电力拖动自动控制系统课件三四

第7章绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统电力拖动自动控制系统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

7.0引言

转差功率问题转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能是异步电动机调速的主要目的之一，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。如第5章所述，交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型。

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。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。返回目录7.1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。~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定。

双馈调调速的的基本本结构构功率变换单元电网K1M3

~K2TI如上图图所示示，在在双馈馈调速速工作作时，，除了了电机机定子子侧与与交流流电网网直接接连接接外，，转子子侧也也要与与交流流电网网或外外接电电动势势相连连，从从电路路拓扑扑结构构上看看，可可认为为是在在转子子绕组组回路路中附附加一一个交交流电电动势势。功率变变换单单元由于转转子电电动势势与电电流的的频率率随转转速变变化，，即f2=sf1，因此必必须通通过功功率变变换单单元（（PowerConverterUnit——CU）对不同同频率率的电电功率率进行行电能能变换换。对于双馈系系统来说，，CU应该由由双向变变频器器构成，，以实实现功功率的的双向向传递递。双馈调调速的的功率率传输输（1）转差差功率率输出出状态态异步电电动机机由电电网供供电并并以电电动状状态运运行时时，它它从电电网输输入（（馈入入）电电功率率，而而在其其轴上上输出出机械械功率率给负负载，，以拖拖动负负载运运行；；CUP1PsM3

~Pmech（2）转差差功率率输入入状态态当电机机以发发电状状态运运行时时，它它被拖拖着运运转，，从轴轴上输输入机机械功功率，，经机机电能能量变变换后后以电电功率率的形形式从从定子子侧输输出（（馈出出）到到电网网。PsP1M3

~CUPmech7.1.1异步电电机转转子附附加电电动势势的作作用异步电电机运运行时时其转转子相相电动动势为为式中s—异步电电动机机的转转差率率；Er0—绕线转转子异异步电电动机机在转转子不不动时时的相相电动动势，，或称称转子子开路路电动动势，，也就就是转转子额额定相相电压压值。。(7-1)转子相电流流的表达式式为：式中Rr—转子绕组每每相电阻；；Xr0—s=1时的转子绕绕组每相漏漏抗。(7-2)转子附加电电动势图7-1绕线转子异异步电动机机转子附加加电动势的的原理图~~~~附加电动势势与转子电电动势有相相同的频率率，可同相相或反相串串接。引入可控的的交流附加加电动势有附加电动动势时的转转子相电流流：如图7-1所示，绕线转子异异步电动机机在外接附附加电动势势时，转子回回路的相电电流表达式式(7-3)转子附加电电动势的作作用1.Er与Eadd同相当Eadd，使得：这里：转速上升；转子附加电电动势的作作用（续））当Eadd，使得：这里：转速下降；转子附加电电动势的作作用（续））2.Er与Eadd反相同理可知，，若减少或或串入反相相的附加电电动势，则则可使电动动机的转速速降低。所以，在绕线转子子异步电动动机的转子子侧引入一一个可控的的附加电动动势，就可可调节电动动机的转速速。7.1.2异步电机双双馈调速的的五种工况况本节摘要电机在次同同步转速下下作电动运运行电机在反转转时作倒拉拉制动运行行电机在超同同步转速下下作回馈制制动运行电机在超同同步转速下下作电动运运行电机在次同同步转速下下作回馈制制动运行异步电机的的功率关系系忽略机械损损耗和杂散散损耗时，，异步电机机在任何工工况下的功功率关系都都可写作（7-4）式中Pm—从电机定子子传入转子子（或由转转子传出给定子））的电磁功功率，sPm—输入或输出出转子电路路的功率，，即转差功率，(1-s)Pm—电机轴上输输出或输入入的功率。。由于转子侧侧串入附加加电动势极极性和大小小的不同，，s和Pm都可正可负负，因而可可以有以下下五种不同同的工作情情况。1.电机在次同同步转速下下作电动运运行工作条件：：转子侧每相相加上与Er0同相的附加加电动势+Eadd（Eadd<Er0），并把转子三三相回路连连通。运行工况：：电机作电动动运行，转转差率为0<s<1，从定子侧输输入功率，，轴上输出出机械功率率。功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a）次同步速电动状态

