电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt7-2,3异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统

1、1 17.2 7.2 异步电机在次同步电动状态下的异步电机在次同步电动状态下的双馈系统双馈系统串级调速系统串级调速系统 l串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 l串级调速系统的其他类型串级调速系统的其他类型 2 2l学习要点：学习要点： 串级调速系统性能的一般性讨论：串级调速系统性能的一般性讨论： （1 1）起动）起动 （2 2）调速）调速 （3 3）停止。）停止。 重点、难点：重点、难点： 逆变器的控制作用。逆变器的控制作用。 3 3l基本思路基本思路 在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的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、可变幅的电关键就是在

2、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？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。加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。7.2.1 7.2.1 串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 4 4n 对直流附加电动势的技术要求对直流附加电动势的技术要求 l首先，它应该是可平滑调节的，以满首

3、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；足对电动机转速平滑调节的要求；l其次，从节能的角度看，希望产生附其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置加直流电动势的装置能够吸收从异步能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用以利用。5 5n 系统方案系统方案 根据以上两点要求，较好的方案是采根据以上两点要求，较好的方案是采用用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置装置作为产生附加直流电动势的电源，这作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图就形成了图7-4a7-4a中所示的功率变换单元中所示的功

4、率变换单元CU2CU2。 按照上述原理组成的异步电机在低于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同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图统如图7-57-5所示，习惯上称之为所示，习惯上称之为电气串级调电气串级调速系统速系统。 6 6图图7-5 7-5 电气串级调速系统原理图电气串级调速系统原理图 n 系统组成系统组成20r2radd0rr)(sXREsEI7 7n 功率变换单元功率变换单元lUR UR 三相不可控整流装置，将异步电机三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势转子相电动势 sEsEr0r0 整流为直流电压整流为直流电压 U Ud d 。lUI UI

5、 三三相可控整流装置，工作在有源逆变相可控整流装置，工作在有源逆变状态：状态：l可提供可调的直流电压可提供可调的直流电压 U Ui i ，作为电机调，作为电机调速所需的附加直流电动势；速所需的附加直流电动势；l可将转差功率变换成交流功率，回馈到可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。交流电网。8 8式（7-5）lId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，l是控制变量102212cos2.34didrTdUUI RK sEK UI RKK9 9n 工作原理工作原理（1）起动起动l起动条件起动条件 对串级调速系统而言，起动应有对串级调速系统而言，起动

6、应有足够大的转子电流足够大的转子电流 I Ir r 或足够大的整或足够大的整流后直流电流流后直流电流 I Id d 。 转子整流电压转子整流电压 U Ud d 与逆变电压与逆变电压 U Ui i 间应有较大的差值。间应有较大的差值。1010l 起动控制起动控制u控制逆变角控制逆变角 ，使在起动开始的瞬间，使在起动开始的瞬间，U Ud d与与 U Ui i 的差值能产生足够大的的差值能产生足够大的 I Id d ，以满足所，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，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这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。起动。u随着

7、转速的增高，其转子电动势减少，必随着转速的增高，其转子电动势减少，必须相应地增大须相应地增大 角以减小角以减小 U Ui i ，从而维持，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定加速过程中动态转矩基本恒定 。1111工作原理（续）工作原理（续）（2 2）调速）调速l调速原理：通过改变调速原理：通过改变 角的大小调节角的大小调节电动机的转速。电动机的转速。l调速过程：调速过程： UiIdK1sEr0nTeTe = TLId1212工作原理（续）工作原理（续）（3 3）停车）停车 串级调速系统没有制动停车功能。串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小只能靠减小 角逐渐减速，并依靠角逐渐减速，并依靠负载阻

8、转矩的作用自由停车。负载阻转矩的作用自由停车。 1313结结 论论l串级调速系统能够靠调节逆变角串级调速系统能够靠调节逆变角 实现平滑无级调速实现平滑无级调速l系统能把异步电动机的转差功率回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。大提高了调速系统的效率。1414* *7.3 7.3 异步电动机串级调速时的异步电动机串级调速时的机械特性机械特性本节提要本节提要l概述概述l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机械特性的特征l异步电动机串级调速时的转子整

9、流电异步电动机串级调速时的转子整流电路路l异步电动机串级调速机械特性方程式异步电动机串级调速机械特性方程式1515l概概 述述 在串级调速系统中，异步电动机转子侧在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量整流器的输出量U Ud d、I Id d分别与异步电动分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。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来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。特性。1616* *7.3.1 7.3.1 异步电动机串级调速机械特性异步电动机串级调速机械特性的特征的特征1. 1.理想空载转速

