异步电动机的串级调速.pptx
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1、10 四月 2024 串级调速的原理与基本类型串级调速的原理与基本类型 一一.串级调速的原理串级调速的原理 二二.串级调速的基本运行状态及功率关系串级调速的基本运行状态及功率关系 三三.串级调速系统的基本类型串级调速系统的基本类型10 四月 2024 绕线型异步电动机的转子绕线型异步电动机的转子10 四月 2024 绕线型异步电动机的转子绕线型异步电动机的转子集电环集电环 10 四月 2024 三相绕线型异步电动机示意图三相绕线型异步电动机示意图 转子三相绕组接成转子三相绕组接成 Y 形形 短接或短接或外接对称电阻等外接对称电阻等 10 四月 2024一一一一.串级调速的原理串级调速的原理串级
2、调速的原理串级调速的原理 问题的引入:转子串电阻调速分析转子串电阻调速分析 我们知道,对于绕线转子异步电动机,可以在其转子回路串入电阻来我们知道,对于绕线转子异步电动机,可以在其转子回路串入电阻来我们知道,对于绕线转子异步电动机,可以在其转子回路串入电阻来我们知道,对于绕线转子异步电动机,可以在其转子回路串入电阻来减小电流,增大转差率,从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方减小电流,增大转差率,从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方减小电流,增大转差率,从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方减小电流,增大转差率,从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方法。法。法。法。优点优点优点
3、优点:简单方便简单方便简单方便简单方便 主要缺点:主要缺点:主要缺点:主要缺点:1.1.低效率低效率低效率低效率 R R2F2FI I2 2T Te en n 实现调速;但实现调速;但实现调速;但实现调速;但 n ns s转差功率转差功率转差功率转差功率P Ps s=s.=s.P Pemem,大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉,因此不适合对大容大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉,因此不适合对大容大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉,因此不适合对大容大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉,因此不适合对大容量电机降速,对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运
4、行。量电机降速,对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。量电机降速,对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。量电机降速,对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。10 四月 2024*转速越低,转差越大,电转速越低,转差越大,电阻发热越多,效率越低。阻发热越多,效率越低。10 四月 2024 基本结论:基本结论:串入电阻越大,转速越低,转差就越大,串入电阻越大,转速越低,转差就越大,机械功率在电磁功率中所占的比率就越低,效率机械功率在电磁功
5、率中所占的比率就越低,效率越低。越低。n问题:问题:如何在改变转子电流的基础上,提高技术如何在改变转子电流的基础上,提高技术性能和经济性能?性能和经济性能?2.调速时,其机械特性随着转子回路附加电阻增加而变软,大大降低了调速调速时,其机械特性随着转子回路附加电阻增加而变软,大大降低了调速精度。精度。3.实际应用中,由于串入转子回路的附加电阻级数有限,无法实现平滑调速。实际应用中,由于串入转子回路的附加电阻级数有限,无法实现平滑调速。10 四月 2024s=1s=1时转子开路相电动势时转子开路相电动势时转子开路相电动势时转子开路相电动势s=1s=1时转子绕组的相漏抗时转子绕组的相漏抗时转子绕组的
