电力拖动控制系统(1)ppt课件

1、61 串级调速的原理与类型串级调速的原理与类型6.1.1 绕线转子异步电动机串级调速原理绕线转子异步电动机串级调速原理1 1深化领会：绕线转子异步电动机转子回路串电阻的调速原理深化领会：绕线转子异步电动机转子回路串电阻的调速原理 绕线转子异步电动机转子回路串电阻调绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速速a)电路图电路图 b)机械特性机械特性222122111Kxs/rrs/rUpmT 从电磁转矩参数表达式看到的从电磁转矩参数表达式看到的:串电阻调速改动串电阻调速改动r2 r2 时时 ，只需只需r2 r2 /s/s不变，那么不变，那么 T T 不变；不变； r2 r2 增大，必然使增大，必然使s

2、s增大，才干在增大，才干在新的新的s s下使拖动系统在新的稳态运下使拖动系统在新的稳态运转。转。第第6章章 绕线转子异步电动机的串级调速系统绕线转子异步电动机的串级调速系统串电阻调速时转子回路电流的变化规律串电阻调速时转子回路电流的变化规律22cosTmTCI 从物理表达式看到的：从物理表达式看到的： 电磁转矩电磁转矩T只与转子回路中的有功只与转子回路中的有功电流电流 成正比成正比 222cosTII222022202222/jxsrEjsxrEsjxrEIss拖动系统到达降低速度拖动系统到达降低速度后的新的平衡形状后的新的平衡形状 r2I2TTns回到原值sr /2T回到原值与负回到原值与负

3、载转矩平衡载转矩平衡频率折算频率折算222122111Kxs/rrs/rUpmT转子回路串电阻调速的物理本质：转子回路串电阻调速的物理本质：改动转子回路的电流来改动转矩，实现调速。改动转子回路的电流来改动转矩，实现调速。 思索：还有什么方法能直思索：还有什么方法能直接改动转子电流的大小接改动转子电流的大小)b)a2ISE2addEaddE2ISE22R绕线式异步电机转子回路串附加电动势绕线式异步电机转子回路串附加电动势2 2串级调速原理串级调速原理转子回路中串入附加电势转子回路中串入附加电势 来改动转子回路电流来改动转子回路电流 ，改动电机的转矩，从而实现调速，改动电机的转矩，从而实现调速 。

4、 addE20222addsEEIrjsx串入addETnsI2T升回原值，降速过程终了升回原值，降速过程终了 I2Ta d dE串入addEI2TTsE2I2回落回落s减小到零减小到零 20sEI2T仍比原有的仍比原有的大大 电机冲过同步电机冲过同步转速点转速点s90时时n6.2.3 逆变变压器：逆变变压器：n目的：隔离；电压相匹配目的：隔离；电压相匹配n电压要匹配的缘由及实现方法电压要匹配的缘由及实现方法n6.2.4 串调系统的能量传送关系与效率串调系统的能量传送关系与效率n6.2.5 串调安装的容量与电机的起动串调安装的容量与电机的起动n6.2.6 次同步速串级调速系统的回馈制动次同步速

5、串级调速系统的回馈制动n 次同步速串调速系统的主要优缺陷次同步速串调速系统的主要优缺陷62 次同步速串级调速系次同步速串级调速系统统MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ +ACR*iUctU- - -iU+ + +VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n绕线转子绕线转子异步电动异步电动机机MA *起动电阻起动电阻R 切换用接触器切换用接触器1C、2C 串调安装主电路交直交变频电路串调安装主电路交直交变频电路 不控整流桥不控整流桥VR dL平波电抗器平波电抗器有源逆变桥有源逆变桥VI *逆变变压器逆变变压器TI 控制系统控制系统为转速、为转速、电流双闭电流双闭环环测速信号取测速信号取自

6、测速发电自测速发电机机TG 逆变桥交逆变桥交流侧采样流侧采样6.2.1 次同步速串级调速系统的构成次同步速串级调速系统的构成 直流侧采样直流侧采样M A负 载R1C2CTGnU*nUASR+ +ACR*iUctU- - -iU+ + +VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n6.2.2 串级调速系统的机械特串级调速系统的机械特性性 时90. 10iU 相当于直流侧在平波电抗相当于直流侧在平波电抗器后面短路，不串入附加电器后面短路，不串入附加电势势机械特性近似于固有机械特性机械特性近似于固有机械特性 串调安装整流二极管及平波电抗器的影响：串调安装整流二极管及平波电抗器的影响：等效为转子回路

