電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第七章

1、第第 7 章章繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 引言引言 n轉(zhuǎn)差功率問題轉(zhuǎn)差功率問題 轉(zhuǎn)差功率始終是人們?cè)谘芯慨惒诫妱?dòng)機(jī)調(diào)速方法時(shí)所關(guān)心的問題，因?yàn)楣?jié)約電能是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要目的之一，而如何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的效率。 如第5章所述，交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的處理方式可分為三種類型。 7.1 異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理 本節(jié)提要n概述n異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用l轉(zhuǎn)差功率的利用 眾所周知，作為異步電動(dòng)機(jī)，必然有轉(zhuǎn)差功率，要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去

2、利用它。 但要利用轉(zhuǎn)差功率，就必須使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電動(dòng)機(jī)難以勝任，只有繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)才能做到。 一、概述一、概述l繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī) PsP1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉(zhuǎn)差功率可以分別向定子和轉(zhuǎn)子饋入，也可以從定子或轉(zhuǎn)子輸出，故稱作雙饋電機(jī)。l 雙饋調(diào)速的概念 所謂“雙饋”，就是指把繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組與交流電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組與其他含電動(dòng)勢(shì)的電路相連接，使它們可以進(jìn)行電功率的相互傳遞。 至于電功率是饋入定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組，還是由定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組饋出，則要視電機(jī)的工況而定。 l 雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)功率變換單元

3、功率變換單元電網(wǎng)K1M3 K2TI 如上圖所示，在雙饋調(diào)速工作時(shí)，除了電機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外，轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電網(wǎng)或外接電動(dòng)勢(shì)相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個(gè)交流電動(dòng)勢(shì)。l 功率變換單元 由于轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與電流的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，即 f2 = s f1 ，因此必須通過功率變換單元（Power Converter UnitCU）對(duì)不同頻率的電功率進(jìn)行電能變換。 對(duì)于雙饋系統(tǒng)來說，CU應(yīng)該由雙向變頻器構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳遞。l 雙饋調(diào)速的功率傳輸（1）轉(zhuǎn)差功率輸出狀態(tài) 異步電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機(jī)械功率給負(fù)載

4、，以拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行； CUP1PsM3 Pmech（2）轉(zhuǎn)差功率輸入狀態(tài) 當(dāng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它被拖著運(yùn)轉(zhuǎn)，從軸上輸入機(jī)械功率，經(jīng)機(jī)電能量變換后以電功率的形式從定子側(cè)輸出（饋出）到電網(wǎng)。 PsP1M3 CUPmech二、二、 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用n異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為 式中 s 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率； Er0 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的相電動(dòng)勢(shì)，或稱轉(zhuǎn)子開路電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。0rrsEE (7-1)n轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為：式中 Rr 轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； Xr0 s = 1時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。 20r2r0rr)(sXRsEI(

5、7-2)n 轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì) 圖7-1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖M30rrsEE addErI附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)有相同的頻率，可同相或反相串接。 引入可控的交流附加電動(dòng)勢(shì)n有附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的轉(zhuǎn)子相電流： 如圖7-1所示，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在外接附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式20r2radd0rr)(sXREsEI(7-3)n 轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用1. Er 與 Eadd 同相l(xiāng)當(dāng) Eadd ，使得：這里： snTIEEseradd0r1add0r2add0r1EEsEEs21ss 轉(zhuǎn)速上升；轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）l當(dāng) Eadd ，使得：這里：snTIEEseradd0

6、r1add0r2add0r1EEsEEs21ss 轉(zhuǎn)速下降；轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）2. Er 與 Eadd反相 同理可知，若減少或串入反相的附加電動(dòng)勢(shì)，則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。 所以，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，就可調(diào)側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 7.2 異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的 雙饋系統(tǒng)雙饋系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng) 本章摘要本章摘要n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 一、基本思路 如前所述，在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)

7、可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？ 對(duì)于只用于次同步電動(dòng)狀態(tài)的情況來說，比較方便的辦法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個(gè)附加的直流電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 這樣，就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問題，轉(zhuǎn)化為與頻率無關(guān)的直流變壓?jiǎn)栴}，對(duì)問題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都方便多了。 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 n 對(duì)直流附加電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)要求 l首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求；l其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。 二、 系統(tǒng)方案 根據(jù)以上兩

8、點(diǎn)要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的電源，這就形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。 按照上述原理組成的異步電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)如圖7-5所示，習(xí)慣上稱之為電氣串級(jí)調(diào)速電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)（或稱或稱Scherbius系統(tǒng)系統(tǒng)）。 圖7-5 電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 n 系統(tǒng)組成n 功率變換單元lUR 三相不可控整流裝置，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì) sEr0 整流為直流電壓 Ud 。lUI 三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：l可提供可調(diào)的直流電壓 Ui ，作為電機(jī)調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢(shì)；l可將轉(zhuǎn)差功率變換成交流功

9、率，回饋到交流電網(wǎng)。三、工作原理（1）起動(dòng)）起動(dòng)l起動(dòng)條件： 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)而言，起動(dòng)應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)子電流 Ir 或足夠大的整流后直流電流 Id ，為此，轉(zhuǎn)子整流電壓 Ud 與逆變電壓 Ui 間應(yīng)有較大的差值。l 起動(dòng)控制u控制逆變角 ，使在起動(dòng)開始的瞬間，Ud與 Ui 的差值能產(chǎn)生足夠大的 Id ，以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過允許的電流值，這樣電動(dòng)機(jī)就可在一定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動(dòng)。u隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大 角以減小值 Ui ，從而維持加速過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定 。工作原理（續(xù)）（2）調(diào)速）調(diào)速l調(diào)速原理：通過改變 角的大小調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。l調(diào)速過程： UiIdK1sEr0nTeTe

10、 = TLId工作原理（續(xù)）（3） 停車停車 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒有制動(dòng)停車功能。只能靠減小 角逐漸減速，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。 結(jié)結(jié) 論論n串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速n系統(tǒng)能把異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。*7.3 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性本節(jié)提要n概述n異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征n異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路n異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式n概概 述述 在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器的輸出量、分別與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因

11、此，可以從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路著手來分析異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性。一、一、 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征1. 理想空載轉(zhuǎn)速n在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，其理想空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定不變，調(diào)速時(shí)機(jī)械特性變軟，調(diào)速性能差。n在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速都不變，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的，但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。 根據(jù)式（7-5），當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（Id = 0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式變成 cos22001TrUKEsK其中，s0 異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)對(duì)應(yīng)于某一 角的理想空載轉(zhuǎn)差率，并取 K1

12、 = K2，則 cos020rTEUs (7-6) 理想空載轉(zhuǎn)速方程由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速 n0 為： )cos1 ()1 (0rT2syn0syn0EUnsnn(7-7)式中 nsyn 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 特性分析n從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級(jí)調(diào)在串級(jí)調(diào)速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的。2機(jī)械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩 串級(jí)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級(jí)調(diào)速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實(shí)際上相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。 由于轉(zhuǎn)子回路電阻的影響，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性比其固有特性要軟得多。 串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖圖7-7 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性a) 大電機(jī) b)小電機(jī) 從圖7-5中可以看出，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動(dòng)機(jī)定子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來研究串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路。 但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是： 二、二、 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路