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1、1,本节提要串级调速系统的效率串级调速系统的功率因数及其改善途径斩波控制的串级调速系统串级调速装置的电压和容量,*7.4 串级调速系统的技术经济指标 及其提高方案,2,学习要点：,1.串级调速系统性能的一般性讨论：（1）效率（2）功率因数（3）附加装置的容量。2.改善功率因数的斩波控制。重点、难点：能量传递流程。,3,*7.4.1 串级调速系统的效率,图7-12 串级调速系统效率分析a)系统的功率传递 b)系统的功率流程图,4,串级调速系统功率流程,在串级调速时，Ps未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损pCur、杂散损耗 ps 和附加的串级调速装置损耗ptan后通过转子整流器与逆变器返回电网，这
2、部分返回电网的功率称作回馈功率Pf。对整个串级调速系统来说，它从电网吸收的净有功功率应为 Pin=P1Pf。,5,串级调速系统效率及比较,串级调速系统的总效率,(7-28),式中 p 是异步电动机定子和转子内的总损耗；,6,在串级调速系统中，当电动机的转速降低时，如果负载转矩不变，p 和 ptan 都基本不变，式（7-28）分子和分母中的Pm(1-s)项随着的s增大而同时减少，对总效率值的影响并不太大。,7,转子回路串电阻调速的效率,当电动机转子回路串电阻调速时，调速系统的效率是,=,其中，Pm(1-s)项随s 的变化和串级调速时一样，而所串电阻越大时，pCur 越大，p 也越大，因而效率 R
3、 越低，几乎是随着转速的降低而成比例地减少。,8,效率的比较,串级调速系统的总效率是比较高的，且当电动机转速降低时，sch 的减少并不多。而绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速时的效率几乎随转速的降低而成比例地减少。,图7-13 电气串级调速系统与转子串电阻调速系统=f(s)的比较,9,*7.4.2 串级调速系统的功率因数及其改善途径,串级调速系统的功率因数与系统所用的异步电动机、不可控整流器和逆变器三大部分有关：异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；转子整流器的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功率；逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率。
4、,10,串级调速系统的功率因数,在串级调速系统中，从交流电网吸收的总有功功率是电动机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之差，然而从交流电网吸收的总无功功率却是电动机和逆变器所吸收的无功功率之和（见图7-12）。,11,功率因数计算公式,s 系统总的视在功率；Q1 电动机从电网吸收的无功功率；Qf 逆变变压器从电网吸收的无功功率。,式中,(7-29),12,功率因数范围,一般串级调速系统在高速运行时的功率因数为0.60.65，比正常接线时电动机的功率因数减少0.1左右；在低速时可降到0.40.5（对调速范围为2的系统）。这是串级调速系统的主要缺点。对于宽调速的串级调速系统，随着转差率的增
5、大，系统的功率因数还要下降，这是串级调速系统能否被推广应用的关键问题之一。,13,*7.4.3 斩波控制的串级调速系统,问题的提出 串级调速系统功率因数差的一个重要原因就是采用了相位控制的逆变器，控制角 越大时，逆变器从电网吸收的无功功率越多。如果用斩波器来控制直流电压，而将逆变器的控制角设定为允许的最小值不变，即可降低无功的消耗，而提高系统功率因数。,14,系统组成,图7-14 斩波控制串级调速系统原理图,15,图7-14绘出了斩波控制的串级调速系统原理图，图中CH是直流斩波器，可用普通晶闸管或可关断电力电子器件组成，后者可大大简化斩波器电路。系统中斩波器CH工作在开关状态，其工作原理和功率
6、因数如下分析。,16,1工作原理,当它接通时，逆变器输出的附加电动势被短接（Eadd=0）；断开时，输出电动势最大（Eadd=Ui）。设斩波器的开关周期为T，开关接通的时间为，则逆变器经CH送出的平均电动势为,改变占空比(T-)/T 即可调节平均电动势的大小，从而调节异步电动机的转速。,17,附加电动势的斩波波形,图7-15为忽略交流电压变化时附加电动势的斩波波形。,图7-15 转子斩波串级调速时的附加电动势波形,18,斩波控制串级调速系统转速方程,当转子回路整流器和逆变器都是桥式电路时，可得理想空载的电压平衡方程式,（7-30）,n0 不同占空比时的理想空载转速；nsyn异步电动机的同步转速
7、。,式中,因此,19,2系统的功率因数,在斩波控制时，逆变角设定为 min，则逆变器从电网吸收的无功功率可减到最小程度。,图7-16 两种串级调速系统的功率因数比较,斩波控制串级调速系统,常规串级调速系统,20,*7.4.4 串级调速装置的电压和容量,串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外为实现串级调速而附加的所有功率部件，包括转子整流器、逆变器和逆变变压器。从经济角度出发，必须正确合理地选择这些附加设备的电压和容量，以提高整个调速系统的性能价格比。,21,整流器和逆变器容量,选择主要依据其电流与电压的定额。电流定额决定于异步电动机转子的额定电流IrN和所拖动的负载；电压定额则决定
