第二章绕线式异步电动机串级调速系统.ppt
第二章--绕线式异步电动机串级调速系统
b.起动控制：控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与Uβ的差值能产生 足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动 机就可在一定的动态转矩下加速起动。
随着转速的增高，相应地增大角以减小值 Uβ ，从而维持加速过程中动态 转矩基本恒定 。
30
（2）调速
a.调速原理：通过改 变角的大小调节电动机 的转速。
由于电机在 低于同步转速 下工作，故称 为次同步转速 的电动运行。
sn
0 n1
~
P1 Pm
(1-s)Pm
CU
sPm
10
次同步速度电动运行状态
sPm
Te
12
不断加大+Eadd， s n
就可提高电机的转 速。当接近额定转
1
2n1
SP
速时，如继续加大
+Eadd，电机将加
P
速到s<0的新的稳
Pm
态下工作，即电机
转子电流 I2 的增大，会引起交流电动机
拖动转矩的增大，设原来电机拖动转矩与负载 相等，处于平衡状态，串入附加电势引起电 动机升速，在升速的过程中，随着速度增加， 转差率S减小，分子中sE2减小，电流也减小， 使拖动转矩减小后再次与负载平衡，降速过程 最后会在某一个较高的速度下重新稳定运行。
* 这种向上调速的情况称为高于同步速的串级调速。（超同步串调） 9
一.串级调速的原理 二.串级调速的基本运行状态及功率关系 三.附加电动势的实现 四.次同步串级调速主电路
2
一. 串级调速的原理
转子串电阻调速方法有什么缺点？
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法。
绕线式异步电动机串级调速系统设计
（2012年六月 本科毕业设计说明书 题 目：绕线式异步电动机串级调速系统设计—-主电路与触发电路设计 ****：*** 学 院：信息学院 系 别：电气工程及其自动化 班 级：一般 指导教师：其他摘要绕线式异步电动机的串级调速系统，属于改变转差功率的调速系统，在我国交流调速技术的发展中，它是结构简单、发展较快、应用较广的一种系统。
其基本原理是利用不可控的整流电路将转子交流电动势转成直流电动势，在利用工作的在逆变状态的三相可控整流电路来获得一个可调的直流电压作为附加电动势，以改变转差功率，以实现转速的调节。
本设计主要是绕线式异步电动机的串级调速系统主电路和触发电路的设计。
其中主电路的设计包括可控整流电路、不可控整流电路和逆变变压器；触发电路主要包括KC系列的移相触发电路和ULN2003。
考虑到系统运行时可能出现的问题，相应的设计了系统的保护电路。
关键词：串级调速、整流电路、触发电目 录引言 (1)第一章 串级调速系统的基本原理 (3)1.1串级调速系统的工作原理 (3)1.2异步电动机串级调速的机械特性 (4)1.3设计的技术参数 (5)1.4设计任务 (5)第二章 主电路的设计 (6)2.1主电路的设计原则 (6)2.1.1 设计思路 (6)2.1.2 设计依据 (6)2.2逆变变压器的计算与选择 (7)2.2.1逆变变压器原副边的接线方式 (7)2.2.2逆变变压器二次电压的计算 (7)2.3电动机参数的计算 (9)2.3.1等效直流电路总阻抗∑R 和总电感∑L 的计算 (11)2.4 整流电路和有源逆变电路的计算与选择 (12)2.4.1 转子整流器的计算与元件选择 (12)2.4.2 可控硅元件的选择与计算 (13)2.5 定子侧变压器的选择 (14)第三章 保护电路的设计与选择 (16)3.1 过电压保护 (16)3.1.1 交流侧过电压保护 (16)3.1.2 压敏电阻保护 (18)3.1.3 直流侧过电压保护措施 (19)3.1.4 晶闸管两端的过电压保护措施 (20)3.2 过电流保护 (20)3.3电压和电流上升率的限制 (21)3.4 缺相保护： (22)3.5 串频敏电阻保护 (23)3.6过载保护 (24)第四章触发电路的原理及设计 (25)4.1 触发电路的选择 (25)4.1.1 KC04移相触发器 (25)4.1.2 KC41六路双脉冲形成器 (29)4.2触发电路的计算 (30)4.2.1触发电路移相计算 (30)4.2.2脉冲变压器的选择 (32)结论 (35)参考文献 (37)谢辞 (38)引言随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐渐显示出来。
