《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),,7.0 引言,轉(zhuǎn)差功率問(wèn)題 轉(zhuǎn)差功率始終是人們?cè)谘芯慨惒诫妱?dòng)機(jī)調(diào)速方法時(shí)所關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)楣?jié)約電能是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要目的之一，而如何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的效率。 如第5章所述，交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的處理方式可分為三種類型。,交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的分類,1）轉(zhuǎn)差功率消耗型異步電機(jī)采用調(diào)壓控制等調(diào)速方式，轉(zhuǎn)速越低時(shí)，轉(zhuǎn)差功率的消耗越大，效率越低；但這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。 2）轉(zhuǎn)差功率不變型變頻調(diào)速方法轉(zhuǎn)差功率很小，而且不隨轉(zhuǎn)速變化，效率較高；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高

2、。 3）轉(zhuǎn)差功率饋送型控制繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓，利用其轉(zhuǎn)差功率并達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，這種調(diào)節(jié)方式具有良好的調(diào)速性能和效率；但要增加一些設(shè)備。,7.1 異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理,本節(jié)提要 概述 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用 異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況,轉(zhuǎn)差功率的利用 作為異步電動(dòng)機(jī)，必然有轉(zhuǎn)差功率，要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去利用它。 但要利用轉(zhuǎn)差功率，就必須使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電動(dòng)機(jī)難以勝任，只有繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)才能做到。,7.1.0 概述,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī),,Ps,,P1,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，從廣

3、義上講，定子功率和轉(zhuǎn)差功率可以分別向定子和轉(zhuǎn)子饋入，也可以從定子或轉(zhuǎn)子輸出，故稱作雙饋電機(jī)。,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,根據(jù)電機(jī)理論，改變轉(zhuǎn)子電路的串接電阻，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的原理如圖所示，調(diào)速過(guò)程中，轉(zhuǎn)差功率完全消耗在轉(zhuǎn)子電阻上。,雙饋調(diào)速的概念,所謂“雙饋”，就是指把繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組與交流電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組與其他含電動(dòng)勢(shì)的電路相連接，使它們可以進(jìn)行電功率的相互傳遞。 至于電功率是饋入定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組，還是由定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組饋出，則要視電機(jī)的工況而定。,雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu),,如上圖所示，在雙饋調(diào)速工作時(shí)，除了電機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外

4、，轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電網(wǎng)或外接電動(dòng)勢(shì)相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個(gè)交流電動(dòng)勢(shì)。,功率變換單元,由于轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與電流的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，即f2=sf1，因此必須通過(guò)功率變換單元（Power Converter UnitCU）對(duì)不同頻率的電功率進(jìn)行電能變換。 對(duì)于雙饋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，CU應(yīng)該由雙向變頻器構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳遞。,雙饋調(diào)速的功率傳輸,（1）轉(zhuǎn)差功率輸出狀態(tài),異步電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行；,（2）轉(zhuǎn)差功率輸入狀態(tài),當(dāng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它被拖著運(yùn)轉(zhuǎn)，從軸上輸入機(jī)械功率，經(jīng)機(jī)電能

5、量變換后以電功率的形式從定子側(cè)輸出（饋出）到電網(wǎng)。,7.1.1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用,異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為 式中 s 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率； Er0 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的相電動(dòng)勢(shì)，或稱轉(zhuǎn)子開(kāi)路電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。,,,,(7-1),,轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為： 式中 Rr 轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； Xr0 s=1時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。,,(7-2),,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì),,,,,圖7-1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖,,附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)有相同的頻率，可同相或反相串接。,,引入可控的交流附加電動(dòng)勢(shì),,有附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的轉(zhuǎn)

6、子相電流： 如圖7-1所示，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在外接附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式,,(7-3),轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用,1. Er 與 Eadd 同相 當(dāng) Eadd ， 使得： 這里：,,,,,轉(zhuǎn)速上升；,,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）,當(dāng) Eadd ， 使得： 這里：,,,,,轉(zhuǎn)速下降；,轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）,2. Er與Eadd反相 同理可知，若減少或串入反相的附加電動(dòng)勢(shì)，則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。 所以，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。,,,,,,7.1.2 異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況,本節(jié)摘要 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行 電

