交流調(diào)速基礎(chǔ)和原理

1、1,交流變頻調(diào)速技術(shù),大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院船電教研室朱景偉2011 年 1 月,Email: zjwdl@yahoo.com.cn,2,本課程的性質(zhì)與任務(wù),本課程是為船舶電子電氣工程專業(yè)本科學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生較全面地了解交流變頻調(diào)速的類型和應(yīng)用領(lǐng)域，掌握交流變頻調(diào)速的各種控制方法和控制技術(shù)。為后續(xù)課程《船舶電力拖動(dòng)系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)，打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)。,3,課程主要內(nèi)容,1 交流調(diào)速原理及基礎(chǔ)2

2、 基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)3 基于動(dòng)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)4 同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)5 變頻調(diào)速的工程實(shí)用技術(shù),4,教 材： 交流調(diào)速系統(tǒng) 馮垛生 主編 機(jī)械工業(yè)出版社參考書(shū)： (1) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng), 李華德,李擎,白晶編著 機(jī)械工業(yè)出版社 (2) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng), 陳伯時(shí)主編　第３版 機(jī)械工業(yè)出版社學(xué)時(shí)分配：36學(xué)時(shí) (講課 34，

3、實(shí)驗(yàn) 2)考 核：考試成績(jī): 80% 平時(shí)成績(jī): 10% 實(shí)驗(yàn)成績(jī): 10%,5,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)題目：交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：系統(tǒng)接線；觀察SPWM和SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)各測(cè)試點(diǎn)波形。在加減速情況下，記錄空間電壓矢量的變化情況。,6,第１章　交流調(diào)速原理及基礎(chǔ),本章主要內(nèi)容1.1 異步電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性1.2 交流調(diào)速原理及分類1.3 交流調(diào)速的發(fā)展及特點(diǎn)1.4 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速

4、原理*1.5 交流電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速原理,7,1.1.1 交流電動(dòng)機(jī)的分類,交流電動(dòng)機(jī)分類：（1）異步電動(dòng)機(jī)(Induction Motor) 籠形異步電動(dòng)機(jī) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)（雙饋電機(jī)）（2）同步電動(dòng)機(jī)(Synchronous Motor) 直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī) 永磁同步電動(dòng)機(jī) 正旋波永磁同步電機(jī) 梯形

5、波永磁同步電機(jī)（3）變磁阻電動(dòng)機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switch Reluctance Motor) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī),,,,,第１章　交流調(diào)速原理及基礎(chǔ),1.1 異步電動(dòng)機(jī)工作原理及特性,8,1.1.2 異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理,異步電動(dòng)機(jī),定子繞組,定子鐵心,轉(zhuǎn)子,機(jī)座,籠 型 結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子鐵心,轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)子繞組,繞線型 結(jié)構(gòu),定子,,,,,9,,,導(dǎo)條,端環(huán),籠型繞組,10,交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

6、是由于定子繞組在接通電源后，建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，依靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流．這樣轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)相互作用，就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)能量變換?！　∮捎谵D(zhuǎn)子中的電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，因此異步電動(dòng)機(jī)又稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。,異步電動(dòng)機(jī)的工作原理,對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速，因?yàn)槿绻麅烧呦嗤?，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間相對(duì)靜止，轉(zhuǎn)子就不會(huì)切割磁力線，導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，因而就不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。,11,異步電動(dòng)機(jī)

7、的定子通以三相交變的電流后，定子將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速 n 總是小于同步轉(zhuǎn)速。兩者的差值叫轉(zhuǎn)差。,同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率,f1---定子供電電源頻率，Hz np---電機(jī)極對(duì)數(shù)同步轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值與同步轉(zhuǎn)速的比值叫轉(zhuǎn)差率。,12,主磁通和定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),,主磁通是通過(guò)氣隙并同時(shí)與定、轉(zhuǎn)子繞組相交鏈的磁通，它經(jīng)過(guò)的磁路(稱為主磁路)包括氣隙、定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛等五部分．感應(yīng)電機(jī)中主磁通所

8、經(jīng)過(guò)的磁路如下頁(yè)圖所示?！　庀吨械闹鞔艌?chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁通 φm 將在定子每相繞組中感生電動(dòng)勢(shì)有效值 Es　。,N1---定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù) kw1---與繞組有關(guān)的常數(shù),13,感應(yīng)電機(jī)中主磁通所經(jīng)過(guò)的磁路,14,1）等效電路 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：(1) 忽略空間和時(shí)間諧波； (2)忽略磁飽和； (3)忽略鐵損。則異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如下所示：,異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路,1.1.3 異步電動(dòng)機(jī)的

