第七章 雙饋調速系統(tǒng)

1、第第 7 章章 繞線轉子異步電機雙饋調速系統(tǒng)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)轉差功率饋送型調速系統(tǒng) 內容提要內容提要 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 引言引言 轉差功率問題轉差功率問題 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

2、方式可分為三種類型。 l 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?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設備成本 最高。 l 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

3、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。 返回目錄返回目錄 7.1 異步電機雙饋調速工作原理異步電機雙饋調速工作原理 本節(jié)提要 概述 異步電機轉子附加電動勢的作用 異步電機雙饋調速的五種工況 l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(xiàn)電氣聯(lián)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 概述概述 l繞線轉子異步電動機 Ps P1 繞線轉子異步電動 機結構如圖所示，從 廣義上講，定子功

4、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。 l 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 的原理如圖所示， 調速過程中，轉差 功率完全消耗在轉 子電阻上。 Pm Pmech Ps l 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。 l 雙饋調速的基本結構 功率變換單元功

5、率變換單元 電網 K1 M 3 K2 TI 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。 l 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 = 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(xiàn)功率的雙向傳遞。 l 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

6、率，而在其軸上輸出 機械功率給負載，以拖動負載運行； CU P1 Ps M 3 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。 Ps P1 M 3 CU Pmech 7.1.1 異步電機轉子附加電動勢的作用異步電機轉子附加電動勢的作用 異步電機運行時其轉子相電動勢為 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。 0rr sEE (7-1) 轉子相電流的表達式為： 式中 Rr 轉子繞組每相電阻； Xr0

7、 s = 1時的轉子繞組每相漏抗。 2 0r 2 r 0r r )(sXR sE I (7-2) n 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 M 3 0rr sEE add E r I 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 2 0r 2 r add0r r )(sXR EsE I (7-3) n 轉子附加電動勢的作用 1. Er 與 Eadd 同相 l 當 Eadd ， 使得： 這里： snTIEEs e

8、radd0r1 add0r2add0r1 EEsEEs 21 ss 轉速上升； 轉子附加電動勢的作用（續(xù)） l當 Eadd ， 使得： 這里： snTIEEs eradd0r1 add0r2add0r1 EEsEEs 21 ss 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，就可側引入一個可控的附加電動勢，就可 調節(jié)電動機的轉速調節(jié)電動機的轉速。 7.1.2 異步電機雙饋調速的五種工況異步電機雙饋調速的五種工況 本節(jié)

9、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 n 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 mmm )1 (PssPP （7-4） 式中 Pm 從電機定子傳入轉子（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

10、 l 工作條件： 轉子電流I2與轉子電勢E2相位趨于一致， 而與附加電動勢Eadd相位相反。 l 運行工況： 電機作電動運行，轉差率為 0 s 1， 轉差功率sP1被附加電勢裝置吸收后回饋電 網，而從電網吸收的功率（1-s)P1輸送給 負載。 l 功率流程 sn Te sPm sPm P1 Pm (1-s)Pm CU 0 0 1 n1 a） 次同步速電動狀態(tài) 2. 電機在反轉時作倒拉制動運行 l工作條件： 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(shù)值，則電機將反轉。 l運行工況： 電機

11、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 mmm )1 (sPPsP l 功率流程 b）反轉倒拉制動狀態(tài) PS PS) 1( PS P Te01 2 s-n -n1 Pm CU 3. 電機在超同步轉速下作電動運行 l 工作條件： 附加電動勢Eadd與轉子電流I2和轉子電勢E2相位趨于 一致。 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

12、在超 過其同步轉速下穩(wěn)定運行。S0 l運行工況： 電機的軸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 mmm )1 (PssPP l 功率流程 d） 超同步速電動狀態(tài) 1 2n n PS PS)1 ( PS P 0 0 s 1 1 n Pm Te CU 4. 電機在超同步轉速下作回饋制動運行 l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 子回路再串入一個與 sEr0 反相的附加電 動勢 +Eadd ，電

13、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。 l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 mmm )1 (PssPP l 功率流程 c） 超同步速回饋制動狀態(tài) 1 2n n PS PS)1 ( PS P 0 0 s 1 1 n -Te Pm CU 5. 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

