第五章-交流调压调速系统和串级调速系统

Te U
2 1
交直流调速系统
•最大转矩公式 将（5-1）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出 对应于最大转矩时的静差率和最大转矩
sm
' R2 2 2 R1 1 ( Ll1 L'l 2 ) 2
2 3npU1
（5-2）
Te max
R R 2 2 ( L L' ) 2 21 1 1 1 l1 l2
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5、1
交流调速系统的分类
变极 有级调速 变频
1、异步电动机交流调速方式
调压
60 f1 n (1 S )n1 (1 S ) p
串电阻
电磁转差离合器
串级 根据转速公式可归纳出三类调速方法（原始的分类方法）：
变极对数p的调速、变电源频率f1调速及变转差率s调速。
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科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类： （1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能 而被消耗掉。 特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步 电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。 （2）转差功率回馈型调速系统——转差功率的少部分被消 耗掉，大部分通过变流装臵回馈给电网或者转化为机械能予 以利用。 特点：效率高。串级调速属该类系统。
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5.3 绕线式异步电动机串级调速系统
引言
转差功率的利用 众所周知，作为异步电动机，必然有转差 功率，要提高调速系统的效率，除了尽量减小转 差功率外，还可以考虑如何去利用它。 但要利用转差功率，就必须使异步电动机的 转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼 型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做 到。
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绕线式异步电动机
P1
绕线式异步电动 机结构如图5-13所示， 从广义上讲，定子功 率和转差功率可以分 别向定子和转子馈入， Ps 也可以从定子或转子 输出，故称作双馈电 机。 图5-13 绕线式异步电动机结构
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绕线式异步电动机转子串电阻调速
根据电机理 论，改变转子电路 的串接电阻，可以 改变电机的转速。 转子 串 电阻 调 速的原理如图所示 ，调速过程中，转 差功率完全消耗在 转子电阻上。
~
Pm
Pmech
Ps
图5-14 绕线式异步电动机串电阻调速
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（一）串电阻调速的原理 绕线式异步机在转子回路中串接电阻的调速原理：
I2
( R2 R f ) 2 sX 20
sE20
2
dn 0 n s I 2 Te dt 使Te TdL 达到新的平衡，但速度 已经降低，实现了调速 。 R f I 2 Te (Te TdL ) 0
• 参数定义
R1、R’2 ——定子每相电阻和折合到定子侧的
转子每相电阻； Ll1、L’l2——定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感； Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感； U1、1 ——定子相电压和供电角频率； s ——转差率。
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根据电机学原理，由图可推导出，
2、晶闸管三相交流调压电路 晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特 点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。
VT1
R
U
VT4
VT3
V
R
VT6 VT5
R
W
VT2
图5-6 三相全波星形联结的调压电路
图5-6 三相全波星形联结的调压电路
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电路正常工作的条件：
（1） 要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路，与电源电压 同步。 （2）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号相 位互差120°，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也 互差120°。 （3）同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲 相位应互差 180°。
• 可逆和制动控制
电路结构：
采用晶闸管 反并联供电 方式，实现 异步电动机 可逆和制动。
图5-9 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路
交直流调速系统 三、 闭环调压调速系统的组成及其静特性
1、 系统组成
采用普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，采 用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又 变软，因而当负载变化时静差率很大（见图5-3），开环控制 很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调 速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统。
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5.3.1 串级调速系统的原理及基本类型
异步电机运行时其转子相电动势为
E 2 sE20
式中 s — 异步电动机的转差率； E20 — 绕线转子异步电动机在转子不 动时的相电动势，或称转子开路电动势， 也就是转子额定相电压值。
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转子相电流的表达式为：
I2 sE20
2 R2 (sX 20 ) 2
式中
R2 — 转子绕组每相电阻；
X20 — s = 1时的转子绕组每相漏抗。
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1、转子附加电动势的作用
~
引入可控的交 流附加电动势
M 3~
E 2 sE20
I2
~ ~ ~
Eadd
附加电动势与转子 电动势有相同的频 率，可同相或反相 串接。
图5-17 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
交直流调速系统
有附加电动势时的转子相电流： 如图5-17所示，绕线转子异步电动 机在外接附加电动势时，转子回路的相电 流表达式
I2 sE20 Eadd R2 2 (sX 20 ) 2
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1、转子附加电动势的作用（续）

功率变换单元
由于转子电动势与电流的频率随转速 变化，即 f2 = s f1 ，因此必须通过功率变换 单元（Power Converter Unit—CU）对不 同频率的电功率进行电能变换。 对于双馈系统来说，CU应该由双向 变频器构成，以实现功率的双向传递。
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双馈调速的功率传输
异步电动机由电网供电并以电动状态运行时， 它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出 机械功率给负载，以拖动负载运行；
第五章 交流调压调速系统和 串级调速系统
第15讲
交直流调速系统
引言
1、交直流调速系统的格局


20世纪60年代以前 80% —— 交流定速运行 18% —— 直流可调速运行 2% —— 交流可调速运行 70年代以前直流占统治地位。

70年代开始电力电子技术的应用开创了交流可 调速传的新纪元。
目前，交流调速是调速领域的主要发展方向。
异步电机的电磁转矩公式
Te
2 ' 3npU1 R2 / s
m1
Pm

