1、第5章 交流调压调速系统和串级调速系统第5章 交流调压调速系统和串级调速系统5.1交流调速系统的分类5.2异步电动机调压调速系统5.3绕线式异步电动机串级调速系统5.4交流调压调速系统和串级调速系统的MATLAB仿真本章小结习题与思考题第5章 交流调压调速系统和串级调速系统 5.1交流调速系统的分类交流电机主要分为异步电机(即感应电机)和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电动机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统1.异步电动机的调速1)按照电动机参变量分类交流异步电动机的转速表达式为 (5-1)式中,n为交流异步电
2、动机的转速；p为极对数；s为转差率；f为定子电压频率。601fnsp第5章 交流调压调速系统和串级调速系统从公式(5-1)可以归纳出交流异步电动机的三类调速方法：改变极对数p的调速方法、改变转差率s的调速方法以及改变电源频率f的调速方法。常见的交流调速系统有：变极对数调速；调压调速；绕线式异步电动机转子串电阻调速；绕线式异步电动机串级调速；电磁转差离合器调速；变频调速，等等。其中、均属于改变转差率s的调速方法。这是一种比较原始的分类方法。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2)按照异步电动机类型分类异步电动机分为鼠笼式和绕线式两大类。其中适用于鼠笼式异步电动机的调速方法有：变极对数调速、调压
3、调速、变频调速和电磁转差离合器调速；适用于绕线式异步电动机的调速方法有：调压调速、转子串电阻调速、串级调速、电磁转差离合器调速和变频调速。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3)按电动机的能量转换类型分类根据能量转换类型对电动机交流调速进行分类，可以更加深入地掌握其基本原理，从更高的角度认识交流调速的本质。按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分：一部分为机械功率P2=(1-s)Pm，这是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率Ps=sPm，它与转差率s成正比。从能量转换的角度上来看，转差功率是否过大，最终是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志
4、。从这点出发，可把异步电动机的调速系统分为三大类。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统(1)转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转换成热能而被消耗掉。这类系统的调速效率低，它们以增加转差功率的消耗来换取转速的降低(恒转矩负载时)，越向下调速，效率越低，而且这类系统的结构最简单，因而有一定的应用场合，如上述的调压调速、电磁转差离合器调速、绕线转子异步电动机转子串电阻调速就属于这类系统。(2)转差功率回馈型调速系统：这类系统中转差功率的一部分被消耗掉，而其余大部分则通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能加以利用，转速越低，回收的转差功率越多，例如异步电动机串级调速就属于这一类系统，而且这类系统的
5、效率显然比上一类系统要高得多。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统(3)转差功率不变型调速系统：在这类系统中除转子铜损部分的损耗不可避免外，无论电动机转速的高低，转差功率的消耗基本不变，因此它的效率最高，例如变极对数调速和变频调速等就属于这一类系统。但是，变极对数p的方法只能实现有级调速，应用场合有限。只有变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，是最有发展前途的一类系统。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2.同步电动机的调速同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型(恒等于 0)的，而同步电动机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速
6、，没有像异步电动机那样的多种调速方法。在同步电动机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称为无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电动机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统 5.2异步电动机调压调速系统5.2.1交流调压器通过改变异步电动机定子电压来实现异步电动机转速可调的控制系统称为调压调速系统。调压
