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。
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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
Ps
P1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。
Pm
Pmech
Ps
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。
双馈调速的基本结构功率变换单元电网
K1
M
3 ~
K2
TI
如上图所示，在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。
功率变换单元由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2 = s f1,因此必须通过功率变换单元（ Power Converter Unit—CU）对不同频率的电功率进行电能变换。
对于 双馈系统 来说,CU应该由 双向变频器 构成，以实现功率的双向传递。
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；
CU
P1
Ps
M
3 ~
Pmech
（ 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。
Ps
P1
M
3 ~
CU
Pmech
7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用
异步电机运行时其转子相电动势为式中 s — 异步电动机的转差率；
Er0 — 绕线转子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，
也就是转子额定相电压值。
0rr sEE?
(7-1)
转子相电流的表达式为：
式中 Rr — 转子绕组每相电阻；
Xr0 — s = 1时的转子绕组每相漏抗。
2
0r
2
r
0r
r )( sXR
sEI
(7-2)
转子附加电动势图 7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
M
~3
0rr sEE? addE~
~
~
~
rI
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
有附加电动势时的转子相电流：
如图 7-1所示,绕线转子异步电动机在外接附加电动势 时，转子回路的相电流表达式
2
0r
2
r
a d d0r
r
)( sXR
EsEI
(7-3)
转子附加电动势的作用
1,Er 与 Eadd 同相
当 Eadd?,
使得：
这里：
snTIEEs era d d0r1
'ad d0r2ad d0r1 EEsEEs
21 ss?
转速上升 ；
转子附加电动势的作用（续）
当 Eadd?,
使得：
这里：
snTIEEs era d d0r1
'ad d0r2ad d0r1 EEsEEs
21 ss?
转速下降 ；
转子附加电动势的作用（续）
2,Er 与 Eadd反相同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。
所以,在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速 。
7.1.2 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
异步电机的功率关系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。
由于转子侧串入附加电动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情况。
1,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，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率。
功率流程
s n
Te
sPm
sPm
P1
Pm
(1-s)Pm CU
0
0
1
n1
a） 次同步速电动状态
~
2,电机在反转时作倒拉制动运行
工作条件：
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），此时逐渐减少 + Eadd 值，并使之反相变负，只要反相附加电动势 – Eadd 有一定数值，则电机将反转。
运行工况：
电机进入倒拉制动运行状态，转差率
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
mmm )1( sPPsP
功率流程
b）反转倒拉制动状态
PS?
PS )1(?
PS?
P
Te01
2
s -n
-n1
Pm
CU
3,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。
运行工况：
电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
功率流程
c） 超同步速回馈制动状态
12n
n
PS?
PS)1(?
PS?
P
0
0
s
1?
1n-T
e
Pm
CU
4,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，即电机在超过其同步转速下稳定运行。
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
功率流程
d） 超同步速电动状态
12n
n
PS?
PS)1(?
PS?
P
0
0
s
1?
1n
Pm
Te
CU
5,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。
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
功率流程
e） 次同步速回馈制动状态
1n
n
PS?
PS)1(?
PS?
P
0
1
s
0
0
Pm
-Te
CU
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。
a）转子输出功率的工况
TI
CU2CU1
sEr0
~
M3~
图 7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元
b）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
TI
CU2CU1
sEr0
~
M3~
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7.2 异步电机在次同步电动状态下的双馈系统 —— 串级调速系统本章摘要
串级调速系统的工作原理
串级调速系统的其它类型
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
对直流附加电动势的技术要求
首先，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；
其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动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。
系统方案根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图 7-4a中所示的功率变换单元 CU2。
按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图 7-5所示，习惯上称之为 电气串级调速系统 （ 或称 Scherbius系统 ）。
图 7-5 电气串级调速系统原理图
系统组成
功率变换单元
UR — 三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势 sEr0 整流为直流电压 Ud 。
UI — 三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：
可提供可调的直流电压 Ui,作为电机调速所需的附加直流电动势；
可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。
工作原理
（ 1）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。
起动控制
控制逆变角?,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 。
工作原理（续）
（ 2）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：
Ui Id?
K1sEr0
n
Te
Te = TL
Id?
工作原理（续）
（ 3） 停车串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小? 角逐渐减速，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逆变角? 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。
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*7.3 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
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
概 述在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量、分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。
*7.3.1 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。
根据式（ 7-5），当系统在理想空载状态下运行时（ Id = 0），转子直流回路的电压平衡方程式变成
c o s22001 Tr UKEsK?
