電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) —運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),第7章,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng),繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng),轉(zhuǎn)差功率是人們?cè)谘芯慨惒诫妱?dòng)機(jī)調(diào)速方法時(shí)所關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)楣?jié)約電能也是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要目的之一。作為異步電動(dòng)機(jī)，必然有轉(zhuǎn)差功率，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。,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。對(duì)于繞線型異步電動(dòng)機(jī)，定、轉(zhuǎn)子電路可以同時(shí)與外電

2、路相連，轉(zhuǎn)差功率可以從轉(zhuǎn)子輸出，也可以向轉(zhuǎn)子饋入，故稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)。,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng),“雙饋”的一個(gè)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)差功率可以回饋到電網(wǎng)，也可以由電網(wǎng)饋入。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，則要視電動(dòng)機(jī)的工況而定。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速方法早在20世紀(jì)30年代就已被提出，到了60~70年代，當(dāng)可控電力電子器件出現(xiàn)以后，才得到更好的應(yīng)用。,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng),繞線型異步電

3、動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速工作原理繞線型異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式繞線轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,內(nèi) 容 提 要,7.1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速工作原理,,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。 在雙饋調(diào)速工作時(shí)，繞線型異步電動(dòng)機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源

4、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)，通過(guò)控制附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，實(shí)現(xiàn)繞線型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。,7.1.1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用,,圖7-1 繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用,,異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為(7-1) 式中 ——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；,,,,——繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)路相電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子開(kāi)路額定相電

5、壓值。,轉(zhuǎn)子相電流,在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為 （7-2）式中 ——轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； ——時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。,,,,,串電阻調(diào)速,,在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流 會(huì)在外接電阻上產(chǎn)生一個(gè)交流電壓 ，這一交流電壓與轉(zhuǎn)子電流有著相同的頻率和相位，調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率被消耗在外接電阻上。,,,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用

6、,,如果在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個(gè)可控的交流附加電動(dòng)勢(shì) 來(lái)代替外接電阻，附加電動(dòng)勢(shì)的幅值和頻率與交流電壓 相同，相位與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 相反（如圖7-1所示），則它對(duì)轉(zhuǎn)子電流的作用與外接電阻是相同的，附加電動(dòng)勢(shì)將會(huì)吸收原先消耗在外接電阻上的轉(zhuǎn)差功率。,,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖,,圖7-1 繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用,引入附加電動(dòng)勢(shì)后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路的合電動(dòng)勢(shì)減小了，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，

7、由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電動(dòng)機(jī)必然減速，因而 增大，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 隨之增大，轉(zhuǎn)子電流 也逐漸增大，直至轉(zhuǎn)差率增大到 時(shí)，轉(zhuǎn)子電流又恢復(fù)到負(fù)載所需的值，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入新的較低轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)。,,,,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用,此時(shí)，未串入附加電動(dòng)勢(shì)和串入附加電動(dòng)勢(shì)后的轉(zhuǎn)子電流相等 : 而減小 則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。所以在繞線型異步電動(dòng)機(jī)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)

8、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。,7.1.2 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況,,在繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)并改變其幅值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)?？煽馗郊与妱?dòng)勢(shì)的引入必然在轉(zhuǎn)子側(cè)形成功率的傳送，可以把轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率傳輸?shù)脚c之相連的交流電源或外電路中去，也可以是從外面吸收功率到轉(zhuǎn)子中來(lái)。從功率傳送的角度看，可以認(rèn)為是用控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)差功率的大小與流向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。,7.1.2 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙

9、饋調(diào)速的五種工況,考慮到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電流的頻率在不同轉(zhuǎn)速下有不同的數(shù)值( )，其值與交流電網(wǎng)的頻率往往不一致，所以不能把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接與交流電網(wǎng)相連，而必須通過(guò)一個(gè)中間環(huán)節(jié)。這個(gè)中間環(huán)節(jié)除了有功率傳遞作用外，還應(yīng)具有對(duì)不同頻率的電功率進(jìn)行變換的功能，故稱為功率變換單元（Power Converter Unit，簡(jiǎn)稱CU），見(jiàn)圖7-2。,,,圖7-2 繞線型異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的工況及其功率流程a

