電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(陳伯時(shí))7-2,3異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的雙饋系統(tǒng)-串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)匯編

1、7.2 異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)(zhungti)下的雙饋系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng) 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的工作原理 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的其他類型 1共六十一頁(yè)學(xué)習(xí)(xux)要點(diǎn)： 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)性能的一般性討論： （1）起動(dòng) （2）調(diào)速 （3）停止(tngzh)。重點(diǎn)、難點(diǎn)： 逆變器的控制作用。 2共六十一頁(yè)基本思路 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)可變頻(bin pn)、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(lái)說(shuō)，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

2、轉(zhuǎn)速。7.2.1 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作(gngzu)原理 3共六十一頁(yè) 對(duì)直流附加電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)(jsh)要求 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；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(nnggu)吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。4共六十一頁(yè) 系統(tǒng)(xtng)方案 根據(jù)以上(yshng)兩點(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

3、系統(tǒng)。 5共六十一頁(yè)圖7-5 電氣(dinq)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)(xtng)組成6共六十一頁(yè) 功率變換(binhun)單元UR 三相不可控整流(zhngli)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 。UI 三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：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)；可將轉(zhuǎn)差功率變換成交流功率，回饋到交流電網(wǎng)。7共六十一頁(yè)式（7-5）Id和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子交流電流Ir之間有固定的比例關(guān)系，它近似地反映了電動(dòng)機(jī)電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩的大小，是控制變量8共六十一頁(yè) 工作(gngzu)原理（1）起動(dòng)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

4、大的轉(zhuǎn)子電流 Ir 或足夠大的整流(zhngli)后直流電流 Id 。 轉(zhuǎn)子整流電壓 Ud 與逆變電壓 Ui 間應(yīng)有較大的差值。9共六十一頁(yè) 起動(dòng)(q dn)控制控制逆變角 ，使在起動(dòng)開始的瞬間，Ud與 Ui 的差值能產(chǎn)生(chnshng)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)。隨著轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)減少，必須相應(yīng)地增大 角以減小 Ui ，從而維持加速過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定 。10共六十一頁(yè)工作(gngzu)原理（續(xù)）（2）調(diào)速調(diào)速原理：通過改變 角的大小(dxio)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速過程：UiIdK1sEr0nTeT

5、e = TLId11共六十一頁(yè)工作(gngzu)原理（續(xù)）（3）停車 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒有(mi yu)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。 12共六十一頁(yè)結(jié) 論串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能把異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)(dinwng)，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。13共六十一頁(yè)*7.3 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械(jxi)特性本節(jié)提要概述異步電動(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)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流(zhngli)電路異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式14共六十一頁(yè)概 述 在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，異

6、步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器的輸出量Ud、Id分別與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩有關(guān)。 因此，可以從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路著手來(lái)分析異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性。15共六十一頁(yè)*7.3.1 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械(jxi)特性的特征1.理想空載轉(zhuǎn)速在異步電動(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(txng)變軟，調(diào)速性能差。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)。16共六十一頁(yè) 根據(jù)式（7-5），當(dāng)系統(tǒng)在理想空載(kn zi)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（Id = 0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓

7、平衡方程式變成 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(lxing)空載轉(zhuǎn)差率，并取 K1 = K2，則 (7-6)17共六十一頁(yè) 理想空載(kn zi)轉(zhuǎn)速方程由此可得相應(yīng)的理想(lxing)空載轉(zhuǎn)速 n0 為： (7-7)式中 nsyn 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。18共六十一頁(yè) 特性(txng)分析從式（7-6）和式（7-7）可知，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。當(dāng)改變逆變角 時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)差率和理想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。由式（7-5）還可看出，在不同的 角下，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性是近似平行的，其工作段類似(li s)于直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的機(jī)械特性。 19

8、共六十一頁(yè)2機(jī)械(jxi)特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩 串級(jí)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子回路(hul)中接入了串級(jí)調(diào)速裝置，實(shí)際上相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路(hul)中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，其影響在任何轉(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。 20共六十一頁(yè) 轉(zhuǎn)子(zhun z)回路電阻的影響當(dāng)電機(jī)(dinj)在最高速的特性上 （ = 90）帶額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級(jí)調(diào)速時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)在正常接線時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。 這樣，串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性便如圖7-7所示。 21共六十一頁(yè) 串級(jí)

