第6章(电力拖动控制系统)2素材

6．1串级调速的原理与类型6.1.1绕线转子异步电动机串级调速原理1．深入体会：绕线转子异步电动机转子回路串电阻的调速原理nT2IR)a2P~0T00nLT1ns)bM~3绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速a)电路图b)机械特性222122111Kxs/rrs/rUpmT从电磁转矩参数表达式看到的:串电阻调速（改变r2’）时，只要r2’/s不变，则T不变；r2’增大，必然使s增大，才能在新的s下使拖动系统在新的稳态运行。第6章绕线转子异步电动机的串级调速系统串电阻调速时转子回路电流的变化规律22cosTmTCI从物理表达式看到的：电磁转矩T只与转子回路中的有功电流成正比222cosTII222022202222/jxsrEjsxrEsjxrEIss拖动系统达到降低速度后的新的平衡状态r2I2TTns回到原值sr/2T回到原值与负载转矩平衡频率折算nT2IR)a2P~0T00nLT1ns)bM~3222122111Kxs/rrs/rUpmT转子回路串电阻调速的物理本质：改变转子回路的电流来改变转矩，实现调速。思考：还有什么方法能直接改变转子电流的大小)b)a2ISE2addEaddE2ISE22R绕线式异步电机转子回路串附加电动势2．串级调速原理转子回路中串入附加电势来改变转子回路电流，改变电机的转矩，从而实现调速。addE20222addsEEIrjsx串入addETnsI2T升回原值，降速过程结束I2TaddE串入addEI2TTsE2I2回落s减小到零20sEI2T仍比原有的大电机冲过同步转速点s0定子旋转磁势相对于转子转向由正转变成反转：转子跑得比同步磁场快！反向sE2反向串联变成与addsEE2I2T回到原值电机达到新稳态工作点（超同步速运行）1）相位相反：2addsEE与2）相位相同：2addsEE与发出有功功率ns超同步速串级调速系统addE吸收有功功率次同步速串级调速系统3．附加电势获得的方法次同步速串级调速系统主电路超同步速串级调速系统主电路附加电势吸收电机转子送来的转差功率Ps这部份能量可通过有源逆变送回电网===属于转差功率回馈型转子电势经不控整流桥VR整流成直流，再经逆变桥VI把能量通过逆变变压器TI送回电网。附加电势输出有功功率给电机转子不控整流桥改为可控整流桥，使交直交变频系统的能量反过来传输，2VR作为可控整流，1VR作为有源逆变为使Eadd和E2s的频率相同、相位相同，1VR应是有源逆变电路，而不是无源逆变电路~TI控制系统SE2VRVIMA2idoUiU~TI控制系统SE21VR2VRMA2i6.1.2绕线式异步电动机串级调速系统的类型及其控制原理串级调速次同步速串调系统超同步速串调系统运行原理及控制原理与串级调速接近，但属转差功率消耗型。MAn2iVFiPWM*nUASR+nUACR*iU-iUctU-fftΔ波WWTG斩波器可变电阻+RURRdL0．斩波变阻调速系统（历史的回顾）10(1)sononofftssTTRTTRRRTT与原有转子回路转电阻调速相比：三相电阻变一个直流电阻，有级调速变为无极调速。控制系统采用转速、电流双闭环形式'2nicttUUURITn反馈比较速度调节器ASR的输出取为电流指令，控制转子电流*iU电流调节器的输出作为PWM占空比的控制电压Uct，控制占空比，改变电阻值。斩波变阻调速系统调节过程：1．次同步速串级调速系统~TI控制系统SE2VRVIMA2idoUiU控制有源逆变桥VI的逆变角ß控制转子电流控制电动机的转矩以实现调速iU2iTn2．超同步速串级调速系统~TI控制系统SE21VR2VRMA2i为了控制转矩T的大小，应控制转子回路电流的大小通过控制逆变桥1VR的逆变角1或（和）控制整流桥2VR的控制角来实现2通常固定其中一个、调节另一个以调节转子回路电流的大小3．早期的电气串调（略）4．早期的机械串调（略）把绕线式异步电动机MA1转子的转差功率经单枢换流机MB变成直流后输出给直流电动机MD再由直流电动机拖动另一台鼠笼异步电机MA2，由MA2将功率送回电网改变MD的励磁电流可改变直流电动机反电势的大小，也即改变了直流回路中的电流的大小从而改变了单枢换流机的输入电流即绕线转子电流的大小，达到调速的目的恒转矩调速系统直流电动机MD与绕线异步电动机MA同轴联接，把直流电动机得到的转差功率直接送给负载输出调节MD的励磁电流就可以调速，异步电动机的输入功率最终都输出给了负载电动机的最大输入功率是恒定的，系统在降速运行时，系统（含直流电动机）的最大输出功率不变，称恒功率调速系统拖动恒转矩负载时，若转速下降，负载的功率下降，则电机的输入功率也跟着下降，所指的恒功率是其所能够输出的最大值MBMA1MDdIMA2+-fIMBMAMDdI+-fI6．2次同步速串级调速系统6.2.1次同步速串级调速系统的构成6.2.2串级调速系统的机械特性又一人工机械特性（β不变时的T-S曲线）：β=90°=》β≠90°时6.2.3逆变变压器：目的：隔离；电压相匹配电压要匹配的原因及实现办法6.2.4串调系统的能量传递关系与效率6.2.5串调装置的容量与电机的起动6.2.6次同步速串级调速系统的回馈制动次同步速串调速系统的主要优缺点6．