串级调速系统概要

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R
V
VT6 VT5
R
W
VT2
图 5-6 三相全波星形联结的调压电路 图 4-6三相全波星形联结的调压电路
电路正常工作的条件:
(1)在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相 的反向晶闸管同时导通。 (2)要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。 ( 3)要求U、 V、 W三相电路中正向晶闸管的触发信号
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,大部分通过变流装置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。
( 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。
第二节
交流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和方法 1、调压调速原理 异步电动机的机械特性方程式
' 3 pU12 R2 /s Te ' 1[( R1 R2 / s ) 2 12 ( Ll1 L'l 2 ) 2 ]
Te
第三节 绕线式异步电动机串级调速系统
一、串级调速原理 (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 sE20
( R2 R f ) 2 sX 20
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
5)异步电机为原动机,与电磁转差离合器组成一个整体;
6)从动轴:输出机械转矩;
7)是磁导体:它既是结构体又是磁路的一部分。
2、电磁转差离合器的转动原理
1)励磁绕组通以直流电产生主磁通,磁路为:机座 → 气隙→电枢→气隙→磁极→导磁体→机座; 2)磁路中磁极有齿有槽,在齿凸极部分磁力线较密, 在槽间部分磁力线较稀,气隙磁场为空间脉动磁场; 3)原动机拖动电枢恒速定向旋转,电枢切割脉动磁场, 电枢中感生电动势并产生电流(涡流);
三、闭环控制的调压调速系统
(一)异步电动机调压调速时的机械特性 1、普通异步电动机调压调速时存在的问题
1 )普通异步电动机调压时调速范围不大(恒转矩负 载),如图4-1中A、B、C点; 2)在s≥sm的低速段,调速范围虽大,但系统运行不稳 定,且低速时,转差功率增大,转子阻抗减小,转 子电流增大。 2、解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性 如图4-7所示。
若忽略其它损耗,则电动机的效率为
P0 PM n 1 s P1 P2 n0
讨论: 1)恒转矩负载时:有Te=TL不变;因f1不变,故n0不变,
电磁功率P2也不变。随着转速的降低,转差功率sP2增 大,效率降低。
2)风机泵类负载时:有Te=TL=Kn2,Te、P2随转速以平
方速率下降,尽管低速时,s增大,但总的转差功率
2 当s一定时, ,改变U1得到一组不同的人为特性如 Te U1
图4-1所示。在带恒转矩负载 TL时,可得到不同的稳定转 速,如图中的A、B、C点。
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4-1 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
第4章 交流调压调速系统和串级调速系统
• 第一节 概 述 • 第二节 交流异步电动机调压调速系统 • 第三节 绕线式异步电动机串级调速系统
一、交流调速系统的特点 (1)容量大。
(2)转速高且耐高压。
(3)交流电机的体积小,结构简单、经济可靠、惯性小。 (4)交流电机坚固耐用,可在恶劣环境下使用。 (5)高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流 拖动系统一样的性能指标。 (6)交流调速系统能显著地节能。 从各方面来看,交流调速系统最终将取代直流调速系统。
从串电阻调速的原理中可获得串级调速的启发。
(二)串级调速原理 在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势,通 过改变附加电势的幅值和相位实现调速。
I2
sE20 E f R2 sX 20
2 2
dn 0 n s I2 Te dt Te TdL 达到新的平衡,但速度 已经降低,实现了调速。 使 Ef I2 Te (Te TdL) 0
2、调压调速方法 获取交流调压电源的方法: (1)调压器调压 如图4-2(a)所示。
~ ~ LS ~ VVC
TU
+
-
M
3~ (a)
M
3~
M
3~ (c)
(b)
图4-2 异步电动机调压调速原理
图5-2 异步电动机调压调速原理
(2)饱和电抗器调压 如图4-2(b)所示,饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组 的交流电抗器。
4)涡流为交变涡流,它产生幅向脉动的电枢反应磁场, 与主磁通合成并产生转矩;
5)此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动,磁极就
带着生产机械一同旋转。
3、电磁转差离合器的转速和转向
1)从动轴的转速n取决于励磁电流的大小; 2)从动轴的转向则取决于原动机的转向。 电磁转差离合器本身并不是一个电动机,它只是一种传 递功率的装置。
(二)电磁转差离合器的机械特性及调速系统
1、电磁转差离合器的机械特性
n n1
经验公式表达:
I L1 I L2 I L3 I L4
Te n n1 K 4 IL
I L4
I L3
I L2
0
I L1
图5-14 电磁转差离合器机械特性 式中 n1——原动机转速; Te——电磁转差离合器轴上输出转矩; IL——电磁转差离合器的励磁电流; K——与电磁转差离合器结构有关的常数。
Te
2、电磁转差离合器闭环调速系统 电磁转差离合器的机械特性很软,实际使用时都加上转 速负反馈控制,从而可获得10:1的调速范围。闭环系统的 组成与相应的静特性如下图所示。
n n1
+ Un
晶闸管励磁
~
Un
-
>
负载
n
n1
电磁转差离合器
U n1 U n2
U n3
(a)
>
TG 0 (b) 图5-15 具有转速负反馈控制的滑差电机调速系统
I L Ls X L u1 n
(3)晶闸管交流调压器调压 如图4-2(c)所示。单相调压电路如图4-3所示,其控 制方法有两种: 1)相位控制方式 通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压 输出波形如图4-4所示。 特点:输出电压较为精确、快速性好;但有谐波污染。
