電力拖動自動控制系統(tǒng)：第七章 繞線轉子異步電機雙饋調速系統(tǒng)

1、第 7 章繞線轉子異步電機雙饋調速系統(tǒng)轉差功率饋送型調速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)內容提要引言異步電機雙饋調速工作原理異步電機在次同步電動狀態(tài)下的雙饋系統(tǒng)串級調速系統(tǒng)異步電動機串級調速時的機械特性串級調速系統(tǒng)的技術經濟指標及其提高方案雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)*異步電機雙饋調速系統(tǒng) 7.0 引言 轉差功率問題 轉差功率始終是人們在研究異步電動機調速方法時所關心的問題，因為節(jié)約電能是異步電動機調速的主要目的之一，而如何處理轉差功率又在很大程度上影響著調速系統(tǒng)的效率。 如第5章所述，交流調速系統(tǒng)按轉差功率的處理方式可分為三種類型。 交流調速系統(tǒng)按轉差功率的分類 （1）轉差功率消耗型異步電機采用調壓控制

2、等調速方式，轉速越低時，轉差功率的消耗越大，效率越低；但這類系統(tǒng)的結構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。 （2）轉差功率不變型變頻調速方法轉差功率很小，而且不隨轉速變化，效率較高；但在定子電路中須配備與電動機容量相當的變壓變頻器，相比之下，設備成本最高。 交流調速系統(tǒng)按轉差功率的分類（續(xù)） （3）轉差功率饋送型控制繞線轉子異步電動機的轉子電壓，利用其轉差功率并達到調節(jié)轉速的目的，這種調節(jié)方式具有良好的調速性能和效率；但要增加一些設備。 前兩章已分別討論了轉差功率消耗型和不變型兩種調速方法，本章將討論轉差功率饋送型調速方法。返回目錄7.1 異步電機雙饋調速工作原理 本節(jié)提要概述異步電機

3、轉子附加電動勢的作用異步電機雙饋調速的五種工況轉差功率的利用 眾所周知，作為異步電動機，必然有轉差功率，要提高調速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉差功率外，還可以考慮如何去利用它。 但要利用轉差功率，就必須使異步電動機的轉子繞組有與外界實現電氣聯接的條件，顯然籠型電動機難以勝任，只有繞線轉子電動機才能做到。 7.1.0 概述繞線轉子異步電動機 PsP1 繞線轉子異步電動機結構如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉差功率可以分別向定子和轉子饋入，也可以從定子或轉子輸出，故稱作雙饋電機。 繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速 根據電機理論，改變轉子電路的串接電阻，可以改變電機的轉速。 轉子串電阻調速的原理如圖所

4、示，調速過程中，轉差功率完全消耗在轉子電阻上。PmPmechPs 雙饋調速的概念 所謂“雙饋”，就是指把繞線轉子異步電機的定子繞組與交流電網連接，轉子繞組與其他含電動勢的電路相連接，使它們可以進行電功率的相互傳遞。 至于電功率是饋入定子繞組和/或轉子繞組，還是由定子繞組和/或轉子繞組饋出，則要視電機的工況而定。 雙饋調速的基本結構功率變換單元電網K1M3 K2TI 如上圖所示，在雙饋調速工作時，除了電機定子側與交流電網直接連接外，轉子側也要與交流電網或外接電動勢相連，從電路拓撲結構上看，可認為是在轉子繞組回路中附加一個交流電動勢。 功率變換單元 由于轉子電動勢與電流的頻率隨轉速變化，即 f2

5、= s f1 ，因此必須通過功率變換單元（Power Converter UnitCU）對不同頻率的電功率進行電能變換。 對于雙饋系統(tǒng)來說，CU應該由雙向變頻器構成，以實現功率的雙向傳遞。 雙饋調速的功率傳輸（1）轉差功率輸出狀態(tài) 異步電動機由電網供電并以電動狀態(tài)運行時，它從電網輸入（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； CUP1PsM3 Pmech（2）轉差功率輸入狀態(tài) 當電機以發(fā)電狀態(tài)運行時，它被拖著運轉，從軸上輸入機械功率，經機電能量變換后以電功率的形式從定子側輸出（饋出）到電網。 PsP1M3 CUPmech7.1.1 異步電機轉子附加電動勢的作用異步電機運行時