7、串入了电阻对应二极管管压降等效为转子回路串入了电阻对应二极管管压降=串电阻使机械特性稍软串电阻使机械特性稍软Sm变大变大和串入等效电感把和串入等效电感把Ld折算到转子回路折算到转子回路=串电抗使最大转矩串电抗使最大转矩Tm减小减小22121112114xxrrfpUmTm221212)xx(rrsm 固定固定 为某确定值如为某确定值如1可得可得到一条人为机械特性曲线到一条人为机械特性曲线 1|nf T900iU00202.34dUs E0212.34cosiTUU0dI空载时00diUUq在不同的在不同的 角下，机械特性是角下，机械特性是一组平行的曲线一组平行的曲线 1求解理想空载转差率求解理

8、想空载转差率s0留意空载转速留意空载转速n0 同步转速同步转速n1) 2求最大转矩求最大转矩Tm和和Sm曲线直线段斜率曲线直线段斜率转子回路直流侧的等效电路图转子回路直流侧的等效电路图 121020cos|TUsE12.(90 ), 电流延续时电流延续时q U2T一定时一定时1 越小，越小，Ui0越大，越大，s0越大越大与与 相比，转子回路的电阻与电抗不相比，转子回路的电阻与电抗不变。变。9 0 两者的机械特性曲线斜率及最大转矩也不变。两者的机械特性曲线斜率及最大转矩也不变。1 1|nf T13.,电流断续时电流断续时真正的理想空载是转子电流为零！真正的理想空载是转子电流为零！何时电流才会真正

9、为零？何时电流才会真正为零？只需当三相整流电压只需当三相整流电压ud 波形中的最高波形中的最高点点高于高于ui 波形的最低点时。真正的理想空波形的最低点时。真正的理想空载转速比上面推导的要大载转速比上面推导的要大!q 电流断续后的机械特性电流断续后的机械特性将上翘，将上翘， S0 将变小将变小 电流断流对机械特性的影响？电流断流对机械特性的影响？回想第二章回想第二章V-M系统中反电势的影响！系统中反电势的影响！TI控制系统SE2VRVIMA2idoUiU+ +- -+ +- -UdReRLdR1Ui0RDUd0R2UiId6.2.3 逆变变压器逆变变压器1 1把串调安装主电路与交流电网把串调安

10、装主电路与交流电网隔离，以抑制浪涌电压的影响；隔离，以抑制浪涌电压的影响； 2 2使电动机转子绕组的电压与电网电压相匹配使电动机转子绕组的电压与电网电压相匹配 不同的电机，不同的电机，E20不同。不同。不同调速系统所要求的不同调速系统所要求的D不同不同, 也即最大转差率也即最大转差率 Smax不同。不同。所以所以Udo 的变化范围在工程中难以确定。的变化范围在工程中难以确定。另一方面假设逆变电源不能调理睬出现是另一方面假设逆变电源不能调理睬出现是Ui难以与难以与Udo匹匹配配系统所需求到达的最小逆变角系统所需求到达的最小逆变角 0max20min2cosTsEU0max200max202min

11、coscos30TsEsEUl 设置的目的：设置的目的： l 为什么要电压要相匹配？为什么要电压要相匹配？l 要电压相匹配的做法：要电压相匹配的做法：Ui的调理范围必需的调理范围必需0 max20max0 0 iiUsEU假设假设Uimax太小，那么太小，那么的移相范围太小。例：的移相范围太小。例：假设假设Uimax太大，那么移相范围无法满足。例：太大，那么移相范围无法满足。例：设置逆变变压器，使调速所需的设置逆变变压器，使调速所需的min 即为逆变桥可靠任务的即为逆变桥可靠任务的min， 普通普通为为30，逆变变压器副方电压为：，逆变变压器副方电压为： 容易了解！容易了解！TI控制系统SE2

12、VRVIMA2idoUiU00202.34dUs E0212.34cosiTUU6.2.4 串调系统的能量传送关系与效率串调系统的能量传送关系与效率b)1PmPmecP2P2Cup2CupFeppmecpsPmPP 1mmecP)s(PP12a)inPFPspinPmssPP 1能量传送关系能量传送关系sP串调安装的损耗串调安装的损耗 FP回馈回电网的功率回馈回电网的功率 略去一切损耗时略去一切损耗时 mPP 12PPmecsFPPPPF(1-s)PsPb)a)P(1-s)PsPa) 详细的详细的 b) 近似的近似的 l 串调系统的能量传送简图串调系统的能量传送简图 次同步速系统电开工况次同步