7、调速是一种典型的转差功率消耗型调速系统，它是异步电动机调速方法中比较简便的一种。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统要实现异步电动机的调压调速，必须在电源和电动机之间设置一个交流调压器。20世纪50年代以前，改变交流电压多采用带直流磁化绕组的饱和电抗器或自耦变压器。自从晶闸管出现后，由于它体积小、重量轻、惯性小、控制方便，因而笨重的电磁装置就被晶闸管组成的交流调压器所取代。目前常用的交流调压器一般由三个反并联的晶闸管或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中组成，如图5-1所示。主电路的接法可以有多种方案，晶闸管调压器的控制方式有通断控制和相位控制两种，下面分别简单加以说明。第5章 交流调压调速系
8、统和串级调速系统图5-1采用晶闸管组成的交流调压器第5章 交流调压调速系统和串级调速系统1 通断控制(周波控制)在通断控制方式下，把晶闸管作为开关使用，这时晶闸管的控制角为0。在工作时将负载与电源完全接通一个或几个完整的工频周期Tf，然后再断开几个工频周期Tf。也就是在一个循环周期Tc内控制导通的工频周期数为导通周期T1，断开的工频周期数为间歇周期T0，这样通过改变导通周期T1和间歇周期T0的相对大小就可以达到控制加在负载上电压有效值的大小的目的，从而起到调节电压的作用，如图5-2所示。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-2周波控制方式的负载电压波形第5章 交流调压调速系统和串级调速系
9、统可见，周波控制采用了“零”触发的控制方式，几乎不产生谐波污染。但是由于在导通周期内电动机承受的电压为额定值，而在间歇周期内电动机承受的电压为零，因而，加在电动机上的电压变化剧烈，使转速脉动大，在低速时影响更为严重，故常用于大容量、热惯性时间常数大、调速范围小的场合。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2 相位控制相位控制方式是指通过控制晶闸管的导通角来得到不同的负载电压波形，从而起到调节电压的作用，如图5-3所示。显然，当导通角增大时，加在负载上的电压有效值就减小；反之，当角减小时，负载上得到的电压有效值就增大。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-3相位控制方式的负载电压波形第5章
10、 交流调压调速系统和串级调速系统相位控制电路的输出电压较为准确，调速精度较高，快速性好，低速时转速脉动较小，但是这种控制方式会产生成分复杂的谐波，对电网造成谐波污染，常用于中小功率、调速精度与稳定性要求较高的场合，也是一种应用较广的晶闸管调压控制形式。总之，在晶闸管调压调速系统中，晶闸管可借助于负载电流过零而自行关断，不需要另外增加换流装置。但在低速时，由于电动机的转差损耗增大，致使电动机发热严重，效率随之下降，所以这种调速方式经常用于一些短时工作制或短时重复工作制的调速系统中，如电梯、起重机械以及家用电器产品等。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统5.2.2交流调压调速电路的组成用晶闸管装
11、置来实现交流调压调速的电路主要有两大类：一类是单相交流调压；另一类是三相交流调压。这里着重分析三相交流调压电路。三相交流调压调速的电路形式很多，各种接法均有其特点，适用范围也不相同。下面介绍几种常用的三相交流调压电路。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统1 三相全波星形连接的交流调压电路三相全波星形连接的交流调压电路如图5-4所示。由VT1、VT2和VT3三组晶闸管组成三相全波整流电路，R表示三相负载(事实上，工业设备中感性负载比较多，一般可用电阻和电感的串联电路来等效)。这种接法的特点是输出电压中谐波分量低，比较适用于低电压、大电流的负载场合，也是工业现场使用较多的交流调压方式之一。第5章
12、 交流调压调速系统和串级调速系统图5-4三相全波星形连接的交流调压电路第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2 带零线的三相全波星形连接的交流调压电路带零线的三相全波星形连接的交流调压电路如图5-5所示，该电路可采用窄脉冲作为触发脉冲，但零线上有三次谐波电流，且三次谐波电流对电动机和电网的影响比较严重，所以在工业上应用不太多。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-5带零线的三相全波星形连接的交流调压电路第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3 晶闸管三角形连接的交流调压电路晶闸管三角形连接的交流调压电路如图5-6所示。由于晶闸管接在负载后面，所以可减少电网浪涌电压对它的冲击。但该电路要求