3np
1
' R2 ' I 22
s

' R2 2 1 Ll1 L'l 2 1 Rs s
2


2

（5-1）
当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的 平方成正比；
P1
M 3~
（1）转差功率输出状态
Pmech
Ps
CU
图5-16 绕线式异步电动机双馈调速的功率传输
交直流调速系统
（2）转差功率输入状态
当电机以发电状态运行时，它被拖着运转， 从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电 功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。
P1
M 3~
Pmech CU
Ps
图5-16 绕线式异步电动机双馈调速的功率传输
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3. 系统静特性
n n0
恒转矩负载特性
U*n1
A A’’
A’
U*n2
U*n3
Us min
O TL
UsN
T
图5-12 闭环控制变压调速系统的静特性
交直流调速系统
图5-12所示的是闭环控制变压调速系统的静 特性。当系统带负载在 A 点运行时，如果负载增 大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压， 从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A’。 同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到 定子电压低一些的工作点 A” 。按照反馈控制规 律，将A’’ 、 A 、 A’ 连接起来便是闭环系统的静 特性。
ua
b ub c uc
图5-7 晶闸管三角形连接的调压电路
负载
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• 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
~
TVC
M 3~
图5-8 采用晶闸管组成的交流调压器
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• 控制方式
图5-9 TVC的变压控制方式
交直流调速系统
+
U*n + -
GT ASR Un M 3~ Uc
~
n
TG
--
图5-10 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
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2、 系统静特性分析
ASR U*
n
-TL Uc
Ks
Us
n
n=f(U1,Te)
-
Un

图5-11 异步电机闭环变压调速系统的静态结构图
说明：n =f (Us, Te )是式（5-1）所表达的异步电机机械特 性方程式，它是一个非线性函数。

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• 交流力矩电机的机械特性
n n0
恒转矩负载特性 A B 0.5U1N C U1N
0.7U1N
O TL
Te
图5-3 高转子电阻电动机（交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性
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二、 异步电动机调压调速方法
调压调速的三种方法： 1.自耦调压器-----对小容量电机,体积重量大。 2.饱和电抗器----控制铁心电感的饱和程度改变串联阻抗，体积重量大。 3.晶闸管交流调压器-----用电力电子装置调压调速，体积小，轻便。
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双馈调速的基本结构
电网 K1
M
K2
TI
3~
功率变换单元
图5-15 绕线式异步电动机双馈调速的基本结构
交直流调速系统
在双馈调速工作时，除了电机定子侧 与交流电网直接连接外，转子侧也要与交 流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结 构上看，可认为是在转子绕组回路中附加 一个交流电动势。
交直流调速系统
从串电阻调速的原理中可获得串级调速的启发。
交直流调速系统

双馈调速的概念
所谓“双馈”，就是指把绕线式异步 电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕 组与其他含电动势的电路相连接，使它们 可以进行电功率的相互传递。 至于电功率是馈入定子绕组和/或转 子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈 出，则要视电机的工况而定。
（5-3）
交直流调速系统
S
n
0
Sm
n0
A C B
0.5U1N
D E
风机类负载特性
F
0.7U1N
U 1N
1 0
Te max
Te
图5-2 异步电动机在不同电压下的机械特性 图5-1 异步电动机在不同电压下的机械特性
交直流调速系统
为了能在恒转矩负载下扩大调速范围， 并使电机能在较低转速下运行而不致过热， 就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电 机在变电压时的机械特性绘于图5-3。 显然，带恒转矩负载时的变压调速范围 增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电 机又称作交流力矩电机。
根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管 触 发 的 次 序 为 VT1 、 VT2 、 VT3 、 VT4 、 VT5 、 VT6 、 VT1……，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。
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•型接法
这种电路接法要求电动机定子绕组为星形接法。另外，这 种电路负载上有偶次谐波。
ia a
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2、交流调速的特点
直流调速系统特点：

交流调速系统特点：

控制对象：直流电动机 控制原理简单，一种调速方式 性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化） 电机设计功率受限 电机易损坏，不适应恶劣现场 需定期维护
控制对象：交流电动机 控制原理复杂，有多种调速方式 电机无电刷，无换向火化问题 转速高、耐压高 容量大（交流电机本身容量大） 电机不易损坏，适应恶劣现场 体积小、重量轻，基本免维护 节能显著
图5-4 异步电动机调压调速方法
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三、 晶闸管交流调压电路
1、 晶闸管单相交流调压电路
、
交流输入
输出电压
1）电源正半周：VT1触发导通， 电源的正半周施加到负载上； 2）电源负半周：VT2触发导通， 电源负半周便加到负载上；
T2
图5-5晶闸管单相交流调压电路原理 和输出电压波形
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（3）转差功率不变型调速系统——调速过程中，转差功率 基本不变。
特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。
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5、2 异步电动机调压调速系统
一、交流异步电动机调压调速原理
L’l2
R1 Is
U1
Ll1 I’2
Lm Lm I0 R’r2/s
1
图5-1 异步电动机的稳态等效电路
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