电力拖动自动控制系统陈伯时ppt7456串级调速系统的技术经济指标及其提高方案

1、1 1本节提要本节提要l串级调速系统的效率串级调速系统的效率l串级调速系统的功率因数及其改善串级调速系统的功率因数及其改善途径途径l斩波控制的串级调速系统斩波控制的串级调速系统l串级调速装置的电压和容量串级调速装置的电压和容量* *7.4 7.4 串级调速系统的技术经济指标串级调速系统的技术经济指标 及其提高方案及其提高方案2 2l学习要点：学习要点： 1. 1.串级调速系统性能的一般性讨论：串级调速系统性能的一般性讨论： （1 1）效率）效率 （2 2）功率因数）功率因数 （3 3）附加装置的容量）附加装置的容量 。 2. 2. 改善功率因数的斩波控制。改善功率因数的斩波控制。 重点、难点：

2、重点、难点： 能量传递流程。能量传递流程。 3 3* *7.4.1 7.4.1 串级调速系统的效率串级调速系统的效率图图7-12 串级调速系统效率分析串级调速系统效率分析a)系统的功率传递系统的功率传递 b)系统的功率流程图系统的功率流程图 4 4n 串级调速系统功率流程串级调速系统功率流程 l在串级调速时，在串级调速时，p ps s未被全部消耗掉，而未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损是扣除了转子铜损p pcurcur、杂散损耗、杂散损耗 p ps s 和和附加的串级调速装置损耗附加的串级调速装置损耗p ptantan后通过转后通过转子整流器与逆变器返回电网，这部分返子整流器与逆变器返回电网，

3、这部分返回电网的功率称作回馈功率回电网的功率称作回馈功率p pf f 。l对整个串级调速系统来说，它从电网吸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收的净有功功率应为 p pinin=p=p1 1ppf f 。 5 5n 串级调速系统效率及比较串级调速系统效率及比较l串级调速系统的总效率串级调速系统的总效率 %100%100f1mechmechin2schpppppp%100)1()1(tanmechmmechmpppsppsp(7-28)式中式中 p p 是异步电动机定子和转子内的总损耗；是异步电动机定子和转子内的总损耗； 6 6 在串级调速系统中，当电动机的转速在串级调速系统中

4、，当电动机的转速降低时，降低时，如果负载转矩不变，如果负载转矩不变， p p 和和 p ptantan 都基本不变都基本不变，式（，式（7-287-28）分子和分母）分子和分母中的中的pm(1-s)项随着的项随着的s s增大而同时减少，增大而同时减少，对总效率值的影响并不太大。对总效率值的影响并不太大。 7 7 转子回路串电阻调速的效率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，调速当电动机转子回路串电阻调速时，调速系统的效率是系统的效率是%100%100scurfecusmechmechmech12rppppppppp%100)1 ()1 (mechmmechmppsppsp=

5、其中，其中，p pm m(1-(1-s s) )项随项随s s 的变化和串级调速的变化和串级调速时一样，时一样，而所串电阻越大时，而所串电阻越大时，p pcurcur 越大，越大，p p 也越大，因而效率也越大，因而效率 r r 越低，几乎是随着转速越低，几乎是随着转速的降低而成比例地减少的降低而成比例地减少。 8 8l 效率的比较效率的比较p串级调速系统的总串级调速系统的总效率是比较高的，效率是比较高的，且当电动机转速降且当电动机转速降低时，低时， schsch 的减少的减少并不多。并不多。p而绕线转子异步电而绕线转子异步电动机转子回路串电动机转子回路串电阻调速时的效率几阻调速时的效率几乎随

6、转速的降低而乎随转速的降低而成比例地减少。成比例地减少。图图7-13 7-13 电气串级调速系统与转子串电阻电气串级调速系统与转子串电阻调速系统调速系统 = = f f (s) (s) 的比较的比较 9 9* *7.4.2 7.4.2 串级调速系统的功率因数串级调速系统的功率因数及其改善途径及其改善途径 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：电动机、不可控整流器和逆变器三大部分有关：l异步电动机异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；轻而下降；l转子整流器转子整流器的换相重迭

