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電力拖動自動控制系統(陳伯時)ppt7-2,3異步電機在次同.ppt

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7.2 異步電機在次同步電動狀態下的雙饋系統——串級調速系統 串級調速系統的工作原理 串級調速系統的其他類型 1學習要點: 串級調速系統性能的一般性討論: (1)起動 (2)調速  (3)停止。  重點、難點: 逆變器的控制作用。 2基本思路 在異步電機轉子回路中附加交流電動勢調速的關鍵就是在轉子側串入一個可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢? 對于只用于次同步電動狀態的情況來說,比較方便的辦法是將轉子電壓先整流成直流電壓,然后再引入一個附加的直流電動勢,控制此直流附加電動勢的幅值,就可以調節異步電動機的轉速。7.2.1 串級調速系統的工作原理 3 對直流附加電動勢的技術要求 首先,它應該是可平滑調節的,以滿足對電動機轉速平滑調節的要求;其次,從節能的角度看,希望產生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉子側傳遞來的轉差功率并加以利用。4 系統方案 根據以上兩點要求,較好的方案是采用工作在有源逆變狀態的晶閘管可控整流裝置作為產生附加直流電動勢的電源,這就形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。 按照上述原理組成的異步電機在低于同步轉速下作電動狀態運行的雙饋調速系統如圖7-5所示,習慣上稱之為電氣串級調速系統。 5圖7-5 電氣串級調速系統原理圖 系統組成6 功率變換單元UR — 三相不可控整流裝置,將異步電機轉子相電動勢 sEr0 整流為直流電壓 Ud 。UI — 三相可控整流裝置,工作在有源逆變狀態:可提供可調的直流電壓 Ui ,作為電機調速所需的附加直流電動勢;可將轉差功率變換成交流功率,回饋到交流電網。7式(7-5)Id和電動機轉子交流電流Ir之間有固定的比例關系,它近似地反映了電動機電磁轉矩的大小,β是控制變量8 工作原理(1)起動起動條件 對串級調速系統而言,起動應有足夠大的轉子電流 Ir 或足夠大的整流后直流電流 Id 。 轉子整流電壓 Ud 與逆變電壓 Ui 間應有較大的差值。9 起動控制控制逆變角 ? ,使在起動開始的瞬間,Ud與 Ui 的差值能產生足夠大的 Id ,以滿足所需的電磁轉矩,但又不超過允許的電流值,這樣電動機就可在一定的動態轉矩下加速起動。隨著轉速的增高,其轉子電動勢減少,必須相應地增大 ? 角以減小 Ui ,從而維持加速過程中動態轉矩基本恒定 。10工作原理(續)(2)調速調速原理:通過改變 ? 角的大小調節電動機的轉速。調速過程:??UiId?K1sEr0n?Te??Te = TL???????Id??11工作原理(續)(3)停車 串級調速系統沒有制動停車功能。只能靠減小 ? 角逐漸減速,并依靠負載阻轉矩的作用自由停車。 12結 論串級調速系統能夠靠調節逆變角 ? 實現平滑無級調速系統能把異步電動機的轉差功率回饋給交流電網,從而使扣除裝置損耗后的轉差功率得到有效利用,大大提高了調速系統的效率。13*7.3 異步電動機串級調速時的機械特性本節提要概述異步電動機串級調速機械特性的特征異步電動機串級調速時的轉子整流電路異步電動機串級調速機械特性方程式14概 述 在串級調速系統中,異步電動機轉子側整流器的輸出量Ud、Id分別與異步電動機的轉速和電磁轉矩有關。 因此,可以從電動機轉子直流回路著手來分析異步電動機在串級調速時的機械特性。15*7.3.1 異步電動機串級調速機械特性的特征1.理想空載轉速在異步電動機轉子回路串電阻調速時,其理想空載轉速就是其同步轉速,而且恒定不變,調速時機械特性變軟,調速性能差。在串級調速系統中,電動機的極對數與旋轉磁場轉速都不變,同步轉速也是恒定的,但是它的理想空載轉速卻能夠連續平滑地調節。16 根據式(7-5),當系統在理想空載狀態下運行時(Id = 0),轉子直流回路的電壓平衡方程式變成 其中,s0 — 異步電動機在串級調速時對應于某一? 角的理想空載轉差率,并取 K1 = K2,則 (7-6)17 理想空載轉速方程由此可得相應的理想空載轉速 n0 為: (7-7)式中 nsyn — 異步電動機的同步轉速。18 特性分析從式(7-6)和式(7-7)可知,在串級調速時,理想空載轉速與同步轉速是不同的。當改變逆變角 ? 時,理想空載轉差率和理想空載轉速都相應改變。由式(7-5)還可看出,在不同的 ? 角下,異步電動機串級調速時的機械特性是近似平行的,其工作段類似于直流電動機變壓調速的機械特性。 