轉差功率饋送型調速系統(tǒng)

關于轉差功率饋送型調速系統(tǒng)第1頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

7.0引言

轉差功率問題轉差功率始終是人們在研究異步電動機調速方法時所關心的問題，因為節(jié)約電能是異步電動機調速的主要目的之一，而如何處理轉差功率又在很大程度上影響著調速系統(tǒng)的效率。如第5章所述，交流調速系統(tǒng)按轉差功率的處理方式可分為三種類型。

第2頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

交流調速系統(tǒng)按轉差功率的分類

（1）轉差功率消耗型——異步電機采用調壓控制等調速方式，轉速越低時，轉差功率的消耗越大，效率越低；但這類系統(tǒng)的結構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。（2）轉差功率不變型——變頻調速方法轉差功率很小，而且不隨轉速變化，效率較高；但在定子電路中須配備與電動機容量相當?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設備成本最高。第3頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

交流調速系統(tǒng)按轉差功率的分類（續(xù)）

（3）轉差功率饋送型——控制繞線轉子異步電動機的轉子電壓，利用其轉差功率并達到調節(jié)轉速的目的，這種調節(jié)方式具有良好的調速性能和效率；但要增加一些設備。

前兩章已分別討論了轉差功率消耗型和不變型兩種調速方法，本章將討論轉差功率饋送型調速方法。返回目錄第4頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六7.1異步電機雙饋調速工作原理

本節(jié)提要概述異步電機轉子附加電動勢的作用異步電機雙饋調速的五種工況第5頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六轉差功率的利用眾所周知，作為異步電動機，必然有轉差功率，要提高調速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉差功率外，還可以考慮如何去利用它。但要利用轉差功率，就必須使異步電動機的轉子繞組有與外界實現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電動機難以勝任，只有繞線轉子電動機才能做到。7.1.0概述第6頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六繞線轉子異步電動機

PsP1

繞線轉子異步電動機結構如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉差功率可以分別向定子和轉子饋入，也可以從定子或轉子輸出，故稱作雙饋電機。第7頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六~

繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速

根據(jù)電機理論，改變轉子電路的串接電阻，可以改變電機的轉速。轉子串電阻調速的原理如圖所示，調速過程中，轉差功率完全消耗在轉子電阻上。PmPmechPs第8頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

雙饋調速的概念

所謂“雙饋”，就是指把繞線轉子異步電機的定子繞組與交流電網(wǎng)連接，轉子繞組與其他含電動勢的電路相連接，使它們可以進行電功率的相互傳遞。

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，則要視電機的工況而定。

第9頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

雙饋調速的基本結構功率變換單元電網(wǎng)K1M3

~K2TI第10頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

如上圖所示，在雙饋調速工作時，除了電機定子側與交流電網(wǎng)直接連接外，轉子側也要與交流電網(wǎng)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。第11頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率變換單元

由于轉子電動勢與電流的頻率隨轉速變化，即f2=sf1，因此必須通過功率變換單元（PowerConverterUnit—CU）對不同頻率的電功率進行電能變換。對于雙饋系統(tǒng)來說，CU應該由雙向變頻器構成，以實現(xiàn)功率的雙向傳遞。第12頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

雙饋調速的功率傳輸（1）轉差功率輸出狀態(tài)

異步電動機由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運行時，它從電網(wǎng)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；

CUP1PsM3

~Pmech第13頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六（2）轉差功率輸入狀態(tài)

當電機以發(fā)電狀態(tài)運行時，它被拖著運轉，從軸上輸入機械功率，經(jīng)機電能量變換后以電功率的形式從定子側輸出（饋出）到電網(wǎng)。

PsP1M3

~CUPmech第14頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六7.1.1異步電機轉子附加電動勢的作用異步電機運行時其轉子相電動勢為

式中s—異步電動機的轉差率；

Er0—繞線轉子異步電動機在轉子不動時的相電動勢，或稱轉子開路電動勢，也就是轉子額定相電壓值。(7-1)第15頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六轉子相電流的表達式為：式中Rr—轉子繞組每相電阻；

Xr0

—s=1時的轉子繞組每相漏抗。(7-2)第16頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子附加電動勢

圖7-1繞線轉子異步電動機轉子附加電動勢的原理圖~~~~附加電動勢與轉子電動勢有相同的頻率，可同相或反相串接。

引入可控的交流附加電動勢第17頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六有附加電動勢時的轉子相電流：如圖7-1所示，繞線轉子異步電動機在外接附加電動勢時，轉子回路的相電流表達式(7-3)第18頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子附加電動勢的作用1.

