第7章 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)1212

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第第7章章繞線轉(zhuǎn)子異步電動機繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)雙饋調(diào)速系統(tǒng) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng) l轉(zhuǎn)差功率是人們在研究異步電動機轉(zhuǎn)差功率是人們在研究異步電動機調(diào)速方法時所關(guān)心的問題，因為節(jié)調(diào)速方法時所關(guān)心的問題，因為節(jié)約電能也是異步電動機調(diào)速的主要約電能也是異步電動機調(diào)速的主要目的之一。作為異步電動機，必然目的之一。作為異步電動機，必然有轉(zhuǎn)差功率，而如何處理轉(zhuǎn)差功率有轉(zhuǎn)差功率，而如何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的效率。效率。l要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除

2、了盡量要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去利用它。去利用它。l對于繞線型異步電動機，定、轉(zhuǎn)子對于繞線型異步電動機，定、轉(zhuǎn)子電路可以同時與外電路相連，轉(zhuǎn)差電路可以同時與外電路相連，轉(zhuǎn)差功率可以從轉(zhuǎn)子輸出，也可以向轉(zhuǎn)功率可以從轉(zhuǎn)子輸出，也可以向轉(zhuǎn)子饋入，故稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)。子饋入，故稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)。 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)l“雙饋雙饋”的一個特點是轉(zhuǎn)差功率可以的一個特點是轉(zhuǎn)差功率可以回饋到電網(wǎng)，也可以由電網(wǎng)饋入。回饋到電網(wǎng)，也可以由電網(wǎng)饋入。至于電功率是饋入定子繞組和至于電功率是饋入定子繞組和/或轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)

3、子繞組，還是由定子繞組和子繞組，還是由定子繞組和/或轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子繞組饋出，則要視電動機的工況而繞組饋出，則要視電動機的工況而定。定。l繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速方法繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速方法早在早在20世紀世紀30年代就已被提出，年代就已被提出，到了到了6070年代，當(dāng)可控電力電子年代，當(dāng)可控電力電子器件出現(xiàn)以后，才得到更好的應(yīng)用。器件出現(xiàn)以后，才得到更好的應(yīng)用。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)l繞線型異步電動機雙饋調(diào)速工作原理繞線型異步電動機雙饋調(diào)速工作原理l繞線型異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)繞線型異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)l串級調(diào)速的機械特性串級調(diào)速的機械特性l串級調(diào)速

4、系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標l雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)l串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式l繞線轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機組繞線轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機組 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要7.1 繞線型異步電動機雙饋繞線型異步電動機雙饋調(diào)速工作原理調(diào)速工作原理l異步電動機由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運行時，它異步電動機由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運行時，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機械功率給負載，以拖動負載運行。械功率給負載，以拖動負載運行。 l在雙饋調(diào)速工作時，繞線型異步電動機定子側(cè)與在雙饋調(diào)速工作時，繞線型異步電動機定子

5、側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源或外接電交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源或外接電動勢相連，從電路拓撲結(jié)構(gòu)上看，可認為是在轉(zhuǎn)動勢相連，從電路拓撲結(jié)構(gòu)上看，可認為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個交流電動勢，通過控制附子繞組回路中附加一個交流電動勢，通過控制附加電動勢的幅值，實現(xiàn)繞線型異步電動機的調(diào)速。加電動勢的幅值，實現(xiàn)繞線型異步電動機的調(diào)速。l異步電動機運行時其轉(zhuǎn)子相電動勢為異步電動機運行時其轉(zhuǎn)子相電動勢為(7-1) 式中式中 異步電動機的轉(zhuǎn)差率異步電動機的轉(zhuǎn)差率；0rrsEE s0rE 繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子開路繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子開路相電動勢，也就是轉(zhuǎn)子開路額定相電壓值。相電動勢，也就是轉(zhuǎn)子

6、開路額定相電壓值。7.1.1 繞線型異步電動機繞線型異步電動機 轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用轉(zhuǎn)子相電流在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流的表達式為在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流的表達式為 （7-2）式中式中 轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； 時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。2020)(rrrrsXRsEIrR0rX1s串電阻調(diào)速串電阻調(diào)速l在繞線轉(zhuǎn)子異步電動在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時，機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時，轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流 會在外接會在外接電阻上產(chǎn)生一個交流電阻上產(chǎn)生一個交流電壓電壓 ，這一交流電，這一交流電壓與轉(zhuǎn)子電流有著相壓與轉(zhuǎn)子電流有著相同的頻率和相位，調(diào)同的頻

7、率和相位，調(diào)速時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率速時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率被消耗在外接電阻上。被消耗在外接電阻上。 rIRUPmPmechPsRU轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用l如果在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個可控的交流如果在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個可控的交流附加電動勢附加電動勢 來代替外接電阻，附加電動來代替外接電阻，附加電動勢的幅值和頻率與交流電壓勢的幅值和頻率與交流電壓 相同，相位與相同，相位與轉(zhuǎn)子電動勢轉(zhuǎn)子電動勢 相反（如圖相反（如圖7-1所示），則它所示），則它對轉(zhuǎn)子電流的作用與外接電阻是相同的，附對轉(zhuǎn)子電流的作用與外接電阻是相同的，附加電動勢將會吸收原先消耗在外接電阻上的加電動勢將會吸收原先消耗在外接電

8、阻上的轉(zhuǎn)差功率。轉(zhuǎn)差功率。RUaddErE轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖圖圖7-1 繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用l如果增大附加電動勢，電動機轉(zhuǎn)子回路的如果增大附加電動勢，電動機轉(zhuǎn)子回路的總電動勢減小，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相總電動勢減小，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，由于負載轉(zhuǎn)矩未變，電動機必然應(yīng)減小，由于負載轉(zhuǎn)矩未變，電動機必然減速，因而減速，因而 增大，轉(zhuǎn)子電動勢增大，轉(zhuǎn)子電動勢 隨隨之增大，轉(zhuǎn)子電流之增大，轉(zhuǎn)子電流 也逐漸增大，直至轉(zhuǎn)也逐漸增大，直至轉(zhuǎn)差率增大到差率增大到 時，轉(zhuǎn)子電流又恢

