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(完整word版)电力拖动课后习题答案1.交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型（1）转差功率消耗型（2）转差功率不变型（3）转差功率馈送型2.双馈调速的概念所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入，也可以从定子或转子输出（视电机的工况而定），故称作双馈电机。可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。基本原理：（）异步电机运行时其转子相电动势为式中 s 异步电机的转差率； 绕线转子异步电机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压值转子相电流的表达式为式中 Rr 转子绕组每相电阻； Xr0 s = 1时的转子绕组每相漏抗。 附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。 1）Eadd 与 Er同相 当 Eadd 转速上升2）当Eadd 转速下降同理，反相时若减小串入的反相附加电动势，则可使电动机的转速升高，反之转速降低。.异步电机双馈调速的五种工况 （）由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2 = s f1 ，因此必须通过功率变换单元（Power Converter UnitCU）对不同频率的电功率进行电能变换。 Pm 从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率； sPm 输入或输出转子电路的功率，即转差功率；(1-s)Pm 电机轴上输出或输入的功率。 1)电机在次同步转速下作电动运行 条件:转子侧每相加上与 Er0 同相或反向的附加电动势Eadd，并把转子三相回路连通电动运行定子侧输入功率，轴上输出机械功率0 s 1 2)电机在反转时作倒拉制动运行 条件：轴上带有位能性恒转矩负载（这是进入倒拉制动运行的必要条件），转子回路叠加反向的 Eadd 。 则电机将反转。由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子侧馈送给电网 3)电机在超同步转速下作回馈制动运行 条件：是有位能性机械（起重机、小车下坡）外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行。如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与 sEr0 反相的附加电动势 +Eadd ，电机将在比未串入 +Eadd 时的转速更高的状态下作回馈制动运行。电机处在发电状态工作，电机功率由负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。 4)电机在超同步转速下作电动运行 原已在 0 s 1 作电动运行，转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd，轴上拖动恒转矩的反抗性负载（只能由电机驱动转轴上的机械负载）。当接近同步转速时，如继续加大+Eadd电机将加速到的新的稳态下工作，即电机在超过其同步转速下稳定运行。电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成，电机处于定、转子双输入状态，其输出功率超过额定功率 5)电机在次同步转速下作回馈制动运行希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间，因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入一定的 - Eadd 。，制动定子侧输出功率给电网，电机成为发电机处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减速停车过程0 s 1 电气串级调速系统的基本概念（恒转矩调速 转差功率馈送型）次同步电动状态，将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。电压整流系数 逆变变压器的二次相电压 工作在逆变状态的UI的逆变角 转子直流回路总电阻M三相绕线转子异步电动机其转子电动势经UR 三相不可控整流装置，输出直流电压 Ud 。工作在有源逆变状态的UI 三相可控整流装置：可提供可调的直流电压 ，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将UR整流输出的转差功率逆变，回馈到交流电网。（1）起动 起动条件 对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流 Ir 或足够大的整流后直流电流 Id ，为此，转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间应有较大的差值。控制逆变角 b ，使在起动开始的瞬间，Ud与 Ui 的差值能产生足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大 b 角以减小值 Ui ，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。当达到所需转速是为止（2）调速 改变 b 角的大小（3） 停车 与转子相连的是不可控的整流装置,它只能从电动机转子侧输出功率没有制动停车功能。只能靠减小 b 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。 6异步电动机串级调速机械特性的特征及其原因1)在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的理想空载状态下运行时（Id = 0）， 其中，s0 异步电动机在串级调速时对应于某一b 角的理想空载转差率，并取 K1 = K2，则 相应的理想空载转速 n0 式中 nsyn 异步电动机的同步转速。 2)比其固有特性要软得多。 串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。电阻越大越软3)最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。