8、于异步电动机转子的额定相电压（即转子开路电动势Er0）和系统的调速范围D，这里，,22,其中，n0min 是调速系统的最低转速，对应于最大理想空载转差率 s0max，由式（7-7）可得,（7-31）,23,调速范围越大时，s0max 也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高。,24,逆变变压器的容量,逆变变压器的二次侧相电压,（7-32）,（7-33）,逆变变压器的容量计算,调速范围越大时，整个串级调速装置的容量要求也越大。,25,从上式可以看出，随着系统调速范围的增大，逆变变压器和整个串级装置的容量也相应增大因为随着D的增大，通过串级调速装置回馈电网的转差功率也增大，必须要有较大容量的串级调速
9、装置来传递与变换这些功率串级调速系统被推荐用于有限调速范围（例如D=1.52.0）的场合,26,作 业,7-3、7-4,27,学习要点：,1具有双闭环控制的串级调速系统的组成；2双馈调速系统；重点、难点：双馈调速系统与串级调速系统工作方式的差异。,28,7.5 双闭环控制的串级调速系统,由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。,29,7.5.1 双闭环控制串级调速系统的组成,图7-17 双闭环控制的串级调速系统,系统结构
10、,30,控制环节说明,图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为=min。,31,系统比较,图7-17所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。,32,7.5.4 串级调速系统的起动方式,串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使
11、逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。,33,1.间接起动,为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投入运行。,34,间接起动控制原理图,图7-20 串级调速系统间接起动控制原理图,35,间接起动操作顺序,（1）先合上装置电源总开关S，使逆变器在 min 下等待工作。（2）然后依次接通接触器K1，接入起动电阻R，再接通K0，把电机定子回路与电网接通，电动机
12、便以转子串电阻的方式起动。（3）待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开K1，切断起动电阻，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。,36,停车操作顺序,（1）由于没有制动作用，应先断开K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离；（2）再断开K0，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。,37,2直接起动,直接起动又称串级调速方式起动。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，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
13、接通。,38,直接起动操作顺序,（1）接触器的工作顺序为 SK0K2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。（2）待发出给定信号后，随着 的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。,39,*7.6 异步电机双馈调速系统,概 述 上述的异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能、从转子侧馈出电能的系统，从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。但人们往往狭义地认为双馈（Double Fed）就是从定子侧与转子侧都馈入电能的工作状态，以示与串级调速的区别。,40,双馈调速系统与串级调速系统相似都适用于大功率、有
14、限调速范围的场合，一般调速范围仅为1.41.5。交-交变频器是一种功率可双向传输的静止变频器，只有一次功率转换，适用于大功率变频场合，其输出频率仅为输入频率的1/31/2，所以用于双馈调速是合理的。,41,从中的分析可知，异步电机双馈工作时，其转子电路应连接一台变频器作为功率变换单元，以供给转子绕组所需频率的电功率，控制这个电功率即可实现调速。这台变频器可以用交-直-交变频器或交-交变频器，在双馈调速时常用后者。,42,7.6.1 双馈调速系统的构成,要在任何转速下使变频器输出电压与电机转子感应电动势都有相同的频率，对变频器输出的频率有两种控制方式：他控式 自控式,43,1.他控式双馈调速系统
15、,图7-21 他控式双馈调速系统原理图,系统组成,转子,44,工作原理,由独立的控制器控制变频器的输出频率，即直接控制输入电机转子的电压频率 f2。由于 f2 满足 f2=s f1 的关系式，所以电机一定在对应于 s 的转速下运行，且不随负载变化。,45,性能评价 他控式双馈调速中会出现同步电动机中存在的突加负载时易失步等缺陷，所以它只适用于负载平稳、对调速的快速性要求不高的场合，如风机、泵类负载，在实际中应用很少。,46,2.自控式双馈调速系统,图7-22 自控式双馈调速系统原理图,系统组成,47,工作原理,异步电机转子的输入频率是通过控制器自动控制的，这个输入频率应能自动跟踪电机的转差频率，所以须有相应的检测装置与反馈控制环节。自控式双馈调速电机与一般异步电机相同，其转速随负载变化，但它还具有调节电机定子侧无功功率的功能。,48,性能评价 由于对变频器的输出可以自动控制，使系统有较强的调节能力，稳定性也较好，可以避免失步现象，所以可用于有冲击性负载的场合。,49,本章小结,通过本章学习，主要了解和掌握异步电机双馈运行的条件和工作原理，熟悉五种工况、掌握其功率流程。在此基础上，熟悉和掌握异步电机串级调速和双馈调速系统的组成及控制方法。,
