对改变绕线型异步电动机转子外加电压调速法的讨论

对改变绕线型异步电动机转子外加电压调速法的讨论 对改变绕线型异步电动机转子外加电压调 速法的讨论 电气牵引2007年第1期(总第113期) 对改变绕线型异步电动机转子 外加电压调速法的讨论 马云鹏 湘潭电机股份公司湖南?湘潭(411101) 摘要:本文 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了当给绕线型异步电动机转子回路施加一反相电势时,会使转子电流I更加滞后于转子电势 E:,随之使功率因数更加恶化,导致定转子的负载电流的加大,铜耗增大,效率降低,温升增高,转速降低.相反,如果施 加一同相电势时,会使I:超前于E:,相应地功率因数得到很大的改善,定转子电流减小,铜耗降低,效率提高,温升降 低,转速升高,这时,定转子同时供电,故名日双馈调速. 关键词:串级调速系统,串级调速电机,双馈调速,旋转变流机,绕线型异步电动机,直流电机. 一 ,串级调速的发展概况 1908,1910年喀拉姆提出了串级调速系统.它 是由绕线型异步电动机,直流电机和旋转变流机组 成.绕线型异步电动机的滑环连接到旋转变流机的 交流侧.旋转变流机的直流侧给与主电动机共轴的 直流电动机供电.机组的转速用改变直流电动机的 磁场电流来控制.当改变直流电机的磁场时,相应地 直流电动机和旋转变流机的直流电压会得到改变, 从而旋转变流机的交流电压也得到改变.使主电动 机的转速也得到改变,以达到调速的目的. 由于转速的变化,转子回路内的频率也会作相 应变化,因此外加电压的频率也必须是可变的. 串级调速系统有一重要的结论是:串级系统的 调速是用改变直流电机的激磁电流得到的.亦即改 变主电动机转子回路中的外加电压而得到的.并且 维持直流电机的激磁与负载力矩不变,而改变变流 机的激磁;增加变流机的激磁电流,会使主电动机的 转子电流I,领先于其电压E,反之.减少它的激磁, 会使I更加落后于E,前者相当于给主电机的转子 施加一同相电压,后者相当于施加一反相电压,后面 将会证明这一点. 至上世纪六十年代,可控硅问世后,就用可控硅 逆变器取代了复杂的调速系统,在技术上前进了一 大步,故将串级调速系统更名为串级调速电机,两者 一 16一 的区别在于:串级调速系统给绕线转子所提供的是 频率可变的交流电压;而串级调速电机给绕线转子 所提供的是直流电压,与频率无关;由于转速的降 低.产生一转差功率回馈到电网中去了,因此有人把 它叫做转差功率回馈调速,要知道.这个回馈的转差 功率是由改变转子外加电压而得到的.该转差功率 没有改变转子转速的功能,改变转子外加的电压,是 电网提供的,因此电源有供电和接受反馈电能的双 重作用,而供电是第一位的.从几方面来讲,转差功 率回馈调速是不存在的.至于逆变变压器,只能将可 控整流装置与交流电网隔离.以抑制电网的浪涌对 晶闸管的影响,和取得与被控异步电动机工作相匹 配的逆变电压,无论以任何形式,安置在何处,都不 会影响电机转子的转速.如果将它移置到电机定子 上时,就以个人的名义来命名这个电机.是非常难以 令人接受这样的做法. 二,转子外加电压对功率因数的影响 在这里主要是对前面的结论用理论加以证实. 如果在绕线转子回路中施加一个与转子电势相反的 电势,相当于在转子回路中施加一等效电阻压降;相 反,如果施加一个与转子电压同相的电压,则相当于 在转子回路中施加一等效的负电阻压降.在正常情 况下,转子电势E,电流I,电阻r,电抗x与转差率 对改变绕线型异步电动机转子~'l'JJn电压调速法的讨论 图1 S之间的关系如图1所示,它的数学 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式如下: 如在绕线转子回路中施加一反相电势E时,则 图1变为如图2所示,S'表示施加E以后的转差率. 由图2可以看出;当在转子回路中施加一反相电势 时,它使E:s与I之间的相角增大,亦即使I更加 滞后了,相应地使定子电流也更加滞后了,从而使功 率因数恶化了.再加上串级调速系统本身的功率因 数较低,以及电机因功率的降低而使功率因数降低, 几个因数集中起来,致使串级调速电机的功率因数 特别低.转子外加反相电势使功率因数恶化,这一因 素是过去没有考虑过的.对串级调速电动机的功率 因数特别低,只知其然而不知其所以然的原因.可能 就在这里.功率因数低的危害是使电机的电流增大, 铜耗增大,效率降低,温升增高,如屈氏电机的样机, 当转速下调14%H~,其功率因数只有0.502,其效率下降约78个百分点.另外上海鼓风机厂将JR225— 4,55千瓦的串级调速电机在G4—73—11鼓风机上进 行试验的结果,和屈氏电机差不多,当转速下调13% 时,使电机的效率下降12个百分点,功率因数下降 0.18,系统功率因数也是0.502,这是串级调速电机 不受欢迎的致命弱点.这时的式(1)变成为(2)如下: I::I:,::(2) r2+Jx2sr2+Jx2s 届I? 3 如在转子回路中施加一与转子电压同相的外加 电势时,则图1变成为如图3所示.