10、)次同步速電動(dòng)狀態(tài) b)反轉(zhuǎn)倒拉制動(dòng)狀態(tài) c)超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)d)超同步速電動(dòng)狀態(tài) e)次同步速回饋制動(dòng)狀態(tài) CU——功率變換單元,,忽略機(jī)械和雜散損耗時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系為 （7-4） ——電動(dòng)機(jī)定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率， ——包括轉(zhuǎn)子損耗的轉(zhuǎn)子電路輸入功率， 即轉(zhuǎn)差功率，

11、 ——電動(dòng)機(jī)軸上輸出或輸入的功率。由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動(dòng)勢(shì)極性和大小不同， 和 都可正可負(fù)，因而可以有以下幾種不同的工作狀況。,,,,,1.電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行,,異步電動(dòng)機(jī)定子接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子短路，轉(zhuǎn)子軸上帶有反抗性的恒值額定負(fù)載（對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為 ），此時(shí)電動(dòng)機(jī)在固有機(jī)械特性上以額定轉(zhuǎn)差率 運(yùn)行。若在轉(zhuǎn)子側(cè)每相加上附加電動(dòng)勢(shì) （與 反相，

12、 ），根據(jù)式（7-3），轉(zhuǎn)子電流將減小，從而使電動(dòng)機(jī)減速，轉(zhuǎn)子電流回升，最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。,,,,,,,,,,,,,,此時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的電勢(shì)平衡方程式為若繼續(xù)加大 值，則 值繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)速還將降低，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。,,,對(duì)照式（7-4）可知，由于電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)差率為0<s<1，從定子側(cè)輸入功率，軸上輸出機(jī)械功率，而轉(zhuǎn)差功率在扣除轉(zhuǎn)子損耗后由附加電勢(shì)吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送到電網(wǎng)，其功率流程示于圖

13、7-2a。由于電動(dòng)機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下工作，故稱為次同步轉(zhuǎn)速的電動(dòng)運(yùn)行。,,,,,,2.電動(dòng)機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行,設(shè)異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)已接入一定數(shù)值+ 的情況下作電動(dòng)運(yùn)行，其軸上帶有位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（這是進(jìn)入倒拉制動(dòng)運(yùn)行的必要條件）。此時(shí)若逐漸增大 值，且使 ，根據(jù)式（7-3）的平衡條件，可使 ，則電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。這表明在附加電動(dòng)勢(shì)與位能負(fù)載外力的作用下，可以使電動(dòng)機(jī)進(jìn)入倒拉制動(dòng)

14、運(yùn)行狀態(tài)（在 、n坐標(biāo)系的第四象限）。,,,,,,,,值越大，電動(dòng)機(jī)的反向轉(zhuǎn)速越高。由于 ，故式（7-4）可改寫作: 此時(shí)由電網(wǎng)輸入電動(dòng)機(jī)定子的功率和由負(fù)載輸入電動(dòng)機(jī)軸的功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率，由附加電勢(shì)吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送給電網(wǎng)，見(jiàn)圖7-2b。,,,,,,,3. 電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,進(jìn)入這種運(yùn)行狀態(tài)的必要條件是有恒定機(jī)械外力作用在電動(dòng)機(jī)軸上，方向與電

15、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向相同，并使電動(dòng)機(jī)能在超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速 的情況下運(yùn)行。典型的工況為電動(dòng)車輛下坡的運(yùn)動(dòng)，車輛上坡時(shí)電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，下坡時(shí)車輛重量形成的坡向分力能克服各種磨擦阻力而使車輛下滑，為了防止下坡速度過(guò)高，被車輛拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)便需要產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以限制車輛的速度。,,,,,,,,超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,此時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和上坡時(shí)一樣，但運(yùn)行狀態(tài)卻變成回饋制動(dòng)，轉(zhuǎn)速超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速 ，轉(zhuǎn)差率 ，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)