13、电动机定子绕组为星形连接，且中性点能拆开。另外，这种电路负载上有偶次谐波，同样对电动机不利，并且晶闸管的耐压要求比星形连接高。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-6晶闸管三角形连接的交流调压电路第5章 交流调压调速系统和串级调速系统5.2.3调压调速系统的工作原理通过改变异步电动机定子电压来实现异步电动机转速可调的控制系统称为调压调速系统。调压调速是一种典型的转差功率消耗型调速系统。1.异步电动机的等效电路根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如图5-7所示。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-7异步电动机的稳态
14、等效电路第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-7中各参数的含义如下：R1为定子每相电阻；R2为折合到定子侧的转子每相电阻；Ll1为定子每相漏感；Ll2为折合到定子侧的转子每相漏感；s为转差率；I1为定子每相电流；I2为折合到定子侧的转子每相电流；Lm为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；U1、1为定子相电压和供电角频率。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2.异步电动机调定子电压时的机械特性1)定子电流计算公式根据图5-7，可以推出折合到定子侧的转子每相电流I2为 (5-2)其中，。122222111112llUIRRCLC Ls111111mm11llRjLLCjLL
15、第5章 交流调压调速系统和串级调速系统在一般情况下，LmLl1，则C11，这相当于将上述假定条件的第条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成下面的形式：(5-3)11222221112llUIIRRLLs第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2)转矩计算公式异步电动机的电磁功率为Pm=3I22R2/s，同步机械角转速为m1=1/np(其中np是极对数)，则异步电机的电磁转矩为 (5-4)2pp122m2e22m112221111233/llnn U RsPRTIsRRLLs第5章 交流调压调速系统和串级调速系统式(5-4)实质上就是异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速n或转差率s一
16、定时，电磁转矩Te与定子电压的平方成正比。这样，对于不同的定子电压，可以得到一组人为的机械特性，如图5-8所示，图中U1N表示额定的定子电压，Te max表示最大转矩。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-8异步电动机不同电压下的机械特性第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3)最大转矩公式将式(5-4)对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率sm和最大转矩Te max：(5-5)(5-6)2m2221112()llRsRLL2p1emax22211111232()lln UTRRLL第5章 交流调压调速系统和串级调速系统可见，随着定子电压的降低，最大转矩Te ma
17、x与定子电压的平方成正比地下降，而最大静差率sm与定子电压U1无关，保持不变。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3.交流调压调速原理所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。对于图5-8所示的异步电动机调电压时的机械特性，当电动机带恒转矩负载TL工作时，普通笼型异步电动机变电压时的稳定工作点为A、B、C，转差率s的变化范围不超过0sm，调速范围有限，无法实现低速运行。而对于风机、泵类的负载，在调压调速时，可得到较大的调速范围，如图中的D、E、F工作点。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电
18、动机能在较低转速下运行而不致过热，应设法增大最大转差率sm，这时可以通过增大转子电阻的方法来实现。这样，异步电动机的转子就有较高的电阻值，这样的电动机在变电压时的机械特性如图5-9所示。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电动机，这种电动机又称做交流力矩电动机。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-9高转子电阻电动机(交流力矩电动机)在不同电压下的机械特性 第5章 交流调压调速系统和串级调速系统5.2.4闭环调压调速系统的组成及其静特性1.系统组成采用普通的异步电动机调压调速时，存在的主要问题是调速范围不宽，且低速时运行稳定性较差，尤其在电网电压有波动以及负载有扰