7、機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,異步電機(jī)的功率關(guān)系,忽略機(jī)械損耗和雜散損耗時(shí)，異步電機(jī)在任何工況下的功率關(guān)系都可寫(xiě)作,（7-4）,式中 Pm 從電機(jī)定子傳入轉(zhuǎn)子（或由轉(zhuǎn)子傳出給定 子）的電磁功率 sPm 輸入或輸出轉(zhuǎn)子電路的功率，即轉(zhuǎn)差功率 (1-s)Pm 電機(jī)軸上輸出或輸入的功率,由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動(dòng)勢(shì)極性和大小的不同，s 和Pm 都可正可負(fù)，因而可以有以下五種不同的工作情況。,1. 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行,工作條件： 轉(zhuǎn)子側(cè)每相加上與Er0同相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd（Eadd

8、0），并把轉(zhuǎn)子三相回路連通。 運(yùn)行工況： 電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)差率為0

9、態(tài),,,,,,,,,,,Te,0,1,2,s,-n,-n1,,Pm,3. 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行,工作條件： 進(jìn)入這種運(yùn)行狀態(tài)的必要條件是有位能性機(jī)械外力作用在電機(jī)軸上，并使電機(jī)能在超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速n1的情況下運(yùn)行。 此時(shí)，如果處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)子回路再串入一個(gè)與sEr0反相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd，電機(jī)將在比未串入+Eadd時(shí)的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動(dòng)運(yùn)行。,,,,,,運(yùn)行工況： 電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)工作，s1，電機(jī)功率由負(fù)載通過(guò)電機(jī)軸輸入，經(jīng)過(guò)機(jī)電能量變換分別從電機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電網(wǎng)。此時(shí)式（7-4）可改寫(xiě)成,,,,,,,,,,,,,,,功率流程,4. 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)

10、速下作電動(dòng)運(yùn)行,工作條件： 設(shè)電機(jī)原已在 0

11、機(jī)切換到制動(dòng)狀態(tài)下工作。 設(shè)電機(jī)原在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子側(cè)已加入一定的+Eadd。要使之進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)突加一個(gè)反相的附加電動(dòng)勢(shì)。,,,,,運(yùn)行工況,在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，Eadd由“+”變?yōu)椤?”，并使 |-Eadd| 大于制動(dòng)初瞬的Er0 ，電機(jī)定子側(cè)輸出功率給電網(wǎng)，電機(jī)成為發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)工作，并產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以加快減速停車過(guò)程。電機(jī)的功率關(guān)系為,,功率流程,,,,,,,,,,,,,五種工況小結(jié),圖7-2 異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的工況及其功率流程,五種工況都是異步電機(jī)轉(zhuǎn)子加入附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。 在工況a,b,c中，轉(zhuǎn)子側(cè)都輸出功率，可把轉(zhuǎn)子的

12、交流電功率先變換成直流，然后再變換成與電網(wǎng)具有相同電壓與頻率的交流電功率。,a）轉(zhuǎn)子輸出功率的工況,,圖7-4 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元,b）轉(zhuǎn)子輸入功率的工況,圖7-4 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元,7.2 異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的 雙饋系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng),本節(jié)摘要 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的其它類型,基本思路 在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？ 對(duì)于只用于次同步電動(dòng)狀態(tài)的情況來(lái)說(shuō)，比較方便的辦法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個(gè)附加的直流電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅

13、值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 這樣，就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的直流變壓?jiǎn)栴}，對(duì)問(wèn)題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都方便多了。,7.2.1 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,對(duì)直流附加電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)要求,首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求； 其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。,系統(tǒng)方案,根據(jù)以上兩點(diǎn)要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的電源，這就形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。 按照上述原理組成的異步電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的雙饋

14、調(diào)速系統(tǒng)如圖7-5所示，習(xí)慣上稱之為電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)（或稱Scherbius系統(tǒng)）。,圖7-5 電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)組成,功率變換單元,UR 三相不可控整流裝置，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì) sEr0 整流為直流電壓Ud 。 UI 三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)： 可提供可調(diào)的直流電壓Ui，作為電機(jī)調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢(shì)； 可將轉(zhuǎn)差功率變換成交流功率，回饋到交流電網(wǎng)。,,,,,工作原理,（1）起動(dòng) 起動(dòng)條件： 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)而言，起動(dòng)應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)子電流Ir或足夠大的整流后直流電流Id，為此，轉(zhuǎn)子整流電壓Ud與逆變電壓Ui間應(yīng)有較大的差值。,,,,,,,,起動(dòng)控制,控制逆變角 ，

15、使在起動(dòng)開(kāi)始的瞬間，Ud與Ui的差值能產(chǎn)生足夠大的Id，以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過(guò)允許的電流值，這樣電動(dòng)機(jī)就可在一定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動(dòng)。 隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大 角以減小值Ui，從而維持加速過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定 。,工作原理（續(xù)）,（2）調(diào)速 調(diào)速原理：通過(guò)改變 角的大小調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 調(diào)速過(guò)程：,,,,,,Ui,Id,,K1sEr0,n,,Te,,,Te = TL,,,,,,,,,Id,,工作原理（續(xù)）,（3） 停車 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有制動(dòng)停車功能。只能靠減小 角逐漸減速，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。,結(jié) 論,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速 系統(tǒng)能把異步