9、等效電路、功率及轉(zhuǎn)矩,15,參數(shù)定義,Rs、Rr′ —定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr′ —定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感；Lm—定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵(lì)磁電感；Us、?1 —定子相電壓和供電角頻率； s —轉(zhuǎn)差率。,該等效電路可用于分析異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

10、,16,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率： m1是電機(jī)的相數(shù)。 消耗于定子繞組的電阻而變成銅耗： 消耗于定子鐵心變?yōu)殍F耗(忽略)： 從定子通過(guò)氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率：,,,,,2）異步電動(dòng)機(jī)的功率方程，電磁功率和轉(zhuǎn)差功率,17,轉(zhuǎn)差功率,輸入功率,電磁功率,總機(jī)械功率,總機(jī)械功率,轉(zhuǎn)子銅耗,其中?pJ 為機(jī)械損耗和附加損耗功率。 P2為實(shí)際輸出機(jī)械功率。,18,,異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖,19,3

11、） 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程,總電磁轉(zhuǎn)矩：,,,,,實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩：,式中　CT　為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。,總機(jī)械功率,20,理想空載點(diǎn):圖中的E點(diǎn)，在這點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速n0運(yùn)行 (s＝0)，其電磁轉(zhuǎn)矩T＝0。,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.1.4 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,機(jī)械特性：是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系?！〖?n＝f (T ),異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線,21,臨界點(diǎn)：臨界點(diǎn)K是一個(gè)非常重要的點(diǎn)，它是機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行

12、區(qū)和非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的分界點(diǎn)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,起動(dòng)點(diǎn)：圖中的S點(diǎn)，在起動(dòng)點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)已接通電源，但尚未起動(dòng)。對(duì)應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速n＝0 (s＝1)，電磁轉(zhuǎn)矩稱起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。,異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線,22,1.1.5 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行,,,,,,,,,,,,,,,,,,,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性曲線,(1) 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài): 當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) T = TL,(2) 電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程:,由于負(fù)載波動(dòng)使負(fù)載

13、轉(zhuǎn)矩增大為TLˊ。此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T＜TLˊ，電動(dòng)機(jī)將減速。轉(zhuǎn)速的下降又使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大，當(dāng)T = TLˊ時(shí)，轉(zhuǎn)速不再下降，電動(dòng)機(jī)在圖中的C點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，即 T＜ TLˊ→n↓→T↑→T = TLˊ,23,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(3) 異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)一直加速到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程，叫做起動(dòng)過(guò)程。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流很大，可以達(dá)到額定電流的5～7倍，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst卻并不很大，一般Tst

14、＝(1.8～2)TN。(4) 異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，如電磁轉(zhuǎn)矩方向和轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向相反，就稱作制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)有再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和反接制動(dòng)。,再生制動(dòng):當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速 n0 ，此時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，電磁轉(zhuǎn)矩T 就變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 。實(shí)例有：起重機(jī)械在重物下降時(shí)，重物的重力加速度可能使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速 。 直流制動(dòng):直流制動(dòng)也叫能耗制動(dòng)，是在定子繞組中

15、通入直流電流，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。,24,1.2.1 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的概念,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,調(diào)速：是在負(fù)載沒(méi)有改變的情況下，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程需要人為地強(qiáng)制性地改變拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。 速度改變：是由于負(fù)載變化而引起拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速改變。 調(diào)速范圍：指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速　nLmax與最低轉(zhuǎn)速　nLmin　之比，即,調(diào)速的平滑性：是指相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速的接近程度。 調(diào)速特性：① 靜態(tài)特性：主要是指調(diào)速

16、后機(jī)械特性的硬度。工程上常用靜差度δ來(lái)表示。,② 動(dòng)態(tài)特性：指過(guò)渡過(guò)程中的性能。,1.2 交流調(diào)速原理及分類,25,(1) 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式　　　　　　　　　　　　　 (r/min),1.2.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法,26,(2) 常見(jiàn)的交流調(diào)速方法有：① 降電壓調(diào)速(變壓調(diào)速）；② 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③ 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④ 繞線電機(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速；⑤ 變極對(duì)數(shù)調(diào)速；⑥ 變壓變頻調(diào)速等等。,27