~2.电机在反转转时作倒拉拉制动运行行工作条件：：轴上带有位位能性恒转转矩负载（（这是进入入倒拉制动动运行的必必要条件）），此时逐逐渐减少+Eadd值，并使之之反相变负负，只要反反相附加电电动势–Eadd有一定数值值，则电机机将反转。。运行工况：：电机进入倒倒拉制动运运行状态，，转差率s1，此时由电网网输入电机机定子的功功率和由负负载输入电电机轴的功功率两部分分合成转差差功率，并并从转子侧侧馈送给电电网。式（7-4）可改写作作功率流程b）反转倒拉制动状态Te012s-n-n1PmCU3.电机在超同同步转速下下作回馈制制动运行工作条件：：进入这种运运行状态的的必要条件件是有位能能性机械外外力作用在在电机轴上上，并使电电机能在超超过其同步步转速n1的情况下运运行。此时，如果果处于发电状状态运行的的电机转子子回路再串串入一个与与sEr0反相的附加加电动势+Eadd，电机将在比比未串入+Eadd时的转速更更高的状态态下作回馈馈制动运行行。运行工况：：电机处在发发电状态工工作，s1，电机功率由由负载通过过电机轴输输入，经过过机电能量量变换分别别从电机定定子侧与转转子侧馈送送至电网。。此时式（7-4）可改写成成功率流程c）超同步速回馈制动状态

-TePmCU4.电机在超同同步转速下下作电动运运行工作条件：：设电机原已已在0<s<1作电动运行行，转子侧串入入了同相的的附加电动动势+Eadd，轴上拖动恒恒转矩的反反抗性负载载。当接近额定定转速时，，如继续加加大+Eadd电机将加速速到的新的的稳态下工工作，即电电机在超过过其同步转转速下稳定定运行。运行工况：：电机的轴上上输出功率率由定子侧侧与转子侧侧两部分输输入功率合合成，电机机处于定、、转子双输输入状态，，其输出功功率超过额额定功率，，式（7-4）改写成功率流程d）超同步速电动状态

PmTeCU5.电机在次同同步转速下下作回馈制制动运行工作条件：：很多工作机机械为了提提高其生产产率，希望望电力拖动动装置能缩缩短减速和和停车的时时间，因此此必须使运运行在低于于同步转速速电动状态态的电机切切换到制动动状态下工工作。设电机原在在低于同步步转速下作作电动运行行，其转子子侧已加入入一定的+Eadd。要使之进入入制动状态态，可以在在电机转子子侧突加一一个反相的的附加电动动势。运行工况在低于同步步转速下作作电动运行行，Eadd由“+”变为“-”，并使|-Eadd|大于制动初初瞬的sEr0，电机定子侧侧输出功率率给电网，，电机成为为发电机处处于制动状状态工作，，并产生制制动转矩以以加快减速速停车过程程。电机的的功率关系系为功率流程e）次同步速回馈制动状态

