第九章绕线转子异步电动机双馈调速

1、 第九章第九章 线绕转子异步电动线绕转子异步电动机双馈调速及串级调速系统机双馈调速及串级调速系统 9.1.1 双馈调速及串级调速的基本概念双馈调速及串级调速的基本概念所谓双馈调速，就是将电能分别馈入绕线转子异步电动机的定子绕组和转子绕组，其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源，而接入转子绕组电源的频率、电压幅值则需按运行要求分别进行调节。 由于双馈调速系统中接入转子绕组的外家电压的频率应和转子电流的频率相同，而这个频率和转差率成正比，检测、控制转差频率的电流存在着一定的困难，因此可对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动势，这使整个系统控制线路大为简化，称之为串级调速。

2、 9.1.2 串级调速的基本原理串级调速的基本原理图图9-1 串级调速的转子电路原理图串级调速的转子电路原理图三相异步电动机的转子感应电动势：转子电流 的值为220EsE2I 式中： 时转子开路相电动势； 时转子绕组的相漏抗。20222220fsEEIRsX20E1s 20X1s 1）如串入的交流附加电动势与转子感应电动势相位相反、频率相同，则转子电流将变小：20222220fsEEIRsX转子电流的减小，会引起交流电动机拖动转矩的减小，设原来电动机拖动转矩与负载转矩相等处于平衡状态，串入附加电动势必然引起电动机降速。在降速的过程中，随着速度的减小，转差率 增大，分子中 回升，电流也回升，使拖

3、动转矩升高后再次与负载平衡，降速过程最后会在某一较低的速度下重新稳定运行。s20sE2）如串入的交流附加电动势与转子感应电动势相位相同、频率相同，则转子电流将变大： 转子电流的增大，会引起交流电动机拖动转矩的增大，设原来电动机拖动转矩与负载转矩相等处于平衡状态，串入附加电动势必然引起电动机升速。在升速的过程中，随着速度的增大，转差率 减小，分子中 下降，电流也下降，使拖动转矩下降后再次与负载平衡，升速过程最后会在某一较高的速度下重新稳定运行。20222220fsEEIRsXs20sE9.1.3 串级调速的基本运行状态及其串级调速的基本运行状态及其功率传递关系功率传递关系（1）转子运行于次同步调

4、速的电动状态（1s0）9.1.3 串级调速的基本运行状态及其串级调速的基本运行状态及其功率传递关系功率传递关系电磁功率PM=m1U1I1cos10，此功率的流动方向是从定子电源到电机，式中m1为定子绕组相数。机械功率Pmec=（1-s）PM0，是电机输出给机械负载的。转差功率Ps= sPM= m2U2I2cos20，这部分功率回馈给转子外接电源了，式中为与间夹角。这种情况属电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。 （2）转子运行于次同步转速的定子回馈制动状态（1 s 0）电磁功率PM=m1U1I1cos10，是由电机回馈给定子电源的 。 机械功率Pmec=（1-s）PM0，是原动机输入给电机的。转

5、差功率Ps= sPM= m2U2I2cos20，是转子外接电源输入给电机的。这种情况下电磁转矩为制动性转矩。 （3）转子运行于超同步转速的电动状态（s 0）电磁功率PM=m1U1I1cos10，由定子电源输给电机。机械功率Pmec=（1-s）PM0，由电机输给负载。转差功率Ps= sPM= m2U2I2cos20，由转子电源输给电机。此种情况属电动运行状态，电磁转矩为拖动性。（4）转子运行于超同步转速的定子回馈制动状态（s1，逆变电压减少，但电动机转速不会立即改变，所以Id将增大，电磁转矩增大，因而产生动态转矩使电动机转速。随着转速增高，K1sEro减少，Id回降，直到产生下式所示的新的平衡状

6、态，电动机仍在增高的转速下稳定运行。RIUKEsKdLTr222021cos3) 停车电动机的停车有制动停车与自由停车两种。对于处于低同步转速下运行的双馈调速系统，必须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制动。在串级调速系统中，与转子连接的是不可控整流装置，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不能输入。因此，串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。结论：串级调速系统能够靠调节触发角实现平滑无级调速；系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。2. 机械串级调速系统9.2 串级调速系统

7、的机械特性串级调速系统的机械特性转子整流器空载时Id=0，其直流侧平均电压为 = = 2.34式中：E2电机静止时（s=1）转子每相感应电动势。加负载后Ud要降低，这时Ud=Udo-U式中：U负载后转子整流器产生的电压降。产生U的原因有两个：一是电机转子绕组的电阻压降和整流二级管的管压降；二是电动机定/转子绕组的漏抗，可用折算到转子侧的等效漏抗xD表示 = +dU0dU2EsDx1x2x由于电感阻碍电流变化，使换相不能瞬时完成，从而产生换相重叠现象。换相重叠时间用换相重叠角表示，其表达式如下示 换相压降表达式为 式中：xDs=1是折算到转子侧的电动机每相漏抗。转子整流器输出电压为 =2.34

