電機拖動第七章第一節(jié)

1、電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)第第7章章繞線轉子異步電動機繞線轉子異步電動機雙饋調速系統(tǒng)雙饋調速系統(tǒng) l對于繞線型異步電動機，定、轉子電路可以同時與外電路相連，轉差功率可以從轉子輸出，也可以向轉子饋入，故稱作雙饋調速系統(tǒng)。l“雙饋”的一個特點是轉差功率可以回饋到電網，也可以由電網饋入。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，則要視電動機的工況而定。l繞線轉子異步電動機雙饋調速方法早在20世紀30年代就已被提出，到了6070年代，當可控電力電子器件出現以后，才得到更好的應用。 繞線轉子異步電動機雙饋調速系統(tǒng)7.1 繞線轉子異步電動機雙饋調速工作原理l異步電動

2、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。 l在雙饋調速工作時，繞線型異步電動機定子側與交流電網直接連接，轉子側與交流電源或外接電動勢相連，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，通過控制附加電動勢的幅值，實現繞線型異步電動機的調速。l異步電動機運行時其轉子相電動勢為(7-1) 式中s 異步電動機的轉差率；0rrsEE Er0 繞線型異步電動機轉子開路相電動勢，也就是轉子開路額定相電壓值。7.1.1 繞線轉子異步電動機轉子附加電動勢的作用7.1.1 繞線轉子異步電動機轉子附加電動勢的作用圖圖7-1 繞線型異

3、步電動機轉子附加電動勢的原理圖繞線型異步電動機轉子附加電動勢的原理圖轉子相電流在轉子短路情況下，轉子相電流的表達式為 （7-2）式中 轉子繞組每相電阻； 時的轉子繞組每相漏抗。2020)(rrrrsXRsEIrR0rX1s串電阻調速l在繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速時，轉子電流Ir會在外接電阻上產生一個交流電壓URl這一交流電壓與轉子電流有著相同的頻率和相位，調速時產生的轉差功率被消耗在外接電阻上。l如果在轉子繞組回路中引入一個可控的交流附加電動勢Eadd來代替外接電阻，附加電動勢的幅值和頻率與交流電壓UR相同，相位與轉子電動勢 Er相反（如圖7-1所示），則它對轉子電流的作用與外接電阻是相

4、同的，附加電動勢將會吸收原先消耗在外接電阻上的轉差功率。 轉子附加電動勢的原理圖圖圖7-1 繞線型異步電動機轉子附加電動勢的原理圖繞線型異步電動機轉子附加電動勢的原理圖轉子附加電動勢的作用l引入附加電動勢后，電動機轉子回路的合成電動勢減小了，轉子電流和電磁轉矩也相應減小，由于負載轉矩未變，電動機必然減速，因而s增大，轉子電動勢Er=sEr0隨之增大，轉子電流Ir也逐漸增大，直至轉差率增大到s2(s1)時，轉子電流Ir又恢復到負載所需的值，電動機便進入新的較低轉速的穩(wěn)定狀態(tài)。轉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后的轉子電流相等 : 而減小Eadd則可使電動機的轉速升高。所以

5、在繞線型異步電動機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。 102022221020()()rraddrrrrrs Es EEIRs XRs X7.1.2 繞線轉子異步電動機雙饋調速的五種工況l在繞線型異步電動機轉子側引入一個可控的附加電動勢并改變其幅值，就可以實現對電動機轉速的調節(jié)。l可控附加電動勢的引入必然在轉子側形成功率的傳送，既可以把轉子側的轉差功率傳輸到與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子中來。l從功率傳送的角度看，可以認為是用控制異步電動機轉子中轉差功率的大小與流向來實現對電動機轉速的調節(jié)。 7.1.2 繞線轉子異步電動機雙饋調速的五種工況考慮

6、到電動機轉子電動勢與轉子電流的頻率在不同轉速下有不同的數值(f2=sf1)，其值與交流電網的頻率往往不一致，所以不能把電動機的轉子直接與交流電網相連，而必須通過一個中間環(huán)節(jié)。這個中間環(huán)節(jié)除了有功率傳遞作用外，還應具有對不同頻率的電功率進行變換的功能，故稱為功率變換單元（Power Converter Unit，簡稱CU），見圖7-2。圖圖7-2 繞線型異步電動機在轉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)反轉倒拉制動狀態(tài)反轉倒拉制動狀態(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

7、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系為 （7-4） Pm電動機定子傳入轉子的電磁功率，sPm 包括轉子損耗的轉子電路輸入功率，即轉差功率， 電動機軸上輸出或輸入的總功率。由于轉子側串入附加電動勢極性和大小不同，s和Pm都可正可負，因而可以有以下幾種不同的工作狀況。mmmPssPP)1 ( mPs)1 ( 1.電動機在次同步轉速下作電動運行l(wèi)異步電動機定子接交流電網，轉子短路，轉子軸上帶有反抗性的恒值額定負載（對應的轉子電流為IrN），此時電動機在固有機械特性上以額定轉差率sN運行。l若在轉子側每相加上附加