Pm-TeCU五种工况小小结图7-2异步电机在在转子附加加电动势时时的工况及及其功率流流程五种工况都都是异步电电机转子加加入附加电电动势时的的运行状态态。在工况a,b,c中，转子侧侧都输出功功率，可把把转子的交交流电功率率先变换成成直流，然然后再变换换成与电网网具有相同同电压与频频率的交流流电功率。。a）转子输出出功率的工工况TICU2CU1sEr0~M3~图7-4异步电机转转子侧连接接的功率变变换单元b）转子输入入功率的工工况图7-4异步电机转转子侧连接接的功率变变换单元TICU2CU1sEr0~M3~返回目录7.2异步电机在在次同步电电动状态下下的双双馈馈系统——串级调速系系统本章摘要串级调速系系统的工作作原理串级调速系系统的其它它类型基本思路如前所述，，在异步电电机转子回回路中附加加交流电动动势调速的的关键就是是在转子侧侧串入一个个可变频、、可变幅的的电压。怎怎样才能获获得这样的的电压呢？？对于只用于于次同步电电动状态的的情况来说说，比较方方便的办法法是将转子子电压先整整流成直流流电压，然然后再引入入一个附加加的直流电电动势，控控制此直流流附加电动动势的幅值值，就可以以调节异步步电动机的的转速。这样，就把把交流变压压变频这一一复杂问题题，转化为为与频率无无关的直流流变压问题题，对问题题的分析与与工程实现现都方便多多了。7.2.1串级调速系系统的工作作原理对直流附加加电动势的的技术要求求首先，它应应该是可平平滑调节的的，以满足足对电动机机转速平滑滑调节的要要求；其次，从节节能的角度度看，希望望产生附加加直流电动动势的装置置能够吸收收从异步电电动机转子子侧传递来来的转差功功率并加以以利用。系统方案根据以上两两点要求，，较好的方方案是采用用工作在有有源逆变状状态的晶闸闸管可控整整流装置作作为产生附附加直流电电动势的电电源，这就就形成了图图7-4a中所示的功功率变换单单元CU2。按照上述原原理组成的的异步电机机在低于同同步转速下下作电动状状态运行的的双馈调速速系统如图图7-5所示，习惯惯上称之为为电气串级调调速系统（或称Scherbius系统）。图7-5电气串级调调速系统原原理图系统组成功率变换单单元UR—三相不可控控整流装置置，将异步步电机转子子相电动势势sEr0整流为直流流电压Ud。UI—三相可控整整流装置，，工作在有有源逆变状状态：可提供可调调的直流电电压Ui，作为电机调调速所需的的附加直流流电动势；；可将转差功功率变换成成交流功率率，回馈到到交流电网网。工作原理（1）起动起动条件：：对串级调速速系统而言言，起动应应有足够大大的转子电电流Ir或足够大的的整流后直直流电流Id，为此，转子子整流电压压Ud与逆变电压压Ui间应有较大的差值值。起动控制控制逆变角，使在起动开始的的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够够大的Id，以满足所需的电电磁转矩，但又不不超过允许的电流流值，这样电动机机就可在一定的动动态转矩下加速起起动。随着转速的增高，，相应地增大角以减小值Ui，从而维持加速过过程中动态转矩基基本恒定。工作原理（续）（2）调速调速原理：通过改改变角的大小调节电动动机的转速。调速过程：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId工作原理（续）（3）停车串级调速系统没有有制动停车功能。。只能靠减小角逐渐减速，并依依靠负载阻转矩的的作用自由停车。。结论串级调速系统能够够靠调节逆变角实现平滑无级调速速系统能把异步电动动机的转差功率回回馈给交流电网，，从而使扣除装置置损耗后的转差功功率得到有效利用用，大大提高了调调速系统的效率。。返回目录*7.3异步电动机串级调调速时的机械特性性本节提要概述异步电动机串级调调速机械特性的特特征异步电动机串级调调速时的转子整流流电路异步电动机串级调调速机械特性方程程式概述在串级调速系统中中，异步电动机转转子侧整流器的输输出量、分别与异异步电动机的转速速和电磁转矩有关关。因此，可以从从电动机转子直流流回路着手来分析析异步电动机在串串级调速时的机械械特性。*7.3.1异步电动机串级调调速机械特性的特特征1.理想空载转速在异步电动机转子子回路串电阻调速速时，其理想空载载转速就是其同步步转速，而且恒定定不变，调速时机机械特性变软，调调速性能差。在串级调速系统中中，电动机的极对对数与旋转磁场转转速都不变，同步步转速也是恒定的的，但是它的理想想空载转速却能够够连续平滑地调节节。根据式（7-5），当系统在理想想空载状态下运行行时（Id=0），转子直流回路路的电压平衡方程程式变成其中，s0—异步电动机在串级级调速时对应于某某一角的理想空载转差差率，并取K1=K2，则(7-6)理想空载转速方程程由此可得相应的理理想空载转速n0为：(7-7)式中nsyn—异步电动机的同步步转速。