10、理想空载转速l在异步电动机转子回路串电阻调速时，在异步电动机转子回路串电阻调速时，其其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变不变，调速时机械特性变软，调速性能差。调速时机械特性变软，调速性能差。l在串级调速系统中，电动机的极对数与旋在串级调速系统中，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，转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是但是它的理想空载转速却能够连续平滑地它的理想空载转速却能够连续平滑地调节调节。1717 根据式（根据式（7-5），当系统在理想空载状），当系统在理想空载状态下运行时（态下运行时（Id = 0），转子直流回路的电），

11、转子直流回路的电压平衡方程式变成压平衡方程式变成 cos22001TUKEsKr其中，其中，s0 异步电动机在串级调速时对异步电动机在串级调速时对应于某一应于某一 角的理想空载转差率，并取角的理想空载转差率，并取 K1 = K2，则，则 cos020rEUsT(7-6)1818 理想空载转速方程理想空载转速方程由此可得相应的理想空载转速由此可得相应的理想空载转速 n n0 0 为：为： )cos1 ()1 (0rT2syn0syn0EUnsnn(7-7)式中式中 n nsyn syn 异步电动机的同步转速。异步电动机的同步转速。1919 特性分析特性分析l从式（从式（7-67-6）和式（）和式

12、（7-77-7）可知，）可知，在串级调在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同速时，理想空载转速与同步转速是不同的。的。当改变逆变角当改变逆变角 时，理想空载转差时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。率和理想空载转速都相应改变。l由式（由式（7-57-5）还可看出，在不同的）还可看出，在不同的 角下，角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。变压调速的机械特性。 20202 2机械特性的斜率与最大转矩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时，转

13、子回路中接入了串级调速装置，实际上相当于在电动串级调速装置，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电阻和电抗，其影响在任何转速下都存在。存在。 由于转子回路电阻的影响，异步电动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机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。性要软得多。 2121 转子回路电阻的影响转子回路电阻的影响l当电机在最高速的特性上当电机在最高速的特性上 （ = 90 = 90）带额定负载，也难以达到其额定转速。带额定负载，也难以达到其额定转速。l整流电路换相重叠角将加大，并产生整流电

14、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。的最大转矩有明显的降低。 这样，串级调速时的机械特性便这样，串级调速时的机械特性便如图如图7-77-7所示。所示。 2222 串级调速时的机械特性图串级调速时的机械特性图图图7-7 异步电动机串级调速时的机械特性异步电动机串级调速时的机械特性a) 大电机大电机 b)小电机小电机 2323 从图从图7-57-5中可以看出，异步电动机相当中可以看出，异步电动机相当于转子整流器的供电电源。如果把电动机于转子整流器的供电电源。

15、如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子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。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但是，两者之间还存在着一些显著的差异。差异。 * *7.3.2 7.3.2 异步电动机串级调速时的异步电动机串级调速时的转子整流电路转子整流电路24241. 1. 转子整流电路转子整流电路图图7-8 转子整流电路转子整

16、流电路 D0D025252. 2. 电路分析电路分析l假设条件假设条件（1 1）整流器件具有理想的整流特性，）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏电流均可忽略；管压降及漏电流均可忽略；（2 2）转子直流回路中平波电抗器的电）转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷大，直流电流波形平直；感为无穷大，直流电流波形平直；（3 3）忽略电动机励磁阻抗的影响。）忽略电动机励磁阻抗的影响。 2626n 换相重叠现象换相重叠现象 设电动机在某一转差率下稳定运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行，转子三相的感应电动势为 e era ra、e erbrb、e erc rc。当各整流器件依次导通

17、时，。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，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。产生换相重叠压降，如下图所示。2727 换相重叠波形换相重叠波形换相重叠压降换相重叠角2828 根据根据“电力电子技术电力电子技术” ” 中介绍的理中介绍的理论，换相重叠角为论，换相重叠角为n 换相重叠角换相重叠角0rdD0r0dD0621arccos621arccosEIXsEIsX（8-8） 其中其中 X XD0 D0 s s = 1= 1时折算到转子侧的时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。电动机定子和转子

18、每相漏抗。2929 由式（由式（7-87-8）可知，换相重叠角随着）可知，换相重叠角随着整流电流整流电流 I Id d 的增大而增加。的增大而增加。l当当 I Id d 较小，较小， 在在0 0 60 60之间时，整之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形波形的自然换相点处换流，整流波形正常。正常。3030n转子整流电路的工作状态转子整流电路的工作状态 （1 1）第一种工作状态的特征是）第一种工作状态的特征是 0 0 60 60， p p = = 0 0 此时，转子整流电路处于正常的不可控此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工

