毕业设计论文绕线式异步电动机的串级调速管理资料.docx

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毕业设计论文绕线式异步电动机的串级调速管理资料

绕线式异步电动机的串级调速

作者：

摘要：

本设计主要利用电力拖动控制设计出可靠安全且容易操作和维修。

主要介绍了机械和工艺对电器控制线路的要求，以及怎么设计出来的控制线路满足生产的要求，达到简单经济。

在设计电力拖动自动控制系统时，一般包括两部分内容，一是确定拖动方案和选择电动机，前者主要解决的是采用交流拖动方案还是直流拖动方案，后者主要解决的是选择电动机容量等问题。

根据电机学由异步电机转速公式n=60f1/Þ×（1-sp）可知异步电机的调速方法有改变定子频率、磁极对数和转差率等，而对于绕线式异步电机我们一般都采用的是改变转差率进行调速，而改变转差率实现异步电动机的调速方法有一：

在绕线式异步电机的转子中串入不同的电阻实现电力拖动的速度调节，但这中方法存在着以下缺点：

1）他是通过增大转子回路电阻来降低转速，当电机负载转矩恒定时，转速越低转差功率越大，这种方法是通过增大转差功率来降低转速的，但所增加的转差功率全部被转化为热量消耗掉了，这种调速方法效率岁调速的范围增大而降低。

2）调速时电机理想空载转速不变。

只能在额定转速以下调节，调速时机械特性变软，降低了静态调速精度，3）由于转子回来附加电阻的档数有限，无法实行无级调速，调速范围小。

二：

串级调速，串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。

它属于变转差率来实现串级调速的。

与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。

它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。

特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。

关键词：

异步电动机串级调速原理基本类型

 Abstract：

Thedesignofthemaindragtocontroltheuseofelectricitytodesignsafeandreliableoperationandmaintenanceeasy.Introducestheprocessofmechanicalandelectricalcontrolcircuit,aswellashowthecontrolcircuitdesignedtomeettherequirementsoftheproductiontoasimpleeconomic.Automaticcontrolinthedesignofelectricdrivesystem,generallycomprisestwoparts,firstdragtheprogramtoidentifyandselectthemotor,whichisusedmainlytosolvetheexchangeprogramordragdragDCprogram,whichisthemainsolutionistochooseelectricmachinecapacityandsoon.

Accordingtothestudybytheelectricinductionmotorspeedformulan=60f1/Þ×（1-sp）inductionmotorcanseethespeedcontrolmethodshavetochangethefrequencyofthestator,onthepoleandafewslip,andsoon,butforthewinding-Weinductionmotorsgenerallyusedistochangetheslipforgovernor,andchangetheslipoftheinductionmotortoachieveaspeedcontrolmethods:

thewound-rotorinductionmotorinthestringintoadifferentresistancetorealizethepowerdelayAdjustthespeedofthemove,butthereismethodinthefollowingshortcomings:

1）heisthroughloopincreasedresistancetoreducetherotorspeed,whenthemotortorqueconstantload,thelowerthespeeddifferencetothegreaterpower,thisapproachisadoptedIncreasingdeteriorationofthepowertoreducespeed,buttheincreaseinpowerallthedifferencetobeconvertedintoenergyconsumed,theefficiencyofthismethodofspeed-year-oldgovernortoreducethescopeoftheincrease.2）Thespeedatthesamespeedno-loadmotorideal.Canonlyberatedbelowregulationspeed,variablespeedcontrolwhenthemechanicalpropertiesofsoftandreducethestaticspeedaccuracy,3）duetoadditionalbackrotorresistancelimitednumberofstalls,unabletocarryoutsteplessspeedregulation,thesmallscopeofthegovernor.Second:

CascadeSpeed,speedcascadethroughthewound-rotorinductionmotorcircuitandtheintroductionofadditionalpotentialgenerated.Itisachangetoachieveslipcascadeofspeed.Rotorresistanceandthestringindifferentways,cancascadespeedasynchronousmotortopowertheapplication（orthepowergridbackintomechanicalenergytosendbacktothemotorshaft）,soefficient.Itcannotachievethesmooth-classspeedandlowspeedwhenthemechanicalpropertiesofrelativelyhard.Thyristorespeciallylowspeedsynchronouscascadesystem,thetechnicaldifficultyofsmall,relativelyperfectperformance,whichwaswidelyused.