特性分析从式（7-6）和式（7-7）可知，在串级调速时，理理想空载转速与同同步转速是不同的的。当改变逆变角时，理想空载转差差率和理想空载转转速都相应改变。。由式（7-5）还可看出，在不不同的角下，异步电动机机串级调速时的机机械特性是近似平平行的，其工作段段类似于直流电动动机变压调速的机机械特性。2．机械特性的斜率率与最大转矩串级调速时，转子子回路中接入了串串级调速装置（包包括两套整流装置置、平波电抗器、、逆变变压器等）），实际上相当于于在电动机转子回回路中接入了一定定数量的等效电阻阻和电抗，它们的的影响在任何转速速下都存在。由于转子回路电阻阻的影响，异步电电动机串级调速时的机械械特性比其固有特特性要软得多。转子回路电阻的影影响当电机在最高速的的特性上（=90°）带额定负载，也也难以达到其额定定转速。整流电路换相重叠叠角将加大，并产产生强迫延迟导通通现象，使串级调调速时的最大电磁磁转矩比电动机在在正常接线时的最最大转矩有明显的的降低。这样，串级调速时时的机械特性便如如图7-7所示。串级调速时的机械械特性图图7-7异步电动机串级调调速时的机械特性性a)大电机b)小电机从图7-5中可以看出，异步步电动机相当于转转子整流器的供电电电源。如果把电电动机定子看成是是整流变压器的一一次侧，则转子绕绕组相当于二次侧侧，与带整流变压压器的整流电路非非常相似，因而可可以引用电力电子子技术中分析整流流电路的一些结论论来研究串级调速速时的转子整流电电路。但是，两者之间还还存在着一些显著著的差异，主要是是：*7.3.2异步电动机串级调调速时的转子整流流电路（1）一般整流变压器器输入输出的频率率是一样的，而异异步电动机转子绕绕组感应电动势的的幅值与频率都是是变化的，随电机机转速的改变而变变化；（2）异步电动机折算算到转子侧的漏抗抗值也与转子频率率或转差率有关；；（3）由于异步电动机机折算到转子侧的的漏抗值较大，所所以出现的换相重重叠现象比一般整整流电路严重，从从而在负载较大时时会引起整流器件件的强迫延迟换相相现象。整流电路的不同点点1.转子整流电路图7-8转子整流电路2.电路分析假设条件：（1）整流器件具有理理想的整流特性，，管压降及漏电流流均可忽略；（2）转子直流回路中中平波电抗器的电电感为无穷大，直直流电流波形平直直；（3）忽略电动机励磁磁阻抗的影响。换相重叠现象设电动机在某一转转差率下稳定运行行，转子三相的感感应电动势为era、erb、erc。当各整流器件依依次导通时，必有有器件间的换相过过程，这时处于换换相中的两相电动动势同时起作用，，产生换相重叠压压降，如下图所示示。换相重叠波形换相重叠压降换相重叠角根据《电力电子技术》中介绍的理论，，换相重叠角为换相重叠角（7-8）其中XD0—s=1时折算到转子侧侧的电动机定子子和转子每相漏漏抗。由式（7-8）可知，换相重重叠角随着整流流电流Id的增大而增加。。当Id较小，在0°~60°°之间时，整流电电路中各整流器器件都在对应相相电压波形的自自然换相点处换换流，整流波形形正常。当电流Id增大到按式（7-8）计算出来的角大于60°时，器件在自然然换相点处未能能结束换流，从从而迫使本该在在自然换相点换换流的器件推迟迟换流，出现了了强迫延迟换相现现象，所延迟的角度度称作强迫延时换相角角p。由此可见，串级级调速时的异步步电动机转子整整流电路有两种种正常工作状态态。转子整流电路的的工作状态（1）第一种工作状状态的特征是0≤≤60°，p=0此时，转子整流流电路处于正常常的不可控整流流工作状态，可可称之为第一工工作区。（2）第二种工作状状态的特征是=60°，0<p<30°这时，由于强迫迫延迟换相的作作用，使得整流流电路好似处于于可控的整流工工作状态，p角相当于整流器器件的控制角，，这一状态称作作第二工作区。。转子整流电路的的工作状态（续续）（3）当=30°时，整流电路中中会出现4个器件同时导通通，形成共阳极极组和共阴极组组器件双换流的的重叠现象，此此后p保持为30°，而角继续增大，整整流电路处于第第三种工作状态态，这是一种非非正常的故障状状态。转子整流电流与与、p间的函数关系图7-9转子整流电路的的=f(Id)，p=f(Id)Id1-2串级调速时转子子整流电路的电电流和电压由于整流电路的的不可控整流状状态是可控整流流状态当控制角角为零时的特殊殊情况，所以可可以直接引用可可控整流电路的的有关分析式来来表示串级调速速时转子整流电电路的电流和电电压。(7-9)串级调速时转子子整流电路的电电压式中RD=sRs+Rr为折算到转子侧侧的电动机定子子和转子每相等等效电阻。