192.機械特性的斜率與最大轉矩 串級調速時,轉子回路中接入了串級調速裝置,實際上相當于在電動機轉子回路中接入了一定數量的等效電阻和電抗,其影響在任何轉速下都存在。 由于轉子回路電阻的影響,異步電動機串級調速時的機械特性比其固有特性要軟得多。 20 轉子回路電阻的影響當電機在最高速的特性上 (? = 90°)帶額定負載,也難以達到其額定轉速。整流電路換相重疊角將加大,并產生強迫延遲導通現象,使串級調速時的最大電磁轉矩比電動機在正常接線時的最大轉矩有明顯的降低。 這樣,串級調速時的機械特性便如圖7-7所示。 21 串級調速時的機械特性圖圖7-7 異步電動機串級調速時的機械特性a) 大電機 b)小電機 22 從圖7-5中可以看出,異步電動機相當于轉子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側,則轉子繞組相當于二次側,與帶整流變壓器的整流電路非常相似,因而可以引用電力電子技術中分析整流電路的一些結論來研究串級調速時的轉子整流電路。 但是,兩者之間還存在著一些顯著的差異。 *7.3.2 異步電動機串級調速時的轉子整流電路231. 轉子整流電路圖7-8 轉子整流電路 D0242. 電路分析假設條件(1)整流器件具有理想的整流特性,管壓降及漏電流均可忽略;(2)轉子直流回路中平波電抗器的電感為無窮大,直流電流波形平直;(3)忽略電動機勵磁阻抗的影響。 25 換相重疊現象 設電動機在某一轉差率下穩定運行,轉子三相的感應電動勢為 era、erb、erc。當各整流器件依次導通時,必有器件間的換相過程,這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用,產生換相重疊壓降,如下圖所示。26 換相重疊波形換相重疊壓降換相重疊角27 根據“電力電子技術” 中介紹的理論,換相重疊角為 換相重疊角(8-8) 其中 XD0 — s = 1時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。28 由式(7-8)可知,換相重疊角隨著整流電流 Id 的增大而增加。當 Id 較小,? 在0°~ 60°之間時,整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流,整流波形正常。29轉子整流電路的工作狀態 (1)第一種工作狀態的特征是 0 ≤ ? ≤ 60°, ?p = 0 此時,轉子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態,可稱之為。省略部分。(2)第二種工作狀態的特征是 ? = 60°, 0 < ?p < 30 ° 這時,由于強迫延遲換相的作用,使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態, ?p 角相當于整流器件的控制角,這一狀態稱作第二工作區。30 轉子整流電路的工作狀態(續) (3)當 ? = 30°時,整流電路中會出現4個器件同時導通,形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現象,此后 ?p 保持為30°,而 ? 角繼續增大,整流電路處于第三種工作狀態,這是一種非正常的故障狀態。31 轉子整流電流與? 、?p 間的函數關系 圖7-9 轉子整流電路的 ? = f ( Id ), ?p = f ( Id )Id1-232 串級調速時轉子整流電路的電流和電壓 由于整流電路的不可控整流狀態是可控整流狀態當控制角為零時的特殊情況,所以可以直接引用可控整流電路的有關分析式來表示串級調速時轉子整流電路的電流和電壓。(7-9)33 串級調速時轉子整流電路的電壓式中,RD = sRs? + Rr 為折算到轉子側的電動機定子和轉子每相等效電阻。 (7-10)34上兩式中當 0 < ?p < 30°, ? =60°時表示轉子整流電路工作在第二工作區;當?p = 0, ? = 0 ~ 60 °時表示轉子整流電路工作在第一工作區。35*7.3.3 異步電動機串級調速機械特性方程式 圖7-10 串級調速系統a)主電路b)等效電路 1. 電路結構362. 系統的穩態電路方程轉子整流電路的輸出電壓為逆變器直流側電壓電壓平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)37以上三式中 RL——直流平波電抗器的電阻; XT ——折算到二次側的逆變變壓器每相等效漏抗,XT = XT 1' + XT 2 。 RT ——折算到二次側的逆變變壓器每相等效電阻,RT = RT 1' + RT 2 。 383. 