13、速系统电开工况 2串调系统的效率串调系统的效率inininschPpPPP2pppppppmecscuFecu21FeCuppp11sCuppp22PPPmec3 21321psPpPpsPPPmmminschb)1PmPm ecP2P2C up2C upF eppm ecpsPmPP 1mm ecP)s(PP12a)inPFPspinPmssPP6.2.5 串调安装的容量与电机的起动串调安装的容量与电机的起动1串调安装的容量串调安装的容量串调安装：整个串调系统除异步电动机的一切部件串调安装：整个串调系统除异步电动机的一切部件串调安装的容量伏安容量：功率变换器容量串调安装的容量伏安容量：功率变

14、换器容量SV、逆变变压器容量、逆变变压器容量ST 。 功率变换器的容量与调速范围有正关联的关系，调速范围越大，所需的容量越大。功率变换器的容量与调速范围有正关联的关系，调速范围越大，所需的容量越大。maxmaxmaxsmNPsPsPmax11VNNSsPPD2逆变变压器容量逆变变压器容量ST 223TTTSUImax20max2202maxmin331.15coscos30TNsEsSIE IsPST那么应在那么应在Sv的根底上再放大一个系数的根底上再放大一个系数1.15由由min引起的引起的-平安逆变所必需的平安逆变所必需的l串调系统的优点：在调速范围要求不大的场所，可以用一小容量的变换器串

15、调系统的优点：在调速范围要求不大的场所，可以用一小容量的变换器l 去控制一台大容量的异步电机。去控制一台大容量的异步电机。以它所要传送的最大功率作为它的容量：以它所要传送的最大功率作为它的容量：串调安装传输的最大功率是最大的转差功率串调安装传输的最大功率是最大的转差功率 为为大风机、大水泵要求的调速范围普通都很小，这种情况最适宜采用！大风机、大水泵要求的调速范围普通都很小，这种情况最适宜采用！1功率变换器容量功率变换器容量SVPPF(1 -s)PsPb )a )P(1 -s)PsP2异步电动机的起动问题异步电动机的起动问题1当串调安装的容量与异步电动机的容量相等或相当时当串调安装的容量与异步电

16、动机的容量相等或相当时 串调安装可取代起动电阻，利用串调安装使异步电动机在无冲击电流的情串调安装可取代起动电阻，利用串调安装使异步电动机在无冲击电流的情况下平稳起动，这时不需运用起动电阻况下平稳起动，这时不需运用起动电阻R 。但这种情况极少。但这种情况极少2安装容量相对较小时安装容量相对较小时串调安装无法使电机从零速开场运转串调安装无法使电机从零速开场运转,这时仍需求用起动电阻来起动电机这时仍需求用起动电阻来起动电机 MA负载R1C2CTGnU*nUASR+ +ACR*iUctU- - -iU+ + +VIdLVRdUiUiTITU2TI2SE2n 起动时，合起动时，合1C，用电阻，用电阻R起

17、动。当电动机转差率起动。当电动机转差率S小于小于Smax之后，先合上之后，先合上2C，使，使 在在min下任务，再断开下任务，再断开1C，起动完成。起动完成。 停车时应先使安装脱开停车时应先使安装脱开2C断开，才干去切断定断开，才干去切断定子侧的主电源。子侧的主电源。起动、停车操作：起动、停车操作： 2C与与1C必需有一个足够必需有一个足够长的闭合重合区，以防止转长的闭合重合区，以防止转子开路电压损坏晶闸管。子开路电压损坏晶闸管。缘由是：启动时缘由是：启动时Ps最大，最大，=PN6.2.6 次同步速串级调速系统的回馈制动次同步速串级调速系统的回馈制动0nn定子绕组所产生的定子旋转磁势相定子绕组

18、所产生的定子旋转磁势相对转子的转向由正转变成了反转对转子的转向由正转变成了反转 2sE反向转子电流反向转子电流反向 转矩反向转矩反向 进入第进入第象限超同步速运转的发电回馈制动象限超同步速运转的发电回馈制动 2. 次同步速串级调速系统次同步速串级调速系统 回馈制动回馈制动 1时，在空载时，在空载S01时，时，Ud0Ui，Id0 ，电磁转矩为零，电磁转矩为零 。假设原动机使电动机的转速继续往上升假设原动机使电动机的转速继续往上升时时 010 ,ss0,diUU0, 0TId01ss ，doiUU，开始流通dIT反向，制动转矩反向，制动转矩 1. 正常回馈制动的物理过程正常回馈制动的物理过程: p

