第三讲 交流调压调速系统原理及电路分析2010-0330

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n
0
60 f 1 = n p
式中,n0为同步转速(r/min);f1为定子电流 的供电频率(Hz);np为电动机的极对数
8
• 感应电动机 感应电动机:异步电动机转子之所以能受到电 磁转矩的作用,关键在于转子导条与旋转磁场 之间存在相对运动而产生电磁感应作用。 • 三种运行状态:电动运行、发电运行和制动运 三种运行状态: 行状态。
由导通区间可计算各相负载所获得的调 压电压,以A相正半周为例
ωt = 0o ~ 30o ,VT5 ,VT6导通,u RA = 0
ωt = 30o ~ 60o ,VT1 ,VT5 ,VT6导通,u RA = u A
1 ωt = 60 ~ 90 ,VT1 ,VT6导通,u RA = u AB 2 ωt = 90o ~ 120o ,VT1 , VT2 ,VT6导通,u RA = u A 1 o o ωt = 120 ~ 150 , VT1 , VT2导通,u RA = u AC 2 ωt = 150o ~ 180o ,VT1 ,VT2 ,VT3导通,u RA = u A
Ploss = PCus + PCur + PFe + P + P∆
异步电动机的效率通常在在75%至额定负载 时接近最大,轻载时效率明显下降。
20
三、异步电动机变压调速电路
变压调速是一种典型的转差功率消耗型调 速系统。 异步电动机降压调速 转差功率消耗型 转子回路串电阻调速 电磁转差离合器调速
21
18
2.4 异步电动机的功率流程
P1
Pe
PM
P2
PCus PFe
PCur
P
P∆
从定子传送到转子的电磁功率扣除转子铜 耗,使转子产生旋转运动的总机械功率 PM 机械损耗P 和杂散损耗 P∆ 轴上输出的净机械功率P2
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2.5异步电动机效率 异步电动机效率 异步电动机
异步电动机的效率η定义为输出功率P2与 定子侧输入功率P1的比值: P2 P2 η= = P P2 + Ploss 1
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2.3.4 转子铜耗
• 转子铜耗 Cur :电磁功率传送到转子以 转子铜耗P 后,在转子电阻上又产生了,其大小为
PCur = 3 I
式中,
'2 r
R r'
I r' 是转子电流折算至定子侧的有效值; ' R r 是折合到定子侧的转子相电阻。
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等效电路中的附加电阻损耗
I r'2 R r'
1− s s
第 二 章
闭环控制的异步电动机变压调速系统
—— 一种转差功率消耗型调速系统
主讲教师:杜春水
1
本 章 提 要 异步电动机变压调速原理及其电路分析 异步电动机改变电压时的机械特性 闭环控制的变压调速系统及其静特性 闭环变压调速系统的近似动态结构图 转差功率损耗分析 变压控制在软起动器和轻载降压节能运行 中的应用
2
一、调压调速原理
根据异步电动机的机械特性方程式
式中:
3 pU R / s Te = ω1[( R1 + R2' / s) + ω12 ( Ll1 + L'l 2 ) 2 ]
2 1 2
' 2
' R1 , R2 为定子每相电阻和折算到定子侧的转子 每相电阻;
Ll1 , L 为定子每相漏感和折算到定子侧
TON~TOFF 在不同导通周期负载上电压有效值为:
27
1 U1 = Ue 5 2 U2 = Ue 5 3 U3 = Ue 5 ......... 5 U5 = Ue = Ue 5
28
三相“Y”型调压电路分析
ia ua VT3 ub VT5 uc VT1 Ua0 a VT4 b N VT6 c VT2
o o
34
(3) α=60°情况下的 具体分析与α=30°时 分析相似。 导通特点:
①每个晶闸管导通120° ②每个区间均有两个晶 闸管构成回路。
uA
uB
π
uC
a)
ug b)
o
π/3
ωt
1 2 3 4 5 6
ωt
VT1 VT2 VT3 c) VT4 VT5 VT6
uRA
d) o
t1
t2
t3
ωt
图2-8 α=60°时A相脉冲分配图, 35 导通区间图和负载电压波形的波形
' l2
的转子每相漏感
3
一、调压调速原理(续)