16、 和轉(zhuǎn)子電流 的相位都與電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相反。,,,,,,,,,,若處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路再串入一個(gè)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 反相的附加電動(dòng)勢(shì) 。根據(jù)式（7-3），電動(dòng)機(jī)將在比未串入 時(shí)的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動(dòng)運(yùn)行。,,,,,,,,,超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,由于電動(dòng)機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)工作，由負(fù)載通過(guò)電動(dòng)機(jī)軸輸入機(jī)械功率，經(jīng)過(guò)機(jī)電能量變換分別從電動(dòng)機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電網(wǎng)。這一結(jié)果也可從式（7-

17、4）得到，此時(shí)式（7-4）可改寫成（式中 與 本身都為負(fù)值）。超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)的功率流程示于圖7-2c。,,,,,,4. 電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行,當(dāng)電動(dòng)機(jī)已在 的情況下作電動(dòng)運(yùn)行，軸上拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩的額定負(fù)載，若轉(zhuǎn)子側(cè)串入了與 同相的附加電動(dòng)勢(shì) ，則式（7-3）變?yōu)椋?從前面討論可知，只要不斷加大附加電動(dòng)勢(shì)的幅值 ，就可提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。,,,,,,

18、,4. 電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行,當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)或超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如繼續(xù)加大 ，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 必然反相變負(fù)，電動(dòng)機(jī)將加速到 的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即超同步電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。必須指出，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速雖然超過(guò)了其同步轉(zhuǎn)速，但它仍拖動(dòng)著負(fù)載作電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此電動(dòng)機(jī)軸上可以輸出比其銘牌所示額定功率還要高的功率。,,,,4. 電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行,電動(dòng)機(jī)軸上輸出機(jī)械功率由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)兩部分輸入電功率合成，

19、電動(dòng)機(jī)處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)，式（7-4）可改寫成 ： （式中s本身為負(fù)值）。 其功率流程示于圖7-2d。,,,,,5．電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,當(dāng)電動(dòng)機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子側(cè)已加入與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 反相的附加電動(dòng)勢(shì) （注意在電動(dòng)狀態(tài)工作時(shí) ）。根據(jù)式（7-3）可知，若使 大于 ， 變?yōu)樨?fù)值，電動(dòng)機(jī)即可進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，工作在 范圍內(nèi)的第二象限。,,,,

20、,5．電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,回饋電網(wǎng)的功率一部分由負(fù)載的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換而成，另一部分則由轉(zhuǎn)子提供。由式（7-4）可知，電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系為：此時(shí)轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)獲取轉(zhuǎn)差功率 ，功率流程圖如圖7-2e所示。,,,,,,,5．電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,,以上五種工況都是異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加入附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。在工況1,2,3中，轉(zhuǎn)子回路輸出電功率，可以先把轉(zhuǎn)子的交流電功率變換成直流，然后再逆變至電網(wǎng)。此時(shí)功率變換

21、單元CU的組成如圖7-3a所示，其中CU1是整流器，CU2是有源逆變器。對(duì)于工況4和5，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子要從電網(wǎng)吸收功率，必須用一臺(tái)變頻器與轉(zhuǎn)子相連，其結(jié)構(gòu)如圖7-3b，CU2工作在可控整流狀態(tài)，CU1工作在逆變狀態(tài)。,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元,圖7-3 繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元,,7.2繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng),,在異步電動(dòng)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、可變幅的附加

22、電動(dòng)勢(shì) 。怎樣才能獲得這樣的附加電動(dòng)勢(shì)呢？,7.2.1串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,,對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)輸出轉(zhuǎn)差功率的情況來(lái)說(shuō)，比較方便的辦法是，將異步電動(dòng)機(jī)的轉(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(wèn)題，轉(zhuǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的直流變壓?jiǎn)栴}，對(duì)問(wèn)題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都更加容易。,7.2.1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

23、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(lái)的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。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7-3a中所示的功率變換單元CU2。,,,圖7-4 電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,,系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時(shí)，必有 > 。 由圖