Er

與Eadd

同相當Eadd

，使得：這里：

轉速上升；第19頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六轉子附加電動勢的作用（續(xù)）當Eadd

，使得：這里：轉速下降；第20頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六轉子附加電動勢的作用（續(xù)）2.Er

與Eadd反相同理可知，若減少或串入反相的附加電動勢，則可使電動機的轉速降低。所以，在繞線轉子異步電動機的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。

第21頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六7.1.2異步電機雙饋調速的五種工況

本節(jié)摘要電機在次同步轉速下作電動運行電機在反轉時作倒拉制動運行電機在超同步轉速下作回饋制動運行電機在超同步轉速下作電動運行電機在次同步轉速下作回饋制動運行第22頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

異步電機的功率關系

忽略機械損耗和雜散損耗時，異步電機在任何工況下的功率關系都可寫作（7-4）

式中Pm

—從電機定子傳入轉子（或由轉子傳出給定子）的電磁功率，

sPm—輸入或輸出轉子電路的功率，即轉差功率，

(1-s)Pm—電機軸上輸出或輸入的功率。

第23頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

由于轉子側串入附加電動勢極性和大小的不同，s和Pm

都可正可負，因而可以有以下五種不同的工作情況。第24頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六1.電機在次同步轉速下作電動運行工作條件：轉子側每相加上與Er0

同相的附加電動勢+Eadd（Eadd<Er0），并把轉子三相回路連通。運行工況：電機作電動運行，轉差率為0<s<1，從定子側輸入功率，軸上輸出機械功率。第25頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a）次同步速電動狀態(tài)

~第26頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六2.電機在反轉時作倒拉制動運行工作條件：

軸上帶有位能性恒轉矩負載（這是進入倒拉制動運行的必要條件），此時逐漸減少+Eadd

值，并使之反相變負，只要反相附加電動勢–Eadd

有一定數(shù)值，則電機將反轉。第27頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六運行工況：電機進入倒拉制動運行狀態(tài)，轉差率s

1，此時由電網(wǎng)輸入電機定子的功率和由負載輸入電機軸的功率兩部分合成轉差功率，并從轉子側饋送給電網(wǎng)。式（7-4）可改寫作第28頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率流程b）反轉倒拉制動狀態(tài)Te012s-n-n1PmCU第29頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六3.電機在超同步轉速下作回饋制動運行工作條件：進入這種運行狀態(tài)的必要條件是有位能性機械外力作用在電機軸上，并使電機能在超過其同步轉速n1的情況下運行。此時，如果處于發(fā)電狀態(tài)運行的電機轉子回路再串入一個與sEr0

反相的附加電動勢+Eadd

，電機將在比未串入+Eadd

時的轉速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。第30頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六運行工況：電機處在發(fā)電狀態(tài)工作，s

1，電機功率由負載通過電機軸輸入，經(jīng)過機電能量變換分別從電機定子側與轉子側饋送至電網(wǎng)。此時式（7-4）可改寫成

第31頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率流程c）超同步速回饋制動狀態(tài)

-TePmCU第32頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六4.電機在超同步轉速下作電動運行工作條件：

設電機原已在0<s<1作電動運行，轉子側串入了同相的附加電動勢+Eadd，軸上拖動恒轉矩的反抗性負載。

當接近額定轉速時，如繼續(xù)加大+Eadd電機將加速到的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即電機在超過其同步轉速下穩(wěn)定運行。第33頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六運行工況：電機的軸上輸出功率由定子側與轉子側兩部分輸入功率合成，電機處于定、轉子雙輸入狀態(tài)，其輸出功率超過額定功率，式（7-4）改寫成第34頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率流程d）超同步速電動狀態(tài)

PmTeCU第35頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六5.電機在次同步轉速下作回饋制動運行工作條件：很多工作機械為了提高其生產(chǎn)率，希望電力拖動裝置能縮短減速和停車的時間，因此必須使運行在低于同步轉速電動狀態(tài)的電機切換到制動狀態(tài)下工作。設電機原在低于同步轉速下作電動運行，其轉子側已加入一定的+Eadd

。要使之進入制動狀態(tài)，可以在電機轉子側突加一個反相的附加電動勢。第36頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

運行工況

在低于同步轉速下作電動運行，Eadd

由“+”變?yōu)椤?”，并使|-Eadd|大于制動初瞬的sEr0，電機定子側輸出功率給電網(wǎng)，電機成為發(fā)電機處于制動狀態(tài)工作，并產(chǎn)生制動轉矩以加快減速停車過程。電機的功率關系為第37頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率流程e）次同步速回饋制動狀態(tài)