其中,s0 — 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，并取 K1 = K2，则
c o s
0
2
0
r
T
E
Us? (7-6)
理想空载转速方程由此可得相应的理想空载转速 n0 为：
)c o s1()1(
0r
T2
s y n0s y n0 E
Unsnn
(7-7)
式中 nsyn — 异步电动机的同步转速。
特性分析
从式（ 7-6）和式（ 7-7）可知,在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的 。
当改变逆变角? 时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。
由式（ 7-5）还可看出，在不同的? 角下，
异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。
2．机械特性的斜率与最大转矩串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、
逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。
由于转子回路电阻的影响，异步电动机 串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多 。
转子回路电阻的影响
当电机在最高速的特性上 （? = 90° ）带额定负载，也难以达到其额定转速。
整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。
这样，串级调速时的机械特性便如图 7-7
所示。
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)小电机从图 7-5中可以看出，异步电动机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，两者之间还存在着一些显著的差异，主要是：
*7.3.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路
（ 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动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。
整流电路的不同点
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；
（ 3）忽略电动机励磁阻抗的影响。
换相重叠现象设电动机在某一转差率下稳定运行，
转子三相的感应电动势为 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动势同时起作用，产生换相重叠压降，
如下图所示。
换相重叠波形
u
d
i
d
tO
tO
i
c
i
a
i
b
i
c
i
a
I
d
u
a
u
b
u
c
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
0r
dD0
r0
dD0
6
21a r c c o s
6
21a r c c o s
E
IX
sE
IsX?
（ 7-8）
其中 XD0 — s = 1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。
由式（ 7-8）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换流，整流波形正常。
当电流 Id 增大到按式（ 7-8）计算出来的?
角大于 60° 时，器件在自然换相点处未能结束换流，从而迫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。
转子整流电路的工作状态
（ 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，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态,?p 角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。
转子整流电路的工作状态（续）
（ 3）当? = 30° 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。
转子整流电流与?,?p 间的函数关系图 7-9 转子整流电路的? = f ( Id ),?p = f ( Id )
Id1-
2
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。
)6πs i n (2 6)c o s (c o s2 6 p
0D
0r
pp
D0
r0
d X
E
X
EI
(7-9)
串级调速时转子整流电路的电压式中 RD = sRs? + Rr 为折算到转子侧的电动机定子和转子每相等效电阻。
dD
pp
0rd 22
)c o s (c o s34.2 IRsEU
dDd
0D
p0r 2π
3c o s34.2 IRIXsE (7-10)
上两式中，
当 0 <?p < 30°,? =60° 时表示转子整流电路工作在第二工作区；
当?p = 0,? = 0 ~ 60 ° 时表示转子整流电路工作在第一工作区。
*7.3.3 异步电动机串级调速机械特性方程式图 7－ 10 串级调速系统
a）主电路
b）等效电路
1,电路 结构
2,系统的稳态电路方程
转子整流电路的输出电压为
逆变器直流侧电压
电压平衡方程
)2π3(c o s34.2 D0Ddp0rd RsXIsEU(7-11)
)2π3(c o s34.2 TTd2Ti RXIUU
(7-12)
(7-13)Ldid RIUU
以上三式中
RL——直流平波电抗器的电阻；
XT ——折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗,XT = XT 1' + XT 2 。
RT ——折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻,RT = RT 1' + RT 2 。
3,转差率与转速方程解式（ 7－ 11） ~式（ 7－ 13），可以得到用转差率表示的方程式
d0Dp0r
LDTTd2T
π
3
c o s34.2
)22
π
3
(c o s34.2
IXE
RRRXIU
s
（ 7-14）
转速特性方程将 s = (n0 – n ) / n0代入上式，得到串级调速时的转速特性为
d0Dp0r
LDT
T0D
d2Tp0r
0
π
3
c o s34.2
)22
π
3
π
3
()c o sc o s(34.2
IXE
RRR
XX
IUE
nn
(7-15)
如令?p = 0，则式（ 7-15）就表示系统在第一工作区的转速特性。
分析式（ 7-15）可以看出，等号右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压
)c o sc o s(34.2 2Tp0r UEU （ 7-16）
第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作 Id R?，而分母则是转子整流器的输出电压。
等效电动势系数公式如借用直流电动机的概念和有关算式，
引入电动势系数 CE,使
0
d0D0d
0
d0Dp0r
E
π
3
π
3
c o s34.2
n
IXU
n
IXE
C
（ 7-17）
转速特性方程的直观形式则式（ 7-15）可改写成
)(1 Σd
E
RIU
C
n
（ 7-18）
其中，
p0r0d c o s34.2?EU?
LDT
T0D 22
π
3
π
3 RRRXXR
注意：
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,故两个符号的下角不同，以示区别。
两种转速特性的比较
式（ 7-18）表明，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。
两种转速特性的比较（续）
在串级调速系统中总电阻 R? 较大，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。
4,电磁转矩方程
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
dd
0D
p0rs )π
3c o s34.2( IIsXsEP
电磁转矩公式而电磁功率 Pm = Ps /s，因此电磁转矩为
dd
0D
p0r
00
s
0
m
e )π
3c o s34.2(1 IIXE
s
PPT?
dMd
0
d
0D
0d π
3
ICI
I
X
U
（ 7-19）
0 —— 理想空载机械角转速 rad/s ；
CM—— 串级调速系统的转矩系数，
式中因为，
)π3(1 d0D0d
0
M I
XUC?
