第十章交流調壓調速及繞線型異步電動機的串級調速

2023/2/51

專業技術基礎課程。了解各類電機的基本結構。

理解電機中的能量轉換關系。

掌握電機穩態運行時的分析方法和運行性能。

理解電機穩態運行時各種參數的物理意義，并能熟練應用等效電路和相量圖。通過實驗，掌握電機的基本實驗方法和電機使用的基本技能。

教學目的1.掌握交流調壓調速的基本原理和系統構成。掌握交流感應電動機機械特性的建立方法。2.掌握雙饋調速的基本原理。熟練掌握串調系統的主要問題：效率、功率因數、調速范圍和逆變器的容量、起動方式。掌握串調系統的機械特性。掌握速度電流雙閉環串級調速系統的基本組成和工作原理。重點1.調壓調速的控制方法。2.串調系統的運行與設計。難點1.調壓調速控制的機理。2.串調系統的運行機理分析。2023/2/52教學內容第一節異步電動機的調壓調速第二節繞線型異步電動機的雙饋調速2023/2/53一、異步電動機穩態數學模型和調速方法1.異步電動機的機械特性圖10-2異步電動機簡化等效電路（忽略勵磁電流)10.1異步電動機的調壓調速2023/2/54簡化等效電路的相電流異步電動機傳遞的電磁功率

機械同步角速度

2023/2/55異步電動機的電磁轉矩（機械特性方程式）最大轉矩，又稱臨界轉矩

臨界轉差率：對應最大轉矩的轉差率2023/2/56當s很小時，忽略分母中含s各項轉矩近似與s成正比，機械特性近似為直線

異步電動機的機械特性式的分析當s較大時，忽略分母中s的一次項和零次項轉矩近似與s成反比，機械特性是一段雙曲線2023/2/57圖10-3異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性2023/2/582.異步電動機的調速方法與氣隙磁通由異步電動機的機械特性方程式可知，能夠改變的參數可分為3類：電動機參數、電源電壓和電源頻率（或角頻率）。（1）異步電動機的調速方法2023/2/59三相異步電動機定子每相電動勢的有效值忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降（2）異步電動機的氣隙磁通氣隙磁通

為了保持氣隙磁通恒定，應使

或近似為

2023/2/510保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調速方法稱作調壓調速。由于受電動機絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又稱作降壓調速。二、異步電動機調壓調速調壓調速的基本特征：電動機同步轉速保持額定值不變

氣隙磁通

隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調速。2023/2/511圖10-4晶閘管交流調壓器調速TVC——雙向晶閘管交流調壓器a)不可逆電路b)可逆電路1.異步電動機調壓調速的主電路2023/2/512可調

調壓調速的機械特性表達式電磁轉矩與定子電壓的平方成正比2.異步電動機調壓調速的機械特性理想空載轉速保持為同步轉速不變

2023/2/513臨界轉矩

隨定子電壓的減小而成平方比地下降臨界轉差率保持不變

2023/2/514圖10-5異步電動機調壓調速的機械特性異步電動機調壓調速的機械特性2023/2/515帶恒轉矩負載工作時，定子側輸入的電磁功率故電磁功率恒定不變，與轉速無關。

轉差功率

帶恒轉矩負載的降壓調速就是靠增大轉差功率、減小輸出功率來換取轉速的降低。增加的轉差功率全部消耗在轉子電阻上，這就是轉差功率消耗型的由來。2023/2/516增加轉子電阻值，臨界轉差率加大，可以擴大恒轉矩負載下的調速范圍，這種高轉子電阻電動機又稱作交流力矩電動機。缺點是機械特性較軟。圖10-6高轉子電阻電動機（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性2023/2/517圖10-7帶轉速負反饋閉環控制的交流調壓調速系統3.閉環控制的調壓調速系統2023/2/518圖10-8轉速閉環控制的交流調壓調速系統靜特性閉環控制的調壓調速系統靜特性2023/2/519三相異步電動機直接接電網起動時，起動電流比較大，而起動轉矩并不大。4.降壓控制應用中、大容量電動機的起動電流大，會使電網壓降過大，影響其它用電設備的正常運行。必須采取措施來降低其起動電流，常用的辦法是降壓起動。(1)軟起動器2023/2/520起動轉矩與電壓的平方成正比，起動轉矩的減小將比起動電流的降低更多，降壓起動時又會出現起動轉矩不夠的問題。降壓起動只適用于中、大容量電動機空載（或輕載）起動的場合。當負載轉矩一定時，輕載降壓運行有一個最佳電壓值，此時效率最高。2023/2/521為了減少輕載時的能量損耗，降低定子電壓可以降低氣隙磁通，這樣可以同時降低鐵損和勵磁電流。過分降低電壓和磁通，轉子電流必然增大，定子電流反而可能增加，鐵損的降低將被銅損的增加填補，效率反而更差了。當負載轉矩一定時，輕載降壓運行有一個最佳電壓值，此時效率最高。返回目錄（2）輕載降壓運行2023/2/522在雙饋調速工作時，繞線型異步電動機定子側與交流電網直接連接，轉子側與交流電源或外接電動勢相連，從電路拓撲結構上看，可認為是在轉子繞組回路中附加一個交流電動勢，通過控制附加電動勢的幅值，實現繞線型異步電動機的調速。一、繞線轉子異步電動機雙饋調速工作原理10.2繞線轉子異步電動機雙饋調速2023/2/523圖10-1繞線型異步電動機轉子附加電動勢的原理圖1.

