发布时间 : 星期日 文章第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统更新完毕开始阅读
从前面讨论可知，只要不断加大附加电动势的幅值Eadd，就可提高电动机的转速。当电动机的转速到达或超过额定转速时，如继续加大Eadd，转子电动势sEr0必然反相变负，电动机将加速到
s?0的新的稳态下工作，即超同步电动运行状态。必须指出，此时电动机转速虽然超过了其同步转
速，但它仍拖动着负载作电动运转。因此电动机轴上可以输出比其铭牌所示额定功率还要高的功率。对于这样一个功率的获得可以从式（7-4）看出，把式（7-4）改写成Pm?sPm?(1?s)Pm （式中s本身为负值）。由此可知，电动机轴上输出机械功率由定子侧与转子侧两部分输入电功率合成，电动机处于定、转子双输入状态，其功率流程示于图7-2d。绕线型异步电动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。
5．电动机在次同步转速下作回馈制动运行
设电动机在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入与转子电动势sEr0反相的附加电动势+Eadd（注意在电动状态工作时Eadd 回馈电网的功率一部分由负载的机械功率转换而成，另一部分则由转子提供。由式（7-4）可知，电动机的功率关系为Pm?(1?s)Pm?sPm，此时转子从电网获取转差功率sPm，功率流程图如图7-2e所示。 以上五种工况都是异步电动机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况1,2,3中，转子回路输出电功率，可以先把转子的交流电功率变换成直流，然后再逆变至电网。此时功率变换单元CU的组成如图7-3a所示，其中CU1是整流器，CU2是有源逆变器。对于工况4和5，电动机转子要从电网吸收功率，必须用一台变频器与转子相连，其结构如图7-3b，CU2工作在可控整流状态，CU1工作在逆变状态。 3~MCU1sEr0T1CU2a)3~MCU1sEr0T1CU2b) 图7-3 绕线型异步电动机转子侧连接的功率变换单元 7- 5 顺便指出，在工况2中，由于电动机输出的转差功率sPm较大，要求功率单元的装置功率也较大，增加了初始投资，所以这种倒拉制动方法很少应用。对于工况3和工况5，可以在异步电动机的风力发电系统得到应用。至于工况4能否实现，主要视拖动电动机及机械装置的过载与超速能力而定。 7.2绕线型异步电动机串级调速系统 7.2.1 串级调速系统的工作原理 如前所述，在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？对于转子侧输出转差功率的情况来说，比较方便的办法是，将异步电动机的转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。当然对这一直流附加电动势要有一定的技术要求。首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。譬如，把转差功率回馈给交流电网，或把它转换成机械功率送到电气传动装置的轴上等等，关键是不要让它在转子回路中无谓地损耗掉，这样才能提高调速系统的效率。根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图7-3a中所示的功率变换单元CU2。 按照上述原理组成的异步电动机在低于同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图7-4所示，习惯上称之为电气串级调速系统(或称Scherbius系统)。图中，M为三相绕线型异步电动机，其转子相电动势sEr0经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压Ud。工作在有源逆变状态的三相可控整流装置UI除提 Ui作为电动机调速所需的附加电动势外，还可将经UR 整流后输出的异步电动机转差功率变换成交流功率回馈到电网。L为平波电抗器，TI为逆变变压器。整流装置电压Ud和逆变装置电压Ui的极性以及直流电路电流Id的方向如图7-4所示。显然，系统在稳定工作时，必有Ud>Ui。 ~~3~MUR??UITIsEr0IrIdU2TUdL?Ui?UC?控制 图7-4 电气串级调速系统原理图 7- 6 由图7-4可以写出整流后的直流回路电压平衡方程式 Ud?Ui?IdR 或 K1sEr0?K2UT2cos??IdR (7-5) 式中，K1、K2——UR与UI的电压整流系数，如两者都是三相桥式电路，则K1=K2=2.34； UT2——逆变变压器的二次相电压； β——逆变装置UI的逆变角； R——转子直流回路总电阻。 需要说明，式（7-5）中并未计及电动机转子绕组与逆变变压器绕组的内阻和换相重叠压降的影响，所以它只是一个简化的公式，但已足以用于对系统作定性的分析。从式(7-5)中可以看出，Ud中包含了电动机的转差率，而Id与电动机转子交流电流Ir之间有固定的比例关系，因此它近似地反映了电动机电磁转矩的大小，而β角是控制变量。所以该式可以看作是在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式s?f(Id,?)