Pm-TeCU第38頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六五種工況小結圖7-2異步電機在轉子附加電動勢時的工況及其功率流程

五種工況都是異步電機轉子加入附加電動勢時的運行狀態(tài)。在工況a,b,c中，轉子側都輸出功率，可把轉子的交流電功率先變換成直流，然后再變換成與電網(wǎng)具有相同電壓與頻率的交流電功率。第39頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六a）轉子輸出功率的工況TICU2CU1sEr0~M3~圖7-4異步電機轉子側連接的功率變換單元第40頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六b）轉子輸入功率的工況

圖7-4異步電機轉子側連接的功率變換單元TICU2CU1sEr0~M3~返回目錄第41頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六7.2異步電機在次同步電動狀態(tài)下的

雙饋系統(tǒng)——串級調速系統(tǒng)

本章摘要串級調速系統(tǒng)的工作原理

串級調速系統(tǒng)的其它類型

第42頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六基本思路如前所述，在異步電機轉子回路中附加交流電動勢調速的關鍵就是在轉子側串入一個可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？對于只用于次同步電動狀態(tài)的情況來說，比較方便的辦法是將轉子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的直流電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調節(jié)異步電動機的轉速。這樣，就把交流變壓變頻這一復雜問題，轉化為與頻率無關的直流變壓問題，對問題的分析與工程實現(xiàn)都方便多了。7.2.1串級調速系統(tǒng)的工作原理

第43頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

對直流附加電動勢的技術要求

首先，它應該是可平滑調節(jié)的，以滿足對電動機轉速平滑調節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉子側傳遞來的轉差功率并加以利用。

第44頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

系統(tǒng)方案

根據(jù)以上兩點要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源，這就形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。按照上述原理組成的異步電機在低于同步轉速下作電動狀態(tài)運行的雙饋調速系統(tǒng)如圖7-5所示，習慣上稱之為電氣串級調速系統(tǒng)（或稱Scherbius系統(tǒng)）。

第45頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六圖7-5電氣串級調速系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)組成第46頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率變換單元UR—三相不可控整流裝置，將異步電機轉子相電動勢sEr0

整流為直流電壓Ud

。UI—三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：可提供可調的直流電壓Ui

，作為電機調速所需的附加直流電動勢；可將轉差功率變換成交流功率，回饋到交流電網(wǎng)。第47頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

工作原理（1）起動起動條件：

對串級調速系統(tǒng)而言，起動應有足夠大的轉子電流Ir

或足夠大的整流后直流電流Id

，為此，轉子整流電壓Ud

與逆變電壓Ui

間應有較大的差值。第48頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

起動控制控制逆變角，使在起動開始的瞬間，Ud與Ui

的差值能產(chǎn)生足夠大的Id

，以滿足所需的電磁轉矩，但又不超過允許的電流值，這樣電動機就可在一定的動態(tài)轉矩下加速起動。隨著轉速的增高，相應地增大角以減小值Ui

，從而維持加速過程中動態(tài)轉矩基本恒定。第49頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六工作原理（續(xù)）（2）調速調速原理：通過改變角的大小調節(jié)電動機的轉速。調速過程：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId第50頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六工作原理（續(xù)）（3）停車串級調速系統(tǒng)沒有制動停車功能。只能靠減小角逐漸減速，并依靠負載阻轉矩的作用自由停車。第51頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六結論串級調速系統(tǒng)能夠靠調節(jié)逆變角實現(xiàn)平滑無級調速系統(tǒng)能把異步電動機的轉差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉差功率得到有效利用，大大提高了調速系統(tǒng)的效率。返回目錄第52頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.3異步電動機串級調速時的機械特性本節(jié)提要概述異步電動機串級調速機械特性的特征異步電動機串級調速時的轉子整流電路異步電動機串級調速機械特性方程式第53頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六概述在串級調速系統(tǒng)中，異步電動機轉子側整流器的輸出量、分別與異步電動機的轉速和電磁轉矩有關。因此，可以從電動機轉子直流回路著手來分析異步電動機在串級調速時的機械特性。第54頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.3.1異步電動機串級調速機械特性的特征1.理想空載轉速在異步電動機轉子回路串電阻調速時，其理想空載轉速就是其同步轉速，而且恒定不變，調速時機械特性變軟，調速性能差。在串級調速系統(tǒng)中，電動機的極對數(shù)與旋轉磁場轉速都不變，同步轉速也是恒定的，但是它的理想空載轉速卻能夠連續(xù)平滑地調節(jié)。第55頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