17、,按照交流異步電機(jī)的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比?！‰姶殴β剩篜e = PΩ+ Ps 總機(jī)械功率：PΩ = (1 – s) Pe 轉(zhuǎn)差功率：Ps = sPe,28,從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類 。,(a) 轉(zhuǎn)

18、差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)　　全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，如降電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速都屬于這一類。這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。,(b) 轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)　　在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，串級(jí)調(diào)速方

19、法屬于這一類。這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。,29,(c) 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)　　在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高。如變極對(duì)數(shù)調(diào)速、變壓變頻調(diào)速兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。 目前，交

20、流變壓變頻調(diào)速應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此我們開(kāi)始本門課程。,30,1.2.3　同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本類型,同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型的，而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速。按頻率控制方法分類：他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速。他控變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)：用獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電機(jī)供電的系統(tǒng)叫他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。自控變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)：用電動(dòng)機(jī)本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢

21、測(cè)器或電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來(lái)控制變壓變頻裝置換相時(shí)刻的系統(tǒng)叫自控變頻調(diào)速系統(tǒng)。,31,1.3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備－－電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。電機(jī)消耗50％電能．功能：控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制。,分類種類繁多，只列三種，其它如開(kāi)環(huán)，單閉環(huán)，雙

22、閉環(huán)等。(a)按被控物理量分：調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）。(b)按電機(jī)類型分：直流傳動(dòng)系統(tǒng)和交流傳動(dòng)系統(tǒng)。(c)按控制器類型分：模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。,1.3 交流調(diào)速的發(fā)展及其特點(diǎn),32,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程,,交、直流兩種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，相互競(jìng)爭(zhēng)、相互促進(jìn)、隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展不斷完善和發(fā)展。(1) 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展２０世紀(jì)３０年代起開(kāi)始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。由最早的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組控制發(fā)展為放大

23、機(jī)，磁放大器控制，再進(jìn)一步用晶閘管變流裝置實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速，后來(lái)用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化直流調(diào)速。調(diào)速性能不斷提高。,(２) 交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展1820年， 奧斯特發(fā)現(xiàn)，安培總結(jié)了電流在磁場(chǎng)中產(chǎn)生機(jī)械力------電動(dòng)機(jī)。,33,,(2) 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展（續(xù)）1831年法拉第提出電磁感應(yīng)定律-------發(fā)電機(jī)。在19世紀(jì)80年代以前，只有直流電力拖動(dòng)。由于直流電在當(dāng)時(shí)的條件下，不宜于遠(yuǎn)距離傳輸，所以，工

24、業(yè)動(dòng)力主要為蒸汽機(jī)和水輪機(jī)。1888年，多利沃---多勃羅沃爾斯基提出三相電制和三相異步電動(dòng)機(jī)，奠定了交流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用基礎(chǔ)。交流電宜于遠(yuǎn)距離傳輸，使交流電機(jī)迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在20世紀(jì)上半葉：鑒于直流拖動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī)，而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī)。但交流調(diào)速系統(tǒng)性能卻始終無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵,34,(2) 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展（續(xù)）20世紀(jì)

25、60－70年代后：隨著電力電子技術(shù)和PWM技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動(dòng)按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。矢量控制理論的誕生和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)。1971年德國(guó)學(xué)者提出交流電機(jī)的矢量控制理論（Vector Control)、20世紀(jì)80年代中期德國(guó)學(xué)者提出直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct T

26、orque Control)。,35,(1) 系統(tǒng)的組成,1.3.2 交流調(diào)速系統(tǒng)的組成及特點(diǎn),電力電子變換器：完成AC～DC～AC或AC～AC變換?？刂破鳎ㄑb置）：DSP或單片機(jī)等傳感器：檢測(cè)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等。功率變換器與控制器及傳感器集中于一體，稱為變頻器（變頻調(diào)速裝置）。,現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖,36,直流電機(jī)具有電刷和換相器，必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度

27、。交流調(diào)速系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：(a)　容量大；直流機(jī)12-14MW,交流機(jī)數(shù)十MW(b)　轉(zhuǎn)速高且耐壓；直流電機(jī)小于10000rpm,交流數(shù)萬(wàn)rpm耐壓直流機(jī)1000V,交流機(jī)6-10KV(c)　交流電機(jī)體積、重量、價(jià)格比同等容量的直流電機(jī)小，　　　　　　且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠、慣性??；(d)　環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，堅(jiān)固耐用，可在十分惡劣環(huán)境下使用；(e)　交流調(diào)速系統(tǒng)能顯著地節(jié)能。如一套2050mm的熱連軋板機(jī)，精軋采用變頻調(diào)速后比