19、动时都会引起较大的转速变化，难以实际使用。当采用高转子电阻异步电动机(交流力矩电动机)时，调速范围虽然可以大一些，但机械特性变软，负载稍有波动，就会引起很大的转速变化。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统采用开环控制方式来直接调节交流电动机的速度时，很难解决上述这些矛盾。因此，对于恒转矩负载，为提高机械特性硬度，扩大调速范围，减少静差率，必须采用闭环控制方式。带转速负反馈的闭环交流调压调速系统如图5-10所示(在要求不高时也可以采用定子电压反馈控制方式)。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-10带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统原理图第5章 交流调压调速系统和串级调速系统该闭环控
20、制系统由转速调节器ASR、晶闸管调压装置、测速反馈装置和异步电动机等组成。当改变给定电压U*n的大小时，就可以改变电动机的转速n；当由于电网电压波动或者负载扰动而引起电动机转速发生变化时，系统可通过反馈来自动调节，使电动机转速维持稳定。理论上，只要有偏差存在，反馈闭环控制系统就会自动纠正偏差，使电动机的转速跟随给定而变化。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2.系统的静态特性分析根据图5-10所示的闭环控制的交流变压调速系统的原理图，可以得到闭环控制的交流变压调速系统的静态结构图，如图5-11所示。图5-11中，Kp为转速调节器ASR的静态放大倍数；Uct为控制电压；Ks为晶闸管交流调压器和
21、触发装置的放大系数；为转速反馈系数；U1为定子电压；n=f(U1,Te)是式(5-4)所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-11异步电动机闭环变压调速系统的静态结构图 第5章 交流调压调速系统和串级调速系统根据系统的静态结构图，可求出稳态时各个环节输出量与输入量的关系如下：Uct=Kp(U*n-Un)(5-7)U1=KsUct (5-8)Un=n (5-9)Te=TL (5-10)第5章 交流调压调速系统和串级调速系统由公式(5-7)(5-10)可得：(5-11)式中，n0为异步电动机的同步转速；s为异步电动机的转差率。再根据异步电动机
22、机械特性的实用表达式，可得 (5-12)*101pspsnnnsUUUnK KK KUmax2eemmTTssss第5章 交流调压调速系统和串级调速系统当电动机在额定负载以下运行时，转差率s很小，则，故式(5-12)可以近似写成 (5-13)在忽略定子电阻R1的条件下，可得电动机的最大转矩为 (5-14)mmssssmax2eemTsTs2211max12113322ppekn Un UTsRRR第5章 交流调压调速系统和串级调速系统式中，3表示电动机定子相数；np为极对数；U1为电动机的定子电压；Rk为异步电动机的短路电抗；1为电动机定子电压的角频率。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统将
23、式(5-11)和(5-14)代入式(5-13)得：(5-15)式中，。2222*0112*033212 1pspspenkmkmnsn Un K KssUnTssRRKssUn2213pspkmn K KKsR第5章 交流调压调速系统和串级调速系统如果电动机的参数和系统中各环节放大倍数已知，可根据式(5-15)求出不同给定电压U*n时调压调速系统的静态特性，如图5-12所示。显然，引入速度负反馈可使系统静态特性大大提高，而影响调速精度的主要因素是放大系数、Kp、Ks，它们的选择和直流调速系统相类似。下面结合图5-12，从物理概念上分析静特性的形成过程。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5
24、-12闭环控制变压调速系统的静特性第5章 交流调压调速系统和串级调速系统设系统的给定电压为U*n，当负载转矩为TL时，系统带负载工作在A点。如果负载转矩TL增大引起转速n下降，反馈控制作用能提高定子电压U1，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A。这时，电动机输出的转矩增大，以平衡增大了的负载转矩TL。同理，当负载转矩TL降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A，此时电动机输出的转矩随着降低。按照反馈控制规律，将A、A、A连接起来便是闭环系统的静特性。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统可见，采用闭环控制后，当负载发生变化时，通过转速负反馈，可以自动调节加在电动机定子上的电压