。 对电气传动装置而言，关键是电磁转矩控制。下面就起动、调速与停车三种情况来分析串级调速系统的工作状况，假定电动机轴上带有反抗性的恒转矩负载。 1．起动 电动机能从静止状态起动的必要条件是能产生大于轴上负载转矩的电磁转矩。对电气串级调速系统而言，应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后直流电流Id。为此，转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。异步电动机在静止不动时，其转子电动势为Er0；控制逆变角β，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui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。随着异步电动机转速的增高，其转子电动势减少，为了维持加速过程中动态转矩基本恒定，必须相应地增大β角以减小Ui值，维持(Ud?Ui)基本恒定。当电动机加速到所需转速时，不再调整β角，电动机即在此转速下稳定运行。设此时的s?s1,???1,则式（7-5）可写作 K1s1Er0?K2U2Tcos?1?IdLR 式中IdL为对应于负载转矩的直流回路电流。 2．调速 改变β角的大小就可以调节电动机的转速。当增大β角使β=β2>β1时，逆变电压Ui减小，但电动机的转速不能立即改变，所以Id将增大，电磁转矩增大，使电动机加速。随着电动机转速的增高，K1sEr0减少，Id回降，直到新的平衡状态，电动机在增高了的转速下稳定运行。 K1s2Er0?K2U2Tcos?2?IdLR 式中β2>β1，s2?s1。同理，减小β角时可使电动机在降低了的转速下稳定运行。 3．停车 电动机的停车有制动停车与自由停车两种。上节已讨论过，对于处于低同步转速下运行的双馈调速系统，必须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制动。在串级调速系统中与转子连接的是不可控整流装置，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不可能向转子输入电功率。因此串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小β角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。 根据以上对串级调速系统工作原理的讨论可以得出下列结论：（1）串级调速系统能够靠调节逆变角β实现平滑无级调速，（2）系统能把绕线型异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。 *7.2.2 串级调速系统的其它类型 7- 7 在图7-4所示的电气串级调速系统中用三相桥式电路组成逆变器，对于小功率系统，为了简化电路、降低成本，也可以采用三相零式逆变电路。 除了电气串级调速系统之外，还有机械串级调速系统（或称Kramer系统），其原理图如图7-5所示。在绕线型异步电动机同轴上装有一台直流电动机，异步电动机的转差功率经整流后传给直流电动机，后者把这部分电功率变换为机械功率，再帮助异步电动机拖动负载，从而使转差功率得到利用。在这里，直流电动机的电动势就相当于直流附加电动势，通过调节直流电动机的励磁电流If可以改变其电动势，从而调节交流电动机的转速。增大If可使电动机减速，反之则加速。 M3~MIfId?? 图7-5 机械串级调速系统原理图 从功率传递的角度看，如果忽略调速系统中所有的电气与机械损耗，认为异步电动机的转差功率全部为直流电动机所接受，并以机械功率PMD的形式从轴上输出给负载。则负载轴上所得到的机械功率PL应是异步电动机与直流电动机两者轴上输出功率之和，并恒等于电动机定子输入功率P1，而与电动机运行的转速无关。所以这类机械串级调速系统属于恒功率调速，其特点是系统在低速时能够产生较大的转矩输出，因而适用于一些需要低速大转矩传动的场合，如螺纹钢线材轧机。而前述的电气串级调速系统则为恒转矩调速，因为其输出的机械功率与电动机的转速成正比。 另外还有一种类似于Kramer系统的内馈串级调速系统，其主要特点是在异步电动机定子中装有另一套绕组，称作调节绕组。转差功率经交-直-交变换器变换成工频功率后送到调节绕组上，作为附加的定子功率送给电动机，这样就取代了Kramer系统中的直流电动机，同样能获得恒功率调速的效果。但这时必须专门制造有两套定子绕组的绕线型电动机。 7.3 串级调速的机械特性 在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量Ud、Id分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。 7.3.1 串级调速机械特性的特征 1．理想空载转速 在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。在串级调速系统中，由于电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。根据式（7-5），当系统在理想空载状态下运行时（Id?0），转子直流回路的电压平衡方程式变成 K1s0Er0?K2U2Tcos? 7- 8