6章 绕线式异步电机的串级调速及双馈调速系统

1、第6章,绕线式异步电机的串级调速及双馈调速系统,运动控制系统, 引言 串级调速的工作原理及晶闸管串级调速系统 绕线式异步电动机在串级调速时的机械特性 串级调速系统的技术经济指标 双闭环串级调速系统 绕线式异步电动机双馈调速系统,内容提要：,问题的提出：,作为异步电动机，必然有转差功率，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。 要提高绕线式异步电动机调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。 对于绕线式异步电动机，定、转子电路可以同时与外电路相连，转差功率可以从转子输出，也可以向转子馈入，故这样的调速系统称作双馈调速系统。 至于电功率是馈入定子绕组和转子绕组，

2、还是由定子绕组和转子绕组馈出，则要视电动机的工况而定。 当转差功率只能由转子绕组馈出，就是串级调速，它是双馈调速的一种特例,双馈调速是串级调速的拓展。 绕线式异步电动机多用在要求起动转矩大或要求调速的负载场合，例如，用来拖动球磨机、矿井提升机、桥式起重机等。,6.1 引言,作为异步电动机，必然有转差功率，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。 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。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。 要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组具有与外界实现电气联

3、接的条件，显然鼠笼形电动机难以胜任，只有绕线式异步电动机才能做到。 电动机是将电能转化为机械能的设备。异步机的定子与电源相联，从中吸收电功率 ，同时吸收感性无功功率建立旋转磁场。旋转磁场的主要功能是将定子的电磁功率传输给转子，转子则将电磁功率转化为机械功率，因此，旋转磁场可等效为联接定、转子的功率传输通道。,定、转子之间传输的电功率称为电磁功率，也是转化为机械 功率的源泉。定子的电磁功率为输入功率与损耗功率之差,定子的铜损和铁损。,式中，,转子的电磁功率则为机械功率与转差功率之和,（6.1）,（6.2）,机械功率为,转差功率为,（6.3）,（6.4）,定、转子的电磁功率相等即,根据动力学原理，

4、异步机的理想空载机械角速度,式中，,为异步机电磁功率；,为输出转矩。,（6.5）,（6.5）的异步机理想空载机械角速度为电磁功率与电磁转矩之比，其含义是：在假定转子无损耗的理想状态下，异步机的全部电磁功率都转化为机械功率所能获得的转速。转速降即为转速损失，取决于转差功率。 由此可见，交流调速的实质在于控制其机械功率，电气上有电磁功率控制和转差功率控制两种原则。,6.2 串级调速的工作原理及晶闸管串级调速系统,对于绕线式异步电动机改变转差功率（转差率s）的方法，过去是在转子回路中串附加电阻 Radd 实现调速，这种方法虽然简单方便，但存在以下几个缺点： （1）调速是有级的，不平滑。 （2）在深调

5、速时机械特性很软，致使负载变化不大时便可引起转速很大的波动。 （3）转差功率消耗在附加电阻上，特别是低速时电能损耗大，效率低。 串电阻调速是通过改变消耗的转差功率为代价，达到调速目的的。 异步电机经气隙传送到转子的电磁功率为Pm，一部分转换为机械功率Pmech； 一部分为转差功率Ps1 ，而转差功率Ps1以发热形式消耗于转子绕组电阻及外接电阻上，即,如果不考虑电动机定子损耗，调速时电动机的效率近似为,（6.6）,当s=0.5时，=50%。电磁功率Pm的一半变为转子铜耗而 发热消耗掉，再考虑定子中的损耗，则总效率必低于50%。 转速愈低，效率愈低。因此从节能角度来评价，这种调速 方法其性能是低劣

6、的。,为了利用转差功率，使转差功率Ps1不白白消耗在转子回路的电阻上，而将其利用起来，人们提出了另一种变s的调速方法，这就是串级调速。所谓串级调速就是在转子回路中串入与转子感应电动势 (简称转子电势)同频率的附加电动势 ，通过改变 的幅值大小和相位来实现交流电动机的调速。 串级调速完全克服了串电阻调速的缺点，它具有效率高、无极平滑调节等许多优点。,6.2.1绕线式异步电动机串级调速的工作原理,异步电机运行时其转子相电动势为：,（6.7）,式中，s 为异步电动机的转差率； Er0为绕线式异步电动机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子开路额定相电压值。,在转子短路情况下，转子相电

