电力拖动课后习题答案

1、1 .交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型(1)转差功率消耗型(2)转差功率不变型(3)转差功率馈送型2 .双馈调速的概念所谓 双馈,就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接,转子绕组与其他含电动势的电路相连接,使它们可以进行电功率的相互传递.定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入,也可以从定子或转子输出(视电机的工况而定),故称作双馈电机.可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势.3根本原理：(Tes Ir )异步电机运行时其转子相电动势为Er二sEr0式中 s 异步电机的转差率；Ero 绕线转子异步电机在转子不动时的相电动势,或 称转子开路电动势,也就是转子额定相电

2、压值转子相电流的表达式为SEro式中 Rr 一转子绕组每相电阻;JR Xr0SX s )= 1时的转子绕组每相漏抗.附加电动势与转子电动势有相同的频率,可同相或反相串接.SEro -EaddRr2 (SXro)21) Eadd与 Er同相 当 Eadds1Er0Eadd I r Te n (S -)*'0 . Eadd =S2E,o . E,ddSiS2转速上升2)当 Eadd -S1Er0 Eadd I r Te n - (s )S ；： s2SiEro - Eadd =S2Ero . Eadd转速下降同理,反相时假设减小串入的反相附加电动势,那么可使电动机的转速升高,反之转速降低.

3、n - n4 .异步电机双馈调速的五种工况(s = n-n )ni由于转子电动势与电流的频率随转速变化,即f2 = s fl,因此必须通过功率变换单元(PowerConverter Unit -CU)对不同频率的电功率进行电能变换.Pm =S4 +(1 -S)PmPm 从电机定子传入转子(或由转子传出给定子)的电磁功率；sPm 一输入或输出转子电路的功率,即转差功率；(1-s)Pm 电机轴上输出或输入的功率.1)电机在次同步转速下作电动运行条件：转子侧每相加上与Er0同相或反向的附加电动势Eadd,并把转子三相回路连通电动运行定子侧输入功率,轴上输出机械功率0 < s < 1Pm

4、0 sPm0 (1 -s)Pm02电机在反转时作倒拉制动运行条件：轴上带有位能性恒转矩负载这是进入倒拉制动运行的必要条件,转子回路叠加反向的Eadd . -Eadd > Er0那么电机将反转. 由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两局部合成转差功率,并从转子侧馈送给电网n :二 0 s>1 Pm 0 sPm<0 1 -sPm<03电机在超同步转速下作回馈制动运行条件：是有位能性机械起重机、小车下坡外力作用在电机轴上,并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行.如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与sEr0反相的附加电动势 +Eadd ,电机将在比未串

5、入+Eadd时的转速更高的状态下作回馈制动运行.电机处在发电状态工作,电机功率由负载通过电机轴输入,经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网.S<0 Pm<0 SPm>0 1-SPm<04电机在超同步转速下作电动运行原已在0 < s < 1作电动运行,转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd,轴上拖动恒转矩的对抗性负载只能由电机驱动转轴上的机械负载.当接近同步转速时,如继续加大+ Eadd电机将加速到的新的稳态下工作,即电机在超过其同步转速下稳定运行.电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两局部输入功率合成,电机处于定、转子双输入状态,其输出功率超过额定

6、功率s<0 Pm >0 sFm <0 1-sPm > 05电机在次同步转速下作回馈制动运行希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间,因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作.设电机原在低于同步转速下作电动运行,其转子侧已参加一定的-Eadd o -Eadd >sEr0 , Ir <0 制动定子侧输出功率给电网,电机成为发电机处于制动状态工作,并产生制动转矩以加快减速停车过程 0 < s < 1 Pm < 0sPm<0 1-sPm<05电气串级调速系统的根本概念(恒转矩调速转差功率馈送型)次同步电动状态,将转子

7、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,限制M三相绕线转子异步电动机其转子电动势此直流附加电动势的幅值,就可以调节异步电动机的转速.KiSEro = UdK 2U T 2 cos= U jUd =UR电压整流系数逆变变压器的二次相电 压 工作在逆变状态的 UI的逆变角 转子直流回路总电阻Ero经UR三相不可控整流装置,输出直流电压Ud .工作在有源逆变状态的 UI三相可控整流装置：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UR整流输出的转差功率逆变,回馈到交流电网. UU：(1)起动 Id = LR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I r