9、復(fù)到時，轉(zhuǎn)子電流又恢復(fù)到負載所需的值，電動機便進入新的較低轉(zhuǎn)負載所需的值，電動機便進入新的較低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)。速穩(wěn)定狀態(tài)。0rrEsEs21()ssrI轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用此時，未串入附加電動勢和串入附加電動勢此時，未串入附加電動勢和串入附加電動勢后的轉(zhuǎn)子電流相等后的轉(zhuǎn)子電流相等 : 反之減小反之減小 則可使電動機的轉(zhuǎn)速升高。則可使電動機的轉(zhuǎn)速升高。所以在繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可所以在繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢，就可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速?？氐母郊与妱觿荩涂烧{(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。 addE102022221020()()rraddrrrrrs Es EEI

10、Rs XRs X21()ss7.1.2 繞線型異步電動機雙繞線型異步電動機雙饋調(diào)速的五種工況饋調(diào)速的五種工況l在繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控在繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢并改變其幅值，就可以實現(xiàn)的附加電動勢并改變其幅值，就可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。l可控附加電動勢的引入必然在轉(zhuǎn)子側(cè)形成可控附加電動勢的引入必然在轉(zhuǎn)子側(cè)形成功率的傳送，可以把轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率傳功率的傳送，可以把轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率傳輸?shù)脚c之相連的交流電源或外電路中去，輸?shù)脚c之相連的交流電源或外電路中去，也可以是從外面吸收功率到轉(zhuǎn)子中來。從也可以是從外面吸收功率到轉(zhuǎn)子中來。從功率傳送的角度看

11、，可以認為是用功率傳送的角度看，可以認為是用控制控制異異步電動機轉(zhuǎn)子中步電動機轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)差功率的大小與流向轉(zhuǎn)差功率的大小與流向來來實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 7.1.2 繞線型異步電動機雙饋繞線型異步電動機雙饋調(diào)速的五種工況調(diào)速的五種工況n考慮到電動機轉(zhuǎn)子電動勢與轉(zhuǎn)子電流的頻考慮到電動機轉(zhuǎn)子電動勢與轉(zhuǎn)子電流的頻率在不同轉(zhuǎn)速下有不同的數(shù)值率在不同轉(zhuǎn)速下有不同的數(shù)值( )，其值與交流電網(wǎng)的頻率往往不一致，所以其值與交流電網(wǎng)的頻率往往不一致，所以不能把電動機的轉(zhuǎn)子直接與交流電網(wǎng)相連不能把電動機的轉(zhuǎn)子直接與交流電網(wǎng)相連，而必須通過一個中間環(huán)節(jié)。而必須通過一個中間環(huán)節(jié)。這個中間環(huán)節(jié)這

12、個中間環(huán)節(jié)除了有功率傳遞作用外，還應(yīng)具有對不同除了有功率傳遞作用外，還應(yīng)具有對不同頻率的電功率進行變換的功能頻率的電功率進行變換的功能，故稱為功，故稱為功率變換單元（率變換單元（Power Converter Unit，簡稱簡稱CU），見圖），見圖7-2。12sff n圖圖7-2 繞線型異步電動機在轉(zhuǎn)子附加電動勢時的工況及其功率流程繞線型異步電動機在轉(zhuǎn)子附加電動勢時的工況及其功率流程a)次同步速電動狀態(tài)次同步速電動狀態(tài) b)反轉(zhuǎn)倒拉制動狀態(tài)反轉(zhuǎn)倒拉制動狀態(tài) c)超同步速回饋制動狀態(tài)超同步速回饋制動狀態(tài)d)超同步速電動狀態(tài)超同步速電動狀態(tài) e)次同步速回饋制動狀態(tài)次同步速回饋制動狀態(tài) CU功率變

13、換單元功率變換單元忽略機械和雜散損耗時，異步電動機的功率關(guān)系為忽略機械和雜散損耗時，異步電動機的功率關(guān)系為 （7-4） 電動機定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率，電動機定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率， 包括轉(zhuǎn)子損耗的轉(zhuǎn)子電路輸入功率，包括轉(zhuǎn)子損耗的轉(zhuǎn)子電路輸入功率， 即轉(zhuǎn)差功率，即轉(zhuǎn)差功率， 電動機軸上輸出或輸入的功率。電動機軸上輸出或輸入的功率。由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動勢極性和大小不同，由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動勢極性和大小不同， 和和 都可正可負，因而可以有以下幾種不同的工作都可正可負，因而可以有以下幾種不同的工作狀況。狀況。smmmPssPP)1 ( mPs)1 ( msPmPmP1.電動機在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運

14、行電動機在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運行l(wèi)異步電動機定子接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子短路，異步電動機定子接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子短路，轉(zhuǎn)子軸上帶有反抗性的恒值額定負載（對轉(zhuǎn)子軸上帶有反抗性的恒值額定負載（對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為 ），此時電動機在固有），此時電動機在固有機械特性上以額定轉(zhuǎn)差率機械特性上以額定轉(zhuǎn)差率 運行。若在轉(zhuǎn)運行。若在轉(zhuǎn)子側(cè)每相加上附加電動勢子側(cè)每相加上附加電動勢 （與（與 反反相，相， ），根據(jù)式（），根據(jù)式（7-3），轉(zhuǎn)子），轉(zhuǎn)子電流將減小，從而使電動機減速，轉(zhuǎn)子電電流將減小，從而使電動機減速，轉(zhuǎn)子電流回升，最終進入新的穩(wěn)態(tài)運行。流回升，最終進入新的穩(wěn)態(tài)運行。 0addrEsE0rsEaddE