8、電動勢+Eadd（與sEr0反相， +EaddsEr0 ），根據式（7-3），轉子電流將減小，從而使電動機減速，轉子電流回升，最終進入新的穩(wěn)態(tài)運行。 1012210()raddrNNrrs EEIssRs Xl此時，轉子回路的電勢平衡方程式為l若繼續(xù)加大Eadd值，則s值繼續(xù)增大，轉速還將降低，實現了對電動機的調速。l對照式（7-4）可知，由于電動機作電動運行，轉差率為0sEr0 l根據式（7-3）的平衡條件，可使s1，則電動機將反轉。這表明在附加電動勢與位能負載外力的作用下，可以使電動機進入倒拉制動運行狀態(tài)（在Te、n坐標系的第四象限）。 l+Eadd值越大，電動機的反向轉速越高。由于s1，

9、故式（7-4）可改寫作: 此時由電網輸入電動機定子的功率和由負載輸入電動機軸的功率兩部分合成轉差功率，由附加電勢吸收從轉子側饋送給電網，見圖7-2b。(1)mmmPs PsP3. 電動機在超同步轉速下作回饋制動運行l(wèi)進入這種運行狀態(tài)的必要條件是有恒定機械外力作用在電動機軸上，方向與電動機轉速方向相同，并使電動機能在超過其同步轉速 的情況下運行。l典型的工況為電動車輛下坡的運動，車輛上坡時電動機作電動運行，下坡時車輛重量形成的坡向分力能克服各種磨擦阻力而使車輛下滑，為了防止下坡速度過高，被車輛拖動的電動機便需要產生制動轉矩以限制車輛的速度。 1n 此時電動機的運轉方向和上坡時一樣，但運行狀態(tài)卻變

10、成回饋制動，轉速超過其同步轉速n1，轉差率s0，轉子電動勢sEr0和轉子電流Ir的相位都與電動運行時相反。 若處于發(fā)電狀態(tài)運行的電動機轉子回路再串入一個與轉子電動勢sEr0反相的附加電動勢-Eadd。根據式（7-3）， 電動機將在比未串入-Eadd時的轉速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。 00222200()()raddraddrrrrrs EEsEEIRsXRsX 超同步轉速下作回饋制動運行超同步轉速下作回饋制動運行由于電動機處在發(fā)電狀態(tài)工作，由負載通過電動機軸輸入機械功率，經過機電能量變換分別從電動機定子側與轉子側饋送至電網。這一結果也可從式（7-4）得到，此時式（7-4）可改寫成（式中Pm與

11、s本身都為負值）。超同步速回饋制動狀態(tài)的功率流程示于圖7-2c。mmmPssPP)1 ( 4. 電動機在超同步轉速下作電動運行當電動機已在0s1的情況下作電動運行，軸上拖動恒轉矩的額定負載，若轉子側串入了與sEr0同相的附加電動勢-Eadd，則式（7-3）變?yōu)椋?從前面討論可知，只要不斷加大附加電動勢的幅值 ，就可提高電動機的轉速。 addE0220()raddrNrrsEEIRsX4. 電動機在超同步轉速下作電動運行當電動機的轉速到達或超過額定轉速時，如繼續(xù)加大 ，轉子電動勢sEr0必然反相變負，電動機將加速到s0的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即超同步電動運行狀態(tài)。必須指出，此時電動機轉速雖然超過了其同

12、步轉速，但它仍拖動著負載作電動運轉。因此電動機軸上可以輸出比其銘牌所示額定功率還要高的功率。addE4. 電動機在超同步轉速下作電動運行電動機軸上輸出機械功率由定子側與轉子側兩部分輸入電功率合成，電動機處于定、轉子雙輸入狀態(tài)，式（7-4）可改寫成 ： （式中s本身為負值）。 其功率流程示于圖7-2d。 (1)mmmPs Ps P5電動機在次同步轉速下作回饋制動運行 當電動機在低于同步轉速下作電動運行，其轉子側已加入與轉子電動勢sEr0反相的附加電動勢+Eadd（注意在電動狀態(tài)工作時EaddsEr0）。根據式（7-3）可知，若使Eadd大于sEr0，Ir變?yōu)樨撝?，電動機即可進入制動狀態(tài)，工作在0s1范圍內的第二象限。01s5電動機在次同步轉速下作回饋制動運行 回饋電網的功率一部分由負載的機械功率轉換而成，另一部分則由轉子提供。由式（7-4）可知，電動機的功率關系為：此時轉子從電網獲取轉差功率 ，功率流程圖如圖7-2e所示。mmmPsPsP)1 (ms P5電動機在次同步轉速下作回饋制動運行l(wèi)以上五種工況都是異步電動機轉子加入附加電動勢時的運行狀態(tài)。在工況1,2,