28、直流傳動(dòng)節(jié)電1150萬(wàn)kw.h/年。因此交流傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2001年世界可調(diào)電氣傳動(dòng)產(chǎn)品中，交流傳動(dòng)占 2/3。,(2) 交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn),37,1.3.3 交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,（1）風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)耗能占工業(yè)用電的40%，進(jìn)行變頻、串級(jí)調(diào)速，可以節(jié)能。 （2）對(duì)電梯等垂直升降裝置調(diào)速實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，運(yùn)行平穩(wěn)、檔次提高。 （3）紡織、造紙、印刷、煙草等各種生產(chǎn)機(jī)械，采用交流無(wú)級(jí)變速，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效率

29、。 （4）鋼鐵企業(yè)在軋鋼、輸料、通風(fēng)等多種電氣傳動(dòng)設(shè)備上使用交流變頻傳動(dòng)。 （5）有色冶金行業(yè)如冶煉廠對(duì)回轉(zhuǎn)爐、培燒爐、球磨機(jī)、給料等進(jìn)行變頻無(wú)級(jí)調(diào)速控制。 （6）油田利用變頻器拖動(dòng)輸油泵控制輸油管線輸油。此外，在煉油行業(yè)變頻器還被應(yīng)用于鍋爐引風(fēng)、送風(fēng)、輸煤等控制系統(tǒng)。,38,（7）變頻器用于供水企業(yè)、高層建筑的恒壓供水。 （8）變頻器在食品、飲料、包裝生產(chǎn)線上被廣泛使用，提高調(diào)速性能和產(chǎn)品質(zhì)量。 （9）變

30、頻器在建材、陶瓷行業(yè)也獲得大量應(yīng)用。如水泥廠的回轉(zhuǎn)窯、給料機(jī)、風(fēng)機(jī)均可采用交流無(wú)級(jí)變速。 （10）機(jī)械行業(yè)。是企業(yè)最多、分布最廣的基礎(chǔ)行業(yè)。從電線電纜的制造到數(shù)控機(jī)床的制造。電線電纜的拉制需要大量的交流調(diào)速系統(tǒng)。一臺(tái)高檔數(shù)控機(jī)床上就需要多臺(tái)交流調(diào)速甚至精確定位傳動(dòng)系統(tǒng)，主軸一般采用變頻器調(diào)速（只調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速）或交流伺服主軸系統(tǒng)（既無(wú)級(jí)變速又使刀具準(zhǔn)確定位停止），各伺服軸均使用交流伺服系統(tǒng)，各軸聯(lián)動(dòng)完成指定坐標(biāo)位置移動(dòng)。,3

31、9,1.3.4 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),,交流調(diào)速取代直流調(diào)速已是不爭(zhēng)的事實(shí)，當(dāng)前交流調(diào)速系統(tǒng)正朝著高電壓、大容量、高性能、高效率、綠色化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)：將先進(jìn)的控制策略應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，提高直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中低速時(shí)的控制性能等；新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)：提高變頻器輸出效率，降低開(kāi)關(guān)損耗（零關(guān)斷技術(shù)），抑制高頻、大功率變頻器的電磁干擾；PWM模式的改進(jìn)與優(yōu)化研究：如多

32、電平中壓變頻器控制模式；中壓變頻裝置的研究與開(kāi)發(fā)：1-10kV電壓，300kW以上功率。,40,1.4　異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速原理簡(jiǎn)介,1.4.1 異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速原理,(2) 調(diào)壓調(diào)速原理（理論依據(jù)）由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。,(１) 調(diào)壓調(diào)速的概念所謂調(diào)壓調(diào)速，就是通過(guò)

33、改變定子外加電壓來(lái)改變電磁轉(zhuǎn)矩，從而在一定的輸出轉(zhuǎn)矩下達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。,41,1.4.2 異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路,,傳統(tǒng)調(diào)壓器調(diào)壓　自耦變壓器調(diào)速(2)飽和電抗器調(diào)壓　飽和電抗器是帶有直流勵(lì)磁繞組的交流電抗器。改變直流勵(lì)磁電流可以改變交流電抗值。電機(jī)定子繞組與電抗器串聯(lián)連接，電抗值改變，其電壓也隨之改變，從而電機(jī)的定子電壓也改變，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。(3)晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓　交流調(diào)壓器一般用三對(duì)晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)雙向晶閘

