运动控制系统(18)

第十八讲7.1异步电机双馈调速工作原理7.2异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统7.3异步电动机串级调速时的机械特性第7章绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统7.0引言转差功率问题转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能是异步电动机调速的主要目的之一，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。如第5章所述，交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型。交流调速系统按转差功率的分类1）转差功率消耗型——异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低；但这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。2）转差功率不变型——变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。3）转差功率馈送型——控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些设备。7.1异步电机双馈调速工作原理本节提要概述异步电机转子附加电动势的作用异步电机双馈调速的五种工况转差功率的利用作为异步电动机，必然有转差功率，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。但要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。7.1.0概述绕线转子异步电动机PsP1绕线转子异步电动机结构如图所示，从广义上讲，定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入，也可以从定子或转子输出，故称作双馈电机。~绕线转子异步电动机转子串电阻调速根据电机理论，改变转子电路的串接电阻，可以改变电机的转速。转子串电阻调速的原理如图所示，调速过程中，转差功率完全消耗在转子电阻上。PmPmechPs双馈调速的概念所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。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，则要视电机的工况而定。双馈调速的基本结构功率变换单元电网K1M3~K2TI如上图所示，在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，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电动势。功率变换单元由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即f2=sf1，因此必须通过功率变换单元（PowerConverterUnit—CU）对不同频率的电功率进行电能变换。对于双馈系统来说，CU应该由双向变频器构成，以实现功率的双向传递。双馈调速的功率传输（1）转差功率输出状态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；CUP1PsM3~Pmech（2）转差功率输入状态当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。PsP1M3~CUPmech7.1.1异步电机转子附加电动势的作用异步电机运行时其转子相电动势为式中s—异步电动机的转差率；Er0—绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压值。0rrsEE(7-1)转子相电流的表达式为：式中Rr—转子绕组每相电阻；Xr0—s=1时的转子绕组每相漏抗。20r2r0rr)(sXRsEI(7-2)转子附加电动势图7-1绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图M~30rrsEEaddE~~~~rI附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。引入可控的交流附加电动势有附加电动势时的转子相电流：如图7-1所示，绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式20r2radd0rr)(sXREsEI(7-3)转子附加电动势的作用1.Er与Eadd同相当Eadd，使得：这里：snTIEEseradd0r1'add0r2add0r1EEsEEs21ss转速上升；转子附加电动势的作用（续）当Eadd，使得：这里：snTIEEseradd0r1'add0r2add0r1EEsEEs21ss转速下降；转子附加电动势的作用（续）2.Er与Eadd反相同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。所以，在绕线转子异步电动机的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。7.1.2异步电机双馈调速的五种工况本节摘要电机在次同步转速下作电动运行电机在反转时作倒拉制动运行电机在超同步转速下作回馈制动运行电机在超同步转速下作电动运行电机在次同步转速下作回馈制动运行异步电机的功率关系忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的功率关系都可写作mmm)1(PssPP（7-4）式中Pm—从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率sPm—输入或输出转子电路的功率，即转差功率(1-s)Pm—电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的不同，s和Pm都可正可负，因而可以有以下五种不同的工作情况。1.电机在次同步转速下作电动运行工作条件：转子侧每相加上与Er0同相的附加电动势+Eadd（EaddEr0），并把转子三相回路连通。运行工况：电机作电动运行，转差率为0s1，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率。功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a）次同步速电动状态~2.电机在反转时作倒拉制动运行工作条件：轴上带有位能性恒转矩负载（这是进入倒拉制动运行的必要条件），此时逐渐减少+Eadd值，并使之反相变负，只要反相附加电动势–Eadd有一定数值，则电机将反转。运行工况：电机进入倒拉制动运行状态，转差率s1，此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子侧馈送给电网。式（7-4）可改写作mmm)1(sPPsP功率流程b）反转倒拉制动状态PSPS)1(PSPTe012s-n-n1PmCU3.电机在超同步转速下作回馈制动运行工作条件：进入这种运行状态的必要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行。此时，如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与sEr0反相的附加电动势+Eadd，电机将在比未串入+Eadd时的转速更高的状态下作回馈制动运行。运行工况：电机处在发电状态工作，s1，电机功率由负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。此时式（7-4）可改写成mmm)1(PssPP功率流程c）超同步速回馈制动状态12nnPSPS)1(PSP00s11n-TePmCU4.电机在超同步转速下作电动运行工作条件：设电机原已在0s1作电动运行，转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd，轴上拖动恒转矩的反抗性负载。当接近额定转速时，如继续加大+Eadd电机将加速到的新的稳态下工作，即电机在超过其同步转速下稳定运行。运行工况：电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成，电机处于定、转子双输入状态，其输出功率超过额定功率，式（7-4）改写成mmm)1(PssPP功率流程5.电机在次同步转速下作回馈制动运行•工作条件：很多工作机械为了提高其生产率，希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间，因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入一定的+Eadd。要使之进入制动状态，可以在电机转子侧突加一个反相的附加电动势。运行工况在低于同步转速下作电动运行，Eadd由“+”变为“-”，并使|-Eadd|大于制动初瞬的Er0，电机定子侧输出功率给电网，电机成为发电机处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减速停车过程。电机的功率关系为mmm)1(PsPsP功率流程e）次同步速回馈制动状态1nnPSPS)1(PSP01s00Pm-TeCU五种工况小结图7-2异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程五种工况都是异步电机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况a,b,c中，转子侧都输出功率，可把转子的交流电功率先变换成直流，然后再变换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率。a）转子输出功率的工况TICU2CU1sEr0~M3~图7-4异步电机转子侧连接的功率变换单元b）转子输入功率的工况图7-4异步电机转子侧连接的功率变换单元TICU2CU1sEr0~M3~7.2异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统本节摘要串级调速系统的工作原理串级调速系统的其它类型基本思路在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？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。7.2.1串级调速系统的工作原理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。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，这就形成了图7-4a中所示的功率变换单元CU2。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双馈调速系统如图7-5所示，习惯上称之为电气串级调速系统（或称Scherbius系统）。图7-5电气串级调速系统原理图系统组成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。工作原理（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。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。工作原理（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：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId工作原理（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。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。*7.3.1异步电动机串级调速机械特性的特征1.理想空载转速在异步电动机转子回路串电阻调速时，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。根据式（7-5），当系统在理想空载状态下运行时（Id=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成cos22001TrUKEsK其中，s0—异步电动机在串级调速时对应于某一角的理想空载转差率，并取K1=K