15、NsrNI電動機在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運行電動機在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運行addEs1012210()raddrNNrrs EEIssRs Xl此時，轉(zhuǎn)子回路的電勢平衡方程式為此時，轉(zhuǎn)子回路的電勢平衡方程式為l若繼續(xù)加大若繼續(xù)加大 值，則值，則 值繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)值繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)速還將降低，實現(xiàn)了對電動機的調(diào)速。速還將降低，實現(xiàn)了對電動機的調(diào)速。電動機在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運行電動機在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運行l(wèi)對照式（對照式（7-4）可知，由于電動機作電動）可知，由于電動機作電動運行，轉(zhuǎn)差率為運行，轉(zhuǎn)差率為0s 。 由圖由圖7-4可以寫出整流后的直流回路電壓平衡方可以寫出整流后的直流回路電壓平衡方程式：程式

16、： 或或 (7-5) 式中，式中， 、 UR與與UI的電壓整流系數(shù)，的電壓整流系數(shù)，如兩者都是三相橋式電路，則如兩者都是三相橋式電路，則； iUdURIUUdidRIUKsEKdTrcos2201122.34KK2K1K串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 l從式從式(7-5)中可以看出，中可以看出， 中包含了電動中包含了電動機的轉(zhuǎn)差率機的轉(zhuǎn)差率s，而，而 與電動機轉(zhuǎn)子交流電與電動機轉(zhuǎn)子交流電流流 之間有固定的比例關(guān)系，因此它近似之間有固定的比例關(guān)系，因此它近似地反映了電動機電磁轉(zhuǎn)矩的大小，而地反映了電動機電磁轉(zhuǎn)矩的大小，而角角是控制變量。所以該式可以看作是在串級是控制變量。所以該式可

17、以看作是在串級調(diào)速系統(tǒng)中異步電動機機械特性的間接表調(diào)速系統(tǒng)中異步電動機機械特性的間接表達式達式。dI),(dIfs rIdU串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 l1起動起動 異步電動機在靜止不動時，其轉(zhuǎn)子電動異步電動機在靜止不動時，其轉(zhuǎn)子電動勢為勢為 ；控制逆變角；控制逆變角，使在起動開始的，使在起動開始的瞬間，瞬間， 與與 的差值能產(chǎn)生足夠大的的差值能產(chǎn)生足夠大的 ，以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過允許以滿足所需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過允許的電流值，這樣電動機就可在一定的動態(tài)的電流值，這樣電動機就可在一定的動態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動。轉(zhuǎn)矩下加速起動。dI0rEiUdU串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串

18、級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 l隨著異步電動機轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)子電動隨著異步電動機轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)子電動勢減少，為了維持加速過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩基勢減少，為了維持加速過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定，必須相應(yīng)地增大本恒定，必須相應(yīng)地增大角以減小角以減小 值，值，維持維持 基本恒定。當(dāng)電動機加速到基本恒定。當(dāng)電動機加速到所需轉(zhuǎn)速時，不再調(diào)整所需轉(zhuǎn)速時，不再調(diào)整角，電動機即在角，電動機即在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。 ()diUUdU串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 l設(shè)此時的設(shè)此時的,則式（則式（7-5）可寫）可寫作作l式中式中 為對應(yīng)于負載轉(zhuǎn)矩的直流回路電流。為對應(yīng)于負載轉(zhuǎn)矩的直流回路電流。 11

19、, ssRIUKEsKdLTr122011cosdLI串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 l2調(diào)速調(diào)速當(dāng)增大當(dāng)增大角使角使=21時，逆時，逆變電壓變電壓 減小，但電動機的轉(zhuǎn)速不能立減小，但電動機的轉(zhuǎn)速不能立即改變，所以即改變，所以 將增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，將增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，使電動機加速。隨著電動機轉(zhuǎn)速的增高，使電動機加速。隨著電動機轉(zhuǎn)速的增高， 減少，減少， 回落，直到新的平衡狀態(tài)，回落，直到新的平衡狀態(tài)，電動機在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。式中電動機在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。式中2121,ss10rK sEdIdIiURIUKEsKdLTr222021cos串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級

20、調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 l3停車停車 對于處于低同步轉(zhuǎn)速下運行的對于處于低同步轉(zhuǎn)速下運行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)，必須在異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)雙饋調(diào)速系統(tǒng)，必須在異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)輸入電功率時才能實現(xiàn)制動。在串級調(diào)速輸入電功率時才能實現(xiàn)制動。在串級調(diào)速系統(tǒng)中與轉(zhuǎn)子連接的是系統(tǒng)中與轉(zhuǎn)子連接的是不可控整流裝置不可控整流裝置，它只能從電動機轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電功率，而不它只能從電動機轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電功率，而不可能向轉(zhuǎn)子輸入電功率。因此串級調(diào)速系可能向轉(zhuǎn)子輸入電功率。因此串級調(diào)速系統(tǒng)沒有制動停車功能。只能靠減小統(tǒng)沒有制動停車功能。只能靠減小角減角減小小 ，并依靠負載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。，并依靠負載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。dIl結(jié)論：結(jié)

21、論：（1）串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角）串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角實實現(xiàn)平滑無級調(diào)速?，F(xiàn)平滑無級調(diào)速。（2）系統(tǒng)能把繞線型異步電動機的轉(zhuǎn)差功）系統(tǒng)能把繞線型異步電動機的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。調(diào)速系統(tǒng)的效率。 *7.2.2串級調(diào)速系統(tǒng)的其它類型串級調(diào)速系統(tǒng)的其它類型 l機械串級調(diào)速系統(tǒng)（或稱機械串級調(diào)速系統(tǒng)（或稱Kramer系統(tǒng)），系統(tǒng)），其原理圖如圖其原理圖如圖7-5所示。在繞線型異步電所示。在繞線型異步電動機同軸上裝有一臺直流電動機，異步電動機同軸

