1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学远程教育学院远程教育学院第第 7 章章绕线转子异步电机双馈调速系统绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率馈送型调速系转差功率馈送型调速系统统哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院2内容提要内容提要?引言?异步电机双馈调速工作原理?异步电机在次同步电动状态下的双馈系统串级调速系统?异步电动机串级调速时的机械特性?串级调速系统的技术经济指标及其提高方案?双闭环控制的串级调速系统?*异步电机双馈调速系统哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院3?交流调速系统按转差功率的分类（1）转差功率消耗型异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功率的消
2、耗越大，效率越低；但这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。（2）转差功率不变型变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院4?交流调速系统按转差功率的分类（续）（3）转差功率馈送型控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些设备。前两章已分别讨论了转差功率消耗型和不变型两种调速方法，本章将讨论转差功率馈送型调速方法。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学
3、院57.1 异步电机双馈调速工作原理异步电机双馈调速工作原理本节提要?概述?异步电机转子附加电动势的作用?异步电机双馈调速的五种工况哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院6?转差功率的利用众所周知，作为异步电动机，必然有转差功率，要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。但要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。7.1.0 概述概述哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院7?绕线转子异步电动机PsP1绕线转子异步电动机结构如图所示，从广义上讲，定子功率和转差
4、功率可以分别向定子和转子馈入，也可以从定子或转子输出，故称作双馈电机。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院8?绕线转子异步电动机转子串电阻调速根据电机理论，改变转子电路的串接电阻，可以改变电机的转速。转子串电阻调速的原理如图所示，调速过程中，转差功率完全消耗在转子电阻上。PmPmechPs哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院9?双馈调速的概念所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而
5、定。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院10?双馈调速的基本结构功率变换单元功率变换单元电网K1M3K2TI哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院11?双馈调速的功率传输（1）转差功率输出状态异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行；CUP1PsM3Pmech哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院12（2）转差功率输入状态当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。PsP1M3CUPmech哈尔滨工业大学远程
6、教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院137.1.1 转子附加电动势的作用图7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图M30rrsEE =addErI附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。引入可控的交流附加电动势哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院147.1.2 异步电机双馈调速的五种工况异步电机双馈调速的五种工况本节摘要?电机在次同步转速下作电动运行?电机在反转时作倒拉制动运行?电机在超同步转速下作回馈制动运行?电机在超同步转速下作电动运行?电机在次同步转速下作回馈制动运行哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院15?异步电机的功率关系忽略机械损
7、耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的功率关系都可写作mmm)1 (PssPP+=（7-4）式中Pm从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率，sPm输入或输出转子电路的功率，即转差功率，(1-s)Pm 电机轴上输出或输入的功率。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院161. 电机在次同步转速下作电动运行?工作条件：转子侧每相加上与 Er0同相的附加电动势+Eadd（Eadd Er0），并把转子三相回路连通。?运行工况：电机作电动运行，转差率为 0 s 1，此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子侧馈送给电网。式（7-4）可改写作m
8、mm)1 (sPPsP=+哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院20?功率流程b）反转倒拉制动状态PS PS) 1(PSPTe012s-n-n1PmCU哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院213. 电机在超同步转速下作回馈制动运行?工作条件：进入这种运行状态的必要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行。此时，如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与sEr0反相的附加电动势 +Eadd，电机将在比未串入 +Eadd时的转速更高的状态下作回馈制动运行。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院22?运行工况：电
9、机处在发电状态工作，s 1，电机功率由负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。此时式（7-4）可改写成mmm)1 (PssPP=+哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院23?功率流程c） 超同步速回馈制动状态12nnPS PS)1 ( +PSP00s11n-TePmCU哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院244. 电机在超同步转速下作电动运行?工作条件：设电机原已在 0 s 1 作电动运行，转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd，轴上拖动恒转矩的反抗性负载。当接近额定转速时，如继续加大+Eadd电机将加速到的新的稳态下工作，即电机在
10、超过其同步转速下稳定运行。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院25?运行工况：电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成，电机处于定、转子双输入状态，其输出功率超过额定功率，式（7-4）改写成mmm)1 (PssPP=哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院26?功率流程d） 超同步速电动状态12nnPS PS)1 ( +PSP00s11nPmTeCU哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院275. 电机在次同步转速下作回馈制动运行工作条件：很多工作机械为了提高其生产率，希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间，因此必须使运行在低于同步转速电动状
11、态的电机切换到制动状态下工作。设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入一定的 + Eadd。要使之进入制动状态，可以在电机转子侧突加一个反相的附加电动势。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院28?运行工况在低于同步转速下作电动运行，Eadd由“+”变为“-”，并使 |- Eadd| 大于制动初瞬的sEr0 ，电机定子侧输出功率给电网，电机成为发电机处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减速停车过程。电机的功率关系为mmm)1 (PsPsP+=哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院29?功率流程e） 次同步速回馈制动状态1nnPS PS)1 ( PSP01