19、作状态，可称之为第一工作区。整流工作状态，可称之为第一工作区。（2 2）第二种工作状态的特征是）第二种工作状态的特征是 = = 6060， 0 0 p p 30 30 这时，由于强迫延迟换相的作用，使得这时，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，整流电路好似处于可控的整流工作状态， p p 角相当于整流器件的控制角，这一状态角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。称作第二工作区。3131 转子整流电路的工作状态（续） （3 3）当）当 = 30= 30时，整流电路中会出时，整流电路中会出现现4 4个器件同时导通，形成共阳极组和个器件同时导通，形成共阳极组和共

20、阴极组器件双换流的重叠现象，此共阴极组器件双换流的重叠现象，此后后 p p 保持为保持为3030，而，而 角继续增大，角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状态。一种非正常的故障状态。3232 转子整流电流与转子整流电流与 、 p 间的函数关系间的函数关系 图图7-9 转子整流电路的转子整流电路的 = f ( Id )， p = f ( Id )Id1-23333n 串级调速时转子整流电路的电流串级调速时转子整流电路的电流和电压和电压 由于整流电路的不可控整流状态是可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，控整流

21、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析式来表示串级调速时转子整流电路的电流和电压。流和电压。)6sin(26)cos(cos26p0D0rppD0r0dXEXEI(7-9)3434n 串级调速时转子整流电路的串级调速时转子整流电路的电压电压式中，式中，R RD D = = sRsRs s + + R Rr r 为折算到转子侧的电动机为折算到转子侧的电动机定子和转子每相等效电阻定子和转子每相等效电阻。 dDpp0rd22)cos(cos34. 2IRsEUdDdDprIRIsXsE23cos34

22、. 200(7-10)3535上两式中上两式中l当当 0 0 p p 30 30， =60 =60时表示时表示转子整流电路工作在第二工作区；转子整流电路工作在第二工作区；l当当 p p = 0= 0， = 0 60 = 0 60 时表示转子时表示转子整流电路工作在第一工作区。整流电路工作在第一工作区。3636* *7.3.3 7.3.3 异步电动机串级调速机异步电动机串级调速机械特性方程式械特性方程式 图图7-10 串级调速系统串级调速系统a a）主电路）主电路b b）等效电路）等效电路 1. 1. 电路结构电路结构37372. 2. 系统的稳态电路方程系统的稳态电路方程l转子整流电路的输出电

23、压为转子整流电路的输出电压为l逆变器直流侧电压逆变器直流侧电压l电压平衡方程电压平衡方程)23(cos34. 2D0Ddp0rdRsXIsEU(7-11)23(cos34. 2TTd2TiRXIUU(7-12)(7-13)LdidRIUU3838以上三式中以上三式中 R RL L直流平波电抗器的电阻；直流平波电抗器的电阻； X XT T 折算到二次侧的逆变变压器每折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗，相等效漏抗，X XT T = = X XT T 1 1 + + X XT T 2 2 。 R RT T 折算到二次侧的逆变变压器每折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻，相等效电阻，R RT T =

24、 = R RT T 1 1 + + R RT T 2 2 。 39393. 3. 转差率与转速方程转差率与转速方程 解式（解式（7 71111） 式（式（7 71313），可），可以得到用转差率表示的方程式以得到用转差率表示的方程式d0Dp0rLDTTd2T3cos34. 2)223(cos34. 2IXERRRXIUs（7-14） 4040 转速特性方程转速特性方程 将将 s s = ( = (n n0 0 n n ) / ) / n n0 0代入上式，得代入上式，得到串级调速时的转速特性为到串级调速时的转速特性为d0Dp0rLDTT0Dd2Tp0r03cos34. 2)2233()cosc

25、os(34. 2IXERRRXXIUEnn(7-15) 如令如令 p p = 0= 0，则式（，则式（7-157-15）就表示）就表示系统在第一工作区的转速特性系统在第一工作区的转速特性。4141 分析式（分析式（7-157-15）可以看出，等号）可以看出，等号右边分子中的第一项是转子直流回路右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压的直流电压 )coscos(34. 22Tp0rUEU（7-16） 第二项相当于回路中的总电阻压第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作降，可以写作 I Id d R R ，而分母则是转，而分母则是转子整流器的输出电压。子整流器的输出电压。 4242 等效电动势系

26、数公式等效电动势系数公式 借用直流电动机的概念和有关算借用直流电动机的概念和有关算式，引入电动势系数式，引入电动势系数 C CE E ，使，使 0d0D0d0d0Dp0rE33cos34. 2nIXUnIXEC（7-17） 4343 转速特性方程的直观形式转速特性方程的直观形式则式（则式（7-157-15）可改写成）可改写成 )(1dERIUCn（7-18） 其中，其中， p0r0dcos34. 2EULDTT0D2233RRRXXR4444l注意注意 在直流调速系统中，电动势系在直流调速系统中，电动势系数数 C Ce e 是常数，但是常数，但在串级调速系统在串级调速系统中，中，C CE E是