VT1
Ps=sP2下降,损耗变小。 故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。
四、电磁转差离合器调速系统
电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转 差离合器以及控制装置组合而成。 (一)电磁转差离合器的基本结构与工作原理
8 7 1 2 3 4
5
6
5-13 电磁转差离合器原理图
1、电磁转差离合器的组成
当转子串入的附加电势Ef相位与转子电势sE20的相位相差 180°时,电机在额定转速以下调速,称为次同步调速。 当附加电势Ef相位与转子感应电势sE20的相位相同时,串 级调速可向高于同步转速的方向调速。 (三)串级调速系统的基本类型 工程上获取与转子感应电势sE20反相位同频率且频率随 转子频率变化的交流变频电源Ef比较困难,所以在次同步 串级调速系统中采用整流器将转子电势sE20整流为直流电 势,再与转子回路中串入的直流附加电动势Eβ进行比较。 而可调直流附加电动势Eβ在工程上比较容易实现。 按产生直流附加电势方式的不同,次同步串级调速系统 可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。
它由电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。 1)直流励磁绕组:由控制装置输出的可调压直流电供电, 产生固定磁场; 2)机座:它既是离合器的结构体,又是磁路的一部分;
3)电枢:圆筒形实心钢体,兼有导磁、导电作用,直接套 在异步电动机 5的轴上,作为主动转子,转速与异步电动机 相同。运行时,在电枢中感应电动势并产生涡流; 4) 磁极:它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴 6上 而输出转矩,在机械上与电枢3无连接,借助气隙分开;
二、交流调速系统的分类
n 从交流电机转速表达式:
60 f 1 1 s p
可归纳出三类调速方法:
变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。
原始的分类方法有: 1)变极调速;
2)变s调速:调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、
绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速; 3)变频调速。
反接制动时,工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元
件。 耗能制动时,可不对称地控制某几个晶闸管工作。 例:使1、2、6三个元件导通,其它元件都不工作,这样 就可使电机定子绕阻中流过直流电流,实现能耗制动。 所以调压调速系统具有良好的制动特性。
(五)调压调速系统中的能耗与效率分析
1、转差功率Ps 传到转子上的电磁功率P2与转子轴上输出的机械功率PM 之差Ps为
Ps P2 PM 1 1 1 Te n0 Te n Te n0 n sP2 9550 9550 9550
Ps称为转差功率,它被转子发热而消耗掉。下图为异步 电动机的能量流程图。
P 1 P2 PM
P0
PCu1
PFe
PCu2
PM
图4-11 异步电动机的能量流程图
2、电动机的效率
S 0
n n0
A B C
U1N 0.7U1N 0.5U1N
1 0
TL
Te
图5-7 高转子电阻异步电动机 在不同电压下的机械特性 图4-7 高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性
可见:恒转矩负载下,调速范围变大,转子电流减小。
(二)闭环控制的调压调速系统
转子电阻的增大使调速范围扩大,机械特性变软,转速 静差率变大。解决方法:采用带速度负反馈的闭环控制。
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°;但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°。 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°。
~
9 10 8
7 2
5 6
3 4
1
M
3~ 图5-11 电动机的正反转及制动电路 图4-10 电动机的正、反转及制动电路
(四)调压调速系统的可逆运行及制动
1、可逆运行 方法:改变定子供电电压的相序,如图4-10所示。图 中晶闸管1~6供给电动机定子正相序电源;而晶闸管7~10 及1、4供给定子反相序电源。 2、反接制动与能耗制动
~ VVC
(a)原理图
Un
ASR
U ct
GT
-
Un
M
3~
n
TG
(a)
n
U n1
U1N 时的
机械特性
U n2
A U1 min 时的
A A
U n3
机械特性 1 0
TL
Te
(b)
(b)静特性 图4-8 转速闭环调压调速系统
(三)调压调速系统闭环静态结构图
给定
Un
+
调节器
Un
U ct
VT2
~ U1
R
U
图 5-3 图 4-3 晶闸管单相调压电路 晶闸管单相调压电路
U
0

2
t
图5-4 晶闸管相位控制下 图4-4 晶闸管相位控制下的负载电压波形 的负载电压波形
2)开关控制方式 把晶闸管作为开关,将负载与电源完全接通几个半波, 然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时 间比t0/ tp来调节。输出电压波形如图4-5所示。
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-
晶闸管 U1 调压装置
异步 电动机
n
转速反馈装置
4-9调压调速系统静态结构框图 图5-9 图 调压调速系统静态结构框图
它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似,只
要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成 晶闸管交流调压器(图中的晶闸管调压装置)、异步电 动机即可。
(四)调压调速系统的可逆运行及制动
U
0
通t0 断t p
t
图4-5 晶闸管开关控制下的负载电压波形
特点:采用“过零”触发,谐波污染小;转速脉动较大。
图5-5 晶闸管开关控制下的负载电压波形
二、交流调压电路 晶闸管三相交流调压电路如图4-6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
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