（电气工程专业论文）内反馈串级调速系统的研究及应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 众所周知， 风机、 水泵调速运行的节电效果是非常明显的， 平均在3 0 % 左右。 目 前交流调速应用大多是变频调速，但高压变频调速系统由于技术、谐波污染等 问题。在实际应用中受到了一定的限制。对于风机和水泵的调速，绕线电机串级 调速是其中方案之一，它把调速装置从定子改至转子，既避免了高电压，又减少 了调速装置的容量。在分析了传统串级调速系统存在问题的基础上，本文介绍了 一种改进的串 级调速系统即内反馈串级调速系统。 通过对各种控制方式的分析比 较， 阐明了各自的优缺点， 并就装置在发电厂辅机拖动中的 应用情况进行了说明。 最后利用m a t l a b的s i m u l i n k工具搭建了一 个内 反馈串 级调速电 机的 模型， 并对其进行了仿真分析，仿真结果进一步验证了 通过改变串入转子绕组的附加电 势可以改变电机转速。 关键词:内反馈，电机，调速，应用 abs tract i t i s w e l l - k n o w n , s p e e d g o v e rn o r o p e r a t i o n h a s m o r e r e m a r k a b l e e n e r g y - s a v i n g e f f e c t f o r f a n s a n d w a t e r p u m p s , i t i s p e r c e n t o f 3 0 .v a r i a b l e f r e q u e n c y a d j u s t i n g s p e e d i s a p p l i e d i n p r e s e n t ， b u t i t i s d i f f i c u l t t o b e a c c e p t e d f o r t e c h n i q u e , c o s t a n d h a r m o n i c . i t i s o n e o f t h e s c h e m e s i s t h a t c a s c a d e a d j u s t i n g s p e e d s y s t e m i s a p p l i e d o n f a n s a n d p u m p s . t h e a d j u s t a b l e s p e e d d e v i c e i s m o v e d fr o m s t a t o r t o r o t o r , t h e v o lt a g e o f t h e d e v i c e w i l l b e l o w i n s t e a d o f m e d i u m a n d d e v i c e c a p a c i t y w i l l d e c r e a s e . b a s e d o n d i s c u s s i n g t h e p r o b l e m s o f t r a d i t i o n a l c a s c a d e a d j u s t i n g s p e e d s y s t e m , t h i s p a p e r p r e s e n t s a i m p r o v e d c a s c a d e a d j u s t i n g s p e e d s y s t e m， i .e , i n t e rn a l - f e e d b a c k c a s c a d e a d j u s t in g s p e e d s y s t e m . i t r e v e a l s m e r i t s a n d f a u l t s b y c o m p a r a t i v e a n a l y s i s s e v e r a l c o n t r o l m o d e a n d p r e s e n t s p r a c t i c a l i t i e s o f t h e h i g h p o w e r m o t o r d r i v e i n t h e p o w e r p l a n t . a t l a s t m o d e l o f i n t e rn a l - f e e d b a c k c a s c a d e s p e e d - a d j u s t i n g m o t o r i s s e t u p b y t h e to o l s o f m a t l a b s i m u l i n k t h e r e s u l t o f s i m u l a t i o n e x p l a i n s t h a