8、或足够大的整流后直流电流Id ,为此,转子整流电压 Ud与逆变电压 Ui间应有较大的差值.限制逆变角 P ,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,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,相应地增大P角以减小值 Ui ,从而维持加速过程中动态转矩根本恒定.当到达所需转速是为止(2)调速改变P角的大小/7 T f 4 J - 41T f /个 f 个4=0 三LoJ(3) 停车与转子相连的是不可控的整流装置,它只能从电动机转子侧输出功率没有制动停车功能.只能靠减小P角逐渐减速,并依靠负载阻转矩的作用自由停车.6异步

9、电动机串级调速机械特性的特征及其原因1)在串级调速时,理想空载转速与同步转速是不同的一异步电动机U 2 T-cos -Er0理想空载状态下运行时(Id = 0), K1soEr0 = K2U 2T cosP其中,s0在串级调速时对应于某一 P角的理想空载转差率,并取K1 = K2,那么 s0相应的理想空载转速 n0U 2T cos -Hosyn(1 -8)=%yn(1 )Er0式中 nsyn 异步电动机的同步转速.2)比其固有特性要软得多.逆变变串级调速时,转子回路中接入了串级调速装置(包括两套整流装置、平波电抗器、 压器等),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,它们

10、的影响在任何转速下都存在.电阻越大越软3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.电抗整流电路换相重叠角将加大,并产生强迫延迟导通现象1 一、 n =(U I d Rz) CePmsQ01(2.34Er0 cos: pQ0U3XD0 IU d 0 -I dI d . C m I d 0电动势系数CE是负载电流的函数,它是使转速特性成为非线性的 重要,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.串级调速系统的转矩系数Q0 理想空载机械角转速rad/s ; CM8Te1m第一工作区的计算最大转矩和Te2m第二工作区真正的

11、最大转矩Te2m对应于 ap= 15° .Te1-2第一、二工作区交界的转矩值,称作交接转矩Te1mTemTe2 mTem=0.955=0.827= 0.716(7-25)(7-26)(7-27)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%由式7-27可知,Te1-2 = 0.716 Tem,而异步电动机的转矩过载水平一般大于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.9串级调速系统的效率高的原因1在串级调速时,Ps未被全部消耗掉,而是扣除了转子铜损pCur、杂散损耗ps和附加的串级调速装置损耗 ptan

12、后通过转子整流器与逆变器返回电网2在串级调速系统中,当电动机的转速降低时,如果负载转矩不变,!2p和ptan都根本不变,效率公式分子和分母中的Pm 1-s项随着s的增大而同时减少,对效率的影响并不太大.10串级调速系统的功率因数低的原因1异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；2转子整流器的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功率；3逆变器的相控作用使其电流与电压不同相,也要消耗无功功率11逆变变压器的二次侧相电压U T2谷量1WT 上1D例：D2 > 3 S50kw > ?x12双闭环限制的串级调速系统1 _2 二350kw4 -x=- 5 0 k

13、 wx3转速反响信号取自异步电动机轴上联 接的测速发电机,电流反响信号取自逆变器交流侧的电流互感器, 也可通过霍 尔变换器或直流互感器取自转子直流 回路.为了预防逆变器逆变颠覆,在电流调节器ACR输出电压为零时,应整 定触发脉冲输出相位角为=Pmin .大局部串级调速的设备是不需要从 零速到额定转速作全范围调速的其调 速范围本来就不大串级调速装置的容 量可以选择比电动机校的多,为了使串 级调速装置不受过电压损坏, 须采用间接起动方式原因n =n 稳定肺、AS给；®>>AS输出、AC给也 ,AC输出, Ui0c 1d >n如系统1000-1500现在1300稳定运行此

14、时断开反响线那么不可调1500ASR输入由0 T n"那么其达饱和输出限幅值 =ACR饱和达最大=Pmax=90'= Uio=0逆变器不起作用即调速系统不再起作用PI稳定时不饱和无静差输入为0饱和时有限幅13串级调速系统的起动方式间接起动和直接起动两种总的原那么是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网,停车时那么比电机后脱离电网,以预防逆变器交流侧断电,使晶闸管无法关断,造成逆变器的短路事故间接起动即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动,待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时,才把串级调速 装置投入运行.串级调速系统间接起动限制原理图1先合上装置电源总>开关 S,使逆