6、相漏抗时转子绕组的相漏抗 串级调速的基本原理是什么?串级调速的基本原理是什么?基本思路:基本思路:1.转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速;转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速;2.转子不串入附加电阻转子不串入附加电阻-改为串入附加电动势同样可实现调速;改为串入附加电动势同样可实现调速;3.将调速引起的转差功率损耗,回馈回电网或电动机本身,既提高效率、将调速引起的转差功率损耗,回馈回电网或电动机本身,既提高效率、又实现变转差率调速。又实现变转差率调速。4.该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。工作原理
7、:工作原理:三相异步电动机的转子感应电压为:三相异步电动机的转子感应电压为:式中:式中:转子电流为:转子电流为:10 四月 2024 将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 a.如串入的附加电势如串入的附加电势与转子感生电势与转子感生电势方向相反,频率相同方向相反,频率相同*这种向下调速的情况成为向低于同步速方这种向下调速的情况成为向低于同步速方向的串级调速。向的串级调速。b.如串入的附加电势如串入的附加电势与转子感生电势与转子感生电势方向相同,频率相同方向相同,频率相同*这种向上调速的情况称为向高于同步这种向上调速的情况称为向高于同步速方向的
8、串级调速。速方向的串级调速。10 四月 2024向低于同步速方向的串级调速向低于同步速方向的串级调速w串附加电动势之前:电机匀速转动,串附加电动势之前:电机匀速转动,I2,Te=Tl;w串附加电动势之后:串附加电动势之后:n 电机在转速电机在转速n处实现平衡,转速调为处实现平衡,转速调为n 。10 四月 2024向高于同步速方向的串级调速向高于同步速方向的串级调速w串附加电动势之前:电机匀速转动,串附加电动势之前:电机匀速转动,I2,Te=Tl;w串附加电动势之后:串附加电动势之后:n 电机在转速电机在转速n 处实现平衡,转速调为处实现平衡,转速调为n 。10 四月 2024二二二二.串级调速
9、的基本运行状态及功率关系串级调速的基本运行状态及功率关系串级调速的基本运行状态及功率关系串级调速的基本运行状态及功率关系串级调速系统基本运行状态:串级调速系统基本运行状态:四种四种n在转子侧引入一个可控的附加在转子侧引入一个可控的附加电动势,就可实现调速,这个调电动势,就可实现调速,这个调速过程必然在转子侧形成功率的速过程必然在转子侧形成功率的传递。传递。n在调节前后,转子电阻消耗功在调节前后,转子电阻消耗功率不变,但转差率率不变,但转差率s改变,即转差改变,即转差功率改变;功率改变;n功率的流向要么是从转子侧传功率的流向要么是从转子侧传输到与之相连的交流网或外电路输到与之相连的交流网或外电路
10、中,要么是从外面吸收功率到转中,要么是从外面吸收功率到转子中来。子中来。10 四月 2024说明电网向电动机定子输入的电磁功率说明电网向电动机定子输入的电磁功率Pem一部分变为机械功率一部分变为机械功率PM从电动机轴输出;另一部分变为转差功率从电动机轴输出;另一部分变为转差功率Ps通过产生通过产生0sl,Te e0,则,则 装置回馈给电网。装置回馈给电网。1.低于同步转速的电动运行状态低于同步转速的电动运行状态10 四月 20242.低于同步转速的回馈制动运行状态低于同步转速的回馈制动运行状态 说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率PM与从电网通过产生与从
11、电网通过产生装置输入的转差功率装置输入的转差功率Ps之和,都变为电磁功率之和,都变为电磁功率Pem,并通过电动机,并通过电动机定子回馈给电网。定子回馈给电网。0sl,Te0,则,则10 四月 20243.高于同步转速的电动运行状态高于同步转速的电动运行状态s0,Te0。则。则 说明从电网向电动机定子输入电磁功率说明从电网向电动机定子输入电磁功率Pem,同时从电网通过产生,同时从电网通过产生装置向电动机转子输入转差功率装置向电动机转子输入转差功率Ps。电动机把定子和转子同时吸收的。电动机把定子和转子同时吸收的电功率变为机械功率电功率变为机械功率PM从轴上输出。从轴上输出。10 四月 20244.