25、大小。系统的闭环静特性实际上是几个不同电压对应机械特性上各取一点，组成一条新的且很硬的特性曲线。所以，尽管异步电动机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。如果采用 PI调节器，同样可以做到无静差调节。若改变给定电压信号U*n，则静态特性将平行地上下移动，从而达到调速的目的。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统和直流调压调速系统不同的地方是，这种系统存在失控区。交流电动机闭环调压调速系统在额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性是闭环静特性左右两边的极限，当负载变
26、化到极限两侧时，闭环系统就失去控制能力，相当于回到了开环机械特性上工作。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3.系统的动态特性分析这里通过对系统动态结构图的简单分析来研究其动态特性。首先求出系统中各环节的传递函数，根据图5-11所示系统静态结构图可以得到相应动态结构图，如图5-13所示。图中有些环节的传递函数是直接写出的，如转速调节器ASR、晶闸管触发电路和交流调压器、测速反馈环节等，而且其传递函数WASR(s)、WGTV(s)、WFBS(s)的表达式与直流调速系统相同。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统但异步电动机的传递函数与直流电动机差别较大，原因在于描述异步电动机动态过程的是一组非
27、线性微分方程，要用一个传递函数来准确地表示异步电动机在整个调速范围内的输入和输出之间的关系是不可能的。只有在一定的假设条件下，采用稳态工作点附近线性化的方法才能得到近似的传递函数。具体推导过程可以参考有关文献。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-13异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图 第5章 交流调压调速系统和串级调速系统 5.3绕线式异步电动机串级调速系统5.3.1串级调速系统的原理及基本类型1.串级调速的原理为了充分利用转差功率，使其只有一小部分消耗在转子回路的电阻上，而大部分转差功率被回收后回馈给电网(或再送回电动机轴上输出)，从而使电动机在低速运转时仍有较高的效率，人们提
28、出了串级调速方法，该方法属于转差功率回馈型调速方法。串级调速是指在绕线式异步电动机转子回路中串入与转子电动势E2同频率的附加电势Eadd，如图 5-14所示，然后通过改变附加电势Eadd的幅值和相位来实现调速。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-14绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图第5章 交流调压调速系统和串级调速系统需要注意的是，要获得较好的串级调速性能，对在转子回路中串入的附加电动势有一定的技术要求，具体叙述如下：(1)它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求。(2)从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利
29、用。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点。因其串入附加电动势后增加的转差功率被回馈给电网或回馈到电动机轴上，故电动机在低速运行时具有较高的效率、无级平滑调速、机械特性较硬等许多优点。下面对绕线式异步电动机串级调速的工作原理进行定性分析。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统1)同步串级调速过程当附加电势Eadd=0时，电动机工作在自然机械特性曲线上，如果此时拖动恒转矩负载，电动机转速处在接近额定值的稳定运行状态，称为同步串级调速。此时转子电流I2为 (5-16)式中：E20为s=1时的转子开路相电势；X20为s=1时转子绕组的每相漏电感；R2为转子回路的
30、每相电阻；s为异步电动机转差率。20222202sEIsXR第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2)次同步串级调速过程当在转子回路中串入与频率相同、相位相差180的附加电动势Eadd时，电动机在额定转速值以下调速，称为次同步调速。此时，电动机转子电流变为 (5-17)可见，反向附加电势Eadd的串入，使得转子合成电动势减小，从而引起转子电流I2的减小，电动机的电磁转矩Te相应减小，出现电磁转矩小于负载转矩TL的情况，平衡条件被破坏，迫使电动机的转速n减小。2E20222202addsEEIsXR第5章 交流调压调速系统和串级调速系统随着转速n的降低，转差率s升高，转子电流I2回升，电磁转矩T
31、e也相应回升；当电磁转矩Te与负载转矩TL重新达到平衡时，减速过程结束，电动机稳定运行在低于原值的某一转速上。这就是低于同步转速的串级调速过程。串入的附加电势的幅值越大，电动机的稳态转速就越低。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3)超同步串级调速过程串级调速还可以向高于同步转速的方向上调节，这时只要在电动机转子回路中串入与E2频率相同、相位相同的附加电动势Eadd，电动机就会在额定转速值以上调速，称为超同步串级调速。此时，电动机转子电流变为 (5-18)20222202addsEEIsXR第5章 交流调压调速系统和串级调速系统转子合成电动势增大为sE20+Eadd，则转子电流I2和电动机电