6、其轉子相電動勢為 式中 s 異步電動機的轉差率； Er0 繞線轉子異步電動機在轉子不動時的相電動勢，或稱轉子開路電動勢，也就是轉子額定相電壓值。(7-1)轉子相電流的表達式為：式中 Rr 轉子繞組每相電阻； Xr0 s = 1時的轉子繞組每相漏抗。 (7-2) 轉子附加電動勢 圖7-1 繞線轉子異步電動機轉子附加電動勢的原理圖附加電動勢與轉子電動勢有相同的頻率，可同相或反相串接。 引入可控的交流附加電動勢有附加電動勢時的轉子相電流： 如圖7-1所示，繞線轉子異步電動機在外接附加電動勢時，轉子回路的相電流表達式(7-3) 轉子附加電動勢的作用1. Er 與 Eadd 同相當 Eadd ，使得：這

7、里： 轉速上升；轉子附加電動勢的作用（續(xù)）當 Eadd ，使得：這里：轉速下降；轉子附加電動勢的作用（續(xù)）2. Er 與 Eadd反相 同理可知，若減少或串入反相的附加電動勢，則可使電動機的轉速降低。 所以，在繞線轉子異步電動機的轉子側引入一個可控的附加電動勢，就可調節(jié)電動機的轉速。 7.1.2 異步電機雙饋調速的五種工況 本節(jié)摘要電機在次同步轉速下作電動運行電機在反轉時作倒拉制動運行電機在超同步轉速下作回饋制動運行電機在超同步轉速下作電動運行電機在次同步轉速下作回饋制動運行 異步電機的功率關系 忽略機械損耗和雜散損耗時，異步電機在任何工況下的功率關系都可寫作 （7-4） 式中 Pm 從電機定

8、子傳入轉子（或由轉子傳 出給定子）的電磁功率， sPm 輸入或輸出轉子電路的功率，即轉 差功率， (1-s)Pm 電機軸上輸出或輸入的功率。 由于轉子側串入附加電動勢極性和大小的不同， s 和 Pm 都可正可負，因而可以有以下五種不同的工作情況。 1. 電機在次同步轉速下作電動運行工作條件： 轉子側每相加上與 Er0 同相的附加電動勢+Eadd（Eadd Er0），并把轉子三相回路連通。運行工況： 電機作電動運行，轉差率為 0 s 1，從定子側輸入功率，軸上輸出機械功率。 功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a） 次同步速電動狀態(tài) 2. 電機在反轉時作倒拉制動運行工

9、作條件： 軸上帶有位能性恒轉矩負載（這是進入倒拉制動運行的必要條件），此時逐漸減少 + Eadd 值，并使之反相變負，只要反相附加電動勢 Eadd 有一定數值，則電機將反轉。 運行工況： 電機進入倒拉制動運行狀態(tài)，轉差率 s 1，此時由電網輸入電機定子的功率和由負載輸入電機軸的功率兩部分合成轉差功率，并從轉子側饋送給電網。式（7-4）可改寫作 功率流程b）反轉倒拉制動狀態(tài) Te012s-n-n1PmCU3. 電機在超同步轉速下作回饋制動運行工作條件： 進入這種運行狀態(tài)的必要條件是有位能性機械外力作用在電機軸上，并使電機能在超過其同步轉速n1的情況下運行。 此時，如果處于發(fā)電狀態(tài)運行的電機轉子回

10、路再串入一個與 sEr0 反相的附加電動勢 +Eadd ，電機將在比未串入 +Eadd 時的轉速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。運行工況： 電機處在發(fā)電狀態(tài)工作，s 1，電機功率由負載通過電機軸輸入，經過機電能量變換分別從電機定子側與轉子側饋送至電網。此時式（7-4）可改寫成 功率流程c） 超同步速回饋制動狀態(tài) -TePmCU4. 電機在超同步轉速下作電動運行工作條件： 設電機原已在 0 s 1 作電動運行，轉子側串入了同相的附加電動勢+Eadd，軸上拖動恒轉矩的反抗性負載。 當接近額定轉速時，如繼續(xù)加大+Eadd電機將加速到的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即電機在超過其同步轉速下穩(wěn)定運行。運行工況： 電機的軸

11、上輸出功率由定子側與轉子側兩部分輸入功率合成，電機處于定、轉子雙輸入狀態(tài)，其輸出功率超過額定功率，式（7-4）改寫成 功率流程d） 超同步速電動狀態(tài) PmTeCU5. 電機在次同步轉速下作回饋制動運行工作條件： 很多工作機械為了提高其生產率，希望電力拖動裝置能縮短減速和停車的時間，因此必須使運行在低于同步轉速電動狀態(tài)的電機切換到制動狀態(tài)下工作。 設電機原在低于同步轉速下作電動運行，其轉子側已加入一定的 + Eadd 。要使之進入制動狀態(tài)，可以在電機轉子側突加一個反相的附加電動勢。 運行工況 在低于同步轉速下作電動運行，Eadd 由“+”變?yōu)椤?”，并使 |- Eadd| 大于制動初瞬的sEr0