电抗 整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象7 电动势系数 CE是负载电流的函数，它是使转速特性成为非线性的重要,异步电动机串级调速系统与直流它励电动机的转速特性在形式上完全相同，改变电压即可得到一族平行移动的调速特性。 W0 理想空载机械角转速(rad/s ) ；CM 串级调速系统的转矩系数8 Te1m第一工作区的计算最大转矩和Te2m第二工作区真正的最大转矩 （Te2m 对应于ap= 15）。Te1-2 第一、二工作区交界的转矩值，称作交接转矩 式（7-26）说明，异步电动机串级调速时所能产生的最大转矩比正常接线时减少了17.3%由式（7-27）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而异步电动机的转矩过载能力一般大于2，即Tem 2TeN，所以当电动机在额定负载下工作时，还是处于第一工作区。 （7-25） （7-26） （7-27） s209串级调速系统的效率高的原因1)在串级调速时，Ps未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损 pCur、杂散损耗 ps 和附加的串级调速装置损耗 ptan 后通过转子整流器与逆变器返回电网2)在串级调速系统中，当电动机的转速降低时，如果负载转矩不变,p 和ptan 都基本不变，效率公式分子和分母中的Pm（1-s）项随着s的增大而同时减少,对效率的影响并不太大。 10串级调速系统的功率因数低的原因1)异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；2)转子整流器的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功率；3)逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率11逆变变压器的二次侧相电压 容量 转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电机，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 b = bmin 。（大部分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校的多，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 原因）例: 12双闭环控制的串级调速系统 如系统1000-1500 现在1300稳定运行此时断开反馈线 则不可调1500 ASR输入由则其达饱和输出限幅值ACR饱和达最大逆变器不起作用即调速系统不再起作用(PI稳定时不饱和无静差输入为0 饱和时有限幅)13 串级调速系统的起动方式 间接起动和直接起动两种 总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故串级调速系统间接起动控制原理图（1）先合上装置电源总开关S，使逆变器在 bmin 下等待工作。2）然后依次接通接触器K1，接入起动电阻R，再接通K0，把电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3）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，同时断开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。停车1）由于没有制动作用，应先断开K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离；（2）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。 间接起动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。 直接起动又称串级调速方式起动。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。 （1）接触器的工作顺序为 SK0K2，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。（2）待发出给定信号后，随着 b 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14 异步电机双馈调速系统（转差功率馈送型） 双馈就是从定子侧与转子侧都馈入电能的工作状态 他控式双馈调速系统 自控式双馈调速系统 矢量控制 将三相异步电动机的数学模型变换到以同步转速旋转的dq 两相坐标系w1dqdrirdisdirqusddsqrqsurdurqusqisq同步转差角速度电压方程 磁链方程 转矩和运动方程 Lm（=3/2 Lms）-dq坐标系定转子同轴等效绕组间的互感，对应的磁链就是气隙磁链的d轴分量 Ymd 和q轴分量Ymq ，流过Lm的电流可称为励磁电流 imd 和 imq ，且有： 气隙磁链定向，现取按气隙磁链 ym 定向，即把 d 轴取在 ym 方向上，则 15传统电励磁同步电机 （同步电机只能变压变频调速转差功率不变型）优点1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前存在的问题1）起动困难；2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。问题的根源： 供电电源频率固定不变。解决办法：采用电压-频率协调控制类型（1）他控变频调速系统（2）自控变频调速系统 16他控变频同步电动机调速系统 多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压源型PWM变压变频器上，由统一的频率给定信号 f * 同时调节各台电动机的转速。 PWM变压变频器中，带定子压降补偿的恒压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒定，缓慢地调节频率给定 f * 可以逐渐地同时改变各台电机的转速。全控调速系统：多台同步电动机的恒压频比控制调速系统系统结构简单，控制方便，只需一台变频器供电，成本低廉。