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1、2023年1月19日星期四,串级调速的原理与基本类型 一.串级调速的原理 二.串级调速的基本运行状态及功率关系 三.串级调速系统的基本类型,2023年1月19日星期四,绕线型异步电动机的转子,2023年1月19日星期四,绕线型异步电动机的转子,集电环,2023年1月19日星期四,三相绕线型异步电动机示意图,转子三相绕组接成 Y 形,短接或外接对称电阻等,2023年1月19日星期四,一.串级调速的原理,问题的引入:转子串电阻调速分析 我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其转子回路串入电阻来减小电流，增大转差率，从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方法。优点:简单方便 主要缺点：1.低效率
2、 R2FI2Ten实现调速；但 ns转差功率Ps=s.Pem，大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉，因此不适合对大容量电机降速，对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。,2023年1月19日星期四,*转速越低，转差越大，电阻发热越多，效率越低。,2023年1月19日星期四,基本结论：串入电阻越大，转速越低，转差就越大，机械功率在电磁功率中所占的比率就越低，效率越低。,问题：如何在改变转子电流的基础上，提高技术性能和经济性能？,2.调速时，其机械特性随着转子回路附加电阻增加而变软，大大降低了调速精度。3.实际应用中，由于串入转子回路的附加电阻级数
3、有限，无法实现平滑调速。,2023年1月19日星期四,s=1时转子开路相电动势s=1时转子绕组的相漏抗,串级调速的基本原理是什么？,基本思路：1.转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速；2.转子不串入附加电阻-改为串入附加电动势同样可实现调速；3.将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身，既提高效率、又实现变转差率调速。4.该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。工作原理：三相异步电动机的转子感应电压为：,式中：,转子电流为：,2023年1月19日星期四,将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势,a.如串入的附加电势,与转子感生电势,方向相反，频率相同,*这
4、种向下调速的情况成为向低于同步速方向的串级调速。,b.如串入的附加电势,与转子感生电势,方向相同，频率相同,*这种向上调速的情况称为向高于同步速方向的串级调速。,2023年1月19日星期四,向低于同步速方向的串级调速,串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl；串附加电动势之后：,电机在转速n处实现平衡，转速调为n。,2023年1月19日星期四,向高于同步速方向的串级调速,串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl；串附加电动势之后：,电机在转速n 处实现平衡，转速调为n。,2023年1月19日星期四,二.串级调速的基本运行状态及功率关系,串级调速系统基本运行状态：四种,在转子侧引
5、入一个可控的附加电动势，就可实现调速，这个调速过程必然在转子侧形成功率的传递。在调节前后，转子电阻消耗功率不变，但转差率s改变，即转差功率改变；功率的流向要么是从转子侧传输到与之相连的交流网或外电路中，要么是从外面吸收功率到转子中来。,2023年1月19日星期四,说明电网向电动机定子输入的电磁功率Pem一部分变为机械功率PM从电动机轴输出；另一部分变为转差功率Ps通过产生,0sl，Te0，则,装置回馈给电网。,1.低于同步转速的电动运行状态,2023年1月19日星期四,2.低于同步转速的回馈制动运行状态,说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率PM与从电网通过产生,装置输入的转差功率Ps之和，都
6、变为电磁功率Pem，并通过电动机定子回馈给电网。,0sl，Te0，则,2023年1月19日星期四,3.高于同步转速的电动运行状态,s0，Te0。则,说明从电网向电动机定子输入电磁功率Pem，同时从电网通过产生,装置向电动机转子输入转差功率Ps。电动机把定子和转子同时吸收的电功率变为机械功率PM从轴上输出。,2023年1月19日星期四,4.高于同步转速的回馈制动运行状态,s0，Te0。则,说明电动机从轴上吸收机械功率PM，一部分变为电磁功率Pem，通过定子回馈给电网；另一部分变为转差功率Ps，通过产生,装置回馈给电网。,2023年1月19日星期四,可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。超