9、調(diào)速時(shí)的機(jī)械(jxi)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(jxi)特性a) 大電機(jī) b)小電機(jī) 22共六十一頁(yè) 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(dinl)電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來(lái)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。 *7.3.2 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子(zhun z)整流電路23共六十一頁(yè)1. 轉(zhuǎn)子(zhun z)整流電路圖7-8 轉(zhuǎn)子整流(zhngli)電路 D024共六十一頁(yè)2. 電路(di

10、nl)分析假設(shè)條件（1）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（2）轉(zhuǎn)子直流回路中平(zhn pn)波電抗器的電感為無(wú)窮大，直流電流波形平直；（3）忽略電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁阻抗的影響。 25共六十一頁(yè) 換相重疊(chngdi)現(xiàn)象 設(shè)電動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 era、erb、erc。當(dāng)各整流器件(qjin)依次導(dǎo)通時(shí)，必有器件(qjin)間的換相過程，這時(shí)處于換相中的兩相電動(dòng)勢(shì)同時(shí)起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。26共六十一頁(yè) 換相重疊(chngdi)波形換相重疊(chngdi)壓降換相重疊角27共六十一頁(yè) 根據(jù)“電力電子技術(shù)” 中介紹(jisho)的理論

11、，換相重疊角為 換相重疊(chngdi)角（8-8） 其中 XD0 s = 1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。28共六十一頁(yè) 由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流電流 Id 的增大而增加。當(dāng) Id 較小， 在0 60之間時(shí)，整流電路(dinl)中各整流器件都在對(duì)應(yīng)相電壓波形的自然換相點(diǎn)處換流，整流波形正常。29共六十一頁(yè)轉(zhuǎn)子整流(zhngli)電路的工作狀態(tài) （1）第一種工作狀態(tài)的特征是 0 60， p = 0 此時(shí)，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是 = 60， 0 p 30 這時(shí)，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用(zuyng)，使得

12、整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)， p 角相當(dāng)于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。30共六十一頁(yè) 轉(zhuǎn)子整流電路的工作(gngzu)狀態(tài)（續(xù)） （3）當(dāng) = 30時(shí)，整流電路中會(huì)出現(xiàn)4個(gè)器件同時(shí)(tngsh)導(dǎo)通，形成共陽(yáng)極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后 p 保持為30，而 角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。31共六十一頁(yè) 轉(zhuǎn)子整流(zhngli)電流與 、p 間的函數(shù)關(guān)系 圖7-9 轉(zhuǎn)子(zhun z)整流電路的 = f ( Id )， p = f ( Id )Id1-232共六十一頁(yè) 串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子(zhun z)整流電路的電流和電壓 由于整

13、流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時(shí)的特殊情況(qngkung)，所以可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式來(lái)表示串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。(7-9)33共六十一頁(yè) 串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子(zhun z)整流電路的電壓式中，RD = sRs + Rr 為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子(dngz)和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。 (7-10)34共六十一頁(yè)上兩式中當(dāng) 0 p 30， =60時(shí)表示轉(zhuǎn)子(zhun z)整流電路工作在第二工作區(qū)；當(dāng)p = 0， = 0 60 時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第一工作區(qū)。35共六十一頁(yè)*7.3.3 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械(jxi)特性方程式 圖7-10 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

14、(xtng)a）主電路b）等效電路 1. 電路結(jié)構(gòu)36共六十一頁(yè)2. 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路(dinl)方程轉(zhuǎn)子(zhun z)整流電路的輸出電壓為逆變器直流側(cè)電壓電壓平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)37共六十一頁(yè)以上三式中 RL直流平波電抗器的電阻； XT 折算到二次側(cè)的逆變(n bin)變壓器每相等效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效電阻，RT = RT 1 + RT 2 。 38共六十一頁(yè)3. 轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速(zhun s)方程 解式（711）式（713），可以得到(d do)用轉(zhuǎn)差率表示的方程式（7-14） 39共六十一頁(yè) 轉(zhuǎn)速(zhu

15、n s)特性方程 將 s = (n0 n ) / n0代入上式，得到(d do)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速特性為(7-15) 如令p = 0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。40共六十一頁(yè) 分析(fnx)式（7-15）可以看出，等號(hào)右邊分子中的第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓 （7-16） 第二項(xiàng)相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可以寫作 Id R ，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的輸出(shch)電壓。 41共六十一頁(yè) 等效(dn xio)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)公式 借用(jiyng)直流電動(dòng)機(jī)的概念和有關(guān)算式，引入電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CE ，使 （7-17） 42共六十一頁(yè) 轉(zhuǎn)速特性方程的直觀(zhgun)形式則式（7-

