(4).交流电机串级调速和双馈调速
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2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速 24
浙江大学电气工程学院 4、能量关系 （1）次同步电动 P1=PM+ΔP1
机械损耗
—交流电机调速理论与方法—
PM=Pmec+PS Pmec=(1-S)PM=ΔPmec+P2 PS=SPM=PTR+ Δ PTR+ Δ PB+ Δ P2
变压器损耗 转子损耗 转子侧变频器功率 变流器损耗
2.34 E2 cos α p −
π
Id
7
2008-10-12
交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
n = n1
2.34( E2 cos α p − E2 β cos β ) − (
3X D
π
+
3X B
π
+ 2 RB + 2 RD + R L ) I d
2.34 E2 cos α p −
—交流电机调速理论与方法—
(1) Id较小时，μ<60º，换流时：3管通，换流结束：2管通 (2) Id增加时，μ=60º，换流连续进行 (3) Id↑，μ=60º不变，αp:0º~30º
5 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 “1”处：VT6 → VT2换流，电压为：（ub+uc)/2
交流电机串级调速和双馈调速
2008-10-12
交流电机串级调速和双馈调速
1
浙江大学电气工程学院 一、交流电机的串级调速系统 1、串级调速系统的类型 （1）恒转矩电机型串级调速系统（电机串级）
—交流电机调速理论与方法—
调节If来控制Ef
输出机械功率（1-S）Pm=Pmn/n1 正比于电机转速 即具有恒转矩特性
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM> 0 机械功率 Pmec> 0 转差功率 PS> 0
21 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （4）超同步回馈（S’<0)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM< 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS< 0
22 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
3X B
π
Id
U − RΣ I d = Ce
Ce = 2.34 E2 cos α p − n1 3X D
π
Id
U = 2.34( E2 cos α p − E2 β cos β )
① 改变β，即可改变U, R较大，特性软，Id Id ② 出现αp Ud , 特性变软
8 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
6 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 3、异步电机在串级调速时的机械特性 (1)转子整流器输出电压 第一工作状态
—交流电机调速理论与方法—
U d = 2.34SE2 − (
3X DS
π
+ 2 RD ) I d 3X DS
相当于αp=0
第二工作状态 (2)逆变侧输出电压
—交流电机调速理论与方法—
14 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 5、串调系统的起动 调速范围按0→nN设计的系统，可直接起动
—交流电机调速理论与方法—
停车次序：先断开电机侧电源，后断开逆变器侧交流电源
15 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 二、绕线式异步电机双馈调速系统 1、双馈调速的基本原理
—交流电机调速理论与方法—
串调是双馈调速的一个特例
U 2与E2 S同频
16 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 (1)反相
—交流电机调速理论与方法—
U 2与E2 S 反相
U 2 < E2 S
E2 S = SE2 ′ ′ E2 S = S ′E2 S
′ ( E2 S − U 2 ) ↓ → I 2 ↓ → n ↓ → E2 S ↑ → 平衡
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
亚同步运行
超同步运行
29 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
2、级联式无刷双馈电机
30 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
3、无刷双馈电机
19 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （2）次同步速回馈（1>S’>0)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM< 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS> 0
制动转矩
20 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （3）超同步电动（S’<0)
因此为恒功率调速系统 缺点： 调速范围小，2:1以内
3 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （3）恒转矩晶闸管串级调速系统（晶闸管串级）
—交流电机调速理论与方法—
η↑ 、cosφ↓
4 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 2、整流电路的第2工作状态
ω r=f(Δω）
Δω= ω 1- ω r
