEU0max200max202mincoscos30TsEsEU设置的目的：要电压相匹配的理由：要电压相匹配的做法：Ui的调节范围为0max20max0~0~iiUsEU若Uimax太小，则移相范围太小。例：若Uimax太大，则移相范围无法满足。例：设置逆变变压器，使调速所需的βmin即为逆变桥可靠工作的βmin，（一般为30º），逆变变压器副方电压为：6.2.4串调系统的能量传递关系与效率b)1PmPmecP2P2Cup2CupFeppmecpsPmPP1mmecP)s(PP12a)inPFPspinPmssPP1．能量传递关系sP串调装置的损耗FP回馈回电网的功率略去一切损耗时mPP12PPmecsFPPPPF~(1-s)PsPb)a)P~(1-s)PsPa)详细的b)近似的串调系统的能量传递简图（次同步速系统电动工况）2．串调系统的效率inininschPpPPP2pppppppmecscuFecu21s10.501串调串电阻0FeCuppp11sCuppp22PPPmec321321psPpPpsPPPmmminschb)1PmPmecP2P2Cup2CupFeppmecpsPmPP1mmecP)s(PP12a)inPFPspinPmssPP6.2.5串调装置的容量与电机的起动1．串调装置的容量串调装置：整个串调系统除异步电动机以外的所有部件。串调装置的容量（伏安容量）：功率变换器容量SV、逆变变压器容量ST。功率变换器的容量与调速范围有正关联的关系，调速范围越大，所需的容量越大。maxmaxmaxsmNPsPsPmax11VNNSsPPD2）逆变变压器容量ST223TTTSUImax20max2202maxmin331.15coscos30TNsEsSIEIsP逆变变压器的容量则应再放大一个由调速工况能到达的βmin引起的系数串调系统的优点：在调速范围要求不大的场合，可以用一小容量的变换器去控制一台大容量的异步电机。以它所要传递的最大功率作为它的容量：串调装置传输的最大功率是最大的转差功率为大风机、大水泵要求的调速范围一般都很小，这种情况下采用串级调速是最为有利的。1）功率变换器容量SV2．异步电动机的起动问题1）当串调装置的容量与异步电动机的容量相等或相当时串调装置可取代起动电阻，利用串调装置使异步电动机在无冲击电流的情况下平稳起动，这时不需使用起动电阻R。（但这种情况极少）2）装置容量与电动机容量相比相对较小的情况下串调装置无法使电机从零速开始运行,这时仍需要用起动电阻来起动电机MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ACR*iUctU--iU++~VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n•起动时，合1C，用电阻R起动。当电动机转差率S小于Smax之后，先合上2C，使β在βmin下工作，再断开1C，起动完成。•停车时应先使装置脱开（2C断开），才能去切断定子侧的主电源。起动、停车操作：•2C与1C必须有一个足够长的闭合重合区，以避免转子开路电压损坏晶闸管（有问题）。6.2.6次同步速串级调速系统的回馈制动0nn定子绕组所产生的定子旋转磁势相对转子的转向由正转变成了反转2sE反向转子电流反向转矩反向进入第Ⅱ象限超同步速运行的发电回馈制动2.次同步速串级调速系统回馈制动β＝β1时，在空载转差率S01时，Ud0＝Ui，Id＝0，电磁转矩为零。若原动机使电动机的转速继续往上升，有：010~,ss0,diUU0,0TId0ss，doiUU，开始流通dIT反向，制动转矩T100-110n1固有机械特性01s01sns1.异步电动机正常回馈制动的物理过程+-+-UdReRLdR1Ui0RDUd0R2UiId010~,ss转子有功电流反向进入第Ⅱ象限超同步速运行的发电回馈制动（考虑电流断续为兰虚线）次同步速串级调速系统，能在第Ⅰ象限的次同速区域内作电动工况运行，能在第Ⅱ象限的超同步速区域内作回馈发电制动工况运行。•次同步速串调速系统的主要优点：①在调速范围不大时，装置容量小②系统把大部份转差功率回馈给了电网，所以在低速时的效率较转差功率消耗型的调速系统要高•串调系统的主要缺点:原因是异步电动机的功率因数本来就不高，再加上装置的变换电路及逆变变压器的工作都要从电网中吸收无功功率。~PPs