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bd70bc29915f804d2b16c1b1
10080?sch?/`4020?R010.5s0 图7-12 电气串级调速系统与转子串电阻调速系统??f(s)的比较 低速时随着回馈功率Pf增加，功率因数还要降低。串级调速系统总功率因数可用下式表示
cos?sch?Pin?SP1?Pf(P1?Pf)?(Q1?Qf)22 （7-29）
式中S——系统总的视在功率；
Q1——电动机从电网吸收的无功功率；
Qf——逆变变压器从电网吸收的无功功率。
一般串级调速系统在高速运行时的功率因数为0.6~0.65，比转子回路短接时电动机的功率因数减少0.1左右，在低速时可降到0.4~0.5（对调速范围为2的系统）。这是串级调速系统的主要缺点。
对于宽调速的串级调速系统，随着转差率的增大系统的功率因数还要下降，这是串级调速系统能否被推广应用的关键问题之一。所以人们研究了多种改善功率因数的方法，比较常用的方法是增加静止无功补偿装置。
7.4.3 串级调速装置的电压和容量
串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外为实现串级调速而附加的所有功率部件，包括转子整流器、逆变器和逆变变压器。从经济角度出发，必须正确合理地选择这些附加设备的电压和容量，以提高整个调速系统的性能价格比。
整流器和逆变器容量的选择主要依据其电流与电压的定额。电流定额决定于异步电动机转子的额定电流IrN和所拖动的负载，电压定额则决定于异步电动机转子的额定相电压（即转子开路电动势）Er0和系统的调速范围D。采用串级调速的异步电动机在电动运行时的最高转速等于同步转速
nsyn，于是
D?nsynnmin （7-30）
其中nmin是调速系统的最低转速，对应有最大理想空载转差率smax，可得 nmin?nsyn(1?smax)
7- 17
于是 smax?1?1 （7-31） D调速范围越大时，smax也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高。
逆变变压器与晶闸管-直流电动机调速系统中的整流变压器作用相似，但其容量与二次侧电压的选择却与整流变压器截然不同。在直流调速系统中，整流变压器的二次侧电压只要能满足电动机额定电压的要求即可，整流变压器的容量与电动机的额定电压和额定电流有关，而与系统的调速范围无关。在交流串级调速系统中，设置逆变变压器的主要目的就是取得能与被控电动机转子相匹配的逆变电压，其次是把逆变器与交流电网隔离，以抑制电网的浪涌电压对晶闸管的影响。这样，由式（7-6）可以写出逆变变压器的二次侧相电压UT2和异步电动机转子电压之间的关系：
UT2?一般取β
min=30?，则
smaxEr0
cos?min UT2?再利用式（7-31），得 UT2smaxEr0?1.15smaxEr0
cos30?1?1.15Er0(1?) （7-32）
Dmin=30?的条件是很困难的，且往往是不可
由式（7－32）可以看出，UT2与转子开路电动势有正比关系。可以设想，如果不用逆变变压器，则式中的UT2即是交流电网电压，这样要满足在smax时β能的。
逆变变压器的容量为 WT?3UT2IT2 再利用式（7-32），则 WT?3.45E20I2T(1?1) (7-33) D从式（7-32）可见，随着系统调速范围的增大，逆变变压器ＷT 和整个串级调速装置的容量都相应增大。这在物理概念上也是很容易理解的，因为随着系统调速范围的增大，通过串级调速装置回馈电网的转差功率也增大，必须有较大容量的串级调速装置来传递与变换这些转差功率。从这一点出发，串级调速系统往往被推荐用于调速范围不大（例如D=1.5~2.0）的场合，而很少用于从零速到额定转速全范围调速的系统。
7.5 双闭环控制的串级调速系统
由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。
图7-13所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电动机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为???min。图7－14所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态
稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。
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~M~TI3~TGTAASRACR 图7-13 双闭环控制的串级调速系统
*7.6 串级调速系统的起动方式
串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，逆变器为有源逆变工作状态。为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先电动机而接上电网，停车时则比电动机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，而造成逆变器的短路事故。
串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。
7.6.1 间接起动
大部分采用串级调速的设备是不需要从零速到额定转速作全范围调速的，特别对于风机、泵、压缩机等机械，其调速范围本来就不大，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投入运行。由于这类机械不经常起动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。从串电阻起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用时间原则自动控制。
SK0M3~URUITIK2K1R0图7－14 串级调速系统间接起动控制原理图 7- 19
图7－14是间接起动控制原理图。起动操作顺序为：先合上装置电源总开关S，使逆变器在?min下等待工作。然后依次接通接触器K1，接入起动电阻R，再接通K0，把电动机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2，使电动机转子接到串级调速装置，然后断开K1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。不允许在未达到设计最低转速以前就把电动机转子回路与串级调速装置联通，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏器件，所以转速检测或起动时间计算必须准确。停车时，由于没有制动作用，应先接通K1然后断开K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再断开K0，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。
如果生产机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动机在串电阻方式下起动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要求调节到所需要的转速运行。这种起动方式可以保证整流器与逆变器不致受到超过定额的电压，工作安全。但电动机要先升到最高转速，再通过减速达到工作转速，对于有些生产机械是不允许的。
7.6.2 直接起动
直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。
在图7－14中，接触器的工作顺序为S－K0－K2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。待发出给定信号后，随着β的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。
*7.7 绕线转子异步风力发电机组
风能是一种重要的可再生能源，利用风力发电具有清洁、无污染且占地小等独特优点，因此风力发电技术已成为当前运动控制学科研究的一个热点。风能具有随机性和间歇性的特点，风速往往是在不停的变化之中，而且变化范围很大，因此风力发电机组的转速与输出电功率也会随之变化，当风力发电机组与电网并联运行时，必须要求风力发电机组发出的电能频率与相位和电网频率与相位保持一致。
绕线转子异步发电机可作为变速恒频风力发电机[56]，通过转子回路中的变频器控制转差功率的大小和流向来实现变速恒频，实现发电机组的并网运行，见图7-15。发电机定子绕组直接与电网连接。转子绕组由滑环引出后与转子侧变频器连接。转子侧和电网侧变频器均采用PWM四象限变频器，则转差功率可以由转子输出至电网或由电网输入转子，发电机运行在超同步回馈制动状态或次同步回馈制动状态，大大拓宽了风力发电机的速度范围。
当风速较低时，发电机转速n小于定子旋转磁场同步转速n1，电网侧变频器处于整流工作状态
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