电力拖动控制系统·马志源 第06章.ppt

增大，必然使s增大，才能在新的s下使拖动系统在新的稳态运行。,61 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,1绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速原理,从异步电动机电磁转矩参数表达式看,串电阻调速即改变r2，r2 改变，只要r2/s不变，则 T 不变。,第6章 绕线转子异步电动机的串级调速系统,串电阻调速可通过分析转子回路电流来认识其调速的物理过程,从电磁转矩的物理表达式看,电磁转矩T只与转子回路中的有功电流 成正比,拖动系统达到降低速度后的新的平衡状态,r2,I2T,T,n,s,T回到原值与负载转矩平衡,频率折算,可知，转子回路串电阻调速的物理本质是改变转子回路的电流来改变转矩，从而达到调速的目的。,绕线式是异步电动机转子回路串入附加电动势,2串级调速原理,串级调速：在转子回路中串入一附加电势 来改变转子回路电流，同样可改变电机的转矩，从而达到调速的目的。,T,n,s,I2T回到原值降速过程结束,I2T,I2T,T,I2回落,s减小到零,I2T仍比原有的大,电机冲过同步转速点s0,定子旋转磁势相对于转子转向由正转变成反转,I2T回到原值,电机达到超同步速的新稳态工作点,超同步速串级调速系统,1）相位相反时,2）相位相同时,吸收有功功率,n,s,次同步速串级调速系统,3附加电势获得的方法,次同步速串级调速系统主电路,附加电势吸收电机转子送来的转差功率Ps,这部份能量可通过有源逆变送回电网,转子电势经不控整流桥VR整流成直流，再经逆变桥VI把能量通过逆变变压器TI送回电网。,调速系统类型：转差功率回馈型,附加电势输出有功功率给电机转子,不控整流桥改为可控整流桥，使交直交变频系统的能量反过来传输，2VR作为可控整流，1VR作为有源逆变,为使Eadd和E2s的频率相同、相位相同，1VR应是有源逆变电路，而不是无源逆变电路,6.1.2 绕线式异步电动机串级调速系统的类型及其控制原理,串级调速,次同步速串调系统,超同步速串调系统,运行原理及控制原理与串级调速非常接近，但属转差功率消耗型。,1斩波变阻调速系统,控制系统采用转速、电流双闭环形式,反馈比较,速度调节器ASR的输出取为电流指令，控制转子电流,电流调节器的输出作为PWM占空比的控制电压 Uct，控制占空比，改变电阻值。,斩波变阻调速系统,调节过程：,2次同步速串级调速系统,控制有源逆变桥VI的逆变角,控制转子电流,控制电动机的转矩以实现调速,3超同步速串级调速系统,为了控制转矩T的大小，应控制转子回路电流的大小,通过控制逆变桥1VR的逆变角,或（和）控制整流桥2VR的控制角来实现,通常固定其中一个、调节另一个以调节转子回路电流的大小,4早期的电气串调,5早期的机械串调,直流电动机MD与绕线异步电动机MA同轴联接，把直流电动机得到的转差功率直接送给负载输出,调节MD的励磁电流就可以调速，异步电动机的输入功率最终都输出给了负载,电动机的最大输入功率是恒定的，系统在降速运行时，系统（含直流电动机）的最大输出功率不变，称恒功率调速系统,拖动恒转矩负载时，若转速下降，负载的功率下降，则电机的输入功率也跟着下降，所指的恒功率是其所能够输出的最大值,62 次同步速串级调速系统,串调装置主电路（交直交变频电路）,不控整流桥VR,平波电抗器,有源逆变桥VI,逆变变压器TI,控制系统为转速、电流双闭环控制 系统,6.2.1 次同步速串级调速系统的构成,电流反馈信号也可在直流侧采样得到,6.2.2 串级调速系统的机械特性,相当于直流侧在平波电抗器后面短路，也即不串入附加电势,电动机机械特性近似于固有机械特性,但转子电流还流经整流二极管及平波电抗器，相当于在转子回路中串入了与二极管管压降相当的一电阻及把电抗器折算到交流侧的一个等效电感。