t r o t a t i o n a l s p e e d c a n c h a n g e b y v a r y i n g a d d i t i o n a l v o l t a g e o f r o t o r z h a o z h o n g s h e n g ( p o w e r p l a n t e l e c t r i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . h a n mi n x i a o k e ywo r d s : i n t e rn a l - f e e d b a c k , c a s c a d e ， s p e e d - a d j u s t i n g , r e s e a r c h 华北电力大学 二士二 尸 ( 北京) 明 本 人 郑 重 声明 : 此处 所 提交的 硕士 学 位 论 文 内反馈串级调速系统的研究及 应用 ， 是本人在华北电 力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的 研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件:学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文: 同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作 者 :夕,导 师 : l i 存在滑差损失;若电磁滑差离合器发生故障，必须停机处理;因电磁滑 差离合器装在电机与负载之间，轴长度大，安装不便。 2 ) . 液力偶合器调速 它是由恒速电机、液力偶合器组成，液力偶合器安装在恒速电机和负载中间， 它是以液体为介质、靠液体动量矩的变化传递能量的装置，通过调节液力偶合器内 的油压以改变液力偶合器的转差来实现调速的。 优点:调速范围大、调速平滑、无谐波污染、装置结构及控制线路简单、 运行可靠、 维护方便。 缺点:低效耗能型调速;存在滑差损失;因液力偶合器装在电机和负载之间，轴长 度大，安装不便;若液力偶合器发生故障必须停机处理。 3) 、变级调速 是通过改变电机定子绕组的接线方式以改变鼠笼型三相异步电动机的级对数 以改变电机的转速来实现调速的。 优点:具有较硬的机械特性、稳定性好、无转差损耗、效率高、接线简单、控制方 便、成本低廉。 缺点:有级调速，级差较大，不能获得平滑调速;操作时，要在定子边用高压开关 进行切换，若操作失误，将造成严重事故;变级电机需要进行特殊设计，定子接线 复杂，电机的基本尺寸要放大，其价格为一般同容量电机的2 . 2 - 2 . 4 倍。 4 ) 、变频调速 是通过电力半导体器件改变电动机定子绕组所接电源的频率来实现调速的。 优点:高效调速;调速范围大，一般可从0 - 1 0 0 %转速;调节精度高，可达 1 %:可 实现软启动。 缺点:变频调速器的容量要大于所要调速的电动机的容量;在高中压大容量变频系 统中需要增加一台多绕组变压器，增加了设备成本，加大了变频系统的损耗;设备 一次性投资大，国外产品大约是内反馈串级调速系统价格的3 倍以_ 匕 国内产品是 内反馈串级调速系统价格的1 至2 倍;变频器是对电机定子边进行调节，电压高， 操作要求高，维护复杂;变频器本身对环境要求较高，一般需安装在无尘且有空调 的封闭房间内;若变频器发生故障，必须停机处理。 4 - 5 3 华北电力大学工程硕十学位论文正文 5) 、外反馈串级调速 ( 传统串级调速) 对于绕线式三相异步电动机调速的基本原理是从其转子绕组处取出能量的多少以 改变电动机转差率来实现调速的。 可分为:转子串电阻调速; 转子串附加电势调速: 而转子串附加电势调速又可分为: 外反馈串级调速，即传统串级调速; 内反馈串级调速: 外反馈串级调速 ( 传统串级调速) 它是将绕线式三相异步电动机部分转子能量取出以改变电动机转差率来实现调速， 同时将取出的部分能量经变换后通过逆变变压器、高压开关柜回馈大控制系统之外 的高压电源侧，因此称为外反馈串级调速。 优点:调速效率高;若装置故障时，可切换至全速运行，避免停产;装置容量与调 速范围成正比，对于调速范围要求不高的风机、水泵来说，装置容量较小，投资较 省。 缺点;存在逆变变压器和向电网馈电的高压开关柜，体积大，成本高，设备维护量 大;功率因数较低;谐波污染大。 6 ) 、 内反馈串级电机调速 优点:具有传统串级调速的全部优点。即:调速效率高;调速装置容量与调速 范围成正比;若装置故障时，可切换至全速运行，避免停产;由于没有逆变变压器 和向电网馈电所需的高压操作柜，使整个系统的投资更少，体积更小;由于调节绕 组的分布作用和短距作用，可有效地抑制谐波污染;由于在调节绕组侧增设了内补 偿装置，可大大提高功率因数;由于能量反馈给电机本身再利用，而不是通过逆变 变压器反馈给电网能量循环路径短，而且没有变压器损耗，因此调速效率高，相同 容量的内反馈串级调速电机系统与变频调速相比成本仅为其的1 / 3 到1 / 2 ， 特别在中 高压系统中，价格优势更加明显。 