Keywords:

asynchronousmotorseriesofbasicprinciplesgoverningthetypeof

一、串级调速的基本原理

所谓串级调速就是在转子回路中串入与转子电动势E2同频率的附加电动势Eadd如图1—1所示。

通过改变Eadd的幅值大小和相位来实现交流电动机的调速。

这样电动机在低速运转时，转子中的转差功率Ps仅有小部分消耗于转子相电阻R2上，而大部分被串入的附加电动势Eadd所吸收，再利用产生附加电动势的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈给电网。

这种在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电动势Eadd的高效率调速方法称为串级调速。

图1—1转子串接Eadd的基本原理

（一）串级调速的分类

串级调速系统的核心是产生附加电势Eadd的装置。

由于异步电动机转子的电动势sE20的频率是随转速变化的，这样Eadd的频率也须随转速而变，也就是说Eadd装置应该是其频率和幅值可调的三相变频器。

目前这种变频器有交一交变频器和交一直一交变频器两种。

由于采用变频器来产生附加电动势Eadd使电动机既可在同步转速以下调速，也可在同步转速以上调速，即实现超同步调速。

超同步串级调速系统控制装置复杂，设备费用高，国外正在逐步应用，国内尚在研制中。

目前，国内外广泛应用的是转子电路串入直流附加电动势Eadd的方案，以避免随着转速的不同，改变Eadd的频率，如图1—2所示。

在转子绕组端接入一个不可控的整流器，将转子感应电动势sE20整流为直流电压，串级调速用的附加电动势Eadd也为直流电压，由一逆变器产生。

由于转子电路采用了不可控整流电路，转差功率的传递是单方向的，即转差功率只能从转子流向产生Eadd的装置，再回馈电网，而无法实现由电网向电动机转子输入转差功率，所以系统只能运行在低于同步速度的电动状态和高于同步速度的发电制动状态，即系统只能在同步速度以下调速，通常称这样的系统为低同步串级调速系统。

对于低同步串级调速系统又可分为以下两种。

图1-2采用直流附加电动势Eadd的串调系统框图

（二）机械串级调速

转差功率送至电机轴上——机械串级调速系统。

串级调速系统还有一种机械串级调速系统，也称恒功率串级调速系统，如图1—3所示。

该系统中产生直流附加反电势Eadd的是直流他激电机MD，它与被调速的主电机MA同轴硬性联结。

改变直流电机的激磁电流，就相应改变Eadd值，即可实现主电机的调速。

当不计电机的各种损耗，主电机从电网吸收的功率为P，主电机直接输送给负载的机械功率为P（1—s），另一部分转差功率经转子整流器送给直流电机，由于直流电机与主电机同轴硬性联结，使直流电机吸收的转差功率sP转变为轴上的机械功率仍然又输送给负载。

这样串级调速系统调到低速运转时，负载得到的机械功率总和为

图1-3机械串级调速系统

所以该系统具有恒功率的调速特性。

机械串级调速系统具有低速运转时电机能产生大转矩的特点，故适于低速时需要重负载转矩的生产机械场合。

但这种串级调速系统范围不大，因转速较低时，直流电机不能产生足够的附加电势Eadd通常调速范围在2：

1以内。

图1-4晶闸管串级调速系统

（三）、晶闸管串级调速

1）、晶闸管的工作原理

图1-5晶闸管

1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关短状态。

2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

从晶闸管的内部分析工作过程：

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结（图1-5<图一>）可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管（图1-5<图二>）当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

（图1-5<图二>）中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

Ia=Ic1+Ic2+Ic0或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

从而可以得出晶闸管阳极电流为：

I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如（图1-5<图三>）所示。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））中，Ig=0,（a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0晶闸关处于正向阻断状态。

当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。

这样强烈的正反馈过程迅速进行。

从（图1-5<图三>），当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））中的分母1-（a1+a2）≈0,，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。

晶闸管已处于正向导通状态。

式I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。

晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态，转差功率回馈至电网—晶闸管串级调速系统这种串级调速系统的组成如图1—4所示。

在异步电动机转子绕组端连接一个不可控整流器，将转子电动势sE20整流为直流电压Ud，有源逆变器再将直流电压逆变成交流电与电网相连，通过控制有源逆变器直流侧电压Uβ即可改变直流附加电动势Eadd便可控制电动机速度，实现电动机在低于同步速度范围内的调速。

由于用的是不可控整流器，故转差功率只能单方向经过整流器输出，为有源逆变器吸收，再回馈电网。

随着大功率晶闸管变流技术的飞跃发展，晶闸管串级调速系统显示出无比优越性，已成为低同步串级调速的典型方案。

本章下面将着重论述目前广泛应用的低同步晶闸管串级调速系统。

（四）、低同步串级调速系统

当Eadd=0时，电动机工作在自然机械特性上，假定电动机拖动恒额定转矩的负载，这时电动机转速处在接近额定值稳定运转的状态，此时转子电流I2为:

串入的附加电动势与转子基本电动势反相时，此时转子电流I2为:

由于机械惯性，转差率暂时没有改变，于是转子电流I2减少，则电动机产生的转矩T1=CmФmI2′cosφ2，随I2而减少，使电动机电磁转矩小于负载转矩，平衡条件被破坏，迫使电动机转速减少。

随着转速的减少，转差率s升高，由上式可知，转子电流I2回升，转矩Te。

亦相应回升，直到电动机转速降低至某值，I2又回升到使电动机转矩复原到与负载转矩相等时，减速过程结束。

这就是低于同步速度方向调速的原理。

串入附加反电动势Eadd值愈大，电动机的稳态转速就愈低。

低同步串级调速系统有下列优点：

（1）由于串级调速系统将转差功率利用起来，所以是一种经济、高效的调速方法。

（2）由于串级调速的电动机定子接到交流电源，因而电动机的磁场不变，只控制附加电动势（即控制β角）即可实现调速，则控制方便。

（3）由于其附加装置控制的只是转差功率，因而装置的容量只是电动机功率的一部分，则串级调速系统的设备投资较少。

因为串级调速系统是将转差功率利用起来并回馈电网，所以从能源角度上看是一个节能项目。

（五）、高同步串级调速系统

串级调速还可以向高于电动机同步速度方向调速。

当附加电动势与转子基本电动势同相时，使转子电流I2增加，此时，

电动机电磁转矩相应增大，电动机电磁转矩值大于负载转矩，使电动机加速,s值减少。

由上式可知，随着s减少，转子电流I2亦减少，这一过程将持续到I2恢复至原值。

当串入的附加电动势Eadd值足够大时，电动机加速，可能会超过同步速度，于是s<0，sE20<0，使I2减少，这一过程持续到Te恢复到原有数值。

在新的平衡状态下，电动机处于高于同步速度的某值下稳定运行，这就是异步电动机的高于同步转速串级调速的原理。

串入同相位的Eadd的幅值越大，电动机的转速就越高。

二、能源传递关系

异步电动机转子回路中外接附加电动势构成的串级调速系统，从功率关系看，实际上是通过控制转子的转差功率来控制异步电动机的转速。

因此串级调速的各种基本运转状态可以通过功率的传递关系加以讨论。

串级调速可实现四种基本运转状态，不同的运转状态下功率传递关系如图1—5所示，为了清晰地表示功率传递关系，图中忽略线路和电动机内部的各种损耗，认为定子输入功率P就是转子电磁功率P。

图1-6串级调速的基本运行状态与功率传递关系

第一种状态是低于同步转速的电动状态，如图1—6（a）所示。

这时转子电流I2与转子电动势E2相位趋于一致，而与串入的附加电动势Eadd的相位相反，故转子输出转差功率Ps=SP被Eadd装置所吸收，并将它回馈电网。

第二种状态是高于同步转速的电动状态，如图1—6（b）所示。

这时转子电路外接附加电动势Eadd的相位和I2相位趋于—致，而E2与I2的相位相反，电网通过Eadd装置向电动机转子输入转差功率|S|P从功率传递角度来看，高于同步转速的电动状态的串级调速系统是一种向异步电动机定子和转子同时输入功率的双馈系统。

第三种状态是高于同步转速的发电制动状态，如图1—6（c）所示。

这时转子回路与第一种低于同步转速电动状态相同，电动机转子输出转差功率，由Eadd装置吸收并回馈电网同时定子也向电网回馈功率。

电动机在高于同步速度下产生电气制动，工作在高于同步速度的发电制动状态。

第四种状态是低于同步转速的发电制动状态，如图1—6（d）所示。

其特点是电网通过

Eadd装置向电动机转子回路提供转差功率SP，功率传递方向与高于同步速度的电动状态相同。

送入转子的转差功率与电动机轴上输入的机械功率相加，通过定子回馈电网，此时电动机处于低于同步速度的发电制动状态。

所谓低同步串级调速系统，采用的是不可控整流器，只能附加装置吸收转差动率，转差功率的流向是单向的，只能在同步转速以下调速，电动机只能工作在第一种和第三种状态；而超同步串级调速系统，采用的是可控整流器，转差功率的流向是双向的，这样既可在同步转速以下调速，亦可在同步转速以上调速，电动机可以工作在上述四种状态。