8、2621arccosEIxdDUdDIsx3dU2EsdDIsx3根据整流电流Id及与之有关的换相重叠角，可将整流器的工作情况划分为三个工作区。将60时的工作状态称为第一工作区，当=60时，如果转子回路的直流Id再继续增大，则整流电路的工作出现换相延迟现象，此时任何时刻都有三个器件同时导通，重叠角=60保持不变，而产生一个延时相角P，随Id的增大P由0增加到30，这种工作状态为整流电路的第二工作区。若P再增大，则整流器将不能正常工作而进入第三工作区，这实际是一种故障工作状态。 在第二工作区 262cos)cos(EIxdDPPdDPIsx3cos9.2.2 串级调速系统的调速特性串级调速系统的

9、调速特性晶闸管串级调速系统的调速特性n=f(Id,)即电动机转速n与转子直流负载电流Id及逆变角之间的关系，当串级调速系统在转子整流电路处于第一工作区时（P=00），可以推得关系式n=f(Id,)为dDLDBBDdBIxERrRXxTEEnn334. 2)2233()cos(34. 22221令则式（9-8）可简化为如下形式 U)cos(34. 222BEE RLDBBDRrRXx223312334. 2nIxECdDe)(1deIRUCn由此可见，晶闸管串级调速系统由类似于他励直流电动机的调速特性。在晶闸管串级调速系统中，调节角的大小，就改变了U的值，相当于改变直流电动机电枢端的电压；系统中

10、的等效电阻R相当于直流电动机电枢回路总电阻，决定了机械特性硬度，由于晶闸管串级调速系统中R较大，故机械特性较软；系统中的等效电动势系数Ce随Id的增大而减小，此相当于直流电动机存在电枢反应的去磁效应。当串级调速系统负载增大到转子整流器出现延迟换相，即进入第二工作区时，转子整流器的输出直流电压Ud将有所减小，串级调速系统的特性变软。随着负载电流Id的增大，P亦增大，转速显著下降。电机式串级调速系统本质上和晶闸管串级调速没有什么区别，只是附加电动势是由直流电机建立的，逆变器的作用被电动机-发电机组所取代。电机式串级调速的控制作用是改变直流电机的励磁电流以改变磁通，直流电机的电枢反电势为 DNDEE

11、电机式串级调速在第一工作区的调速特性n=f(ED, Id)为 dDDLDDdDIxERRrxIEEnn334. 2)23()(34. 2221机械式串级调速是一种恒功率调速方式，异步电动机的转差能量由直流电机转变为机械能加到异步电动机的轴上。，机械式串 级 调 速 在 第 一 工 作 区 的 调 速 特 性n=f(Id,ED)为dDDnDLDDdIxEKERRrxIEnn334. 2)23(34. 22219.2.3 异步电动机在串级调速时的机异步电动机在串级调速时的机械电磁转矩特性械电磁转矩特性晶闸管串级调速系统和电机式串级调速系统同属于恒转矩调速类型，它们在第一工作区内在忽略定子电阻影响时

12、电动机的机械特性表达式T=f(s)为 式中： 阻抗相对值，对于晶闸管串级调速 = + + + ；对于电机式串级调速； s0串级调速系统理想空载时的转差率，对于晶闸管串级调速系统s0 =E2B/E2cos；对于电机式串级调速系统s0=ED/(2.34E2)。TDxE122182*20*20RsssRsss*2R*2RDBxXDDxr32DLxR3DBxR32*2RDDLDxRRr3)2(在第二工作区转矩的表达式为 由此可见，当延迟换相角P=/12=15时，可得到串级调速系统在第二工作区内的转矩最大值。 用P=0代入可得到串级调速系统再由第一工作区转入第二工作区运行的交界点处转矩T1-2值 )32

13、sin(439122PDxETDmxET1222439DxET12221827正常接线下运行时，电机最大转矩表达式为 对于大容量异步电动机，r1值与x1+x2相比很小，可忽略不计，则可简化为 mT)(2321121xxU)(2)(321122xxEKDDxE12223mmTT2826. 023439122122DDxExEmTT21716. 023827122122DDxExE串级调速系统第一工作区的最大转矩值T1-2为电动机固有最大转矩值Tm的0.716倍，一般异步电动机的过载倍数=Tm/TN2，即T1-2一般大于电机额定转矩TN。因此，串级调速系统在额定转矩下运行时，一般均处于机械特性第一

14、工作区内。机械式串级调速装置具有恒功率特性，其转矩由异步电动机的转矩和直流电动机转矩两部分组成。机械特性表达式T=f(s)为式中：CT直流电动机的转矩系统，由电机结构确定。 = TDxE12218*20*2)()1 (RsssUM*20*2)()1 (1RsssUMDTxCE334. 2*2*20*2)()1 (RsssUM*2MU234. 2EKEnDN0s*2*21MMUU*2RDDLDxRRr3)2(9.3 串级调速系统的效率和功率因数串级调速系统的效率和功率因数9.3.1 串级调速系统的效率串级调速系统的效率串级调速系统的效率是指电动机轴上输出的功率与从电网吸收的输入功率之比。 晶闸管