7、流Ir的表达式为：,（6.8）,式中，Rr 为转子绕组每相电阻； Xr0 为s =1时的转子绕组每相漏抗。,图6-1 绕线式异步电动机转子 附加电动势的原理图,串级调速时， 装置应能吸收转差功率，故 与 反相，附加电动势与转子电动势有相同的频率，反相串接， 转子回路的相电流表达式为:,（6.9）,此时转子附加电动势的作用： 当,随之增大，转子电流也逐渐增大,此时转速下降，转子电动势,直至转差率s增大到 时，使得,6.2.2 晶闸管串级调速系统,问题：如何在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压？ 对于转子侧输出转差功率的情况来说，比较方便的办法是，将异步电动机的转子电压先整流成直流电压，然后再引入

8、一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，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更加容易。 1. 对直流附加电势的技术要求 （1）它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求； （2）从节能的角度看，希望产生附加直流电势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。,2. 晶闸管串级调速系统组成,图6-2 晶闸管串级调速系统组成结构图,（1）UR 三相不可控整流装置，将异步电机转子电势 sEr0 整流为直流电压 Ud 。 （2）UI 三相可控变流装置，工作在有源逆变状态： 1）提供

9、可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所需的附加直流电势； 2）将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。,3. 系统工作原理,由于转子回路采用不控整流，转差功率也仅仅是单方向地由转子侧送出，回馈给电网。忽略整流器的换相影响，异步电动机转子相电势经三相整流器后的直流电势为,（6.10）,式中，2.34为三相桥式整流器的整流系数。 逆变器直流侧直流电势 为,（6.11）,式中，2.34为三相桥式逆变器的系数； UT2为变压器副边相电压有效值； 为逆变角,于是直流回路电压平衡方程为,（6.12）,式中，Id为直流回路电流；,为直流回路等效电阻。,将式（6.10）、（6.11）代入式（6.12），则有

10、,当系统在理想空载状态下运行时（Id=0）。上式变为,（6.13）,式中，s0为异步电动机在串级调速时对应于某一 角的理想 空载转差率。,代入（6.13），由此可得,（6.14）,将式,相应的理想空载转速 n0 为：,式中，ns为异步电动机的同步转速。,图6-3 异步电动机串级调速时的机械特性,6.3 绕线式异步电动机在串级调速时的机械特性,转子整流电路特点 异步电动机转子电动势相当于转子整流器的供电电源。如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。但是，两者

11、之间还存在着一些显著的差异。,6.3.1 转子整流器的外特性,主要是转子整流电路的以下不同点： （1）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化； （2）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关； （3）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。,2. 电路分析,为简化分析，作如下假设： （1）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏电流均可忽略； （2）转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷大，直流电流波形平直。 设电动机在

12、某一转差率下稳定运行，转子三相的感应电势为 era、erb、erc。当各整流器件依次导通时，必有器件间的换相过程，这时处于换相中的两相电势同时起作用，产生换相重叠压降。,图6-4 转子整流电路的电压和电流波形,换相重叠角 为,（6.15）,为s = 1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。,式中，,由式（6.15）可知，换相重叠角 随着整流电流Id的增大而增加。,当 Id 较小， 在0 60之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处开始换流，到 处结束换流，整流波形正常。 当电流 Id增大到按式（6.15）计算出来的 角大于 60时，器件在自然换相点处未能结束换流，从而迫

13、使本该在自然换相点换流的器件推迟换流，出现了强迫延迟换相现象，所延迟的角度称作强迫延时换相角 p 。,由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路有两种正常工作状态。 需要需要指出的是，强迫延时换相只说明在 Id 超过某一值时，整流器件比自然换相点滞后 p角换流，但从总体上看，6个器件在360内轮流工作，每一对器件的换流过程最多只能是60，也就是说， Id再大，也只能使 =60 不变。,（1）第一种工作状态的特征是 ， 0 60， p = 0 此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。 （2）第二种工作状态的特征是 ， = 60， 0 p 30 这时，由于强迫延迟换相

14、的作用，使得整流电路类似处于可控整流工作状态， p 角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。,3. 转子整流电路的工作状态,（3）当 时， 整流电路中会出现4个器件同时导通，形成共阳极组和 共阴极组器件双换流的重叠现象，此后 p 保持为30，而 角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状态。,时，p = 30， 60,6.3.2 串级调速系统的调速特性,1. 串级调速时转子整流电路的电流和电压 由于整流电路的不可控整流状态是可控整流状态当控制角为零时的特殊情况，所以可以直接引用可控整流电路的有关分析式来表示串级调速时转子整流电路的电流和电压。,整流电流,整流电压,