缺点:调速精度与传统串级调速相当 ( -3 %)不及变频调速 ( -1 %) ;调速范围不 能太大，若增大调速范围，将使系统成本增加。 下面 ( 图1 - 1 )是内反馈串级调速系统简图: 华北电力大学工程硕士学位论文正文 匕下山一es 尸一 尹 侧 c3 ci y f n 韶 行 图1 - 1内反馈串级调速系统简图 内反馈串级调速电机以其高的性价比， 高的调速效率及较好的调速效果， 近几 年在我国逐步开始广泛应用。 盘锦辽河化工 ( 集团)有限责任公司动力分厂于 1 9 9 5 年 1 1 月采用内反馈串级 调速电机系统对一车间配水场 4 # 水泵电机成功进行了高速调速节能改造， 将原来电 机j s 1 4 8 - 4 ( 4 4 0 k w, 6 k v) 改为内反馈串级调速电机j r n t 1 4 8 - 4 ( 4 4 0 k w, 6 k v) , 其安装尺寸相同，不用改变电机基础，原电缆和高压开关柜仍可使用。实际运行数 据表明，节能效果显著，年节电1 7 8 . 6 万k wh o 包头第一热电厂在 2 0 0 1 年 1 0 月对供热站# 2 ( 6 8 0 k w, 3 k v)供水泵电机成功进行 了内反馈串级调速系统改造。 1 . 4本论文的主要工作 1 ) 、 内反馈串级调速系统理论分析 ( 1 ) 、首先对绕线式感应电动机原理进行阐述，进而对外反馈串级调速电机进行理 论分析，最后对内反馈串级调速电机进行详细的理论分析及研究。 ( 2 ) 、 对内反馈串级调速系统的变换理及控制理论进行研究，同时分析、研究其 实现方案。 2 ) 、利用m a t l a b的s i m u l i n k搭建内反馈串级调速电机的模型， 对相关的问题 进行分析。 3 ) 、 结合本厂已安装的内反馈串级调速电机的实际，对运行中的内反馈串级调速 系统进行实际m试，分析测试数据。 4 ) 、通过对内反馈串级调速系统的研究，争取得到更优化的内反馈串级调速的控制 结构，在此基础上 形成更好的算法。在论文写作过程中，争取在公开期c l1 上发表- 篇有关内反馈串级调速的文章。 华北电力大学工程硕士学位论文正文 匕下山一es 尸一 尹 侧 c3 ci y f n 韶 行 图1 - 1内反馈串级调速系统简图 内反馈串级调速电机以其高的性价比， 高的调速效率及较好的调速效果， 近几 年在我国逐步开始广泛应用。 盘锦辽河化工 ( 集团)有限责任公司动力分厂于 1 9 9 5 年 1 1 月采用内反馈串级 调速电机系统对一车间配水场 4 # 水泵电机成功进行了高速调速节能改造， 将原来电 机j s 1 4 8 - 4 ( 4 4 0 k w, 6 k v) 改为内反馈串级调速电机j r n t 1 4 8 - 4 ( 4 4 0 k w, 6 k v) , 其安装尺寸相同，不用改变电机基础，原电缆和高压开关柜仍可使用。实际运行数 据表明，节能效果显著，年节电1 7 8 . 6 万k wh o 包头第一热电厂在 2 0 0 1 年 1 0 月对供热站# 2 ( 6 8 0 k w, 3 k v)供水泵电机成功进行 了内反馈串级调速系统改造。 1 . 4本论文的主要工作 1 ) 、 内反馈串级调速系统理论分析 ( 1 ) 、首先对绕线式感应电动机原理进行阐述，进而对外反馈串级调速电机进行理 论分析，最后对内反馈串级调速电机进行详细的理论分析及研究。 ( 2 ) 、 对内反馈串级调速系统的变换理及控制理论进行研究，同时分析、研究其 实现方案。 2 ) 、利用m a t l a b的s i m u l i n k搭建内反馈串级调速电机的模型， 对相关的问题 进行分析。 3 ) 、 结合本厂已安装的内反馈串级调速电机的实际，对运行中的内反馈串级调速 系统进行实际m试，分析测试数据。 4 ) 、通过对内反馈串级调速系统的研究，争取得到更优化的内反馈串级调速的控制 结构，在此基础上 形成更好的算法。在论文写作过程中，争取在公开期c l1 上发表- 篇有关内反馈串级调速的文章。 华北电力大学工程硕士学位论文正文 5 ) 、工作进度安排: 2 0 0 4 年 5月一6月 2 0 0 4 年 7月8 月 2 0 0 4 年 9月 2 0 0 4 年 1 0月1 2 月 2 0 0 5 年 1 月4月 2 0 0 5 年 5月 2 0 0 5 年 6月 文献阅读 科研调研 选题报告 实验测试 理论分析 文字总结 论文答辩 第二章 绕线转子异步电动机串级调速系统 2 . 1 串级调速的原理及分类 2 . 1 . 1 串级调速原理 灯一 一 油 绕线转子异步电动机转子回路串 电阻一相的等效电路如图2 - l a 所示。 在转子回路串入电阻 r n瞬间，转速 来不及变化，转差率 5 不变，转子电 动势 s e 2不变 ( e 2为转子开路电动 一。