串级调速
式中 Rr — 转子绕组每相电阻； Xr0 — s = 1时的转子绕组每相漏抗。
转子附加电动势
~
引入可控的交 流附加电动势
M 3~
Er sEr 0
Ir
~ ~ ~
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7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
转速下降；
转子附加电动势的作用（续）
2. Er 与 Eadd反相
同理可知，若减少或串入反相的附加电 动势，则可使电动机的转速降低。 所以，在绕线转子异步电动机的转子侧 引入一个可控的附加电动势，就可调节电 动机的转速。
第四章 交流传动控制系统
4.5.2 变转差率调速
3）线绕式异步电动机串级调速原理方框图
Hale Waihona Puke 整流器串级调速逆变角 ( ) ) Ead 附加电势 S n
• 方法：转子回路串电阻或串接电势
• 串电阻法：速度越低，能耗越大
• 转子串电势法（串级调速） ： 能耗小，机械特性硬而广泛采用 n0≤n≤n0
6.5 测速发电机
将转速转变为电压信号,广泛用于速度和位置控制系统中. • 1.异步(交流)测速发电机 • 1) 结构特点:定子上有两 套互差90度电角度的激磁 绕组WF和输出绕组WC;转子 为空心杯形. • 2) 工作原理:杯形转子可 以看成一个导条非常多的 鼠笼转子.在激磁电压一 定的情况下,当输出绕组 的负载很小时,测速发电 机的输出电压U0与转速n 成正比:U0=Kn
7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用 • 异步电机运行时其转子相电动势为
Er sEr 0
(7-1)
式中
串级调速系统
其中， 其中，n0min 是调速系统的最 低转速，对应于 低转速， 最大理想空载转 差率 s0max ，由 式（7-7）可得
D=
nsyn n0 min = nsyn (1 − s0 max )
s0 max
（7-31）
1 s0max = 1 − D UT 2 cos β s0 = Er 0 UT 2 s0 max Er 0 s0 max Er 0 = = = 1.15s0 max Er 0 o cos β min cos 30
• 串级调速系统的效率 • 串级调速系统的功率因数 • 串级调速装置的电压和容量
a)系统的功率传递 系统的功率传递
b)系统的功率流程图 系统的功率流程图
串级调速系统功率
• 在串级调速时， 未被全部消耗掉， 在串级调速时，Ps未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损pCur、杂散损耗 ps 和 后通过转子整流器与逆变器返回电网， 附加的串级调速装置损耗ptan后通过转子整流器与逆变器返回电网，这部分返 回电网的功率称作回馈功率Pf 。 对整个串级调速系统来说， 对整个串级调速系统来说，它从电网吸收的净有功功率应为 Pin=P1–Pf 。
•
• 串级调速系统的总效率
η sch
P2 Pmech − p mech = × 100 % = × 100 % Pin P1 − Pf
= Pm (1 − s ) − p mech × 100 % Pm (1 − s ) − p mech + Σ p + p tan
是异步电动机定子和转子内的总损耗； 式中 ∑p 是异步电动机定子和转子内的总损耗；
（7-33）
调速范围越大时， 调速范围越大时，整个串级调速装置 的容量要求也越大。 的容量要求也越大。
异步电动机的调速ppt
(
)(又称转差功率),使转子发热,系统效
率降低。
• 2、改变电动机得极对数 通过改变定子绕组得连接方式来实现。变极调
速就是改变异步电动机得同步转速
所以一般称变极调速得电动机为多速异步电动机。
• 3、变频调速 通过改变定子绕组得电压供电频率f1来实现。当
转差率s 一定时,电动机得转速n 基本上正比于f1。 很明显,只要有输出频率可平滑调节得变频电源, 就能平滑、无极地调节异步电动机得转速。
• (3)变频调速时,转差率 s 较小,则转差功率损耗较小,效率较高; • (4)可以证明:变频调速时,基频下得调速为恒转矩调速方式;基频调速以