15、（6.17）,（6.16）,式中，,为折算到转子侧的电动机定子和,转子每相等效电阻。,2. 串级调速系统的调速特性,a) 主电路 b)等效电路 图6-5 串级调速系统主电路及等效电路,将 s = (n0 n ) / n0代入(6.18)，得到串级调速时的转速特性为,(6.19),如令 p = 0，则式（6.19）就代表了串级调速系统在第一工作区的调速特性。,（6.18）,根据图6-5串级调速系统主电路及等效电路可得出系统的直流回路电压平衡方程式,RL 为直流平波电抗器的电阻； XT 为折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗， XT= XT1+ X T2 ； RT 为折算到二次侧的逆变变压器每相等

16、效电阻， RT= R T1+ RT2 ； RD 为折算到转子侧的异步电动机每相等效电阻， ； XD0 为 s=1 时折算到转子侧的异步电动机每相漏抗； 是由转子漏抗引起的换相压降； 是由逆变变压器每相等效漏抗引起的换相压降。,令,（6.20）,（6.21）,（6.22）,（6.23）,则式（6.19）可简化为如下形式,在直流调速系统中，电动势系数 Ce 是常数，但在串级调速 系统中，CE是负载电流的函数，它是使转速特性成为非线性 的重要因素，故两个符号的下角标不同，以示区别。,由此可见，晶闸管串级调速系统有类似于他励直流电动机的调速特性，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

17、。 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电压； 系统中的等效电阻R相当于直流电动机电枢回路总电阻，决定了机械特性的硬度，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。 当晶闸管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将有所减小，串级调速特性变软。 随着负载的增大，p 亦增大，因而调速特性更软。,6.3.3 串级调速系统的机械特性,1. 电磁转矩方程 为求解异步电动机在串级调速工作时的机械特性，可以从转子整流电路的功

18、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，而电磁功率 ，因此电磁转矩为,（6.24）,式中，,为理想空载机械角速度 rad/s ；,CM为串级调速系统的转矩系数，是电流 Id 的函数。,与式（6.20）的电动势系数CE相比可知，CM 和CE 对Id的关系是一样的。由于 m =2n0 /60，所以 （6.25） 可见， CM和 CE的关系与他励直流电动机中Cm 和Ce 的关系完全一致。,2. 串级调速的机械特性方程,（1）第一工作区的机械特性方程 当串级调速系统在第一工作区运行时，p = 0 ，代入式（6.24）, 再令 dTe/ dt = 0，可求出电磁转矩

19、的计算最大值Te1m，经过适当的数学推导，得第一工作区的机械特性方程式：,(6.26),s1m = s1m- s10 在给定 值下，从理想空载到计算最大转矩点的转差率增量； s1 = s - s10 在相应的 值下，由负载引起的转差率增量；,s10 相应 值下的理想空载转差率； s1m 对应于计算最大转矩Te1m的临界转差率：,Te1m 系统在第一工作区的计算最大转矩。 由于在异步电动机串级调速时，负载增大到一定程度，必然会出现转子整流器的强迫延迟换相现象，系统必然会进入第二工作区。而 Te1m 是在 p= 0 的条件下由式（6.24）求得的，它只表示若系统能继续保持第一工作状态将会达到的最大

20、转矩。,（2）第二工作区的机械特性方程式,当串级调速系统在第二工作区运行时， p不等于零， = 60，代入式（6.24），再令 dTe/dt = 0，可求出第二工 作区的最大转矩值Te2m，经过适当的数学推导，得第二工作 区的机械特性方程式：,（6.27）,s2m = s2m- s20 计及强迫延时换相，对应于某一p 值时的转差率增量； s2 = s - s20 在给定 与 p值下，由负载引起的转差率增量;,式中,s20相应 与 p 值下的理想空载转差率：,(6.28),而,说明： 在用式（6.27）计算第二工作区的一段机械特性时，等号左边分母中仍用Te1m ，这是为了使第一、二工作区的机械特