(7-10)上两式中，当0<p<30°，=60°时表示转子整流流电路工作在第第二工作区；当p=0，=0~60°时表示转子整流流电路工作在第第一工作区。*7.3.3异步电动机串级级调速机械特性性方程式图7－10串级调速系统a）主电路b）等效电路1.电路结构2.系统的稳态电路路方程转子整流电路的的输出电压为逆变器直流侧电电压电压平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)以上三式中RL——直流平波电抗器器的电阻；XT——折算到二次侧的的逆变变压器每每相等效漏抗，，XT=XT1'+XT2。RT——折算到二次侧的的逆变变压器每每相等效电阻，，RT=RT1'+RT2。3.转差率与转速方方程解式（7－11）~式（7－13），可以得到用用转差率表示的的方程式（7-14）转速特性方程将s=(n0–n)/n0代入上式，得到到串级调速时的的转速特性为(7-15)如令p=0，则式（7-15）就表示系统在在第一工作区的的转速特性。分析式（7-15）可以看出，等等号右边分子中中的第一项是转转子直流回路的的直流电压（7-16）第二项相当于回回路中的总电阻阻压降，可以写写作IdR，而分母则是转转子整流器的输输出电压。等效电动势系数数公式如借用直流电动动机的概念和有有关算式，引入入电动势系数CE，使（7-17）转速特性方程的的直观形式则式（7-15）可改写成（7-18）其中，注意：在直流调速系统统中，电动势系系数Ce是常数，但在串级调速系统统中，CE是负载电流的函函数，它是使转转速特性成为非非线性的重要因因素，故两个符号的的下角不同，以以示区别。两种转速特性的的比较式（7-18）表明，异步电电动机串级调速速系统与直流它它励电动机的转转速特性在形式式上完全相同，，改变电压即可可得到一族平行行移动的调速特特性。在直流调速系统统中，须直接改改变电压U；而在异步电动动机串级调速系系统中，它是通通过改变式（7-16）第二项中的控控制角来实现的。两种转速特性的的比较（续）在串级调速系统统中总电阻R较大，系统的调调速特性较软；；对于p0的第二工作区，，计及p的影响，在同一一逆变角下的电压更小，，相当于也发生生变化，因而调调速特性更软。。4.电磁转矩方程转差功率可以从转子整流流电路的功率传传递关系入手，，暂且忽略转子子铜耗，则转子子整流器的输出出功率就是电动动机的转差功率率电磁转矩公式而电磁功率Pm=Ps/s，因此电磁转矩矩为（7-19）0——理想空载机械角角转速rad/s；CM——串级调速系统的的转矩系数，式中因为，它也是电流Id的函数。与式（（7-17）的电动势系数数CE相比可知，CM和CE对Id的关系是一样的的。由于0=2n0/60，所以（7-20）可见，CM和CE的关系与直流他他励电动机中Cm和Ce的关系完全一致致。5.串级调速的机械械特性方程当串级调速系统统在第一工作区区运行时，p=0，代入式（7-19），再令dTe/dt=0，可求出电磁转矩的计算算最大值Te1m，经过适当的数数学推导，得第一工作区的机机械特性方程式式：第一工作区的机机械特性方程式式(7-21)s1m=s1m-s10——在给定值下，从理想空空载到计算最大大转矩点的转差差率增量；s1=s-s10——在相应的值下，由负载引引起的转差率增增量；式中s10——相应值下的理想空载载转差率；s1m——对应于计算最大大转矩Te1m的临界转差率：：(7-22)Te1m——系统在第一工作作区的“计算最最大转矩”。由于在异步电动动机串级调速时时，负载增大到到一定程度，必必然会出现转子子整流器的强迫迫延迟换相现象象，也就是说，，系统必然会进进入第二工作区区。而Te1m是在p=0的条件下由式（（7-19）求得的，它只只表示若系统能能继续保持第一一工作状态将会会达到的最大转转矩。第二工作区的机机械特性方程式式(7-23)s2m=s2m-s20——计及强迫延时换换相，对应于某某一p值时的转差率增增量；s2=s-s20——在给定与p值下，由负载引引起的转差率增增量;式中s20——相应与p值下的理想空载载转差率：(7-24)而注意：在用式（7-23）计算第二工作作区的一段机械械特性时，等号号左边分母中仍仍用Te1m，这是为了使第第一、二工作区区的机械特性计计算公式尽量一一致，不要误解解为第二工作区区的最大转矩就就是Te1m，它具有另外一一个最大转矩Te2m。几种最大转矩的的关系和计算从异步电动机的的铭牌数据可计计算出额定转矩矩TeN和正常运行时的的最大转矩Tem。对串级调速系统统来说，有实用用意义的是第一一工作区的计算算最大转矩Te1m和第二工作区真正正的最大转矩Te2m（可证明，Te2m对应于p=15°）。还有第一、、二工作区交界界的转矩值，称作交接转矩Te1-2。按照上面的推导导，可得[40]（7-25）