15、变器在 Pmin下等待工作. 2然后依次接通接触器 K1 ,接入起动电阻R,再 接通K0,把电机定子回路与电网接通,电动机便 以转子串电阻的方式起动3待起动到所设计的nmin smax时接通 K2 ,使电动机转子接到串级 调速装置,同时断开K1 ,切断起动电阻,此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转 速运行.停车 1由于没有制动作用,应先断开 K2,使电动机转子回路与串级调速装置脱离；2再断开K0 ,以预防当K0断开时在转子侧感生断闸 高电压而损坏整流器与逆变器.i md = i sd - irdLmimd = ' mdLmimq='；mq气隙磁链定向,现取按气隙磁链

16、1-md "mWm定向,即把m _ii sdi rdLmd轴取在Wm方向上,那么i _ _|isqrq直接起动 又称串级调速方式起动. 在起动限制时让逆变器先于电动机接通交流电网,然后使电动机的定子与交流电网接通,此时转子呈开路状态, 可预防因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置,最后再使转子回路与整流器接通.1接触器的工作顺序为S- K0 - K2 ,此时不需要起动电阻.当转子回路接通时,由于转子整流电压小于逆变电压,直流回路无电流,电动机尚不能起动.2待发出给定信号后,随着 P的增大,逆变电压降低,产生直流电流,电动机才逐渐加速,直至到达给定转速14异步电机双馈调速系

17、统转差功率馈送型双馈就是从定子侧与转子侧都馈入电能的工作状态他控式双馈调速系统自控式双馈调速系统矢量限制将三相异步电动机的数学模型变换到以同步转速旋转的dq两相坐标系Usd = Rsd + 炉 sd 切 ¥ sqUsq = Risq+ Wsq+8平 sd Urd = Rird + Md -嘈 rq ' Urq=Rirq+Mq+8¥rd,-sd = Lsisd ' Lmird仁心十小"rd = Lmisd - Lrirdrq =山 UrqJ dTe= np dt电压方程磁链方程转矩和运动方程Lm =3/2 Lms -dq坐标系定转子同轴等效绕组间的互

18、感,对应的磁链就是气隙磁链的d轴分量 中md和q轴分量 中mq ,流过Lm的电流可称为励磁电流imd和imq ,且有：二-npl： mirqTe - npLm(isqird - i sdi rq )15传统电励磁同步电机同步电机只能变压变频调速 转差功率不变型优点1转速与电压频率严格同步；2功率因数高到1.0,甚至超前存在的问题1起动困难；2重载时有振荡,甚至存在失步危险.问题的根源：供电电源频率固定不变.解决方法：采用电压-频率协调限制类型1他控变频调速系统2自控变频调速系统16他控变频同步电动机调速系统多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压源型PWM变压变频器上,由统一的频率给定信号f

19、 *同时调节各台电动机的转速.PWM变压变频器中,带定子压降补偿的恒压频比限制保证了同步电动机气隙磁通恒定,缓慢地调节频率给定 f*可以逐渐地同时改变各台电机的转速 .全控调速系统:永磁或磁 阻式同步 电动机群多台同步电动机的恒压频比控 制调速系统系统结构简单,限制方便,只 需一台变频器供电,本钱低廉. 由于采用开环调速方式,系统 存在一个明显的缺点,就是转 子振荡和失步问题并未解决, 因此各台同步电动机的负载不 能太大.由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统17按气隙磁场定向的同步电动机矢量限制系统系式_ 2.22.2If - fm MIs , ：/1 sm 1sti

20、R ism1 fm 1 st T ft ism - is cos's定子三相绕组轴线 A、B、C是 静止的,三相电压uA、 uB、uC 和三相电流ia、ib、ic都 是平衡的,转子以同步转速1旋转,转子上的励磁绕组在励磁 电压Uf 供电下流过励磁电流 If.沿励磁磁极的轴线为 d轴,与d轴正交的是q轴,d-q坐标 在空间也以同步转速 ©1旋转, d轴与A轴之间的夹角 6为 变量.物理模型磁动势和磁通的空间矢量图令?mFR、R方向为M轴与之正 交的是T轴Ff、6f 一转子励磁磁动势和磁 通,沿励磁方向为 d轴； Fs 一定子三相合成磁动势； FR、R 一合成的气隙磁动势和 总磁