24、7-4可以寫出整流后的直流回路電壓平衡方程式： 或 (7-5) 式中， 、 ——UR與UI的電壓整流系數(shù)，如兩者都是三相橋式電路，則；,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,從式(7-5)中可以看出， 中包含了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，而 與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子交流電流 之間有固定的比例關(guān)系，因此它近似地反映了

25、電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小，而β角是控制變量。所以該式可以看作是在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的間接表達(dá)式。,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,1．起動(dòng) 異步電動(dòng)機(jī)在靜止不動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)為 ；控制逆變角β，使在起動(dòng)開(kāi)始的瞬間， 與 的差值能產(chǎn)生足夠大的 ，以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過(guò)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)。,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,隨著異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)子電

26、動(dòng)勢(shì)減少，為了維持加速過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定，必須相應(yīng)地增大β角以減小 值，維持 基本恒定。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速到所需轉(zhuǎn)速時(shí)，不再調(diào)整β角，電動(dòng)機(jī)即在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,設(shè)此時(shí)的,則式（7-5）可寫作式中 為對(duì)應(yīng)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的直流回路電流。,,,,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,2．調(diào)速當(dāng)增大β角使β=β2>β1時(shí)，逆變電壓 減小，但電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能立即改變，所以

27、 將增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，使電動(dòng)機(jī)加速。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高， 減少， 回落，直到新的平衡狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。式中,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,3．停車 對(duì)于處于低同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)，必須在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸入電功率時(shí)才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中與轉(zhuǎn)子連接的是不可控整流裝置，它只能從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電功率，而不可能向轉(zhuǎn)子輸入電功率。因此串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有制動(dòng)停車功

28、能。只能靠減小β角減小 ，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。,,,,,,,,,,,,,結(jié)論：（1）串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角β實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。（2）系統(tǒng)能把繞線型異步電動(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。,,,,,,,,,,,,*7.2.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的其它類型,機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)（或稱Kramer系統(tǒng)），其原理圖如圖7-5所示。在繞線型異步電動(dòng)機(jī)同軸上裝有一臺(tái)直

29、流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流后傳給直流電動(dòng)機(jī)，后者把這部分電功率變換為機(jī)械功率，再幫助異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，從而使轉(zhuǎn)差功率得到利用。,,,,,,,,,,,,機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng),在圖7-5 中，直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)就相當(dāng)于直流附加電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流 可以改變其電動(dòng)勢(shì)，從而調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。增大 可使電動(dòng)機(jī)減速，反之則可使電動(dòng)機(jī)加速。,,,,,,,,,,,,,,,從功率傳遞的角度看，如果忽略調(diào)速系統(tǒng)中所有的電氣與

30、機(jī)械損耗，認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率全部為直流電動(dòng)機(jī)所接受，并以機(jī)械功率 的形式從軸上輸出給負(fù)載。則負(fù)載軸上所得到的機(jī)械功率 應(yīng)是異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)兩者軸上輸出功率之和，并恒等于電動(dòng)機(jī)定子輸入功率 ，而與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。,,,,,,,,,,,,,,恒功率調(diào)速,所以這類機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)屬于恒功率調(diào)速，其特點(diǎn)是系統(tǒng)在低速時(shí)能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適用于一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)的場(chǎng)合，如螺紋鋼線材軋機(jī)。而前述的電氣

31、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，因?yàn)槠漭敵龅臋C(jī)械功率與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。,,,,,,,,,,,,,,內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng),另外還有一種類似于Kramer系統(tǒng)的內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是在異步電動(dòng)機(jī)定子中裝有另一套繞組，稱作調(diào)節(jié)繞組。轉(zhuǎn)差功率經(jīng)交-直-交變換器變換成工頻功率后送到調(diào)節(jié)繞組上，作為附加的定子功率送給電動(dòng)機(jī)，這樣就取代了Kramer系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)，同樣能獲得恒功率調(diào)速的效果。但這時(shí)必須專門制造有兩套定子繞組的繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)。

32、,,,,,,,,,,,,,,7.3 串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性,串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征串級(jí)調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性方程式,,,,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性,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(lái)分析異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性。,,,,,,,,,,,,,,7.3.1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

33、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(chǎng)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)。,,,,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征,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,,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。