上时,近似为恒功率调速方式; • (5)变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。
三相异步电动机得运行与拖动 小结
• 摘要:本章介绍了三相异步电动机得机械特性得三 个表达式。固有机械特性与人为机械特性,阐述了 三相异步电动机得起动、调速与制动得各种方法、 特点与应用。
降压调速方法得改进 若要求低速时机械特性较硬,即在一定静差率下有较宽得
调速范围,又保证电机具有一定得过载能力,可采用转速负 反馈降压调速闭环控制系统,其原理框图及静特性如图示。
10、2 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速 转子回路中接入调速阻,增大转子得转差率,转 速下降。 曲线1就是固有机械特性 曲线2、3、4就是接入 附加电阻
比例得配合调节。这时,电动机得电磁转矩为
(a) 基频以下调速(
常数)
(b)基频以上调速(
=常数)
10、4、2 基频以上变频调速
在基频以上变频调速时,也按比例身高电源电压时不允 许得,只能保持电压为UN不变,频率f1 越高,磁通 越低,就m是 一种降低磁通升速得方法,这相当于她励直流电动机弱磁调 速。
绕线式异步电动机的串级调速
绕线式异步电动机的串级调速一课程设计目的专业课程设计是学生基本完成全部理论课学习之后，综合运用所学知识、结合工程实际的实践教学。
通过设计使学生加深对所学专业课程内容的理解和掌握，了解工程设计的一般方法和步骤，培养理论联系实际、综合考虑问题和解决问题的能力。
二课程设计的内容从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。
在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有：绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。
改变同步转速的有：改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速及无换向电动机调速等。
从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种:高效调速指转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。
有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中;电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中;液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。
一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
转子电路串电阻调速，能量消耗大，不经济。
转子电路的损耗为sPem称为转差功率。
为使调速时这转差功率大部分能回收利用，可采用串级调速方法。
所谓串级调速，串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入一个与E2频率相同而相位相同或相反的附加电动势Ef，通过改变Ef的大小来实现调速。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
串级调速的效率高，平滑性好，设备比变频调速简单，特别时调速范围较小时更为经济，缺点是功率因数较低。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为:1)可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高。
【精品】绕线型异步电动机串级调速
【精品】绕线型异步电动机串级调速摘要：绕线式异步电动机晶闸管串级调速，是在绕线式异步电动机的转子回路中串联晶闸管逆变器，借以引入附加可调电势，从而控制电机转速的一种调速方法。
由于它具有良好的调速特性，并能将电动机的转差功率回馈电网，效率较高，价格较低，因此在风机和泵类负载方面获得广泛应用，在只要求电机运行在第一象限的生产机械中也获得普遍应用。
绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统主回路接线原理图如图所示。
