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1、第第6章章 绕线转子异步电动机的串级调速系统绕线转子异步电动机的串级调速系统吴涛吴涛中国地质大学中国地质大学机械与电子工程学院自动化教研室机械与电子工程学院自动化教研室1认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目61 串级调速的原理与类型串级调速的原理与类型u绕线转子异步电动机串级调速原理绕线转子异步电动机串级调速原理u绕线式异步电动机串级调速系统的类型及其控制原理绕线式异步电动机串级调速系统的类型及其控制原理 l次同步速串级调速系统的构成次同步速串级调速系统的构成62 次同步速串级调速系统次同步速串级调速系统l串级调
2、速系统的机械特性串级调速系统的机械特性l逆变变压器逆变变压器l串调系统的能量传递关系与效率串调系统的能量传递关系与效率l串调装置的容量与电机的起动串调装置的容量与电机的起动l次同步速串级调速系统的回馈制动次同步速串级调速系统的回馈制动63 超同步速串级调速系统超同步速串级调速系统n超同步速串级调速的工作原理超同步速串级调速的工作原理n超同步速串调系统的控制原理及能量传递超同步速串调系统的控制原理及能量传递n双馈同步调速系统双馈同步调速系统第第6章章 绕线转子异步电动机的串级调速系统（续）绕线转子异步电动机的串级调速系统（续）2认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来
3、国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目一、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 绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速a)电路图 b)机械特性异步电动机电磁转矩参数表达式电机转矩负载转矩 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 6.1 串级调速的原理与类型串级调速的原理与类型3认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速a)电路图 b)机械特性串电阻调速可通过分析串电阻调速可通过分析转子回路电流转子回路电流来认识其
4、调速的物来认识其调速的物理过程理过程 异步电动机电磁转矩的物理表达式 电磁转矩T只与转子回路中的有功电流 成正比 拖动系统达到降低速度后的新的平衡状态 r2I2TTnsT回到原值与负载转矩平衡6.1 6.1 串级调速的原理与类型（续串级调速的原理与类型（续1 1）4认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目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原理转子回路串电阻调速物理本质：改变转子回路的电流来改变转矩而达到调 速的目的 串级调速：串级调速：在转子回路中串入一附加电势在转子回路中串入一附加电势
5、来改变转子回路电流来改变转子回路电流，从而达到调速的目的从而达到调速的目的 I2TTnsI2T回到原值降速过程结束 I2T次同步速串级调速系统 I2TT电机升速 sI2回落s减小到零 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 I2T回到原值电机达到超同步速的新稳态工作点 超同步速串级调速系统 6.1 6.1 串级调速的原理与类型（续串级调速的原理与类型（续2 2）5认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目附加电势吸收电机转子送来的转差功率Ps转子电势经不控整流桥VR整流成直
6、流，再经逆变桥VI把能量通过逆变变压器TI送回电网 这部份能量可通过有源逆变送回电网3附加电势获得的方法附加电势获得的方法次同步速串级调速系统主电路 6.1 6.1 串级调速的原理与类型（续串级调速的原理与类型（续3 3）6认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目超同步速串级调速系统主电路调速系统：转差功率回馈型调速系统：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
7、有源逆变电路，而不是无源逆变电路6.1 6.1 串级调速的原理与类型（续串级调速的原理与类型（续4 4）7认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目二、绕线式异步电动机串级调速系统的类型及其控制原理 串极调速次同步串调系统超同步串调系统 运行原理及控制原理与串级调速非常接近斩波变阻调速系统利用电机机组实现的串调系统1斩波变阻调速系统斩波变阻调速系统 经不控整流桥整流成直流电压 再用一个电阻R作为 的负载把斩波器与电阻并联，构成了斩波可调电阻 控制系统采用转速、电流双闭环形式 反馈比较速度调节器ASR的输出取为电流指令
8、控制转子电流电流调节器的输出作为PWM占空比的控制电压 6.1 6.1 串级调速的原理与类型（续串级调速的原理与类型（续5 5）8认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目绕线式异步电动机斩波变阻调速系统9认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目2次同步速串级调速系统次同步速串级调速系统控制有源逆变桥VI的逆变角 控制转子电流控制电动机的转矩以实现调速 Tn3超同步速串级调速系统超同步速串级调速系统为了控制转矩T的大小，应控制转子回路电流的大