,电阻的串入，使机械特性稍软,电抗的串入，使最大转矩减小,固定 为某一个确定值1，可得到一条人为机械特性曲线,在不同的 角下，机械特性是一组平行的曲线,（1）空载转差率s0（空载转速n0),（2）特性曲线直线段的斜率与最大转矩,等效电路图,解得,电流连续时,逆变角 减小，空载转差率s0 增大,电流断续时,只有当三相整流电压ud 波形中的最高点，低于ui 波形的最低点时,电流才会真正为零。,电流断续后的机械特性将上翘，S0 将变小,6.2.3 逆变变压器,把串调装置主电路与交流电网隔离，以抑制浪涌电压的影响,使电动机转子绕组的电压与电网电压相匹配,不同的电机，转子绕组开路电压不同。不同的调速系统，所要求的调速范围不同。设最大转差率,系统所需要到达的最小逆变角,设置的目的：,要电压相匹配的理由：,要电压相匹配的做法：,Ui的调节范围为,若Uimax太小，则移相范围太小。例：,若Uimax太大，则移相范围无法满足。例：,设置逆变变压器，使调速所需的min 即为逆变桥可靠工作的min，（一般为30），逆变变压器副方电压为：,6.2.4 串调系统的能量传递关系与效率,1能量传递关系,串调装置的损耗,回馈回电网的功率,略去一切损耗时,a)详细的,b)近似的,串调系统的能量传递简图,（次同步速系统电动工况）,2串调系统的效率,6.2.5 串调装置的容量与电机的起动,1串调装置的容量,串调装置：整个串调系统 除异步电动机以外的所有部件。,串调装置的容量（伏安容量）：功率变换器容量SV、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。,2）逆变变压器容量ST,逆变变压器的容量则应再放大一个由调速工况能到达的min引起的系数,串调系统的优点：在调速范围要求不大的场合，可以用一小容量的变换器 去控制一台大容量的异步电机。,以它所要传递的最大功率作为它的容量：,串调装置传输的最大功率是最大的转差功率 为,大风机、大水泵要求的调速范围一般都很小，这种情况下采用串级调速是最为有利的。,1）功率变换器容量SV,2异步电动机的起动问题,1）当串调装置的容量与异步电动机的容量相等或相当时,串调装置可取代起动电阻，利用串调装置使异步电动机在无冲击电流的情况下平稳起动，这时不需使用起动电阻R。（但这种情况极少）,2）装置容量与电动机容量相比相对较小的情况下,串调装置无法使电机从零速开始运行,这时仍需要用起动电阻来起动电机,起动时，合1C，用电阻R起动。当电动机转差率S小于Smax之后，先合上2C，使 在min下工作，再断开1C，起动完成。,停车时应先使装置脱开（2C断开），才能去切断定子侧的主电源。,起动、停车操作：,2C与1C必须有一个足够长的闭合重合区，以避免转子开路电压损坏晶闸管。,6.2.6 次同步速串级调速系统的回馈制动,定子绕组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,转子电流反向,转矩反向,进入第象限超同步速运行的发电回馈制动,2.次同步速串级调速系统 回馈制动,1时，在空载转差率S01时，Ud0Ui，Id0，电磁转矩为零。,若原动机使电动机的转速继续往上升，有：,T反向，制动转矩,1.异步电动机正常回馈制动的物理过程,转子功电流反向,进入第象限超同步速运行的发电回馈制动,（考虑电流断续为兰虚线）,次同步速串级调速系统，能在第象限的次同速区域内作电动工况运行，能在第象限的超同步速区域内作回馈发电制动工况运行。,次同步速串调速系统的主要优点：,在调速范围不大时，装置容量小,系统把大部份转差功率回馈给了电网，所以在低速时的效率较转差功率消耗型的调速系统要高,串调系统的主要缺点:,原因是异步电动机的功率因数本来就不高，再加上装置的变换电路及逆变变压器的工作都要从电网中吸收无功功率。,3.次同步速串级调速系统 回馈制动时的能量传递简图,回馈制动发生的区域：第象限中超同步速的区域,系统的功率因数低。,在二种工况下串调装置都是吸收转子送来的转差功率并把它回馈到电网中去。,63 超同步速串级调速系统,6.3.1 超同步速串级调速的工作原理,1.超同步速串级调速系统主电路构成,2VR工作在可控整流状态,1VR工作在有源逆变状态,串调装置的能量可双向传输：电机转子回路输出能量次同步速系统；输入能量（这时Ps为负）超同步速系统。