22、上裝有一臺直流電動機，異步電動機的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流后傳給直流電動機，動機的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流后傳給直流電動機，后者把這部分電功率變換為機械功率，再后者把這部分電功率變換為機械功率，再幫助異步電動機拖動負載，從而使轉(zhuǎn)差功幫助異步電動機拖動負載，從而使轉(zhuǎn)差功率得到利用。率得到利用。機械串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖機械串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖圖7-5 機械串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖機械串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖機械串級調(diào)速系統(tǒng)機械串級調(diào)速系統(tǒng)l在圖在圖7-5 中，直流電動機的電動勢就相當(dāng)中，直流電動機的電動勢就相當(dāng)于直流附加電動勢，通過調(diào)節(jié)直流電動機于直流附加電動勢，通過調(diào)節(jié)直流電動機的勵磁電流的勵磁電流 可以改變其電動勢，從而調(diào)可以

23、改變其電動勢，從而調(diào)節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速。增大節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速。增大 可使電動機可使電動機減速，反之則可使電動機加速。減速，反之則可使電動機加速。 fIfIl從功率傳遞的角度看，如果忽略調(diào)速系統(tǒng)從功率傳遞的角度看，如果忽略調(diào)速系統(tǒng)中所有的電氣與機械損耗，認為異步電動中所有的電氣與機械損耗，認為異步電動機的轉(zhuǎn)差功率全部為直流電動機所接受，機的轉(zhuǎn)差功率全部為直流電動機所接受，并以機械功率并以機械功率 的形式從軸上輸出給負載。的形式從軸上輸出給負載。則負載軸上所得到的機械功率則負載軸上所得到的機械功率 應(yīng)是異步應(yīng)是異步電動機與直流電動機兩者軸上輸出功率之電動機與直流電動機兩者軸上輸出功率之和，并恒等

24、于電動機定子輸入功率和，并恒等于電動機定子輸入功率 ，而，而與電動機運行的轉(zhuǎn)速無關(guān)。與電動機運行的轉(zhuǎn)速無關(guān)。LPMDP1P恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速l所以這類機械串級調(diào)速系統(tǒng)屬于恒功率調(diào)所以這類機械串級調(diào)速系統(tǒng)屬于恒功率調(diào)速，其特點是系統(tǒng)在低速時能夠產(chǎn)生較大速，其特點是系統(tǒng)在低速時能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適用于一些需要低速大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適用于一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動的場合，如螺紋鋼線材軋機。而轉(zhuǎn)矩傳動的場合，如螺紋鋼線材軋機。而前述的電氣串級調(diào)速系統(tǒng)則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，前述的電氣串級調(diào)速系統(tǒng)則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，因為其輸出的機械功率與電動機的轉(zhuǎn)速成因為其輸出的機械功率與電動機的轉(zhuǎn)速成正比。正比。內(nèi)饋串級

25、調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)饋串級調(diào)速系統(tǒng)l另外還有一種類似于另外還有一種類似于Kramer系統(tǒng)的內(nèi)饋系統(tǒng)的內(nèi)饋串級調(diào)速系統(tǒng)，其主要特點是在異步電動串級調(diào)速系統(tǒng)，其主要特點是在異步電動機定子中裝有另一套繞組，稱作調(diào)節(jié)繞組。機定子中裝有另一套繞組，稱作調(diào)節(jié)繞組。轉(zhuǎn)差功率經(jīng)交轉(zhuǎn)差功率經(jīng)交-直直-交變換器變換成工頻功交變換器變換成工頻功率后送到調(diào)節(jié)繞組上，作為附加的定子功率后送到調(diào)節(jié)繞組上，作為附加的定子功率送給電動機，這樣就取代了率送給電動機，這樣就取代了Kramer系系統(tǒng)中的直流電動機，同樣能獲得恒功率調(diào)統(tǒng)中的直流電動機，同樣能獲得恒功率調(diào)速的效果。但這時必須專門制造有兩套定速的效果。但這時必須專門制造有兩套定子

26、繞組的繞線型電動機。子繞組的繞線型電動機。7.3 串級調(diào)速的機械特性串級調(diào)速的機械特性l串級調(diào)速機械特性的特征串級調(diào)速機械特性的特征l串級調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路串級調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路l串級調(diào)速的機械特性方程式串級調(diào)速的機械特性方程式串級調(diào)速的機械特性串級調(diào)速的機械特性l在串級調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)在串級調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)整流器的輸出量整流器的輸出量 、 分別與異步電動分別與異步電動機的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因此，可以機的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因此，可以從電動機轉(zhuǎn)子直流回路著手來分析異步從電動機轉(zhuǎn)子直流回路著手來分析異步電動機在串級調(diào)速時的機械特性。電動機在串級調(diào)速時的機械特性。dIdU

27、7.3.1串級調(diào)速機械特性的特征串級調(diào)速機械特性的特征1. 理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速l在異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，其在異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，其理想空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定理想空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定不變，調(diào)速時機械特性變軟，調(diào)速性能差。不變，調(diào)速時機械特性變軟，調(diào)速性能差。l在串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的極對數(shù)與旋在串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的極對數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速都不變，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的，轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速都不變，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的，但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。串級調(diào)速機械特性的特征串級調(diào)速機械特性的特征 根據(jù)式根據(jù)式(

28、7-5)(7-5)，當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運，當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運行時行時( (I Id d = 0)= 0)，轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡，轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式變成方程式變成 cos22001TUKEsKrs s0 0 異步電動機在串級調(diào)速時對應(yīng)于某異步電動機在串級調(diào)速時對應(yīng)于某一一 角的理想空載轉(zhuǎn)差率。角的理想空載轉(zhuǎn)差率。取取 K K1 1= =K K2 2 ，則，則 cos020rEUsT(7-6)串級調(diào)速機械特性的特征串級調(diào)速機械特性的特征由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速 n n0 0 為：為：式中式中 n n1 1 異步電動機的同步轉(zhuǎn)速異步電動機的同步轉(zhuǎn)速。

