第三讲 交流调压调速系统原理及电路分析2010-0330

由导通区间可计算各相负载所获得的调 压电压，以A相正半周为例
ωt = 0o ~ 30o ,VT5 ,VT6导通，u RA = 0
ωt = 30o ~ 60o ,VT1 ,VT5 ,VT6导通，u RA = u A
1 ωt = 60 ~ 90 ,VT1 ,VT6导通，u RA = u AB 2 ωt = 90o ~ 120o ,VT1 , VT2 ,VT6导通，u RA = u A 1 o o ωt = 120 ~ 150 , VT1 , VT2导通，u RA = u AC 2 ωt = 150o ~ 180o ,VT1 ,VT2 ,VT3导通，u RA = u A
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2.3.4 转子铜耗
• 转子铜耗 Cur ：电磁功率传送到转子以 转子铜耗P 后，在转子电阻上又产生了，其大小为
PCur = 3 I
式中，
'2 r
R r'
I r' 是转子电流折算至定子侧的有效值； ' R r 是折合到定子侧的转子相电阻。
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等效电路中的附加电阻损耗
I r'2 R r'
1− s s
P1 = 3U s I s cos ϕ1
P1 是定子绕组的输入功率；
cos ϕ1 是定子绕组的功率因数。
Us是定子相电压；Is是定子相电流；
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2.3.1 定子铜耗
• P1的一小部分消耗于定子电阻上的定子铜耗 PCus及定子铁心中的铁耗PFe。定子铜耗是定子 电流通过绕组时产生的热损耗，其大小为
P Cus = 3 I R s
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2.3.3 电磁功率
• 异步电动机的电磁功率 e：输入电功率减去定子 异步电动机的电磁功率P 铜耗、铁耗后所余下的大部分电功率借助于气隙 旋转磁场由定子传送到转子的功率。
• 由于总机械功率PM = (1-s)Pe，转子机械角速度Ω =(1-s)Ω0， 所以电磁转矩Te也可以写成
Te =
Pe
Ω0
TVC
图2-3 利用晶闸管交流调压器变压调速 24
控制方式 1）相位控制
u α ωt
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控制方式 2）整周波控制（开关控制）
特点：无污染，功率因数高；不能实现无级调速
Ton~Toff<<机械时间常数Tm 1:10
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如Tm＝1s,则Ton~Toff<<100ms,以50Hz工作，则为5 个周期。
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uA
(2)分析α＝30°时Y 电路的工作原理
ia
ua
VT3 VT1 a VT4 b N VT6 VT5 c VT2 RC R
B
uB
uC
a)
ωt
ug
b) o
URA
1
2
3
4
5
6
ωt
RA c) VT1
VT5 VT6
ub
VT2 VT3 VT4
d) uRA
uc
o
t1 t10 t2 t20
t3
ωt
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图2-7 α＝30°时的波形
Ploss = PCus + PCur + PFe + P + P∆
异步电动机的效率通常在在75%至额定负载 时接近最大，轻载时效率明显下降。
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三、异步电动机变压调速电路
变压调速是一种典型的转差功率消耗型调 速系统。 异步电动机降压调速 转差功率消耗型 转子回路串电阻调速 电磁转差离合器调速
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2
一、调压调速原理
根据异步电动机的机械特性方程式
式中：
3 pU R / s Te = ω1[( R1 + R2' / s) + ω12 ( Ll1 + L'l 2 ) 2 ]
2 1 2
' 2
' R1 , R2 为定子每相电阻和折算到定子侧的转子 每相电阻；
Ll1 , L 为定子每相漏感和折算到定子侧
• 代表实际电机中的总机械功率——物理意义。 • 因为机械功率与转速（或转差率）有关，且是 纯粹的有功输出，所以用一个与s有关的可变电 阻来模拟。
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当异步电动机运行于电磁制动状态时，s > 1 则有
1 − s '2 ' I r R r 为负，因为转子的转向与气隙磁场转向相反， s 说明转子轴上输出的机械功率为负，即机械功率不是 输出而是输入。这种状态下电机既吸收机械功率也吸 收电功率，都转化为电机铜损耗。
2 s
式中，Rs是定子每相电阻。
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2.3.2 铁心损耗
铁心损耗是由于交变磁通在定、转子铁心 铁心损耗 中产生的磁滞及涡流损耗，其大小为
2 磁滞损耗：PFe1 = k1 f1 B
PFe2 = k 2 f 12 B 2 涡流损耗：
铁损平均功率: 铁损平均功率 PFe = PFe1 + PFe2 = k1 f1 B 2 + k 2 f12 B 2 式中，k1、k2为铁心加工及磁密分布不均匀使铁 耗增加的系数；B为磁通密度.