19、pt3页回想页回想010 ,ss转子有功电流反向转子有功电流反向 进入第进入第象限超同步速运转的发电回馈制动象限超同步速运转的发电回馈制动 思索电流断续为兰虚线思索电流断续为兰虚线能在第能在第象限次同步速区域内电开工况运转，象限次同步速区域内电开工况运转，能在第能在第象限超同步速区域内回馈发电制开工象限超同步速区域内回馈发电制开工况运转。况运转。 次同步速串调速系统的主要优点：次同步速串调速系统的主要优点： 在调速范围不大时，安装容量小在调速范围不大时，安装容量小 系统把大部份转差功率回馈给了电网，在系统把大部份转差功率回馈给了电网，在低速时的效率较转差功率耗费型的调速系统高低速时的效率较转差

20、功率耗费型的调速系统高 串调系统的主要缺陷串调系统的主要缺陷:异步电动机的功率因数本身不高，再加上安装的变换异步电动机的功率因数本身不高，再加上安装的变换电路及逆变变压器的任务都要从电网中吸收无功功率电路及逆变变压器的任务都要从电网中吸收无功功率 。PPsPs13. 次同步速串级调速系统次同步速串级调速系统 回馈制动时的能量传送简图回馈制动时的能量传送简图 回馈制动发生区域：第回馈制动发生区域：第象限超同步速的区域象限超同步速的区域系统的功率因数低。系统的功率因数低。转差功率转差功率Ps的流向：二种工况下串调安装都的流向：二种工况下串调安装都是吸收转差功率并把它回馈到电网中去是吸收转差功率并把

21、它回馈到电网中去 。=转差功率回馈型！转差功率回馈型！PPF(1 -s)PsPb )a )P(1 -s)PsP63 超同步速串级调速系统超同步速串级调速系统 6.3.1 超同步速串级调速的任务原理超同步速串级调速的任务原理1. 1. 超同步速串级调速系统主电路构成超同步速串级调速系统主电路构成 2VR任务在可控整流形状任务在可控整流形状 901VR任务在有源逆变形状任务在有源逆变形状 90串调安装的能量可双向传输：串调安装的能量可双向传输：电机转子输出电机转子输出PSPS相当于次同步速系统相当于次同步速系统 知晓：知晓：1VR1VR整流，整流，2VR2VR逆变；逆变；输入能量这时输入能量这时P

22、sPs为负为负 超同步速系统特有！超同步速系统特有！Ps为负，为负，1为正，那么为正，那么T与与s中必定是一正一负。中必定是一正一负。 0T 0s 电动机在第电动机在第象限中的象限中的 0nn区域内，作电动运转区域内，作电动运转 超同步速系统的超同步电动运转超同步速系统的超同步电动运转 0s T为负，成为制动转矩为负，成为制动转矩 在第在第象限中的象限中的 区域内，作制动运转区域内，作制动运转 0nn2.2.从转矩公式看任务原理从转矩公式看任务原理 次同步速调速系统中的不控次同步速调速系统中的不控整流桥改成了可控整流桥整流桥改成了可控整流桥TI控制系统SE21VR2VRMA2i111emems

23、PsPPTss超同步速调速系统在第超同步速调速系统在第象限中的象限中的 区域内回馈发电制动的运转区域内回馈发电制动的运转 0nn1当可控整流桥当可控整流桥1VR在作有源逆变运转时，在作有源逆变运转时，与与 的相位差必定大于的相位差必定大于90 ,即即 反向。反向。有源逆变的电有源逆变的电压与电流波形压与电流波形 2I2sE 2在在S0的次同步速区域运转时，的次同步速区域运转时，超同步速系统的次同步速制动态，超同步速系统的次同步速制动态，1VR逆变逆变 3. 3. 从物理概念看任务原理从物理概念看任务原理 TI控制系统SE21VR2VRMA2i2sE2TI定子旋转磁势相对于转子是正转定子旋转磁势

24、相对于转子是正转与与 同向，那么产生正转同向，那么产生正转矩矩2TIsE2与与 反向，那么产生制动转反向，那么产生制动转矩矩2TIsE2次同步速系统的电动态，次同步速系统的电动态，1VR整流整流 假设假设1VR从整流从整流 有源逆变有源逆变 ： 反向，反向，T 反向，电动反向，电动 制动，从制动，从象限到象限到 象限象限2TI 3在在S0s0的运转形状进入的运转形状进入s0s0的运转形状的运转形状 a当电机在的次同步速运转时，假设使当电机在的次同步速运转时，假设使1VR转入有源逆变，转入有源逆变， 电动机将进入第电动机将进入第象限制动运转，转速反而下降象限制动运转，转速反而下降 。 b当电动机