27、负载电流的函数，它是使是负载电流的函数，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。故两个符号的下角不同，以示区别。4545两种转速特性的比较两种转速特性的比较l式（式（7-187-18）表明，异步电动机串级调）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。到一族平行移动的调速特性。 l在直流调速系统中，须直接改变电压在直流调速系统中，须直接改变电压 U U；而在异步电动机串级调速系统中，；而在异步电动机串级调速系

28、统中，它是通过改变式（它是通过改变式（7-167-16）第二项中的）第二项中的控制角控制角 来实现的。来实现的。4646两种转速特性的比较（续）两种转速特性的比较（续）l在串级调速系统中总电阻在串级调速系统中总电阻 R R 较大，较大，系统的调速特性较软；对于系统的调速特性较软；对于 p p 0 0 的第二工作区，计及的第二工作区，计及 p p 的影响，在的影响，在同一逆变角同一逆变角 下的电压更小，相当于下的电压更小，相当于也发生变化，因而调速特性更软。也发生变化，因而调速特性更软。47474. 4. 电磁转矩方程电磁转矩方程 l转差功率转差功率 可以从转子整流电路的功率传递可以从转子整流电

29、路的功率传递关系入手，暂且忽略转子铜耗，则关系入手，暂且忽略转子铜耗，则转子整流器的输出功率就是电动机转子整流器的输出功率就是电动机的转差功率的转差功率 dd0Dp0rs)3cos34. 2(IIsXsEP4848n 电磁转矩公式电磁转矩公式而电磁功率而电磁功率 P Pm m = = P Ps s / /s s，因此电磁转矩为，因此电磁转矩为ddDprsmeIIXEsPPT)3cos34. 2(100000dMddDdICIIXU0003（7-19） 0 0 理想空载机械角转速理想空载机械角转速(rad/s ) (rad/s ) ；C CMM 串级调速系统的转矩系数，串级调速系统的转矩系数，

30、式中式中 4949因为，)3(1000dDdMIXUC它也是电流它也是电流 I Id d 的函数。与式（的函数。与式（8-178-17）的电动势）的电动势系数系数 C CE E 相比可知，相比可知， C CM M 和和 C CE E 对对 I Id d 的关系是一的关系是一样的。由于样的。由于 0 0 =2=2 n n0 0 /60/60，所以，所以 EM30CC（7-20） 可见，可见， C CM M 和和 C CE E的关系与直流他励电动机中的关系与直流他励电动机中C Cm m 和和 C Ce e的关系完全一致。的关系完全一致。50505. 5. 串级调速的机械特性方程串级调速的机械特性方

31、程 当串级调速系统在第一工作区运当串级调速系统在第一工作区运行时，行时， p p= 0 = 0 ，代入式（，代入式（7-197-19），再），再令令 d dT Te e/d/dt t = 0= 0，可求出，可求出电磁转矩的计电磁转矩的计算最大值算最大值T Te1me1m，经过适当的数学推导，经过适当的数学推导，得得第一工作区的机械特性方程式第一工作区的机械特性方程式： 5151l第一工作区的机械特性方程第一工作区的机械特性方程式式24m111m1e1messssTT(7-21) s1m = s1m- s10 在给定在给定 值下，从值下，从理想空载到计算最大转矩点的转差率增量；理想空载到计算最大

32、转矩点的转差率增量； s1 = s- s10 在相应的在相应的 值下，由负值下，由负载引起的转差率增量；载引起的转差率增量；式中式中 5252s s10 10 相应相应 值下的理想空载转差值下的理想空载转差率；率；s s1m1m 对应于计算最大转矩对应于计算最大转矩T Te1me1m的临的临界转差率：界转差率：322320DLDTT10m1XRRRXss(7-22)5353 T Te1m e1m 系统在第一工作区的系统在第一工作区的“计算最大转矩计算最大转矩”。 由于在异步电动机串级调速时，由于在异步电动机串级调速时，负载增大到一定程度，必然会出现负载增大到一定程度，必然会出现转子整流器的强迫

33、延迟换相现象，转子整流器的强迫延迟换相现象，也就是说，系统必然会进入第二工也就是说，系统必然会进入第二工作区。而作区。而 T Te1m e1m 是在是在 p p= 0 = 0 的条件下的条件下由式（由式（7-197-19）求得的，它只表示若）求得的，它只表示若系统能继续保持第一工作状态将会系统能继续保持第一工作状态将会达到的最大转矩。达到的最大转矩。 5454l第二工作区的机械特性方程第二工作区的机械特性方程式式(7-23)2cos4m222m2p2e1messssTT s2m = s2m- s20 计及强迫延时换相，对计及强迫延时换相，对应于某一应于某一 p 值时的转差率增量；值时的转差率增量； s2 = s- s20 在给定在给定 与与 p值下，由值下