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以单相为例
单相交流调压电路，以阻抗角 ϕ = arctan ωL 来表征电阻 电感负载的参数情况。
VT2 L
R
<1>分析一下电路的工作原理，画出相应的波形
iL
u1
VT1
uL
R
图2-13 (a)单相交流调压电路
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u1 b)
π
ug 1
b)输入U1电压波形 c)触发脉冲 d)为晶闸管的导通区间 e)为负载电流波形 f)为负载电压波形
n
0
60 f 1 = n p
式中，n0为同步转速（r/min）；f1为定子电流 的供电频率（Hz）；np为电动机的极对数
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• 感应电动机 感应电动机：异步电动机转子之所以能受到电 磁转矩的作用，关键在于转子导条与旋转磁场 之间存在相对运动而产生电磁感应作用。 • 三种运行状态：电动运行、发电运行和制动运 三种运行状态： 行状态。
由此．负载电压URA可以求出(正、负半周反向对称)， 波形如图所示。
1 2 ωt = 30o ~ 90o ,VT5 ,VT6导通，u RA = 0 1 o o ωt = 90 ~ 150 ,VT1 ,VT6导通，u RA = u AB 2 1 o o ωt = 150 ~ 180 , VT1 , VT2导通，u RA = − u AC 2
6
所谓的调压调速，就是通过改变定子外加 电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到 改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。
7
二 异步电动机的功率损耗与效率 2.1.同步转速定义： 同步转速定义： 同步转速定义 异步电动机旋转磁场的转速称为同步转速， 同步转速的大小与定子供电电流的频率和定子 的极对数有关，关系表达式：
RA RB RC
图2-5 三相Y型调压电路
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（一）带纯电阻负载时的工作原理
1)电路特点 ① α＝0°的确定：对应于正负半轴波形的过零点 ②每个脉冲的宽度T>=60 °(保证每个时刻至少有 两个管子导通。 ③触发规律 T1 T2 T3 T4 T5 T6
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设系统已经工作，即 在T1的脉冲到来之前， T4,T5,T6导通 (1)分析α＝0°时Y电 路的工作原理，此时N 点电位为0，触发T1， 则T1导通。
' l2
的转子每相漏感
3
一、调压调速原理（续）
U 1 , ω 1 为电动机定子相电压和供电角频率
p 为电动机的极对数；
s
为转差率；
可见，当转差率S一定时，电磁转矩与定子 电压的平方成正比，这说明不同的定子电压， 可以得到不同的人为机械特性，如图2-1。
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一、调压调速原理（续）
s
sm
C
A B
D
风机泵类负载特性
=
PM
Ω
2πf1 同步机械角速度 Ω 0 = = np np
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ω1
在工程计算中，机械功率PM由下式决定
P M = T e n / 9550
转子的电磁转矩Te的单位是N⋅m，n的单位是 r/min，转子的总机械功率PM的单位是kW，机械 角速度Ω，则电机输出的机械功率与电磁转矩和 则电机输出的机械功率与电磁转矩和 转速的乘积成正比。 转速的乘积成正比
•Y形接法
ia VT1 a ua VT3
a)
Ua0
R
VT4 b 0
R
ub VT5
VT6 c
uc
VT2
R
负载
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•△形接法
ia ua b) ub c uc b 负载 a
图2-2 电路形式
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• 交流变压调速系统可控电源
~
•利用晶闸管交流调 压器变压调速 •TVC——双向晶闸 管交流调压器
M 3~
d)VT1
VT2
2π
2
ωt
c)
0
ωt
iL
e)
π
θ
ωt
uL
f)
π
ωt
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图2-14
当α很小或者负载电感量很大时；UL=Ui-----失控 需要研究θ＝f(α,ωL,R)=f(α, ϕ )之间的关系，
uA
a)
u
B
u
C
ωt ug 1
b) o
2 3 4 5 6
ωt
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6
c)
uR d)
o
A
ωt
图2-6 三相全波星形联结调压电路 α＝0°时的波形
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①正向晶闸管T1,T3,T5在电源电压波形正半波的 起始点被触发导通 反向晶闸管T4,T6,T2在电源电压波形负半波的起 始点被触发导通 ②每个元件导通180°,半波过零点，自行关断 ③在每个60°区间有三个晶闸管同时导通。