12、 ，電機定子側輸出功率給電網，電機成為發(fā)電機處于制動狀態(tài)工作，并產生制動轉矩以加快減速停車過程。電機的功率關系為 功率流程e） 次同步速回饋制動狀態(tài) Pm-TeCU五種工況小結圖7-2 異步電機在轉子附加電動勢時的工況及其功率流程 五種工況都是異步電機轉子加入附加電動勢時的運行狀態(tài)。 在工況a,b,c中，轉子側都輸出功率，可把轉子的交流電功率先變換成直流，然后再變換成與電網具有相同電壓與頻率的交流電功率。 a）轉子輸出功率的工況TICU2CU1sEr0M3圖7-4 異步電機轉子側連接的功率變換單元b）轉子輸入功率的工況 圖7-4 異步電機轉子側連接的功率變換單元TICU2CU1sEr0M3返回

13、目錄7.2 異步電機在次同步電動狀態(tài)下的 雙饋系統(tǒng)串級調速系統(tǒng) 本章摘要串級調速系統(tǒng)的工作原理 串級調速系統(tǒng)的其它類型 基本思路 如前所述，在異步電機轉子回路中附加交流電動勢調速的關鍵就是在轉子側串入一個可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？ 對于只用于次同步電動狀態(tài)的情況來說，比較方便的辦法是將轉子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的直流電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調節(jié)異步電動機的轉速。 這樣，就把交流變壓變頻這一復雜問題，轉化為與頻率無關的直流變壓問題，對問題的分析與工程實現都方便多了。 7.2.1 串級調速系統(tǒng)的工作原理 對直流附加電動勢的技術要求 首先，它

14、應該是可平滑調節(jié)的，以滿足對電動機轉速平滑調節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的角度看，希望產生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉子側傳遞來的轉差功率并加以利用。 系統(tǒng)方案 根據以上兩點要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產生附加直流電動勢的電源，這就形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。 按照上述原理組成的異步電機在低于同步轉速下作電動狀態(tài)運行的雙饋調速系統(tǒng)如圖7-5所示，習慣上稱之為電氣串級調速系統(tǒng)（或稱Scherbius系統(tǒng)）。 圖7-5 電氣串級調速系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)組成 功率變換單元UR 三相不可控整流裝置，將異步電機轉子相電動勢 sEr0 整流為直流電壓

15、 Ud 。UI 三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：可提供可調的直流電壓 Ui ，作為電機調速所需的附加直流電動勢；可將轉差功率變換成交流功率，回饋到交流電網。 工作原理（1）起動起動條件： 對串級調速系統(tǒng)而言，起動應有足夠大的轉子電流 Ir 或足夠大的整流后直流電流 Id ，為此，轉子整流電壓 Ud 與逆變電壓 Ui 間應有較大的差值。 起動控制控制逆變角 ，使在起動開始的瞬間，Ud與 Ui 的差值能產生足夠大的 Id ，以滿足所需的電磁轉矩，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)轉矩下加速起動。隨著轉速的增高，相應地增大 角以減小值 Ui ，從而維持加速過程中動態(tài)轉矩基本恒定

16、 。工作原理（續(xù)）（2）調速調速原理：通過改變 角的大小調節(jié)電動機的轉速。調速過程：UiIdK1sEr0nTeTe = TLId工作原理（續(xù)）（3） 停車 串級調速系統(tǒng)沒有制動停車功能。只能靠減小 角逐漸減速，并依靠負載阻轉矩的作用自由停車。 結 論串級調速系統(tǒng)能夠靠調節(jié)逆變角 實現平滑無級調速系統(tǒng)能把異步電動機的轉差功率回饋給交流電網，從而使扣除裝置損耗后的轉差功率得到有效利用，大大提高了調速系統(tǒng)的效率。返回目錄*7.3 異步電動機串級調速時的機械特性本節(jié)提要概述異步電動機串級調速機械特性的特征異步電動機串級調速時的轉子整流電路異步電動機串級調速機械特性方程式概 述 在串級調速系統(tǒng)中，異步電