轉差率與轉速方程 解式(7-11)~式(7-13),可以得到用轉差率表示的方程式(7-14) 39 轉速特性方程 將 s = (n0 – n ) / n0代入上式,得到串級調速時的轉速特性為(7-15) 如令?p = 0,則式(7-15)就表示系統在第一工作區的轉速特性。40 分析式(7-15)可以看出,等號右邊分子中的第一項是轉子直流回路的直流電壓 (7-16) 第二項相當于回路中的總電阻壓降,可以寫作 Id R? ,而分母則是轉子整流器的輸出電壓。 41 等效電動勢系數公式 借用直流電動機的概念和有關算式,引入電動勢系數 CE ,使 (7-17) 42 轉速特性方程的直觀形式則式(7-15)可改寫成 (7-18) 其中, 43注意 在直流調速系統中,電動勢系數 Ce 是常數,但在串級調速系統中,CE是負載電流的函數,它是使轉速特性成為非線性的重要因素,故兩個符號的下角不同,以示區別。44兩種轉速特性的比較式(7-18)表明,異步電動機串級調速系統與直流它勵電動機的轉速特性在形式上完全相同,改變電壓即可得到一族平行移動的調速特性。 在直流調速系統中,須直接改變電壓 U;而在異步電動機串級調速系統中,它是通過改變式(7-16)第二項中的控制角 ? 來實現的。45兩種轉速特性的比較(續)在串級調速系統中總電阻 R? 較大,系統的調速特性較軟;對于?p ? 0 的第二工作區,計及?p 的影響,在同一逆變角? 下的電壓更小,相當于也發生變化,因而調速特性更軟。464. 電磁轉矩方程 轉差功率 可以從轉子整流電路的功率傳遞關系入手,暫且忽略轉子銅耗,則轉子整流器的輸出功率就是電動機的轉差功率 47 電磁轉矩公式而電磁功率 Pm = Ps /s,因此電磁轉矩為(7-19) ?0 —— 理想空載機械角轉速(rad/s ) ;CM—— 串級調速系統的轉矩系數, 式中 48因為,它也是電流 Id 的函數。與式(8-17)的電動勢系數 CE 相比可知, CM 和 CE 對 Id 的關系是一樣的。由于?0 =2?n0 /60,所以 (7-20) 可見, CM 和 CE的關系與直流他勵電動機中Cm 和 Ce的關系完全一致。495. 串級調速的機械特性方程 當串級調速系統在第一工作區運行時, ?p= 0 ,代入式(7-19),再令 dTe/dt = 0,可求出電磁轉矩的計算最大值Te1m,經過適當的數學推導,得第一工作區的機械特性方程式: 50第一工作區的機械特性方程式(7-21) ?s1m = s1m- s10 —— 在給定 ? 值下,從理想空載到計算最大轉矩點的轉差率增量; ?s1 = s- s10 —— 在相應的 ? 值下,由負載引起的轉差率增量;式中 51s10 —— 相應 ? 值下的理想空載轉差率;s1m—— 對應于計算最大轉矩Te1m的臨界轉差率:(7-22)52 Te1m —— 系統在第一工作區的“計算最大轉矩”。 由于在異步電動機串級調速時,負載增大到一定程度,必然會出現轉子整流器的強迫延遲換相現象,也就是說,系統必然會進入第二工作區。而 Te1m 是在 ?p= 0 的條件下由式(7-19)求得的,它只表示若系統能繼續保持第一工作狀態將會達到的最大轉矩。 53第二工作區的機械特性方程式(7-23)?s2m = s2m- s20 ——計及強迫延時換相,對應于某一?p 值時的轉差率增量; ?s2 = s- s20 ——在給定 ? 與?p值下,由負載引起的轉差率增量;式中54 s20——相應 ? 與 ?p 值下的理想空載轉差率:(7-24)而55注意 在用式(7-23)計算第二工作區的一段機械特性時,等號左邊分母中仍用Te1m ,這是為了使第一、二工作區的機械特性計算公式盡量一致,不要誤解為第二工作區的最大轉矩就是Te1m ,它具有另外一個最大轉矩Te2m 。 56 幾種最大轉矩的關系和計算 從異步電動機的銘牌數據可計算出額定轉矩TeN和正常運行時的最大轉矩Tem 。 對串級調速系統來說,有實用意義的是第一工作區的計算最大轉矩 Te1m 和第二工作區真正的最大轉矩 Te2m (可證明,Te2m 對應于?p= 15°)。還有第一、二工作區交界的轉矩值,稱作交接轉矩 Te1-2 。 57按照上面的推導,可得[40](7-25) (7-26) (7-27) 58 式(7-26)說明,異步電動機串級調速時所能產生的最大轉矩比正常接線時減少了17.3%,這在選用電機時必須注意。 另外,由式(7-27)可知,Te1-2 = 0.716 Tem,而異步電動機的轉矩過載能力一般大于2,即Tem ≥ 2TeN,所以當電動機在額定負載下工作時,還是處于第一工作區。 596. 異步電動機串級調速時的機械特性 圖7-11 異步電動機串級調速時的機械特性 s2060
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