U 1 , ω 1 为电动机定子相电压和供电角频率
p 为电动机的极对数;
s
为转差率;
可见,当转差率S一定时,电磁转矩与定子 电压的平方成正比,这说明不同的定子电压, 可以得到不同的人为机械特性,如图2-1。
4
一、调压调速原理(续)
s
sm
C
A B
D
风机泵类负载特性
RA RB RC
图2-5 三相Y型调压电路
29
(一)带纯电阻负载时的工作原理
1)电路特点 ① α=0°的确定:对应于正负半轴波形的过零点 ②每个脉冲的宽度T>=60 °(保证每个时刻至少有 两个管子导通。 ③触发规律 T1 T2 T3 T4 T5 T6
30
设系统已经工作,即 在T1的脉冲到来之前, T4,T5,T6导通 (1)分析α=0°时Y电 路的工作原理,此时N 点电位为0,触发T1, 则T1导通。
d)VT1
VT2

2
ωt
c)
0
ωt
iL
e)
π
θ
ωt
uL
f)
π
ωt
41
图2-14
当α很小或者负载电感量很大时;UL=Ui-----失控 需要研究θ=f(α,ωL,R)=f(α, ϕ )之间的关系,
由此.负载电压URA可以求出(正、负半周反向对称), 波形如图所示。
1 2 ωt = 30o ~ 90o ,VT5 ,VT6导通,u RA = 0 1 o o ωt = 90 ~ 150 ,VT1 ,VT6导通,u RA = u AB 2 1 o o ωt = 150 ~ 180 , VT1 , VT2导通,u RA = − u AC 2
• 代表实际电机中的总机械功率——物理意义。 • 因为机械功率与转速(或转差率)有关,且是 纯粹的有功输出,所以用一个与s有关的可变电 阻来模拟。
17
当异步电动机运行于电磁制动状态时,s > 1 则有
1 − s '2 ' I r R r 为负,因为转子的转向与气隙磁场转向相反, s 说明转子轴上输出的机械功率为负,即机械功率不是 输出而是输入。这种状态下电机既吸收机械功率也吸 收电功率,都转化为电机铜损耗。
•Y形接法
ia VT1 a ua VT3
a)
Ua0
R
VT4 b 0
R
ub VT5
VT6 c
uc
VT2
R
负载
22
•△形接法
ia ua b) ub c uc b 负载 a
图2-2 电路形式
23
• 交流变压调速系统可控电源
~
•利用晶闸管交流调 压器变压调速 •TVC——双向晶闸 管交流调压器
M 3~
6
所谓的调压调速,就是通过改变定子外加 电压来改变其机械特性的函数关系,从而达到 改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。
7
二 异步电动机的功率损耗与效率 2.1.同步转速定义: 同步转速定义: 同步转速定义 异步电动机旋转磁场的转速称为同步转速, 同步转速的大小与定子供电电流的频率和定子 的极对数有关,关系表达式:
32
uA
(2)分析α=30°时Y 电路的工作原理
ia
ua
VT3 VT1 a VT4 b N VT6 VT5 c VT2 RC R
B
uB
uC
a)
ωt
ug
b) o
URA
1
2
3
4
5
6
ωt
RA c) VT1
VT5 VT6
ub
VT2 VT3 VT4
d) uRA
uc
o
t1 t10 t2 t20
t3
ωt
33
图2-7 α=30°时的波形
TVC
图2-3 利用晶闸管交流调压器变压调速 24
控制方式 1)相位控制
u α ωt
25
控制方式 2)整周波控制(开关控制)
特点:无污染,功率因数高;不能实现无级调速
Ton~Toff<<机械时间常数Tm 1:10
26
如Tm=1s,则Ton~Toff<<100ms,以50Hz工作,则为5 个周期。
39
以单相为例
单相交流调压电路,以阻抗角 ϕ = arctan ωL 来表征电阻 电感负载的参数情况。
VT2 L
R
<1>分析一下电路的工作原理,画出相应的波形
iL
u1
VT1
uL
R
图2-13 (a)单相交流调压电路
40
u1 b)
π
ug 1
b)输入U1电压波形 c)触发脉冲 d)为晶闸管的导通区间 e)为负载电流波形 f)为负载电压波形
P1 = 3U s I s cos ϕ1
P1 是定子绕组的输入功率;
cos ϕ1 是定子绕组的功率因数。
Us是定子相电压;Is是定子相电流;
11
2.3.1 定子铜耗
• P1的一小部分消耗于定子电阻上的定子铜耗 PCus及定子铁心中的铁耗PFe。定子铜耗是定子 电流通过绕组时产生的热损耗,其大小为
P Cus = 3 I R s
uA
a)
u