17、動機轉子側整流器的輸出量、分別與異步電動機的轉速和電磁轉矩有關。因此，可以從電動機轉子直流回路著手來分析異步電動機在串級調速時的機械特性。*7.3.1 異步電動機串級調速機械特性的特征1. 理想空載轉速在異步電動機轉子回路串電阻調速時，其理想空載轉速就是其同步轉速，而且恒定不變，調速時機械特性變軟，調速性能差。在串級調速系統(tǒng)中，電動機的極對數與旋轉磁場轉速都不變，同步轉速也是恒定的，但是它的理想空載轉速卻能夠連續(xù)平滑地調節(jié)。 根據式（7-5），當系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運行時（Id = 0），轉子直流回路的電壓平衡方程式變成 其中，s0 異步電動機在串級調速時對應于某一 角的理想空載轉差率，并取

18、K1 = K2，則 (7-6) 理想空載轉速方程由此可得相應的理想空載轉速 n0 為： (7-7)式中 nsyn 異步電動機的同步轉速。 特性分析從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級調速時，理想空載轉速與同步轉速是不同的。當改變逆變角 時，理想空載轉差率和理想空載轉速都相應改變。由式（7-5）還可看出，在不同的 角下，異步電動機串級調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調速的機械特性。 2機械特性的斜率與最大轉矩 串級調速時，轉子回路中接入了串級調速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實際上相當于在電動機轉子回路中接入了一定數量的等效電阻和電抗，它們的影

19、響在任何轉速下都存在。 由于轉子回路電阻的影響，異步電動機串級調速時的機械特性比其固有特性要軟得多。 轉子回路電阻的影響當電機在最高速的特性上 （ = 90）帶額定負載，也難以達到其額定轉速。整流電路換相重疊角將加大，并產生強迫延遲導通現象，使串級調速時的最大電磁轉矩比電動機在正常接線時的最大轉矩有明顯的降低。 這樣，串級調速時的機械特性便如圖7-7所示。 串級調速時的機械特性圖圖7-7 異步電動機串級調速時的機械特性a) 大電機 b)小電機 從圖7-5中可以看出，異步電動機相當于轉子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側，則轉子繞組相當于二次側，與帶整流變壓器的整流電路非

20、常相似，因而可以引用電力電子技術中分析整流電路的一些結論來研究串級調速時的轉子整流電路。 但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是： *7.3.2 異步電動機串級調速時的轉子整流電路（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動機轉子繞組感應電動勢的幅值與頻率都是變化的，隨電機轉速的改變而變化； （2）異步電動機折算到轉子側的漏抗值也與轉子頻率或轉差率有關；（3）由于異步電動機折算到轉子側的漏抗值較大，所以出現的換相重疊現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換相現象。 整流電路的不同點 1. 轉子整流電路圖7-8 轉子整流電路 2. 電路分析假設條件：（1

21、）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（2）轉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；（3）忽略電動機勵磁阻抗的影響。 換相重疊現象 設電動機在某一轉差率下穩(wěn)定運行，轉子三相的感應電動勢為 era、erb、erc。當各整流器件依次導通時，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起作用，產生換相重疊壓降，如下圖所示。 換相重疊波形換相重疊壓降換相重疊角 根據電力電子技術中介紹的理論，換相重疊角為 換相重疊角（7-8） 其中 XD0 s = 1時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。 由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流電流 Id 的增大而增加。當

22、Id 較小， 在0 60之間時，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。當電流 Id 增大到按式（7-8）計算出來的 角大于60時，器件在自然換相點處未能結束換流，從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現了強迫延遲換相現象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角 p 。 由此可見，串級調速時的異步電動機轉子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。 轉子整流電路的工作狀態(tài) （1）第一種工作狀態(tài)的特征是 0 60， p = 0 此時，轉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)。（2）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

23、，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)， p 角相當于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。 轉子整流電路的工作狀態(tài)（續(xù)） （3）當 = 30時，整流電路中會出現4個器件同時導通，形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現象，此后 p 保持為30，而 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狀態(tài)。 轉子整流電流與 、p 間的函數關系 圖7-9 轉子整流電路的 = f ( Id )， p = f ( Id )Id1-2 串級調速時轉子整流電路的電流和電壓 由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當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分析式來表示串級

24、調速時轉子整流電路的電流和電壓。(7-9) 串級調速時轉子整流電路的電壓式中 RD = sRs + Rr 為折算到轉子側的電動機定子和轉子每相等效電阻。 (7-10)上兩式中，當 0 p 30， =60時表示轉子整流電路工作在第二工作區(qū)；當p = 0， = 0 60 時表示轉子整流電路工作在第一工作區(qū)。*7.3.3 異步電動機串級調速機械特性方程式 圖710 串級調速系統(tǒng)a）主電路b）等效電路 1. 電路結構2. 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程轉子整流電路的輸出電壓為逆變器直流側電壓電壓平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)以上三式中 RL直流平波電抗器的電阻； XT 折算到二次側的逆變變壓器每相等