9、小 通过控制逆变桥1VR的逆变角 或（和）控制整流桥2VR的控制角来实现 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6.1 6.1 串级调速的原理与类型（续串级调速的原理与类型（续7 7）10认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目4早期的电气串调早期的电气串调5早期的机械串调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
10、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 6.1 6.1 串级调速的原理与类型（续串级调速的原理与类型（续8 8）11认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药
11、到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目一、系统构成一、系统构成 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VR 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 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 6.2 次同步速串级调速系统次同步速串级调速系统12认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目二二.串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性 逆变桥输出的直流平均电压 相
12、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相当于固有机械特性 转子绕组短路点是在平波电抗器之后 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与把折算到交流侧的一个等效电感 电阻的串入使机械特性比固有机械特性稍软，电抗的串入使电机的最大转矩减小 6.2 6.2 次同步速串级调速系统（续次同步速串级调速系统（续1 1）13认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目固定 为某一个确定值 这时改变负载大小就有相应的转速，可得到一条在某个 值 下的人为机械特性曲
13、线 转子回路的电阻与电抗与 时没有发生变化 时机械特性曲线斜率及最大转矩都与 时机械特性曲线一致 在不同的 角下，串级调速系统的机械特性是一组平行的曲线 6.2 6.2 次同步速串级调速系统（续次同步速串级调速系统（续2 2）14认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目负载继续减小 电流将断续 这时的电流仍有一定的值，电动机仍有一定的带载能力。只有当电动转速继续升高，使三相整流电压 波形中的最低点高于 波形的最高点时,电流才会真正为零 这时的电机转速要高于原来的转速 电流断续后的机械特性将上翘 将变大 三三.逆变变压
14、器逆变变压器把串调装置主电路与交流电网隔离，以抑制电网的浪涌电压对晶闸管的影响 使电动机转子绕组的电压与电网电压相匹配 绕线转子异步电机在不同功率、不同极对数与不同的设计方案下，转子绕组开路电压有不同的数值，有时甚至相差很大。对不同的调速系统，所要求的调速范围不同 调速系统所要求的最大转差率 系统所需要到达的最小逆变角 太大降压太小升压使调速所需的 即为逆变桥可靠工作的（一般为30）6.2 6.2 次同步速串级调速系统（续次同步速串级调速系统（续3 3）15认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目四四.串调系统的能量
15、传递关系与效率串调系统的能量传递关系与效率1能量传递关系能量传递关系串调装置的损耗 回馈回电网的功率 略去一切损耗时 串调系统的能量传递简图 2串调系统的效率串调系统的效率6.2 6.2 次同步速串级调速系统（续次同步速串级调速系统（续4 4）16认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目五五.串调装置的容量与电机的起动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的容量串调装置串调装置:整个串调系统除异步电动机以外的所有部件整个串调系统除异步电动机以外的所有部件 串串调调装置的容量装置的容量:串调装置的最大伏安容
16、量，有整流桥与逆变桥（合在一起称功率变换器）的容量及逆变变压器的伏安容量 晶闸管所承受的最高电压与 有关 越大，则所承受的电压越高 晶闸管承受的最大电流与电动机的负载有关，即与最大负载转矩时对应的转子电流有关 功率变换器的伏安容量与调速范围有正比例的关系功率变换器的伏安容量与调速范围有正比例的关系 功率变换器的最大传输功率是最大的转差功率 逆变变压器串调装置中功率变换器的容量就是它要传输的最大功率，它与异步电动机的额定功率成正比，并与系统的调速范围D有关，调速范围越大，所需的容量越大。逆变变压器的容量则应再放大一个由调速工况能到达 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
