电力拖动控制系统 (2)

串调装置传输的最大功率是最大的转差功率 为 SVsm axP N1D 1P N
功率变换器的容量与调速范围有正关联的关系，调速范围越大，所需的容量越大。
2〕逆变变压器容量ST ST3U2TI2T
ST那么应在Sv的根底上再放大一个系数1.15〔由βmin引起的----平安逆变所必须的〕
S T 3 c s o m s a x E m 2 i 0 n I 2 c o s s m 3 a x 0 3 E 2 0 I 2 1 .1 5 s m a x P N
拖动系统到达降低速度 后的新的平衡状态
T回到原值与负 载转矩平衡
转子回路串电阻调速的物理本质： 改变转子回路的电流来改变转矩，实现调速。
Tm 1p 1
U 1 2r2 /s r1r2 /s2xK 2
思考：还有什么方法能直 接改变转子电流的大小
2．串级调速原理
转子回路中串入附加电势 Eadd来改变转子回路电流 ，改变电机的转矩，从而实现调速 。
E 2S I2
E add
E 2S
R 2
I2 E add
I2
sE20Eadd r2jsx2
a)
b)
绕线式异步电机转子回路串附加电动势
1〕 Eadd与 E2s 相位相反： Eadd 吸收有功功率
次同步速串级调速系统
Ead串 d 入 I2T
T
ns
I2T升回原值，降速过程完毕
2〕 Eadd与 E2s 相位一
同步转速空 n1) 载I时 d 0
R2 Ud
Ud0 Ui0 U d02.34s0E20
s0|1U2TE c2o0s 1 Ud0 +-
Ui +- Ui0
U i02.34U 2Tcos1
U2T一定时β1 越小， Ui0越大，s0越大
Sn
0 n0
S0=0 90
固有机械特性
〔2〕求最大转矩Tm和Sm〔曲线直线段斜率〕
➢ 附加电势输出有功功率给电机转子
➢ 不控整流桥改为可控整流桥，使交直 交变频系统的能量反过来传输，2VR作 为可控整流，1VR作为有源逆变
➢ 为使Eadd和E2s的频率一样、相位 一样，1VR应是有源逆变电路，而不是 无源逆变电路
6.1.2 绕线式异步电动机串级调速系统的类型及其控制原理
串级调速 次同步速串调系统 超同步速串调系统
逆变桥交 流侧采样
直流侧采样
切换用接触器1C、2C
不控整流桥VR 平波电抗器L d 有源逆变桥VI
串调装置主电路〔交直交变频电路〕
6.2.2 串级调速系统的机械特
性nfT|1
~
MA
n
负载
固定β 为某确定值〔如β1〕可得
TI
到一条人为机械特性曲线
TG E2S
VR
Ld
VI
U2T
2C
I2T
1.90时 Ui 0
3．附加电势获得的方法
次同步速串级调速系统主电路
~
超同步速串级调速系统主电路
~
MA
TI
E 2S
i2
VR
VI
U do U i
MA
E 2 S i2
1VR
TI 2VR
控制系统
控制系统
➢ 附加电势吸收电机转子送来的转差功率Ps
➢ 这部份能量可通过有源逆变送回电网 ===属于转差功率回馈型
➢ 转子电势经不控整流桥VR整流成 直流，再经逆变桥VI把能量通过逆变 变压器TI送回电网 。
Un
U
* n
-
+
ASR
U
* i
+
Ui
Δ波
ACR U ct PWM t
ff
控制系统采用转速、 电流双闭环形式
速度调节器ASR的输出取为电流指令
U
* i
，控制转子电流
电流调节器的输出作为PWM占空比的控制电压 Uct，控制占空比，改变电阻值。
调节过程： U n U i U c t t R ' I 2 T n 反响比较
1．次同步速串级调速系统
~
MA
TI
E 2S
i2
VR
VI
U do U i
控制系统
控制有源逆变桥VI的逆变角ß
控制转子电流
控制电动机的转矩以实现调速
Ui
i2
T
n
2．超同步速串级调速系统
~
MA
E 2 S i2
1V R
TI 2V R
控制系统
为了控制转矩T的大小，
应控制转子回路电流的大小
通过控制逆变桥1VR的逆变角 1
或〔和〕控制整流桥2VR的控制
角 2 来实现
通常固定其中一个、调节另一个以调节 转子回路电流的大小
3．早期的电气串调〔略〕
4．早期的机械串调〔略〕
MA1 MB
Id
MD
If
MA2