25、效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次側的逆變變壓器每相等效電阻，RT = RT 1 + RT 2 。 3. 轉差率與轉速方程 解式（711）式（713），可以得到用轉差率表示的方程式（7-14） 轉速特性方程 將 s = (n0 n ) / n0代入上式，得到串級調速時的轉速特性為(7-15) 如令p = 0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉速特性。 分析式（7-15）可以看出，等號右邊分子中的第一項是轉子直流回路的直流電壓 （7-16） 第二項相當于回路中的總電阻壓降，可以寫作 Id R ，而分母則是轉子整流器的輸出電壓。 等效電動勢系數公式 如借用直流電

26、動機的概念和有關算式，引入電動勢系數 CE ，使 （7-17） 轉速特性方程的直觀形式則式（7-15）可改寫成 （7-18） 其中， 注意： 在直流調速系統(tǒng)中，電動勢系數 Ce 是常數，但在串級調速系統(tǒng)中，CE是負載電流的函數，它是使轉速特性成為非線性的重要因素，故兩個符號的下角不同，以示區(qū)別。兩種轉速特性的比較式（7-18）表明，異步電動機串級調速系統(tǒng)與直流它勵電動機的轉速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動的調速特性。 在直流調速系統(tǒng)中，須直接改變電壓 U；而在異步電動機串級調速系統(tǒng)中，它是通過改變式（7-16）第二項中的控制角 來實現的。兩種轉速特性的比較（續(xù)）在串級調速系

27、統(tǒng)中總電阻 R 較大，系統(tǒng)的調速特性較軟；對于p 0 的第二工作區(qū)，計及p 的影響，在同一逆變角 下的電壓更小，相當于也發(fā)生變化，因而調速特性更軟。4. 電磁轉矩方程 轉差功率 可以從轉子整流電路的功率傳遞關系入手，暫且忽略轉子銅耗，則轉子整流器的輸出功率就是電動機的轉差功率 電磁轉矩公式而電磁功率 Pm = Ps /s，因此電磁轉矩為（7-19） 0 理想空載機械角轉速rad/s ；CM 串級調速系統(tǒng)的轉矩系數， 式中 因為，它也是電流 Id 的函數。與式（7-17）的電動勢系數 CE 相比可知， CM 和 CE 對 Id 的關系是一樣的。由于0 =2n0 /60，所以 （7-20） 可見，

28、 CM 和 CE的關系與直流他勵電動機中Cm 和 Ce的關系完全一致。5. 串級調速的機械特性方程 當串級調速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運行時， p= 0 ，代入式（7-19），再令 dTe/dt = 0，可求出電磁轉矩的計算最大值Te1m，經過適當的數學推導，得第一工作區(qū)的機械特性方程式： 第一工作區(qū)的機械特性方程式 (7-21)s1m = s1m- s10 在給定 值下，從理想空載到計算最大轉矩點的轉差率增量； s1 = s- s10 在相應的 值下，由負載引起的轉差率增量；式中 s10 相應 值下的理想空載轉差率；s1m 對應于計算最大轉矩Te1m的臨界轉差率：(7-22) Te1m 系統(tǒng)在第一工

29、作區(qū)的“計算最大轉矩”。 由于在異步電動機串級調速時，負載增大到一定程度，必然會出現轉子整流器的強迫延遲換相現象，也就是說，系統(tǒng)必然會進入第二工作區(qū)。而 Te1m 是在 p= 0 的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會達到的最大轉矩。 第二工作區(qū)的機械特性方程式 (7-23)s2m = s2m- s20 計及強迫延時換相，對應于某一p 值時的轉差率增量； s2 = s- s20 在給定 與p值下，由負載引起的轉差率增量;式中 s20相應 與 p 值下的理想空載轉差率：(7-24)而注意： 在用式（7-23）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Te

30、1m ，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)的最大轉矩就是Te1m ，它具有另外一個最大轉矩Te2m 。 幾種最大轉矩的關系和計算 從異步電動機的銘牌數據可計算出額定轉矩TeN和正常運行時的最大轉矩Tem 。 對串級調速系統(tǒng)來說，有實用意義的是第一工作區(qū)的計算最大轉矩 Te1m 和第二工作區(qū)真正的最大轉矩 Te2m （可證明，Te2m 對應于p= 15）。還有第一、二工作區(qū)交界的轉矩值，稱作交接轉矩 Te1-2 。 按照上面的推導，可得40（7-25） （7-26） （7-27） 式（7-26）說明，異步電動機串級調速時所能產生的最大轉矩比正常接線時減少了1

