電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第七章

第7章繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

引言

轉(zhuǎn)差功率問題轉(zhuǎn)差功率始終是人們?cè)谘芯慨惒诫妱?dòng)機(jī)調(diào)速方法時(shí)所關(guān)心的問題，因?yàn)楣?jié)約電能是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要目的之一，而如何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的效率。如第5章所述，交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的處理方式可分為三種類型。

7.1異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理

本節(jié)提要概述異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用轉(zhuǎn)差功率的利用眾所周知，作為異步電動(dòng)機(jī)，必然有轉(zhuǎn)差功率，要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去利用它。但要利用轉(zhuǎn)差功率，就必須使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電動(dòng)機(jī)難以勝任，只有繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)才能做到。

一、概述繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)

PsP1繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉(zhuǎn)差功率可以分別向定子和轉(zhuǎn)子饋入，也可以從定子或轉(zhuǎn)子輸出，故稱作雙饋電機(jī)。

雙饋調(diào)速的概念

所謂“雙饋”，就是指把繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組與交流電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組與其他含電動(dòng)勢(shì)的電路相連接，使它們可以進(jìn)行電功率的相互傳遞。

至于電功率是饋入定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組，還是由定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組饋出，則要視電機(jī)的工況而定。

雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)功率變換單元電網(wǎng)K1M3

~K2TI

如上圖所示，在雙饋調(diào)速工作時(shí)，除了電機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外，轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電網(wǎng)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)。

功率變換單元

由于轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與電流的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，即f2=sf1，因此必須通過功率變換單元（PowerConverterUnit—CU）對(duì)不同頻率的電功率進(jìn)行電能變換。對(duì)于雙饋系統(tǒng)來說，CU應(yīng)該由雙向變頻器構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳遞。

雙饋調(diào)速的功率傳輸（1）轉(zhuǎn)差功率輸出狀態(tài)異步電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行；

CUP1PsM3

~Pmech（2）轉(zhuǎn)差功率輸入狀態(tài)

當(dāng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它被拖著運(yùn)轉(zhuǎn)，從軸上輸入機(jī)械功率，經(jīng)機(jī)電能量變換后以電功率的形式從定子側(cè)輸出（饋出）到電網(wǎng)。

PsP1M3

~CUPmech二、異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為

式中s—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；

Er0—繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的相電動(dòng)勢(shì)，或稱轉(zhuǎn)子開路電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。(7-1)轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為：式中Rr

—轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；

Xr0

—s=1時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。(7-2)

轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)

圖7-1繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖~~~~附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)有相同的頻率，可同相或反相串接。

引入可控的交流附加電動(dòng)勢(shì)有附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的轉(zhuǎn)子相電流：如圖7-1所示，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在外接附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式(7-3)

轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用1.

Er

與Eadd

同相當(dāng)Eadd

，使得：這里：

轉(zhuǎn)速上升；轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）當(dāng)Eadd

，使得：這里：轉(zhuǎn)速下降；轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）2.Er

與Eadd反相同理可知，若減少或串入反相的附加電動(dòng)勢(shì)，則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。所以，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

7.2異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的

雙饋系統(tǒng)——串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

本章摘要串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

一、基本思路如前所述，在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？對(duì)于只用于次同步電動(dòng)狀態(tài)的情況來說，比較方便的辦法是將轉(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。這樣，就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問題，轉(zhuǎn)化為與頻率無關(guān)的直流變壓問題，對(duì)問題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都方便多了。

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

對(duì)直流附加電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)要求

首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。

二、系統(tǒng)方案

根據(jù)以上兩點(diǎn)要求，較好的方案是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7-4a中所示的功率變換單元CU2。按照上述原理組成的異步電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)如圖7-5所示，習(xí)慣上稱之為電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)（或稱Scherbius系統(tǒng)）。

圖7-5電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)組成

功率變換單元UR—三相不可控整流裝置，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)sEr0

整流為直流電壓Ud

。UI—三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：可提供可調(diào)的直流電壓Ui

，作為電機(jī)調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢(shì)；可將轉(zhuǎn)差功率變換成交流功率，回饋到交流電網(wǎng)。三、工作原理（1）起動(dòng)起動(dòng)條件：

對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)而言，起動(dòng)應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)子電流Ir

或足夠大的整流后直流電流Id

，為此，轉(zhuǎn)子整流電壓Ud

與逆變電壓Ui

間應(yīng)有較大的差值。

起動(dòng)控制控制逆變角

，使在起動(dòng)開始的瞬間，Ud與Ui

的差值能產(chǎn)生足夠大的Id

，以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過允許的電流值，這樣電動(dòng)機(jī)就可在一定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大

角以減小值Ui

，從而維持加速過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定。工作原理（續(xù)）（2）調(diào)速調(diào)速原理：通過改變

角的大小調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速過程：

UiId

K1sEr0n

Te

Te=TL

Id

工作原理（續(xù)）（3）停車串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒有制動(dòng)停車功能。只能靠減小

角逐漸減速，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。結(jié)論串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角

實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能把異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。*7.3異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性本節(jié)提要概述異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式概述在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器的輸出量、分別與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因此，可以從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路著手來分析異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性。一、異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征1.理想空載轉(zhuǎn)速在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，其理想空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定不變，調(diào)速時(shí)機(jī)械特性變軟，調(diào)速性能差。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)。

根據(jù)式（7-5），當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（Id=0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式變成

其中，s0—異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)對(duì)應(yīng)于某一

角的理想空載轉(zhuǎn)差率，并取K1=K2，則

(7-6)

理想空載轉(zhuǎn)速方程由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速n0為：

(7-7)式中nsyn

—異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。

特性分析從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級(jí)調(diào)速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的。2．機(jī)械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩

串級(jí)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級(jí)調(diào)速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實(shí)際上相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。由于轉(zhuǎn)子回路電阻的影響，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性比其固有特性要軟得多。

串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖圖7-7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)

從圖7-5中可以看出，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動(dòng)機(jī)定子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來研究串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路。但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：二、異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電