繞線轉子異步電動機轉子附加電動勢的作用2023/2/524在繞線型異步電動機轉子側引入一個可控的附加電動勢，附加電動勢的幅值和頻率與交流電壓相同，相位與轉子電動勢相反，改變其幅值，就可以實現對電動機轉速的調節。轉子附加電動勢的作用2023/2/525圖10-2繞線型異步電動機在轉子附加電動勢時的工況及其功率流程a)次同步速電動狀態b)反轉倒拉制動狀態c)超同步速回饋制動狀態d)超同步速電動狀態e)次同步速回饋制動狀態CU——功率變換單元2.繞線轉子異步電動機雙饋調速的五種工況2023/2/526圖10-3繞線型異步電動機轉子側連接的功率變換單元繞線轉子異步電動機轉子側連接的功率變換單元2023/2/527將異步電動機的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。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10-3a中所示的功率變換單元CU2。二、繞線轉子異步電動機串級調速系統1.串級調速系統的工作原理2023/2/528圖10-4電氣串級調速系統原理圖2023/2/529系統在穩定工作時，整流后的直流回路電壓平衡方程式：

或 (10-5)

式中，、——UR與UI的電壓整流系數

上式近似地反映了電動機電磁轉矩的大小，可以看作是在串級調速系統中異步電動機機械特性的間接表達式 。2023/2/530起動控制逆變角β，使電動機可在一定的動態轉矩下加速起動。隨著異步電動機轉速的增高，其轉子電動勢減少，相應地增大β角以減小值，維持 基本恒定。當電動機加速到所需轉速時，不再調整β角，電動機即在此轉速下穩定運行。

工作原理2023/2/531調速 當增大β角使β=β2>β1，電動機在增高了的轉速下穩定運行。停車只能靠減小β角減小，并依靠負載阻轉矩的作用自由停車。工作原理2023/2/532三、串級調速的機械特性1.串級調速機械特性的特征理想空載轉速在串級調速系統中，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。其理想空載轉速n0為：在不同的角下異步電動機串級調速的機械特性是近似平行的。2023/2/533圖10-6異步電動機串級調速時的機械特性a)大電機b)小電機串級調速時的機械特性圖2023/2/534換相重疊2.串級調速的轉子整流電路

當Id

較小，在0°~60°之間時，各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處開始換流，到處結束換流，整流波形正常。當電流Id

大于60°時，出現了強迫延遲換相現象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角p

。2023/2/535（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。（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，使得整流電路類似處于可控整流工作狀態，p

角相當于整流器件的控制角。轉子整流電路的工作狀態2023/2/536（3）第三種工作狀態當p

=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，這是一種非正常的故障狀態。2023/2/537圖10-8轉子整流電路的

=f(Id)，p

=f(Id)

轉子整流電流與

、p間的函數關系2023/2/538轉子整流電路的電流和電壓(10-9)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。(10-10)2023/2/5393.串級調速機械特性方程式圖10-9串級調速系統的主電路及等效電路2023/2/540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(10-11)(10-12)(10-13)穩態電路方程2023/2/541

轉差率（10-14）

串級調速時的轉速特性為2023/2/542（10-17）

電動勢系數可改寫成

（10-18）

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。在異步電動機串級調速系統中，它是通過改變的控制角來實現的。2023/2/5430——理想空載機械角轉速(rad/s)

；CM——串級調速系統的轉矩系數，

（10-19）

電磁轉矩方程可見，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。2023/2/544第一工作區

(10-21)

機械特性方程式第二工作區

(10-23)第一、二工作區交界的轉矩值，稱作交接轉矩Te1-2。2023/2/545圖10-10異步電動機串級調速時的機械特性異步電動機串級調速時的機械特性2023/2/546四、串級調速系統的技術經濟指標1.串級調速系統的效率圖10-11串級調速系統效率分析a)系統的功率傳遞b)系統的功率流程圖

2023/2/547串級調速系統的總效率式中∑p

是異步電動機定子和轉子內的總損耗；

ptan

附加的串級調速傳動裝置損耗

。(10-28)2023/2/548=轉子回路串電阻調速的效率2023/2/549圖10-12電氣串級調速系統與轉子串電阻調速系統=f(s)的比較

兩種效率的比較2023/2/550

S—系統總的視在功率；Q1—電動機從電網吸收的無功功率；Qf—逆變變壓器從電網吸收的無功功率。式中(10-29)2.串級調速系統的功率因數一般串級調速系統在高速運行時的功率因數為0.6~0.65；在低速時可降到0.4~0.5（對調速范圍為2的系統）。這是串級調速系統的主要缺點。采用無功就地補償來解決。2023/2/551逆變變壓器的二次側相電壓

（11-32）（11-33）逆變變壓器的容量計算4.串級調速裝置的電壓和容量2023/2/552圖10-13雙閉環控制的串級調速系統

五、雙閉環控制的串級調速系統2023/2/553圖11-13所示的系統與直流不可逆雙閉環調速系統一樣，具有靜態穩速與動態恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動機轉子回路實現的。由于串級調速系統的轉子整流器是不可控的，系統本身不能產生電氣制動作用，減速過程只能靠負載作用自由降速。系統分析2023/2/554六、串級調速系統的起動方式1.間接起動為了使串級調速裝置不受過電壓損壞，將電動機轉子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉速升高到串級調速系統的設計最低轉速時，才把串級調速裝置投入運行。由于這類機械不經常起動，所用的起動電阻等都可按短時工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動換接到串級調速可以利用對電動機轉速的檢測或利用時間原則自動控制。2023/2/555圖10-20串級調速系統間接起動控制原理圖間接起動原理圖2023/2/556(1)先合上裝置電源總開關S，使逆變器在min

下等