B
u
C
ωt ug 1
b) o
2 3 4 5 6
ωt
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6
c)
uR d)
o
A
ωt
图2-6 三相全波星形联结调压电路 α=0°时的波形
31
①正向晶闸管T1,T3,T5在电源电压波形正半波的 起始点被触发导通 反向晶闸管T4,T6,T2在电源电压波形负半波的起 始点被触发导通 ②每个元件导通180°,半波过零点,自行关断 ③在每个60°区间有三个晶闸管同时导通。
uA
uB
π
uC
(4) α=90°情况
ia
ua
VT3 VT1 a VT4 b VT6 VT5 c VT2 RC R
B
a)
ug b) o
VT1 VT2 N VT3 c) VT4 VT5 VT6 6
π/2
ωt
1 2 3 4 5 6
URA
RA
ωt
ub
uc
uRA
d) o
t1
t2
t3
ωt
36
图2-9
α=90°情况
13
2.3.3 电磁功率
• 异步电动机的电磁功率 e:输入电功率减去定子 异步电动机的电磁功率P 铜耗、铁耗后所余下的大部分电功率借助于气隙 旋转磁场由定子传送到转子的功率。
• 由于总机械功率PM = (1-s)Pe,转子机械角速度Ω =(1-s)Ω0, 所以电磁转矩Te也可以写成
Te =
Pe
Ω0
ωt = 0o ~ 30o ,VT4 ,VT5导通,u RA = u AC
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小 结
电路移相范围为150°,为设计触发电路参考。
θ
150 120
电阻性负载:
如电炉子 电解过程 白炽灯
60
90
150
α
图2-12 移相角与控制角之间的关系
38
(二) 在电阻—电感性负载时
当交流调压电路的负载为交流电动机、变压器等电感 性负载时,晶间管的工作情况与电阻性负载时就不相同. 因为在电阻一电感性负载时,电路中电流的波形与电 压的波形不同相。当电源电压过零点时,由于电路自感 因此,晶闸管的导通角会增大,并由于晶间管是在电压 电势的作用使电流要滞后一个角度(时间)才能为零而去关 过零后经过一个延迟才关断,所以它是在承受反压情况下被 断晶闸管 关断的。显然此时晶闸管的工作不只与控制角有关。还与负 载电路的参数阻抗角有关。
9
2.2 转差率
定义: 定义:将同步转速n0与电机实际转速n的差值 与同步转速n0之比用百分数,用s表示:
n0 − n s= × 100% n0
• 额定转速下运转时转差率很低(1~5%); • 当n = 0时,转差率S=100%; • 当n>n0时,转差率为负值。
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2.3 功率损耗
• 异步电动机在带负载稳定运行时,由电 源输入到电动机定子的功率为:
=
PM

2πf1 同步机械角速度 Ω 0 = = np np
14
ω1
在工程计算中,机械功率PM由下式决定
P M = T e n / 9550
转子的电磁转矩Te的单位是N⋅m,n的单位是 r/min,转子的总机械功率PM的单位是kW,机械 角速度Ω,则电机输出的机械功率与电磁转矩和 则电机输出的机械功率与电磁转矩和 转速的乘积成正比。 转速的乘积成正比
0.5U1norm 0.7U1norm U1norm
F 1 0
TL TMax
Te
5
图2-1异步电动机在不同电压情况下的机械特性
一、调压调速原理(续)
带恒转矩负载TL时,可得不同的稳定转速,如 图2-1中得A,B,C点。由于普通异步电动机工作段 转差率S很小,因此对轻负载来说,调速范围很小。 S 但是,对风机泵类机械,由于其负载特性为 TL=kna(a>1),采用调压调速则可得到较大的调速范 围,如图2-1中的D,E,F点。
2 s
式中,Rs是定子每相电阻。
12
2.3.2 铁心损耗
铁心损耗是由于交变磁通在定、转子铁心 铁心损耗 中产生的磁滞及涡流损耗,其大小为
2 磁滞Baidu Nhomakorabea耗:PFe1 = k1 f1 B
PFe2 = k 2 f 12 B 2 涡流损耗:
铁损平均功率: 铁损平均功率 PFe = PFe1 + PFe2 = k1 f1 B 2 + k 2 f12 B 2 式中,k1、k2为铁心加工及磁密分布不均匀使铁 耗增加的系数;B为磁通密度.
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