第十 交流調(diào)壓調(diào)速及繞線型異步電動機的串級調(diào)速

第十章交流調(diào)壓調(diào)速及繞線型異步電動機的串級調(diào)速

2023/2/51

專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。了解各類電機的基本結(jié)構(gòu)。

理解電機中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

掌握電機穩(wěn)態(tài)運行時的分析方法和運行性能。

理解電機穩(wěn)態(tài)運行時各種參數(shù)的物理意義，并能熟練應(yīng)用等效電路和相量圖。通過實驗，掌握電機的基本實驗方法和電機使用的基本技能。

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)電動機機械特性的建立方法。2.掌握雙饋調(diào)速的基本原理。熟練掌握串調(diào)系統(tǒng)的主要問題：效率、功率因數(shù)、調(diào)速范圍和逆變器的容量、起動方式。掌握串調(diào)系統(tǒng)的機械特性。掌握速度電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的基本組成和工作原理。重點1.調(diào)壓調(diào)速的控制方法。2.串調(diào)系統(tǒng)的運行與設(shè)計。難點1.調(diào)壓調(diào)速控制的機理。2.串調(diào)系統(tǒng)的運行機理分析。2023/2/52教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)異步電動機的調(diào)壓調(diào)速第二節(jié)繞線型異步電動機的雙饋調(diào)速2023/2/53一、異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法1.異步電動機的機械特性圖10-2異步電動機簡化等效電路（忽略勵磁電流)10.1異步電動機的調(diào)壓調(diào)速2023/2/54簡化等效電路的相電流異步電動機傳遞的電磁功率

機械同步角速度

2023/2/55異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（機械特性方程式）最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩

臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率2023/2/56當(dāng)s很小時，忽略分母中含s各項轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機械特性近似為直線

異步電動機的機械特性式的分析當(dāng)s較大時，忽略分母中s的一次項和零次項轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機械特性是一段雙曲線2023/2/57圖10-3異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性2023/2/582.異步電動機的調(diào)速方法與氣隙磁通由異步電動機的機械特性方程式可知，能夠改變的參數(shù)可分為3類：電動機參數(shù)、電源電壓和電源頻率（或角頻率）。（1）異步電動機的調(diào)速方法2023/2/59三相異步電動機定子每相電動勢的有效值忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降（2）異步電動機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)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。由于受電動機絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又稱作降壓調(diào)速。二、異步電動機調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動機同步轉(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.異步電動機調(diào)壓調(diào)速的主電路2023/2/512可調(diào)

調(diào)壓調(diào)速的機械特性表達式電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比2.異步電動機調(diào)壓調(diào)速的機械特性理想空載轉(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異步電動機調(diào)壓調(diào)速的機械特性異步電動機調(diào)壓調(diào)速的機械特性2023/2/515帶恒轉(zhuǎn)矩負載工作時，定子側(cè)輸入的電磁功率故電磁功率恒定不變，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

轉(zhuǎn)差功率

帶恒轉(zhuǎn)矩負載的降壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)差功率、減小輸出功率來換取轉(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。2023/2/516增加轉(zhuǎn)子電阻值，臨界轉(zhuǎn)差率加大，可以擴大恒轉(zhuǎn)矩負載下的調(diào)速范圍，這種高轉(zhuǎn)子電阻電動機又稱作交流力矩電動機。缺點是機械特性較軟。圖10-6高轉(zhuǎn)子電阻電動機（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性2023/2/517圖10-7帶轉(zhuǎn)速負反饋閉環(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機直接接電網(wǎng)起動時，起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。4.降壓控制應(yīng)用中、大容量電動機的起動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其它用電設(shè)備的正常運行。必須采取措施來降低其起動電流，常用的辦法是降壓起動。(1)軟起動器2023/2/520起動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩的減小將比起動電流的降低更多，降壓起動時又會出現(xiàn)起動轉(zhuǎn)矩不夠的問題。降壓起動只適用于中、大容量電動機空載（或輕載）起動的場合。當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩一定時，輕載降壓運行有一個最佳電壓值，此時效率最高。2023/2/521為了減少輕載時的能量損耗，降低定子電壓可以降低氣隙磁通，這樣可以同時降低鐵損和勵磁電流。過分降低電壓和磁通，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，效率反而更差了。當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩一定時，輕載降壓運行有一個最佳電壓值，此時效率最高。返回目錄（2）輕載降壓運行2023/2/522在雙饋調(diào)速工作時，繞線型異步電動機定子側(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勢相連，從電路拓撲結(jié)構(gòu)上看，可認為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個交流電動勢，通過控制附加電動勢的幅值，實現(xiàn)繞線型異步電動機的調(diào)速。一、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速工作原理10.2繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速2023/2/523圖10-1繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖1.