MA MD
If Id
MB
-+
+
-
把绕线式异步电动机MA1转子的转 差功率经单枢换流机MB变成直流后 输出给直流电动机MD
S0max Smax
电流
1
断续区 0
TN
T T m4f1 r1m r 1 1p 21 U 2 x1x2 2 smr12(xr1 2x2 )2
2.1(90),电流连续时
转子回路直流侧的等效电路图
90
Ui 0 nfT|1
Re
RLd
〔1〕求解理想空载转差率s0〔注意空载转速n0 ≠
RD
Id R1
R
1
0
TL
a)
b)
TC Tm I2cos2
串电阻调速时转子回路电流的变化规律
电磁转矩T只与转子回路中的有功
电流 I2 TI2c o s2成正比 T I 2 r 2 E 2 js2 x s r 2 s E j 2s 2 0 x r 2 /s E 2j0 2 x
频率折算
r2
I2T
T
n
s
r2 / s回到原值
串电阻
Ps sPm
0 1
p p c 1 u p F p e c 2 u p s p m p ec
0.5
p1pC1upFe
p2pC2u ps
P 3P mecP
sc h P P i2n P m P m p 1 1 s s m p P 3p 2
0
s
6.2.5 串调装置的容量与电机的起动
~
P
PF
~
P
串调装置：整个串调系统〔除异步电动机〕的所有部件 1．串调装置的容量
(1-s)P sP a)
sP (1-s)P
b)
串调装置的容量〔伏安容量〕：功率变换器容量SV、逆变变压器容量ST 。
1〕功率变换器容量SV
以它所要传递的最大功率作为它的容量： P sm a x s m a x P m s m a x P N
6．2 次同步速串级调速系 统
6.2.1 次同步速串级调速系统的构成
绕线转子 异步电动 机MA
~
MA
TG E2S
测速信号取
自测速发电
机TG
1C
n
负载
VR
Ld
VI
2C
Ud Ui
i
*起动电阻R
+
R
Un*+- Un
A SR Ui*+ - Ui
A C R Uct
*逆变变压器TI
TI U2T I2T
控制系统为 转速、电流 双闭环
假设Uimax太小，那么β的移相范围太小。例：
假设Uimax太大，那么移相范围无法满足。例：
要电压相匹配的做法： 系统所需要到达的最小逆变角 cos mins0m U ax2TE20
设置逆变变压器，使调速所需的βmin 即为逆变桥可靠工作的βmin， 〔一般 为30º〕，逆变变压器副方电压为：
U 2Tsc 0o m a sxm E in 20sc 0 o m s ax 3 E 0 20
0．斩波变阻调速系统〔历史的回忆〕
运行原理及控制原理与串级调速接近，但
属转差功率消耗型。
斩波变阻调速系统
R T 1 sT o n 0 T o f fR T s T s T o n R ( 1 t) R
n MA
可变电阻 R
VF
Ld
TG
i2
W
W
UR R
斩波器
i
与原有转子回路转电 阻调速相比：三相电阻 变一个直流电阻，有级 调速 变为无极调速。
串调系统的优点：在调速范围要求不大的场合，可以用一小容量的变换器 去控制一台大容量的异步电机。
大风机、大水泵要求的调速范围一般都很小，这种情况最适宜采用！
调节MD的励磁电流就可以调速，异步电动 机的输入功率最终都输出给了负载
电动机的最大输入功率是恒定的，系统在 降速运行时，系统〔含直流电动机〕的最 大输出功率不变，称恒功率调速系统
拖动恒转矩负载时，假设转速下降， 负载的功率下降，那么电机的输入功 率也跟着下降，所指的恒功率是其所 能够输出的最大值
6．2 次同步速串级调速系统
电力拖动控制系统 (2)
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从物理表达式看到的：
~
ns
n0 0
P2
M
3~ nT
I2
再由直流电动机拖动另一台鼠笼异步 电机MA2，由MA2将功率送回电网
改变MD的励磁电流可改变直流电动 机反电势的大小，也即改变了直流 回路中的电流的大小
从而改变了单枢换流机的输入电流 即绕线转子电流的大小，达到调速 的目的 恒转矩调速系统