17、小容量的变换器去控制一台大容量的异步电机大风机、大水泵要求的调速范围一般都很小，在这种情况下采用串级调速是最为有利的。6.2 6.2 次同步速串级调速系统（续次同步速串级调速系统（续5 5）17认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目2异步电动机的起动异步电动机的起动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 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
18、来起动电机 起动时，合1C，用电阻R起动，当电动机转差率s小于 之后，先合上2C，使 在 下工作，再断开1C，起动过程完成 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。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。6.2 6.2 次同步速串级调速系统（续次同步速串级调速系统（续6 6）18认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目六六.次同步速串级调速系统的回馈制动次同步速串级调速系统的回馈制动次同步速串调系统在象限超同步速区域制动运行的能量传递简图 异步电动机的负载换成原动机
19、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 反向转子电流反向 电流与定子磁势相互作用产生的转矩反向 电动机进入第象限超同步速运行的发电回馈制动状态 次同步速串级调速系统 在空载转差率时 与 平衡而 电磁转矩为零 原动机使电动机的转速继续往上升 T将是反方向的制动转矩 6.2 6.2 次同步速串级调速系统（续次同步速串级调速系统（续7 7）19认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目串调装置吸收转差功率并回馈回电网，异步电动机的定子也向电网回馈功率，两部份功率都来自轴上输串调装置吸收转差功率并回馈回电网
20、，异步电动机的定子也向电网回馈功率，两部份功率都来自轴上输入的机械功率入的机械功率 绕线转子异步电动机次同步速串级调速系统能在第象限的次同速区域内作电动工况运行，能在第象限的超同步速区域内作回馈发电制动工况运行。在二种工况下串调装置都是吸收转子送来的转差功率并把它回馈到电网中去 次同步速串调速系统的主要优点 在调速范围不大时，装置容量小 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:系统的功率因数低 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 6.2 6.2 次同步速串级调速系统
21、（续次同步速串级调速系统（续8 8）20认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 一.超同步速串级调速的工作原理超同步速串级调速的工作原理2VR工作在可控整流状态 1VR工作在有源逆变状态 能量从电网输入，经交-直-交变换后输入绕线转子异步电机转子回路，这就使转差功率变负 Ps变负，则T与s中必定是一正一负 电动机在第象限中的 区域内作电动运行 超同步速系统的超同步电动运行工况 T为负，成为制动转矩 电动机在第象限中的 区域内作制动运行 超同步速调速系统在第象限中的 区域内回馈发电制动的运行工况 6.3 6.3 超同
22、步速串级调速系统超同步速串级调速系统21认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目设1为1VR的逆变角，为2为VR2的移相控制角，1的调节范围为30-90，2的调节范围为0-90，则可以写出理想空载时转子直流回路电压平衡方程式：可见调节1、2都可以改变电机转速，一般来说我们选择较小2的可以提高串级调速系统装置的功率因素，因此固定2为一个较小的值，通过调节1大小来调节转速。特别强调：不是以电机是否工作在同步转速以上或以下来区分超同步或次同步串级调速系统，而是以转差功率的传递方向来区分的。超同步串调调速系统也会工作在同步转
23、速以下（超同步速串级调速系超同步速串级调速系统的再生制动）统的再生制动），次同步串调调速系统也会工作在同步转速以上（次同步速串级调速系统的回馈制动）次同步速串级调速系统的回馈制动）6.3 6.3 超同步速串级调速系统（续超同步速串级调速系统（续1 1）22认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目当电机运行某一转差率s1时（0s10超同步速区域运行时，定子旋转磁势相对于转子是反转。在自然条件下，转子感应电势产生的I2T与 反向，电磁转矩成了与转速同方向的拖动转矩。与 同方向，产生的转矩是负转矩，电动机处于发电回馈制动状
24、态。若在此转速下让1VR投入有源逆变运行，超同步速系统的超同步速电动运行状态超同步速系统的超同步速电动运行状态电路不能使电动机从电路不能使电动机从s0的运行状态进入的运行状态进入s0的运行状态的运行状态 1.当电机在的次同步速运行时，若使1VR转入有源逆变，电动机将进入第象限运行，转速反而下降 2.当电动机的转速在理想空载同步转速 附近时，的频率很低，幅值很小，它不足以使有源逆变桥实现可靠的换流 6.3 6.3 超同步速串级调速系统（续超同步速串级调速系统（续3 3）24认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 二.