根據(jù)式（7-5），當系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運行時（Id=0），轉子直流回路的電壓平衡方程式變成

其中，s0—異步電動機在串級調速時對應于某一角的理想空載轉差率，并取K1=K2，則

(7-6)第56頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

理想空載轉速方程由此可得相應的理想空載轉速n0為：

(7-7)式中nsyn—異步電動機的同步轉速。

第57頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

特性分析從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級調速時，理想空載轉速與同步轉速是不同的。當改變逆變角時，理想空載轉差率和理想空載轉速都相應改變。由式（7-5）還可看出，在不同的角下，異步電動機串級調速時的機械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動機變壓調速的機械特性。第58頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六2．機械特性的斜率與最大轉矩

串級調速時，轉子回路中接入了串級調速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實際上相當于在電動機轉子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉速下都存在。由于轉子回路電阻的影響，異步電動機串級調速時的機械特性比其固有特性要軟得多。第59頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子回路電阻的影響當電機在最高速的特性上（

=90°）帶額定負載，也難以達到其額定轉速。整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強迫延遲導通現(xiàn)象，使串級調速時的最大電磁轉矩比電動機在正常接線時的最大轉矩有明顯的降低。

這樣，串級調速時的機械特性便如圖7-7所示。

第60頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

串級調速時的機械特性圖圖7-7異步電動機串級調速時的機械特性a)大電機b)小電機第61頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

從圖7-5中可以看出，異步電動機相當于轉子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側，則轉子繞組相當于二次側，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術中分析整流電路的一些結論來研究串級調速時的轉子整流電路。但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：*7.3.2異步電動機串級調速時的轉子整流電路第62頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動機轉子繞組感應電動勢的幅值與頻率都是變化的，隨電機轉速的改變而變化；（2）異步電動機折算到轉子側的漏抗值也與轉子頻率或轉差率有關；（3）由于異步電動機折算到轉子側的漏抗值較大，所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴重，從而在負載較大時會引起整流器件的強迫延遲換相現(xiàn)象。

整流電路的不同點第63頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六1.轉子整流電路圖7-8轉子整流電路

第64頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六2.電路分析假設條件：（1）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（2）轉子直流回路中平波電抗器的電感為無窮大，直流電流波形平直；（3）忽略電動機勵磁阻抗的影響。第65頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

換相重疊現(xiàn)象

設電動機在某一轉差率下穩(wěn)定運行，轉子三相的感應電動勢為era、erb、erc。當各整流器件依次導通時，必有器件間的換相過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。第66頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

換相重疊波形換相重疊壓降換相重疊角第67頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

根據(jù)《電力電子技術》中介紹的理論，換相重疊角為

換相重疊角（7-8）

其中XD0—s=1時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。第68頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流電流Id的增大而增加。當Id較小，在0°~60°之間時，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。第69頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六當電流Id增大到按式（7-8）計算出來的角大于60°時，器件在自然換相點處未能結束換流，從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角p

。由此可見，串級調速時的異步電動機轉子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。第70頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子整流電路的工作狀態(tài)

（1）第一種工作狀態(tài)的特征是

0≤

≤60°，p

=0

此時，轉子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是=

60°，0<p

<30°

這時，由于強迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)，p角相當于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。第71頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子整流電路的工作狀態(tài)（續(xù)）

（3）當=30°時，整流電路中會出現(xiàn)4個器件同時導通，形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后p保持為30°，而角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。第72頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子整流電流與

、p間的函數(shù)關系

圖7-9轉子整流電路的

=f(Id)，p

=f(Id)Id1-2第73頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

串級調速時轉子整流電路的電流和電壓

由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當控制角為零時的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關分析式來表示串級調速時轉子整流電路的電流和電壓。(7-9)第74頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

串級調速時轉子整流電路的電壓式中RD=sRs+Rr為折算到轉子側的電動機定子和轉子每相等效電阻。

(7-10)第75頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六上兩式中，當0<p

<30°，

=60°時表示轉子整流電路工作在第二工作區(qū)；當p

=0，

=0~60°時表示轉子整流電路工作在第一工作區(qū)。第76頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.3.3異步電動機串級調速機械特性方程式

圖7－10串級調速系統(tǒng)a）主電路b）等效電路

1.