12、高于同步转速的回馈制动运行状态高于同步转速的回馈制动运行状态s0,Te0。则。则 说明电动机从轴上吸收机械功率说明电动机从轴上吸收机械功率PM,一部分变为电磁功率,一部分变为电磁功率Pem,通过定子回馈给电网;另一部分变为转差功率通过定子回馈给电网;另一部分变为转差功率Ps,通过产生,通过产生装置回馈给电网。装置回馈给电网。10 四月 2024可见,可见,三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。超同步串级调速系统系统装置复杂,费用高。超同步串级调速系统系统装置复杂,费用高。n实用的串级调速系统,一般采用低同步串级调速:实用的串级调速系统,一般采用低同步串
13、级调速:n将转子电路接整流电路;将转子电路接整流电路;n在直流回路中串入直流附加电动势;在直流回路中串入直流附加电动势;n通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。10 四月 2024 主要介绍主要介绍低同步串级调速系统低同步串级调速系统的基本类型。的基本类型。低同步串级调速系统,首先把转子交流能量通过二极管整流桥整低同步串级调速系统,首先把转子交流能量通过二极管整流桥整成直流电,在直流电路中串入可调直流电源,调节所串入的直流电源成直流电,在直流电路中串入可调直流电源,调节所串入的直流电源的电压对转子调速,并从直流附加电源将转差功率回馈电网。的电压
14、对转子调速,并从直流附加电源将转差功率回馈电网。从能量关系来说,低同步串级调速从能量关系来说,低同步串级调速电动电动状态的基本能量关系是串状态的基本能量关系是串入附加电势,吸收转子降速引起的转差功率,并将吸收的功率回馈电入附加电势,吸收转子降速引起的转差功率,并将吸收的功率回馈电网的过程。网的过程。按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为电气串级调速系电气串级调速系统统和和机械串级调速机械串级调速系统两大类。系统两大类。10 四月 2024 电气串级调速系统电气串级调速系统由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电源,由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电源,通
15、过控制逆变角控制转子转速,其交流侧通过逆变变压器接电网。通过控制逆变角控制转子转速,其交流侧通过逆变变压器接电网。呈现恒转矩机械特性。呈现恒转矩机械特性。10 四月 2024机械串级调速系统机械串级调速系统用直流电动机作为可控直流电源,用直流电动机作为可控直流电源,通过控制直流电动机的励磁控制转子转速。通过控制直流电动机的励磁控制转子转速。所吸收转差功率可以通过直流电动机与绕线电动机所吸收转差功率可以通过直流电动机与绕线电动机的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。具有恒功率调速的特性具有恒功率调速的特性 10 四月 2024 对于电气串级调速系统,
16、如忽略损耗,则电机轴上输出的转矩对于电气串级调速系统,如忽略损耗,则电机轴上输出的转矩为:为:对于机械串级调速系统,如忽略损耗,则电机轴上输出的机械功对于机械串级调速系统,如忽略损耗,则电机轴上输出的机械功率为:率为:结论:电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。结论:电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。结论:机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。结论:机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。常数常数常数常数10 四月 2024n低同步串级调速系统低同步串级调速系统n电气串级调速系统因效率高、技术成熟和低成本而获得广电气串级调速系统因效率高、技术成熟和低成本而获得广泛应用。泛应用
17、。n低同步机械串级调速系统的调速范围越大,所需直流电动低同步机械串级调速系统的调速范围越大,所需直流电动机容量也越大,只适用于大容量,调速范围小的恒功率生产机容量也越大,只适用于大容量,调速范围小的恒功率生产机械。机械。超同步串级调速系统超同步串级调速系统优点:效率高,而且能四象限运行,调速装置容量小,优点:效率高,而且能四象限运行,调速装置容量小,还可解决功率因数低的问题。还可解决功率因数低的问题。缺点:其主路和控制电路复杂,调速装置成本高,缺点:其主路和控制电路复杂,调速装置成本高,使用场合:适用于需要四象限运行,大容量的生产机械。使用场合:适用于需要四象限运行,大容量的生产机械。10 四