29、 (7-7)2T0101r0cos(1)(1)UnnsnE串級調(diào)速機械特性的特征串級調(diào)速機械特性的特征l從式（從式（7-6）和式（）和式（7-7）可知，在串級）可知，在串級調(diào)速時，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同調(diào)速時，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的。當(dāng)改變逆變角的。當(dāng)改變逆變角 時，理想空載轉(zhuǎn)差率時，理想空載轉(zhuǎn)差率和理想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。和理想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。l由式（由式（7-5）還可看出，）還可看出，在不同的在不同的角下角下異步電動機串級調(diào)速時的機械特性是近似異步電動機串級調(diào)速時的機械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動機變壓平行的，其工作段類似于直流電動機變壓調(diào)速的機械特性。調(diào)速的

30、機械特性。 串級調(diào)速機械特性的特征串級調(diào)速機械特性的特征2機械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩機械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩l串級調(diào)速時，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級調(diào)速串級調(diào)速時，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級調(diào)速裝置裝置( (包括整流和逆變裝置、平波電抗器、包括整流和逆變裝置、平波電抗器、逆變變壓器等逆變變壓器等) )，實際上相當(dāng)于在電動機，實際上相當(dāng)于在電動機轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。 由于轉(zhuǎn)子回路阻抗的影響，異步電動機串由于轉(zhuǎn)子回路阻抗的影響，異步電動機串級調(diào)速時的機械特性比其固有特性要軟得級調(diào)速時的機械

31、特性比其固有特性要軟得多。多。 轉(zhuǎn)子回路電阻和漏抗的影響轉(zhuǎn)子回路電阻和漏抗的影響l受轉(zhuǎn)子回路電阻增加的影響：當(dāng)電機在最受轉(zhuǎn)子回路電阻增加的影響：當(dāng)電機在最高轉(zhuǎn)速的特性上（高轉(zhuǎn)速的特性上（ = 90）帶額定負載，）帶額定負載，也難以達到其額定轉(zhuǎn)速。也難以達到其額定轉(zhuǎn)速。l受轉(zhuǎn)子回路漏抗增加的影響：整流電路換受轉(zhuǎn)子回路漏抗增加的影響：整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)相重疊角將加大，并產(chǎn)生強迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級調(diào)速時的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動象，使串級調(diào)速時的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動機在正常接線時的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。機在正常接線時的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。串級調(diào)速時的機械特性串級調(diào)速時的機械特

32、性圖圖圖7-6 異步電動機串級調(diào)速時的機械特性a) 大電機 b)小電機 7.3.2串級調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路串級調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路l異步電動機轉(zhuǎn)子電動勢相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器異步電動機轉(zhuǎn)子電動勢相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術(shù)中分析整似，因而可以引用電力電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來研究串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)流電路的一些結(jié)論來研究串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路。但是，兩者之間還存在著一子整

33、流電路。但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異。些顯著的差異。轉(zhuǎn)子整流電路轉(zhuǎn)子整流電路的的特點特點（1 1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動機轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的幅值與頻而異步電動機轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的幅值與頻率都是變化的，隨電機轉(zhuǎn)速的改變而變化。率都是變化的，隨電機轉(zhuǎn)速的改變而變化。（2 2）異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子）異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子頻率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)。頻率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)。（3 3）由于異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大，）由于異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大，所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴重，所

34、以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴重，從而在負載較大時會引起整流器件的強迫延遲從而在負載較大時會引起整流器件的強迫延遲換相現(xiàn)象。換相現(xiàn)象。假設(shè)條件假設(shè)條件（1）整流器件具有理想的整流特性，管壓）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；降及漏電流均可忽略；（2）轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為）轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為無窮大，直流電流波形平直；無窮大，直流電流波形平直；（3）忽略電動機勵磁阻抗的影響。）忽略電動機勵磁阻抗的影響。 轉(zhuǎn)子整流電路轉(zhuǎn)子整流電路圖7-7 轉(zhuǎn)子整流電路 換相重疊換相重疊l設(shè)電動機在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)子設(shè)電動機在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)子三相的感

35、應(yīng)電動勢為三相的感應(yīng)電動勢為 era、erb、erc。當(dāng)各。當(dāng)各整流器件依次導(dǎo)通時，必有器件間的換相整流器件依次導(dǎo)通時，必有器件間的換相過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。換相重疊角換相重疊角 根據(jù)根據(jù)“電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)” 中介紹的理論，中介紹的理論，換相重疊角為換相重疊角為 其中其中 XD0 s = 1時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。動機定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。0rdD0r0dD0621arccos621arccosEIXsEIsX（7-8） l由式

36、（由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流）可知，換相重疊角隨著整流電流電流 Id 的增大而增加。的增大而增加。l當(dāng)當(dāng) Id 較小，較小， 在在0 60之間時，整之間時，整流電路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形流電路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形的自然換相點處開始換流，到的自然換相點處開始換流，到 處結(jié)束處結(jié)束換流，整流波形正常。換流，整流波形正常。強迫延遲換相現(xiàn)象強迫延遲換相現(xiàn)象l當(dāng)電流當(dāng)電流 Id 增大到按式（增大到按式（7-8）計算出來）計算出來的的 角大于角大于60時，器件在自然換相點時，器件在自然換相點處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點換流的器件

37、推遲換流，出現(xiàn)了強迫延相點換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強迫延時遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角換相角 p 。 由此可見，串級調(diào)速時的異步電動機轉(zhuǎn)子由此可見，串級調(diào)速時的異步電動機轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。 l需要指出的是，強迫延時換相只說明需要指出的是，強迫延時換相只說明在在 超過某一值時，整流器件比自然超過某一值時，整流器件比自然換相點滯后換相點滯后 角換流，但從總體上看，角換流，但從總體上看，6個器件在個器件在360內(nèi)輪流工作，每一內(nèi)輪流工作，每一對器件的換流過程最多只能是對器件的換流過程最多只能是60，也就是說，