34、管分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位控制或開(kāi)關(guān)控制（周期）方式改變輸出電壓。,42,晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓結(jié)論：1) 由于至少有正、反向各一只晶閘管導(dǎo)通，才能形成通路，因此，需采用大于600的寬脈沖（或雙窄脈沖）。2) 單相電阻負(fù)載的移相范圍是 1500, 0度時(shí)輸出電壓最大．3)　單相 RL 負(fù)載的移相范圍是：? ≤ ? ≤ 1800。 4)　三相 RL 負(fù)載的移相范圍是：? ≤ ? ≤ 150

35、0 。,43,Y形接法的晶閘管三相交流調(diào)壓器,輸入是正弦波，輸出是交流電壓，不是正弦波，諧波分量較大,44,△形接法的晶閘管三相交流調(diào)壓器,45,利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速 TVC——雙向晶閘管交流調(diào)壓器,利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速,46,控制方式,TVC的變壓控制方式,47,電路結(jié)構(gòu)：采用晶閘管反并聯(lián)供電方式，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行和制動(dòng)運(yùn)行方式。正轉(zhuǎn)：晶閘管1-6工作；反轉(zhuǎn)：晶閘管1,４和7-10工

36、作，提供逆相序電源；,采用晶閘管反并聯(lián)的異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路,可逆和制動(dòng)控制電路,制動(dòng)：根據(jù)制動(dòng)電路的要求選擇某幾個(gè)晶閘管不對(duì)稱地工作，例如讓 1，2，6 三個(gè)器件導(dǎo)通，其余均關(guān)斷，就可使定子繞組中流過(guò)半波直流電流，對(duì)旋轉(zhuǎn)著的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)作用。,48,1.4.3 異步電動(dòng)機(jī)改變電壓時(shí)的機(jī)械特性,根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：(1) 忽略空間和時(shí)間諧波； (2)忽略磁飽和； (3)忽略鐵損。則異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如下所

37、示：,,異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路,49,參數(shù)定義,Rs、Rr′ —定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr′ —定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感；Lm—定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵(lì)磁電感；Us、?1 —定子相電壓和供電角頻率； s —轉(zhuǎn)差率。,50,,,電流公式,由圖可以導(dǎo)

38、出,,,,其中,當(dāng)勵(lì)磁電感大于定子漏感(Lm>>L1s)，即忽略鐵損和勵(lì)磁電流時(shí), C1 ? 1,51,電流公式可簡(jiǎn)化成:,,,,,,,52,,上式就是異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。結(jié)論:　當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。 不同電壓下的機(jī)械特性如下圖所示。,圖1-4 異步電動(dòng)機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性,結(jié)論:變壓調(diào)速適合于風(fēng)機(jī)類負(fù)載,因調(diào)速范圍較大。,,,,Te,0,n,,n0,TL,UsN,0.7UsN

39、,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,1,s,53,,最大轉(zhuǎn)矩公式:,將式Te表達(dá)式對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩：,,與定子電壓無(wú)關(guān),54,由圖1-4可見(jiàn)，如果帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，則工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍較大一些。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，普通籠型異步電機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為 A、B、C，轉(zhuǎn)差率 s 的變化范圍不超過(guò) 0 ~ sm ，調(diào)速范圍有限或很小。

40、 如果使電機(jī)運(yùn)行在s>=sm的低速段,系統(tǒng)運(yùn)行可能不穩(wěn)定，另外轉(zhuǎn)速降低后，s將增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)差功率增大，轉(zhuǎn)子電阻降低，引起轉(zhuǎn)子電流增大，因過(guò)熱而損壞電機(jī)。,為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)速范圍，并使電機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過(guò)熱，就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，即籠型轉(zhuǎn)子采用高電阻率材料（用黃銅代替鑄鋁）這樣的電機(jī)在變電壓時(shí)的機(jī)械特性繪于圖1-5。 顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的變壓調(diào)速范圍增大了