变频器由独立正弦波发生器控制 运行方式相当于转子加交流励磁的同步电动机 对风机类负载适用 快速性不高，易振荡 （2）自控式（异步工作方式） Δω =f（ω r ） 变频器的频率由系统内进行调节 需安装位置检测器，检测转差频率（转子位置），实现相位控制 具有异步电机的特点，但定子侧无功可调 稳定性好，适用轧钢机等负载
—交流电机调速理论与方法—
“2”处：VT1→VT3换流，b相电压仍为：（ub+uc)/2<ua，无法换流 VT6 → VT2换流结束后， 才开始VT1→VT3换流 VT1→VT3换流将影响VT2 →VT4换流 (4) αp=30º 时， （ub+uc)/2>ua VT6→VT2换流未结束， VT1→VT3换流也可开始 4元件同时导通，直流侧短路 故障，第三工作状态
控制绕组
变频器
极对数PC
工频电源
Baidu Nhomakorabea
转子导条 PP+PC
功率绕组 极对数PP
31 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
2 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
缺点： 体积大，异步电机低速时，机组的机械损耗增大
浙江大学电气工程学院 （2）恒功率电机型串级调速系统（机械串级）
—交流电机调速理论与方法—
直流电机反电势作为 Ef，改变If可改变Ef的 大小
不计损耗时
负载上总机械功率为(1-S）PM+SPM=PM
n → n1
S ′E2 = 0
(4) U 2 > SE2
S′ < 0
超同步速
18 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 2、双馈调速电机的运行状态 （1）次同步速电动（1>S’>0)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM=m1U1I1cosφ1 > 0 机械功率 Pmec=(1-S’)PM > 0 转差功率 PS=S’ PM= m1U1I1cosφ2’ < 0
浙江大学电气工程学院 （5）三次谐波辅助换流串调系统
—交流电机调速理论与方法—
增加VT7、VT8和C 利用辅助换流电路，使逆变桥处于180º～270º,吸收电流由 滞后变为超前。
13 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 VT2⇒VT4换流 三次谐波换流：换流 电容上的充放电频率为逆 变器输出频率的3倍
U d = 2.34 SE2 cos α p − (
π
+ 2 RD ) I d
U β = 2.34 E2 β cos β − (
(3)机械特性 Ud=Uβ
3X B
π
+ 2 RB + R L ) I d
S=
2.34 E2 β cos β + (
3X B
π
+ 2 RB + 2 RD + R L ) I d 3X B
浙江大学电气工程学院 （5）倒拉反转 电动（S’>1)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM> 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS< 0
23 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 3、他控与自控 （1）他控式（也称同步工作方式）
—交流电机调速理论与方法—
(2)同相
U 2与E2 S同相
U 2 < E2 S
( E2 S + U 2 ) ↑ → I 2 ↑ → n ↑ → S ′ ↓ → E2 S ↓ → 平衡 ′
17 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 (3) U 2 = SE2
—交流电机调速理论与方法—
由U 2作用即能产生I 2
25 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 (2)超同步电动 P1=PM+ΔP1 PM=Pmec-PS
—交流电机调速理论与方法—
Pmec=(1-S)PM PS=SPM=PTR- (Δ PTR+ Δ PB+ Δ P2)
26 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
αp
Ce
Ce
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
AB：①状态 BC：②状态 C以后：③状态，不能正常工作
4、串调系统的功率因数 功率因数低的原因： 逆变桥相位滞后，吸收无功 波形畸变 电动机、逆变变压器吸收无功 转差功率回馈，相当于电网吸收无功 例：调速范围2:1
2008-10-12
低速：0.4～0.5
S= KEB (1 − α ) cos β E2
升压斩波器
n↑→SE2 ↓ ⇒ Ud ↑ 与Uβ相匹配
11 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （4）强迫换流式式逆变器 利用强迫换流，使 β<0,提供容性无功功率
—交流电机调速理论与方法—
12 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
交流电机串级调速和双馈调速
高速：0.6～0.65
9
浙江大学电气工程学院 改善方法： （1）进线电网侧接补偿电容 （2）旁路式逆变器
—交流电机调速理论与方法—
β↓→cosφ↑
10 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （3）斩波器式逆变器
—交流电机调速理论与方法—
β基本保持不变，利用斩波器来控制电机转速n。
浙江大学电气工程学院 三、双馈式变速恒频风力发电系统 1、绕线式异步电机 （1）系统结构
—交流电机调速理论与方法—
27 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （2）双PWM逆变器原理图
—交流电机调速理论与方法—
28 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 4、能量关系 （1）次同步电动 P1=PM+ΔP1