32、磁转矩Te相应增大，使电动机升速，转差率s减小；当转差率s减小到到某一值s时，电动机的电磁转矩Te和负载转矩TL重新达到平衡，电动机又稳定运行在高于额定转速值的某一转速上。这就是高于同步转速的串级调速过程。串入的附加电势的幅值越大，电动机的转速就越高。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2.串级调速系统的基本类型串级调速的核心是产生附加电动势Eadd的装置。由于异步电动机转子电动势E2的频率是随转速n而变化的，这样附加电势Eadd也需要随转速n而变，即Eadd装置应是频率和幅值可调的三相变频器，这样的装置复杂，费用高。目前，国内外广泛应用的是转子回路串入直流附加电动势Eadd的方案，以避免随
33、着转速n的不同改变Eadd的频率，如图5-15所示。在转子绕组端接入一个不可控的整流器，将转子感应电动势E2整流为直流电压，串级调速用的附加电动势Eadd也为直流电压，两者叠加来实现调速。由于转子电路采用了不可控整流电路，所以转差功率只能从转子流向产生附加电势装置，再回馈电网。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-15采用直流附加电动势Eadd的串级调速原理图第5章 交流调压调速系统和串级调速系统根据串级调速异步电动机转子回路中直流附加电动势Eadd获得的方法不同，可以将串级调速系统分为以下三种基本类型。1)直流电动机串级调速电路原理图如图5-16所示。直流附加电动势Eadd就是直流电动
34、机旋转时的反电动势，改变直流电动机的励磁电流大小，即可改变附加电势Eadd的大小。直流电动机拖动交流异步电动机作发电机运行，从而将转差功率回馈入电网。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-16直流电动机串级调速第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2)晶闸管串级调速电路原理图如图5-17所示，用晶闸管全控整流电路获得直流附加电动势Eadd，整流电路长期工作在有源逆变区，即晶闸管的逆变角90，改变的大小即可改变附加电势Eadd的大小。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-17晶闸管串级调速第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3)机械串级调速电路原理图如图5-18所示。该系统采用他励
35、直流电动机旋转时的反电动势作为直流附加电动势Eadd，改变直流电动机的励磁电流的大小，即可改变附加电势Eadd的大小，从而实现主电动机的调速。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-18机械串级调速第5章 交流调压调速系统和串级调速系统转差功率经转子整流器送给直流电动机，由于直流电动机与调速电动机同轴硬性连接，使直流电动机吸收的转差功率转变为轴上的机械功率，然后输送给负载。这相当于在负载轴上增加了一个拖动转矩，从而很好地利用了转差功率。不计损耗时，负载上得到的机械功率总和为(1-s)P+sP=P (5-19)故具有恒功率调速特性，能在低速时产生较大转矩，适用于低速需重负载转矩的场合。但是因
36、为转速较低时，直流电动机不能产生足够的附加电势Eadd，所以这种串级调速系统的调速范围不大，通常在2 1以内。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统5.3.2异步电动机串级调速系统的机械特性1.串级调速系统的调速特性1)串级调速系统主回路串级调速系统的主回路接线图和相应的等效电路图分别如图5-19和图5-20所示。图5-19所示的串级调速系统主回路主要由绕线转子异步电动机、三相桥式二极管转子整流器、三相桥式晶闸管有源逆变器、逆变变压器和平波电抗器L等部分组成，该系统的核心部分是有源逆变器和转子整流器。有源逆变器在电力电子变流技术中已有讨论，下面主要分析转子整流器的工作状态。第5章 交流调压调速
37、系统和串级调速系统图5-19串级调速系统主回路接线图第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-20串级调速系统主回路直流等效电路第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2)串级调速系统转子整流器特点在分析串级调速系统的转子整流器时，应特别注意它与一般整流器有几点不同：(1)转子三相感应电动势的幅值和频率都是转差率s的函数。(2)折算到转子侧的漏抗值也是转差率s的函数。(3)由于电动机折算到转子侧的漏抗值较大，换流重叠现象严重，因而转子整流器会出现“强迫延迟换流”现象，从而引起转子整流电路的特殊工作状态。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统3)转子整流器换流重叠角和工作状态由于电动机存在漏抗，