41、，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機(jī)，這種電機(jī)又稱作交流力矩電機(jī)。,55,交流力矩電機(jī)的機(jī)械特性,,,,,,UsN,0.7UsN,A,B,C,0.5UsN,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,圖1-5 高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（交流力矩電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性,56,普通異步電機(jī)的變電壓調(diào)速特點(diǎn)（開(kāi)環(huán)控制）：調(diào)速范圍很窄，機(jī)械特性較硬，低轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率增大，轉(zhuǎn)子電流增大，電機(jī)可能過(guò)熱．　高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電機(jī)特點(diǎn)（開(kāi)環(huán)控制） ：可以增大調(diào)速范圍，但機(jī)械特性變軟，當(dāng)負(fù)載

42、變化時(shí)轉(zhuǎn)速靜差率很大（見(jiàn)圖1-5），開(kāi)環(huán)控制很難解決這個(gè)矛盾。 為解決上述問(wèn)題，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，要求調(diào)速范圍D大于2時(shí)，在低速時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的調(diào)速精度(靜差率低)，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖1-6a）?！　￠]環(huán)控制可以擴(kuò)大調(diào)速范圍．,1.4.4 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性,(1) 為什么采用閉環(huán)控制,57,1. 系統(tǒng)組成,圖1-6 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng),ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

43、GT-觸發(fā)裝置TVC-雙向晶閘管 調(diào)壓器TG-測(cè)速發(fā)電機(jī)ASR 輸出電壓控制GT輸出的觸發(fā)角脈沖的相位。,(2) 系統(tǒng)組成,58,,(3) 系統(tǒng)靜特性,,圖1-6b 閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,給定電壓為:TL增加使轉(zhuǎn)速下降時(shí)，使Un增大，從而轉(zhuǎn)速不變；TL減小使轉(zhuǎn)速增大時(shí)，使Un降低，使轉(zhuǎn)速不變；,,直線A’’、A、A’為閉環(huán)系統(tǒng)在給定電壓下的靜特性。改變給定電壓 ，則靜特性上下平行移

44、動(dòng)，達(dá)到調(diào)速的目的。,59,,,,,,盡管異步力矩電機(jī)的機(jī)械特性很軟，但由系統(tǒng)放大系數(shù)決定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性卻可以很硬。 如果采用PI調(diào)節(jié)器，照樣可以做到無(wú)靜差。由于靜特性具有一定的硬度，它既可以保證電機(jī)在低速下穩(wěn)定運(yùn)行，提高了調(diào)速的精度，也擴(kuò)大了調(diào)速范圍，一般可達(dá)10：1。,異步電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的地方是：靜特性左右兩邊都有極限，不能無(wú)限延長(zhǎng)，它們是額定電壓 UsN 下的機(jī)械特性和最小輸出電

45、壓Usmin下的機(jī)械特性。 當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點(diǎn)只能沿著極限開(kāi)環(huán)特性變化。,(4) 閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn),60,調(diào)壓調(diào)速總結(jié)：?　依據(jù)：電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比；?　開(kāi)環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載存在的問(wèn)題：調(diào)速范圍??；?　交流力矩電動(dòng)機(jī)：可增加調(diào)速范圍，但存在靜差；?　解決辦法：采用閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)，無(wú)靜差，調(diào)速范圍可達(dá)10:1。?　閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)靜

46、特性：存在極限；額定電壓下機(jī)械特性和最小輸出電壓下的機(jī)械特性。,61,內(nèi)容提要,1.5.1 引言1.5.2 異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理1.5.3 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用1.5.4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,*1.5　異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速原理簡(jiǎn)介,62,1.5.1 引 言,轉(zhuǎn)差功率問(wèn)題 轉(zhuǎn)差功率始終是人們?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)約電能是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要目的之一，而如何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響

47、著調(diào)速系統(tǒng)的效率?！“崔D(zhuǎn)差功率的處理方式，交流調(diào)速系統(tǒng)可分為三種類型。,（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型——異步電機(jī)采用調(diào)壓控制等調(diào)速方式，轉(zhuǎn)速越低時(shí)，轉(zhuǎn)差功率的消耗越大，效率越低；但這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以有一定的應(yīng)用價(jià)值。 （2）轉(zhuǎn)差功率不變型——變頻調(diào)速方法轉(zhuǎn)差功率很小，而且不隨轉(zhuǎn)速變化，效率較高；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。,（3）轉(zhuǎn)差功率饋送型——控制繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子