25、超同步速串调系统的控制原理及能量传递超同步速串调系统的控制原理及能量传递1控制原理控制原理调节 或 均可改变s 实现电动机超同步速的电动调速运行。一般是固定其中一个，调节另一个 固定固定为了充分利用逆变变压器及提高功率因数，固定 调节 较为有利 6.3 6.3 超同步速串级调速系统（续超同步速串级调速系统（续4 4）25认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目超同步速串级调速系统最大优点超同步速串级调速系统最大优点 在输出最大转矩不变下，可使异步电机超同步速运行，使电机的输出功率可大于电机的额定功率 超过电机额定功率
26、部份的功率是从转子回路输入的 这类电机调速系统称这类电机调速系统称“双馈调速系统双馈调速系统”2.电动机在次同步速区域制动运行时 由电网输入能量sP到电机转子侧定子边是向电网回馈功率P(电动机处于回馈制动状态)电机轴端输入的机械功率(1-s)P 2能量传递关系能量传递关系1.电动机在超同步速区域电动运行时 电源的功率送入转子回路 定子侧输入功率P 两者之和送给负载两者之和送给负载 定子侧最大输入功率为转子的最大输入功率也为电动机的最大输出功率为6.3 6.3 超同步速串级调速系统（续超同步速串级调速系统（续5 5）26认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶
27、贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目三三.双馈同步调速系统双馈同步调速系统1VR由有源逆变桥改为无源逆变桥 功率变换器是一台输出频率可由指令信号（给定信号）控制的他控式交-直-交变频器 这时绕线转子异步电动机在运行原理上实际上是成了一台同步电动机 定子电源的频率f1 同步转速 n1定义转向正向为逆时针方向 转子经变频器变换后输入的电压、电流频率为f2 转子电流所产生的旋转磁场 相对转子的转速为n2 转向或正（站在转子上看为逆时针），或反（站在转子上看为顺时针）n2为正时 电动机的实际转速为 n2为负时 即转子通入一个直流时 u这种电动机在控制系统的控制量固定不变时，即 不变时，电动机的转
28、速不会随负载的变化而变化，其机械特性是一条与同步电动机相同的水平直线。这类电动机在结构形式上是异步电动机，但实际上却是在定、转子同时通不同频率交流电的按同步电动机方式运行的同步电动机。它也存在与同步电动机完全一样的问题，如转子的振荡、失步现象等 6.3 6.3 超同步速串级调速系统（续超同步速串级调速系统（续6 6）27认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目超同步串级调速系统表现的特性却是典型的异步机的特性 控制系统的控制变量固定时 电机的转速会随着负载的变化而变化 转子的电流频率也在随着变化，它不存在振荡、失步现
29、象等问题 两类调速系统都采用绕线转子异步电动机，都是定、转子同时通交流电，能量上都是“双馈”，但运行特性上一种表现为异步机特性，一种表现为同步机特性 双馈异步（特性）调速系统双馈异步（特性）调速系统 双馈同步（特性）调速系统双馈同步（特性）调速系统 双馈同步调速系统工作在 的工况时 这时电机转子的有功功率是输出的，接转子方的电源是吸收有功功率的 的工况时 接转子方的电源是输出有功功率的 这就需要1VR与2VR组成的变频器的能量传输是双向的，这对常用的交-直-交变频器是较困难的。而交-交变频器实现双向能量传输却要容易得多。这就解决了超同步速串调系统在同步速附近的工作问题。双馈异步调速系统在同步转
30、速上下的区域无法正常工作，而双馈同步调速系统会因失步导致系统抗冲击性负载的能力差。若在同步转速附近采用无源逆变的双馈同步调速，在其它区域采用有源逆变的双馈异步调速将是一种较好的方案。6.3 6.3 超同步速串级调速系统（续超同步速串级调速系统（续7 7）28认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目双馈调速系统的控制主要优点 调速系统可在、象限的任意转速下实现回馈制动，提高系统的动态响应性能。电动机的输出功率可大于电动机的额定功率，在超同步速区域中仍保持恒转矩特性。若选用合适的减速比，把所要求调速区域的中间转速配成系统的同步转速，使下一半区域为次同步速串调，在上一半区域为超同步串调，则在不改变调速范围的情况下，使装置的容量是只采用次同步速串调装置容量的一半。6.3 6.3 超同步速串级调速系统（续超同步速串级调速系统（续8 8）29认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目1、画出T-S坐标系下次同步速串调系统、超同步速串调系统的能量传递图。2、简述次同步速串调系统的控制原理。3、串调装置功率变换器容量和逆变变压器容量与电机额定容量有什么关系？作业：作业：30