12、s00Pm-TeCU哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院30?五种工况小结图7-2 异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程五种工况都是异步电机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况a,b,c中，转子侧都输出功率，可把转子的交流电功率先变换成直流，然后再变换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院31a）转子输出功率的工况TICU2CU1sEr0M3图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院32b）转子输入功率的工况图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元TICU2CU
13、1sEr0M3哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院337.2 异步电机在次同步电动状态下的异步电机在次同步电动状态下的双馈系统双馈系统串级调速系统串级调速系统本章摘要本章摘要?串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理?串级调速系统的其它类型串级调速系统的其它类型哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院34?基本思路如前所述，在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动
14、势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。7.2.1 串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院35图7-5 电气串级调速系统原理图?系统组成哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院36?工作原理（1）起动）起动?起动条件：对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流 Ir或足够大的整流后直流电流 Id，为此，转子整流电压 Ud与逆变电压 Ui间应有较大的差值。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院37?起动控制?控制
15、逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与 Ui的差值能产生足够大的 Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。?随着转速的增高，相应地增大角以减小值 Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院38工作原理（续）（2）调速）调速?调速原理：通过改变角的大小调节电动机的转速。?调速过程：UiIdK1sEr0TenTe= TLId哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院39*7.3 异步电动机串级调速时的机械特性异步电动机串级调速时的机械特性本节提要?概述?异步电动机串级调速机械特性的特征
16、?异步电动机串级调速时的转子整流电路?异步电动机串级调速机械特性方程式哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院40*7.3.1 异步电动机串级调速机械特性的特征异步电动机串级调速机械特性的特征1. 理想空载转速?在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。?在串级调速系统中，电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院41 串级调速时的机械特性图图7-7 异步电动机串级调速时的机械特性a) 大电机b)小电机哈尔滨
17、工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院42*7.3.3 异步电动机串级调速机械特性方程式异步电动机串级调速机械特性方程式图710 串级调速系统a）主电路b）等效电路1. 电路结构哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院43两种转速特性的比较?异步电动机串级调速系统与直流它励电动机的转速特性在形式上完全相同，改变电压即可得到一族平行移动的调速特性。?在直流调速系统中，须直接改变电压 U；而在异步电动机串级调速系统中，它是通过改变式（7-16）第二项中的控制角来实现的。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院44两种转速特性的比较（续）?在串级调速系统中总电阻 R较
18、大，系统的调速特性较软；对于p 0 的第二工作区，计及p 的影响，在同一逆变角下的电压更小，相当于也发生变化，因而调速特性更软。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院45电磁转矩方程?转差功率转差功率可以从转子整流电路的功率传递关系入手，暂且忽略转子铜耗，则转子整流器的输出功率就是电动机的转差功率dd0Dp0rs)3cos34. 2(IIsXsEP=哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院46?电磁转矩公式而电磁功率 Pm = Ps/s，因此电磁转矩为dd0Dp0r00s0me)3cos34. 2(1IIXEsPPT=dMd0d0D0d3ICIIXU=（7-19）0
19、理想空载机械角转速rad/s ；CM 串级调速系统的转矩系数，式中哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院476. 异步电动机串级调速时的机械特性图7-11 异步电动机串级调速时的机械特性返回目录返回目录s20哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院48本节提要?串级调速系统的效率?串级调速系统的功率因数及其改善途径?斩波控制的串级调速系统?串级调速装置的电压和容量*7.4 串级调速系统的技术经济指标串级调速系统的技术经济指标及其提高方案及其提高方案哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院49*7.4.1 串级调速系统的效率串级调速系统的效率图7-12 串级
20、调速系统效率分析a)系统的功率传递b)系统的功率流程图哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院50?串级调速系统效率及比较?串级调速系统的总效率%100%100f1mechmechin2sch=PPpPPP%100)1()1(tanmechmmechm+=pppsPpsP(7-28)式中p 是异步电动机定子和转子内的总损耗；ptan附加的串级调速传动(tandem drive)装置损耗 。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院51?效率的比较?串级调速系统的总效率是比较高的，且当电动机转速降低时，sch的减少并不多。?而绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速时的效率几乎
21、随转速的降低而成比例地减少。图7-13 电气串级调速系统与转子串电阻调速系统= f (s) 的比较哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院52*7.4.2 串级调速系统的功率因数及其改善途径串级调速系统的功率因数及其改善途径串级调速系统的功率因数与系统所用的异步电动机、不可控整流器和逆变器三大部分有关：?异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；?转子整流器的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功率；?逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院53?串级调速系统的功率因数在串级调速系统中
22、，从交流电网吸收的总有功功率是电动机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之差，然而从交流电网吸收的总无功功率却是电动机和逆变器所吸收的无功功率之和。因此，串级调速系统总功率因数可用下式表示哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院54 功率因数计算公式s 系统总的视在功率；Q1 电动机从电网吸收的无功功率；Qf逆变变压器从电网吸收的无功功率。2f12f1f1insch)()(cosQQPPPPSP+=(7-29)式中哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院55 功率因数范围?一般串级调速系统在高速运行时的功率因数为0.60.65，比正常接线时电动机的功率因数减少0.