25、的转速在理想空载同步转速当电动机的转速在理想空载同步转速n0附近时，附近时， 的频率很低，的频率很低， 幅值很小，它缺乏以使有源逆变桥实现可靠的换流幅值很小，它缺乏以使有源逆变桥实现可靠的换流 2sE缘由？缘由？理想空载同步转理想空载同步转n0n0上下的一段转速区域将是串调系统所无法上下的一段转速区域将是串调系统所无法“穿越的区域。穿越的区域。 6.3.2超同步速串调系统的控制原理及能量传送超同步速串调系统的控制原理及能量传送1控制原理控制原理22201coscosTUsE 调理调理 或或 均可改动均可改动s，实现超同步速系统的调速运转。，实现超同步速系统的调速运转。21普通是固定其中一个，调

26、理另一个：普通是固定其中一个，调理另一个： 固定固定1sn 固定固定1ns2为了充分利用逆变变压器及提高功率因数，固定为了充分利用逆变变压器及提高功率因数，固定 调理调理 较为有利较为有利2min120122coscosTsEU正常运转时，为使电流不太大，必有正常运转时，为使电流不太大，必有 ，得：，得：0diUU2 把超同步速串调系统与次同把超同步速串调系统与次同步速串调系统在不同区域任务步速串调系统在不同区域任务的能量传送简图按其任务区域的能量传送简图按其任务区域都画在同一坐标平面内如图：都画在同一坐标平面内如图： 2能量传送关系能量传送关系次同步速系统制动超同步速系统电动超同步速系统制动

27、次同步速系统电动PPPsPs1nsPPsPP)s( 1P)s( 1sPPs10100nTPs1 1能量传送简图能量传送简图2 2超同步速串调系统电动时超同步速串调系统电动时 的输出功率讨论的输出功率讨论在输出最大转矩坚持不变的情况下，假设使异步电动机超同步速运转，可使电在输出最大转矩坚持不变的情况下，假设使异步电动机超同步速运转，可使电机的输出功率大于电机的额定功率。这是超同步速串级调速系统的最大优点。机的输出功率大于电机的额定功率。这是超同步速串级调速系统的最大优点。 定子侧输入功率定子侧输入功率 P P，最大为，最大为PNPN转子侧输入功率转子侧输入功率 Ps,Ps,最大为最大为PN(S=

28、-1PN(S=-1时时) )两者之和送给负载，最大为两者之和送给负载，最大为2PN 这类电机调速系统又称这类电机调速系统又称“双馈调速系统双馈调速系统 超越电机额定功率部份的功率是从转子回路输入的超越电机额定功率部份的功率是从转子回路输入的 3 3超同步速串调系统的优点超同步速串调系统的优点6.3.3 双馈同步伐速系统双馈同步伐速系统TI控制系统SE21VR2VRMA2i 假设假设1VR由有源逆变桥改为无源逆变桥，由有源逆变桥改为无源逆变桥，那么功率变换器是一台输出频率可由指令信号那么功率变换器是一台输出频率可由指令信号给定信号控制的他控式交给定信号控制的他控式交-直直-交或交交交或交交变频器

29、变频器 。 定子电源的频率定子电源的频率f1 ，同步转速同步转速 n1 ，正向旋转。，正向旋转。 转子输入经变频器变换后的电压、电流频率为转子输入经变频器变换后的电压、电流频率为 f2 ，所产生的旋转磁场相对转子的转速为所产生的旋转磁场相对转子的转速为n2 。1. 构成构成2. 任务原理任务原理定义转向正向为逆时针方向定义转向正向为逆时针方向 ，02f即转子通入一个直流时，即转子通入一个直流时， 1nn 控制量控制量f2f2固定不变时，其机械特性是一条与同步电动机一样的程度直线。固定不变时，其机械特性是一条与同步电动机一样的程度直线。 这类电动机在构造方式上是异步电动机，但实践上却是在定、转子同时通不这类电动机在构造方式上是异步电动机，但实践上却是在定、转子同时通不同频率交流电的按同步电动机方式运转的同步电动机。也存在与同步电动机完全同频率交流电的按同步电动机方式运转的同步电动机。也