7、和强迫延迟导通等作用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；都会通过电机从电网吸收换相无功功率；l逆变器逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率。要消耗无功功率。1010n 串级调速系统的功率因数串级调速系统的功率因数 在串级调速系统中，从交流电网在串级调速系统中，从交流电网吸收的吸收的总有功功率总有功功率是电动机吸收的是电动机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之功功率之差差，然而从交流电网吸收，然而从交流电网吸收的的总无功功率总无功功率却是电动机和逆变器却是电动机和逆变器所吸收的无

8、功功率之所吸收的无功功率之和和（见图（见图7-7-1212）。）。1111 功率因数计算公式功率因数计算公式s s 系统总的视在功率；系统总的视在功率；q q1 1 电动机从电网吸收的无功功率；电动机从电网吸收的无功功率；q qf f 逆变变压器从电网吸收的无功功率。逆变变压器从电网吸收的无功功率。2f12f1f1insch)()(cosqqppppsp式中(7-29)1212 功率因数范围功率因数范围p一般串级调速系统在高速运行时的功率因一般串级调速系统在高速运行时的功率因数为数为0.60.60.650.65，比正常接线时电动机的功，比正常接线时电动机的功率因数减少率因数减少0.10.1左右

9、；左右；p在低速时可降到在低速时可降到0.40.40.50.5（对调速范围为（对调速范围为2 2的系统）。这是串级调速系统的主要缺点的系统）。这是串级调速系统的主要缺点。p对于宽调速的串级调速系统，随着转差率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串级调速系统能否被推广应用的关键问题之一。之一。1313* *7.4.3 7.4.3 斩波控制的串级调速系统斩波控制的串级调速系统l问题的提出问题的提出 串级调速系统功率因数差的一个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重要原

10、因就是采用了相位控制的逆变器，控制角器，控制角 越大时，逆变器从电越大时，逆变器从电网吸收的无功功率越多。网吸收的无功功率越多。 如果用斩波器来控制直流电压，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，而小值不变，即可降低无功的消耗，而提高系统功率因数。提高系统功率因数。 1414n 系统组成系统组成图图7-14 斩波控制串级调速系统原理图斩波控制串级调速系统原理图 1515 图图7-147-14绘出了斩波控制的串级调绘出了斩波控制的串级调速系统原理图，速系统原理图，图中图中chch是直流斩波器是直流斩波器，可用普通

11、晶闸管或可关断电力电子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。件组成，后者可大大简化斩波器电路。 系统中斩波器系统中斩波器chch工作在开关状态，工作在开关状态，其工作原理和功率因数如下分析。其工作原理和功率因数如下分析。 16161 1工作原理工作原理l当它接通时，逆变器输出的附加电动势当它接通时，逆变器输出的附加电动势被短接（被短接（e eaddadd = 0= 0）；）；l断开时，输出电动势最大（断开时，输出电动势最大（e eaddadd = u= ui i）。）。 设斩波器的开关周期为设斩波器的开关周期为t t ，开关接通，开关接通的时间为的时间为 ，则逆变

12、器经，则逆变器经chch送出的平均电送出的平均电动势为动势为 iutt 改变占空比改变占空比( (t-t- )/)/t t 即可调节平均电动即可调节平均电动势的大小，从而调节异步电动机的转速。势的大小，从而调节异步电动机的转速。1717 附加电动势的斩波波形附加电动势的斩波波形 图图7-157-15为为忽略交流电忽略交流电压变化时附压变化时附加电动势的加电动势的斩波波形。斩波波形。图图7-15 转子斩波串级调速时的附加电动势波形转子斩波串级调速时的附加电动势波形 oteaddt1818 斩波控制串级调速系统转速方程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当转子回路整流器和

13、逆变器都是桥式电路时，可得理想空载的电压平衡方程式电路时，可得理想空载的电压平衡方程式min2t0r0cos)1 (34. 234. 2utesmin0r2tsyn0cos11eutnn（7-30） n n0 0 不同占空比时的理想空载转速；不同占空比时的理想空载转速；n nsynsyn异步电动机的同步转速。异步电动机的同步转速。式中 因此 19192 2系统的功率因数系统的功率因数 在斩波控制在斩波控制时，逆变角设定时，逆变角设定为为 min min ，则逆变，则逆变器从电网吸收的器从电网吸收的无功功率可减到无功功率可减到最小程度。最小程度。图图7-16 两种串级调速系统的功率因数比较两种串