16、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。,*7.3.1 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征,1. 理想空載轉(zhuǎn)速 在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，其理想空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定不變，調(diào)速時(shí)機(jī)械特性變軟，調(diào)速性能差。 在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速都不變，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的，但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。,,根據(jù)式（7-5），當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（Id = 0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式變成,,其中，s0異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)對(duì)應(yīng)于某一 角的理想空載轉(zhuǎn)差率，并取K1=K2，則,(7-6),

17、理想空載轉(zhuǎn)速方程,由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速n0為：,,,(7-7),,式中 nsyn 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。,特性分析,從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級(jí)調(diào)速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的。當(dāng)改變逆變角 時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)差率和理想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。 由式（7-5）還可看出，在不同的 角下，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的機(jī)械特性。,2機(jī)械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩,串級(jí)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級(jí)調(diào)速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實(shí)際上相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。

18、 由于轉(zhuǎn)子回路電阻的影響，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性比其固有特性要軟得多。,轉(zhuǎn)子回路電阻的影響,當(dāng)電機(jī)在最高速的特性上（=90）帶額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。 整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級(jí)調(diào)速時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)在正常接線時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。,這樣，串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性便如圖7-7所示。,串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖,圖7-7 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 a) 大電機(jī) b)小電機(jī),從圖7-5中可以看出，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動(dòng)機(jī)定子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可

19、以引用電力電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來(lái)研究串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路。 但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：,*7.3.2 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路,（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值與頻率都是變化的，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而變化； （2）異步電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子頻率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)； （3）由于異步電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大，所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴(yán)重，從而在負(fù)載較大時(shí)會(huì)引起整流器件的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象。,整流電路的不同點(diǎn),1. 轉(zhuǎn)子整流電路,圖7-8 轉(zhuǎn)子整流電路,2. 電路分析,假設(shè)條件： （1）

20、整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略； （2）轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為無(wú)窮大，直流電流波形平直； （3）忽略電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁阻抗的影響。,換相重疊現(xiàn)象,設(shè)電動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為era、erb、erc。當(dāng)各整流器件依次導(dǎo)通時(shí)，必有器件間的換相過(guò)程，這時(shí)處于換相中的兩相電動(dòng)勢(shì)同時(shí)起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。,換相重疊波形,換相重疊壓降,換相重疊角,根據(jù)電力電子技術(shù)中介紹的理論，換相重疊角為,換相重疊角,,（7-8）,其中XD0 -----s=1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。,,由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流電流Id 的增大

21、而增加。 當(dāng)Id 較小， 在0 60之間時(shí)，整流電路中各整流器件都在對(duì)應(yīng)相電壓波形的自然換相點(diǎn)處換流，整流波形正常。,,當(dāng)電流Id 增大到按式（7-8）計(jì)算出來(lái)的 角大于60時(shí)，器件在自然換相點(diǎn)處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點(diǎn)換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強(qiáng)迫延時(shí)換相角 p 。 由此可見(jiàn)，串級(jí)調(diào)速時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。,轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài),（1）第一種工作狀態(tài)的特征是 0 60， p = 0 此時(shí)，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。 （2）第二種工作狀態(tài)的特征是 = 60， 0 < p

22、 < 30 這時(shí)，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)，p 角相當(dāng)于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。,,,,,,轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)（續(xù)）,（3）當(dāng) =30時(shí)，整流電路中會(huì)出現(xiàn)4個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，形成共陽(yáng)極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后p 保持為30，而角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。,,,,轉(zhuǎn)子整流電流與 、p 間的函數(shù)關(guān)系,圖7-9 轉(zhuǎn)子整流電路的 = f ( Id )， p = f ( Id ),Id1-2,串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓,由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時(shí)的特殊情況

23、，所以可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式來(lái)表示串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。,,(7-9),串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電壓,式中 RD=sRs+Rr為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。,,,(7-10),,上兩式中， 當(dāng) 0 < p < 30， =60時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第二工作區(qū)； 當(dāng)p = 0， = 0 60 時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第一工作區(qū)。,*7.3.3 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式,圖710 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng),a）主電路,b）等效電路,1. 電路結(jié)構(gòu),2. 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程,轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為 逆變器直流側(cè)電壓 電壓平衡方程,,(7-11),,(7-12