34、取 K1=K2 ，則,(7-6),串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征,由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速 n0 為：,,式中 n1 — 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。,(7-7),串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征,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。當(dāng)改變逆變角? 時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)差率和理想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。由式（7-5）還可看出，在不同的?角下異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的機(jī)

35、械特性。,,,,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征,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(包括整流和逆變裝置、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)子回路阻抗的影響，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。,,,,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)子回路電阻和漏抗的影響,受轉(zhuǎn)子回路電阻增加的影響：當(dāng)電機(jī)在

36、最高轉(zhuǎn)速的特性上（? = 90°）帶額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。受轉(zhuǎn)子回路漏抗增加的影響：整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級(jí)調(diào)速時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)在正常接線時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。,,,,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖,圖7-6 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),,7.3.2串級(jí)調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路,異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電

37、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(lái)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。,,,,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)子整流電路的特點(diǎn),（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值與頻率都是變化的，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而變化。（2）異步電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子頻

38、率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)。（3）由于異步電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大，所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴(yán)重，從而在負(fù)載較大時(shí)會(huì)引起整流器件的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象。,,,,,,,,,,,,,,假設(shè)條件,（1）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（2）轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為無(wú)窮大，直流電流波形平直；（3）忽略電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁阻抗的影響。,,,,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)子整流電路,圖7-7 轉(zhuǎn)子整流電路,換相重疊,設(shè)電動(dòng)

39、機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 era、erb、erc。當(dāng)各整流器件依次導(dǎo)通時(shí)，必有器件間的換相過(guò)程，這時(shí)處于換相中的兩相電動(dòng)勢(shì)同時(shí)起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。,,,,,,,,,,,,,,換相重疊角,根據(jù)“電力電子技術(shù)” 中介紹的理論，換相重疊角為 其中 XD0 — s = 1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。,,,,,,,,,,,,,,（7-8）,,由式（7-8）可知，換相重疊

40、角隨著整流電流 Id 的增大而增加。當(dāng) Id 較小，? 在0°~ 60°之間時(shí)，整流電路中各整流器件都在對(duì)應(yīng)相電壓波形的自然換相點(diǎn)處開(kāi)始換流，到 ? 處結(jié)束換流，整流波形正常。,,,,,,,,,,,強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象,當(dāng)電流 Id 增大到按式（7-8）計(jì)算出來(lái)的 ? 角大于60°時(shí)，器件在自然換相點(diǎn)處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點(diǎn)換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強(qiáng)迫延時(shí)換

41、相角 ?p 。 由此可見(jiàn)，串級(jí)調(diào)速時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。,,,,,,,,,,,,需要指出的是，強(qiáng)迫延時(shí)換相只說(shuō)明在 超過(guò)某一值時(shí)，整流器件比自然換相點(diǎn)滯后 角換流，但從總體上看，6個(gè)器件在360°內(nèi)輪流工作，每一對(duì)器件的換流過(guò)程最多只能是60°，也就是說(shuō)， 再大，也只能使 不變。,,,,,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài),（1）第一種工作狀態(tài)的特征是

42、 0 ≤ ? ≤ 60°， ? p = 0 此時(shí)，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是 ? = 60°， 0 < ? p < 30 ° 這時(shí)，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用，使得整流電路類似處于可控整流工作狀態(tài)， ? p 角相當(dāng)于整流器件的控

43、制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài),（3）當(dāng) ?p = 30°時(shí)，整流電路中會(huì)出現(xiàn)4個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，形成共陽(yáng)極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后 ?p 保持為30°，而 ? 角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)子整流電流與? 、?p 間的函數(shù)關(guān)系,圖7-8 轉(zhuǎn)子整流電路的 ? = f ( Id )， ?p = f

44、( Id ),轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓,由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時(shí)的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式來(lái)表示串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。,,,,,,,,,,,(7-9),轉(zhuǎn)子整流電路的電壓,式中，RD = sRs? + Rr 為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。,,,,,,,,,,,(7-10),,上兩式中當(dāng)?p = 0， ? = 0 ~ 60°時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流