它也是电流 Id 的函数。与式（ 7-17）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?0 =2?n0 /60，所以
EM π
30 CC?
（ 7-20）
可见,CM 和 CE的关系与直流他励电动机中 Cm
和 Ce的关系完全一致。
5,串级调速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（ 7-19），再令 dTe/dt = 0，
可求出 电磁转矩的计算最大值 Te1m，经过适当的数学推导，得 第一工作区的机械特性方程式,
第一工作区的机械特性方程式
2
4
m1
1
1
m1e 1 m
e
s
s
s
sT
T (7-21)
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；
式中
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：
π
3
22
π
3
2
0D
LDT
T
10m1 X
RRR
X
ss
(7-22)
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，也就是说，系统必然会进入第二工作区。而 Te1m 是在?p= 0 的条件下由式（ 7-19）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转矩。
第二工作区的机械特性方程式
(7-23)
2
c o s4
m2
2
2
m2
p
2
e 1 m
e
s
s
s
sT
T?
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：
p0r
2T
20 c o s
c o s
E
Us?
π
3
22π3
2
0D
LDT
T
20m2 X
RRRX
ss
(7-24)而
注意：
在用式（ 7-23）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 。
几种最大转矩的关系和计算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 。
按照上面的推导，可得 [40]
955.0
em
e 1 m?
T
T
8 2 7.0
em
e 2 m?
T
T
716.0
em
2e1
T
T
（ 7-25）
（ 7-26）
（ 7-27）
式（ 7-26）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。
另外，由式（ 7-27）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 。
6,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
s20
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及其提高方案
*7.4.1 串级调速系统的效率图 7-12 串级调速系统效率分析
a)系统的功率传递 b)系统的功率流程图
串级调速系统功率流程
在串级调速时（图 7-12a）,Ps未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损 PCur、杂散损耗 Ps 和附加的串级调速装置损耗 Ptan 后通过转子整流器与逆变器返回电网，这部分返回电网的功率称作回馈功率 Pf 。
对整个串级调速系统来说，它从电网吸收的净有功功率应为 Pin = P1 – Pf 。
串级调速系统效率及比较
串级调速系统的总效率
%100%100
f1
m e c hm e c h
in
2
s c h
PP
pP
P
P?
%1 0 0)1( )1(
t a nm e c hm
m e c hm?
pppsP
psP (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 。
在串级调速系统中，当电动机的转速降低时，如果负载转矩不变,∑p 和 ptan 都基本不变，式（ 7-28）分子和分母中的项随着的增大而同时减少，对值的影响并不太大。
转子回路串电阻调速的效率当电动机转子回路串电阻调速时，调速系统的效率是
%100%100
sC u rFeC u sm e c h
m e c hm e c h
1
2
R
ppppP
pP
P
P?
%100)1( )1(
m e c hm
m e c hm?
ppsP
psP=
其中,Pm(1- s) 项随 s 的变化和串级调速时一样，
而所串电阻越大时,pCus 越大,∑p 也越大，因而效率?R 越低，几乎是随着转速的降低而成比例地减少。
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
*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。
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（见图 7-
12），因此，串级调速系统总功率因数可用下式表示
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。
2
f1
2
f1
f1in
s c h
)()(
c o s
QQPP
PP
S
P
式中
(7-29)
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
0.6~0.65，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 0.4~0.5（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。
*7.4.3 斩波控制的串级调速系统
问题的提出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。
系统组成图 7-14 斩波控制串级调速系统原理图图 7-14绘出了 斩波控制的串级调速系统原理图，图中 CH是直流斩波器，可用普通晶闸管或可关断电力电子器件组成，后者可大大简化斩波器电路。
系统中斩波器 CH工作在开关状态，其工作原理和功率因数如下分析。
1．工作原理
当它接通时，逆变器输出的附加电动势被短接
（ Eadd = 0）；
断开时，输出电动势最大（ Eadd = Ui）。
设斩波器的开关周期为 T,开关接通的时间为
，则逆变器经 CH送出的平均电动势为
iUT
T
改变占空比 （ T-? ） / T 即可调节平均电动势的大小，从而调节异步电动机的转速。
附加电动势的斩波波形图 7-15为忽略交流电压变化时附加电动势的斩波波形。
图 7-15 转子斩波串级调速时的附加电动势波形
O t
Eadd
T
斩波控制串级调速系统转速方程当转子回路整流器和逆变器都是桥式电路时，
可得理想空载的电压平衡方程式
m i n2T0r0 c o s)1(34.234.2?
U
TEs
m i n
0r
2T
s y n0 c o s11?
E
U
T
nn
（ 7-30）
n0 —不同占空比时的理想空载转速；
nsyn—异步电动机的同步转速。
式中因此
2．系统的功率因数在斩波控制时，
逆变角设定为?min,
则逆变器从电网吸收的无功功率可减到最小程度。图 7-
16绘出了带恒转矩负载的斩波控制串级调速系统在不同转差率下的功率因数。 图 7-16 两种串级调速系统的功率因数比较斩波控制串级调速系统常规串级调速系统
*7.4.4 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。
整流器和逆变器容量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和所拖动的负载 IrN；
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。这里，
m i n0
sy n
n
n
D?