15、串级调速系统在电动工况和动力制动工况时的效率：式中：K晶闸管串级调速系统在电动工况时的效率； KT晶闸管串级调速系统在动力制动工况时效率； P串级调速系统的总损耗； Pmec动力制动时的机械功率； P2电动工况时轴的输出功率。KPPP22mecmecKTPPP总损耗P可以分为固定损耗K和可变损耗V两部分，即 P=K+V固定损耗是和负载电流无关的功率损耗，当调节电动机的转速时，固定损耗基本不变为 式中：PN异步电动机的额定功率；N自然接线的异步电动机的额定效率；TN异步电动机的额定转矩。电气串级调速的异步电动机的固定损耗由于电流中高次谐波分量的存在而略大于KAM，约为1.05KAM，此外，串级调

16、速系统的固定损耗K还应包括变压器的空载损耗pTRO，即 可变损耗是和负载电流的平方成正比的，自然接线的异步电动机在额定负载情况下，可变损耗为TROAMpKK05. 12111rrSTVNNN晶闸管串级调速系统的可变损耗可由转子回路的损耗来确定 电机式串级调速系统的固定损耗KM1包括异步电动机的固定损耗1.05KM1，同步电机的固定损耗KSM和直流电动机的固定损耗KD 直流电动机的固定损耗主要是机械损耗，其可由直流电动机的额定参数求得式中：RD直流电动机电枢回路电阻； PDN 直流电动机额定功率；DN直流电动机额定效率：IDN直流电动机额定电流。 DSMAMMKKKK05. 11同步电机的全部损

17、耗可认为是一常数，即 式中：PSMN同步电机的额定输出功率：SMN同步电机的额定效率；因此，电机式串级调速系统的固定损耗为电机式串级调速系统的可变损耗由两部分组成。第一部分为电流Id产生的损耗；另一部分是直流电动机的铁损耗及附加损耗， 系统的可变损耗为式中：*直流电动机磁通相对值。DdeqRrR 21DN机械式串级调速系统的固定损耗KM2只是异步电动机的固定损耗1.05KAM，而可变损耗VM2包括直流电流Id产生的损耗和直流电动机的机械损耗及铁损耗。在工程计算时，利用下式可得到满意的结果KM2=1.05KAM。9.3.2 串级调速系统的功率因数及其串级调速系统的功率因数及其改善途径改善途径串级

18、调速系统的功率因数较低，这是它的主要缺点。功率因数较低的主要原因有以下几个方面：（1）串级调速系统中的逆变变压器需要从电网吸收无功功率QB，这是串级调速系统功率因数低的主要原因。 21211)()(cosBBBWWKQQPPPPSP21211)()(cosBBBWWKQQPPPPSP（2）串级调速系统中转子整流电路存在严重的换相重叠现象，引起电动机转子电流（基波）落后于转子电压相位/2，使电动机本身运转的功率因数变差。（3）串级调速系统中电动机和逆变变压器的电流波形发生畸变， 其电流的高次谐波分量引起无功的畸变功率，亦使串级调速系统的总功率因数变坏。2coscoscosD要改善整个串级调速装置

19、的功率因数，具体可采用以下几种方法：（1）于电源侧联接能提供导前无功电流的旋转式同步补偿器（或与同步电机配合使用）或电力电容器。（2）变压器的抽头切换 随着直流电压的调节，改变变压器的抽头以维持逆变角为尽量低的数值来改善功率因数。 （3）变流器的串并联切换 这种接线方式也适用于泵类负载。它能减小串级变流装置的装机容量及改善功率因数。 （4）逆变器的串联联结 采用逆变器串联联结后，无功功率可以减少一半左右。（5）电源侧逆变器的逆变与短路工作制交替工作 在串级调速系统中，逆变器的工作状态实际上是由逆变状态与整流状态相互交替组成，只不过是逆变能量大于整流能量而已。因此，如能设法将逆变器的整流工作状态

20、消除，则能将逆变器的功率因数将得到提高。（6）采用强迫换相的具有导前功率因数的电源侧逆变器 如果使用晶闸管可以采用具有强迫换相电路的交-直-交电流型逆变器，如果使用全控型器件，由于器件本身具有自关断能力，无须换相电路，可以缩小装置体积，提高装置效率与工作效率，并可减小由于换相所引起的附加电压及电流。 9.4 串级调速的闭环控制系统串级调速的闭环控制系统9.4.1 双闭环串级调速系统的组成双闭环串级调速系统的组成9.4.2 双闭环串级调速系统的动态结构图双闭环串级调速系统的动态结构图1串级调速系统直流主回路的传递函数直流主回路的动态电压平衡方程式： 式中：Uio逆变器输出的空载电压；L转子直流回路总电感；R当转差率为s时转子直流回路等效