48、電壓，利用其轉(zhuǎn)差功率并達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，這種調(diào)節(jié)方式具有良好的調(diào)速性能和效率；但要增加一些設(shè)備。 　本節(jié)將討論轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速方法，即串級(jí)調(diào)速。,63,適用電機(jī)類型：繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉(zhuǎn)差功率可以分別向定子和轉(zhuǎn)子饋入，也可以從定子或轉(zhuǎn)子輸出，故稱作雙饋電機(jī)。,1.5.2 異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理,要利用轉(zhuǎn)差功率，就必須使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯

49、然籠型電動(dòng)機(jī)難以勝任，只有繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)才能做到。,(1) 電機(jī)類型,64,(2) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,根據(jù)電機(jī)理論，改變轉(zhuǎn)子電路的串接電阻，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的原理如圖所示，調(diào)速過(guò)程中，轉(zhuǎn)差功率完全消耗在轉(zhuǎn)子電阻上。,65,(3) 雙饋調(diào)速的概念和結(jié)構(gòu),所謂“雙饋”，就是指把繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組與交流電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組與其他含電動(dòng)勢(shì)的電路相連接，使它們可以進(jìn)行電功率的相互傳遞。

50、 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，則要視電機(jī)的工況而定。,66,雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu),如上圖所示，在雙饋調(diào)速工作時(shí)，除了電機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外，轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電網(wǎng)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)。,TI：　逆變變壓器,67,(4) 功率變換單元,由于轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與電流的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，即 f2 = s f1 ，因此必須通過(guò)功率變換單元（P

51、ower Converter Unit—CU）對(duì)不同頻率的電功率進(jìn)行電能變換。 對(duì)于雙饋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，CU應(yīng)該由雙向變頻器構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳遞。從功率傳送的角度看，串級(jí)調(diào)速是用控制異步電動(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)速的控制。,68,(5) 雙饋調(diào)速的功率傳輸,（a）轉(zhuǎn)差功率輸出狀態(tài),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；,6

52、9,（b）轉(zhuǎn)差功率輸入狀態(tài),當(dāng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它被拖著運(yùn)轉(zhuǎn)，從軸上輸入機(jī)械功率，經(jīng)機(jī)電能量變換后以電功率的形式從定子側(cè)輸出（饋出）到電網(wǎng)。,70,1.5.3 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用,(1) 異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為,,,,式中 s — 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； Er0 — 繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的相電動(dòng)勢(shì)，或稱轉(zhuǎn)子開(kāi)路電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。,(2) 轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為,式中

53、 Rr — 轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； Xr0 — s = 1時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。,71,(3) 轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)及其作用,,,,,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖,,附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)有相同的頻率，可同相或反相串接。,,外接附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式,72,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用條件：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，Ir 不變,(a) Er 與 Eadd 同相當(dāng) Eadd ?,使得,直到：,73,當(dāng) Eadd ?

54、,,,,轉(zhuǎn)速下降；,使得,(b) Er 與 Eadd反相 同理可知，若串入反相的附加電動(dòng)勢(shì)，則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。 結(jié)論：在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(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)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。,時(shí)便進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。,直到,74,(4) 異步電機(jī)的功率關(guān)系及五種工況,忽略機(jī)械損耗和雜散損耗時(shí)，異步電機(jī)在任何工況下的功率關(guān)系都可寫(xiě)作,（３-4）,式中 Pm —從電機(jī)定子傳入轉(zhuǎn)子（或由轉(zhuǎn)子傳出給定子）　　

55、　的電磁功率； sPm —輸入或輸出轉(zhuǎn)子電路的功率，即轉(zhuǎn)差功率； (1-s)Pm —電機(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)極性和大小的不同， s 和 Pm 都可正可負(fù)，因而可以有以下五種不同的工作情況。,75,異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況,電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行---串級(jí)調(diào)速電機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下

56、作回饋制動(dòng)運(yùn)行,76,電機(jī)在次 (低) 同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行,工作條件： 原來(lái)轉(zhuǎn)子短路，不接反電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 然后轉(zhuǎn)子側(cè)每相加上與 Er0 反相的附加電動(dòng)勢(shì) -Eadd（Eadd 0,輸出機(jī)械功率：P2=(1-s)Pm>0轉(zhuǎn)差功率：Ps=sPm>0,,,,77,功率流程,,,,,,,,,,,,,78,(1) 基本思路 如前所述，在異步電機(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

57、側(cè)串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？ 對(duì)于只用于次同步電動(dòng)狀態(tài)的情況來(lái)說(shuō)，比較方便的辦法是將轉(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)都方便多了。,1.5.4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,79,(2) 對(duì)直流附加電動(dòng)勢(shì)的技