（7-26）

（7-27）

式（7-26）说明，异步电动机串级级调速时所能产产生的最大转矩矩比正常接线时时减少了17.3%，这在选用电机机时必须注意。。另外，由式（7-27）可知，Te1-2=0.716Tem，而异步电动机机的转矩过载能能力一般大于2，即Tem≥2TeN，所以当电动机在额定定负载下工作时时，还是处于第第一工作区。6.异步电动机串级级调速时的机械械特性图7-11异步电动机串级级调速时的机械械特性返回目录s20本节提要串级调速系统的的效率串级调速系统的的功率因数及其其改善途径斩波控制的串级级调速系统串级调速装置的的电压和容量*7.4串级调速系统的的技术经济指标标及及其提高方案*7.4.1串级调速系统的的效率图7-12串级调速系统效效率分析a)系统的功率传递递b)系统的功率流程程图串级调速系统功功率流程在串级调速时（（图7-12a），Ps未被全部消耗掉掉，而是扣除了了转子铜损PCur、杂散损耗Ps和附加的串级调调速装置损耗Ptan后通过转子整流流器与逆变器返返回电网，这部部分返回电网的的功率称作回馈馈功率Pf。对整个串级调速速系统来说，它它从电网吸收的的净有功功率应应为Pin=P1–Pf。串级调速系统效效率及比较串级调速系统的的总效率(7-28)式中∑p是异步电动机定定子和转子内的的总损耗；ptan附加的串级调速速传动(tandemdrive)装置损耗。在串级调速系统统中，当电动机机的转速降低时时，如果负载转转矩不变，∑p和ptan都基本不变，式式（7-28）分子和分母中中的项随着的增增大而同时减少少，对值的影响响并不太大。转子回路串电阻阻调速的效率当电动机转子回回路串电阻调速速时，调速系统统的效率是=其中，Pm(1-s)项随s的变化和串级调调速时一样，而而所串电阻越大大时，pCus越大，∑p也越大，因而效效率R越低，几乎是是随着转速的的降低而成比比例地减少。。效率的比较串级调速系统统的总效率是是比较高的，且当电动机转转速降低时，，sch的减少并不多多。而绕线转子异异步电动机转转子回路串电电阻调速时的的效率几乎随随转速的降低低而成比例地地减少。图7-13电气串级调速速系统与转子子串电阻调速系统=f(s)的比较*7.4.2串级调速系统统的功率因数数及其改善途途径串级调速系统统的功率因数数与系统所用用的异步电动动机、不可控控整流器和逆逆变器三大部部分有关：异步电动机本身的功率因因数就会随着着负载的减轻轻而下降；转子整流器的换相重迭和和强迫延迟导导通等作用都都会通过电机机从电网吸收收换相无功功功率；逆变器的相控作用使使其电流与电电压不同相，，也要消耗无无功功率。串级调速系统统的功率因数数在串级调速系系统中，从交交流电网吸收收的总有功功功率是电动机机吸收的有功功功率与逆变变器回馈至电电网的有功功功率之差，然然而从交流电电网吸收的总总无功功率却却是电动机和和逆变器所吸吸收的无功功功率之和（见见图7-12），因此，串串级调速系统统总功率因数数可用下式表表示功率因数计算算公式s—系统总的视在在功率；Q1—电动机从电网网吸收的无功功功率；Qf—逆变变压器从从电网吸收的的无功功率。。式中(7-29)功率因数范围围一般串级调速速系统在高速速运行时的功功率因数为0.6~0.65，比正常接线线时电动机的的功率因数减减少0.1左右；在低速时可降降到0.4~0.5（对调速范围围为2的系统）。这这是串级调速速系统的主要要缺点。对于宽调速的的串级调速系系统，随着转转差率的增大大，系统的功功率因数还要要下降，这是是串级调速系系统能否被推推广应用的关关键问题之一一。*7.4.3斩波控制的串串级调速系统统问题的提出串级调速系统统功率因数差差的一个重要要原因就是采采用了相位控控制的逆变器器，控制角越大时，逆变变器从电网吸吸收的无功功功率越多。如果用斩波器器来控制直流流电压，而将将逆变器的控控制角设定为为允许的最小小值不变，即即可降低无功功的消耗，而而提高系统功功率因数。系统组成图7-14斩波控制串级级调速系统原原理图图7-14绘出了斩波控制的的串级调速速系统原理图，图图中CH是直流斩波波器，可用用普通晶闸闸管或可关关断电力电电子器件组组成，后者者可大大简简化斩波器器电路。