_ r ,- 一 一 _ a ) 、 、 _ _ 引 图2 - 1 a ) 转子串电阻 b b ) 串级调节 势) ，1 2减小，转矩减小，使系统减速，s , s e 2 , 1 2增大，直到电磁转矩 t与负载 转矩 t l相等，电动机稳定运行于较低的转速下。如果不串 r。 而串入一个和 s e 2 频率相同、相位相反的附加电动势 e f ，如图2 - l b 所示，e f 的作用恰好和 r 。上的 电压降作用相当，各物理量变化情况也与串入电阻r 。时相同，此时 s e 2 一 e f 2 - 1 ) 考虑到电动机正常运转时，s 很小，r 2 ;s x 2 ，忽略式中的 sx2 ，则在负载不变 时，s x 2 - e r 、常数，可见改变附加电动势即可改变转差率s ，从而达到调速的目的。 另外，从转差功率p s 与电磁功率p e 的关系分析，也可得到同样的结论。 ，. 只一 吧= 斌r 2 十 3 1 , e f w 3 7 2 乓 3 h _ s = 一 七 r pe 可见串级调速本质是利用改变e f , 即 s -e f 即改变转差功率p s 的大小来改变转差率5 ， 华北电力大学工程硕士学位论文正文 5 ) 、工作进度安排: 2 0 0 4 年 5月一6月 2 0 0 4 年 7月8 月 2 0 0 4 年 9月 2 0 0 4 年 1 0月1 2 月 2 0 0 5 年 1 月4月 2 0 0 5 年 5月 2 0 0 5 年 6月 文献阅读 科研调研 选题报告 实验测试 理论分析 文字总结 论文答辩 第二章 绕线转子异步电动机串级调速系统 2 . 1 串级调速的原理及分类 2 . 1 . 1 串级调速原理 灯一 一 油 绕线转子异步电动机转子回路串 电阻一相的等效电路如图2 - l a 所示。 在转子回路串入电阻 r n瞬间，转速 来不及变化，转差率 5 不变，转子电 动势 s e 2不变 ( e 2为转子开路电动 一。_ r ,- 一 一 _ a ) 、 、 _ _ 引 图2 - 1 a ) 转子串电阻 b b ) 串级调节 势) ，1 2减小，转矩减小，使系统减速，s , s e 2 , 1 2增大，直到电磁转矩 t与负载 转矩 t l相等，电动机稳定运行于较低的转速下。如果不串 r。 而串入一个和 s e 2 频率相同、相位相反的附加电动势 e f ，如图2 - l b 所示，e f 的作用恰好和 r 。上的 电压降作用相当，各物理量变化情况也与串入电阻r 。时相同，此时 s e 2 一 e f 2 - 1 ) 考虑到电动机正常运转时，s 很小，r 2 ;s x 2 ，忽略式中的 sx2 ，则在负载不变 时，s x 2 - e r 、常数，可见改变附加电动势即可改变转差率s ，从而达到调速的目的。 另外，从转差功率p s 与电磁功率p e 的关系分析，也可得到同样的结论。 ，. 只一 吧= 斌r 2 十 3 1 , e f w 3 7 2 乓 3 h _ s = 一 七 r pe 可见串级调速本质是利用改变e f , 即 s -e f 即改变转差功率p s 的大小来改变转差率5 ， 华北电力大学工程硕士学位论文正文 5 ) 、工作进度安排: 2 0 0 4 年 5月一6月 2 0 0 4 年 7月8 月 2 0 0 4 年 9月 2 0 0 4 年 1 0月1 2 月 2 0 0 5 年 1 月4月 2 0 0 5 年 5月 2 0 0 5 年 6月 文献阅读 科研调研 选题报告 实验测试 理论分析 文字总结 论文答辩 第二章 绕线转子异步电动机串级调速系统 2 . 1 串级调速的原理及分类 2 . 1 . 1 串级调速原理 灯一 一 油 绕线转子异步电动机转子回路串 电阻一相的等效电路如图2 - l a 所示。 在转子回路串入电阻 r n瞬间，转速 来不及变化，转差率 5 不变，转子电 动势 s e 2不变 ( e 2为转子开路电动 一。_ r ,- 一 一 _ a ) 、 、 _ _ 引 图2 - 1 a ) 转子串电阻 b b ) 串级调节 势) ，1 2减小，转矩减小，使系统减速，s , s e 2 , 1 2增大，直到电磁转矩 t与负载 转矩 t l相等，电动机稳定运行于较低的转速下。如果不串 r。 而串入一个和 s e 2 频率相同、相位相反的附加电动势 e f ，如图2 - l b 所示，e f 的作用恰好和 r 。上的 电压降作用相当，各物理量变化情况也与串入电阻r 。时相同，此时 s e 2 一 e f u i 时，直流回路有电流 i d , 整流器输出电功率， 逆变器吸收电动率，再经过逆变变压器t i ， 把转差功率回送给 电网。这里u i 起着附加直流电动势e f 的作用。当忽略转子绕组和逆变变压器漏抗 的影响时，理想空载条件下，有 u ; 二 2 .3 4 u . c o s ,6 2 . 3 4 s , e z ，_ u z c o s ,b 乓( 2 -2 ) 式中， 逆变变压器二次侧电压u 2 及异步电动机转子不动时的电动势e 2 均为常 数，所以改变逆变角目，即可改变理想空载转差率s o 。