45、電路工作在第一工作區(qū)。當(dāng) 0 < ?p < 30°， ? = 60°時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第二工作區(qū)。,,,,,,,,,,,7.3.3串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式,1.串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路 根據(jù)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路接線圖（當(dāng)整流器和逆變器都為三相橋式電路時(shí)）及相應(yīng)的等效電路（見(jiàn)圖7－9），考慮到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與逆變變壓器的電阻和換相重疊壓降后，可以列出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程式。,,,,,,,,,,,

46、,,,圖7-9 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路,圖7-9 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路及等效電路,a）主電路,b）等效電路,1. 電路結(jié)構(gòu),2. 穩(wěn)態(tài)電路方程,轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為逆變器直流側(cè)電壓電壓平衡方程,,,,,,,,,,,,,,(7-11),(7-12),(7-13),,以上三式中 RL——直流平波電抗器的電阻； XT ——折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效漏抗，XT = XT 1' + XT

47、2 。 RT ——折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效電阻，RT = RT 1' + RT 2 。,,,,,,3. 轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速方程,解式（7-11）~式（7-13），可以得到用轉(zhuǎn)差率表示的方程式,,（7-14）,轉(zhuǎn)速特性方程,將 s = (n0 – n ) / n0代入上式，得到串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速特性為,,(7-15),如令? p = 0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。,,分析式（7-15）可以看出

48、，等號(hào)右邊分子中的第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓,,（7-16）,第二項(xiàng)相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可以寫作 Id R? ，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓。,電動(dòng)勢(shì)系數(shù),如借用直流電動(dòng)機(jī)的概念和有關(guān)算式，引入電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CE ，使,,（7-17）,,其中，,轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式,則式（7-15）可改寫成,,（7-18）,其中，,,,,注意 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce 是常數(shù)，但在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，CE是負(fù)載電流的函數(shù)，它是

49、使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因素，故兩個(gè)符號(hào)的下標(biāo)不同，以示區(qū)別。,,,,,,,,,,,兩種轉(zhuǎn)速特性的比較,式（7-18）表明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動(dòng)的調(diào)速特性。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，須直接改變電壓 Ud；而在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過(guò)改變式（7-16）第二項(xiàng)中的控制角 ? 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,,,,,,,,,,,兩種轉(zhuǎn)速特性的比較（續(xù)）,在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中總電阻 R

50、? 較大，系統(tǒng)的調(diào)速特性較軟；對(duì)于?p ? 0 的第二工作區(qū)，計(jì)及?p 的影響，在同一逆變角? 下的電壓更小，相當(dāng)于 也發(fā)生變化，因而調(diào)速特性更軟。,,,,,,,,,,,,4. 電磁轉(zhuǎn)矩方程,轉(zhuǎn)差功率 可以從轉(zhuǎn)子整流電路的功率傳遞關(guān)系入手，暫且忽略轉(zhuǎn)子銅耗，則轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率,,,,,,,,,,,,而電磁功率 Pm = Ps /s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為,,,,,,,,,,,?0 —— 理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)

51、速(rad/s ) ；CM —— 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，,（7-19）,,因?yàn)椋?,它也是電流 Id 的函數(shù)。與式（7-17）的電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CE 相比可知， CM 和 CE 對(duì) Id 的關(guān)系是一樣的。由于?0 =2?n0 /60，所以,（7-20）,可見(jiàn)， CM 和 CE的關(guān)系與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)中Cm 和 Ce的關(guān)系完全一致。,5. 串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性方程,當(dāng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運(yùn)行時(shí)， ?p = 0 ，代入式（7-19）,

52、再令 dTe/ dt = 0，可求出電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算最大值Te1m，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式：,,,,,,,,,,,(7-21),第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式,,(7-21),,,,,,,?s1m = s1m- s10 —— 在給定 ? 值下，從理想空載到計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率增量； ?s1 = s - s10 —— 在相應(yīng)的 ? 值下，由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)差率增量；,,第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式,s10