系统中斩波波器CH工作在开关关状态，其其工作原理理和功率因因数如下分分析。1．工作原理理当它接通时时，逆变器器输出的附附加电动势势被短接（（Eadd=0）；断开时，输输出电动势势最大（Eadd=Ui）。设斩波器的的开关周期期为T，开关接通通的时间为为，则逆变器器经CH送出的平均均电动势为为改变占空比比（T-）/T即可调节平平均电动势势的大小，，从而调节节异步电动动机的转速速。附加电动势势的斩波波波形图7-15为忽略交流流电压变化化时附加电电动势的斩斩波波形。。图7-15转子斩波串串级调速时时的附加电电动势波形形OtEaddT斩波控制串串级调速系系统转速方方程当转子回路路整流器和和逆变器都都是桥式电电路时，可可得理想空空载的电压压平衡方程程式（7-30）n0—不同占空比比时的理想想空载转速速；nsyn—异步电动机机的同步转转速。式中因此2．系统的功功率因数在斩波控制制时，逆变变角设定为为min，则逆变器器从电网吸吸收的无功功功率可减减到最小程程度。图7-16绘出了带恒恒转矩负载载的斩波控控制串级调调速系统在在不同转差差率下的功功率因数。。图7-16两种串级调调速系统的的功率因数数比较斩波控制串串级调速系系统常规串级调调速系统*7.4.4串级调速装装置的电压压和容量串级调速装装置是指整整个串级调调速系统中中除异步电电动机以外外为实现串串级调速而而附加的所所有功率部部件，包括括转子整流器、逆变器和逆变变压器器。从经济角角度出发，，必须正确确合理地选选择这些附附加设备的的电压和容容量，以提提高整个调调速系统的的性能价格格比。整流器和逆逆变器容量量选择主要依依据其电流流与电压的的定额。电流定额决决定于异步步电动机转转子的额定定电流和所所拖动的负负载IrN；电压定额则则决定于异异步电动机机转子的额额定相电压压（即转子子开路电动动势Er0）和系统的的调速范围围D。这里，其中，n0min是调速系统统的最低转转速，对应应于最大理理想空载转转差率s0max，由式（7-7）可得（7-31）调速范围越越大时，s0max也越大，整整流器和逆逆变器所承承受的电压压越高。逆变变压器器的容量逆变变压器器的二次侧侧相电压（7-32）（7-33）逆变变压器器的容量计计算返回目录7.5双闭环控制制的串级调调速系统由于串级调调速系统机机械特性的的静差率较较大，所以以开环控制制系统只能能用于对调调速精度要要求不高的的场合。为为了提高静静态调速精精度，并获获得较好的的动态特性性，须采用用闭环控制制，和直流流调速系统统一样，通通常采用具具有电流反反馈与转速速反馈的双双闭环控制制方式。7.5.1双闭环控制制串级调速速系统的组组成图7-17双闭环控制制的串级调调速系统系统结构控制环节说说明图7-17所示为双闭闭环控制的的串级调速速系统原理理图。图中中，转速反反馈信号取取自异步电电动机轴上上联接的测测速发电机机，电流反反馈信号取取自逆变器器交流侧的的电流互感感器，也可可通过霍尔尔变换器或或直流互感感器取自转转子直流回回路。为了防止逆逆变器逆变变颠覆，在在电流调节节器ACR输出电压为为零时，应应整定触发发脉冲输出出相位角为为=min。系统比较图7－17所示的系统统与直流不不可逆双闭闭环调速系系统一样，，具有静态态稳速与动动态恒流的的作用。所不同的是是它的控制制作用都是是通过异步步电动机转转子回路实实现的。在图7－17所示的系统统中，可控控整流装置置、调节器器以及反馈馈环节的动动态结构图图均与直流流调速系统统中相同，，本节不再再赘述。但是，在异异步电动机机转子直流流回路中，，不少物理理量都与转转差率有关关，所以要要单独处理理。*7.5.2串级调速系系统的动态态数学模型型1．转子直流流回路的传传递函数串级调速系系统转子直直流回路的的动态电压压平衡方程程(7-34)式中Ud0=2.34Er0cosp—当s=1时转子整流流器输出的的空载电压压；Ui0=2.34UT2cos—逆变器直流流侧的空载载电压；L—转子直流回回路总电感感；L=2LD0+2LT+LLLD0—折算到转子子侧的异步步电机每相相漏感；LT—折算到二次次侧的逆变变变压器每每相漏感；；LL—平波电抗器器电感；R—转差率为时时转子直流流回路等效效电阻。