14、级调速系统的功率因数比较斩波控制串斩波控制串级调速系统级调速系统常规串级调常规串级调速系统速系统2020* *7.4.4 7.4.4 串级调速装置的电压和串级调速装置的电压和容量容量 串级调速装置是指整个串级调速系统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，包括转子加的所有功率部件，包括转子整流器、逆整流器、逆变器变器和和逆变变压器逆变变压器。 从经济角度出发，必须正确合理地选从经济角度出发，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。个调速系统的

15、性能价格比。2121n 整流器和逆变器容量整流器和逆变器容量 选择主要依据其电流与电压的定额选择主要依据其电流与电压的定额。l电流定额决定于异步电动机转子的额定电流定额决定于异步电动机转子的额定电流电流i irnrn和所拖动的负载；和所拖动的负载；l电压定额则决定于异步电动机转子的额电压定额则决定于异步电动机转子的额定相电压（即转子开路电动势定相电压（即转子开路电动势e er0r0）和系）和系统的调速范围统的调速范围d d，这里，这里， min0synnnd 2222 其中，其中，n n0min 0min 是调速系统的最低转速，是调速系统的最低转速，对应于最大理想空载转差率对应于最大理想空载转

16、差率 s s0max0max ，由，由式（式（7-77-7）可得）可得)1 (max0synmin0snnds11max0（7-31） )1 (max0synmin0snnds11max02323 调速范围越大时，调速范围越大时，s s0max 0max 也越大，整也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高流器和逆变器所承受的电压越高。0max2000max00max020max0min11cos1.15coscos30trrrtrsduseseseuse 2424n 逆变变压器的容量逆变变压器的容量 l逆变变压器的二次侧相电压逆变变压器的二次侧相电压 )11 (15. 10r2tdeu（7-32

17、） )11 (45. 3t20tdiewr（7-33） 逆变变压器的容量计算逆变变压器的容量计算 调速范围越大时，整个串级调速装置调速范围越大时，整个串级调速装置的容量要求也越大的容量要求也越大。2525l从上式可以看出，随着系统调速范围的增大，逆变变压器和整个串级装置的容量也相应增大l因为随着d的增大，通过串级调速装置回馈电网的转差功率也增大，必须要有较大容量的串级调速装置来传递与变换这些功率l串级调速系统被推荐用于有限调速范围（例如d=1.52.0）的场合2626作作 业业7-3、7-4 2727l学习要点：学习要点： 1 1具有双闭环控制的串级调速具有双闭环控制的串级调速系统的组成；系统

18、的组成； 2 2双馈调速系统；双馈调速系统； 重点、难点：重点、难点： 双馈调速系统与串级调速系统工双馈调速系统与串级调速系统工作方式的差异作方式的差异。 28287.5 7.5 双闭环控制的串级调速系统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。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，较好的动态特性，须采用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具有和直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈

19、电流反馈与与转速反馈转速反馈的的双闭环控制双闭环控制方方式。式。29297.5.1 7.5.1 双闭环控制串级调速系双闭环控制串级调速系统的组成统的组成图图7-17 双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统 n 系统结构系统结构3030n 控制环节说明控制环节说明 图中，转速反馈信号取自异步电动图中，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，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也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。自转子直流回路。 为了防止逆变器逆变颠覆，在电为了防止

20、逆变器逆变颠覆，在电流调节器流调节器acracr输出电压为零时，应整定输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为触发脉冲输出相位角为 = = minmin 。 3131n 系统比较系统比较l图图7-177-17所示的系统与直流不可逆所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。稳速与动态恒流的作用。l所不同的是它的控制作用都是通所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。过异步电动机转子回路实现的。 32327.5.4 7.5.4 串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式 串级调速系统是依靠逆变器提供附加串级调速系统是依靠逆

21、变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。施予以保证。 总的原则总的原则是在起动时必须使逆变器先是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。管无法关断，造成逆变器的短路事故。 串级调速系统的起动方式通常有间接串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。起动和直接起动两种。33331. 1. 间接起动间接起动

22、 为了使串级调速装置不受过电压为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入动机转子先接入电阻电阻或或频敏变阻器频敏变阻器起起动，待转速升高到串级调速系统的设动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投计最低转速时，才把串级调速装置投入运行。入运行。 3434 间接起动控制原理图间接起动控制原理图 图图7-20 串串级级调调速速系系统统间间接接起起动动控控制制原原理理图图3535 间接起动操作顺序间接起动操作顺序（1 1）先合上装置电源总开关）先合上装置电源总开关s s，使逆变器在，使逆变器在 minmin 下等待