转子在不同的转速下感应出转差频绕线式异步电动机晶闸管串级调速，是在绕线式异步电动机的转子回路中串联晶闸管逆变器，借以引入附加可调电势，从而控制电机转速的一种调速方法。
由于它具有良好的调速特性，并能将电动机的转差功率回馈电网，效率较高，价格较低，因此在风机和泵类负载方面获得广泛应用，在只要求电机运行在第一象限的生产机械中也获得普遍应用。
绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统主回路接线原理图如图所示。
转子在不同的转速下感应出转差频率的电压，经一组不控的三
相桥式变流器变成直流电压，此电压再经一组全控桥式变流器实现有源逆变，把电能（转差功率）馈送回电网中去。
改变逆变角的大小，即可改变馈送回电网电能的多少，从而达到改变电机转速的目的。
交流异步电动机的调速幻灯片PPT
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第一节 绕线转子异步电动机转 子串电阻调速
➢ 输出的功率只增加了近似15%，故可以认为
是恒功率调速；
➢ 转速增加一倍，功率近似不变，转矩近似下
降一半；
➢应用于各种机床切削等恒功率负载。
19
△—YY联接变极调速的机械特性：
20
变极调速的特点：
❖ 操作简单，机械特性硬，效率高，可以获得 恒转矩或恒功率调速特性；
❖ 变极调速是一个有级调速，调速级数少，不 是平滑调速；
4
T C T 1 N I 2 N c o s 2 N T N 定 值
转子损耗功率为
P 2 s P e 3 I 2 2 R 2 R
输出功率为
P2Pe1s
调速时转子电路的效率为
P 2 P e1 s 1 s P 2 Δ P 2 P e1 s sP e
当转速降低（s 增高）时，效率下降，转子损耗功率
12
第三节 改变定子极数调速
❖ 改变定子极对数的同时，必须相应改变转子的级数。 绕线式电机要满足这个要求很困难；
❖ 而笼形异步电动机转子的极对数能自动随定子磁场 的极对数的变化而变化，所以变极调速适用于笼形 异步电动机。
❖ 单绕组双速电动机：一套定子绕组，具备两种极对 数，根据接法不同，得到两个不同的同步转速；
❖ 一般用于机床设备上作为粗调。
21
第四节 变频调速
一、概念 ❖ 1. 改变供电电源的频率可以使旋转磁场的转
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转差率S增大，分子中sE2回升，电流也回升，
使拖动转矩升高后再次与负载平衡，降速过程
最后会在某一个较低的速度下重新稳定运行。
* 这种向下调速的情况成为低于同步速的串级调速。（低同步串调）
8
•
b. 如串入的附加电势Eadd 与转子感生电势 sE20
方向相同，频率相同
则转子电流将变大：
I2
sE20 Eadd r22 (sx220 )
基本结论是： 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，效率越低。
3
串级调速的基本原理是什么？
针对绕线转子异步电动机转子串电阻调速方 法转差功率消耗在电阻上，运行效率太低的缺点， 引入了一种新的调速方法：基本思路是转子不串 入附加电阻-----改为串入附加电动势来调速，并 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的方 法，该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调 速控制方案。
第二章 绕线式异步电动机 串级调速系统
第一节 串级调速的原理与基本类型 第二节 串级调速系统转子整流电路的工作特性 第三节 串级调速系统的调速特性和机械特性 第四节 串级调速的效率和功率因数 第五节 串级调速闭环控制系统 第六节 串级调速系统应用中的几个问题 第七节 串级调速系统应用实例
1
第一节 串级调速的原理与基本类型
电机定子侧输出功 率给电网，电机成 -Te 为发电机处于制动 状态工作，并产生 制动转矩以加快减 速停车过程。
0<s<1
SP
P
Pm
(1 S)P
CU
SP
次同步速度再生制动状态
sn 0
n1
10 0
15
• 次同步速串调速系统的主要优点： ① 在调速范围不大时，装置容量小 ② 系统把大部份转差功率回馈给了电网，所以在低 速时的效率较转差功率消耗型的调速系统要高
在超过其同步转速