其中,n0min 是调速系统的最低转速，对应于最大理想空载转差率 s0max,由式（ 7-7）可得
)1( m a x0s y nm i n0 snn
Ds
11
m a x0
（ 7-31）
调速范围越大时,s0max也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高。
逆变变压器的容量
逆变变压器的二次侧相电压
)11(15.1 0r2T DEU
（ 7-32）
)11(45.3 T220T DIEW
（ 7-33）
逆变变压器的容量计算返回目录
7.5 双闭环控制的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。
7.5.1 双闭环控制串级调速系统的组成图 7-17 双闭环控制的串级调速系统
系统结构
控制环节说明图 7-17所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，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 。
系统比较
图 7－ 17所示的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。
在图 7－ 17所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构图均与直流调速系统中相同，本节不再赘述。
但是，在异步电动机转子直流回路中，
不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。
*7.5.2 串级调速系统的动态数学模型
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
d
d
0i0d d
d RI
l
ILUsU (7-34)
式中 Ud0 = 2.34Er0 cos?p—当 s = 1 时转子整流器输出的空载电压；
Ui0 = 2.34UT2 cos? —逆变器直流侧的空载电压；
L — 转子直流回路总电感；
L = 2LD0 + 2LT + LL
LD0— 折算到转子侧的异步电机每相漏感；
LT — 折算到二次侧的逆变变压器每相漏感；
LL — 平波电抗器电感；
R — 转差率为时转子直流回路等效电阻。
LTD
T0D 22
π
3
π
3 RRRXsXR
转子直流回路的传递函数由上式可求得转子直流回路的传递函数
1)(
)(
Lr
Lr
0i
0
0d
0d
d
sT
K
Usn
n
U
U
sI (7-36)
R
LT?
Lr
RK
1
Lr?
— 转子直流回路的时间常数；
— 转子直流回路的放大系数。
式中
转子直流回路的动态结构图图 7-18 转子直流回路动态结构图将电力拖动系统的运动方程式：
t
nGDTT
d
d
375
2
Le
t
nGDIIC
d
d
3 7 5)(
2
LdM
或写成式中 IL —负载转矩 TL 所对应的等效直流电流。
2．异步电动机的传递函数带入异步电动机的电磁转矩方程：
dMdd
0D
0d
0
e )π
3(1 ICIIXUT
(7-19)
可推得异步电动机在串级调速时的传递函数为,
串级调速时的传递函数
sTC
R
s
CC
RGD
CR
sIsI
sn
ME
ME
2
E
Ld
3 7 5
/
)()(
)(
(7-37)
ME
2
M 3 7 5 CC
RGDT?式中 — 机电时间常数，
TM 与 R,CE,CM 都有关系，所以也不是常数，而是 Id 和 n 的函数。
3．串级调速系统的动态结构图图 7-19 双闭环控制串级调速系统动态结构图
*7.5.3 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。
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设计。
如果用模拟控制系统实现，则当实际转速和 /或电流改变时，系统的动态性能就要变坏。
如果采用微机数字控制，可以按照不同的转速和电流事先计算好参数的变化，用表格的方式存入微机，实时控制时可根据检测得到的转速和电流查表调用，就可以得到满意的动态特性。
7.5.4 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 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。
间接起动控制原理图图 7－ 20
串级调速系统间接起动控制原理图
间接起动操作顺序
（ 1）先合上装置电源总开关 S，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。
直接起动操作顺序
（ 1）接触器的工作顺序为 S－ K0－ K2，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。
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*7.6 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（ 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。
从第 7-1-2节的分析可知，异步电机双馈工作时，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 1.4~1.5。
交 -交变频器是一种功率可双向传输的静止变频器，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 1/3~1/2，所以用于双馈调速是合理的。
7.6.1 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
1,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
工作原理由独立的控制器控制变频器的输出频率，即直接控制输入电机转子的电压频率
f2 。由于 f2 满足 f2 = s f1 的关系式，所以电机一定在对应于 s 的转速下运行，且不随负载变化。
性能评价：
他控式双馈调速中会出现同步电动机中存在的突加负载时易失步等缺陷，所以它只适用于负载平稳、对调速的快速性要求不高的场合,如风机、泵类负载,在实际中应用很少。
2,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
工作原理异步电机转子的输入频率是通过控制器自动控制的，这个输入频率应能自动跟踪电机的转差频率，所以须有相应的检测装置与反馈控制环节。
自控式双馈调速电机与一般异步电机相同，
其转速随负载变化，但它还具有调节电机定子侧无功功率的功能。
性能评价：
由于对变频器的输出可以自动控制，使系统有较强的调节能力，稳定性也较好，
可以避免失步现象，所以可用于有冲击性负载的场合。这种方式还具有调节电机定子侧无功功率的功能。
*7.6.2 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。
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。
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
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的电流可称为励磁电流 imd 和 imq,
且有：
rdsdmd iii
mdmdmiL
rqsqmq iii
mqmqmiL
(7-38)
(7-39)
(7-40)
(7-41)
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)
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
rd
m
m
sd iLi
rqsq ii
(7-44)
(7-45)
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
)( rqsdrdsqmpe iiiiLnT
rqmprqrd
m
m
rdrqmpe iniiLiiLnT?