21、性计算公式尽量一致，不要误解为第二工作区的最大转矩就是Te1m ，它具有另外一个最大转矩Te2m 。,从异步电动机的铭牌数据可计算出额定转矩TeN和正常运行时的最大转矩Tem 。 对串级调速系统来说，有实用意义的是第一工作区的计算最大转矩 Te1m 和第二工作区真正的最大转矩 Te2m （可证明，Te2m 对应于p= 15）。 还有第一、二工作区交界的转矩值，称作交接转矩 Te1-2 。,（3）几种最大转矩的关系和计算,（6.29）,（6.30）,（6.31）,按照上面的推导，可得,式（6.30）说明，异步电动机串级调速时所能产生的最大转矩比正常接线时减少了17.3%，这在选用电机时必须注意。

22、 另外，由式（6.31）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而异步电动机的转矩过载能力一般大于2，即Tem 2TeN，所以当电动机在额定负载下工作时，还是处于第一工作区。,异步电动机串级调速时的机械特性,图6-6 异步电动机串级调速时的机械特性,6.4 串级调速系统的技术经济指标,异步电机运行时，由电网输入的电功率为Pin ，扣除定子铜耗Pcus和铁损 PFes后为电磁功率Pm 。 电磁功率 Pm传入转子后，一部分转换为机械功率 Pmech= (1-s) Pm ； 另一部分为转差功率Ps1= sPm ， Ps1中有一部分为转子铜耗消耗在转子电阻Pcur上，另一部分（ Ps1- Pcur

23、）送入整流器，再减去整流器、逆变器、电抗器及变压器的损耗Ptan，就是回馈回交流电网的功率，即,6.4.1 串级调速系统的效率,（6.32）,电动机输出的功率为机械功率 Pmech 减去摩擦损耗 Pfr 和附加损耗 Padd,实际上，电网送给异步电动机的功率 为,（6.33）,（6.34）,为,系统总效率为,（6.35）,图6-7 串级调速系统功率流程图,6.4.2串级调速系统的功率因数及其改善途径,异步电动机本身的功率因数，除了受到电动机本身结构参数，机械负载及转差率大小影响外，还受到换相重叠引起电流落后于电压，以及平波电抗器等电路电感使转子电流畸变（非正弦波）等影响。 换相重叠使转子电流基

24、波落后于转子电压基波，也要使得电动机侧的功率因数降低。当负载较大时，转子出现强迫延迟换流现象，功率因数还要进一步降低。 逆变变压器侧的功率因数，除了由于逆变变压器要吸收无功功率，引起功率因数降低外，还因逆变器控制角使基波电流与电压产生相位差，以及逆变使电流波形畸变存在的无功畸变功率，使功率因数更低。,1. 串级调速系统的功率因数,在串级调速系统中，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为,（6.36）,S 系统总的视在功率； Qs 电动机从电网吸收的无

25、功功率； Qf 逆变变压器从电网吸收的无功功率。,式中,上述分析可见，串级调速系统的总功率因数较低， 在高速运行时，总功率因数在0.6左右， 低速时总功率因数更低。,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0.1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。,2. 改善功率因数途径,（1）采用两组逆变器，不对称控制。 （2）采用具有强迫换相功能的逆变器，产生容性无功功率。 （3）在电机转子直流回路中加斩波控制电路。,6.4.3 串级调速装置的电压和容量,串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外为

26、实现串级调速而附加的所有功率部件，包括转子整流器、逆变器和逆变变压器。 从经济角度出发，必须正确合理地选择这些附加设备的电压和容量，以提高整个调速系统的性能价格比。,1. 整流器和逆变器容量的选择,主要依据其电流与电压的定额。 电流定额决定于异步电动机转子的额定电流IrN和所拖动的负载； 电压定额则决定于异步电动机转子的额定相电压（即转子开路电动势 Er0 ）和系统的调速范围 D。,采用串级调速的异步电动机在电动运行时的最高转速 等于同步转速，则有,（6.37）,其中， nmin 是调速系统的最低转速，对应于最大理想空载转差率 smax ，由式（6.14）可得,（6.38）,调速范围越大时，

27、smax也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高（ smax Er0 ）。,2. 逆变变压器容量的选择,在交流串级调速系统中，设置逆变变压器的主要目的： 取得能与被控电动机转子相匹配的逆变电压， 其次是把逆变器与交流电网隔离，以抑制电网的浪涌电压对晶闸管的影响。,（2）逆变变压器的容量,（1）逆变变压器的二次侧相电压,6.4.4斩波控制的串级调速系统,串级调速系统功率因数差的一个重要原因就是采用了相位控制的逆变器，控制角 越大时，逆变器从电网吸收的无功功率越多。 如果用斩波器来控制直流电压，而将逆变器的控制角设定为允许的最小值不变，即可降低无功的消耗，而提高系统功率因数。 图6-8为斩波控制的串