53、— 相應(yīng) ? 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率；s1m— 對(duì)應(yīng)于計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩Te1m的臨界轉(zhuǎn)差率：,,,,(7-22),,Te1m —— 系統(tǒng)在第一工作區(qū)的計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩。 由于在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)，負(fù)載增大到一定程度，必然會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子整流器的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，系統(tǒng)必然會(huì)進(jìn)入第二工作區(qū)。而 Te1m 是在 ?p= 0 的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會(huì)達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩。,第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式,當(dāng)串級(jí)

54、調(diào)速系統(tǒng)在第二工作區(qū)運(yùn)行時(shí)， ?p不等于零，γ= 60º，代入式（7-19），再令 dTe/dt = 0，可求出第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩值Te2m，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式：,第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式,,(7-23),,,,,,,,,,,,?s2m = s2m- s20 ——計(jì)及強(qiáng)迫延時(shí)換相，對(duì)應(yīng)于某一?p 值時(shí)的轉(zhuǎn)差率增量；? s2 = s - s20 ——在給定 ? 與? p值下，由負(fù)載引

55、起的轉(zhuǎn)差率增量;,,式中,,s20——相應(yīng) ? 與 ? p 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率：,,,,,,(7-24),而,,注意 在用式（7-23）計(jì)算第二工作區(qū)的一段機(jī)械特性時(shí)，等號(hào)左邊分母中仍用Te1m ，這是為了使第一、二工作區(qū)的機(jī)械特性計(jì)算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩就是Te1m ，它具有另外一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩Te2m 。,幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系和計(jì)算,從異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)矩TeN和正常運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)

56、矩Tem 。 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有實(shí)用意義的是第一工作區(qū)的計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩 Te1m 和第二工作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩 Te2m （可證明，Te2m 對(duì)應(yīng)于?p= 15°）。還有第一、二工作區(qū)交界的轉(zhuǎn)矩值，稱作交接轉(zhuǎn)矩 Te1-2 。,,按照上面的推導(dǎo)，可得[41],,,,,式（7-26）說(shuō)明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時(shí)減少了17.3%，這在選用電機(jī)時(shí)必須注意。 另外，由式（7-2

57、7）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力一般大于2，即Tem ≥ 2TeN，所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下工作時(shí)，還是處于第一工作區(qū)。,6. 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性,圖7-10 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性,*7.4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量,,,,,,,,,,,,,,7.4.1 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率,在串級(jí)調(diào)速時(shí)，Ps未被全

58、部消耗掉，而是扣除了轉(zhuǎn)子銅損 pCur、雜散損耗 ps 和附加的串級(jí)調(diào)速裝置損耗 ptan 后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子整流器和逆變器返回電網(wǎng)，這部分返回電網(wǎng)的功率稱作回饋功率 Pf 。對(duì)整個(gè)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它從電網(wǎng)吸收的凈有功功率應(yīng)為 Pin = P1 – Pf 。,,,,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率分析,,,,,圖7-11 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞 b)系統(tǒng)的功率流程圖,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率,串級(jí)調(diào)速系

59、統(tǒng)的總效率式中 ∑p 是異步電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗； ptan 附加的串級(jí)調(diào)速傳動(dòng)(tandem drive)裝 置損耗 。,,,,,,,,(7-28),串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率,在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變， ∑p 和 ptan 都基本不變，式（7-28）分子和分母中的項(xiàng)隨著s增大而同時(shí)減少，對(duì)ηsch值的影響并不太大。,,轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

60、的效率,當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的效率是,,,=,其中，Pm(1- s) 項(xiàng)隨s 的變化與串級(jí)調(diào)速時(shí)一樣，而所串電阻越大時(shí)，pCur 越大，∑p 也越大，因而效率 ?R 越低，幾乎是隨著轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。,效率的比較,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率是比較高的，且當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，?sch 的減少并不多。而繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)的效率幾乎隨轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。,,,,,,,,,,,,,,圖7-12