机械损耗
—交流电机调速理论与方法—
PM=Pmec+PS Pmec=(1-S)PM=ΔPmec+P2 PS=SPM=PTR+ Δ PTR+ Δ PB+ Δ P2
变压器损耗 转子损耗 转子侧变频器功率 变流器损耗
2.34 E2 cos α p −
π
Id
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2008-10-12
交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
n = n1
2.34( E2 cos α p − E2 β cos β ) − (
3X D
π
+
3X B
π
+ 2 RB + 2 RD + R L ) I d
2.34 E2 cos α p −
—交流电机调速理论与方法—
(1) Id较小时，μ<60º，换流时：3管通，换流结束：2管通 (2) Id增加时，μ=60º，换流连续进行 (3) Id↑，μ=60º不变，αp:0º~30º
5 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 “1”处：VT6 → VT2换流，电压为：（ub+uc)/2
交流电机串级调速和双馈调速
2008-10-12
交流电机串级调速和双馈调速
1
浙江大学电气工程学院 一、交流电机的串级调速系统 1、串级调速系统的类型 （1）恒转矩电机型串级调速系统（电机串级）
—交流电机调速理论与方法—
调节If来控制Ef
输出机械功率（1-S）Pm=Pmn/n1 正比于电机转速 即具有恒转矩特性
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM> 0 机械功率 Pmec> 0 转差功率 PS> 0
21 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （4）超同步回馈（S’<0)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM< 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS< 0
22 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
3X B
π
Id
U − RΣ I d = Ce
Ce = 2.34 E2 cos α p − n1 3X D
π
Id
U = 2.34( E2 cos α p − E2 β cos β )
① 改变β，即可改变U, R较大，特性软，Id Id ② 出现αp Ud , 特性变软
8 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
6 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 3、异步电机在串级调速时的机械特性 (1)转子整流器输出电压 第一工作状态
—交流电机调速理论与方法—
U d = 2.34SE2 − (
3X DS
π
+ 2 RD ) I d 3X DS
相当于αp=0
第二工作状态 (2)逆变侧输出电压
—交流电机调速理论与方法—
14 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 5、串调系统的起动 调速范围按0→nN设计的系统，可直接起动
—交流电机调速理论与方法—
停车次序：先断开电机侧电源，后断开逆变器侧交流电源
15 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 二、绕线式异步电机双馈调速系统 1、双馈调速的基本原理
—交流电机调速理论与方法—
串调是双馈调速的一个特例
U 2与E2 S同频
16 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 (1)反相
—交流电机调速理论与方法—
U 2与E2 S 反相
U 2 < E2 S
E2 S = SE2 ′ ′ E2 S = S ′E2 S
′ ( E2 S − U 2 ) ↓ → I 2 ↓ → n ↓ → E2 S ↑ → 平衡
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
亚同步运行
超同步运行
29 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
2、级联式无刷双馈电机
30 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
3、无刷双馈电机
19 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （2）次同步速回馈（1>S’>0)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM< 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS> 0
制动转矩
20 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （3）超同步电动（S’<0)
因此为恒功率调速系统 缺点： 调速范围小，2:1以内
3 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （3）恒转矩晶闸管串级调速系统（晶闸管串级）
—交流电机调速理论与方法—
η↑ 、cosφ↓
4 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 2、整流电路的第2工作状态
ω r=f(Δω）
Δω= ω 1- ω r
变频器由独立正弦波发生器控制 运行方式相当于转子加交流励磁的同步电动机 对风机类负载适用 快速性不高，易振荡 （2）自控式（异步工作方式） Δω =f（ω r ） 变频器的频率由系统内进行调节 需安装位置检测器，检测转差频率（转子位置），实现相位控制 具有异步电机的特点，但定子侧无功可调 稳定性好，适用轧钢机等负载