21、通；氏一Fs与FR间的夹角； 行 一Ff 与FR间的夹角.将Fs除以相应的匝数即为定子 三相电流合成空间矢量Is ,可将它沿M、T轴分解为励磁分量 Ism 和转矩分量1st.同样,Ff与相当 的励磁电流矢量If也可分解成Ifm 和 Ift .i7i曾忌喊osa电动机调速系统结构原理图2从电动机本身看,它是一台同步电动机,但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器 BQ合起来看,就象是一台直流电动机.直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的,只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流,这时,换向器相当于机械式的逆变器,电刷相当于磁极位置检测器.这里,那么采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换

22、向 器和电刷.分类1无换向器电动机 2三相永磁同步电动机输入正弦波电流时3无刷直流电动£ A益工五机采用方波电流时区别定子绕组转子结构气隙磁密的波形2分布短距绕组内置式矩形凸极式正弦波3集中整距绕组瓦形磁钢表向式磁钢 放在转子外表隐极式梯形波18梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图逆变器通常采用120°导通型的,当两相导 通时,另一相断开 uA、uB、uC三相输入 对地电压iA、iB、iC三相电流eA、eB、 eC三相电动势 Rs定子每相电阻Ls定子每 相绕组的自感 Lm定子任意两相绕组间的 互感o R oc= R o oLm-4-LIB A B c n u

23、u u-LnlHu 贝0 11a I -Ls0 iB + |LmRsjjcj LmLm Ls Lm,B-ec j由于三相定子绕组对称,有 iA + iB + iC = 0L m iA Lm iC + L m iA = - L m iBLm iA + L m iB = - L m iCUa1-RsUb = 0Juc.00Ls - Lm00iAeA0 p iB + eBLs - Lm - Jc -jc _方波电流的峰值为Ip ,梯形波电动势的峰值为Ep,在一般情况下,同时只有两相导通,从逆变器直流侧看进去,为两相绕组串联,那么电磁功率为 Pm = 2 Ep Ip.忽略电流换相过程的影响,电磁转矩为

24、Pn/小2np Ep I p=2np- p I p式中甲p一梯形波励磁磁链的峰值,是恒定值19动态模型当图中的VT1和VT6导通时,A、B两相导通而 C相关断,那么可得无刷直流电动机的动态电压方程为Ua Ub =2RsiA+2(Ls Lm)piA +2eA 在上式中,(uA - uB )是 A、B 两相之间输入的平均线电压,采用PWM限制时,设占空比为P,那么uA - uB = PUd ,于是,PUd -2eA =2Rs(Tl p +1)iA 丁 Ls -Lm为电枢漏磁时间常数1 =Rs根据电机和电力拖动系统根本理论,可知npJ neA-eB=ke'Te=一侄人1人SbIb) = 2h

25、pkeiATe - TL= - p 'pnp无刷直流电动机的动态结构框图+在基频以下的恒转矩工作区中,限制定子电流矢量使之落在=- u - -,Li -r udsqi sq TIe 一 np ris- Lsqis Uq = Rsis Lsqpis ' ' r20正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统转子磁通由永久磁钢决定,是恒定不变的,可采用转子磁链定向限制,即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链 空r 方向上-LJddsd1 dr=L iqsq1 qUd =RsidLsdpid - LsqiqUq =RsiqLsqpiqLsdidrTe =np('- diq q

26、id) =np'-；iq(Lsd -Lsq)idiqq轴上,即令 id = 0, iq = i s按转子磁链定向的正弦波永磁同步电动机矢量图a)id=0,恒转矩调速b) id<0,弱磁恒功率调速i A =iscos(90"+e) = -i ssin6Ib = -issin(日-120)ic = issin(日+120)El)b)优点 定子电流与转子永磁磁通互相独立,限制系统简单,转矩恒定性好,脉动小,可以获 得很宽的调速范围,适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合.缺点1当负载增加时,定子电流增大,使气隙磁链和定子反电动势都加大,迫使定子电压 升高.为了保证足够的电源电压,电控装置须有足够的容量,而有效利用率却不大.2负载增加时,定子电压