電路結構第77頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六2.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程轉子整流電路的輸出電壓為逆變器直流側電壓電壓平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)第78頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六以上三式中

RL——直流平波電抗器的電阻；

XT

——折算到二次側的逆變變壓器每相等效漏抗，XT=XT

1'+XT

2。

RT——折算到二次側的逆變變壓器每相等效電阻，RT

=RT

1'+RT

2

。

第79頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六3.轉差率與轉速方程

解式（7－11）~式（7－13），可以得到用轉差率表示的方程式（7-14）

第80頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉速特性方程

將s=(n0–n)/n0代入上式，得到串級調速時的轉速特性為(7-15)

如令p=0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉速特性。第81頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

分析式（7-15）可以看出，等號右邊分子中的第一項是轉子直流回路的直流電壓（7-16）

第二項相當于回路中的總電阻壓降，可以寫作IdR，而分母則是轉子整流器的輸出電壓。第82頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

等效電動勢系數(shù)公式

如借用直流電動機的概念和有關算式，引入電動勢系數(shù)CE，使（7-17）

第83頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉速特性方程的直觀形式則式（7-15）可改寫成

（7-18）

其中，

第84頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六注意：在直流調速系統(tǒng)中，電動勢系數(shù)Ce是常數(shù)，但在串級調速系統(tǒng)中，CE是負載電流的函數(shù)，它是使轉速特性成為非線性的重要因素，故兩個符號的下角不同，以示區(qū)別。第85頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六兩種轉速特性的比較式（7-18）表明，異步電動機串級調速系統(tǒng)與直流它勵電動機的轉速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動的調速特性。在直流調速系統(tǒng)中，須直接改變電壓U；而在異步電動機串級調速系統(tǒng)中，它是通過改變式（7-16）第二項中的控制角來實現(xiàn)的。第86頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六兩種轉速特性的比較（續(xù)）在串級調速系統(tǒng)中總電阻R較大，系統(tǒng)的調速特性較軟；對于p0的第二工作區(qū)，計及p的影響，在同一逆變角下的電壓更小，相當于也發(fā)生變化，因而調速特性更軟。第87頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六4.電磁轉矩方程

轉差功率可以從轉子整流電路的功率傳遞關系入手，暫且忽略轉子銅耗，則轉子整流器的輸出功率就是電動機的轉差功率第88頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

電磁轉矩公式而電磁功率Pm=Ps/s，因此電磁轉矩為（7-19）

0——理想空載機械角轉速rad/s

；CM——串級調速系統(tǒng)的轉矩系數(shù)，

式中

第89頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六因為，它也是電流Id的函數(shù)。與式（7-17）的電動勢系數(shù)CE相比可知，CM和CE對Id的關系是一樣的。由于0=2n0/60，所以

（7-20）可見，CM和CE的關系與直流他勵電動機中Cm和Ce的關系完全一致。第90頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六5.串級調速的機械特性方程

當串級調速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運行時，p=0，代入式（7-19），再令dTe/dt=0，可求出電磁轉矩的計算最大值Te1m，經(jīng)過適當?shù)臄?shù)學推導，得第一工作區(qū)的機械特性方程式：

第91頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六第一工作區(qū)的機械特性方程式

(7-21)s1m

=s1m-s10——在給定值下，從理想空載到計算最大轉矩點的轉差率增量；s1

=s-s10——在相應的值下，由負載引起的轉差率增量；式中

第92頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六s10——相應值下的理想空載轉差率；s1m——對應于計算最大轉矩Te1m的臨界轉差率：(7-22)第93頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六Te1m——系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計算最大轉矩”。由于在異步電動機串級調速時，負載增大到一定程度，必然會出現(xiàn)轉子整流器的強迫延遲換相現(xiàn)象，也就是說，系統(tǒng)必然會進入第二工作區(qū)。而Te1m是在p=0的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會達到的最大轉矩。第94頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六第二工作區(qū)的機械特性方程式

(7-23)s2m

=s2m-s20——計及強迫延時換相，對應于某一p值時的轉差率增量；s2

=s-s20——在給定與p值下，由負載引起的轉差率增量;式中第95頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

s20——相應與p

值下的理想空載轉差率：(7-24)而第96頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六注意：在用式（7-23）計算第二工作區(qū)的一段機械特性時，等號左邊分母中仍用Te1m，這是為了使第一、二工作區(qū)的機械特性計算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉矩就是Te1m，它具有另外一個最大轉矩Te2m。第97頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

幾種最大轉矩的關系和計算

從異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)可計算出額定轉矩TeN和正常運行時的最大轉矩Tem

