第二章绕线式异步电动机串级调速系统ppt课件.ppt
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1、1,第一节 串级调速的原理与基本类型第二节 串级调速系统转子整流电路的工作特性第三节 串级调速系统的调速特性和机械特性第四节 串级调速的效率和功率因数第五节 串级调速闭环控制系统第六节 串级调速系统应用中的几个问题第七节 串级调速系统应用实例,第二章 绕线式异步电动机 串级调速系统,2,第一节 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.附加电动势的实现 四.次同步串级调速主电路,3,一. 串级调速的原理,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。 转子串电阻调速方
2、法的主要缺点: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。,基本结论是: 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。,转子串电阻调速方法有什么缺点?,4,串级调速的基本原理是什么?,针对绕线转子异步电动机转子串电阻调速方法转差功率消耗在电阻上,运行效率太低的缺点,引入了一种新的调速方法:基本思路是转子不串入附加电阻-改为串入附加电动势来调速,并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的方法,该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。
3、,5,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:,异步电动机电磁转矩为:,由电动机结构确定的转矩系数,气隙磁通,折算到转子侧的定子电流,转子侧功率因数,6,电磁转矩的表达式中: 转矩系数由电动机结构决定 电源频率及定子相电压不变时,气隙磁通则不变 转子侧功率因数由于S通常较小而近似为1 电机稳定运行时,电磁转矩基本恒定,因此上式中的电流 就基本是个恒定的值,电流,I2=CONST(常数),7,如果此时在电路中加入一个附加电动势Eadd,附加电动势的频率与转子相电动势sE20的频率相同,而相位相同或者相反,分母中只有s为变量,而s的值通常很少,从而可以认定分母为一个不变的定
4、值,由于E20是一个电机参数决定的常数,因此Eadd的变化就能导致S发生变化,8,将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 Eadd,a. 如串入的附加电势Eadd,与转子感生电势,方向相反,频率相同,则转子电流将变小:,转子电流,将减小,会引起交流电动机,拖动转矩的减小,设原来电机拖动转矩与负载相等处于平衡状态,串入附加电势必然引起电动机降速,在降速的过程中,随着速度减小,转差率S增大,分子中sE2回升,电流也回升,使拖动转矩升高后再次与负载平衡,降速过程最后会在某一个较低的速度下重新稳定运行。,* 这种向下调速的情况成为低于同步速的串级调速。(低同步串调),9,b. 如串入的附加电势E
5、add,与转子感生电势,方向相同,频率相同,则转子电流将变大:,转子电流,的增大,会引起交流电动机,拖动转矩的增大,设原来电机拖动转矩与负载相等,处于平衡状态,串入附加电势引起电动机升速,在升速的过程中,随着速度增加,转差率S减小,分子中sE2减小,电流也减小,使拖动转矩减小后再次与负载平衡,降速过程最后会在某一个较高的速度下重新稳定运行。,* 这种向上调速的情况称为高于同步速的串级调速。(超同步串调),10,在转子回路中串入附加电动势,不仅改变了转子回路的有功功率的大小,而且可以通过调节附加电动势的相位来调节异步电动机的功率因数(即调节了转子电流的无功分量),11,二.串级调速的基本运行状态
6、及功率传递方向,12,串级调速系统有四种基本运行状态:,电动机电动运行0s1,从定子侧输入功率,轴上输出机械功率,而转差功率从转子侧馈送到电网。 由于电机在低于同步转速下工作,故称为次同步转速的电动运行。,13,超同步转速电动状态,Pm,Te,不断加大+Eadd,就可提高电机的转速。当接近额定转速时,如继续加大+Eadd,电机将加速到s0的新的稳态下工作,即电机在超过其同步转速下稳定运行。,电机处于定、转子双输入状态。绕线型异步电机在转子中串入附加电动势后可以在超同步转速下作电动运行,并可使输出超过其额定功率,这一特殊工况正是由定、转子双馈的条件形成的。,电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部
7、分输入功率合成。,14,电动机转子输出转差功率,经附加电动势回馈给电网,,定子也向电网回馈功率。 s0,电动机被负载拖动,产生电气制动,15,很多工作机械为了提高其生产率,希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间,因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。,电机定子侧输出功率给电网,电机成为发电机处于制动状态工作,并产生制动转矩以加快减速停车过程。,0s1,16,次同步速串调速系统的主要优点:, 在调速范围不大时,装置容量小, 系统把大部份转差功率回馈给了电网,所以在低速时的效率较转差功率消耗型的调速系统要高,原因是异步电动机的功率因数本来就不高,再加上装置的变换电路及逆变
8、变压器的工作都要从电网中吸收无功功率 。,系统的功率因数低。,串调系统的主要缺点:,17,:不是以电机是否工作在同步转速以上或以下来区分超同步或次同步串级调速系统,而是以转差功率的传递方向来区分的。超同步串调调速系统也会工作在同步转速以下(超同步速串级调速系统的再生制动),次同步串调调速系统也会工作在同步转速以上(次同步速串级调速系统的回馈制动),特别强调,18,电动机转子电动势与电流的频率在不同转速下有不同的数值,其值与交流电网的频率往往不一致(f2=sf1),所以不能把电动机的转子直接与交流电网相连,而必须通过一个中间环节。或者说,恒压恒频(工频)的交流电网不能向电动机转子提供一个变频变压
9、的附加电动势,需要通过一个中间换流环节来解决。这个中间环节除了有功率传递作用外,还应具有对不同频率的电功率进行变换的功能,故称为功率变换单元(Power Converter Unit,简称CU)。,三.附加电动势Eadd的实现,19,要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流附加电动势完成调速的基本思想,则所串入的交流附加电势应该满足如下条件:,1.首先,转子是三相交流电路,因此交流附加电势,应为三相对称,交流电。,因此附加的三相交流电势,3.附加的三相交流电势,可见,三相交流附加电势的实现在实际中十分困难。 实用的串级调速系统,一般采用将转子电路接整流电路,在直流回路中串入直流附加电势,通过
