第十 交流調(diào)壓調(diào)速及繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速

第十章交流調(diào)壓調(diào)速及繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速

2023/2/51

專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。了解各類(lèi)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

理解電機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

掌握電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的分析方法和運(yùn)行性能。

理解電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各種參數(shù)的物理意義，并能熟練應(yīng)用等效電路和相量圖。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，掌握電機(jī)的基本實(shí)驗(yàn)方法和電機(jī)使用的基本技能。

教學(xué)目的1.掌握交流調(diào)壓調(diào)速的基本原理和系統(tǒng)構(gòu)成。掌握交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的建立方法。2.掌握雙饋調(diào)速的基本原理。熟練掌握串調(diào)系統(tǒng)的主要問(wèn)題：效率、功率因數(shù)、調(diào)速范圍和逆變器的容量、起動(dòng)方式。掌握串調(diào)系統(tǒng)的機(jī)械特性。掌握速度電流雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的基本組成和工作原理。重點(diǎn)1.調(diào)壓調(diào)速的控制方法。2.串調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行與設(shè)計(jì)。難點(diǎn)1.調(diào)壓調(diào)速控制的機(jī)理。2.串調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理分析。2023/2/52教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速第二節(jié)繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)的雙饋調(diào)速2023/2/53一、異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法1.異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖10-2異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化等效電路（忽略勵(lì)磁電流)10.1異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速2023/2/54簡(jiǎn)化等效電路的相電流異步電動(dòng)機(jī)傳遞的電磁功率

機(jī)械同步角速度

2023/2/55異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式）最大轉(zhuǎn)矩，又稱(chēng)臨界轉(zhuǎn)矩

臨界轉(zhuǎn)差率：對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率2023/2/56當(dāng)s很小時(shí)，忽略分母中含s各項(xiàng)轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性近似為直線(xiàn)

異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性式的分析當(dāng)s較大時(shí)，忽略分母中s的一次項(xiàng)和零次項(xiàng)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線(xiàn)2023/2/57圖10-3異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2023/2/582.異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法與氣隙磁通由異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式可知，能夠改變的參數(shù)可分為3類(lèi)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)、電源電壓和電源頻率（或角頻率）。（1）異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法2023/2/59三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降（2）異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通氣隙磁通

為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使

或近似為

2023/2/510保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調(diào)速方法稱(chēng)作調(diào)壓調(diào)速。由于受電動(dòng)機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又稱(chēng)作降壓調(diào)速。二、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速保持額定值不變

氣隙磁通

隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速。2023/2/511圖10-4晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速TVC——雙向晶閘管交流調(diào)壓器a)不可逆電路b)可逆電路1.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的主電路2023/2/512可調(diào)

調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比2.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速不變

2023/2/513臨界轉(zhuǎn)矩

隨定子電壓的減小而成平方比地下降臨界轉(zhuǎn)差率保持不變

2023/2/514圖10-5異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性2023/2/515帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，定子側(cè)輸入的電磁功率故電磁功率恒定不變，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

轉(zhuǎn)差功率

帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的降壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)差功率、減小輸出功率來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低。增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，這就是轉(zhuǎn)差功率消耗型的由來(lái)。2023/2/516增加轉(zhuǎn)子電阻值，臨界轉(zhuǎn)差率加大，可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速范圍，這種高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)作交流力矩電動(dòng)機(jī)。缺點(diǎn)是機(jī)械特性較軟。圖10-6高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（交流力矩電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性2023/2/517圖10-7帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)3.閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)2023/2/518圖10-8轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性2023/2/519三相異步電動(dòng)機(jī)直接接電網(wǎng)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流比較大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。4.降壓控制應(yīng)用中、大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)壓降過(guò)大，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。必須采取措施來(lái)降低其起動(dòng)電流，常用的辦法是降壓起動(dòng)。(1)軟起動(dòng)器2023/2/520起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小將比起動(dòng)電流的降低更多，降壓起動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠的問(wèn)題。降壓起動(dòng)只適用于中、大容量電動(dòng)機(jī)空載（或輕載）起動(dòng)的場(chǎng)合。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，輕載降壓運(yùn)行有一個(gè)最佳電壓值，此時(shí)效率最高。2023/2/521為了減少輕載時(shí)的能量損耗，降低定子電壓可以降低氣隙磁通，這樣可以同時(shí)降低鐵損和勵(lì)磁電流。過(guò)分降低電壓和磁通，轉(zhuǎn)子電流必然增大，定子電流反而可能增加，鐵損的降低將被銅損的增加填補(bǔ)，效率反而更差了。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，輕載降壓運(yùn)行有一個(gè)最佳電壓值，此時(shí)效率最高。返回目錄（2）輕載降壓運(yùn)行2023/2/522在雙饋調(diào)速工作時(shí)，繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源或外接電動(dòng)勢(shì)相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個(gè)交流電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)控制附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，實(shí)現(xiàn)繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。一、繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速工作原理10.2繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速2023/2/523圖10-1繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖1.

繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用2023/2/524在繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，附加電動(dòng)勢(shì)的幅值和頻率與交流電壓相同，相位與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)相反，改變其幅值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用2023/2/525圖10-2繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的工況及其功率流程a)次同步速電動(dòng)狀態(tài)b)反轉(zhuǎn)倒拉制動(dòng)狀態(tài)c)超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)d)超同步速電動(dòng)狀態(tài)e)次同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)CU——功率變換單元2.繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況2023/2/526圖10-3繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元2023/2/527將異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個(gè)附加的直流電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的電源，這就形成了圖10-3a中所示的功率變換單元CU2。二、繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)1.串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2023/2/528圖10-4電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2023/2/529系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時(shí)，整流后的直流回路電壓平衡方程式：

或 (10-5)

式中，、——UR與UI的電壓整流系數(shù)

上式近似地反映了電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小，可以看作是在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的間接表達(dá)式 。2023/2/530起動(dòng)控制逆變角β，使電動(dòng)機(jī)可在一定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動(dòng)。隨著異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)減少，相應(yīng)地增大β角以減小值，維持 基本恒定。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速到所需轉(zhuǎn)速時(shí)，不再調(diào)整β角，電動(dòng)機(jī)即在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

工作原理2023/2/531調(diào)速 當(dāng)增大β角使β=β2>β1，電動(dòng)機(jī)在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。停車(chē)只能靠減小β角減小，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車(chē)。工作原理2023/2/532三、串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性1.串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征理想空載轉(zhuǎn)速在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速都不變，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的，但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。其理想空載轉(zhuǎn)速n0為：在不同的角下異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性是近似平行的。2023/2/533圖10-6異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性a)大電機(jī)b)小電機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖2023/2/534換相重疊2.串級(jí)調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路

當(dāng)Id

較小，在0°~60°之間時(shí)，各整流器件都在對(duì)應(yīng)相電壓波形的自然換相點(diǎn)處開(kāi)始換流，到處結(jié)束換流，整流波形正常。當(dāng)電流Id

大于60°時(shí)，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱(chēng)作強(qiáng)迫延時(shí)換相角p

。2023/2/535（1）第一種工作狀態(tài)的特征是

0≤

≤60°，p

=0

此時(shí)，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是=

60°，0<p<30°

這時(shí)，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用，使得整流電路類(lèi)似處于可控整流工作狀態(tài)，p

角相當(dāng)于整流器件的控制角。轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)2023/2/536（3）第三種工作狀態(tài)當(dāng)p

=30°時(shí)，整流電路中會(huì)出現(xiàn)4個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，形成共陽(yáng)極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后p

保持為30°，而角繼續(xù)增大，這是一種非正常的故障狀態(tài)。2023/2/537圖10-8轉(zhuǎn)子整流電路的

=f(Id)，p

=f(Id)

轉(zhuǎn)子整流電流與

、p間的函數(shù)關(guān)系2023/2/538轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓(10-9)式中，RD=sRs+Rr為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。(10-10)2023/2/5393.串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式圖10-9串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路2023/2/540轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為逆變器直流側(cè)電壓電壓平衡方程(10-11)(10-12)(10-13)穩(wěn)態(tài)電路方程2023/2/541

轉(zhuǎn)差率（10-14）

串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速特性為2023/2/542（10-17）

電動(dòng)勢(shì)系數(shù)可改寫(xiě)成

（10-18）

表明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動(dòng)的調(diào)速特性。在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過(guò)改變的控制角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2023/2/5430——理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)速(rad/s)

；CM——串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，

（10-19）

電磁轉(zhuǎn)矩方程可見(jiàn)，CM和CE的關(guān)系與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)中Cm和Ce的關(guān)系完全一致。2023/2/544第一工作區(qū)

(10-21)

機(jī)械特性方程式第二工作區(qū)

(10-23)第一、二工作區(qū)交界的轉(zhuǎn)矩值，稱(chēng)作交接轉(zhuǎn)矩Te1-2。2023/2/545圖10-10異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性2023/2/546四、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)1.串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率圖10-11串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞b)系統(tǒng)的功率流程圖

2023/2/547串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率式中∑p

是異步電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗；

ptan

附加的串級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置損耗

。(10-28)2023/2/548=轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率2023/2/549圖10-12電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)=f(s)的比較

兩種效率的比較2023/2/550

S—系統(tǒng)總的視在功率；Q1—電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率；Qf—逆變變壓器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率。式中(10-29)2.串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)為0.6~0.65；在低速時(shí)可降到0.4~0.5（對(duì)調(diào)速范圍為2的系統(tǒng)）。這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。采用無(wú)功就地補(bǔ)償來(lái)解決。2023/2/551逆變變壓器的二次側(cè)相電壓

（11-32）（11-33）逆變變壓器的容量計(jì)算4.串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量2023/2/552圖10-13雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

五、雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)2023/2/553圖11-13所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動(dòng)態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動(dòng)作用，減速過(guò)程只能靠負(fù)載作用自由降速。系統(tǒng)分析2023/2/554六、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式1.間接起動(dòng)為了使串級(jí)調(diào)速裝置不受過(guò)電壓損壞，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動(dòng)，待轉(zhuǎn)速升高到串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最低轉(zhuǎn)速時(shí)，才把串級(jí)調(diào)速裝置投入運(yùn)行。由于這類(lèi)機(jī)械不經(jīng)常起動(dòng)，所用的起動(dòng)電阻等都可按短時(shí)工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動(dòng)換接到串級(jí)調(diào)速可以利用對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)或利用時(shí)間原則自動(dòng)控制。2023/2/555圖10-20串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)間接起動(dòng)控制原理圖間接起動(dòng)原理圖2023/2/556(1)先合上裝置電源總開(kāi)關(guān)S，使逆變器在min

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