7、同步串级调速系统系统装置复杂，费用高。,实用的串级调速系统，一般采用低同步串级调速：将转子电路接整流电路；在直流回路中串入直流附加电动势；通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。,2023年1月19日星期四,主要介绍低同步串级调速系统的基本类型。低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整成直流电，在直流电路中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。从能量关系来说，低同步串级调速电动状态的基本能量关系是串入附加电势，吸收转子降速引起的转差功率，并将吸收的功率回馈电网的过程。按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为电气串级调速
8、系统和机械串级调速系统两大类。,2023年1月19日星期四,电气串级调速系统,由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电源，通过控制逆变角控制转子转速，其交流侧通过逆变变压器接电网。呈现恒转矩机械特性。,2023年1月19日星期四,机械串级调速系统,用直流电动机作为可控直流电源，通过控制直流电动机的励磁控制转子转速。所吸收转差功率可以通过直流电动机与绕线电动机的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。具有恒功率调速的特性,2023年1月19日星期四,对于电气串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的转矩为：,对于机械串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的机械功率为：,结论：电气串级调速系统具有近似
9、恒转矩的机械特性。,结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。,常数,常数,2023年1月19日星期四,低同步串级调速系统电气串级调速系统因效率高、技术成熟和低成本而获得广泛应用。低同步机械串级调速系统的调速范围越大，所需直流电动机容量也越大，只适用于大容量，调速范围小的恒功率生产机械。,超同步串级调速系统优点：效率高，而且能四象限运行，调速装置容量小，还可解决功率因数低的问题。缺点：其主路和控制电路复杂，调速装置成本高，使用场合：适用于需要四象限运行，大容量的生产机械。,2023年1月19日星期四,一.转子整流器的三种工作状态 二.串级调速系统的调速特性 三.串级调速系统的机械特性与最
10、大转矩,低同步串级调速系统的机械特性,2023年1月19日星期四,一.转子整流器的三种工作状态,低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有源逆变器，这两部分电路的整流或逆变器件的开关过程会受到负载电流的影响。负载电流较小时换流速度较快，而负载电流较大时器件的换流速度较慢，换流速度慢会导致输出电压的降低，如果换流速度过慢甚至会引起电路故障。下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。,分析前提条件:,（1）假设直流滤波电感足够大,转子整流器输出的直流电流平直。（2）整流二极管没有管压降。（3）忽略电动机内阻对二极管换相的影响。,2023年1月19日星期四,分析注意事项:,
11、转子绕组感应电动势E2的幅值与频率都是转差率s的函数；折算到转子侧的漏抗值也是转差率s的函数；由于异步电机折算到转子侧的漏抗值比整流变压器的要大，换相重叠现象严重，转子整流器会出现“强迫延迟导通”现象。,异步电机转子整流电路的工作与一般具有整流变压器的整流电路的工作极为相似，因此可以引用电力电子整流电路分析中已有的一些结论,但是要看到它们两者之间存在着差异，主要是：,2023年1月19日星期四,（Id较小，的情况）,1.转子整流器的第一工作状态,特征：转子电流较小，整流后直流电流Id也较小；二极管整流器换相迅速，两个二极管之间的换流重叠角较小。重叠角 随转子电流或Id的增大而增大，第一工作状态
12、的小于等于600。,2023年1月19日星期四,可见，E20和XD0确定时，Id越大，越大，当 时，60o。,第一工作状态的边界,时电压、电流波形,由整流电路计算，得第一工作状态下的重叠角,计算公式：,式中，Id整流电流平均值；E20 转子开路时的相电动势 有效值；XD0 折算到转子侧的每相漏抗(s=l时)。,2023年1月19日星期四,（Id较大，不变，出现强迫延时换相角）,2.转子整流器的第二工作状态,特征：当重叠达到600，电流达到第一工作状态最大电流（或一、二状态分界电流Id1-2）以上，如果负载电流继续增大，最初时重叠角会大于600，但稳定以后，两个二极管的重叠会均匀地保持600不变
