第十 交流调压调速及绕线型异步电动机的串级调速

第十章交流调压调速及绕线型异步电动机的串级调速

2023/2/51

专业技术基础课程。了解各类电机的基本结构。

理解电机中的能量转换关系。

掌握电机稳态运行时的分析方法和运行性能。

理解电机稳态运行时各种参数的物理意义，并能熟练应用等效电路和相量图。通过实验，掌握电机的基本实验方法和电机使用的基本技能。

教学目的1.掌握交流调压调速的基本原理和系统构成。掌握交流感应电动机机械特性的建立方法。2.掌握双馈调速的基本原理。熟练掌握串调系统的主要问题：效率、功率因数、调速范围和逆变器的容量、起动方式。掌握串调系统的机械特性。掌握速度电流双闭环串级调速系统的基本组成和工作原理。重点1.调压调速的控制方法。2.串调系统的运行与设计。难点1.调压调速控制的机理。2.串调系统的运行机理分析。2023/2/52教学内容第一节异步电动机的调压调速第二节绕线型异步电动机的双馈调速2023/2/53一、异步电动机稳态数学模型和调速方法1.异步电动机的机械特性图10-2异步电动机简化等效电路（忽略励磁电流)10.1异步电动机的调压调速2023/2/54简化等效电路的相电流异步电动机传递的电磁功率

机械同步角速度

2023/2/55异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）最大转矩，又称临界转矩

临界转差率：对应最大转矩的转差率2023/2/56当s很小时，忽略分母中含s各项转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线

异步电动机的机械特性式的分析当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线2023/2/57图10-3异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性2023/2/582.异步电动机的调速方法与气隙磁通由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。（1）异步电动机的调速方法2023/2/59三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降（2）异步电动机的气隙磁通气隙磁通

为了保持气隙磁通恒定，应使

或近似为

2023/2/510保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。二、异步电动机调压调速调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变

气隙磁通

随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。2023/2/511图10-4晶闸管交流调压器调速TVC——双向晶闸管交流调压器a)不可逆电路b)可逆电路1.异步电动机调压调速的主电路2023/2/512可调

调压调速的机械特性表达式电磁转矩与定子电压的平方成正比2.异步电动机调压调速的机械特性理想空载转速保持为同步转速不变

2023/2/513临界转矩

随定子电压的减小而成平方比地下降临界转差率保持不变

2023/2/514图10-5异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性2023/2/515带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。

转差功率

带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。2023/2/516增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。缺点是机械特性较软。图10-6高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性2023/2/517图10-7带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统3.闭环控制的调压调速系统2023/2/518图10-8转速闭环控制的交流调压调速系统静特性闭环控制的调压调速系统静特性2023/2/519三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。4.降压控制应用中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运行。必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。(1)软起动器2023/2/520起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。2023/2/521为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。返回目录（2）轻载降压运行2023/2/522在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。一、绕线转子异步电动机双馈调速工作原理10.2绕线转子异步电动机双馈调速2023/2/523图10-1绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图1.

绕线转子异步电动机转子附加电动势的作用2023/2/524在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的附加电动势，附加电动势的幅值和频率与交流电压相同，相位与转子电动势相反，改变其幅值，就可以实现对电动机转速的调节。转子附加电动势的作用2023/2/525图10-2绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程a)次同步速电动状态b)反转倒拉制动状态c)超同步速回馈制动状态d)超同步速电动状态e)次同步速回馈制动状态CU——功率变换单元2.绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况2023/2/526图10-3绕线型异步电动机转子侧连接的功率变换单元绕线转子异步电动机转子侧连接的功率变换单元2023/2/527将异步电动机的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，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图10-3a中所示的功率变换单元CU2。二、绕线转子异步电动机串级调速系统1.串级调速系统的工作原理2023/2/528图10-4电气串级调速系统原理图2023/2/529系统在稳定工作时，整流后的直流回路电压平衡方程式：

或 (10-5)

式中，、——UR与UI的电压整流系数

上式近似地反映了电动机电磁转矩的大小，可以看作是在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式 。2023/2/530起动控制逆变角β，使电动机可在一定的动态转矩下加速起动。随着异步电动机转速的增高，其转子电动势减少，相应地增大β角以减小值，维持 基本恒定。当电动机加速到所需转速时，不再调整β角，电动机即在此转速下稳定运行。