由图1可以看 出:I:本来滞后于E,而在图3中,I:却超前于ES' +E:,从而使定子电流也向前移动了,以致使电机的 功率因数大为改善,再加上调变逆变器的移相控制 角与逆变角,使功率因数能得到进一步的改善.这时 图2 定子和转于都要求电网供电,故名双馈. 当异步电动机绕线转子施加同相电压后.改善 功率因数的全部向量如图4所示.图中的I:与I'分 别为外加同相电压前,后的转子电流;实线和虚线分 别表示外加同相电压前,后的全部向量图. 图4 三,改变转子外加电压调速原理 上世纪三十年代以前,是在式(1)的分子上施加 一 反相或同相电势来说明的.假定负载转矩为恒定 值时,则在施加外加电压前后的转子电流分别为I: ,即 与I,且相等 I:I:,::E2s'+E~(3) r2+jx2sr2+jx2s 前面已经证明,I的相位是变的;其次是假定只 有在负载转矩为恒定时,I才等于I,实际上,如风 机水泵的负载转矩就是变的,这种解释有点勉强.另 外无法利用式(3)来说明为什么改变异步电机它自 身的参数不能调速,而必须要借助于外加一个参数 来调速.所以至上世纪三十年代,兰司独夫在式f1)的 基础上,推导出来了一个异步电动机转速n:与电机 电磁参数之间的表达式如下: (4) 式中:一电机的主磁通: k——电机的电磁常数. 它与直流电动机速度公式很相似,即 v—IQ2一Rn K4, 式中:n:,n——电机转子转速 (5) 一 17— 电气牵引2007年第1期(总第113期) V——电枢端电压 Ia——电枢电流 R电枢回路中的总电阻 在式(5)中的v与是由两个独立的系统产生 的.所以当它们各自独立发生变化时,彼此互无影 响,都能使转速发生变化,故直流电动机能调速.异 步电动机则不然,因它的是由电压V产生的.会 随着v的变化的而变化.所以当改变v来使转子电 势E发生变化时,式(4)的分母与分子均作相应的 变化,对n无影响,故不能调速.只有依靠在转子回 路内施加一电阻或电势来改变其转速.由于电阻耗 能太大,故不考虑,只考虑采取外加电压的办法,即 在式(4)中外加一?E,即 n2:.E2-12(r2+. jx2s)+_E'2一(6) .7 在式(6)中的E取正值时,为双馈调速,取负值 时,为串级调速.双馈调速对异步电动机转子提供的 是频率可变的交流电压,串级调速给异步电动机转 子提供的是直流电压.双馈调速电动机转子是从电 网吸取功率.串级调速电机一方面由电网供电改变 其转速,另一方面又将转差功率回馈给电网.因此, 最近有人提出一个所谓P理论.即"任何电机的调速 都必须通过轴功率的调节而获得"这个论断太武断 无理,从式(5)可以看出,直流电动机的调速,就与负 载毫无关系,这是经过一个世纪的实践证明了的实 事,从式(6)来看交流电机也是如此.可以说,除异步 电动机借速矩曲线的特点来改变定子电压进行调速 时,与负载有关外,其他任何调速都与负载无关. 四,优缺点的对比 双馈凋速,串级调速与变频调速具有相同的缺 点是:逆变器的功率因数低.有较强的谐波在电机中 产生附加损耗,使效率降低,由于功率的下降,导致 电机的功率因数的降低,但有一点.即串级调速使电 机的转子电流I与转子电势E之间的相角进一步 加大,使功率因数恶化,而双馈调速可使I领先于 ES,使功率因数得到改善外,还可借调节逆变器的 移相控制角,来提高其功率因数.使功率因数能在l 附近甚至超前工作,因调速后的I,与功率因数之间 的关系为: I,:Ic(!(7) COS' 即功率因数的降低,会使电流增大.如屈氏电机 一 18一 样机,当转速下调14%B~,其功率因数只有0.502,标 准为0.89,其电流增大至0.89/0.502=1.77倍,相应 的铜耗增大至1.77=3.14倍,功率因数如能提高到1 的话,则使电机的电流减小,如循泵电机一般为12 或16极,则其电流可分别减小至0.8和0.75,即电机 的铜耗可分别减小36%和44%.相差非常悬殊. 由于风机水泵的调速范围较窄,现有的串级调 速一般控制在30%以内,如采用双馈调速,则可 取?15%,这样可使逆变器的功率减小一半.特别是 循泵的调速范围一般为10,15%,因此,在高速时可 采取+15%,低速时切除逆变器.让电机作为常规单 速电动机运行.这时由于逆变器的功率只占双馈 13%,即使一台3000千瓦的电动机的转子输入功率 也只需400千瓦左右就够了,其电压可采取380伏 的电网供电,有可能可以取消逆变变压器. 由以上的对比可以看出,双馈调速最佳,它使 串级调速黯然失色,变频调速也明显地逊色于双馈 调速,双馈调速还有一重要功能.即可作功率因数补 偿器.在风机水泵调速节能的领域里,唯有变极变速 与双馈调速比,乃伯仲之间,各有千秋,不相上下.双 馈发电机也具有相同的特点 参考文献: (1)清华大学译电机学(苏朴德罗夫斯基1949版) 1955版 (2)R.R.Lawerence(劳伦司)交流电机原理, 1940版 (3)A.SLansdorf(兰司独夫)交流电机的理论 1937版