当电动机拖动恒转矩负载稳 定运行时，可以近似认为i d 为常数，若使s 角减小，则逆变电压 u i 增大，转差率 s 增大，转速 n 下降。连续改变逆变角p 就可以平滑调速。 在这个系统中，由于转子整流器不可控，只能把转差功率引出，通过逆变器和 逆变变压器送回电网，u i ( 相当于 e f )与 u d( 与 s e 2 成正比)极性相反，只可以 华北电力大学工程硕士学位论文正文 在同步转速以下调速，称为低同步串级调速。这也是该系统的缺点之一。另外，电 动机本身不产生制动转矩，苦采用能耗制动，则不能从电动状态连续过渡到能耗制 动状态，系统的功率因数也比较低。由此可见，这种系统还不够完善。但是，由于 该系统具有很多实用的优点， 例如运行可靠、 效率高、 控制系统比较简单、 价格低， 在性能上相当于内阻较大的直流电动机等，所以仍是交流调速方式中发展快，使用 比较广泛，也比较成熟的方案。 2 . 2串级调速系统的机械特性 2 . 2 . 1 机械特性分析 根据晶闸管串级调速的主回路，可以列出其直流回路的电压平衡方程式 2 .34 se , 一 2 .34 u 2 co s， 一 、 (景 sx d + 、 景 x t + 、 十 。 ， _ 月2 .3 4u 2 cos ,6 + id ( 3 x , + 2r d + 2r , + r ,)n _ ， _3_ _ l .j 4 c 2 一 一x d l d ( 2 - 1 ) 将s = ( n o - n ) / n o 代入式 ( 2 - 2 2 ) ，可得到转速表达式 2 . 3 4 伍: 一 u 2 c o s m一 、 ( 景 x d 景 x , 、 、 + r l 2 .3 4 e , 一 鱼 x d l d ( 2 - 2) r.1卫. 0 n 目 n 进而写成 式中 n ( u一 i d 凡) / q u二 2 . 3 4 ( e , 一 u 2 cos m ( 2 - 3) r : 一 晕 x d 景 x t 2 r d 2 r , + 、 c e 一 (2 .3 4 e , 一 3 x d l d ) l n o 式 ( 2 - 3 )与他励直流电动机机械特性方程式相似，不同之处在于 r : 值比直流 电动机电枢电阻r 。 大得多，而且电动势系数 c : 不是常数，它随i d 增大而减小，这 和电枢反应的去磁作用相似。 另外在第一工作区的转矩特性表达式中，设c b=生 ( 2 .3 4 e 2 一 兰 x d i a ) 可以发现， 转矩系数c m 与电动势系数c e 的关系是c m = 9 . 5 5 c e 。 这点也和直流 电动机相同。 因此品闸管串级调速的异步电动机，在性能上，相当于内阻很大 又有电枢反 i 0 一3 华北电力大学工程硕士学位论文正文 在同步转速以下调速，称为低同步串级调速。这也是该系统的缺点之一。另外，电 动机本身不产生制动转矩，苦采用能耗制动，则不能从电动状态连续过渡到能耗制 动状态，系统的功率因数也比较低。由此可见，这种系统还不够完善。但是，由于 该系统具有很多实用的优点， 例如运行可靠、 效率高、 控制系统比较简单、 价格低， 在性能上相当于内阻较大的直流电动机等，所以仍是交流调速方式中发展快，使用 比较广泛，也比较成熟的方案。 2 . 2串级调速系统的机械特性 2 . 2 . 1 机械特性分析 根据晶闸管串级调速的主回路，可以列出其直流回路的电压平衡方程式 2 .34 se , 一 2 .34 u 2 co s， 一 、 (景 sx d + 、 景 x t + 、 十 。 ， _ 月2 .3 4u 2 cos ,6 + id ( 3 x , + 2r d + 2r , + r ,)n _ ， _3_ _ l .j 4 c 2 一 一x d l d ( 2 - 1 ) 将s = ( n o - n ) / n o 代入式 ( 2 - 2 2 ) ，可得到转速表达式 2 . 3 4 伍: 一 u 2 c o s m一 、 ( 景 x d 景 x , 、 、 + r l 2 .3 4 e , 一 鱼 x d l d ( 2 - 2) r.1卫. 0 n 目 n 进而写成 式中 n ( u一 i d 凡) / q u二 2 . 3 4 ( e , 一 u 2 cos m ( 2 - 3) r : 一 晕 x d 景 x t 2 r d 2 r , + 、 c e 一 (2 .3 4 e , 一 3 x d l d ) l n o 式 ( 2 - 3 )与他励直流电动机机械特性方程式相似，不同之处在于 r : 值比直流 电动机电枢电阻r 。 大得多，而且电动势系数 c : 不是常数，它随i d 增大而减小，这 和电枢反应的去磁作用相似。 另外在第一工作区的转矩特性表达式中，设c b=生 ( 2 .3 4 e 2 一 兰 x d i a ) 可以发现， 转矩系数c m 与电动势系数c e 的关系是c m = 9 . 5 5 c e 。 这点也和直流 电动机相同。 因此品闸管串级调速的异步电动机，在性能上，相当于内阻很大 又有电枢反 i 0 一3 华北电力大学工程硕士学位论文正文 在同步转速以下调速，称为低同步串级调速。