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

15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统117.2异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统串级调速系统的工作原理串级调速系统的其他类型15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22学习要点：串级调速系统性能的一般性讨论：（1）起动（2）调速（3）停止。重点、难点：逆变器的控制作用。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33基本思路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，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。7.2.1串级调速系统的工作原理15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统44对直流附加电动势的技术要求首先，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；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55系统方案根据以上两点要求，较好的方案是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7-4a中所示的功率变换单元CU2。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统如图7-5所示，习惯上称之为电气串级调速系统。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66图7-5电气串级调速系统原理图系统组成20r2radd0rr)(sXREsEI15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统77功率变换单元UR—三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势sEr0整流为直流电压Ud。UI—三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：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；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88式（7-5）Id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，β是控制变量102212cos2.34didrTdUUIRKsEKUIRKK15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99工作原理（1）起动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Ir或足够大的整流后直流电流Id。转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1010起动控制控制逆变角，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，其转子电动势减少，必须相应地增大角以减小Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1111工作原理（续）（2）调速调速原理：通过改变角的大小调节电动机的转速。调速过程：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212工作原理（续）（3）停车串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1313结论串级调速系统能够靠调节逆变角实现平滑无级调速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。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1414*7.3异步电动机串级调速时的机械特性本节提要概述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时的转子整流电路异步电动机串级调速机械特性方程式15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515概述在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量Ud、Id分别与异步电动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来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616*7.3.1异步电动机串级调速机械特性的特征1.理想空载转速在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。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。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1717根据式（7-5），当系统在理想空载状态下运行时（Id=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成cos22001TUKEsKr其中，s0—异步电动机在串级调速时对应于某一角的理想空载转差率，并取K1=K2，则cos020rEUsT(7-6)15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818•理想空载转速方程由此可得相应的理想空载转速n0为：)cos1()1(0rT2syn0syn0EUnsnn(7-7)式中nsyn—异步电动机的同步转速。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919•特性分析从式（7-6）和式（7-7）可知，在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。由式（7-5）还可看出，在不同的角下，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变压调速的机械特性。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统20202．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电阻和电抗，其影响在任何转速下都存在。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性要软得多。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2121•转子回路电阻的影响当电机在最高速的特性上（=90°）带额定负载，也难以达到其额定转速。整流电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。这样，串级调速时的机械特性便如图7-7所示。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2222•串级调速时的机械特性图图7-7异步电动机串级调速时的机械特性a)大电机b)小电机15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323从图7-5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差异。*7.3.2异步电动机串级调速时的转子整流电路15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统24241.转子整流电路图7-8转子整流电路D015电力拖动自动控制系统电力传动控制系统25252.电路分析假设条件（1）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏电流均可忽略；（2）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；（3）忽略电动机励磁阻抗的影响。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2626换相重叠现象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era、erb、erc。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。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727•换相重叠波形udidtOtOiciaibiciaIduaubuc换相重叠压降换相重叠角15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828根据“电力电子技术”中介绍的理论，换相重叠角为换相重叠角0rdD0r0dD0621arccos621arccosEIXsEIsX（8-8）其中XD0—s=1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2929由式（7-8）可知，换相重叠角随着整流电流Id的增大而增加。当Id较小，在0°~60°之间时，整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，整流波形正常。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030转子整流电路的工作状态（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，可称之为第一工作区。（2）第二种工作状态的特征是=60°，0p30°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，p角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131转子整流电路的工作状态（续）（3）当=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，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。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232•转子整流电流与、p间的函数关系图7-9转子整流电路的=f(Id)，p=f(Id)Id1-215电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333串级调速时转子整流电路的电流和电压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，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流和电压。)6πsin(26)cos(cos26p0D0rppD0r0dXEXEI(7-9)15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3434串级调速时转子整流电路的电压式中，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。dDpp0rd22)cos(cos34.2IRsEUdDdDprπIRIsXsE23cos34.200(7-10)15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535上两式中当0p30°，=60°时表示转子整流电路工作在第二工作区；当p=0，=0~60°时表示转子整流电路工作在第一工作区。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636*7.3.3异步电动机串级调速机械特性方程式图7-10串级调速系统a）主电路b）等效电路1.电路结构15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统37372.系统的稳态电路方程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)2π3(cos34.2D0Ddp0rdRsXIsEU(7-11))2π3(cos34.2TTd2TiRXIUU(7-12)(7-13)LdidRIUU15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838以上三式中RL——直流平波电抗器的电阻；XT——折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗，XT=XT1'+XT2。RT——折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻，RT=RT1'+RT2。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统39393.转差率与转速方程解式（7－11）~式（7－13），可以得到用转差率表示的方程式d0Dp0rLDTTd2Tπ3cos34.2)22π3(cos34.2IXERRRXIUs（7-14）15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4040•转速特性方程将s=(n0–n)/n0代入上式，得到串级调速时的转速特性为d0Dp0rLDTT0Dd2Tp0r0π3cos34.2)22π3π3()coscos(34.2IXERRRXXIUEnn(7-15)如令p=0，则式（7-15）就表示系统在第一工作区的转速特性。15电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4141分析式（7-15）可以看出，等号右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压)coscos(34.22Tp0rUEU（7-16）第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作IdR，而分