13、，但所有二极管的换流都被迫从自然换流点向后延迟一个角度。电流越大，这个强迫延时换相角就越大，但有：,2023年1月19日星期四,3.转子整流器的故障状态,特征：当重叠达到600、强迫延时换相角达到300时的电压电流波形如右图所示。如果负载电流继续增大，重叠角又会大于600，但强迫延时换相角会保持300不变。原因是：即使前面两个管子换流未换完，后面该导通的管子也会承受正压而导通，这样，就会出现共阴极管和共阳极管都在换流，四个二极管同时导通-转子整流器短路的故障情况。*串级调速系统要避免运行时严重过载的情况。,（Id过大，的情况）,2023年1月19日星期四,二.串级调速系统的调速特性（n或s与电
14、流Id的关系式）,n或s与电流Id的关系式，需要从直流等效电路入手加以推导：第一工作状态下，整流整流器-逆变器的直流回路等效电路如下：,2023年1月19日星期四,由直流回路等效电路，列出直流电压平衡方程：,于是，推得转差率与电流之间的关系式：,2023年1月19日星期四,将转差率s换成速度n，得串级调速系统的调速特性：,式中，R、Ce均为常数，U受逆变角控制。该结果类似于直流电动机调压调速的速度表达式，但因R更大，故串级调速的调速特性很软。第二工作状态下的调速特性更为复杂，推导从略。*机械特性推导思路：在已经推出调速特性sId 关系之后，继续推导电磁转矩TeId关系，两者联立，得到机械特性s
15、Te关系,2023年1月19日星期四,二.串级调速系统的机械特性（s或n与Te的关系）,（一）第一工作状态的机械特性及最大转矩：,于是：,将第一、第二工作状态的边界电流Id1-2代入上式，得第一、第二工作状态的分界转矩：,2023年1月19日星期四,*第一、二工作状态的分界转矩Te1-2与电机固有最大转矩Temax的比例：,将第一工作状态的转矩Id关系与前面推导的s-Id调速特性联立消去Id，得第一工作状态下机械特性：,*该数值有利于机械特性曲线的作图,2023年1月19日星期四,特征：串级调速系统在第一工作状态下的机械特性如右图中的“第一工作区”所示。横轴为串调时的拖动转矩与与电机自然特性最
16、大拖动转矩的比值。当负载比值达到0.716及以上时，串级调速系统进入第二工作状态运行。,2023年1月19日星期四,（二）第二工作状态的机械特性及最大转矩,第二工作状态下的方程推导过于复杂，这里只给出结论：拖动转矩表达式为：,串调系统取得最大拖动转矩：,最大拖动转矩在机械特性曲线上的横轴位置：,2023年1月19日星期四,*重要结论2：串级调速系统与转子自然接线相比，最大拖动转矩减少到原来的82.6%,即异步电动机的过载能力损失17%左右。,*重要结论1：当串级调速系统带额定负载时运行于第一工作区内。,原因分析：电机过载倍数在2左右，即最大自然拖动转矩为额定转矩的2倍，所以额定负载TeN/Te
17、max约为0.5，故额定负载线必然在0.716之内。,*重要结论3：串级调速系统与转子自然接线相比，机械特性软。,2023年1月19日星期四,串级调速系统的效率和功率因数 一.串级调速系统的总效率 二.串级调速系统的总功率因数,2023年1月19日星期四,一.串级调速系统的总效率,串调系统的总效率，是绕线异步电动机轴上输出功率P2与串调系统从电网输入的总有功功率PW之比。,P为有功功率Q为无功功率系统从电网输入的总有功功率Pw是定子取用功率P1和逆变变压器返回功率PT的差。,串调系统功率关系单线图,2023年1月19日星期四,设、分别为定子、转子、转子反馈电路的功率损耗，为机械损耗，则有：,结
18、论：串调系统系统具有较高的总效率。,理论上，如果忽略小的损耗，串级调速系统的总功率因数将接近100%。实际运行中，大容量串级调速系统在接近满载时的效率可达90%以上。,原因分析：由于串级调速系统的转差功率中的大部分被回馈电网。,2023年1月19日星期四,二.串级调速系统的总功率因数,普通异步电动机的功率因数在0.80.9之间,如果采用串级调速而不采取任何改善功率因数的措施,则串级调速系统的总功率因数会很低,即使高速运行也只有0.6左右。串级调速系统总功率因数低，原因主要有两个：1.由于逆变变压器和异步电动机均为电感性,工作时都要从电网吸收无功功率,所以其无功功率是相加的，使功率因数表达式中的
19、分母增大，因此系统总功率因数降低。分析参考总功率因数表达式：,2.由于转子整流器的接入造成了转子电流的换流重叠和波形畸变，使得绕线电动机自身的功率因数变低，从而也造成系统总功率因数降低。,2023年1月19日星期四,改善功率因数的方法：方法一：在三相交流进线上接入功率补偿电容器。方法二：采用高功率因数的串级调速系统。有两种典型的电路结构：斩波式串级调速系统 GTO串级调速系统,（一）斩波式串级调速系统,斩波器（占空比可调）,逆变器（逆变角固定在最小值）,整流器,2023年1月19日星期四,（二）GTO串级调速系统,GTO称为可关断晶闸管，与普通晶闸管不同之处是该器件具有自关断能力。GTO串级调
