电力拖动自动系统第讲.ppt

第三十四讲,要求：1.掌握异步电动机串级调速机械特性方程 式分析方法； 2.了解串级调速系统技术经济指标种类及 功率因素改善方法； 3.了解斩波控制的串级调速系统工作原理 4.掌握串级调速装置的电压与容量计算方 法； 5.了解串级调速系统双闭环控制的结构；,7.3.3 异步电动机串级调速机械 特性方程式 1、电路结构 由串级调速系统主电路接线图（当整流器和逆变器都为三相桥式电路时）和相应的等效电路，可得图710；,图710 串级调速系统 a）主电路b）等效电路,2、系统的稳态电路方程 考虑到电动机转子与逆变变压器的电阻和换相重叠压降后： 转子整流电路的输出电压为： (7-11),逆变器直流侧电压 (7-12),电压平衡方程 UdUiIdRL (7-13) 以上三式中，RL直流平波电抗器的电阻； XT折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗， RT折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻， 。,3、转差率与转速方程 解式（711）式（713），可以得到用转差率表示的方程式 (7-14),转速特性方程 将s=(n0n)/n0代入上式，得到串级调速时的转速特性为 (7-15),如令p=0，则式（7-15）就表示系统在第一工作区的转速特性。 分析式（7-15）可以看出，等号右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压 U=2.34(Er0cos p UT2cos) （7-16）,第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作IdR，而分母则是转子整流器的输出电压。如借用直流电动机的概念和有关算式，引入电动势系数CE，使 (7-17),转速特性方程的直观形式 则式（7-15）可改写成 其中， ，,注意： 在直流调速系统中，电动势系数Ce是常数，但在串级调速系统中，CE是负载电流的函数，它是使转速特性成为非线性的重要因素，故两个符号的下角不同，以示区别。,两种转速特性的比较 A.式（7-18）表明，异步电动机串级调速系统与直流它励电动机的转速特性在形式上完全相同，改变电压即可得到一族平行移动的调速特性。,B在直流调速系统中，须直接改变电压U；而在异步电动机串级调速系统中，它是通过改变式（7-16）第二项中的控制角来实现的。,在串级调速系统中总电阻R较大，系统的调速特性较软；对于p0的第二工作区，计及p的影响，在同一逆变角下的电压更小，相当于也发生变化，因而调速特性更软。,4、电磁转矩方程 转差功率 可以从转子整流电路的功率传递关系入手，暂且忽略转子铜耗，则转子整流器的输出功率就是电动机的转差功率,电磁转矩公式 电磁功率PmPs/s，因此电磁转矩为 （7-19） 式中0 理想空载机械角转速rad/s ； CM 串级调速系统的转矩系数，,因为， ，故它也是电流Id的函数。 与式（7-17）的电动势系数CE相比可知， CM和CE对Id的关系是一样的。 由于0=2pn0/60，所以 （7-20） 可见，CM和CE的关系与直流他励电动机中 Cm和Ce的关系完全一致。,5、串级调速的机械特性方程 当串级调速系统在第一工作区运行时， p=0 ，代入式（7-19），再令 ，可求出电磁转矩的计算最大值Telm，经过适当的数学推导，得第一工作区的机械特性方程式：,第一工作区的机械特性方程式 (7-21) 式中s1m=s1ms10在给定值下，从理想空载到计算最大转矩点的转差率增量； s1=ss10在相应值下，由负载引起的转差率增量； s10 相应值下的理想空载转差率；,s1m 对应于计算最大转矩Telm的临界转差率： Telm 系统在第一工作区的“计算最大转矩”。,(7-22),由于在异步电动机串级调速时，负载增大到一定程度，必然会出现转子整流器的强迫延迟换相现象，也就是说，系统必然会进入第二工作区。 而Telm是在p=0的条件下由式（7-19）求得的，它只表示若系统能继续保持第一工作状态将会达到的最大转矩。,第二工作区的机械特性方程式 式中s2m=s2ms20 计及强迫延时换相，对应于某一p值时的转差率增量； s2=ss20在给定与p值下，由负载引起的转差率增量;,s20相应与p值下的理想空载转差率： 而,(7-24),注意：在用式（7-23）计算第二工作区的一段机械特性时，等号左边分母中仍用，这是为了使第一、二工作区的机械特性计算公式尽量一致，不要误解为第二工作区的最大转矩就是，它具有另外一个最大转矩。,几种最大转矩的关系和计算 从异步电动机的铭牌数据可计算出额定转矩和正常运行时的最大转矩。 对串级调速系统来说，有实用意义的是第一工作区的计算最大转矩Telm和第二工作区真正的最大转矩Te2m（可证明， Te2m对应于 p=15）。还有第一、二工作区交界的转矩值，称作交接转矩Te1-2。,按照上面的推导，可得 式（7-26）说明，异步电动机串级调速时所能产生的最大转矩比正常接线时减少了17.3%，这在选用电机时必须注意。,(7-25),(7-27),(7-26),另外，由式（7-27）可知，Te1-2=0.716Tem，而异步电动机的转矩过载能力一般大于2，即Tem2TeN，所以当电动机在额定负载下工作时，还是处于第一工作区。,图7-11 异步电动机串级调速时的机械特性,7.4 串级调速系统的技术 经济指标及其提高方案 *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,1、串级调速系统功率流程 在串级调速时（图7-12a），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 。,2、串级调速系统效率及比较 串级调速系统的总效率 式中p是异步电动机定子和转子内的总损耗； ptan是附加的串级调速传动(tandem drive)装置损耗；,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）分子和分母中的项随着的增大而同时减少，对值的影响并不太大。,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(1s)项随s 的变化和串级调速时一样，而所串电阻越大时，越大，也越大，因而效率越低，几乎是随着转速的降低而成比例地减少。,效率的比较 A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。 B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,的比较,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：,1)异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；,2)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；,3)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。,1、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），,因此，串级调速系统总功率因数可用下式表示： (7-29) 式中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。,2、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。,3）对于宽调速的串级调速系统，随着转差率的增大，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。,*7.4.3 斩波控制的串级调速系统 1、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.,2、系统组成 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。,图7-14 斩波控制串级调速系统原理图,系统中斩波器CH工作在开关状态，其工作原理和功率因数如下分析。 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 即可调节平均电动势的大小，从而调节异步电动机的转速。,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,3）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： ，因此 （7-30） 式中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。,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绘出了带恒转矩负载的斩波控制串级调速系统在不同转差率下的功率因数,图7-16 两种串级调速系统的功率因数比较,*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。,1、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和所拖动的负载IrN； 电压定额则决定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， 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 n0min=nsyn (1-s0max)， （7-31） 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。,2、逆变变压器的容量 逆变变压器的二次侧相电压 （7-32） 逆变变压器的容量计算 (7-33),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。,7.5.1 双闭环控制串级调速系统的 组成 1 系统结构,图7-17 双闭环控制的串级调速系统,2、控制环节说明 图7-17所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。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