31、7.3%，這在選用電機時必須注意。 另外，由式（7-27）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而異步電動機的轉矩過載能力一般大于2，即Tem 2TeN，所以當電動機在額定負載下工作時，還是處于第一工作區(qū)。 6. 異步電動機串級調速時的機械特性 圖7-11 異步電動機串級調速時的機械特性 返回目錄s20本節(jié)提要串級調速系統(tǒng)的效率串級調速系統(tǒng)的功率因數及其改善途徑斬波控制的串級調速系統(tǒng)串級調速裝置的電壓和容量*7.4 串級調速系統(tǒng)的技術經濟指標 及其提高方案*7.4.1 串級調速系統(tǒng)的效率圖7-12 串級調速系統(tǒng)效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞 b)系統(tǒng)的功率流程圖 串級調速系統(tǒng)功率流程 在串級調

32、速時（圖7-12a），Ps未被全部消耗掉，而是扣除了轉子銅損 PCur、雜散損耗 Ps 和附加的串級調速裝置損耗 Ptan 后通過轉子整流器與逆變器返回電網，這部分返回電網的功率稱作回饋功率 Pf 。對整個串級調速系統(tǒng)來說，它從電網吸收的凈有功功率應為 Pin = P1 Pf 。 串級調速系統(tǒng)效率及比較串級調速系統(tǒng)的總效率 (7-28)式中 p 是異步電動機定子和轉子內的總損耗； ptan 附加的串級調速傳動(tandem drive)裝 置損耗 。 在串級調速系統(tǒng)中，當電動機的轉速降低時，如果負載轉矩不變， p 和 ptan 都基本不變，式（7-28）分子和分母中的項隨著的增大而同時減少，對

33、值的影響并不太大。 轉子回路串電阻調速的效率 當電動機轉子回路串電阻調速時，調速系統(tǒng)的效率是=其中，Pm(1- s) 項隨s 的變化和串級調速時一樣，而所串電阻越大時，pCus 越大，p 也越大，因而效率 R 越低，幾乎是隨著轉速的降低而成比例地減少。 效率的比較串級調速系統(tǒng)的總效率是比較高的，且當電動機轉速降低時，sch 的減少并不多。而繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速時的效率幾乎隨轉速的降低而成比例地減少。圖7-13 電氣串級調速系統(tǒng)與轉子串電阻調速系統(tǒng) = f (s) 的比較 *7.4.2 串級調速系統(tǒng)的功率因數及其改善途徑 串級調速系統(tǒng)的功率因數與系統(tǒng)所用的異步電動機、不可控整流器

34、和逆變器三大部分有關：異步電動機本身的功率因數就會隨著負載的減輕而下降；轉子整流器的換相重迭和強迫延遲導通等作用都會通過電機從電網吸收換相無功功率；逆變器的相控作用使其電流與電壓不同相，也要消耗無功功率。 串級調速系統(tǒng)的功率因數 在串級調速系統(tǒng)中，從交流電網吸收的總有功功率是電動機吸收的有功功率與逆變器回饋至電網的有功功率之差，然而從交流電網吸收的總無功功率卻是電動機和逆變器所吸收的無功功率之和（見圖7-12），因此，串級調速系統(tǒng)總功率因數可用下式表示 功率因數計算公式 s 系統(tǒng)總的視在功率；Q1 電動機從電網吸收的無功功率；Qf 逆變變壓器從電網吸收的無功功率。式中(7-29) 功率因數范圍

35、一般串級調速系統(tǒng)在高速運行時的功率因數為0.60.65，比正常接線時電動機的功率因數減少0.1左右；在低速時可降到0.40.5（對調速范圍為2的系統(tǒng)）。這是串級調速系統(tǒng)的主要缺點。對于寬調速的串級調速系統(tǒng)，隨著轉差率的增大，系統(tǒng)的功率因數還要下降，這是串級調速系統(tǒng)能否被推廣應用的關鍵問題之一。*7.4.3 斬波控制的串級調速系統(tǒng)問題的提出 串級調速系統(tǒng)功率因數差的一個重要原因就是采用了相位控制的逆變器，控制角 越大時，逆變器從電網吸收的無功功率越多。 如果用斬波器來控制直流電壓，而將逆變器的控制角設定為允許的最小值不變，即可降低無功的消耗，而提高系統(tǒng)功率因數。 系統(tǒng)組成圖7-14 斬波控制串級