这也是该系统的缺点之一。另外，电 动机本身不产生制动转矩，苦采用能耗制动，则不能从电动状态连续过渡到能耗制 动状态，系统的功率因数也比较低。由此可见，这种系统还不够完善。但是，由于 该系统具有很多实用的优点， 例如运行可靠、 效率高、 控制系统比较简单、 价格低， 在性能上相当于内阻较大的直流电动机等，所以仍是交流调速方式中发展快，使用 比较广泛，也比较成熟的方案。 2 . 2串级调速系统的机械特性 2 . 2 . 1 机械特性分析 根据晶闸管串级调速的主回路，可以列出其直流回路的电压平衡方程式 2 .34 se , 一 2 .34 u 2 co s， 一 、 (景 sx d + 、 景 x t + 、 十 。 ， _ 月2 .3 4u 2 cos ,6 + id ( 3 x , + 2r d + 2r , + r ,)n _ ， _3_ _ l .j 4 c 2 一 一x d l d ( 2 - 1 ) 将s = ( n o - n ) / n o 代入式 ( 2 - 2 2 ) ，可得到转速表达式 2 . 3 4 伍: 一 u 2 c o s m一 、 ( 景 x d 景 x , 、 、 + r l 2 .3 4 e , 一 鱼 x d l d ( 2 - 2) r.1卫. 0 n 目 n 进而写成 式中 n ( u一 i d 凡) / q u二 2 . 3 4 ( e , 一 u 2 cos m ( 2 - 3) r : 一 晕 x d 景 x t 2 r d 2 r , + 、 c e 一 (2 .3 4 e , 一 3 x d l d ) l n o 式 ( 2 - 3 )与他励直流电动机机械特性方程式相似，不同之处在于 r : 值比直流 电动机电枢电阻r 。 大得多，而且电动势系数 c : 不是常数，它随i d 增大而减小，这 和电枢反应的去磁作用相似。 另外在第一工作区的转矩特性表达式中，设c b=生 ( 2 .3 4 e 2 一 兰 x d i a ) 可以发现， 转矩系数c m 与电动势系数c e 的关系是c m = 9 . 5 5 c e 。 这点也和直流 电动机相同。 因此品闸管串级调速的异步电动机，在性能上，相当于内阻很大 又有电枢反 i 0 一3 华北电力大学工程硕士学位论文止文 应的他励直流电动机。调节逆变角.8 ，可以调节u ，与直流电动机调压调速相似。 2 . 3串级调速系统的效率和功率因数 串级调速系统可以将转差功率p利用起来， 因此节能是其最突出的优点， 而衡 量系统技术经济指标的重要方面是系统的能量指标。本节从串级调速系统的能量流 程图入手研究系统的总效率 4 3 ，并对功率因数进行分析。 2 . 3 . 1串级调速系统的总效率 图2 - 9 a 为串级调速系统的原理图， 在其上标出了有功功率p和无功功率q 的走 向。 图 2 - 4串级调速系统的功率分析 a ) 功率走向6 )能量流程图 先看有功功率， 定子输入有功功率为尸 ; ， 晶闸管逆变器回送到电网的有功 功率是p t ，因此电源向串级调速系统提供的有功功率p为p 1 - p t 。 从p ; 中减去 定子的损耗p i ( 定子的铜耗和铁耗) ，为经过气隙传给转子的电磁功率 尸 e 。电 磁功率p 。 一部分为输出的机械功率p m ;一部分为转差功率p。转差功率p减 去转子损耗p 2 、转子整流器和逆变器中的损耗p ，为回送到电网去的功率p t - 机械功率p . 减去机械损耗p . ，即为电动机轴上输出的功率p 2 。 综巨 所述， 各 功率之间的关系为 p ;一 p一 p t p = ; p , 一 p p一 p一 p s 一 ( 1 -. 5) 几 p z = p一 p m 1 1 - 5 3 华北电力大学工程硕士学位论文止文 应的他励直流电动机。调节逆变角.8 ，可以调节u ，与直流电动机调压调速相似。 2 . 3串级调速系统的效率和功率因数 串级调速系统可以将转差功率p利用起来， 因此节能是其最突出的优点， 而衡 量系统技术经济指标的重要方面是系统的能量指标。本节从串级调速系统的能量流 程图入手研究系统的总效率 4 3 ，并对功率因数进行分析。 2 . 3 . 1串级调速系统的总效率 图2 - 9 a 为串级调速系统的原理图， 在其上标出了有功功率p和无功功率q 的走 向。 图 2 - 4串级调速系统的功率分析 a ) 功率走向6 )能量流程图 先看有功功率， 定子输入有功功率为尸 ; ， 晶闸管逆变器回送到电网的有功 功率是p t ，因此电源向串级调速系统提供的有功功率p为p 1 - p t 。 从p ; 中减去 定子的损耗p i ( 定子的铜耗和铁耗) ，为经过气隙传给转子的电磁功率 尸 e 。电 磁功率p 。 一部分为输出的机械功率p m ;一部分为转差功率p。转差功率p减 去转子损耗p 2 、转子整流器和逆变器中的损耗p ，为回送到电网去的功率p t - 机械功率p . 减去机械损耗p . ，即为电动机轴上输出的功率p 2 。 