2次同步速串级调速系统MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ACR*iUctU--iU++~VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n绕线转子异步电动机MA*起动电阻R切换用接触器1C、2C串调装置主电路（交直交变频电路）不控整流桥VRdL平波电抗器有源逆变桥VI*逆变变压器TI控制系统为转速、电流双闭环测速信号取自测速发电机TG逆变桥交流侧采样6.2.1次同步速串级调速系统的构成直流侧采样MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ACR*iUctU--iU++~VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n6.2.2串级调速系统的机械特性T00nNT1n00.20.40.6S0=0.6S0=0.4S0=0.2S0maxSmaxSS0=090固有机械特性电流断续区时90.10iU相当于直流侧在平波电抗器后面短路，不串入附加电势机械特性近似于固有机械特性串调装置（整流二极管及平波电抗器）的影响：等效为转子回路串入了电阻（对应二极管管压降）==》串电阻使机械特性稍软（Sm变大）和串入等效电感（把Ld折算到转子回路）==》串电抗使最大转矩Tm减小22121112114xxrrfpUmTm221212)xx(rrsm固定β为某确定值（如β1）可得到一条人为机械特性曲线1|nfT900iU00202.34dUsE0212.34cosiTUU0dI空载时00diUU在不同的β角下，机械特性是一组平行的曲线（1）求解理想空载转差率s0（注意空载转速n0≠同步转速n1)（2）求最大转矩Tm和Sm（曲线直线段斜率）转子回路直流侧的等效电路图+-+-UdReRLdR1Ui0RDUd0R2UiId121020cos|TUsE12.(90),电流连续时T00nNT1n00.20.40.6S0=0.6S0=0.4S0=0.2S0maxSmaxSS0=090固有机械特性电流断续区U2T一定时β1越小，Ui0越大，s0越大与相比，转子回路的电阻与电抗不变。90两者的机械特性曲线斜率及最大转矩也不变。11|nfT13.,电流断续时真正的理想空载是转子电流为零！何时电流才会真正为零？只有当三相整流电压ud波形中的最高点高于ui波形的最低点时。真正的理想空载转速比上面推导的要大!!电流断续后的机械特性将上翘，S0将变小电流断流对机械特性的影响？回忆第二章V-M系统中反电势的影响！~TI控制系统SE2VRVIMA2idoUiUT00nNT1n00.20.40.6S0=0.6S0=0.4S0=0.2S0maxSmaxSS0=090固有机械特性电流断续区+-+-UdReRLdR1Ui0RDUd0R2UiId6.2.3逆变变压器（1）把串调装置主电路与交流电网隔离，以抑制浪涌电压的影响；（2）使电动机转子绕组的电压与电网电压相匹配不同的电机，E20不同。不同调速系统所要求的D不同,也即最大转差率Smax不同。所以Udo的变化范围在工程中难以确定。另一方面若逆变电源不能调节会出现是Ui难以与Udo匹配系统所需要到达的最小逆变角0max20min2cosTsEU0max200max202mincoscos30TsEsEU设置的目的：为什么要电压要相匹配？要电压相匹配的做法：Ui的调节范围必需0max20max0~0~iiUsEU若Uimax太小，则β的移相范围太小。例：若Uimax太大，则移相范围无法满足。例：设置逆变变压器，使调速所需的βmin即为逆变桥可靠工作的βmin，（一般为30º），逆变变压器副方电压为：容易理解！~TI控制系统SE2VRVIMA2idoUiU00202.34dUsE0212.34cosiTUU6.2.4串调系统的能量传递关系与效率b)1PmPmecP2P2Cup2CupFeppmecpsPmPP1mmecP)s(PP12a)inPFPspinPmssPP1．能量传递关系sP串调装置的损耗FP回馈回电网的功率略去一切损耗时mPP12PPmecsFPPPPF~(1-s)PsPb)a)P~(1-s)PsPa)详细的b)近似的串调系统的能量传递简图（次同步速系统电动工况）2．串调系统的效率inininschPpPPP2pppppppmecscuFecu21s10.501串调串电阻0FeCuppp11sCuppp22PPPmec321321psPpPpsPPPmmminschb)1PmPmecP2P2Cup2CupFeppmecpsPmPP1mmecP)s(PP12a)inPFPspinPmssPP6.2.5串调装置的容量与电机的起动1．串调装置的容量串调装置：整个串调系统（除异步电动机）的所有部件串调装置的容量（伏安容量）：功率变换器容量SV、逆变变压器容量ST。功率变换器的容量与调速范围有正关联的关系，调速范围越大，所需的容量越大。maxmaxmaxsmNPsPsPmax11VNNSsPPD2）逆变变压器容量ST223TTTSUImax20max2202maxmin331.15coscos30TNsEsSIEIsPST则应在Sv的基础上再放大一个系数1.15（由βmin引起的----安全逆变所必须的）串调系统的优点：在调速范围要求不大的场合，可以用一小容量的变换器去控制一台大容量的异步电机。以它所要传递的最大功率作为它的容量：串调装置传输的最大功率是最大的转差功率为大风机、大水泵要求的调速范围一般都很小，这种情况最适宜采用！1）功率变换器容量SVPPF~(1-s)PsPb)a)P~(1-s)PsP2．异步电动机的起动问题1）当串调装置的容量与异步电动机的容量相等或相当时串调装置可取代起动电阻，利用串调装置使异步电动机在无冲击电流的情况下平稳起动，这时不需使用起动电阻R。（但这种情况极少）2）装置容量相对较小时串调装置无法使电机从零速开始运行,这时仍需要用起动电阻来起动电机MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ACR*iUctU--iU++~VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n•起动时，合1C，用电阻R起动。当电动机转差率S小于Smax之后，先合上2C，使β在βmin下工作，再断开1C，