10、调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。,2.转子感应的三相交流电势,的频率、大小都是随转差率变化的,,也应随之变频变压。,在控制过程中,要始终保持与转子感应的,相位相同或相反,即相位要同步。,三相交流电势,20,a)转子输出功率的工况,次同步速串级调速系统主电路,21,b)转子输入功率的工况,22,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。 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。
11、 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系统和机械串级调速系统两大类。,四.次同步串级调速系统的基本类型及主电路。,23,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。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。,24,绕线异步机,转子整流器,有源逆变器,绕线异步机,转子整流器,直流电动机,电气串级调速系统,机械串级调速系统,逆变变压器,25,次同步速串级调速系统的构成
12、,串调装置主电路(交直交变频电路),不控整流桥VR,平波电抗器,有源逆变桥VI,逆变变压器TI,电流反馈信号也可在直流侧采样得到,控制系统为转速、电流双闭环控制系统,26,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。,* 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。,常数,常数,27,电动机稳态时:,28,如果系统中的负载保持不变,则电动机会加速S减小,sE20也就减小Id减小,达到另一个动态平衡,由于惯
13、性维持不变,增大Id增大Te增大,29,为逆变器的逆变角= -,在上述的电路中,为了防止逆变颠覆,逆变角的取值范围为3090,取得最小值30 ,电动机最低速运行取得最大值90 ,电动机最高速运行,30,b.起动控制:控制逆变角,使在起动开始的瞬间,Ud与U的差值能产生足够大的 Id ,以满足所需的电磁转矩,但又不超过允许的电流值,这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高,相应地增大角以减小值 U ,从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。,(1)起动:,a.起动条件:对串级调速系统而言,起动应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后直流电流Id,为此,转子整流电压Ud与逆变电压U间
14、应有较大的差值。,31,b.调速过程:随着转速的增高,相应地增大角以减小值 U ,从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。,(2)调速,a.调速原理:通过改变角的大小调节电动机的转速。,32,结论:(1)串级调速系统能够靠调节逆变角实现平滑无级调速,(2)系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网,从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用,大大提高了调速系统的效率。,(3)停车,串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小 角逐渐减速,并依靠负载阻转矩的作用自由停车。,33,第二节 低同步串级调速系统整流电路的工作特性 一.转子整流器的电路 二.转子整流电路的三种工作状态,34,一.转子整流电路,
15、D0,可以看成导通角为0的三相全控整流电路,两个三相半波可控整流电路串接,35,假设条件(1)整流器件具有理想的整流特性,管压降及漏电流均可忽略;(2)转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷大,直流电流波形平直;(3)忽略电动机励磁阻抗及变压器绕组电阻的影响。,36,换相重叠现象,设电动机在某一转差率下稳定运行,转子三相的感应电动势为 ea、eb、ec。当各整流器件依次导通时,必有器件间的换相过程,这时处于换相中的两相电动势同时起作用,产生换相重叠压降,如下图所示。,37,换相重叠压降edr,换相重叠角,38,根据电力电子学中可知:,39,二.整流电路的三种工作区域,1.第一工作区域 该工作区域
16、中有两个晶闸管发生换流,换流时两个晶闸管所在的支路都导通,一个管子的电流逐渐减少至零从而关断,另一个管子的电流逐渐增大直至完全导通。 两个管子都处于导通时候称为换流重叠,从而有换流重叠角,当转子整流电流增大,换流重叠角也随之增大。,40,此时由于是不可控整流电路,因此a=0,XD=sXD0,E2=sE20,上述的公式则可以变换为,41,转子整流器输出电压和转子相电流的波形图如下:,42,当整流电路中的电流Id增大到使得换流重叠角=60时,前一对晶闸管换流的终点就成了下一对换流晶闸管的换流的起点。因此我们把换流重叠角 60时的工作区域称为第一工作区域。,如果在此基础上整流电流再增大电路则进入第
17、二工作区域。下面我们先看=60时的电压电流波形图,43,=60时的电压电流波形图,前一换流终点为下一换流起点,但并没有出现强迫延迟角,44,2.第二工作区域 在=60时,负载电流继续增大,最初时重叠角会大于60,但稳定以后,两个二极管的重叠角会均匀地保持60不变,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ap。,电流越大,这个强迫延时换相角ap就越大,但是ap也有一个取值范围:(0,30,45,在第二工作区域内, =60保持不变化,强迫延迟角从大于零度到小于等于三十度之间变化。,此阶段电路中任何时刻均有三个晶闸管处于同时导通的状态。每个管子出现的强迫延迟角都相同。,此时电路中所对应的
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