(6-107)
(7-46)
把式（ 7-44）与式（ 7-45）代入上式，得
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。 返回目录本章小结通过本章学习，主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。在此基础上，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。
课程开始
—— 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。
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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
Ps
P1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。
Pm
Pmech
Ps
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。
双馈调速的基本结构功率变换单元电网
K1
M
3 ~
K2
TI
如上图所示，在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。
功率变换单元由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2 = s f1,因此必须通过功率变换单元（ Power Converter Unit—CU）对不同频率的电功率进行电能变换。
对于 双馈系统 来说,CU应该由 双向变频器 构成，以实现功率的双向传递。
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；
CU
P1
Ps
M
3 ~
Pmech
（ 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。
Ps
P1
M
3 ~
CU
Pmech
7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用
异步电机运行时其转子相电动势为式中 s — 异步电动机的转差率；
Er0 — 绕线转子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，
也就是转子额定相电压值。
0rr sEE?
(7-1)
转子相电流的表达式为：
式中 Rr — 转子绕组每相电阻；
Xr0 — s = 1时的转子绕组每相漏抗。
2
0r
2
r
0r
r )( sXR
sEI
(7-2)
转子附加电动势图 7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
M
~3
0rr sEE? addE~
~
~
~
rI
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
有附加电动势时的转子相电流：
如图 7-1所示,绕线转子异步电动机在外接附加电动势 时，转子回路的相电流表达式
2
0r
2
r
a d d0r
r
)( sXR
EsEI
(7-3)
转子附加电动势的作用
1,Er 与 Eadd 同相
当 Eadd?,
使得：
这里：
snTIEEs era d d0r1
'ad d0r2ad d0r1 EEsEEs
21 ss?
转速上升 ；
转子附加电动势的作用（续）
当 Eadd?,
使得：
这里：
snTIEEs era d d0r1
'ad d0r2ad d0r1 EEsEEs
21 ss?
转速下降 ；
转子附加电动势的作用（续）
2,Er 与 Eadd反相同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。
所以,在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速 。
7.1.2 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
异步电机的功率关系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。
由于转子侧串入附加电动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情况。
1,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，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率。
功率流程
s n
Te
sPm
sPm
P1
Pm
(1-s)Pm CU
0
0
1
n1
a） 次同步速电动状态
~
2,电机在反转时作倒拉制动运行
工作条件：
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），此时逐渐减少 + Eadd 值，并使之反相变负，只要反相附加电动势 – Eadd 有一定数值，则电机将反转。
运行工况：
电机进入倒拉制动运行状态，转差率
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
mmm )1( sPPsP
功率流程
b）反转倒拉制动状态
PS?
PS )1(?
PS?
P
Te01
2
s -n
-n1
Pm
CU
3,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。
运行工况：
电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
功率流程
c） 超同步速回馈制动状态
12n
n
PS?
PS)1(?
PS?
P
0
0
s
1?
1n-T
e
Pm
CU
4,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，即电机在超过其同步转速下稳定运行。
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
功率流程
d） 超同步速电动状态
12n
n
PS?
PS)1(?
PS?
P
0
0
s
1?
1n
Pm
Te
CU
5,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。
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
功率流程
e） 次同步速回馈制动状态
1n
n
PS?
PS)1(?
PS?
P
0
1
s
0
0
Pm
-Te
CU
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。
a）转子输出功率的工况
TI
CU2CU1
sEr0
~
M3~
图 7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元
b）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
TI
CU2CU1
sEr0
~
M3~
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7.2 异步电机在次同步电动状态下的双馈系统 —— 串级调速系统本章摘要
串级调速系统的工作原理
串级调速系统的其它类型
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
对直流附加电动势的技术要求
首先，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；
其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动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。
系统方案根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图 7-4a中所示的功率变换单元 CU2。
按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图 7-5所示，习惯上称之为 电气串级调速系统 （ 或称 Scherbius系统 ）。
图 7-5 电气串级调速系统原理图
系统组成
功率变换单元
UR — 三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势 sEr0 整流为直流电压 Ud 。
UI — 三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：
可提供可调的直流电压 Ui,作为电机调速所需的附加直流电动势；
可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。
工作原理
（ 1）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。
起动控制
控制逆变角?,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 。
工作原理（续）
（ 2）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：
Ui Id?
K1sEr0
n
Te
Te = TL
Id?
工作原理（续）
（ 3） 停车串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小? 角逐渐减速，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逆变角? 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。
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*7.3 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
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
概 述在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量、分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。
*7.3.1 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。
根据式（ 7-5），当系统在理想空载状态下运行时（ Id = 0），转子直流回路的电压平衡方程式变成
c o s22001 Tr UKEsK?