14、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)，可以在電機轉子側加大反相的附 加電動勢。 l 運行工況 在低于同步轉速下作電動運行，增大|- Eadd| 值，并使 |- Eadd| 大于制動初瞬的sEr0 ， 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 mmm )1 (PsPsP l 功率流程 e） 次同步速回饋制動狀態(tài) 1 n n PS PS)1 ( PS P 0 1 s 0 0 Pm -Te CU l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

15、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 TI CU2CU1 sEr0 M 3 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 TI CU2CU1 sEr0 M 3 返回目錄返回目錄 7.2 異步電機在次同步電動狀態(tài)下的異步電機在次同步電動狀態(tài)下的 雙饋系統(tǒng)雙饋系統(tǒng)串級調速系統(tǒng)串級調速系統(tǒng) 本章摘要本章摘要 串級調速系統(tǒng)的工作原理串級調速系統(tǒng)的工作原理 串級調速系統(tǒng)的其它類型串級調速系統(tǒng)

16、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(xiàn)都方便多了。 7.2.1 串級調速系統(tǒng)的工作原理串級調速系統(tǒng)的工作原理 n 對直流附加電動勢的技術要求 l首先，它應該是可平滑調節(jié)的，以滿足 對電動機轉速平滑調節(jié)的要求； l其次，

17、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。 n 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電氣串級調速 系統(tǒng)系統(tǒng)（或稱或稱Scherbius系統(tǒng)系統(tǒng)）。 圖7-5 電氣串級調速系統(tǒng)原理圖 n 系統(tǒng)組成 n 功率變換單元 lUR 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

18、Ud 。 lUI 三相可控整流裝置，工作在有源逆變 狀態(tài)： l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； l可將轉差功率變換成交流功率，回饋到交流電 網。 n 工作原理 （1）起動）起動 l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。 l 起動控制 u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。 u隨著轉速的增高，相應地增

19、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 。 工作原理（續(xù)） （2）調速）調速 l調速原理：通過改變 角的大小調節(jié)電動 機的轉速。 l調速過程： UiId K1sEr0 n Te Te = TL Id 工作原理（續(xù)） （3） 停車停車 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。 結結 論論 串級調速系統(tǒng)能夠靠調節(jié)逆變角 實現(xiàn)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。 返回目錄返回目錄 *7.3 異步電動機串級調速時的機械特性異步電動

20、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 概概 述述 在串級調速系統(tǒng)中，異步電動機轉子側 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異步電動機串級調速機械特性的特 征征 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(shù)與旋 轉磁場轉速都不變

21、，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 cos 22001Tr UKEsK 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 K1 = K2，則 cos 0 2 0 r T E U s (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： ) cos 1 ()1 ( 0r T2 syn0syn0 E U nsnn (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，在串級調在串級調

22、速時，理想空載轉速與同步轉速是不同的速時，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(shù)量的等效電阻和 電抗，它們的影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

23、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(xiàn)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

24、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(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換 相現(xiàn)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）整流器件具有理想的整流特性，管壓降 及

25、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。 n 換相重疊現(xiàn)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，換換 相重疊角相重疊角為 n 換相重疊角 0r dD0 r0 dD0 6 2 1arccos 6 2 1arccos E IX sE IsX （7-8） 其中 XD0 s = 1時折算到

26、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 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(xiàn)了強迫延遲換相強迫延遲換相 現(xiàn)象現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角強迫延時換相角 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)。 n 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 =

27、 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，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(xiàn)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(xiàn)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(shù)關系 圖7-9 轉子整流電路的 = f ( Id )， p = f (

28、 Id ) Id1- 2 n 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 來表示串級調速時轉子整流電路的電流和 電壓。 ) 6 sin( 2 6 )cos(cos 2 6 p 0D 0r pp D0 r0 d X E X E I (7-9) n 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。 dD pp 0rd 2 2 )cos(cos 34. 2IRsEU dDd 0D p0r 2 3 cos34. 2IRI X sE (

29、7-10) 上兩式中， l當 0 p 30， =60時表示轉子 整流電路工作在第二工作區(qū)； l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 )2 3 (cos34. 2 D0Ddp0rd RsXIsEU (7-11) )2 3 (cos34. 2 TTd2Ti RXIUU(7-12) (7-13) Ldid RIUU 以上三式中 RL直流平波電