24、),(7-13),,,以上三式中 RL直流平波電抗器的電阻； XT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效電阻，RT = RT 1 + RT 2 。,,,,,,3. 轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速方程,解式（711）式（713），可以得到用轉(zhuǎn)差率表示的方程式,,（7-14）,轉(zhuǎn)速特性方程,將 s=(n0 n)/n0代入上式，得到串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速特性為,,(7-15),如令p = 0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。,,分析式（7-15）可以看出，等號(hào)右邊分子中的第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓,,（7-16）

25、,第二項(xiàng)相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可以寫(xiě)作Id R，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓。,等效電動(dòng)勢(shì)系數(shù)公式,如借用直流電動(dòng)機(jī)的概念和有關(guān)算式，引入電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CE ，使,,（7-17）,轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式,則式（7-15）可改寫(xiě)成,,（7-18）,其中，,,,,注意： 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce是常數(shù)，但在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，CE是負(fù)載電流的函數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因素，故兩個(gè)符號(hào)的下角不同，以示區(qū)別。,兩種轉(zhuǎn)速特性的比較,式（7-18）表明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動(dòng)的調(diào)速特性。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，須直接改

26、變電壓U；而在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過(guò)改變式（7-16）第二項(xiàng)中的控制角 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,兩種轉(zhuǎn)速特性的比較（續(xù)）,在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中總電阻R 較大，系統(tǒng)的調(diào)速特性較軟；對(duì)于p0 的第二工作區(qū)，計(jì)及p的影響，在同一逆變角下的電壓更小，相當(dāng)于也發(fā)生變化，因而調(diào)速特性更軟。,4. 電磁轉(zhuǎn)矩方程,轉(zhuǎn)差功率 可以從轉(zhuǎn)子整流電路的功率傳遞關(guān)系入手，暫且忽略轉(zhuǎn)子銅耗，則轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率,,電磁轉(zhuǎn)矩公式,而電磁功率Pm=Ps/s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為,,,（7-19）,0理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)速rad/s ； CM串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，,式中,,因?yàn)椋?,它也是電流Id 的函數(shù)。與式（

27、7-17）的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)CE 相比可知，CM和CE對(duì)Id 的關(guān)系是一樣的。由于0 =2n0 /60，所以,（7-20）,可見(jiàn)，CM和CE的關(guān)系與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)中Cm 和 Ce的關(guān)系完全一致。,5. 串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性方程,當(dāng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運(yùn)行時(shí)，p=0，代入式（7-19），再令 dTe/dt=0，可求出電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算最大值Te1m，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式：,第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式,,(7-21),,,,,,,s1m=s1m-s10 在給定 值下，從理想空載到計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率增量； s1=s-s10 在相應(yīng)的 值下，由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)差率增量；,式中,,s

28、10 相應(yīng) 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率； s1m 對(duì)應(yīng)于計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩Te1m的臨界轉(zhuǎn)差率：,,,,(7-22),,Te1m 系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩”。 由于在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)，負(fù)載增大到一定程度，必然會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子整流器的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，也就是說(shuō)，系統(tǒng)必然會(huì)進(jìn)入第二工作區(qū)。而 Te1m 是在p= 0 的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會(huì)達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩。,第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式,,(7-23),,,,,,,,,,,,s2m=s2m-s20 計(jì)及強(qiáng)迫延時(shí)換相，對(duì)應(yīng)于某一p 值時(shí)的轉(zhuǎn)差率增量； s2=s-s20 在給定 與p值下，由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)差率增量

29、;,,式中,,s20相應(yīng) 與p 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率：,,,,,,(7-24),而,,注意： 在用式（7-23）計(jì)算第二工作區(qū)的一段機(jī)械特性時(shí)，等號(hào)左邊分母中仍用Te1m ，這是為了使第一、二工作區(qū)的機(jī)械特性計(jì)算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩就是Te1m ，它具有另外一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩Te2m 。,幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系和計(jì)算,從異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)矩TeN和正常運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩Tem 。 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有實(shí)用意義的是第一工作區(qū)的計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩Te1m 和第二工作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩Te2m（可證明，Te2m 對(duì)應(yīng)于p=15）。還有第一、二工作區(qū)交界的轉(zhuǎn)矩值，稱作交接轉(zhuǎn)矩Te1-2。,,按照上面的推導(dǎo)，可得,,,,,式（7-26）說(shuō)明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時(shí)減少了17.3%，這在選用電機(jī)時(shí)必須注意。 另外，由式（7-27）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力一般大于2，即Tem 2TeN，所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下工作時(shí)，還是處于第一工作區(qū)。,6. 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性,圖7-11 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性,