。對串級調速系統(tǒng)來說，有實用意義的是第一工作區(qū)的計算最大轉矩Te1m和第二工作區(qū)真正的最大轉矩Te2m

（可證明，Te2m對應于p=15°）。還有第一、二工作區(qū)交界的轉矩值，稱作交接轉矩Te1-2

。第98頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六按照上面的推導，可得[40]（7-25）

（7-26）

（7-27）

第99頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

式（7-26）說明，異步電動機串級調速時所能產(chǎn)生的最大轉矩比正常接線時減少了17.3%，這在選用電機時必須注意。另外，由式（7-27）可知，Te1-2=0.716Tem，而異步電動機的轉矩過載能力一般大于2，即Tem≥2TeN，所以當電動機在額定負載下工作時，還是處于第一工作區(qū)。第100頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六6.異步電動機串級調速時的機械特性

圖7-11異步電動機串級調速時的機械特性返回目錄s20第101頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六本節(jié)提要串級調速系統(tǒng)的效率串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑斬波控制的串級調速系統(tǒng)串級調速裝置的電壓和容量*7.4串級調速系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標

及其提高方案第102頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.4.1串級調速系統(tǒng)的效率圖7-12串級調速系統(tǒng)效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞b)系統(tǒng)的功率流程圖第103頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

串級調速系統(tǒng)功率流程

在串級調速時（圖7-12a），Ps未被全部消耗掉，而是扣除了轉子銅損PCur、雜散損耗Ps

和附加的串級調速裝置損耗Ptan后通過轉子整流器與逆變器返回電網(wǎng)，這部分返回電網(wǎng)的功率稱作回饋功率Pf

。對整個串級調速系統(tǒng)來說，它從電網(wǎng)吸收的凈有功功率應為Pin=P1–Pf

。第104頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

串級調速系統(tǒng)效率及比較串級調速系統(tǒng)的總效率

(7-28)式中∑p

是異步電動機定子和轉子內的總損耗；

ptan附加的串級調速傳動(tandemdrive)裝置損耗

。第105頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

在串級調速系統(tǒng)中，當電動機的轉速降低時，如果負載轉矩不變，∑p和ptan都基本不變，式（7-28）分子和分母中的項隨著的增大而同時減少，對值的影響并不太大。

第106頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子回路串電阻調速的效率

當電動機轉子回路串電阻調速時，調速系統(tǒng)的效率是=其中，Pm(1-s)

項隨s的變化和串級調速時一樣，而所串電阻越大時，pCus越大，∑p也越大，因而效率R越低，幾乎是隨著轉速的降低而成比例地減少。

第107頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

效率的比較串級調速系統(tǒng)的總效率是比較高的，且當電動機轉速降低時，sch

的減少并不多。而繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速時的效率幾乎隨轉速的降低而成比例地減少。圖7-13電氣串級調速系統(tǒng)與轉子串電阻調速系統(tǒng)=f(s)的比較第108頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.4.2串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑

串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)與系統(tǒng)所用的異步電動機、不可控整流器和逆變器三大部分有關：異步電動機本身的功率因數(shù)就會隨著負載的減輕而下降；轉子整流器的換相重迭和強迫延遲導通等作用都會通過電機從電網(wǎng)吸收換相無功功率；逆變器的相控作用使其電流與電壓不同相，也要消耗無功功率。第109頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)

在串級調速系統(tǒng)中，從交流電網(wǎng)吸收的總有功功率是電動機吸收的有功功率與逆變器回饋至電網(wǎng)的有功功率之差，然而從交流電網(wǎng)吸收的總無功功率卻是電動機和逆變器所吸收的無功功率之和（見圖7-12），因此，串級調速系統(tǒng)總功率因數(shù)可用下式表示

第110頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率因數(shù)計算公式s—系統(tǒng)總的視在功率；Q1—電動機從電網(wǎng)吸收的無功功率；Qf—逆變變壓器從電網(wǎng)吸收的無功功率。式中(7-29)第111頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

功率因數(shù)范圍一般串級調速系統(tǒng)在高速運行時的功率因數(shù)為0.6~0.65，比正常接線時電動機的功率因數(shù)減少0.1左右；在低速時可降到0.4~0.5（對調速范圍為2的系統(tǒng)）。這是串級調速系統(tǒng)的主要缺點。對于寬調速的串級調速系統(tǒng)，隨著轉差率的增大，系統(tǒng)的功率因數(shù)還要下降，這是串級調速系統(tǒng)能否被推廣應用的關鍵問題之一。第112頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.4.3斬波控制的串級調速系統(tǒng)問題的提出串級調速系統(tǒng)功率因數(shù)差的一個重要原因就是采用了相位控制的逆變器，控制角越大時，逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率越多。如果用斬波器來控制直流電壓，而將逆變器的控制角設定為允許的最小值不變，即可降低無功的消耗，而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。第113頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

系統(tǒng)組成圖7-14斬波控制串級調速系統(tǒng)原理圖第114頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