18、月 2024 一一.转子整流器的三种工作状态转子整流器的三种工作状态 二二.串级调速系统的调速特性串级调速系统的调速特性 三三.串级调速系统的机械特性与最大转矩串级调速系统的机械特性与最大转矩 低同步串级调速系统的机械特性低同步串级调速系统的机械特性10 四月 2024一一一一.转子整流器的三种工作状态转子整流器的三种工作状态转子整流器的三种工作状态转子整流器的三种工作状态 低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有源逆变低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有源逆变器,这两部分电路的整流或逆变器件的开关过程会受到负载电流的影响。器,这两部分电路的整流或逆变器件的
19、开关过程会受到负载电流的影响。负载电流较小时换流速度较快,而负载电流较大时器件的换流速度较慢,负载电流较小时换流速度较快,而负载电流较大时器件的换流速度较慢,换流速度慢会导致输出电压的降低,如果换流速度过慢甚至会引起电路故障。换流速度慢会导致输出电压的降低,如果换流速度过慢甚至会引起电路故障。下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。分析前提条件分析前提条件:(1 1)假设直流滤波电感足够大假设直流滤波电感足够大,转子整流器输出的直流电流平直。转子整流器输出的直流电流平直。(2 2)整流二极管没有管压降。整流二极管没有管压降。(
20、3 3)忽略电动机内阻对二极管换相的影响。忽略电动机内阻对二极管换相的影响。10 四月 2024分析注意事项分析注意事项:转子绕组感应电动势转子绕组感应电动势E2的幅值与频率都是转差率的幅值与频率都是转差率s的函数;的函数;折算到转子侧的漏抗值也是转差率折算到转子侧的漏抗值也是转差率s的函数;的函数;由于异步电机折算到转子侧的漏抗值比整流变压器的要大,换相由于异步电机折算到转子侧的漏抗值比整流变压器的要大,换相重叠现象严重,转子整流器会出现重叠现象严重,转子整流器会出现“强迫延迟导通强迫延迟导通”现象。现象。异步电机转子整流电路的工作与一般具有整流变压器的整流电路的异步电机转子整流电路的工作与
21、一般具有整流变压器的整流电路的工作极为相似,因此可以引用电力电子整流电路分析中已有的一些结工作极为相似,因此可以引用电力电子整流电路分析中已有的一些结论论,但是要看到它们两者之间存在着差异,主要是:但是要看到它们两者之间存在着差异,主要是:10 四月 2024(IdId较小,较小,的情况的情况 )1.1.转子整流器的第一工作状态转子整流器的第一工作状态特征:特征:转子电流较小,整流后直流电流转子电流较小,整流后直流电流Id也也较小;较小;二极管整流器换相迅速,两个二极管之二极管整流器换相迅速,两个二极管之间的换流重叠角间的换流重叠角较小。较小。重叠角重叠角 随转子电流或随转子电流或Id的增大而
22、增大,的增大而增大,第一工作状态的第一工作状态的小于等于小于等于600。10 四月 2024可见,可见,E20和和XD0确定时,确定时,Id越大,越大,越大,当越大,当 时,时,60o。第一工作状态的边界第一工作状态的边界时电压、电流波形时电压、电流波形由整流电路计算,得第一工作状由整流电路计算,得第一工作状态下的重叠角态下的重叠角计算公式:计算公式:式中,式中,Id整流电流平均值;整流电流平均值;E20 转子开路时的相电动势转子开路时的相电动势 有效值;有效值;XD0 折算到转子侧的每相漏折算到转子侧的每相漏抗抗(s=l时时)。10 四月 2024(I Id d较大,较大,不变,出现强迫延时
23、换相角)不变,出现强迫延时换相角)2.2.转子整流器的第二工作状态转子整流器的第二工作状态特征:特征:当重叠达到当重叠达到600,电流达到第一工作,电流达到第一工作状态最大电流(或一、二状态分界状态最大电流(或一、二状态分界电流电流Id1-2)以上,如果负载电流继)以上,如果负载电流继续增大,最初时重叠角会大于续增大,最初时重叠角会大于600,但稳定以后,两个二极管的重叠会但稳定以后,两个二极管的重叠会均匀地保持均匀地保持600不变,但所有二极管不变,但所有二极管的换流都被迫从自然换流点向后延的换流都被迫从自然换流点向后延迟一个角度迟一个角度 。电流越大,这个强迫延时换相电流越大,这个强迫延时
24、换相角就越大,但有:角就越大,但有:10 四月 20243.3.转子整流器的故障状态转子整流器的故障状态特征:特征:当重叠达到当重叠达到600、强迫延时强迫延时换相角达到换相角达到300时的电压电流波时的电压电流波形如右图所示。形如右图所示。如果负载电流继续增大,如果负载电流继续增大,重叠角又会大于重叠角又会大于600,但强迫延,但强迫延时换相角会保持时换相角会保持300不变。原因不变。原因是:即使前面两个管子换流未是:即使前面两个管子换流未换完,后面该导通的管子也会换完,后面该导通的管子也会承受正压而导通,这样,就会承受正压而导通,这样,就会出现共阴极管和共阳极管都在出现共阴极管和共阳极管都
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