下稳定运行。 电机的轴上输出功
(1 S)P
SP
CU
率由定子侧与转子 0 n1
侧两部分输入功率 0 合成。
超同步转速电动状态
Te
电机处于定、转子双输入状态。绕线型异步电机在转子中
串入附加电动势后可以在超同步转速下作电动运行，并可
使输出超过其额定功率，这一特殊工况正是由定、转子双
馈的条件形成的。
变 转子侧功率因数由于S通常较小而近似为1 电机稳定运行时，电磁转矩基本恒定
因此上式中的电流 I2 就基本是个恒定的值
电流 I2 I2
I2=CONST个附加电动势Eadd，附加电 动势的频率与转子相电动势sE20的频率相同，而相位 相同或者相反
sE20 r22 (sx20 )2
4
▪ 工作原理：
•
•
三相异步电动机的转子感应电压为：E2 sE20
转子电流为：
式中：
气隙磁通
异步电动机电磁转矩为： T kmI2 cos2
转子侧功 率因数
由电动机结构确 定的转矩系数
折算到转子侧 的定子电流
5
▪ 电磁转矩的表达式中： 转矩系数由电动机结构决定 电源频率及定子相电压不变时，气隙磁通则不
•
a. 如串入的附加电势Eadd 与转子感生电势 sE20
方向相反，频率相同
则转子电流将变小：
I2
sE20 Eadd r22 (sx220 )
转子电流 I 2 将减小，会引起交流电动机
拖动转矩的减小，设原来电机拖动转矩与负载
相等处于平衡状态，串入附加电势必然引起电
动机降速，在降速的过程中，随着速度减小，
一.串级调速的原理 二.串级调速的基本运行状态及功率关系 三.附加电动势的实现 四.次同步串级调速主电路
2
一. 串级调速的原理
转子串电阻调速方法有什么缺点？
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法。
转子串电阻调速方法的主要缺点：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 宜长期运行。
13
电动机转子输出 转差功率，经附 加电动势回馈给 电网，
P
Pm
sn
1
SP
2n1
定子也向电网回
馈功率。 s<0
(1 S)P
CU
SP
0 n1
-Te
0
电动机被负载拖
超同步速度再生制动状态
动，产生电气制
动
14
很多工作机械为了提 高其生产率，希望电 力拖动装置能缩短减 速和停车的时间，因 此必须使运行在低于 同步转速电动状态的 电机切换到制动状态 下工作。
▪ 在转子回路中串入附加电动势，不仅改变了转子 回路的有功功率的大小，而且可以通过调节附加 电动势的相位来调节异步电动机的功率因数（即 调节了转子电流的无功分量）
10
二.串级调速的基本运行状态及功率传递方向
11
串级调速系统有四种基本运行状态：
电动机电动 运行0<s<1， 从定子侧输入 功率，轴上输 出机械功率， 而转差功率从 转子侧馈送到 电网。
I2
const
sE20 Eadd r22 (sx20 )2
sE20 Eadd
const
分母中只有s为变量， 而s的值通常很少，从 而可以认定分母为一
个不变的定值
由于E20是一个 电机参数决定的 常数，因此Eadd 的变化就能导致
S发生变化
7
将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 Eadd
• 串调系统的主要缺点: ——系统的功率因数低。
原因是异步电动机的功率因数本来就不高， 再加上装置的变换电路及逆变变压器的工作都 要从电网中吸收无功功率 。
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由于电机在 低于同步转速 下工作，故称 为次同步转速 的电动运行。
sn
0 n1
~
P1 Pm
(1-s)Pm
CU
sPm
10
次同步速度电动运行状态
sPm
Te
12
不断加大+Eadd， s n
就可提高电机的转 速。当接近额定转
1
2n1
SP
速时，如继续加大
+Eadd，电机将加
P
速到s<0的新的稳
Pm
态下工作，即电机
转子电流 I2 的增大，会引起交流电动机
拖动转矩的增大，设原来电机拖动转矩与负载 相等，处于平衡状态，串入附加电势引起电 动机升速，在升速的过程中，随着速度增加， 转差率S减小，分子中sE2减小，电流也减小， 使拖动转矩减小后再次与负载平衡，降速过程 最后会在某一个较高的速度下重新稳定运行。
* 这种向上调速的情况称为高于同步速的串级调速。（超同步串调） 9