58、術(shù)要求,首先，它應(yīng)該是可平滑調(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。,(3) 系統(tǒng)方案,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 (有源逆變器) 作為產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的電源。 按照上述原理組成的異步電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上稱之為電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)（或稱S

59、cherbius系統(tǒng)）。,80,雙饋調(diào)速：轉(zhuǎn)子回路中串交流電勢(shì)的調(diào)速叫雙饋調(diào)速串級(jí)調(diào)速：轉(zhuǎn)子回路中串直流電勢(shì)的調(diào)速叫串級(jí)調(diào)速?！〈?jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成：繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)、三相橋式二極管整流器、三相橋式晶閘管有源逆變器、逆變變壓器、濾波電抗器等?！『诵牟糠质怯性茨孀兤骱娃D(zhuǎn)子整流器。 串級(jí)調(diào)速的基本能量關(guān)系：是串入附加電動(dòng)勢(shì)，吸收轉(zhuǎn)子降速引起的轉(zhuǎn)差功率，并將吸收的功率回饋電網(wǎng)?！∠到y(tǒng)組成見(jiàn)下頁(yè)。,81,電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,

60、(4) 系統(tǒng)組成,ＵT2,轉(zhuǎn)子整流器,有源逆變器,,,82,功率變換單元,UR — 三相不可控整流裝置(轉(zhuǎn)子整流器），將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì) sEr0 整流為直流電壓 Ud 。UI — 三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)（有源逆變器）。其功能如下：　a) 可提供可調(diào)的直流電壓 Ui ，作為電機(jī)調(diào)速所需的附 加直流電動(dòng)勢(shì)；　b) 可將轉(zhuǎn)差功率變換成交流功率，回饋到交流電網(wǎng)。,,轉(zhuǎn)子直流回路電壓方程：,（３-５）,β為工作在逆變狀

61、態(tài)的可控整流裝置UI的逆變角，R為轉(zhuǎn)子直流回路總電阻。 可見(jiàn)，轉(zhuǎn)差率s與Id和β有確定的關(guān)系。,83,,,,(5) 工作原理分析,（a）起動(dòng)起動(dòng)條件 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)而言，起動(dòng)應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)子電流 Ir 或足夠大的整流后直流電流 Id ，為此，轉(zhuǎn)子整流電壓 Ud 與逆變電壓 Ui 間應(yīng)有較大的差值。,控制逆變角 ? ，使在起動(dòng)開(kāi)始的瞬間，Ud與 Ui 的差值能產(chǎn)生足夠大的 Id ，以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過(guò)允

62、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)。隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大 ? 角以減小值 Ui ，從而維持加速過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定 。,起動(dòng)控制（啟動(dòng)時(shí)s=1, 加速后n增加，s降低）,84,（b）調(diào)速調(diào)速原理：通過(guò)改變 ? 角的大小調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速過(guò)程：,同理減小 ? 角時(shí)可使電動(dòng)機(jī)在降低了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。,直到：系統(tǒng)穩(wěn)定。,85,結(jié) 論：,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 ? 實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能把

63、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。,（c） 停車 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有制動(dòng)停車功能。由于轉(zhuǎn)子連接的是不可控的整流裝置，因此不可能向轉(zhuǎn)子輸入電功率，只能靠減小 ? 角逐漸減速，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。,86,(6) 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率分析,,,,,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,87,a) 串級(jí)調(diào)速系

64、統(tǒng)功率流程,在串級(jí)調(diào)速時(shí)，Ps未被全部消耗掉，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，通過(guò)轉(zhuǎn)子整流器與有源逆變器返回電網(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 。,,電磁功率轉(zhuǎn)差功率機(jī)械功率,88,b) 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率及比較,串級(jí)調(diào)速系統(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

65、； ptan 附加的串級(jí)調(diào)速傳動(dòng)(tandem drive)裝置損耗 。,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，上式分子和分母中的 Pm(1-s) 項(xiàng)隨著 s 的增大而同時(shí)減少，對(duì) ηsch 值的影響并不太大。忽略各種損耗時(shí)效率達(dá)100%。,89,轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率,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

66、的變化和串級(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。,轉(zhuǎn)子銅耗,雜散損耗,90,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。,,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,,91,思考題,1 按能量轉(zhuǎn)換的角度分類