第4章交流调压调速系统和串级调速系统

第4章交流调压调速系统和串级调速系统•第一节概述•第二节交流异步电动机调压调速系统•第三节绕线式异步电动机串级调速系统一、交流调速系统的特点（1）容量大。（2）转速高且耐高压。（3）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。（4）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标。（6）交流调速系统能显著地节能。从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。二、交流调速系统的分类从交流电机转速表达式：spfn1601可归纳出三类调速方法：变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。原始的分类方法有：1）变极调速；2）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；3）变频调速。科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率回馈型调速系统——转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。特点：效率高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统——调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。第二节交流异步电动机调压调速系统一、交流异步电动机调压调速原理和方法1、调压调速原理异步电动机的机械特性方程式])()/[(/32'21212'211'221lleLLsRRsRpUT当s一定时，，改变U1得到一组不同的人为特性如图4-1所示。在带恒转矩负载TL时，可得到不同的稳定转速，如图中的A、B、C点。21UTe0风机类负载特性011N7.0U1NU1N5.0U0nECABDSnmSFeTmaxeT图5-1异步电动机在不同电压下的机械特性图4-1异步电动机在不同电压下的机械特性2、调压调速方法获取交流调压电源的方法：（1）调压器调压如图4-2（a）所示。M3~M3~M3~~~~TULSVVC+-(a)(b)(c)图5-2异步电动机调压调速原理图4-2异步电动机调压调速原理（2）饱和电抗器调压如图4-2（b）所示，饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组的交流电抗器。nuXLILsL1（3）晶闸管交流调压器调压如图4-2（c）所示。单相调压电路如图4-3所示，其控制方法有两种：1）相位控制方式通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图4-4所示。特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。~RU1U1VT2VT图5-3晶闸管单相调压电路U02t图5-4晶闸管相位控制下的负载电压波形图4-4晶闸管相位控制下的负载电压波形图4-3晶闸管单相调压电路2）开关控制方式把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/tp来调节。输出电压波形如图4-5所示。U00t通pt断t图5-5晶闸管开关控制下的负载电压波形图4-5晶闸管开关控制下的负载电压波形特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。二、交流调压电路晶闸管三相交流调压电路如图4-6所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。RRR1VT2VT3VT4VT5VT6VTUVW图5-6三相全波星形联结的调压电路图4-6三相全波星形联结的调压电路电路正常工作的条件：（1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。（2）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。（3）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差120°，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差120°；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°。根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1……，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。三、闭环控制的调压调速系统（一）异步电动机调压调速时的机械特性1、普通异步电动机调压调速时存在的问题1）普通异步电动机调压时调速范围不大（恒转矩负载），如图4-1中A、B、C点；2）在s≥sm的低速段，调速范围虽大，但系统运行不稳定，且低速时，转差功率增大，转子阻抗减小，转子电流增大。2、解决问题的措施使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图4-7所示。eTS0n0n1NU1N7.0U1N5.0U10LT图5-7高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性ABC图4-7高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。（二）闭环控制的调压调速系统转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速静差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。ASRM3~TGnVVCGT-nUnUctU~(a)（a）原理图eTnn1U10LTn2Un3UAAA1NU时的机械特性min1U时的机械特性(b)（b）静特性图4-8转速闭环调压调速系统（三）调压调速系统闭环静态结构图调节器晶闸管调压装置异步电动机转速反馈装置给定nUnU+-ctU1Un图5-9调压调速系统静态结构框图图4-9调压调速系统静态结构框图它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电动机即可。（四）调压调速系统的可逆运行及制动M3~~12345678910图5-11电动机的正反转及制动电路图4-10电动机的正、反转及制动电路（四）调压调速系统的可逆运行及制动1、可逆运行方法：改变定子供电电压的相序，如图4-10所示。图中晶闸管1~6供给电动机定子正相序电源；而晶闸管7~10及1、4供给定子反相序电源。2、反接制动与能耗制动反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元件。耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。例：使1、2、6三个元件导通，其它元件都不工作，这样就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。所以调压调速系统具有良好的制动特性。（五）调压调速系统中的能耗与效率分析1、转差功率Ps传到转子上的电磁功率P2与转子轴上输出的机械功率PM之差Ps为2002111955095509550sMeeePPPTnTnTnnsPPs称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步电动机的能量流程图。Cu1PCu2PFePMPMP0P1P2P图4-11异步电动机的能量流程图2、电动机的效率若忽略其它损耗，则电动机的效率为snnPPPPM10210讨论：1)恒转矩负载时：有Te=TL不变；因f1不变，故n0不变，电磁功率P2也不变。随着转速的降低，转差功率sP2增大，效率降低。2)风机泵类负载时：有Te=TL=Kn2，Te、P2随转速以平方速率下降，尽管低速时，s增大，但总的转差功率Ps=sP2下降，损耗变小。故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。四、电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理654321875-13电磁转差离合器原理图1、电磁转差离合器的组成它由电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。1)直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电供电，产生固定磁场；2)机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；3)电枢：圆筒形实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套在异步电动机5的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生涡流；4)磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴6上而输出转矩，在机械上与电枢3无连接，借助气隙分开；5)异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；6)从动轴：输出机械转矩；7)是磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分。2、电磁转差离合器的转动原理1）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座→气隙→电枢→气隙→磁极→导磁体→机座；2）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；3）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；4）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，与主磁通合成并产生转矩；5）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就带着生产机械一同旋转。3、电磁转差离合器的转速和转向1）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小；2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。eTn01nL1IL2IL3IL4IL4L3L2L1IIII图5-14电磁转差离合器机械特性41LeITKnn（二）电磁转差离合器的机械特性及调速系统1、电磁转差离合器的机械特性式中n1——原动机转速；Te——电磁转差离合器轴上输出转矩；IL——电磁转差离合器的励磁电流；K——与电磁转差离合器结构有关的常数。经验公式表达：2、电磁转差离合器闭环调速系统电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得10:1的调速范围。闭环系统的组成与相应的静特性如下图所示。TG~(a)n1Un2Un3UeTn01n(b)图5-15具有转速负反馈控制的滑差电机调速系统nU+-nU晶闸管励磁负载电磁转差离合器n1n第三节绕线式异步电动机串级调速系统一、串级调速原理（一）串电阻调速的原理绕线式异步机在转子回路中串接电阻的调速原理：22022202)(sXRRsEIf。已经降低，实现了调速达到新的平衡，但速度使dLeedLeefTTTIsndtdnTTTIR2200)(从串电阻调速的原理中可获得串级调速的启发。22022202sXREsEIf。已经降低，实现了调速达到新的平衡，但速度使dLeedLeefTTTIsndtdnTTTIE2200)(（二）串级调速原理在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。当转子串入的附加电势Ef相位与转子电势sE20的相位相差180°时，电机在额定转速以下调速，称为次同步调速。当附加电势Ef相位与转子感应电势sE20的相位相同时，串级调速可向高于同步转速的方向调速。（三）串级调速系统的基本类型工程上获取与转子感应电势sE20反相位同频率且频率随转子频率变化的交流变频电源Ef比较困难，所以在次同步串级调速系统中采用整流器将转子电势sE20整流为直流电势，再与转子回路中串入的直流附加电动势Eβ进行比较。而可调直流附加电动势Eβ在工程上比较容易实现。按产生直流附加电势方式的不同，次同步串级调速系统可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。1.电气串级调速系统系统中，直流附加电势Eβ由逆变器UI产生，改变逆变角就改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势Eβ，可实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：，角速度，则电机输出转矩为：2(1)MPsP0)1(s常数0202)1()1(PsPsPTMe，恒转矩调速特性。M3~(a)~dIUR~+-+-dL2TE~~UI2EβETIr0sE2、机械串级调速系统机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势Eβ由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势Eβ的值，实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：（1-s）P2+sP2=P2=常数。具有恒功率调速特性。图4-18低同步串级调速系统M3~Mfi(b)~dI+-M3~(a)~dIUR~0rsE+-+-dL2TE~~UI2EβETI二、电气串级调速系统