28、级调速系统原理图，该系统由起动单元、整流器单元、斩波单元和有源逆变单元组成。 逆变单元的逆变角固定在最小值，产生一恒定的最大附加直流反电势，而等效电势大小的调节由斩波器来完成。,图6-8 斩波控制串级调速系统原理图,1.起动单元 起动单元由频敏变阻器（PF）、接触器1KM、接触器2KM构成。 大型绕线式异步电动机，起动电流较大，起动时对电网造成较大的冲击，为减少起动电流，使电机平稳起动，在高频斩波串级调速系统中，加设了自动切换的起动装置。 在电机起动时，1KM闭合，2KM打开，电机转子串入三相频敏变阻器PF。频敏变阻器的电阻与流过的电流的,频率成正比关系，当电机起动时，电机转速为零，转子电流频

29、率最高，为工频频率，此时频敏变阻器阻值也较高，从而限制了起动电流。 随着电机转速的增加，转子电流频率逐渐减少，频敏变阻器阻值也逐渐减小。 当电机定子电流低于设定的允许值时，装置自动将2KM闭合，切除频敏变阻器，完成起动过程。 2.整流单元 整流单元为三相全波整流，将转子电流转换为直流电流。 3.斩波单元 系统的斩波控制采用功率器件IGBT，可使斩波频率得到进一步提高，直流电流更为平稳，系统体积更小、更为紧凑。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率,（即PWM脉宽调制的占空比），来改变串入转子回路的等效电势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的。同时通过逆变变压器将转差功率吸收

30、并回馈至电网，使得系统损耗达到最小。 将逆变器的逆变角固定在最小，获得最大反电势：,(6.39),通过PWM调制斩波电子开关，调节等效反电势的大小,式中，为占空比，改变占空比，即可调节等效反电势的 大小，从而调节异步电动机的转速。,(6.40),4.逆变单元 逆变部分为三相全桥有源逆变器，装置工作于调速状态时，将经斩波控制后的转差功率逆变至逆变变压器。 逆变触发角为最小的固定值，克服了移相触发对触发脉冲和换相要求严格、脉冲移动范围大、抗干扰能力差、易颠覆、功率因数低等缺点。 同步信号取自逆变变压器的电压信号。,6.5 双闭环串级调速系统,由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只

31、能用于对调速精度要求不高的场合。 为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。 双闭环串级调速系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。 由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。,图6-9 双闭环控制的串级调速系统组成结构图,转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电机； 电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通

32、过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。 为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为 = min,6.5.2 串级调速系统的动态数学模型,（6.41）,1转子直流回路的传递函数 串级调速系统转子直流回路的动态电压平衡方程式为,式中，,为当 s = 1 时转子整流器输出的空载电压，,；,为逆变器直流侧的空载电压，,L 为转子直流回路总电感，LL 为平波电抗器电感，,L = 2LD0 + 2LT + LL,；,；,为转子直流回路总等效电阻，,把,代入式（6.41）得,（6.42）,为转子直流回路的时间常数，,；,为转子直流回路的放大系数，,。,式中，,转

33、子直流回路的传递函数,（6.43）,图6-10 转子直流回路 动态结构图,2异步电动机的传递函数,电力拖动系统的运动方程式：,（6.44）,（6.45）,由式（6.24）有,令,这里的转矩系数并不是常数，而是电流的函数，式（6.47） 所表示的是一个非线性环节。,（6.47）,则,（6.46）,同样取,，,是对应的非线性负载电流，由式（6.44）,（6.49）,（6.48）,则可推得异步电动机在串级调速时的传递函数为,TM 与 R 、CE 、CM 都有关系，所以不是常数，而是 Id 和 n 的函数。,3串级调速系统的动态结构图,图6-11 双闭环控制串级调速系统动态结构图,6.5.3串级调速系

34、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。 1. 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，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。,图6-12 串级调速系统起动控制原理框图,间接起动操作顺序： （1）先合上装置电源总开关 S