三、整流与逆变

（一）、整流电路

整流电路是通过六只晶闸管组成的三组桥式全控整流电路，它是把交流电变成直流电的装置；三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路共阴极组和共阳极组串联而成的。

此时输出的平均电压：

Ud=

式中s—异步电动机的转差率，其值为S=n0-n/n0（n0和n分别为电动机的理想空载转速和实际转速）

E20为转子开路时的线电压

整流电路的工作过程：

随着γ角的增大，它的电压和电流波形如下：

图1—7转子整流电路的电压和电流波形

（a）γ<600；（b）γ=600；（c）γ=600、α0>00

换流重叠角γ随着转子直流整流电流Id的增大而增大，当Id较小，且小于600时，接到转子整流电路各相转子电动势e2a,e2a,e2c与各整流元件上的电流i1、i2、i3…的波形如图所示。

图中除换流期间有了个整流元件同时工作外，其它时刻都只有两个元件导通，这是整流电路的正常工作情况。

当负载电流Id增大到使γ=600时，整流电路共阳极组两个元件（如VD5与VD1）换流刚结束，立刻就发生共阴极组两个元件（如VD6与VD2）的换流。

这样整流电路始终处于换流状态，在任何时刻都有3个元件同时导通，这仍属于自然换流正常工作，见图b。

当负载电流Id再进一步增大，就会出现整流元件的强迫延迟导通现象如图C所示，当Id大到一定值时，假设所计算出的γ大于600。

这样在图C的t4时刻本应发生元件VD1和VD3间的自然换流，但因γ〉600使得原处在换流状态的元件VD6与VD2间的换流仍未结束（注意此时VD1原已导通，VD6与VD2处于同时导通状态）。

故此时加在元件VD3阳极上的电压不是e2b而是（e2b+e2c）/2，且为负值，而其阴极电位为e2a。

所以VD3承受了反压，在t4时刻无法导通。

只有等到t5时刻，待VD6与VD2换流结束，VD6被截止后，VD3的阳极电位立即从（e2b+e2c）/2跃变为e2b,使元件两端承受了正向电压后才开始导通，并开始VD1与VD3间的换流。

这样就产生了整流元件的强迫延迟换流现象，区间t4~t5便是强迫延迟导通时间，对应的电角度即称为强迫延迟导通角，以αp表示。

依次类推，其它各相的整流元件也相应出现强迫延迟换流现象。

例如VD1,VD3受强迫延迟换流影响从t5时刻开始换流，到t7时刻换流结束。

区间t5～t7即是换流重叠时间，所对应的电角度即是γ的大小。

从图c可以证明这段时间所对应的γ=600，当负载再增大时只引起强迫延迟导通角的继续增大，而γ角一直保持600。

由于出现强迫延迟换流现象，可以把转子整流电路的工作分为两个工作状态。

在0〈γ≤600时，αp=00，称为转子整流电路的第一工作状态；此时转子整流电路呈不可控本质，在自然换流点处进行换流。

当γ=600，0〈αp≤300时称为整流电路的第二工作状态。

此时整流电路不再在自然换流点换流，而是一个αp角度才换流。

强迫延迟导通上使整流电路好像处于可控工作状态，αp角相当于元件的控制角，所以转子整流电路相当于一个可控整流电路。

为此可直接利用可控整流电路的一些分析式，表达转子整流电路在第二工作状态时的一些物理量。

整流电流Id=

E20

/2XD0

整流电压Ud=（SXDOId/

）

上两式中，当αp≠0时，γ=600

由图可见图1-7，当转子整流电路在第一、第二工作状态工作时整流电路中最多只有3个元件导通。

但当αp〉300时，整流电路中就出现4个元件同时导通，形成共阳极组与共阴极组元件双换流的重叠现象，整流电路进入非正常故障工作状态，此时保持αp=300，而γ角继续增大，使整流电路处于第三作状态，由于它不属于正常工作范围，在此就不进行讨论。

转子直流回路平波电抗器的作用是：

一，使串级调速在最小工作电流下仍能维持电流的连续；二，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。

（二）、逆变电路

逆变电路它是将直流电又变成交流电的装置，由晶闸管组成的三相有源逆变桥的作用有两个：

一是从电网为转子回路提供附加直流电势Eβ，它与外串附加交流电势Ef相当，因是低同步串级调速，所以它的方向与转子直流电势Ed相反；二是把直流电再逆变为与电网同步的三相交流电，从而把转差功率Ps通过逆变变压器T匹配成电网电压，送回电网。

1、问题的提出

前面讨论了晶闸管可控整流电路的工作过程，在可控整流电路中，主要是研究如何把交流电变成电压可