38、使换流过程中电流不能突变，因而产生换流重叠角，其计算公式为 (5-20)式中，Id为转子回路整流电流平均值；XD0为折算到转子侧的每相漏抗(转差率s=1时)；E20为转子开路时的相电动势有效值。D0202cos16dXIE 第5章 交流调压调速系统和串级调速系统由上式可见，当E20、XD0一定时，换流重叠角随着整流电流平均值Id的增大而增大，具体分析如下：(1)当Id较小()，60时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。20D062dEIX第5章 交流调压调速系统和串级调速系统(2)当，=60时，若继续增大电流Id，则出现强迫延迟换相现象，即晶闸管元件的起始
39、换流点从自然换流点被迫向后延时一段时间，这段时间用强迫延迟换流角p表示。在这一阶段，=60保持不变，而p在030之间变化。这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态，p角相当于整流器件的控制角。20D062dEIX第5章 交流调压调速系统和串级调速系统(3)当p=30时，整流电路中4个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，此后p保持为30不变，再继续增大电流Id的值，则随着Id的增大，换流重叠角从60继续增大。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统如上所述，为了分析方便，可以假设串级调速时的异步电动机转子整流电路有三种工作状态，具体约定如下：(1)
40、换流重叠角060，p=0的工作状态为转子整流器的第一工作状态。(2)=60保持不变，0p30的工作状态为转子整流器的第二工作状态。(3)p=30不变，随着电流Id增大，从60继续增大的工作状态为转子整流器的第三工作状态。该工作状态属于故障工作状态，这里不讨论。由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路有两种正常的工作状态。不同工作状态下电流Id与换流重叠角、强迫延迟换流角p之间的函数关系如图5-21所示。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-21转子整流电路的=f(Id)、p=f(Id)第5章 交流调压调速系统和串级调速系统*4)串级调速时转子整流电路的电流和电压 下面分析电动机转速n
41、、转子回路直流电流Id以及逆变角之间的函数关系，并推导出通过改变逆变角而得到的调速特性n=f(Id)，据此进一步说明异步电动机串级调速系统具有类似直流电动机的调压调速特性。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统由于串级调速系统中转子整流电路具有两种不同的正常工作状态，所以系统的特性分析应分别对这两个不同的工作状态加以讨论。根据图5-20所示的串级调速系统主回路的直流等效电路，可以列出转子整流器在第一工作状态下的直流回路电压平衡方程式，如下所示：(5-21)2020T2D0TDTL2.342.34cos33 22dssUEEEsIXXRRR第5章 交流调压调速系统和串级调速系统式中：UT2为逆变
42、变压器二次侧相电压；RD为折算到转子侧的电动机每相等效电阻(RD=R2+sR1)；XD0为在s=1时折算到转子侧的电动机每相漏电抗；为由转子漏抗引起的换相压降；RL为平波电抗器电阻；RT为折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻(RT=RT2+sRT1)；XT为折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗(XT=XT2+XT1)；为逆变变压器每相等效漏抗引起的换相压降。D03dsXIT3dX I第5章 交流调压调速系统和串级调速系统从式(5-21)中求出转差率s为 (5-22)TDTLT220D032.34cos2232.34ddUIXRRRssEXI第5章 交流调压调速系统和串级调速系统将s=1-n/n
43、0代入式(5-22)，可以求得转速n为 (5-23)20D0TDTLT220D00E332.34cos2232.34 ddddUEIXXRRRnEXInUI RC第5章 交流调压调速系统和串级调速系统式中：第5章 交流调压调速系统和串级调速系统这样，在公式(5-23)中，等号右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压，可以记作dU；第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作IdR；而分母则是负载电流的函数，也认为是转子直流回路的等效电动势系数，记作CE。注意，串级调速系统中的负载电流函数CE与直流调速系统主回路的电动势系数Ce在概念上有所不同，它是使转速特性成为非线性的重要因素，故两个符号的下角