圖7-14繪出了斬波控制的串級調速系統(tǒng)原理圖，圖中CH是直流斬波器，可用普通晶閘管或可關斷電力電子器件組成，后者可大大簡化斬波器電路。系統(tǒng)中斬波器CH工作在開關狀態(tài)，其工作原理和功率因數(shù)如下分析。第115頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六1．工作原理當它接通時，逆變器輸出的附加電動勢被短接（Eadd=0）；斷開時，輸出電動勢最大（Eadd=Ui）。設斬波器的開關周期為T，開關接通的時間為，則逆變器經(jīng)CH送出的平均電動勢為

改變占空比（T-

）/T即可調節(jié)平均電動勢的大小，從而調節(jié)異步電動機的轉速。第116頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

附加電動勢的斬波波形

圖7-15為忽略交流電壓變化時附加電動勢的斬波波形。圖7-15轉子斬波串級調速時的附加電動勢波形

OtEaddT第117頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

斬波控制串級調速系統(tǒng)轉速方程

當轉子回路整流器和逆變器都是橋式電路時，可得理想空載的電壓平衡方程式（7-30）

n0—不同占空比時的理想空載轉速；nsyn—異步電動機的同步轉速。式中

因此

第118頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六2．系統(tǒng)的功率因數(shù)

在斬波控制時，逆變角設定為min，則逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率可減到最小程度。圖7-16繪出了帶恒轉矩負載的斬波控制串級調速系統(tǒng)在不同轉差率下的功率因數(shù)。圖7-16兩種串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù)比較斬波控制串級調速系統(tǒng)常規(guī)串級調速系統(tǒng)第119頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.4.4串級調速裝置的電壓和容量

串級調速裝置是指整個串級調速系統(tǒng)中除異步電動機以外為實現(xiàn)串級調速而附加的所有功率部件，包括轉子整流器、逆變器和逆變變壓器。從經(jīng)濟角度出發(fā)，必須正確合理地選擇這些附加設備的電壓和容量，以提高整個調速系統(tǒng)的性能價格比。第120頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

整流器和逆變器容量

選擇主要依據(jù)其電流與電壓的定額。電流定額決定于異步電動機轉子的額定電流和所拖動的負載IrN；電壓定額則決定于異步電動機轉子的額定相電壓（即轉子開路電動勢Er0

）和系統(tǒng)的調速范圍D。這里，第121頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

其中，n0min是調速系統(tǒng)的最低轉速，對應于最大理想空載轉差率s0max

，由式（7-7）可得（7-31）

調速范圍越大時，s0max也越大，整流器和逆變器所承受的電壓越高。第122頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

逆變變壓器的容量

逆變變壓器的二次側相電壓（7-32）（7-33）逆變變壓器的容量計算返回目錄第123頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六7.5雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)

由于串級調速系統(tǒng)機械特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調速精度要求不高的場合。為了提高靜態(tài)調速精度，并獲得較好的動態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，和直流調速系統(tǒng)一樣，通常采用具有電流反饋與轉速反饋的雙閉環(huán)控制方式。第124頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六7.5.1雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的組成圖7-17雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)

系統(tǒng)結構第125頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

控制環(huán)節(jié)說明

圖7-17所示為雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉速反饋信號取自異步電動機軸上聯(lián)接的測速發(fā)電機，電流反饋信號取自逆變器交流側的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉子直流回路。為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調節(jié)器ACR輸出電壓為零時，應整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為=min

。

第126頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

系統(tǒng)比較圖7－17所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動機轉子回路實現(xiàn)的。

第127頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

在圖7－17所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結構圖均與直流調速系統(tǒng)中相同，本節(jié)不再贅述。但是，在異步電動機轉子直流回路中，不少物理量都與轉差率有關，所以要單獨處理。*7.5.2串級調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型第128頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六1．轉子直流回路的傳遞函數(shù)

串級調速系統(tǒng)轉子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程(7-34)式中Ud0

=2.34Er0cosp—當s=1時轉子整流器輸出的空載電壓；Ui0=2.34UT2cos—逆變器直流側的空載電壓；第129頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六L—轉子直流回路總電感；

L=2LD0+2LT

+LLLD0—折算到轉子側的異步電機每相漏感；

LT

—折算到二次側的逆變變壓器每相漏感；

LL

—平波電抗器電感；

R

—轉差率為時轉子直流回路等效電阻。第130頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子直流回路的傳遞函數(shù)

由上式可求得轉子直流回路的傳遞函數(shù)(7-36)—轉子直流回路的時間常數(shù)；—轉子直流回路的放大系數(shù)。式中第131頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