综巨 所述， 各 功率之间的关系为 p ;一 p一 p t p = ; p , 一 p p一 p一 p s 一 ( 1 -. 5) 几 p z = p一 p m 1 1 - 5 3 华北电力大学工程硕士学位论文止文 应的他励直流电动机。调节逆变角.8 ，可以调节u ，与直流电动机调压调速相似。 2 . 3串级调速系统的效率和功率因数 串级调速系统可以将转差功率p利用起来， 因此节能是其最突出的优点， 而衡 量系统技术经济指标的重要方面是系统的能量指标。本节从串级调速系统的能量流 程图入手研究系统的总效率 4 3 ，并对功率因数进行分析。 2 . 3 . 1串级调速系统的总效率 图2 - 9 a 为串级调速系统的原理图， 在其上标出了有功功率p和无功功率q 的走 向。 图 2 - 4串级调速系统的功率分析 a ) 功率走向6 )能量流程图 先看有功功率， 定子输入有功功率为尸 ; ， 晶闸管逆变器回送到电网的有功 功率是p t ，因此电源向串级调速系统提供的有功功率p为p 1 - p t 。 从p ; 中减去 定子的损耗p i ( 定子的铜耗和铁耗) ，为经过气隙传给转子的电磁功率 尸 e 。电 磁功率p 。 一部分为输出的机械功率p m ;一部分为转差功率p。转差功率p减 去转子损耗p 2 、转子整流器和逆变器中的损耗p ，为回送到电网去的功率p t - 机械功率p . 减去机械损耗p . ，即为电动机轴上输出的功率p 2 。 综巨 所述， 各 功率之间的关系为 p ;一 p一 p t p = ; p , 一 p p一 p一 p s 一 ( 1 -. 5) 几 p z = p一 p m 1 1 - 5 3 华北电力大学工程硕士学位论文正文 这些功率关系可以用图2 - 4 b 所示的能量流程图表示。 串级调速系统的总效率 刀 、 是指功率p 2 与从电网吸收的功率尸之比，可表 示为 p ( 1 一 s ) 一 p . p ( 1 一 s ) + p , + p 2 + p , ( 2 - 4) p-尸 凡一月 -l 几-尸 峥 . 各种损耗相对于机械功率 ( 1 - s ) p 。 来讲都比较小，可见串级调速系统总效率很 洲 高，而且转速降低时，反馈的能量增加，因此串级调 速系统效率 刀 ， 在低速下降不是很多。 06创 而转子串电阻时的效率可近似表示为 ? i r一1 一 s 晶闸管串级调速和转子串电阻调速的效率曲线 示于图 2 - 5中 的效率高得多 可见串级调速系统比转子串电阻调速 有明显的节能效果。 1 0 . 5 0 图 2 - 5品闸 管串 级调 速和 转子串电 阻调 速 效率曲 线 2 . 3 . 2串级调速系统的总功率因数 低同步串级调速的主要缺点是整个调速装置的总功率因数低。 高速运行时总功 率因数为0 . 6 0 . 6 5 ; 低速时总功率因数更低。下面分析低同步串级调速系统功率因 数的确定方法和功率因数低的原因。 1 、串级速系统的电流相量图 功率因数就是有功功率尸与视在功率s 之比。 对电压和电流均为正弦波的装置， 功率因数也就是电压与电流相位差的余弦。 在串级调速系统中，由电网吸收的电压为正弦 波， 但是因为转子回路接有整流器和有源逆变器， 使 转子电流和逆变变压器二次侧电流波形发生畸变， 导 致定子电流也为非正弦波， 这样只能用求傅里叶级数 的方法， 将电流分为基波分量和谐波分量， 取其基波 分量，画出异步电动机串级调速装置的电流相量图， 再根据相量图确定其功率因数。 假设负载转矩是恒定的，所以当转速变化时， 可以认为异步电动机的定子电流i , 基本不变， 其相位 图2 石中级a e 速系统的电流相徽阁 1 2 - 5 3 华北电力大学工程硕士学位论文正文 这些功率关系可以用图2 - 4 b 所示的能量流程图表示。 串级调速系统的总效率 刀 、 是指功率p 2 与从电网吸收的功率尸之比，可表 示为 p ( 1 一 s ) 一 p . p ( 1 一 s ) + p , + p 2 + p , ( 2 - 4) p-尸 凡一月 -l 几-尸 峥 . 各种损耗相对于机械功率 ( 1 - s ) p 。 来讲都比较小，可见串级调速系统总效率很 洲 高，而且转速降低时，反馈的能量增加，因此串级调 速系统效率 刀 ， 在低速下降不是很多。 06创 而转子串电阻时的效率可近似表示为 ? i r一1 一 s 晶闸管串级调速和转子串电阻调速的效率曲线 示于图 2 - 5中 的效率高得多 可见串级调速系统比转子串电阻调速 有明显的节能效果。 1 0 . 5 0 图 2 - 5品闸 管串 级调 速和 转子串电 阻调 速 效率曲 线 2 . 3 . 2串级调速系统的总功率因数 低同步串级调速的主要缺点是整个调速装置的总功率因数低。 高速运行时总功 率因数为0 . 6 0 . 6 5 ; 低速时总功率因数更低。下面分析低同步串级调速系统功率因 数的确定方法和功率因数低的原因。 1 、串级速系统的电流相量图 功率因数就是有功功率尸与视在功率s 之比。 对电压和电流均为正弦波的装置， 功率因数也就是电压与电流相位差的余弦。 