由于采用开环调速方式，系统存在一个明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统17按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统 定子三相绕组轴线 A、B、C 是静止的，三相电压 uA、 uB、 uC 和三相电流 iA、iB、iC 都是平衡的，转子以同步转速w1旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压 Uf 供电下流过励磁电流 If 。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也以同步转速 w1 旋转，d 轴与 A 轴之间的夹角 q 为变量。 物理模型磁动势和磁通的空间矢量图令沿FR 、FR方向为M轴与之正交的是T轴Ff 、Ff 转子励磁磁动势和磁通，沿励磁方向为d轴； Fs 定子三相合成磁动势； FR 、FR 合成的气隙磁动势和总磁通；qs Fs与FR间的夹角；qf Ff 与 FR 间的夹角。将 Fs 除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量 is ，可将它沿M、T轴分解为励磁分量 ism 和转矩分量ist。同样，Ff 与相当的励磁电流矢量 If 也可分解成 ifm 和 ift 。w1关系式17自控变频同步电动机调速系统 结构原理图结构特点1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ，由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制 UI 的输入直流电压。（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器 UI、转子位置检测器 BQ 合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。分类1）无换向器电动机 2）三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）3）无刷直流电动机（采用方波电流时） 区别类型定子绕组转子结构气隙磁密的波形2分布短距绕组内置式矩形凸极式正弦波3集中整距绕组瓦形磁钢表面式磁钢放在转子表面隐极式梯形波18梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图逆变器通常采用120导通型的，当两相导通时，另一相断开uA、uB 、uC三相输入对地电压iA、iB 、iC三相电流eA、eB 、eC三相电动势Rs定子每相电阻Ls定子每相绕组的自感Lm定子任意两相绕组间的互感 由于三相定子绕组对称，故有iA + iB + iC = 0则 Lm iB + Lm iC = - Lm iA Lm iC + Lm iA = - Lm iB Lm iA + Lm iB = - Lm iC 方波电流的峰值为 Ip ，梯形波电动势的峰值为Ep，在一般情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率为 Pm = 2 Ep Ip。忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为 式中Yp 梯形波励磁磁链的峰值，是恒定值19动态模型当图中的VT1和VT6导通时，A、B两相导通而C相关断，则可得无刷直流电动机的动态电压方程为 在上式中， ( uA uB ) 是 A、B 两相之间输入的平均线电压，采用PWM控制时,设占空比为r，则 uA uB = rUd ，于是， 为电枢漏磁时间常数根据电机和电力拖动系统基本理论，可知无刷直流电动机的动态结构框图 转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链 Yr 方向上20正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统 wdq 在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量使之落在 q 轴上，即令 id = 0，iq = is按转子磁链定向的正弦波永磁同步电动机矢量图 a）id=0,恒转矩调速 b） id0,弱磁恒功率调速优点 定子电流与转子永磁磁通互相独立，控制系统简单，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。 缺点1）当负载增加时，定子电流增大，使气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置须有足够的容量，而有效利用率却不大。 （2）负载增加时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低。 （3）在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。 21永久磁钢的三个关键指标 矫顽力 使磁化至永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度 退磁曲线与H轴的交点磁能积 退磁曲线的任意点上磁通密度B与 对应的磁场强度H的乘积 磁体所储磁能容量最大磁能积 剩磁密度B磁滞回线上H0时所对应得磁通密度22自起动永磁同步电动机（永磁体内置于转子内 内置式）典型结构 （转子不同定子相同）Lsd 等效两相定子绕组d轴自感Lsd= Lls+Lmd Lsq 等效两相定子绕组q轴自感， Lsq= Lls+Lmq ；Lls 等效两相定子绕组漏感；Lmd d轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步电动机原理中的d轴电枢反应电感；Lmq q轴定子与转子绕组间的互感，相当于q轴电枢反应电感； LrD d轴阻尼绕组自感，LrD = LlD + Lmd ； LrQ q轴阻尼绕组自感，LrQ = LlQ + Lmq 。永久磁体提供的磁链 d轴定子电流 转子转速,坐标系相对于定子的角速度 电阻压降,电感压降,旋转电动势 径向式 转轴无需隔磁 气向式 转轴需隔磁或者本身不导磁 混合式物理模型wdqidIQUDudUQuqiqAID第一项 是同步电动机主要的电磁转矩第二项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称作反应转矩或磁阻转矩，这是凸极电机特有的转矩，在隐极电机中，Lsd = Lsq ，该项为0。永磁电机第三项异步绕组是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组，或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该项都是零