35、，使逆变器在 min 下等待工作。 （2）然后依次接通接触器 K1，接入起动电阻R，再接通K0，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。 （3）待起动到所设计的 nmin（smax）时接通 K2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开 K1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。 停车操作顺序： （1）由于没有制动作用，应先断开 K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离； （2）再断开 K0 ，以防止当 K0 断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。,2.直接起动 直接起动又称串级调速方式起动，在起动时让逆变器先于电动机接通交流电网，

36、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。 直接起动操作顺序为： （1）接触器的工作顺序为 SK0K2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，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。,6.5.4 串级调速系统的工程应用在穿孔轧机上的 应用,穿孔轧机简称穿孔机，是无缝钢管车间用以轧制无缝钢管的一种大型轧钢设备。它是用来完成工艺流程中穿孔工序的，加热后的实心圆钢坯料，被穿孔

37、机上高速旋转着的轧辊咬入后，借助于导板和顶头的作用，使坯料穿孔变形。再由后一道工序进一步进行加工。主电机一般采用绕线式异步电动机。 1. 穿孔机对调速系统的要求 调速范围应大于3：1； 不可逆，稳速轧制穿孔，没有快速制动要求； 穿孔机承受重复短时工作制负载，要求调速装置在低速运行时仍具有较大的过载能力； 要求系统的静态速降和动态速降要小，以保证无缝钢管表面的加工质量和壁厚的均匀性；,调速系统应具有转矩截止特性，以避免因坯料温度过低、设备故障、压下量过大等因素造成电机和机械设备损坏； 电动机能完全脱离串级调速装置，在正常接线方式下“高速”运转，同时能迅速方便地进入调速状态低速运行。 2. 系统控

38、制方案 根据穿孔机对运动控制系统的要求，采用低同步晶闸管串级调速是很合适的，它能满足上面所提及的有关调速范围、过载能力和静态特性的要求。 按串级调速系统电动机的最大转矩值为原来固有最大转矩的0.826倍计算，本电动机原过载能力为2.4倍，故仍具有2.4*0.826=2倍的过载能力。 为了满足动态和静态特性的要求，采用了电流内环和速度外环的典型双闭环调速系统,MA_ 主电动机；U1_ 二极管三相桥式整流器；U2 、U3_三相桥式晶闸管逆变器； TA_电流互感器；BRT_转速传感器；Ld_ 平波电抗器；QF_ 直流快速开关； 13QF_断路器；RF_ 频敏变阻器；13KM_交流接触器 图6-13

39、串级调速系统电气原理图,为了减小串级调速装置的容量和满足电动机能完全脱离串级调速装置“高速”运转的要求，系统采用了附加频敏变阻器进行起动。起动完毕后，若要转入“调速”状态低速运行，可将交流接触器2KM接通、3KM断开即可切换至串级调速状态运行。 系统采用了两组逆变器串接方式，虽然多了一些设备，但带来如下好处： （1）可以用普通的电力变压器作为逆变变压器使用，不必再制作二次侧特殊规格电压的逆变变压器。 （2）由于每台逆变变压器二次侧电压降低了一半，因而逆变器中元件耐压要求也降低一半，便于元件的选用。 （3）当在调速范围不大的情况下运行时，可以只投入其中一组逆变器运行，以提高系统的功率因数。两组逆

40、变器可以互为备用，一组故障时，另一组仍能单独投入正常运行。 （4）通过两组逆变器触发脉冲移相的特殊组合控制方式，可以改善串级调速系统运行的功率因数，减小电网电压波形的畸变，提高运行的稳定性和可靠性。,6.7 绕线式异步电动机双馈调速系统6.7.1 绕线式异步电动机双馈调速系统的工作原理,与,（6.50）,在6.2.1式（6.9）基础上，当,同相时，,转子回路的相电流表达式为,当,，,此时转速上升，转子电动势,随之减小，转子电流,也逐渐减小，,直至转差率 s 减小到,时，使得,，,当 s=0 以后，如果,同步转速。此时电动机的轴上输入功率由定子侧与转子侧 两部分输入功率合成，电动机处于定、转子双

41、输入状态， 这就是双馈调速系统的基本工作原理。,继续增大，s0，此时转速可高于,可见，绕线式异步电动机的双馈是指定、转子三相绕组分别接到两个独立的三相对称电源， 其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源，而转子电源的电压幅值、频率和相位按运行要求分别进行调节的电源。 异步电机双馈调速系统工作时，其转子电路应连接一台变频器作为功率变换单元，以供给转子绕组所需频率的电功率，控制这个电功率即可实现调速。 这台变频器可以用交-直-交变频器或交-交变频器，在双馈调速时常用后者。,由于双馈调速系统与串级调速系统相似都适用于大功率、有限调速范围的场合，一般调速范围仅为1.41.5。交-交变频器是一种功率可双向