23、工作。下等待工作。（2 2）然后依次接通接触器）然后依次接通接触器k1k1，接入起动电，接入起动电阻阻r r，再接通，再接通k0k0，把电机定子回路与电网接，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。通，电动机便以转子串电阻的方式起动。（3 3）待起动到所设计的）待起动到所设计的n nminmin（s smaxmax）时接通）时接通k2k2，使电动机转子接到串级调速装置，同，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开时断开k1k1，切断起动电阻，此后电动机就，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。速运行。 3636

24、 停车操作顺序停车操作顺序 （1 1）由于没有制动作用，应先断开）由于没有制动作用，应先断开k2k2，使电动机转子回路与串级调速装置使电动机转子回路与串级调速装置脱离；脱离；（2 2）再断开）再断开k0k0，以防止当，以防止当k0k0断开时在断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。器与逆变器。 37372 2直接起动直接起动 l直接起动又称串级调速方式起动。直接起动又称串级调速方式起动。在起动控制时让逆变器先于电动在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，机接通交流电网，然后使电动机然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子的定子与交流电网接通，此时转

25、子呈开路状态，可防止因电动机起动呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，整流装置，最后再使转子回路与最后再使转子回路与整流器接通。整流器接通。 3838 直接起动操作顺序直接起动操作顺序（1 1）接触器的工作顺序为）接触器的工作顺序为 s sk0k0k2k2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。直流回路无电流，电动机尚不能起动。（2 2）待发出给定信号后，随着）待发出给定信号后，随着 的增大，的增大，逆

26、变电压降低，产生直流电流，电动机逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。才逐渐加速，直至达到给定转速。3939* *7.6 7.6 异步电机双馈调速系统异步电机双馈调速系统l概概 述述 上述的异步电动机串级调速系统是从定上述的异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能、从转子侧馈出电能的系统，子侧馈入电能、从转子侧馈出电能的系统，从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。 但人们往往但人们往往狭义地狭义地认为认为双馈（双馈（double double fedfed）就是从就是从定子侧与转子侧都馈入电能的定子侧与转子侧都馈入电能的工作状态工

27、作状态，以示与串级调速的区别。，以示与串级调速的区别。 4040 双馈调速系统与串级调速系统相双馈调速系统与串级调速系统相似都适用于大功率、有限调速范围的似都适用于大功率、有限调速范围的场合，一般调速范围仅为场合，一般调速范围仅为1.41.41.51.5。 交交- -交变频器是一种功率可双向传交变频器是一种功率可双向传输的静止变频器，只有一次功率转换，输的静止变频器，只有一次功率转换，适用于大功率变频场合，其输出频率适用于大功率变频场合，其输出频率仅为输入频率的仅为输入频率的1/31/31/21/2，所以用于，所以用于双馈调速是合理的。双馈调速是合理的。4141 从从7.1.27.1.2中的分

28、析可知，异步电机中的分析可知，异步电机双馈工作时，其转子电路应连接一台双馈工作时，其转子电路应连接一台变频器作为功率变换单元，以供给转变频器作为功率变换单元，以供给转子绕组所需频率的电功率，控制这个子绕组所需频率的电功率，控制这个电功率即可实现调速。电功率即可实现调速。 这台变频器可以用这台变频器可以用交交- -直直- -交变频交变频器器或或交交- -交变频器交变频器，在双馈调速时常用，在双馈调速时常用后者。后者。 42427.6.1 7.6.1 双馈调速系统的构成双馈调速系统的构成 要在任何转速下使变频器输出要在任何转速下使变频器输出电压与电机转子感应电动势都有相电压与电机转子感应电动势都有相同的频率，对变频器输出的频率有同的频率，对变频器输出的频率有两种控制方式：两种控制方式：l 他控式他控式l 自控式自控式43431. 1. 他控式双馈调速系统他控式双馈调速系统图图7-21 他控式双馈调速系统原理图他控式双馈调速系统原理图n系统组成系统组成转子转子4444n 工作原理工作原理 由独立的控制器控制变频