其中,s0 — 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，并取 K1 = K2，则
c o s
0
2
0
r
T
E
Us? (7-6)
理想空载转速方程由此可得相应的理想空载转速 n0 为：
)c o s1()1(
0r
T2
s y n0s y n0 E
Unsnn
(7-7)
式中 nsyn — 异步电动机的同步转速。
特性分析
从式（ 7-6）和式（ 7-7）可知,在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的 。
当改变逆变角? 时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。
由式（ 7-5）还可看出，在不同的? 角下，
异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。
2．机械特性的斜率与最大转矩串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、
逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。
由于转子回路电阻的影响，异步电动机 串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多 。
转子回路电阻的影响
当电机在最高速的特性上 （? = 90° ）带额定负载，也难以达到其额定转速。
整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。
这样，串级调速时的机械特性便如图 7-7
所示。
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)小电机从图 7-5中可以看出，异步电动机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，两者之间还存在着一些显著的差异，主要是：
*7.3.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路
（ 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动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。
整流电路的不同点
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；
（ 3）忽略电动机励磁阻抗的影响。
换相重叠现象设电动机在某一转差率下稳定运行，
转子三相的感应电动势为 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动势同时起作用，产生换相重叠压降，
如下图所示。
换相重叠波形
u
d
i
d
tO
tO
i
c
i
a
i
b
i
c
i
a
I
d
u
a
u
b
u
c
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
0r
dD0
r0
dD0
6
21a r c c o s
6
21a r c c o s
E
IX
sE
IsX?
（ 7-8）
其中 XD0 — s = 1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。
由式（ 7-8）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换流，整流波形正常。
当电流 Id 增大到按式（ 7-8）计算出来的?
角大于 60° 时，器件在自然换相点处未能结束换流，从而迫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。
转子整流电路的工作状态
（ 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，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态,?p 角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。
转子整流电路的工作状态（续）
（ 3）当? = 30° 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。
转子整流电流与?,?p 间的函数关系图 7-9 转子整流电路的? = f ( Id ),?p = f ( Id )
Id1-
2
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。
)6πs i n (2 6)c o s (c o s2 6 p
0D
0r
pp
D0
r0
d X
E
X
EI
(7-9)
串级调速时转子整流电路的电压式中 RD = sRs? + Rr 为折算到转子侧的电动机定子和转子每相等效电阻。
dD
pp
0rd 22
)c o s (c o s34.2 IRsEU
dDd
0D
p0r 2π
3c o s34.2 IRIXsE (7-10)
上两式中，
当 0 <?p < 30°,? =60° 时表示转子整流电路工作在第二工作区；
当?p = 0,? = 0 ~ 60 ° 时表示转子整流电路工作在第一工作区。
*7.3.3 异步电动机串级调速机械特性方程式图 7－ 10 串级调速系统
a）主电路
b）等效电路
1,电路 结构
2,系统的稳态电路方程
转子整流电路的输出电压为
逆变器直流侧电压
电压平衡方程
)2π3(c o s34.2 D0Ddp0rd RsXIsEU(7-11)
)2π3(c o s34.2 TTd2Ti RXIUU
(7-12)
(7-13)Ldid RIUU
以上三式中
RL——直流平波电抗器的电阻；
XT ——折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗,XT = XT 1' + XT 2 。
RT ——折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻,RT = RT 1' + RT 2 。
3,转差率与转速方程解式（ 7－ 11） ~式（ 7－ 13），可以得到用转差率表示的方程式
d0Dp0r
LDTTd2T
π
3
c o s34.2
)22
π
3
(c o s34.2
IXE
RRRXIU
s
（ 7-14）
转速特性方程将 s = (n0 – n ) / n0代入上式，得到串级调速时的转速特性为
d0Dp0r
LDT
T0D
d2Tp0r
0
π
3
c o s34.2
)22
π
3
π
3
()c o sc o s(34.2
IXE
RRR
XX
IUE
nn
(7-15)
如令?p = 0，则式（ 7-15）就表示系统在第一工作区的转速特性。
分析式（ 7-15）可以看出，等号右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压
)c o sc o s(34.2 2Tp0r UEU （ 7-16）
第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作 Id R?，而分母则是转子整流器的输出电压。
等效电动势系数公式如借用直流电动机的概念和有关算式，
引入电动势系数 CE,使
0
d0D0d
0
d0Dp0r
E
π
3
π
3
c o s34.2
n
IXU
n
IXE
C
（ 7-17）
转速特性方程的直观形式则式（ 7-15）可改写成
)(1 Σd
E
RIU
C
n
（ 7-18）
其中，
p0r0d c o s34.2?EU?
LDT
T0D 22
π
3
π
3 RRRXXR
注意：
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,故两个符号的下角不同，以示区别。
两种转速特性的比较
式（ 7-18）表明，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。
两种转速特性的比较（续）
在串级调速系统中总电阻 R? 较大，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。
4,电磁转矩方程
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
dd
0D
p0rs )π
3c o s34.2( IIsXsEP
电磁转矩公式而电磁功率 Pm = Ps /s，因此电磁转矩为
dd
0D
p0r
00
s
0
m
e )π
3c o s34.2(1 IIXE
s
PPT?
dMd
0
d
0D
0d π
3
ICI
I
X
U
（ 7-19）
0 —— 理想空载机械角转速 rad/s ；
CM—— 串级调速系统的转矩系数，
式中因为，
)π3(1 d0D0d
0
M I
XUC?