转子直流回回路的传递递函数由上式可求求得转子直直流回路的的传递函数数(7-36)—转子直流回回路的时间间常数；—转子直流回回路的放大大系数。式中转子直流回回路的动态态结构图图7-18转子直流回回路动态结结构图将电力拖动动系统的运运动方程式式：或写成式中IL—负载转矩TL所对应的等等效直流电电流。2．异步电动动机的传递递函数带入异步电电动机的电电磁转矩方方程：(7-19)可推得异步步电动机在在串级调速速时的传递递函数为：串级调速时时的传递函函数(7-37)式中—机电时间常常数，TM与R、CE、CM都有关系，，所以也不不是常数，，而是Id和n的函数。3．串级调速系统统的动态结构图图图7-19双闭环控制串级级调速系统动态态结构图*7.5.3调节器参数的设设计双闭环控制串级级调速系统的动动态校正一般主主要按抗扰性能能考虑，即应使使系统在负载扰扰动时有良好的的动态响应能力力。在采用工程程设计方法进行行动态设计时，，可以象直流调调速系统那样：：转速环按典型II型系统设计。电流环按典型I型系统设计；问题和困难但是串级调速系系统中转子直流流回路的时间常常数TLr及放大系数KLr都是转速的函数数，而异步电动动机的机电时间间常数TM又是转速n和电流Id的函数，这就给给调节器的设计计带来一定的困困难。解决办法——固定工作点求参参数具体设计时，可可以先在确定的的转速n和负载电流Id的前提下，求出出各传递函数中中的参数，例如如按照要求的最最大转差率smax或平均转差率smax/2来确定转速，按按额定负载或常常用的实际负载载来选定电流，，然后按定常系系统进行设计。。如果用模拟控制制系统实现，则则当实际转速和和/或电流改变时，，系统的动态性性能就要变坏。。如果采用微机数数字控制，可以以按照不同的转转速和电流事先先计算好参数的的变化，用表格格的方式存入微微机，实时控制制时可根据检测测得到的转速和和电流查表调用用，就可以得到到满意的动态特特性。7.5.4串级调速系统的的起动方式串级调速系统是是依靠逆变器提提供附加电动势势而工作的，为为了使系统工作作正常，对系统统的起动与停车车控制必须有合合理的措施予以以保证。总的原则是在起动时必须须使逆变器先电电机而接上电网网，停车时则比比电机后脱离电电网，以防止逆逆变器交流侧断断电，使晶闸管管无法关断，造造成逆变器的短短路事故。串级调速系统的的起动方式通常常有间接起动和和直接起动两种种。1.间接起动为了使串级调速速装置不受过电电压损坏，须采采用间接起动方方式，即将电动动机转子先接入入电阻或频敏变变阻器起动，待待转速升高到串串级调速系统的的设计最低转速速时，才把串级级调速装置投入入运行。间接起动控制原原理图图7－20串级调速系统间接起动控制原理图间接起动操作顺顺序（1）先合上装置电电源总开关S，使逆变器在min下等待工作。（2）然后依次接通通接触器K1，接入起动电阻R，再接通K0，把电机定子回路路与电网接通，，电动机便以转转子串电阻的方方式起动。（3）待起动到所设设计的nmin（smax）时接通K2，使电动机转子接接到串级调速装装置，同时断开开K1，切断起动电阻，，此后电动机就就可以串级调速速的方式继续加加速到所需的转转速运行。停车操作顺序（1）由于没有制动动作用，应先断断开K2，使电动机转子回回路与串级调速速装置脱离；（2）再断开K0，以防止当K0断开时在转子侧侧感生断闸高电电压而损坏整流流器与逆变器。。2．直接起动直接起动又称串串级调速方式起起动。在起动控控制时让逆变器器先于电动机接接通交流电网，，然后使电动机机的定子与交流流电网接通，此此时转子呈开路路状态，可防止止因电动机起动动时的合闸过电电压通过转子回回路损坏整流装装置，最后再使使转子回路与整整流器接通。直接起动操作顺顺序（1）接触器的工作作顺序为S－K0－K2，此时不需要起动动电阻。当转子子回路接通时，，由于转子整流流电压小于逆变变电压，直流回回路无电流，电电动机尚不能起起动。（2）待发出给定信信号后，随着的增大，逆变电电压降低，产生生直流电流，电电动机才逐渐加加速，直至