工作原理2023/2/531调速 当增大β角使β=β2>β1，电动机在增高了的转速下稳定运行。停车只能靠减小β角减小，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。工作原理2023/2/532三、串级调速的机械特性1.串级调速机械特性的特征理想空载转速在串级调速系统中，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，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。其理想空载转速n0为：在不同的角下异步电动机串级调速的机械特性是近似平行的。2023/2/533图10-6异步电动机串级调速时的机械特性a)大电机b)小电机串级调速时的机械特性图2023/2/534换相重叠2.串级调速的转子整流电路

当Id

较小，在0°~60°之间时，各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处开始换流，到处结束换流，整流波形正常。当电流Id

大于60°时，出现了强迫延迟换相现象，所延迟的角度称作强迫延时换相角p

。2023/2/535（1）第一种工作状态的特征是

0≤

≤60°，p

=0

此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态。（2）第二种工作状态的特征是=

60°，0<p<30°

这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路类似处于可控整流工作状态，p

角相当于整流器件的控制角。转子整流电路的工作状态2023/2/536（3）第三种工作状态当p

=30°时，整流电路中会出现4个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，此后p

保持为30°，而角继续增大，这是一种非正常的故障状态。2023/2/537图10-8转子整流电路的

=f(Id)，p

=f(Id)

转子整流电流与

、p间的函数关系2023/2/538转子整流电路的电流和电压(10-9)式中，RD=sRs+Rr为折算到转子侧的电动机定子和转子每相等效电阻。(10-10)2023/2/5393.串级调速机械特性方程式图10-9串级调速系统的主电路及等效电路2023/2/540转子整流电路的输出电压为逆变器直流侧电压电压平衡方程(10-11)(10-12)(10-13)稳态电路方程2023/2/541

转差率（10-14）

串级调速时的转速特性为2023/2/542（10-17）

电动势系数可改写成

（10-18）

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。在异步电动机串级调速系统中，它是通过改变的控制角来实现的。2023/2/5430——理想空载机械角转速(rad/s)

；CM——串级调速系统的转矩系数，

（10-19）

电磁转矩方程可见，CM和CE的关系与直流他励电动机中Cm和Ce的关系完全一致。2023/2/544第一工作区

(10-21)

机械特性方程式第二工作区

(10-23)第一、二工作区交界的转矩值，称作交接转矩Te1-2。2023/2/545图10-10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2023/2/546四、串级调速系统的技术经济指标1.串级调速系统的效率图10-11串级调速系统效率分析a)系统的功率传递b)系统的功率流程图

2023/2/547串级调速系统的总效率式中∑p

是异步电动机定子和转子内的总损耗；

ptan

附加的串级调速传动装置损耗

。(10-28)2023/2/548=转子回路串电阻调速的效率2023/2/549图10-12电气串级调速系统与转子串电阻调速系统=f(s)的比较

两种效率的比较2023/2/550

S—系统总的视在功率；Q1—电动机从电网吸收的无功功率；Qf—逆变变压器从电网吸收的无功功率。式中(10-29)2.串级调速系统的功率因数一般串级调速系统在高速运行时的功率因数为0.6~0.65；在低速时可降到0.4~0.5（对调速范围为2的系统）。这是串级调速系统的主要缺点。采用无功就地补偿来解决。2023/2/551逆变变压器的二次侧相电压

（11-32）（11-33）逆变变压器的容量计算4.串级调速装置的电压和容量2023/2/552图10-13双闭环控制的串级调速系统

五、双闭环控制的串级调速系统2023/2/553图11-13所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，减速过程只能靠负载作用自由降速。系统分析2023/2/554六、串级调速系统的起动方式1.间接起动为了使串级调速装置不受过电压损坏，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。由于这类机械不经常起动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。从串电阻起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用时间原则自动控制。2023/2/555图10-20串级调速系统间接起动控制原理图间接起动原理图2023/2/556(1)先合上装置电源总开关S，使逆变器在min

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