38、也就是說， 再大，也只能使再大，也只能使 不變。不變。60pdIpdI轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài) （1）第一種工作狀態(tài)的特征是）第一種工作狀態(tài)的特征是 0 60， p = 0 此時，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工此時，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是）第二種工作狀態(tài)的特征是 = 60， 0 p 30 這時，由于強迫延遲換相的作用，使得整流電這時，由于強迫延遲換相的作用，使得整流電路類似處于可控整流工作狀態(tài)，路類似處于可控整流工作狀態(tài)， p 角相當(dāng)于整角相當(dāng)于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作

39、第二工作區(qū)。流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài) 20121224五五（3）當(dāng)）當(dāng) p = 30時，整流電路中會出現(xiàn)時，整流電路中會出現(xiàn)4個器件同時導(dǎo)通，形成共陽極組和共陰極個器件同時導(dǎo)通，形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后 p 保持保持為為30，而，而 角繼續(xù)增大，整流電路處于角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。狀態(tài)。 轉(zhuǎn)子整流電流與 、p 間的函數(shù)關(guān)系 圖7-8 轉(zhuǎn)子整流電路的 = f ( Id )， p = f ( Id )轉(zhuǎn)子整流電

40、路的電流和電壓轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓 l由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時的特殊情況，所以流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式來表示串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電流和來表示串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓電壓。)6sin(26)cos(cos26p0D0rppD0r0dXEXEI(7-9)轉(zhuǎn)子整流電路的電壓轉(zhuǎn)子整流電路的電壓 式中，式中，RD = sRs + Rr 為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。動機定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。ppdr0

41、DdD0r0pdDdcoscos()2.342232.34cos2UsER IsXsEIR I(7-10) 上兩式中上兩式中l(wèi)當(dāng)當(dāng) p = 0， = 0 60時表示轉(zhuǎn)子整流電路時表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第一工作區(qū)。工作在第一工作區(qū)。l當(dāng)當(dāng) 0 p 30， = 60時表示轉(zhuǎn)子整流時表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第二工作區(qū)。電路工作在第二工作區(qū)。7.3.3串級調(diào)速機械特性方程式串級調(diào)速機械特性方程式1.串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路 根據(jù)串級調(diào)速系統(tǒng)主電路接線圖（當(dāng)整流根據(jù)串級調(diào)速系統(tǒng)主電路接線圖（當(dāng)整流器和逆變器都為三相橋式電路時）及相應(yīng)器和逆變器都為三相橋式電路時）及相應(yīng)的

42、等效電路（見圖的等效電路（見圖79），考慮到電動），考慮到電動機轉(zhuǎn)子與逆變變壓器的電阻和換相重疊壓機轉(zhuǎn)子與逆變變壓器的電阻和換相重疊壓降后，可以列出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程式。降后，可以列出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程式。圖圖7-9 串級調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路的主電路及等效電路 圖7-9 串級調(diào)速系統(tǒng)主電路及等效電路a）主電路）主電路b）等效電路）等效電路 1. 電路電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2. 穩(wěn)態(tài)電路方程穩(wěn)態(tài)電路方程l轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為l逆變器直流側(cè)電壓逆變器直流側(cè)電壓l電壓平衡方程電壓平衡方程)23(cos34. 2D0Ddp0rdRsXIsEU(7-11)(7-12)

43、(7-13)23(cos34. 2TTd2TiRXIUULdidRIUU以上三式中以上三式中 RL直流平波電抗器的電阻直流平波電抗器的電阻； XT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效漏抗，效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效電阻，效電阻，RT = RT 1 + RT 2 。 3. 轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速方程轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速方程 解式（解式（7-11）式（式（7-13），可以得到用），可以得到用轉(zhuǎn)差率表示的方程式轉(zhuǎn)差率表示的方程式d0Dp0rLDTTd2T3cos34. 2)223(cos34. 2IXE

44、RRRXIUs（7-14） 轉(zhuǎn)速特性方程轉(zhuǎn)速特性方程 將將 s = (n0 n ) / n0代入上式，得到串級調(diào)代入上式，得到串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)速特性為速時的轉(zhuǎn)速特性為d0Dp0rLDTT0Dd2Tp0r03cos34. 2)2233()coscos(34. 2IXERRRXXIUEnn(7-15) 如令如令 p = 0，則式（，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。 分析式（分析式（7-15）可以看出，等號右邊分）可以看出，等號右邊分子中的第一項是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓子中的第一項是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓 )coscos(34. 22Tp0rUEU

45、（7-16） 第二項相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可第二項相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可以寫作以寫作 Id R ，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓。輸出電壓。 電動勢系數(shù)電動勢系數(shù) 如借用直流電動機的概念和有關(guān)算式，如借用直流電動機的概念和有關(guān)算式，引入電動勢系數(shù)引入電動勢系數(shù) CE ，使，使 0d0D0d0d0Dp0rE33cos34. 2nIXUnIXEC（7-17） p0r0dcos34. 2EU其中，其中， 轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式則式（則式（7-15）可改寫成）可改寫成 )(1dERIUCn（7-18） 其中，其中， LDTT0D2233RRRXX

46、R 注意注意 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動勢系數(shù)在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動勢系數(shù) Ce 是常數(shù)，是常數(shù)，但但在串級調(diào)速系統(tǒng)中，在串級調(diào)速系統(tǒng)中，CE是負載電流的函是負載電流的函數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因素素，故兩個符號的下標不同，以示區(qū)別。，故兩個符號的下標不同，以示區(qū)別。兩種轉(zhuǎn)速特性的比較兩種轉(zhuǎn)速特性的比較l式（式（7-18）表明，異步電動機串級調(diào)速系）表明，異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵電動機的轉(zhuǎn)速特性在形式上統(tǒng)與直流它勵電動機的轉(zhuǎn)速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動的調(diào)速特性。動的調(diào)速特性。 l在直