23、1左右；?在低速时可降到0.40.5（对调速范围为2的系统）。这是串级调速系统的主要缺点。?对于宽调速的串级调速系统，随着转差率的增大，系统的功率因数还要下降，这是串级调速系统能否被推广应用的关键问题之一。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院563串级调速系统的动态结构图图7-19 双闭环控制串级调速系统动态结构图哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院57*7.5.3 调节器参数的设计调节器参数的设计双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主要按抗扰性能考虑，即应使系统在负载扰动时有良好的动态响应能力。在采用工程设计方法进行动态设计时，可以象直流调速系统那样：?转速环
24、按典型II型系统设计。?电流环按典型I型系统设计；哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院58 问题和困难串级调速系统中转子直流回路的时间常数 TLr及放大系数 KLr都是转速的函数，而异步电动机的机电时间常数 TM 又是转速 n 和电流 Id 的函数，这就给调节器的设计带来一定的困难。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院59 解决办法固定工作点求参数具体设计时，可以先在确定的转速 n 和负载电流 Id 的前提下，求出各传递函数中的参数。例如按照要求的最大转差率 smax或平均转差率smax/ 2 来确定转速，按额定负载或常用的实际负载来选定电流，然后按定常系统进行
25、设计。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院607.5.4 串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。?总的原则总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院611. 间接起动为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，
26、待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投入运行。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院62 间接起动控制原理图图720串级调速系统间接起动控制原理图哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院632直接起动?直接起动又称串级调速方式起动。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院64 直接起动操作顺序（1）接触器的工作顺序为 SK0K2，此时不需要起动电阻。当
27、转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。（2）待发出给定信号后，随着的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院65*7.6 异步电机双馈调速系统异步电机双馈调速系统?概 述上述的异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能、从转子侧馈出电能的系统，从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。但人们往往狭义地认为双馈（双馈（Double Fed）就是从定子侧与转子侧都馈入电能的工作状态，以示与串级调速的区别。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院667.6.1 双馈调速系
28、统的构成双馈调速系统的构成要在任何转速下使变频器输出电压与电机转子感应电动势都有相同的频率，对变频器输出的频率有两种控制方式：?他控式?自控式哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院671. 他控式双馈调速系统图7-21 他控式双馈调速系统原理图?系统组成哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院682. 自控式双馈调速系统图7-22 自控式双馈调速系统原理图?系统组成哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院69*7.6.2 双馈调速系统的矢量控制双馈调速系统的矢量控制?问题的提出双馈调速系统可以看作是异步电动机转子变压变频调速系统，为改善系统的动态品质，可以
29、仿照定子变压变频系统那样采用矢量控制方法，建立对电磁转矩的控制规律。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院70?坐标变换将三相异步电动机的数学模型变换到以同步转速旋转的dq 两相坐标系后，可得到异步电动机 d 轴和 q 轴的动态等效电路，如图7-23所示。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院71?等效电路图7-23 异步电动机在dq坐标系上的动态等效电路a） d轴电路b） q轴电路哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院72?电路方程图7-23中，Lm是联系定转子电磁关系的互感，对应的磁链就是气隙磁链的d轴分量md和q轴分量mq，流过Lm的电流可称为励
30、磁电流 imd和imq，且有：iiirdsdmd+=mdmdm=iLrqsqmqiii+=mqmqm=iL(7-38)(7-39)(7-40)(7-41)哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院73?磁链定向在双馈调速系统中常用定子磁链定向或气隙磁链定向，现在取按气隙磁链m定向，即把 d 轴取在m方向上，则mmd=0mq=(7-42)(7-43)哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院74?电流关系式将式（7-39）、式（7-42）代入式（7-38），可得再将式（7-41）、式（7-43）代入式（7-40），可得rdmmsdiLi=rqsqii=(7-44)(7-45)
31、哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院75?转矩方程根据在dq坐标系上异步电动机电磁转矩的表达式)(rqsdrdsqmpeiiiiLnT=rqmprqrdmmrdrqmpeiniiLiiLnT=(7-46)(6-107)把式（7-44）与式（7-45）代入上式，得哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院76?控制原理?式（7-46）表明，若能维持气隙磁通m为恒值，则 Te与 irq成正比，只要控制转子电流的 q 轴分量就可以控制电磁转矩，负号表明 Te 是作用在转子本身的反作用转矩。?为了使m为恒值，必须设置磁链观测器和有关的反馈控制系统，对此在文献 61、62 中有较详细的讨论。哈尔滨工业大学远程教育学院哈尔滨工业大学远程教育学院77本章小结本章小结通过本章学习，需要?了解和掌握异步电机双馈运行的条件和工作原理；?掌握五种工况及其功率流程。?熟悉和掌握异步电机串级调速和双馈调速系统的组成及控制方法。
