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1、1,7.2 异步电机在次同步电动状态下的双馈系统串级调速系统,串级调速系统的工作原理 串级调速系统的其他类型,2,学习要点：,串级调速系统性能的一般性讨论： （1）起动 （2）调速 （3）停止。 重点、难点： 逆变器的控制作用。,3,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。,7.2.1 串级调速系统的工作原理,4,对直流附加电动势的技术要求,首先
2、，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。,5,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。,6,图7-5 电气串级调速系统原理图,系统组成,7,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 。
3、 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。,8,式（7-5）,Id和电动机转子交流电流Ir之间有固定的比例关系，它近似地反映了电动机电磁转矩的大小， 是控制变量,9,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 。 转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间应有较大的差值。,10,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，
4、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，其转子电动势减少，必须相应地增大 角以减小 Ui ，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。,11,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：,Ui,Id,K1sEr0,n,Te,Te = TL,Id,12,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。,13,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
5、。,14,*7.3 异步电动机串级调速时的机械特性,本节提要 概述 异步电动机串级调速机械特性的特征 异步电动机串级调速时的转子整流电路 异步电动机串级调速机械特性方程式,15,概 述 在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量Ud、Id分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。 因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。,16,*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
6、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。,17,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,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 = K2，则,(7-6),18,理想空载转速方程,由此可得相应的理想空载转速 n0 为：,(7-7),式中 nsyn 异步电动机的同步转速。,19,特性分析,从式（7-6）和式（7-7）可知，在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角 时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。 由式（7-5）还可看出，在不同的 角下，异步电动机串级调速
7、时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。,20,2机械特性的斜率与最大转矩,串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置，实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，其影响在任何转速下都存在。 由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。,21,转子回路电阻的影响,当电机在最高速的特性上 （ = 90）带额定负载，也难以达到其额定转速。 整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。,这样，串级调速时的机械特性便如图7-7所示。,22,串级调速时
8、的机械特性图,图7-7 异步电动机串级调速时的机械特性 a) 大电机 b)小电机,23,从图7-5中可以看出，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。,*7.3.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路,24,1. 转子整流电路,图7-8 转子整流电路,D0,25,2. 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
9、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。,26,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，如下图所示。,27,换相重叠波形,换相重叠压降,换相重叠角,28,根据“电力电子技术” 中介绍的理论，换相重叠角为,换相重叠角,（8-8）,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。,29,由式（7-8）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
10、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。,30,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 p 30 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。,31,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，
11、这是一种非正常的故障状态。,32,转子整流电流与 、p 间的函数关系,图7-9 转子整流电路的 = f ( Id )， p = f ( Id ),Id1-2,33,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。,(7-9),34,串级调速时转子整流电路的电压,式中，RD = sRs + Rr 为折算到转子侧的电动机定子和转子每相等效电阻。,(7-10),35,上两式中 当 0 p 30， =60时表示转子整流电路工作在第二工作区； 当p = 0， = 0
12、60 时表示转子整流电路工作在第一工作区。,36,*7.3.3 异步电动机串级调速机械特性方程式,图7-10 串级调速系统,a）主电路,b）等效电路,1. 电路结构,37,2. 系统的稳态电路方程,转子整流电路的输出电压为 逆变器直流侧电压 电压平衡方程,(7-11),(7-12),(7-13),38,以上三式中 RL直流平波电抗器的电阻； XT 折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻，RT = RT 1 + RT 2 。,39,3. 转差率与转速方程,解式（711）式（713），可以得到用转差率表示的方程式,（7
13、-14）,40,转速特性方程,将 s = (n0 n ) / n0代入上式，得到串级调速时的转速特性为,(7-15),如令p = 0，则式（7-15）就表示系统在第一工作区的转速特性。,41,分析式（7-15）可以看出，等号右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压,（7-16）,第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作 Id R ，而分母则是转子整流器的输出电压。,42,等效电动势系数公式,借用直流电动机的概念和有关算式，引入电动势系数 CE ，使,（7-17）,43,转速特性方程的直观形式,则式（7-15）可改写成,（7-18）,其中，,44,注意 在直流调速系统中，电动势系数 Ce 是常
14、数，但在串级调速系统中，CE是负载电流的函数，它是使转速特性成为非线性的重要因素，故两个符号的下角不同，以示区别。,45,两种转速特性的比较,式（7-18）表明，异步电动机串级调速系统与直流它励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 U；而在异步电动机串级调速系统中，它是通过改变式（7-16）第二项中的控制角 来实现的。,46,两种转速特性的比较（续）,在串级调速系统中总电阻 R 较大，系统的调速特性较软；对于p 0 的第二工作区，计及p 的影响，在同一逆变角 下的电压更小，相当于也发生变化，因而调速特性更软。,47,4.