47、流調(diào)速系統(tǒng)中，須直接改變電壓在直流調(diào)速系統(tǒng)中，須直接改變電壓 Ud；而在異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)中，它是通而在異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過改變式（過改變式（7-16）第二項中的控制角）第二項中的控制角 來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。兩種轉(zhuǎn)速特性的比較（續(xù)）兩種轉(zhuǎn)速特性的比較（續(xù)）n在串級調(diào)速系統(tǒng)中總電阻在串級調(diào)速系統(tǒng)中總電阻 R 較大，系統(tǒng)較大，系統(tǒng)的調(diào)速特性較軟；對于的調(diào)速特性較軟；對于 p 0 的第二工作的第二工作區(qū)，計及區(qū)，計及 p 的影響，在同一逆變角的影響，在同一逆變角 下的下的電壓更小，相當(dāng)于電壓更小，相當(dāng)于 也發(fā)生變化，因而調(diào)也發(fā)生變化，因而調(diào)速特性更軟。速特性更軟。0n4. 電磁轉(zhuǎn)矩

48、方程電磁轉(zhuǎn)矩方程 l轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率 可以從轉(zhuǎn)子整流電路的功率傳遞關(guān)系入手，可以從轉(zhuǎn)子整流電路的功率傳遞關(guān)系入手，暫且忽略轉(zhuǎn)子銅耗，則轉(zhuǎn)子整流器的輸出暫且忽略轉(zhuǎn)子銅耗，則轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就是電動機的轉(zhuǎn)差功率功率就是電動機的轉(zhuǎn)差功率dd0Dp0rs)3cos34. 2(IIsXsEPl而電磁功率而電磁功率 P Pm m = P = Ps s /s /s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為，因此電磁轉(zhuǎn)矩為sD0mer0pdd000D0d0ddMd031(2.34cos)31()PXPTEIIsXUIIC I 0 理想空載機械角轉(zhuǎn)速理想空載機械角轉(zhuǎn)速(rad/s ) ；CM 串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)

49、矩系數(shù)， （7-19） 因為，因為，)3(1000dDdMIXUC它也是電流它也是電流 Id 的函數(shù)的函數(shù)。與式（。與式（7-17）的電）的電動勢系數(shù)動勢系數(shù) CE 相比可知，相比可知， CM 和和 CE 對對 Id 的的關(guān)系是一樣的。由于關(guān)系是一樣的。由于 0 =2 n0 /60，所以，所以 EM30CC（7-20） 可見，可見， CM 和和 CE的關(guān)系與直流他勵電動機的關(guān)系與直流他勵電動機中中Cm 和和 Ce的關(guān)系完全一致。的關(guān)系完全一致。5. 串級調(diào)速的機械特性方程串級調(diào)速的機械特性方程當(dāng)串級調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運行時，當(dāng)串級調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運行時， p = 0 ，代入式（，代入式（

50、7-19）, 再令再令 dTe/ dt = 0，可求出可求出電磁轉(zhuǎn)矩的計算最大值電磁轉(zhuǎn)矩的計算最大值Te1m，經(jīng)過適，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第一工作區(qū)的機械特性第一工作區(qū)的機械特性方程式方程式：24m111m1e1messssTT(7-21)第一工作區(qū)的機械特性方程式第一工作區(qū)的機械特性方程式 24m111m1e1messssTT(7-21) s1m = s1m- s10 在給定在給定 值下，從理想值下，從理想空載到計算最大轉(zhuǎn)矩點的轉(zhuǎn)差率增量；空載到計算最大轉(zhuǎn)矩點的轉(zhuǎn)差率增量； s1 = s - s10 在相應(yīng)的在相應(yīng)的 值下，由負載值下，由負載引起的轉(zhuǎn)差率增量；引起的轉(zhuǎn)差率增

51、量； 第一工作區(qū)的機械特性方程式第一工作區(qū)的機械特性方程式s10 相應(yīng)相應(yīng) 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率；值下的理想空載轉(zhuǎn)差率；s1m 對應(yīng)于計算最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于計算最大轉(zhuǎn)矩Te1m的臨界轉(zhuǎn)差率：的臨界轉(zhuǎn)差率：TTDL1m10D032223XRRRssX(7-22) Te1m 系統(tǒng)在第一工作區(qū)的系統(tǒng)在第一工作區(qū)的計算最大轉(zhuǎn)計算最大轉(zhuǎn)矩矩。 由于在異步電動機串級調(diào)速時，負載增大由于在異步電動機串級調(diào)速時，負載增大到一定程度，必然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子整流器的強到一定程度，必然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子整流器的強迫延遲換相現(xiàn)象，系統(tǒng)必然會進入第二工迫延遲換相現(xiàn)象，系統(tǒng)必然會進入第二工作區(qū)。而作區(qū)。而 Te1m 是在是在 p= 0 的條

52、件下由式的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會達到的最大轉(zhuǎn)矩。保持第一工作狀態(tài)將會達到的最大轉(zhuǎn)矩。 第二工作區(qū)的機械特性方程式第二工作區(qū)的機械特性方程式 當(dāng)串級調(diào)速系統(tǒng)在第二工作區(qū)運行時，當(dāng)串級調(diào)速系統(tǒng)在第二工作區(qū)運行時， p不等于零，不等于零，= 60，代入式（，代入式（7-19），再），再令令 dTe/dt = 0，可求出，可求出第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩值矩值Te2m，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第二，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第二工作區(qū)的機械特性方程式：工作區(qū)的機械特性方程式： 第二工作區(qū)的機械特性方程式第二工作區(qū)的機械

53、特性方程式 (7-23)2cos4m222m2p2e1messssTT s2m = s2m- s20 計及強迫延時換相，計及強迫延時換相，對應(yīng)于某一對應(yīng)于某一 p 值時的轉(zhuǎn)差率增量；值時的轉(zhuǎn)差率增量； s2 = s - s20 在給定在給定 與與 p值下，值下，由負載引起的轉(zhuǎn)差率增量由負載引起的轉(zhuǎn)差率增量;式中式中 s20相應(yīng)相應(yīng) 與與 p 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率：值下的理想空載轉(zhuǎn)差率：p0r2T20coscosEUs322320DLDTT20m2XRRRXss(7-24)而而注意注意 在用式（在用式（7-23）計算第二工作區(qū)的一段）計算第二工作區(qū)的一段機械特性時，等號左邊分母中仍用機械特性時，