30、抗器的電阻； XT 折算到二次側的逆變變壓器每相等 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 d0Dp0r LDTTd2T 3 cos34. 2 )22 3 (cos34. 2 IXE RRRXIU s （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 d0Dp0r LDT T0D d2Tp0r 0 3 cos34. 2 )22 3 3 ()coscos(34. 2 IX

31、E RRR XX IUE nn (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 )coscos(34. 2 2Tp0r UEU （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(shù)公式 如借用直流電動機的概念和有關算式，引 入電動勢系數(shù) CE ，使 0 d0D0d 0 d0Dp0r E 3 3 cos34. 2 n IXU n IXE C （7-17） 轉速特性方程的直觀形式 則式（7-15）可改寫成 )( 1 d

32、 E RIU C n （7-18） 其中， p0r0d cos34. 2EU LDT T0D 22 3 3 RRR XX R 注意： 在直流調速系統(tǒng)中，電動勢系數(shù) Ce 是常數(shù)， 但在串級調速系統(tǒng)中，在串級調速系統(tǒng)中，CE是負載電流的函是負載電流的函 數(shù)，它是使轉速特性成為非線性的重要因數(shù)，它是使轉速特性成為非線性的重要因 素素，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

33、改變式（7-16）第二項中的控制角 來 實現(xiàn)的。 兩種轉速特性的比較（續(xù)） 在串級調速系統(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 dd 0D p0rs ) 3 cos34. 2(II sX sEP n 電磁轉矩公式 而電磁功率 Pm = Ps /s，因此電磁轉矩為 dd 0D p0r 00 s 0 m e ) 3 cos34. 2( 1 I

34、I X E s PP T dMd 0 d 0D 0d 3 ICI I X U （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(shù)， 式中 因為，) 3 ( 1 d 0D 0d 0 M I X UC 它也是電流 Id 的函數(shù)。與式（7-17）的電動勢 系數(shù) CE 相比可知， CM 和 CE 對 Id 的關系是一 樣的。由于0 =2n0 /60，所以 EM 30 CC （7-20） 可見， 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

35、/dt = 0， 可求出電磁轉矩的計算最大值電磁轉矩的計算最大值Te1m，經過 適當?shù)臄?shù)學推導，得第一工作區(qū)的機械特第一工作區(qū)的機械特 性方程式性方程式： 第一工作區(qū)的機械特性方程式 2 4 m1 1 1 m1 e1m e s s s s T T (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： 3 22 3 2 0D LDT T 10m1 X RRR X ss (7-22) Te1

36、m 系統(tǒng)在第一工作區(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(xiàn)轉子整流器的 強迫延遲換相現(xiàn)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) 2 cos4 m2 2 2 m2 p 2 e1m e s s s s T T 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

37、值下的理想空載轉差率： p0r 2T 20 cos cos E U s 3 22 3 2 0D LDT T 20m2 X RRR X ss (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Te1m ， 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 。 n 幾種最大轉矩的關系和計算 從異步電動機的銘牌數(shù)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 和第二工第二工 作區(qū)真正的最

38、大轉矩作區(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，稱作交接轉矩稱作交接轉矩 Te1-2 。 按照上面的推導，可得40 955. 0 em e1m T T 827. 0 em e2m T T 716. 0 em 2e1 T T （7-25） （7-26） （7-27） 式（7-26）說明，異步電動機串級調速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時所能產生的最大轉矩比正常接線時減少 了了17.3%，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

39、于2，即Tem 2TeN，所以當電動機在額定當電動機在額定 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(shù)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)的技術經濟指標串級調速系統(tǒng)的技術經濟指標 及其提高方案及其提高方案 *7.4.1 串級調速系統(tǒng)的效率串級調速系統(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 n 串級調速系統(tǒng)功率流程 l在

40、串級調速時（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 。 l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 。 n 串級調速系統(tǒng)效率及比較 l串級調速系統(tǒng)的總效率 %100%100 f1 mechmech in 2 sch PP pP P P %100 )1( )1( tanmechm mechm pppsP psP (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(