36、調速系統(tǒng)原理圖 圖7-14繪出了斬波控制的串級調速系統(tǒng)原理圖，圖中CH是直流斬波器，可用普通晶閘管或可關斷電力電子器件組成，后者可大大簡化斬波器電路。 系統(tǒng)中斬波器CH工作在開關狀態(tài)，其工作原理和功率因數如下分析。 1工作原理當它接通時，逆變器輸出的附加電動勢被短接（Eadd = 0）；斷開時，輸出電動勢最大（ Eadd = Ui）。 設斬波器的開關周期為 T ，開關接通的時間為 ，則逆變器經CH送出的平均電動勢為 改變占空比（T- ）/ T 即可調節(jié)平均電動勢的大小，從而調節(jié)異步電動機的轉速。 附加電動勢的斬波波形 圖7-15為忽略交流電壓變化時附加電動勢的斬波波形。圖7-15 轉子斬波串級

37、調速時的附加電動勢波形 OtEaddT 斬波控制串級調速系統(tǒng)轉速方程 當轉子回路整流器和逆變器都是橋式電路時，可得理想空載的電壓平衡方程式（7-30） n0 不同占空比時的理想空載轉速；nsyn異步電動機的同步轉速。式中 因此 2系統(tǒng)的功率因數 在斬波控制時，逆變角設定為 min ，則逆變器從電網吸收的無功功率可減到最小程度。圖7-16繪出了帶恒轉矩負載的斬波控制串級調速系統(tǒng)在不同轉差率下的功率因數。圖7-16 兩種串級調速系統(tǒng)的功率因數比較斬波控制串級調速系統(tǒng)常規(guī)串級調速系統(tǒng)*7.4.4 串級調速裝置的電壓和容量 串級調速裝置是指整個串級調速系統(tǒng)中除異步電動機以外為實現串級調速而附加的所有功

38、率部件，包括轉子整流器、逆變器和逆變變壓器。從經濟角度出發(fā)，必須正確合理地選擇這些附加設備的電壓和容量，以提高整個調速系統(tǒng)的性能價格比。 整流器和逆變器容量 選擇主要依據其電流與電壓的定額。電流定額決定于異步電動機轉子的額定電流和所拖動的負載 IrN；電壓定額則決定于異步電動機轉子的額定相電壓（即轉子開路電動勢 Er0 ）和系統(tǒng)的調速范圍 D。這里， 其中， n0min 是調速系統(tǒng)的最低轉速，對應于最大理想空載轉差率 s0max ，由式（7-7）可得（7-31） 調速范圍越大時， s0max也越大，整流器和逆變器所承受的電壓越高。 逆變變壓器的容量 逆變變壓器的二次側相電壓 （7-32） （7

39、-33） 逆變變壓器的容量計算返回目錄7.5 雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng) 由于串級調速系統(tǒng)機械特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調速精度要求不高的場合。為了提高靜態(tài)調速精度，并獲得較好的動態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，和直流調速系統(tǒng)一樣，通常采用具有電流反饋與轉速反饋的雙閉環(huán)控制方式。7.5.1 雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的組成圖7-17 雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng) 系統(tǒng)結構 控制環(huán)節(jié)說明 圖7-17所示為雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉速反饋信號取自異步電動機軸上聯接的測速發(fā)電機，電流反饋信號取自逆變器交流側的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉子直流回路。 為了防止逆變器逆

40、變顛覆，在電流調節(jié)器ACR輸出電壓為零時，應整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為 = min 。 系統(tǒng)比較圖717所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動機轉子回路實現的。 在圖717所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結構圖均與直流調速系統(tǒng)中相同，本節(jié)不再贅述。 但是，在異步電動機轉子直流回路中，不少物理量都與轉差率有關，所以要單獨處理。*7.5.2 串級調速系統(tǒng)的動態(tài)數學模型1轉子直流回路的傳遞函數 串級調速系統(tǒng)轉子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程(7-34)式中Ud0 = 2.34Er0 cosp當 s = 1 時轉子整