16、15）可改寫(gixi)成 （7-18） 其中， 43共六十一頁(yè)注意 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce 是常數(shù)，但在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，CE是負(fù)載(fzi)電流的函數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因素，故兩個(gè)符號(hào)的下角不同，以示區(qū)別。44共六十一頁(yè)兩種轉(zhuǎn)速(zhun s)特性的比較式（7-18）表明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動(dòng)的調(diào)速特性。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，須直接(zhji)改變電壓 U；而在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過改變式（7-16）第二項(xiàng)中的控制角 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。45共六十一頁(yè)兩種轉(zhuǎn)速特性(txng)的比較（續(xù)）在串級(jí)

17、調(diào)速系統(tǒng)中總電阻 R 較大，系統(tǒng)的調(diào)速特性(txng)較軟；對(duì)于p 0 的第二工作區(qū)，計(jì)及p 的影響，在同一逆變角 下的電壓更小，相當(dāng)于也發(fā)生變化，因而調(diào)速特性更軟。46共六十一頁(yè)4. 電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩方程 轉(zhuǎn)差功率 可以從轉(zhuǎn)子整流電路的功率傳遞關(guān)系入手，暫且忽略(hl)轉(zhuǎn)子銅耗，則轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率 47共六十一頁(yè) 電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩公式而電磁功率(gngl) Pm = Ps /s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為（7-19） 0 理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)速(rad/s ) ；CM 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， 式中 48共六十一頁(yè)因?yàn)?yn wi)，它也是電流(dinli) Id 的函數(shù)。與

18、式（8-17）的電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CE 相比可知， CM 和 CE 對(duì) Id 的關(guān)系是一樣的。由于0 =2n0 /60，所以 （7-20） 可見， CM 和 CE的關(guān)系與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)中Cm 和 Ce的關(guān)系完全一致。49共六十一頁(yè)5. 串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性(txng)方程 當(dāng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運(yùn)行時(shí)， p= 0 ，代入式（7-19），再令 dTe/dt = 0，可求出電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算最大值Te1m，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)(shxu)推導(dǎo)，得第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式： 50共六十一頁(yè)第一工作(gngzu)區(qū)的機(jī)械特性方程式(7-21) s1m = s1m- s10 在給定 值下，從理想空載到計(jì)算(j su

19、n)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率增量； s1 = s- s10 在相應(yīng)的 值下，由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)差率增量；式中 51共六十一頁(yè)s10 相應(yīng) 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率；s1m 對(duì)應(yīng)于計(jì)算(j sun)最大轉(zhuǎn)矩Te1m的臨界轉(zhuǎn)差率：(7-22)52共六十一頁(yè) Te1m 系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩”。 由于在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)，負(fù)載增大到一定程度，必然會(huì)出現(xiàn)(chxin)轉(zhuǎn)子整流器的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，也就是說(shuō)，系統(tǒng)必然會(huì)進(jìn)入第二工作區(qū)。而 Te1m 是在 p= 0 的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會(huì)達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩。 53共六十一頁(yè)第二工作區(qū)的機(jī)械(jxi)特性方程式(7

20、-23)s2m = s2m- s20 計(jì)及強(qiáng)迫延時(shí)換相，對(duì)應(yīng)于某一p 值時(shí)的轉(zhuǎn)差率增量； s2 = s- s20 在給定 與p值下，由負(fù)載(fzi)引起的轉(zhuǎn)差率增量;式中54共六十一頁(yè) s20相應(yīng) 與 p 值下的理想(lxing)空載轉(zhuǎn)差率：(7-24)而55共六十一頁(yè)注意 在用式（7-23）計(jì)算第二工作區(qū)的一段機(jī)械(jxi)特性時(shí)，等號(hào)左邊分母中仍用Te1m ，這是為了使第一、二工作區(qū)的機(jī)械特性計(jì)算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩就是Te1m ，它具有另外一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩Te2m 。 56共六十一頁(yè) 幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系(gun x)和計(jì)算 從異步電動(dòng)機(jī)的銘牌(mngpi)數(shù)據(jù)可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)矩TeN和正常運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩Tem 。 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有實(shí)用意義的是第一