,Ps为负，1为正，则T与s中必定是一正一负。,电动机在第象限中的,区域内作电动运行,超同步速系统的超同步电动运行工况,T为负，成为制动转矩,电动机在第象限中的 区域内作制动运行,2.从转矩公式看工作原理,仅把次同步速调速系统中的不控整流桥改成了可控整流桥，如右图。,超同步速系统,超同步速调速系统在第象限中的 区域内回馈发电制动的运行工况,1）当可控整流桥1VR在作有源逆变运行时，,与 的相位必定大于90,即 与 反向。,有源逆变的电压与电流波形,2）在S0的次同步速区域运行时，,超同步速系统的次同步速制动运行状态,3.从物理概念看工作原理,定子旋转磁势相对于转子是正转,与 同向，则产生正转矩,与 反向，则产生制动转矩,次同步速系统的正常电动运行状态,若1VR整流 1VR有源逆变，反向，T 反向，电动 制动，象限 象限,3）在S0的超同步速区域运行时，,定子旋转磁势相对于转子是反转,超同步速系统的超同步速电动运行状态,与 同向，则产生制动转矩,与 反向，则产生拖动转矩,正常的发电回馈制动运行状态,4.此电路不能使电动机从s0的运行状态进入s0的运行状态,a）当电机在的次同步速运行时，若使1VR转入有源逆变，电动机将进入第象限制动运行，转速反而下降。,b）当电动机的转速在理想空载同步转速n0附近时，的频率很低，幅值很小，它不足以使有源逆变桥实现可靠的换流,原因：,在理想空载同步转速n0上下的一段转速区域将是图示的串调系统所无法进入的区域。,6.3.2超同步速串调系统的控制原理及能量传递,1控制原理,调节 或 均可改变s，实现超同步速系统的调速运行。,一般是固定其中一个，调节另一个：,固定,固定,为了充分利用逆变变压器及提高功率因数，固定 调节 较为有利,正常运行时，为使电流不太大，必有，得：,把超同步速串调系统与次同步速串调系统在不同区域工作的能量传递简图按其工作区域都画在同一坐标平面内如图：,2能量传递关系,1）能量传递简图,2）超同步速串调系统电动时 的输出功率讨论,在输出最大转矩保持不变的情况下，若使异步电动机超同步速运行，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。,这类电机调速系统又称“双馈调速系统”,超过电机额定功率部份的功率是从转子回路输入的,3）超同步速串调系统的优点,6.3.3 双馈同步调速系统,若1VR由有源逆变桥改为无源逆变桥，则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-直-交（或交交）变频器。,定子电源的频率f1，同步转速 n1，正向旋转。,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n2。,1.构成,2.工作原理,定义转向正向为逆时针方向，,即转子通入一个直流时，,控制量f2固定不变时，其机械特性是一条与同步电动机相同的水平直线。,这类电动机在结构形式上是异步电动机，但实际上却是在定、转子同时通不同频率交流电的按同步电动机方式运行的同步电动机。也存在与同步电动机完全一样的问题，如转子的振荡、失步现象等。,n2为负时（站在转子上看为逆时针）,n2为正时（站在转子上看为逆时针）,，转子输出有功功率,，转子输入有功功率,3.称之为“双馈同步（特性）调速系统”,4.超同步串级调速系统称之为“双馈异步（特性）调速系统”,表现的特性是典型的异步机的特性，,5.采用交-交变频器的双馈调速系统（异步、同步）,双馈异步调速系统在同步转速上下的区域无法正常工作，而双馈同步调速系统会因失步导致系统抗冲击性负载的能力差。若在同步转速附近采用无源逆变的双馈同步调速，在其它区域采用有源逆变的双馈异步调速将是一种较好的方案。,6.双馈调速系统的主要优点：,可在、象限的任意转速下实现电动、制动，提高系统的动态响应性能。输出功率可大于电动机的额定功率，在超同步速区域中仍保持恒转矩特性。若选用合适的减速比，把所要求调速