41、流器輸出的空載電壓；Ui0 = 2.34UT2 cos 逆變器直流側的空載電壓； L 轉子直流回路總電感； L = 2LD0 + 2LT + LLLD0 折算到轉子側的異步電機每相漏感； LT 折算到二次側的逆變變壓器每相漏感； LL 平波電抗器電感； R 轉差率為時轉子直流回路等效電阻。 轉子直流回路的傳遞函數 由上式可求得轉子直流回路的傳遞函數(7-36) 轉子直流回路的時間常數； 轉子直流回路的放大系數。式中 轉子直流回路的動態(tài)結構圖 圖7-18 轉子直流回路動態(tài)結構圖 將電力拖動系統(tǒng)的運動方程式：或寫成式中 IL 負載轉矩 TL 所對應的等效直流電流。2異步電動機的傳遞函數 帶入異步電

42、動機的電磁轉矩方程：(7-19) 可推得異步電動機在串級調速時的傳遞函數為： 串級調速時的傳遞函數(7-37)式中 機電時間常數， TM 與 R 、CE 、CM 都有關系，所以也不是常數，而是 Id 和 n 的函數。3串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 圖7-19 雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖 *7.5.3 調節(jié)器參數的設計 雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的動態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應使系統(tǒng)在負載擾動時有良好的動態(tài)響應能力。在采用工程設計方法進行動態(tài)設計時，可以象直流調速系統(tǒng)那樣：轉速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設計。 電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設計； 問題和困難 但是串級調速系統(tǒng)中轉子直流回路的時間常數 TLr

43、及放大系數 KLr 都是轉速的函數，而異步電動機的機電時間常數 TM 又是轉速 n 和電流 Id 的函數，這就給調節(jié)器的設計帶來一定的困難。 解決辦法固定工作點求參數 具體設計時，可以先在確定的轉速 n 和負載電流 Id 的前提下，求出各傳遞函數中的參數，例如按照要求的最大轉差率 smax或平均轉差率 smax / 2 來確定轉速，按額定負載或常用的實際負載來選定電流，然后按定常系統(tǒng)進行設計。 如果用模擬控制系統(tǒng)實現，則當實際轉速和/或電流改變時，系統(tǒng)的動態(tài)性能就要變壞。 如果采用微機數字控制，可以按照不同的轉速和電流事先計算好參數的變化，用表格的方式存入微機，實時控制時可根據檢測得到的轉速和

44、電流查表調用，就可以得到滿意的動態(tài)特性。 7.5.4 串級調速系統(tǒng)的起動方式 串級調速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動勢而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對系統(tǒng)的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證?？偟脑瓌t是在起動時必須使逆變器先電機而接上電網，停車時則比電機后脫離電網，以防止逆變器交流側斷電，使晶閘管無法關斷，造成逆變器的短路事故。 串級調速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。1. 間接起動 為了使串級調速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電動機轉子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉速升高到串級調速系統(tǒng)的設計最低轉速時，才把串級調速裝置投入運行。 間接起動控制原理圖 圖720串級

45、調速系統(tǒng)間接起動控制原理圖 間接起動操作順序（1）先合上裝置電源總開關S，使逆變器在 min 下等待工作。（2）然后依次接通接觸器K1，接入起動電阻R，再接通K0，把電機定子回路與電網接通，電動機便以轉子串電阻的方式起動。（3）待起動到所設計的nmin（smax）時接通K2，使電動機轉子接到串級調速裝置，同時斷開K1，切斷起動電阻，此后電動機就可以串級調速的方式繼續(xù)加速到所需的轉速運行。 停車操作順序 （1）由于沒有制動作用，應先斷開K2，使電動機轉子回路與串級調速裝置脫離；（2）再斷開K0，以防止當K0斷開時在轉子側感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。 2直接起動 直接起動又稱串級調速方式起

46、動。在起動控制時讓逆變器先于電動機接通交流電網，然后使電動機的定子與交流電網接通，此時轉子呈開路狀態(tài)，可防止因電動機起動時的合閘過電壓通過轉子回路損壞整流裝置，最后再使轉子回路與整流器接通。 直接起動操作順序（1）接觸器的工作順序為 SK0K2，此時不需要起動電阻。當轉子回路接通時，由于轉子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流，電動機尚不能起動。（2）待發(fā)出給定信號后，隨著 的增大，逆變電壓降低，產生直流電流，電動機才逐漸加速，直至達到給定轉速。 返回目錄*7.6 異步電機雙饋調速系統(tǒng)概 述 上述的異步電動機串級調速系統(tǒng)是從定子側饋入電能、從轉子側饋出電能的系統(tǒng)，從廣義上說，它也是雙饋調速系統(tǒng)的一種。 但人們往往狹義地認為雙饋（Double Fed）就是從定子側與轉子側都饋入電能的工作狀態(tài)，以示與串級調速的區(qū)別。 從第7-1