15、电磁转矩方程,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,48,电磁转矩公式,而电磁功率 Pm = Ps /s，因此电磁转矩为,（7-19）,0 理想空载机械角转速(rad/s ) ； CM 串级调速系统的转矩系数，,式中,49,因为，,它也是电流 Id 的函数。与式（8-17）的电动势系数 CE 相比可知， CM 和 CE 对 Id 的关系是一样的。由于0 =2n0 /60，所以,（7-20）,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。,50,5. 串级调速的机械特性方程,当串级调速系统在第一
16、工作区运行时， p= 0 ，代入式（7-19），再令 dTe/dt = 0，可求出电磁转矩的计算最大值Te1m，经过适当的数学推导，得第一工作区的机械特性方程式：,51,第一工作区的机械特性方程式,(7-21),s1m = s1m- s10 在给定 值下，从理想空载到计算最大转矩点的转差率增量； s1 = s- s10 在相应的 值下，由负载引起的转差率增量；,式中,52,s10 相应 值下的理想空载转差率； s1m 对应于计算最大转矩Te1m的临界转差率：,(7-22),53,Te1m 系统在第一工作区的“计算最大转矩”。 由于在异步电动机串级调速时，负载增大到一定程度，必然会出现转子整流器
17、的强迫延迟换相现象，也就是说，系统必然会进入第二工作区。而 Te1m 是在 p= 0 的条件下由式（7-19）求得的，它只表示若系统能继续保持第一工作状态将会达到的最大转矩。,54,第二工作区的机械特性方程式,(7-23),s2m = s2m- s20 计及强迫延时换相，对应于某一p 值时的转差率增量； s2 = s- s20 在给定 与p值下，由负载引起的转差率增量;,式中,55,s20相应 与 p 值下的理想空载转差率：,(7-24),而,56,注意 在用式（7-23）计算第二工作区的一段机械特性时，等号左边分母中仍用Te1m ，这是为了使第一、二工作区的机械特性计算公式尽量一致，不要误解
18、为第二工作区的最大转矩就是Te1m ，它具有另外一个最大转矩Te2m 。,57,几种最大转矩的关系和计算,从异步电动机的铭牌数据可计算出额定转矩TeN和正常运行时的最大转矩Tem 。 对串级调速系统来说，有实用意义的是第一工作区的计算最大转矩 Te1m 和第二工作区真正的最大转矩 Te2m （可证明，Te2m 对应于p= 15）。还有第一、二工作区交界的转矩值，称作交接转矩 Te1-2 。,58,按照上面的推导，可得40,59,式（7-26）说明，异步电动机串级调速时所能产生的最大转矩比正常接线时减少了17.3%，这在选用电机时必须注意。 另外，由式（7-27）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而异步电动机的转矩过载能力一般大于2，即Tem 2TeN，所以当电动机在额定负载下工作时，还是处于第一工作区。,60,6. 异步电动机串级调速时的机械特性,图7-11 异步电动机串级调速时的机械特性,