44、不同，以示区别。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统由式(5-23)可见，串级调速系统通过改变逆变角可以实现调速，其特性n=f(Id)相当于他励直流电动机调压调速的特性。但是，由于串级调速系统转子直流回路等效电阻R比直流电动机电枢回路的总电阻大，所以串级调速系统的调速机械特性n=f(Id)相对要软一些。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统上述结论是在串级调速系统转子整流器为第一工作状态时得到的，当转子整流器处于第二工作状态时仍可以用相同的方法获得调速特性：(5-24)20D0TDTLpT220D0p0332.34coscos2232.34cos ddddeUEIXXRRRnEXInUI R
45、C第5章 交流调压调速系统和串级调速系统式中：第5章 交流调压调速系统和串级调速系统比较式(5-23)和式(5-24)，可以看出，如令p=0，则式(5-24)就表示系统在第一工作区的转速特性。式(5-24)分子和分母各项的含义和式(5-23)中的相同。显然，式(5-24)的转速降落增大，串级调速系统的第二工作状态机械特性更软了。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2.串级调速系统的机械特性与最大转矩由上述讨论可知，串级调速系统中转子整流器可以运行在两种正常的工作状态，即第一和第二工作状态，相应地，每个工作状态对应不同的机械特性区。与转子整流器第一工作状态对应的机械特性区称为串级调速系统机械特
46、性的第一工作区；与转子整流器第二工作状态对应的机械特性区称为机械特性的第二工作区。第5章 交流调压调速系统和串级调速系统1)第一工作区的机械特性与最大转矩异步电动机输出转矩为 (5-25)式中，0是理想空载机械角转速，0=2n0/60，单位为rad/s。在不考虑转子电阻损耗及转子整流元件的损耗时，转子整流器的输出功率就等于转差功率，即 (5-26)当s=1时，转子空载整流电动势Ed0=2.34E20。s22e000PPsPTssD0s0dd3()dsXPsEII第5章 交流调压调速系统和串级调速系统将式(5-26)代入式(5-25)，消去转差率s，得到：(5-27)D0d0dd03eXEIIT
47、第5章 交流调压调速系统和串级调速系统利用转矩公式(5-27)和转子整流器在第一工作状态下的直流回路电压平衡方程式(5-21)，可以推出串级调速系统在第一工作区的机械特性表达式，如下所示：(5-28)而理想空载转差率为 (5-29)0D0200200D033223322TDTLedTDTLXsXRRRssTEXsXRRR2020cosTUsE第5章 交流调压调速系统和串级调速系统将第一和第二工作区分界点电流代入式(5-27)，可求得第一、第二工作区分界点的转矩Te12为(Te12也称做交接转矩)：(5-30)在忽略定子电阻时，可以求得绕线式异步电动机固有特性的最大转矩为 (5-31)2012D
48、 064dEIX2201 20D0278eETX220m0D032eETX第5章 交流调压调速系统和串级调速系统将式(5-30)与式(5-31)相比，可以得到：(5-32)由上式可知，Te12=0.716Tem。由于一般绕线异步电动机的最大转矩为Tem2TeN，这里TeN为绕线式异步电动机额定转矩，故Te121.432TeN，即串级调速系统在额定转矩下运行时，一般处于机械特性第一工作区。但要注意的是，上述求得的最大转矩实际上并不存在，它只不过是第一、第二工作区分界点的转矩，而真正的最大转矩应该发生在第二工作区。1 2m0.716eeTT第5章 交流调压调速系统和串级调速系统2)第二工作区的机械
49、特性与最大转矩串级系统工作在第二工作区时，同样，在不考虑转子电阻损耗及转子整流元件的损耗时，转子整流器的输出功率等于转差功率，即有：(5-33)可以推出电磁转矩为 (5-34)D0s20pdd3(2.34cos)sXPsEIIsD0e20pdd0031(2.34cos)PXTEIIs第5章 交流调压调速系统和串级调速系统已知第二工作区的电流为 (5-35)把式(5-35)代入式(5-34)得：(5-36)20pD063coscos4pdEIX220p0D09 32sin243eETX第5章 交流调压调速系统和串级调速系统由上式可以看出，当强迫延迟换流角p=15时，可得串级调速系统机械特性第二工
50、作区内的最大转矩为 (5-37)将式(5-37)与绕线式异步电动机固有特性的最大转矩式(5-31)相比，可得：(5-38)220e2m009 34DETXe2mm0.827eTT第5章 交流调压调速系统和串级调速系统根据式(5-38)可以推出，采用串级调速后，绕线异步电动机的过载能力降低了17左右。在选择串级调速系统绕线异步电动机容量时，应特别考虑这个因素。此外，在式(5-35)中，令强迫延迟换流角p=0，可求得机械特性第二工作区的起始转矩Te2为 (5-39)所以，两段特性在交点处(=60,p=0)衔接。220e2inel-200278DETTX第5章 交流调压调速系统和串级调速系统图5-2