41、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 %100%100 sCurFeCusmech mechmech 1 2 R ppppP pP P P %100 )1 ( )1 ( mechm mechm ppsP psP = 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

42、著轉速的降低而成比例 地減少。 l 效率的比較 p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。 p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(shù)及其改善途徑串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑 串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)與系統(tǒng)所用的 異步電動機、不可控整流器和逆變器三大 部分有關： l異步電動機本身的功率因數(shù)就會隨著負載的減 輕而下降； l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

43、功功率； l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。 n 串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù) 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(shù)可用下式 表示 功率因數(shù)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。 2 f1 2 f1 f1in sch )()( cos QQPP PP S P 式中 (7-29) 功率因數(shù)范圍 p一般串級調速系統(tǒng)在高速運行

44、時的功率因數(shù)為 0.60.65，比正常接線時電動機的功率因數(shù)減少 0.1左右； p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。 p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(shù)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)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(shù)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(shù)。 n 系

45、統(tǒng)組成 圖7-14 斬波控制串級調速系統(tǒng)原理圖 圖7-14繪出了斬波控制的串級調速系統(tǒng)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(shù)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 i U T T 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

46、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 轉子斬波串級調速時的附加電動勢波形 O t Eadd T 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 min2T0r0 cos)1 (34. 234. 2 U T Es min 0r 2T syn0 cos11 E U T nn （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(shù) 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

47、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(shù)。 圖7-16 兩種串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)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(xiàn)串級調速而附加的 所有功率部件，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。 n 整流器和逆變器容量 選擇主要依據其電流與電壓的定額。 l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； l電壓定額則決定于異步電動機轉子的額

48、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， min0 syn n n D 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 )1 ( max0synmin0 snn D s 1 1 max0 （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。 n 逆變變壓器的容量 l逆變變壓器的二次側相電壓 ) 1 1 (15. 1 0r2T D EU（7-32） ) 1 1 (45. 3 T220T D IEW （7-33） 逆變變壓器的容量計算 返回目錄返回目錄 7.5 雙閉環(huán)控制的串級調速

49、系統(tǒng)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) n 系統(tǒng)結構 n 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(lián)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

50、。 為了防止逆變器逆變顛覆，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 。 n 系統(tǒng)比較 l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。 l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(xiàn)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(shù)學模型串級調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 1轉子直流回路的傳遞函數(shù) 串級調速系統(tǒng)轉子直流回路的動態(tài)電壓平

51、衡方程 d d 0i0d d d RI l I LUsU(7-34) 式中 Ud0 = 2.34Er0 cosp當 s = 1 時轉子整流器 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 + LL LD0 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。 LTD T0D 22 3 3 RRR X s X R 轉子直流回路的傳遞函數(shù) 由上式可求得轉子直流回路的傳遞函數(shù) 1 )( )( Lr Lr 0i 0 0d 0d

52、d sT K Usn n U U sI (7-36) R L T Lr R K 1 Lr 轉子直流回路的時間常數(shù)； 轉子直流回路的放大系數(shù)。 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： t nGD TT d d 375 2 Le t nGD IIC d d 375 )( 2 LdM 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(shù) 帶入異步電動機的電磁轉矩方程： dMdd 0D 0d 0 e ) 3 ( 1 ICII X UT (7-19) 可推得異步電動機在串級調速時的傳遞函數(shù)為： 串級調速時的傳遞函數(shù)

53、sTC R s CC RGD CR sIsI sn ME ME 2 E Ld 375 / )()( )( (7-37) ME 2 M 375CC RGD T式中 機電時間常數(shù)， TM 與 R 、CE 、CM 都有關系，所以也不是 常數(shù)，而是 Id 和 n 的函數(shù)。 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(shù)的設計調節(jié)器參數(shù)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

54、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(shù) TLr 及放大系數(shù) KLr 都是轉速的函數(shù)， 而異步電動機的機電時間常數(shù) TM 又是轉 速 n 和電流 Id 的函數(shù)，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(shù) 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(shù)中的 參數(shù)，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(xiàn)，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(shù)字控制，可

55、以按照不同 的轉速和電流事先計算好參數(shù)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)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總的原則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

56、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

57、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。 返回目錄返回目錄 *7.6 異步電機雙饋調速系統(tǒng)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