42、传输的静止变频器，只有一次功率转换，适用于大功率变频场合，其输出频率仅为输入频率的1/31/2，所以用于双馈调速是合理的。 由于双馈调速系统的异步电动机转子电势频率是随转速的变化而变化的。因此，要求在任何转速下，变频器输出的电压应与转子电势同频率。有两种办法可以实现这种要求：一为他控式；一为自控式。 他控式在运行中，电动机可能发生失步现象，也会出现转子振荡等问题。因此，他控式异步电动机双馈调速系统在实际工作中，一般都不采用。 自控式是在绕线式异步电动机的转轴上安装转子频率检测器 。,图6-14 绕线式异步电动机双馈调速系统组成框图,转子频率检测器检测转子频率信号，利用此信号去控制交-交变频器输

43、出电压的频率，可以达到转子频率自控的目的。即在进行异步电动机双馈调速时，交-交变频器输出电压的频率能自动跟踪转子电势的频率，从而避免了上述的失步现象。 这种控制方式的异步电动机可以拖动冲击性负载，其过载能力及抗干扰能力都很强，再加上定子功率因数可凋，已用于某些调速场合，例如，用于轧钢机和抽水蓄能电站中。 速度给定信号 n* 的大小和极性决定着交-交变频器输出电压的大小及相位，并使电动机根据需要在同步转速以下（次同步）、同步转速以及高于同步转速（超同步）范围内运行，调速范围在 之间。 绕线式异步电动机双馈调速系统起动时，必须先将转子绕组接到起动电阻上，以减小起动电流，增大起动转矩，待电动机转速上

44、升到设计值时，再将交-交变频器投入运行。,6.7.2 双馈调速系统的各种运行状态及功率传递关系,式中，Pm为从电机定子传入转子（或由转子传出给定子） 的电磁功率； sPm为输入或输出转子电路的功率，即转差功率； (1-s)Pm为电机轴上输出或输入的功率。 由于转子侧串入附加电势极性和大小的不同， s 和 Pm都可正可负，因而可以有以下五种不同的工作状态。,忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的 功率关系为,（6.51）,1. 电机在次同步转速下作电动运行（0 s 1）,图6-15 a） 次同步转速的电动状态,转子回路串入的附加电动势 与 转子电动势 相位相反，这时转子电流与 的相位相

45、同， 此时转差功率 被装置 所吸收，并借助 装置将转差功率回馈给交流电网。 电机从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，电机在低于同步转速下作电动运行，故称为次同步转速的电动运行。,2. 电机在反转时作倒拉制动运行（s 1）,图6-15 b）反转倒拉制动状态,电机轴上带有位能性恒转 矩负载（这是进入倒拉制 动运行的必要条件） 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。 由于这种运转状态时回馈 的转差功率值很大，所以 要求装置的容量很大，故一般不宜应用在这种状态。,3. 电机在超同步转速下作回馈制动运行（s 0）,图6-15c） 超同步转速

46、回馈制动状态,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ns 的情况下运行。 此时，电机处在发电状 态，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 与转子侧外串的装置馈送 至电网，电机将作回馈制 动运行。,4. 电机在超同步转速下作电动运行（s 0）,图6-15 d） 超同步转速电动状态,转子回路串入的附加电动势 与 转子电势 相位相同，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 ，s 0，电机将加速到超过其同步转速的新转速，即电机在超同步转速下稳定运行。 电机的轴上输入功率由定子侧与转子侧两部分输入功率

47、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。,5. 电机在次同步转速下作回馈制动运行（0 s 1）,图6-15e） 次同步转速回馈制动状态,设电机原在低于同步转速下作电动运行，0 s 1，其转子侧已加入一定的与转子电势 相位相反的附加电势 。 要使之进入制动状态，使 大于制动初瞬 ， 变为负值，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。 电机定子侧输出功率给电网。,图6-15 绕线式异步电动机在转子串附加电势时的运转状态及其功率传递关系,6.7.3 双馈调速的应用绕线式异步风力发电机组,中国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为3226gw，其中可利用风能约为253gw，因此，风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一。 风力发电系统主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。 恒速恒频