轉子直流回路的動態(tài)結構圖

圖7-18轉子直流回路動態(tài)結構圖第132頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六將電力拖動系統(tǒng)的運動方程式：或寫成式中IL—負載轉矩TL

所對應的等效直流電流。2．異步電動機的傳遞函數(shù)

第133頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六帶入異步電動機的電磁轉矩方程：(7-19)

可推得異步電動機在串級調速時的傳遞函數(shù)為：第134頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

串級調速時的傳遞函數(shù)(7-37)式中—機電時間常數(shù)，

TM與R、CE

、CM

都有關系，所以也不是常數(shù)，而是Id

和n的函數(shù)。第135頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六3．串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖

圖7-19雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖

第136頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.5.3調節(jié)器參數(shù)的設計

雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的動態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應使系統(tǒng)在負載擾動時有良好的動態(tài)響應能力。在采用工程設計方法進行動態(tài)設計時，可以象直流調速系統(tǒng)那樣：轉速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設計。

電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設計；第137頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

問題和困難

但是串級調速系統(tǒng)中轉子直流回路的時間常數(shù)TLr及放大系數(shù)KLr都是轉速的函數(shù)，而異步電動機的機電時間常數(shù)TM又是轉速n和電流Id的函數(shù)，這就給調節(jié)器的設計帶來一定的困難。第138頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

解決辦法——固定工作點求參數(shù)

具體設計時，可以先在確定的轉速n和負載電流Id的前提下，求出各傳遞函數(shù)中的參數(shù)，例如按照要求的最大轉差率smax或平均轉差率smax/2來確定轉速，按額定負載或常用的實際負載來選定電流，然后按定常系統(tǒng)進行設計。第139頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

如果用模擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)，則當實際轉速和/或電流改變時，系統(tǒng)的動態(tài)性能就要變壞。如果采用微機數(shù)字控制，可以按照不同的轉速和電流事先計算好參數(shù)的變化，用表格的方式存入微機，實時控制時可根據(jù)檢測得到的轉速和電流查表調用，就可以得到滿意的動態(tài)特性。第140頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六7.5.4串級調速系統(tǒng)的起動方式

串級調速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動勢而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對系統(tǒng)的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證?？偟脑瓌t是在起動時必須使逆變器先電機而接上電網(wǎng)，停車時則比電機后脫離電網(wǎng)，以防止逆變器交流側斷電，使晶閘管無法關斷，造成逆變器的短路事故。串級調速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。第141頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六1.間接起動

為了使串級調速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電動機轉子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉速升高到串級調速系統(tǒng)的設計最低轉速時，才把串級調速裝置投入運行。第142頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

間接起動控制原理圖

圖7－20串級調速系統(tǒng)間接起動控制原理圖第143頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

間接起動操作順序（1）先合上裝置電源總開關S，使逆變器在min

下等待工作。（2）然后依次接通接觸器K1，接入起動電阻R，再接通K0，把電機定子回路與電網(wǎng)接通，電動機便以轉子串電阻的方式起動。（3）待起動到所設計的nmin（smax）時接通K2，使電動機轉子接到串級調速裝置，同時斷開K1，切斷起動電阻，此后電動機就可以串級調速的方式繼續(xù)加速到所需的轉速運行。

第144頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

停車操作順序

（1）由于沒有制動作用，應先斷開K2，使電動機轉子回路與串級調速裝置脫離；（2）再斷開K0，以防止當K0斷開時在轉子側感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。第145頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六2．直接起動

直接起動又稱串級調速方式起動。在起動控制時讓逆變器先于電動機接通交流電網(wǎng)，然后使電動機的定子與交流電網(wǎng)接通，此時轉子呈開路狀態(tài)，可防止因電動機起動時的合閘過電壓通過轉子回路損壞整流裝置，最后再使轉子回路與整流器接通。第146頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六

直接起動操作順序（1）接觸器的工作順序為S－K0－K2，此時不需要起動電阻。當轉子回路接通時，由于轉子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流，電動機尚不能起動。（2）待發(fā)出給定信號后，隨著的增大，逆變電壓降低，產(chǎn)生直流電流，電動機才逐漸加速，直至達到給定轉速。返回目錄第147頁，共166頁，2023年，2月20日，星期六*7.6異步電機雙饋調速系統(tǒng)概述上述的異步電動機串級調速系統(tǒng)是從定子側饋入電能、從轉子側饋出電能的系統(tǒng)，從廣義上說，它也是雙饋調速系統(tǒng)的一種。但人們往往狹義地認為雙饋（DoubleFed）