20、速系统，与晶闸管串级调速系统主电路基本相同，也是转子整流器接有源逆变器，但使用GTO的逆变器可以通过控制GTO的开通关断时刻，使逆变电路产生超前于电网电压的电流，从而使串级调速系统的逆变侧呈现电容性，提高总功率因数。由于GTO价格较高，该控制方案适用于大容量绕线异步电动机的串级调速。,2023年1月19日星期四,双闭环控制的串级调速系统 一.双闭环串级调速系统的组成 二.双闭环串级调速系统的工作原理分析,2023年1月19日星期四,一.双闭环串级调速系统的组成和工作原理,绕线异步电动机,逆变变压器,电流互感器,转子整流器,测速发电机,速度调节器,电流调节器,晶闸管触发器,为了使系统既能实现速度
21、和电流的无静差调节，又能获得快速的动态响应，两个调节器ASR和ACR一般均采用PI调节器。,2023年1月19日星期四,由于转速调节在外环，转速调节器处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使系统稳定，电流调节器的作用则是力图使Id尽快地跟随转速调节器的输出变化，也就是说，电流内环的调节过程是由速度外环支配的，故形成了一个电流随动系统。分析可知，通过改变转速给定信号Un*的值，利用速度调节器ASR的输出限幅作用和电流调节器ACR的电流负反馈调节作用，不仅可以使双闭环串级调速系统在加速过程中实现恒流升速，还可获得良好的加速特性。通常限制逆变角为30，以防止逆变失败。当电流调节器ACR的输出电压为
22、上限幅值时，应整定逆变角为最大值90。,2023年1月19日星期四,关于闭环系统的动态设计，这里不作重点讨论，可参阅有关交流调速控制系统的资料。一般希望串级调速系统在起动过程中保持主回路电流不超过允许值，即要求电流超调量越小越好，同时希望串级调速系统在负载变化时，转速的变化要小，即要求转速抗扰性能好，因此，电流环按典型I型系统设计，转速环按典型型系统设计。,2023年1月19日星期四,串级调速应用中的几个问题 一.电动机的选择 二.起动方式的选择 三.串调装置的选择,2023年1月19日星期四,一.电动机的选择,串级调速系统电动机容量选择步骤：首先按自然接线计算所需的电动机容量PD，然后乘以1
23、.15倍左右的串级调速系数K,得到串级调速后所需的绕线异步电动机容量P：扩大容量的原因：（1）串级调速系统的负载能力比自然接线损失17%。（2）串级调速后电动机的功率因数降低。（3）低速运行时，转子的高频谐波电流造成转子铜损耗增加。,此外，电动机的额定转速选取要比生产机械所需的最高转速高出10%左右，并进行适当的热校验和过载能力校验。,2023年1月19日星期四,二.起动方式的选择,（一）直接起动方式 利用串级调速装置直接起动电动机，不再另接起动设备进行起动。起动时要串入最大的直流附加电势，因此将逆变角置为最小，然后逐渐增大逆变角，使串级调速系统升到所需的转速。在起动控制时，让逆变器先于电动机
24、接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。直接起动的缺点是所需的串级调速装置容量较大，直接起动适合于调速范围要求很大的负载。,（二）间接起动方式 利用外加的起动设备进行起动，当速度进入调速范围的速度下限时，再切除起动设备，将转子电路与串级调速装置接通，对电动机进行调速范围之内的无级变速运行。如果生产机械对调速范围要求不高，应尽量使用间接起动方式，以节约串级调速装置的容量。,2023年1月19日星期四,间接起动时一般在转子电路串入频敏变阻器或电阻器。间接起动主电路如图所示。,串调设备
25、,起动装置,起动操作顺序如下：先将逆变器接通交流电网，使逆变器在min下等待工作，然后接通KM1，接入起动电阻，再将电动机的定子接入交流电网，电动机便以转子串电阻的方式起动，当加速到调速范围内的最低转速nmin时，投入串级调速，并切除起动设备。即接通KM2，同时断开KM1，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。,不允许在未达到设计最低转速以前把电动机转子回路与串级调速装置接通，否则转子电压会超过整流器件的额定电压而损坏器件，因此转速检测或起动时间计算必须准确。,停车时，由于没有制动作用，应先断开KM2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再将电动机的定子从交流电网断开，以防止当电动机定子断开时在转子侧感生分闸过电压而损坏整流器与逆变器。,2023年1月19日星期四,三.串调装置的选择,串调装置的额定电压或额定电流均指直流侧的额定电压Udn和额定电流Idn，选择算式如下：,式中E2n为已选定电动机的转子开路线电压，I2n为已选定电动机的转子额定电流。,额定电压,额定电流,2023年1月19日星期四,直流侧额定电压与额定电流的乘积决定串级调速装置容量。由算式可以发现，调速范围D越大，所需串调系统容量越大，成本越高。直接起动调速范围最大，故串级调速装置的设计容量就大。间接起动只需要按正常调速范围来设计串调系统容量。,2023年1月19日星期四,总结,