—交流电机调速理论与方法—
“2”处：VT1→VT3换流，b相电压仍为：（ub+uc)/2<ua，无法换流 VT6 → VT2换流结束后， 才开始VT1→VT3换流 VT1→VT3换流将影响VT2 →VT4换流 (4) αp=30º 时， （ub+uc)/2>ua VT6→VT2换流未结束， VT1→VT3换流也可开始 4元件同时导通，直流侧短路 故障，第三工作状态
控制绕组
变频器
极对数PC
工频电源
Baidu Nhomakorabea
转子导条 PP+PC
功率绕组 极对数PP
31 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
2 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
缺点： 体积大，异步电机低速时，机组的机械损耗增大
浙江大学电气工程学院 （2）恒功率电机型串级调速系统（机械串级）
—交流电机调速理论与方法—
直流电机反电势作为 Ef，改变If可改变Ef的 大小
不计损耗时
负载上总机械功率为(1-S）PM+SPM=PM
n → n1
S ′E2 = 0
(4) U 2 > SE2
S′ < 0
超同步速
18 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 2、双馈调速电机的运行状态 （1）次同步速电动（1>S’>0)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM=m1U1I1cosφ1 > 0 机械功率 Pmec=(1-S’)PM > 0 转差功率 PS=S’ PM= m1U1I1cosφ2’ < 0
浙江大学电气工程学院 （5）三次谐波辅助换流串调系统
—交流电机调速理论与方法—
增加VT7、VT8和C 利用辅助换流电路，使逆变桥处于180º～270º,吸收电流由 滞后变为超前。
13 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 VT2⇒VT4换流 三次谐波换流：换流 电容上的充放电频率为逆 变器输出频率的3倍
U d = 2.34 SE2 cos α p − (
π
+ 2 RD ) I d
U β = 2.34 E2 β cos β − (
(3)机械特性 Ud=Uβ
3X B
π
+ 2 RB + R L ) I d
S=
2.34 E2 β cos β + (
3X B
π
+ 2 RB + 2 RD + R L ) I d 3X B
浙江大学电气工程学院 （5）倒拉反转 电动（S’>1)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM> 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS< 0
23 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 3、他控与自控 （1）他控式（也称同步工作方式）
—交流电机调速理论与方法—
(2)同相
U 2与E2 S同相
U 2 < E2 S
( E2 S + U 2 ) ↑ → I 2 ↑ → n ↑ → S ′ ↓ → E2 S ↓ → 平衡 ′
17 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 (3) U 2 = SE2
—交流电机调速理论与方法—
由U 2作用即能产生I 2
25 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 (2)超同步电动 P1=PM+ΔP1 PM=Pmec-PS
—交流电机调速理论与方法—
Pmec=(1-S)PM PS=SPM=PTR- (Δ PTR+ Δ PB+ Δ P2)
26 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
αp
Ce
Ce
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—交流电机调速理论与方法—
AB：①状态 BC：②状态 C以后：③状态，不能正常工作
4、串调系统的功率因数 功率因数低的原因： 逆变桥相位滞后，吸收无功 波形畸变 电动机、逆变变压器吸收无功 转差功率回馈，相当于电网吸收无功 例：调速范围2:1
2008-10-12
低速：0.4～0.5
S= KEB (1 − α ) cos β E2
升压斩波器
n↑→SE2 ↓ ⇒ Ud ↑ 与Uβ相匹配
11 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （4）强迫换流式式逆变器 利用强迫换流，使 β<0,提供容性无功功率
—交流电机调速理论与方法—
12 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
交流电机串级调速和双馈调速
高速：0.6～0.65
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浙江大学电气工程学院 改善方法： （1）进线电网侧接补偿电容 （2）旁路式逆变器
—交流电机调速理论与方法—
β↓→cosφ↑
10 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （3）斩波器式逆变器
—交流电机调速理论与方法—
β基本保持不变，利用斩波器来控制电机转速n。
浙江大学电气工程学院 三、双馈式变速恒频风力发电系统 1、绕线式异步电机 （1）系统结构
—交流电机调速理论与方法—
27 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （2）双PWM逆变器原理图
—交流电机调速理论与方法—
28 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速