直流电动机MD与绕线异步电动机 MA同轴联接，把直流电动机得到的 转差功率直接送给负载输出
Ud
Ui
相当于直流侧在平波电抗
1C
i
器后面短路，不串入附加电势 R
机械特性近似于固有机械特性
Sn
0 n0
S0=0 90
固有机械特性
+
U
*
n+
-Hale Waihona Puke UnA SR Ui*+ - Ui
A C R Uct
0.2
S0=0.2
0.4
S0=0.4
0.6
S0=0.6
串调装置〔整流二极管及平波电抗器〕的影响： 等效为转子回路串入了电阻〔对应二极管管压降〕 ==?串电阻使机械特性稍软〔Sm变大〕 和串入等效电感〔把Ld折算到转子回路〕 ==?串电抗使最大转矩Tm减小
0.2
S0=0.2
1 与 变。 90 相比，转子回路的电阻与电抗不
两者的机械特性曲线斜率及最大转矩也不变。
0.4
S0=0.4
0.6
S0max Smax
S0=0.6
在不同的β 角下，机械特性是
电流
1
一组平行的曲线
断续区 0
TN
T
3. 1,
电流断续时
Re RD
R2 Ud Ud0 +-
RLd Id
Ui
R1
+- Ui0
~
MA
TI
E 2S
i2
VR
VI
U do U i
真正的理想空载是转子电流为零！
何时电流才会真正为零？ 只有当三相整流电压ud 波形中的最高点 高于ui 波形的最低点时。 所以真正的理想空载转速比上面推导的要大
控制系统
Sn
0 n0
S0=0 90
固有机械特性
电流断流对机械特性的影响？
0.2
串调系统的能量传递简图 〔次同步速系统电开工况〕
~
P
PF
~
P
(1-s)P
sP a)
sP (1-s)P
b)
2．串调系统的效率
schP Pi2nPinP inp
a) Pin
P1
Pm
Pmec
P2
1
pCu2 pFe
Ps
pCu2 p
PF ps
pmec
b) Pin
P1 Pm
Pmec P2 (1s)Pm
串调
Eadd 发出有功功率 超同步速串级调速系统
样：Ea
串入
dd
I2T
T
ns
E2s
I2回落
s减小到零
E2s 0
电机到达新 稳态工作点 〔超同步速
运行〕
I2T回到 原值
E2s与Eadd变成 电机冲过同步 反向串联 转速点s<0
I2T仍比原有的大 E2s反向
定子旋转磁势相对于转子转向由正转变成反转：
转子跑得比同步磁场快！
6.2.4 串调系统的能量传递关系与效率
1．能量传递关系
a) Pin b) Pin
P1
Pm
Pmec
P2
pCu2 pFe P1 Pm
Ps pCu2 p
PF ps
pmec
Pmec P2 (1s)Pm
Ps
串调装置的损耗
PF
回馈回电网的功率
a) 详细的
b) 近似的 略去一切损耗时
Ps sPm
P1 Pm PmecP2 Ps PF
为什么要电压要相匹配？
不同的电机，E20不同。
MA
TI
E2S i2 VR
VI
U do U i
不同调速系统所要求的D不同, 也即最大转差率 Smax不同。
控制系统
所以Udo 的变化范围在工程中难以确定。
另一方面假设逆变电源不能调节会出现是Ui难以与Udo匹
U d02.34s0E20
配
Ui的调节范围必需 U i 0 ~ s 0 m a x E 2 00 ~ U i m a x U i02.34U 2Tcos1
S0=0.2
回忆第二章ppt8：
0.4
S0=0.4
V-M系统中反电势的影响！
0.6
S0=0.6
S0max
电流断续后的机械特性
Smax
将上翘， S0 将变小
电流
1
断续区 0
TN
T
6.2.3 逆变变压器 设置的目的：
~
〔1〕把串调装置主电路与交流电网 容易理解！ 隔离，以抑制浪涌电压的影响；
〔2〕使电动机转子绕组的电压与电网电压相匹配
6.2.1 次同步速串级调速系统的构成 6.2.2 串级调速系统的机械特性 又一人工机械特性〔β不变时的T-S曲线〕： β=90°=?β≠90°时 6.2.3 逆变变压器： 目的：隔离；电压相匹配 电压要匹配的原因及实现方法 6.2.4 串调系统的能量传递关系与效率 6.2.5 串调装置的容量与电机的起动 6.2.6 次同步速串级调速系统的回馈制动 次同步速串调速系统的主要优缺点