在串级调速系统中，由电网吸收的电压为正弦 波， 但是因为转子回路接有整流器和有源逆变器， 使 转子电流和逆变变压器二次侧电流波形发生畸变， 导 致定子电流也为非正弦波， 这样只能用求傅里叶级数 的方法， 将电流分为基波分量和谐波分量， 取其基波 分量，画出异步电动机串级调速装置的电流相量图， 再根据相量图确定其功率因数。 假设负载转矩是恒定的，所以当转速变化时， 可以认为异步电动机的定子电流i , 基本不变， 其相位 图2 石中级a e 速系统的电流相徽阁 1 2 - 5 3 华北电力大学工程硕士学位论文正文 滞后于定子电压u ， 一个 0 。 角 ( 电动机的功率因数角) 。 从电网输入的总电流i 等于 定子电流7 1 和逆变变压器原边电 流斤的相量和。 在调速时，改变fl 角大小，即改变了i t 的相位，其端点轨迹在弧 a b 上。由于 斤相位的改变，改变了总电流i 的相位，( i 相量端点轨迹在弧 c d 上) ，从而改变了 串级调速装置的功率因数，各电流间的相位关系如图 2 - 6 所示。从图上看出，即使 .b = 9 0 0 ，逆变电压为零时，串级调速装置的功率因数也低于电动机的功率因数。而 且转速越低， c o s 0 : 越低。 2 、串级调速系统的总功率因数 功率因数低是低同步串级调速的主要缺点，也是被人们关注的问题。下面分析 串级调速系统的总功率因数低的原因。 ( 1 )逆变器从电网吸收滞后的无功电流，即吸收无功功率。这是造成总功率 因数低的主要原因。 从图2 - 4 所示的功率流向可知，当逆变变压器和电动机接在同一个电网上时， 串级调速系统从电网吸收的总有功功率为p = p 1 - p t ; 而总无功功率q = q 1 + q t 。 由此， 串级调速系统的总功率因数 c o s 0 : 为 c o s 叭 君一 p r ( 2 - 5) ( p一 p r ) z + ( q , + 而电动机自然接线的功率因数45为 c o s p = 一 止 生 一 , p ( 2 - 6 ) q i 对比式 ( 2 - 5 )和式 ( 2 - 6 )可见，由于有功功率减少，而无功功率增加，所以 串级调速系统的总功率因数降低很多，而且转速越低c o s 0 。 也越低。 ( 2 )串级调速系统中电动机本身的功率因数低 串级调速系统中， 转子整流电路存在严重的换流重叠现象， 使定子和转子电流 都不是正弦波。在不考虑重叠角时，转子电流是幅值为i d ，宽为 1 2 0 0电度角的方 波。应用傅里叶级数对转子电流进行分解，可行到畸变后转子相电流表达式为 2 行 _ _1 1 1 2 二 一 -! d ( s i n s w a ti一 - s i n 5 s ca o t 一 云 s i n ji7 scoot 六 sin 1，一 ， ( 2 - 7) 1 3 - 5 3 华北电力大学工程硕士学位论文正文 由式 ( 2 - 7 )可知，转子电流不存在偶次谐波和3 的倍数次谐波，只存在5 , 7 , 1 1等次谐波。由 基数和各次谐波的有效值可求出 转子电流的有效值为 i 2 = 0 . 8 1 6 1 x , 其中基波电流有效值1 2 ( 1 ) = 0 . 7 8 1 4 。 因为只有基波分量与电压同相位， 才 产生有功功 率， 所以1 2 q 。 与转子电流有效值几之比为电流的畸变系数， 也称为电动机的利用系 数，其值为 0 . 9 5 5 。由此可知，在不考虑重叠角时，串级调速系统中，电动机的功 率因数c o s o d 为电动机自 然接线时功率因数。 o s 的0 .9 5 5 倍，即 o s 95 d = 0 .9 5 5 c o s 必 ，一般可以 认为此时c o s 4p d c o s 0 e 当考虑换流重叠角li的影响时， 转子电流的基波分量要滞后于相应电压的角度 为.u / 2 ， 则电 动机的 利用系 数变为0 .9 5 5 c o s ( u / 2 ) ， 这样串 级调速系统中，电 动机的 功率因数c o s 0 d 为 c o s op , 0 .9 5 5 c o s ( iu / 2 ) c o s p ( 2 - 8 ) 可以看出，在串级调速系统中，电动机本身的功率因数降低了。同时还可以看 出，在串级调速系统中，电动机的功率因数只与负载大小有关，在拖动恒转矩负载 时，不论逆变角如何变化，电动机的功率因数是不变的，即c o s o d 与转速无关。 ( 3 )串级调速系统中，电动机和逆变变压器的波形发生畸变，其电流的高次 谐波分量引起无功的畸变，也使串级调速系统的总功率因数下降。 第三章 内反馈调速电动机 3 . 1 内反馈串级调速电动机的结构和调速原理 在串级调速系统中需要给绕线异步电动机转子提供附加电势， 由于普通异 步电机是按恒速运行设计制作的，没有考虑调速需要，因此普通异步电机是无法提 供附加电源的。如果采用普通异步机则附加电动势需要由外附的电源设备产生。内 反馈电机是利用电机绕组多重化技术， 在异步电机的定于铁芯上， 增设了一套绕组， 该绕组主要是用来接收从转于反馈回来的能量以实现电机调速