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电力拖动自动控制系统第三十三讲 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 7.1.2异步电机双馈调速的五种工 况 忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的功率关系都可写作：Pm=sPm(1s)Pm （7-4）式中Pm从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率，sPm输入或输出转子电路的功率，即转差功率，(1s)Pm电机轴上输出或输入的功率。异步电动机双馈调速是通过控制转子中的转差功率大小与流向来实现对电动机转速调节的，由于附加电动势极性和大小的不同，s和Pm都可正可负，因而可以有以下五种不同的工作情况。1、电机在次同步转速下作电动运行工作条件转子侧每相加上与Er0同相的附加电动势+Eadd（EaddEr0），并把转子三相回路连通。运行工况电机作电动运行，转差率为0s1，此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子侧馈送给电网。式（7-4）可改写作：Pm|(1s)|Pm=sPm功率流程 图72 异步电机在转子附加电动势的工况及其功率流程 b）反转倒拉制动状态 3、电机在超同步转速下作回馈制动运行工作条件进入这种运行状态的必要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行。此时，如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与s1Er0反相的附加电动势+Eadd，电机将在比未串入+Eadd时的转速更高的状态下作回馈制动运行。运行工况电机处在发电状态工作，s 1，电机功率由负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。此时式（7-4）可改写成：|Pm|sPm|=|(1s)Pm|功率流程 图72 异步电机在转子附加电动势的工况及其功率流程 c）超同步速回馈制动状态 4、电机在超同步转速下作电动运行工作条件设电机原已在0s1作电动运行，转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd，轴上拖动恒转矩的反抗性负载。当接近额定转速时，如继续加大+Eadd电机将加速到的新的稳态下工作，即电机在超过其同步转速下稳定运行。运行工况电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成，电机处于定、转子双输入状态，其输出功率超过额定功率，式（7-4）改写成：PmsPm=(1s)Pm功率流程 图72 异步电机在转子附加电动势的工况及其功率流程 d)超同步速电动状态 5、电机在次同步转速下作回馈制动运行工作条件很多工作机械为了提高其生产率，希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间，因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入一定的+Eadd。要使之进入制动状态，可以在电机转子侧突加一个反相的附加电动势。运行工况在低于同步转速下作电动运行，Eadd由“+”变为“-”，并使|Eadd|大于制动初瞬的sEr0，电机定子侧输出功率给电网，电机成为发电机处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减速停车过程。电机的功率关系为：|Pm|=s|Pm|(1s)|(1s)Pm|功率流程 图72 异步电机在转子附加电动势的工况及其功率流程 e）次同步速回馈制动状态 6、五种工况小结五种工况都是异步电机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况a,b,c中，转子侧都输出功率，可把转子的交流电功率先变换成直流，然后再变换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率。转子输出功率的工况 图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元 转子输入功率的工况 图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元 7.2异步电机在次同步电动状态下的双馈系统串级调速系统 7.2.1串级调速系统的工作原理 1、基本思路如前所述，在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。2、对直流附加电动势的技术要求 首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。3、系统方案根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图7-4a中所示的功率变换单元CU2。按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图7-5所示，习惯上称之为电气串级调速系电气串级调速系统统（或称或称Scherbius系统系统）图7-5电气串级调速系统原理图 4、功率变换单元UR 三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势sEr0整流为直流电压Ud。UI 三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：可提供可调的直流电压Ui，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。6、工作原理起动A.起动条件对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后直流电流Id，为此，转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。B.起动控制控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。调速 调速原理：通过改变角的大小调节电动机的转速。调速过程停车串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。结论串级调速系统能够靠调节逆变角实现平滑无级调速系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。7.3异步电动机串级调速时 的机械特性概述在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量、分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。*7.3.1异步电动机串级调速机械 特性的特征1、理想空载转速在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。在串级调速系统中，电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。根据式（7-5），当系统在理想空载状态下运行时（Id=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成：K1 s0Er0=K2U2Tcos 其中，s0异步电动机在串级调速时对应于某一角的理想空载转差率，并取K1=K2，则 (7-6)理想空载转速方程由此可得相应的理想空载转速n0为：(7-7)式中nsyn 异步电动机的同步转速。特性分析从式（7-6）和式（7-7）可知，在在串串级级调调速速时时，理理想想空空载载转转速速与与同同步步转转速速是是不不同同的的。当改变逆变角时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。由式（7-5）还可看出，在不同的角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。2、机械特性的斜率与最大转矩串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。当电机在最高速的特性上（=90）带额定负载，也难以达到其额定转速。整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。这样，串级调速时的机械特性便如图7-7所示。图图7-7 7-7 异步电动机串级调速时的机械特性异步电动机串级调速时的机械特性 a)a)大电机大电机 b)b)小电机小电机 7.3.2异步电动机串级调速时的 转子整流电路从图7-5中可以看出，异步电动机相当于转子整流器的供电电源。如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。但是，两者之间还存在着一些显著的差异，主要是：1、整流电路的不同点 一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化；异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关；由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。2、转子整流电路 图7-8 转子整流电路 3、电路分析假设条件：（1）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏电流均可忽略；（2）转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷大，直流电流波形平直；（3）忽略电动机励磁阻抗的影响。换相重叠现象设电动机在某一转差率下稳定运行，转子三相的感应电动势为era、erb、erc。当各整流器件依次导通时，必有器件间的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠压降，如下图所示。换相重叠角根据电力电子技术中介绍的理论，换换相重叠角相重叠角为其中XD0 s=1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。（7-8）由式（7-8）可知，换相重叠角随着整流电流Id的增大而增加。当Id较小，在060之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。当电流Id增大到按式（7-8）计算出来的角大于60时，器件在自然换相点处未能结束换流，从而迫使本该在自然换相点换流的器件推迟换流，出现了强强迫迫延延迟迟换换相相现现象象，所延迟的角度称作强迫延时换相角强迫延时换相角p。由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路有两种正常工作状态。转子整流电路的工作状态 A第一种工作状态的特征是060，p=0 此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。B第二种工作状态的特征是=60，0p 30这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态，p角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。C.当p=30时，整流电路中会出现4个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，此后p保持为30，而 角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状态。图7-9 转子整流电路的=f f(I Id d)p p=f f(I Id d)4、串级调速时转子整流电路的电流和电压 由于整流电路的不可控整流状态是可控整流状态当控制角为零时的特殊情况，所以可以直接引用可控整流电路的有关分析式来表示串级调速时转子整流电路的电流和电压。5、串级调速时转子整流电路的电压式中 为折算到转子侧的电动机定子和转子每相等效电阻。上两式中，当0p30，=60时表示转子整流电路工作在第二工作区；当p=0，=060时表示转子整流电路工作在第一工作区。课后思考1.异步电机双馈调速下有哪些？它们各自特点是什么？2.如何构成电气串级调速系统？它的工作原理原理及过程是什么？3.如何构成机械串级调速系统？工作原理是什么？4.串级调速系统的特征有哪些？5.5.串级调速时转子整流电路有哪些工作状态？形串级调速时转子整流电路有哪些工作状态？形成原因是什么？成原因是什么？