它也是电流 Id 的函数。与式（ 7-17）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?0 =2?n0 /60，所以
EM π
30 CC?
（ 7-20）
可见,CM 和 CE的关系与直流他励电动机中 Cm
和 Ce的关系完全一致。
5,串级调速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（ 7-19），再令 dTe/dt = 0，
可求出 电磁转矩的计算最大值 Te1m，经过适当的数学推导，得 第一工作区的机械特性方程式,
第一工作区的机械特性方程式
2
4
m1
1
1
m1e 1 m
e
s
s
s
sT
T (7-21)
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；
式中
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：
π
3
22
π
3
2
0D
LDT
T
10m1 X
RRR
X
ss
(7-22)
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，也就是说，系统必然会进入第二工作区。而 Te1m 是在?p= 0 的条件下由式（ 7-19）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转矩。
第二工作区的机械特性方程式
(7-23)
2
c o s4
m2
2
2
m2
p
2
e 1 m
e
s
s
s
sT
T?
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：
p0r
2T
20 c o s
c o s
E
Us?
π
3
22π3
2
0D
LDT
T
20m2 X
RRRX
ss
(7-24)而
注意：
在用式（ 7-23）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 。
几种最大转矩的关系和计算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 。
按照上面的推导，可得 [40]
955.0
em
e 1 m?
T
T
8 2 7.0
em
e 2 m?
T
T
716.0
em
2e1
T
T
（ 7-25）
（ 7-26）
（ 7-27）
式（ 7-26）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。
另外，由式（ 7-27）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 。
6,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
s20
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及其提高方案
*7.4.1 串级调速系统的效率图 7-12 串级调速系统效率分析
a)系统的功率传递 b)系统的功率流程图
串级调速系统功率流程
在串级调速时（图 7-12a）,Ps未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损 PCur、杂散损耗 Ps 和附加的串级调速装置损耗 Ptan 后通过转子整流器与逆变器返回电网，这部分返回电网的功率称作回馈功率 Pf 。
对整个串级调速系统来说，它从电网吸收的净有功功率应为 Pin = P1 – Pf 。
串级调速系统效率及比较
串级调速系统的总效率
%100%100
f1
m e c hm e c h
in
2
s c h
PP
pP
P
P?
%1 0 0)1( )1(
t a nm e c hm
m e c hm?
pppsP
psP (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 。
在串级调速系统中，当电动机的转速降低时，如果负载转矩不变,∑p 和 ptan 都基本不变，式（ 7-28）分子和分母中的项随着的增大而同时减少，对值的影响并不太大。
转子回路串电阻调速的效率当电动机转子回路串电阻调速时，调速系统的效率是
%100%100
sC u rFeC u sm e c h
m e c hm e c h
1
2
R
ppppP
pP
P
P?
%100)1( )1(
m e c hm
m e c hm?
ppsP
psP=
其中,Pm(1- s) 项随 s 的变化和串级调速时一样，
而所串电阻越大时,pCus 越大,∑p 也越大，因而效率?R 越低，几乎是随着转速的降低而成比例地减少。
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
*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。
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（见图 7-
12），因此，串级调速系统总功率因数可用下式表示
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。
2
f1
2
f1
f1in
s c h
)()(
c o s
QQPP
PP
S
P
式中
(7-29)
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
0.6~0.65，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 0.4~0.5（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。
*7.4.3 斩波控制的串级调速系统
问题的提出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。
系统组成图 7-14 斩波控制串级调速系统原理图图 7-14绘出了 斩波控制的串级调速系统原理图，图中 CH是直流斩波器，可用普通晶闸管或可关断电力电子器件组成，后者可大大简化斩波器电路。
系统中斩波器 CH工作在开关状态，其工作原理和功率因数如下分析。
1．工作原理
当它接通时，逆变器输出的附加电动势被短接
（ Eadd = 0）；
断开时，输出电动势最大（ Eadd = Ui）。
设斩波器的开关周期为 T,开关接通的时间为
，则逆变器经 CH送出的平均电动势为
iUT
T
改变占空比 （ T-? ） / T 即可调节平均电动势的大小，从而调节异步电动机的转速。
附加电动势的斩波波形图 7-15为忽略交流电压变化时附加电动势的斩波波形。
图 7-15 转子斩波串级调速时的附加电动势波形
O t
Eadd
T
斩波控制串级调速系统转速方程当转子回路整流器和逆变器都是桥式电路时，
可得理想空载的电压平衡方程式
m i n2T0r0 c o s)1(34.234.2?
U
TEs
m i n
0r
2T
s y n0 c o s11?
E
U
T
nn
（ 7-30）
n0 —不同占空比时的理想空载转速；
nsyn—异步电动机的同步转速。
式中因此
2．系统的功率因数在斩波控制时，
逆变角设定为?min,
则逆变器从电网吸收的无功功率可减到最小程度。图 7-
16绘出了带恒转矩负载的斩波控制串级调速系统在不同转差率下的功率因数。 图 7-16 两种串级调速系统的功率因数比较斩波控制串级调速系统常规串级调速系统
*7.4.4 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。
整流器和逆变器容量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和所拖动的负载 IrN；
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。这里，
m i n0
sy n
n
n
D?