54、等號左邊分母中仍用Te1m ，這是為了使第一、二工作區(qū)的機械特性計這是為了使第一、二工作區(qū)的機械特性計算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩就是的最大轉(zhuǎn)矩就是Te1m ，它具有另外一個最，它具有另外一個最大轉(zhuǎn)矩大轉(zhuǎn)矩Te2m 。 幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系和計算幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系和計算 從異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)可計算出額定從異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)可計算出額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩TeN和正常運行時的最大轉(zhuǎn)和正常運行時的最大轉(zhuǎn)矩矩Tem 。 對串級調(diào)速系統(tǒng)來說，有實用意義的是對串級調(diào)速系統(tǒng)來說，有實用意義的是第一工作區(qū)的計算最大轉(zhuǎn)矩第一工作區(qū)的計算最大轉(zhuǎn)矩 Te1m 和和第二工

55、第二工作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩 Te2m （可證明，（可證明，Te2m 對應(yīng)于對應(yīng)于 p= 15）。還有第一、二工作區(qū)）。還有第一、二工作區(qū)交界的轉(zhuǎn)矩值，稱作交界的轉(zhuǎn)矩值，稱作交接轉(zhuǎn)矩交接轉(zhuǎn)矩 Te1-2 。 按照上面的推導(dǎo)，可得按照上面的推導(dǎo)，可得41955. 0eme1mTT827. 0eme2mTT716. 0em2e1TT（7-25） （7-26） （7-27） 式（式（7-26）說明，）說明，異步電動機串級調(diào)速異步電動機串級調(diào)速時所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時減少時所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時減少了了17.3%，這在選用電機時必須注意。，這在選用電機時必須注意。 另外，

56、由式（另外，由式（7-27）可知，）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而異步電動機的轉(zhuǎn)矩過載能力一般大，而異步電動機的轉(zhuǎn)矩過載能力一般大于于2，即，即Tem 2TeN，所以，所以當(dāng)電動機在額定當(dāng)電動機在額定負載下工作時，還是處于第一工作區(qū)負載下工作時，還是處于第一工作區(qū)。 6. 異步電動機串級調(diào)速時的機械特性異步電動機串級調(diào)速時的機械特性 圖7-10 異步電動機串級調(diào)速時的機械特性 *7.4 串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標l串級調(diào)速系統(tǒng)的效率串級調(diào)速系統(tǒng)的效率l串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)l串級調(diào)速裝置的電壓和容量串級調(diào)速裝置的電壓和容量7.4.1

57、 串級調(diào)速系統(tǒng)的效率串級調(diào)速系統(tǒng)的效率l在串級調(diào)速時，在串級調(diào)速時，Ps未被全部消耗掉，而是未被全部消耗掉，而是扣除了轉(zhuǎn)子銅損扣除了轉(zhuǎn)子銅損 pCur、雜散損耗、雜散損耗 ps 和附和附加的串級調(diào)速裝置損耗加的串級調(diào)速裝置損耗 ptan 后經(jīng)過轉(zhuǎn)子整后經(jīng)過轉(zhuǎn)子整流器和逆變器返回電網(wǎng)，這部分返回電網(wǎng)流器和逆變器返回電網(wǎng)，這部分返回電網(wǎng)的功率稱作回饋功率的功率稱作回饋功率 Pf 。l對整個串級調(diào)速系統(tǒng)來說，它從電網(wǎng)吸收對整個串級調(diào)速系統(tǒng)來說，它從電網(wǎng)吸收的凈有功功率應(yīng)為的凈有功功率應(yīng)為 Pin = P1 Pf 。串級調(diào)速系統(tǒng)效率分析串級調(diào)速系統(tǒng)效率分析圖圖7-11 串級調(diào)速系統(tǒng)效率分析串級調(diào)速系統(tǒng)

58、效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞系統(tǒng)的功率傳遞 b)系統(tǒng)的功率流程圖系統(tǒng)的功率流程圖 串級調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的效率的效率l串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率式中式中 p 是異步電動機定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗；是異步電動機定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗； ptan 附加的串級調(diào)速傳動附加的串級調(diào)速傳動(tandem drive)裝裝 置損耗置損耗 。mechmech2schin1fmmechmmechtan100%100%(1)100%(1)PpPPPPPspPsppp (7-28)串級調(diào)速串級調(diào)速系統(tǒng)的效率系統(tǒng)的效率在串級調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速降低在串級調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速降低時，如果負載轉(zhuǎn)矩不

59、變，時，如果負載轉(zhuǎn)矩不變， p 和和 ptan 都基都基本不變，式（本不變，式（7-28）分子和分母中的項隨）分子和分母中的項隨著著s增大而同時減少，對增大而同時減少，對sch值的影響并不值的影響并不太大。太大。 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率 當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，調(diào)速系當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，調(diào)速系統(tǒng)的效率是統(tǒng)的效率是%100%100sCurFeCusmechmechmech12RppppPpPPP%100)1 ()1 (mechmmechmppsPpsP=其中，其中，Pm(1- s) 項隨項隨s 的變化與串級調(diào)速時一樣，的變化與串級調(diào)速時一樣，而所串電阻越

60、大時，而所串電阻越大時，pCur 越大，越大，p 也越大，因而也越大，因而效率效率 R 越低，幾乎是隨著轉(zhuǎn)速的降低而成比例越低，幾乎是隨著轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。地減少。 效率的比較效率的比較l串級調(diào)速系統(tǒng)的總串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率是比較高的效率是比較高的，且當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速降且當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速降低時，低時， sch 的減少的減少并不多。并不多。l而繞線轉(zhuǎn)子異步電而繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時的效率幾阻調(diào)速時的效率幾乎隨轉(zhuǎn)速的降低而乎隨轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。成比例地減少。圖圖7-12 電氣串級調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子串電阻電氣串級調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng) = f (s)