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用2023/2/524在繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢，附加電動勢的幅值和頻率與交流電壓相同，相位與轉(zhuǎn)子電動勢相反，改變其幅值，就可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用2023/2/525圖10-2繞線型異步電動機在轉(zhuǎn)子附加電動勢時的工況及其功率流程a)次同步速電動狀態(tài)b)反轉(zhuǎn)倒拉制動狀態(tài)c)超同步速回饋制動狀態(tài)d)超同步速電動狀態(tài)e)次同步速回饋制動狀態(tài)CU——功率變換單元2.繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速的五種工況2023/2/526圖10-3繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元2023/2/527將異步電動機的轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的直流電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動機的轉(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)生附加直流電動勢的電源，這就形成了圖10-3a中所示的功率變換單元CU2。二、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)1.串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2023/2/528圖10-4電氣串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖2023/2/529系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時，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機電磁轉(zhuǎn)矩的大小，可以看作是在串級調(diào)速系統(tǒng)中異步電動機機械特性的間接表達式 。2023/2/530起動控制逆變角β，使電動機可在一定的動態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動。隨著異步電動機轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)子電動勢減少，相應(yīng)地增大β角以減小值，維持 基本恒定。當(dāng)電動機加速到所需轉(zhuǎn)速時，不再調(diào)整β角，電動機即在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。

工作原理2023/2/531調(diào)速 當(dāng)增大β角使β=β2>β1，電動機在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。停車只能靠減小β角減小，并依靠負載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。工作原理2023/2/532三、串級調(diào)速的機械特性1.串級調(diào)速機械特性的特征理想空載轉(zhuǎn)速在串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的極對數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場轉(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機串級調(diào)速的機械特性是近似平行的。2023/2/533圖10-6異步電動機串級調(diào)速時的機械特性a)大電機b)小電機串級調(diào)速時的機械特性圖2023/2/534換相重疊2.串級調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路

當(dāng)Id

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

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

。2023/2/535（1）第一種工作狀態(tài)的特征是

0≤

≤60°，p

=0

此時，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，由于強迫延遲換相的作用，使得整流電路類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，整流電路中會出現(xiàn)4個器件同時導(dǎo)通，形成共陽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)的電動機定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。(10-10)2023/2/5393.串級調(diào)速機械特性方程式圖10-9串級調(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）

串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)速特性為2023/2/542（10-17）

電動勢系數(shù)可改寫成

（10-18）

表明，異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵電動機的轉(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的調(diào)速特性。在異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過改變的控制角來實現(xiàn)的。2023/2/5430——理想空載機械角轉(zhuǎn)速(rad/s)

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

（10-19）

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

(10-21)

機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，稱作交接轉(zhuǎn)矩Te1-2。2023/2/545圖10-10異步電動機串級調(diào)速時的機械特性異步電動機串級調(diào)速時的機械特性2023/2/546四、串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)1.串級調(diào)速系統(tǒng)的效率圖10-11串級調(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串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率式中∑p

是異步電動機定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗；

ptan

附加的串級調(diào)速傳動裝置損耗

。(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—電動機從電網(wǎng)吸收的無功功率；Qf—逆變變壓器從電網(wǎng)吸收的無功功率。式中(10-29)2.串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)一般串級調(diào)速系統(tǒng)在高速運行時的功率因數(shù)為0.6~0.65；在低速時可降到0.4~0.5（對調(diào)速范圍為2的系統(tǒng)）。這是串級調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點。采用無功就地補償來解決。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算4.串級調(diào)速裝置的電壓和容量2023/2/552圖10-13雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)

五、雙閉環(huán)控制的串級調(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)速與動態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動機轉(zhuǎn)子回路實現(xiàn)的。由于串級調(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)生電氣制動作用，減速過程只能靠負載作用自由降速。系統(tǒng)分析2023/2/554六、串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式1.間接起動為了使串級調(diào)速裝置不受過電壓損壞，將電動機轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉(zhuǎn)速升高到串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計最低轉(zhuǎn)速時，才把串級調(diào)速裝置投入運行。由于這類機械不經(jīng)常起動，所用的起動電阻等都可按短時工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動換接到串級調(diào)速可以利用對電動機轉(zhuǎn)速的檢測或利用時間原則自動控制。2023/2/555圖10-20串級調(diào)速系統(tǒng)間接起動控制原理圖間接起動原理圖2023/2/556(1)先合上裝置電源總開關(guān)S，使逆變器在min

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