61、電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng) ? = f (s) 的比較,7.4.2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù),異步電動(dòng)機(jī)本身的功率因數(shù)就會(huì)隨著負(fù)載的減輕而下降；轉(zhuǎn)子整流器的換相重迭和強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通等作用都會(huì)通過(guò)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收換相無(wú)功功率；逆變器的相控作用使其電流相位落后于電壓相位，也會(huì)使功率因數(shù)下降；,,,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù),在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，從交流電網(wǎng)吸收的總有功功率是電動(dòng)機(jī)吸收的有功功率與逆變器回饋至電網(wǎng)的有

62、功功率之差，然而從交流電網(wǎng)吸收的總無(wú)功功率卻是電動(dòng)機(jī)和逆變器所吸收的無(wú)功功率之和（見(jiàn)圖7-11），因此，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)可用下式表示 ：,,,,,,,,,,,,,功率因數(shù)計(jì)算公式,S —系統(tǒng)總的視在功率；Q1 —電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率；Qf —逆變變壓器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率。,式中,(7-29),串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)范圍,一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)為0.6~0.65，比正常接線時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)減少0.1左

63、右；在低速時(shí)可降到0.4~0.5（對(duì)調(diào)速范圍為2的系統(tǒng)）。這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。,,,,,,,,,,,,,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償,對(duì)于寬調(diào)速的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，隨著轉(zhuǎn)差率的增大，系統(tǒng)的功率因數(shù)還要下降，這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。常用的方法是增加靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置－電力電容器，采用無(wú)功就地補(bǔ)償來(lái)解決。,,,,,,,,,,,,,7.4.4 串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量,串級(jí)調(diào)速裝置是指整個(gè)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中除異步電動(dòng)機(jī)以

64、外為實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速而附加的所有功率部件，包括轉(zhuǎn)子整流器、逆變器和逆變變壓器。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，必須正確合理地選擇這些附加設(shè)備的電壓和容量，以提高整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能價(jià)格比。,,,,,,,,,,,,,整流器和逆變器容量,主要依據(jù)其電流與電壓的定額。電流定額決定于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定電流和所拖動(dòng)的負(fù)載電流IrN；電壓定額則決定于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定相電壓（即轉(zhuǎn)子開(kāi)路電動(dòng)勢(shì) Er0 ）和系統(tǒng)的調(diào)速范圍 D。這里n1為同步轉(zhuǎn)速。,,,,,,,,,

65、,,,,(7-30),,其中， nmin 是調(diào)速系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)于最大理想空載轉(zhuǎn)差率 smax ，由式（7-7）可得,,,（7-31）,調(diào)速范圍越大時(shí)， smax也越大，整流器和逆變器所承受的電壓越高（ smax Er0 ）。,逆變變壓器容量,在交流串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，設(shè)置逆變變壓器的主要目的就是取得能與被控電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相匹配的逆變電壓，其次是把逆變器與交流電網(wǎng)隔離，以抑制電網(wǎng)的浪涌電壓對(duì)晶閘管的影響。,,,,,,,,,,,,,逆變變壓器

66、容量,這樣，由式（7-6）可以寫出逆變變壓器的二次側(cè)相電壓UT2和異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓之間的關(guān)系。一般取βmin=30?，則,,,,,,,,,,,,,,,逆變變壓器容量,逆變變壓器的二次側(cè)相電壓,,（7-32）,（7-33）,逆變變壓器的容量計(jì)算,7.5 雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng),由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的靜差率較大，所以開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動(dòng)態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制

67、，和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，通常采用具有電流反饋與轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方式。由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動(dòng)作用，所謂動(dòng)態(tài)性能的改善只是指起動(dòng)與加速過(guò)程性能的改善，減速過(guò)程只能靠負(fù)載作用自由降速。,,,,,,,,,,,,,,雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,圖7-13 雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng),控制環(huán)節(jié)說(shuō)明,圖7-13所示為雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自異步電動(dòng)機(jī)軸上聯(lián)接的測(cè)速發(fā)電機(jī)，

68、電流反饋信號(hào)取自逆變器交流側(cè)的電流互感器，也可通過(guò)霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子直流回路。 為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調(diào)節(jié)器ACR輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為 ? = ?min 。,比較,圖7-13 所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動(dòng)態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動(dòng)作用，減速過(guò)程只能靠