其中,n0min 是调速系统的最低转速，对应于最大理想空载转差率 s0max,由式（ 7-7）可得
)1( m a x0s y nm i n0 snn
Ds
11
m a x0
（ 7-31）
调速范围越大时,s0max也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高。
逆变变压器的容量
逆变变压器的二次侧相电压
)11(15.1 0r2T DEU
（ 7-32）
)11(45.3 T220T DIEW
（ 7-33）
逆变变压器的容量计算返回目录
7.5 双闭环控制的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。
7.5.1 双闭环控制串级调速系统的组成图 7-17 双闭环控制的串级调速系统
系统结构
控制环节说明图 7-17所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，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 。
系统比较
图 7－ 17所示的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。
在图 7－ 17所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构图均与直流调速系统中相同，本节不再赘述。
但是，在异步电动机转子直流回路中，
不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。
*7.5.2 串级调速系统的动态数学模型
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
d
d
0i0d d
d RI
l
ILUsU (7-34)
式中 Ud0 = 2.34Er0 cos?p—当 s = 1 时转子整流器输出的空载电压；
Ui0 = 2.34UT2 cos? —逆变器直流侧的空载电压；
L — 转子直流回路总电感；
L = 2LD0 + 2LT + LL
LD0— 折算到转子侧的异步电机每相漏感；
LT — 折算到二次侧的逆变变压器每相漏感；
LL — 平波电抗器电感；
R — 转差率为时转子直流回路等效电阻。
LTD
T0D 22
π
3
π
3 RRRXsXR
转子直流回路的传递函数由上式可求得转子直流回路的传递函数
1)(
)(
Lr
Lr
0i
0
0d
0d
d
sT
K
Usn
n
U
U
sI (7-36)
R
LT?
Lr
RK
1
Lr?
— 转子直流回路的时间常数；
— 转子直流回路的放大系数。
式中
转子直流回路的动态结构图图 7-18 转子直流回路动态结构图将电力拖动系统的运动方程式：
t
nGDTT
d
d
375
2
Le
t
nGDIIC
d
d
3 7 5)(
2
LdM
或写成式中 IL —负载转矩 TL 所对应的等效直流电流。
2．异步电动机的传递函数带入异步电动机的电磁转矩方程：
dMdd
0D
0d
0
e )π
3(1 ICIIXUT
(7-19)
可推得异步电动机在串级调速时的传递函数为,
串级调速时的传递函数
sTC
R
s
CC
RGD
CR
sIsI
sn
ME
ME
2
E
Ld
3 7 5
/
)()(
)(
(7-37)
ME
2
M 3 7 5 CC
RGDT?式中 — 机电时间常数，
TM 与 R,CE,CM 都有关系，所以也不是常数，而是 Id 和 n 的函数。
3．串级调速系统的动态结构图图 7-19 双闭环控制串级调速系统动态结构图
*7.5.3 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。
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设计。
如果用模拟控制系统实现，则当实际转速和 /或电流改变时，系统的动态性能就要变坏。
如果采用微机数字控制，可以按照不同的转速和电流事先计算好参数的变化，用表格的方式存入微机，实时控制时可根据检测得到的转速和电流查表调用，就可以得到满意的动态特性。
7.5.4 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 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。
间接起动控制原理图图 7－ 20
串级调速系统间接起动控制原理图
间接起动操作顺序
（ 1）先合上装置电源总开关 S，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。
直接起动操作顺序
（ 1）接触器的工作顺序为 S－ K0－ K2，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。
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*7.6 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（ 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。
从第 7-1-2节的分析可知，异步电机双馈工作时，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 1.4~1.5。
交 -交变频器是一种功率可双向传输的静止变频器，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 1/3~1/2，所以用于双馈调速是合理的。
7.6.1 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
1,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
工作原理由独立的控制器控制变频器的输出频率，即直接控制输入电机转子的电压频率
f2 。由于 f2 满足 f2 = s f1 的关系式，所以电机一定在对应于 s 的转速下运行，且不随负载变化。
性能评价：
他控式双馈调速中会出现同步电动机中存在的突加负载时易失步等缺陷，所以它只适用于负载平稳、对调速的快速性要求不高的场合,如风机、泵类负载,在实际中应用很少。
2,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
工作原理异步电机转子的输入频率是通过控制器自动控制的，这个输入频率应能自动跟踪电机的转差频率，所以须有相应的检测装置与反馈控制环节。
自控式双馈调速电机与一般异步电机相同，
其转速随负载变化，但它还具有调节电机定子侧无功功率的功能。
性能评价：
由于对变频器的输出可以自动控制，使系统有较强的调节能力，稳定性也较好，
可以避免失步现象，所以可用于有冲击性负载的场合。这种方式还具有调节电机定子侧无功功率的功能。
*7.6.2 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。
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。
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
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的电流可称为励磁电流 imd 和 imq,
且有：
rdsdmd iii
mdmdmiL
rqsqmq iii
mqmqmiL
(7-38)
(7-39)
(7-40)
(7-41)
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)
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
rd
m
m
sd iLi
rqsq ii
(7-44)
(7-45)
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
)( rqsdrdsqmpe iiiiLnT
rqmprqrd
m
m
rdrqmpe iniiLiiLnT?
(6-107)
(7-46)
把式（ 7-44）与式（ 7-45）代入上式，得
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。 返回目录本章小结通过本章学习，主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。在此基础上，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。
课程开始
