异步电动机的串级调速
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问题：如何在改变转子电流的基础上，提高技术 性能和经济性能？
2016年3月31日星期四
串级调速的基本原理是什么？
基本思路： 1.转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速； 2.转子不串入附加电阻-----改为串入附加电动势同样可实现调速； 3.将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身，既提高效率、 又实现变转差率调速。 4.该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。 工作原理： 三相异步电动机的转子感应电压为： E 2 s E 20 转子电流为： 式中：
2016年3月31日星期四
2.转子整流器的第二工作状态 （Id较大， 600 不变，出现强迫延时换相角）
特征：
当重叠达到600，电流达到第一工作 状态最大电流（或一、二状态分界 电流Id1-2）以上，如果负载电流继 续增大，最初时重叠角会大于600， 但稳定以后，两个二极管的重叠会 均匀地保持600不变，但所有二极管 的换流都被迫从自然换流点向后延 迟一个角度 p 。 电流越大，这个强迫延时换相 角就越大，但有：
I2 '
sE20 E f R2 jsX 20
I 2 ' I 2 Te ' Te n
s s ' n s I 2 ' I 2 ' I 2 n' T ' T e e
电机在转速n ′处实现平衡，转速调为n ′ 。
2016年3月31日星期四
I 2 ' I 2 Te ' Te n
s s ' n s I 2 ' I 2 ' I 2 n' T ' T e e
电机在转速n′处实现平衡，转速调为n ′ 。
2016年3月31日星期四
向高于同步速方向的串级调速
串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：
2016年3月31日星期四
3. 高于同步转速的电动运行状态 s＜0，Te＞0。则
Pem Te0 0 PM (1 s) Pem 0
Ps s Pem 0
说明从电网向电动机定子输入电磁功率Pem，同时从电网通过产生 E f 装置向电动机转子输入转差功率Ps。电动机把定子和转子同时吸收的 电功率变为机械功率PM从轴上输出。
2016年3月31日星期四
4. 高于同步转速的回馈制动运行状态 s＜0，Te＜0。则
Pem Te0 0 PM (1 s) Pem Ps s Pem 0
说明电动机从轴上吸收机械功率PM，一部分变为电磁功率Pem ， 通过定子回馈给电网；另一部分变为转差功率Ps，通过产生 E f 装置回馈给电网。
2016年3月31日星期四
可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。
超同步串级调速系统系统装置复杂，费用高。
实用的串级调速系统，一般采用低同步串级调速： 将转子电路接整流电路； 在直流回路中串入直流附加电动势； 通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。
2016年3月31日星期四
主要介绍低同步串级调速系统的基本类型。
分析前提条件:
（1） 假设直流滤波电感足够大,转子整流器输出的直流电流平直。 （2） 整流二极管没有管压降。 （3） 忽略电动机内阻对二极管换相的影响。
2016年3月31日星期四
分析注意事项:
异步电机转子整流电路的工作与一般具有整流变压器的整流电路的 工作极为相似，因此可以引用电力电子整流电路分析中已有的一些结 论,但是要看到它们两者之间存在着差异，主要是： ①转子绕组感应电动势E2的幅值与频率都是转差率s的函数； ②折算到转子侧的漏抗值也是转差率s的函数； ③由于异步电机折算到转子侧的漏抗值比整流变压器的要大，换相 重叠现象严重，转子整流器会出现“强迫延迟导通”现象。
2016年3月31日星期四
对于电气串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的转矩 为：
(1 s) Pd Pd Te (1 s) 0 0 Pm
常数
结论：电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。
对于机械串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的机械 功率为：
(1 s) Pd sPd Pd 常数
0 p 30
0
0
2016年3月31日星期四
0 30 （ Id 过大， p 3.转子整流器的故障状态
600
的情况 ）
特征： 当重叠达到600、 强迫延时 换相角达到300时的电压电流波 形如右图所示。 如果负载电流继续增大， 重叠角又会大于600，但强迫延 时换相角会保持300不变。原因 是：即使前面两个管子换流未 换完，后面该导通的管子也会 承受正压而导通，这样，就会 出现共阴极管和共阳极管都在 换流，四个二极管同时导通---转子整流器短路的故障情况 。 * 串级调速系统要避免运行 时严重过载的情况。
2016年3月31日星期四
低同步串级调速系统的机械特性
一.转子整流器的三种工作状态
二.串级调速系统的调速特性
三.串级调速系统的机械特性与最大转矩
2016年3月31日星期四
一.转子整流器的三种工作状态
低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有源逆变 器，这两部分电路的整流或逆变器件的开关过程会受到负载电流的影响。 负载电流较小时换流速度较快，而负载电流较大时器件的换流速度较慢， 换流速度慢会导致输出电压的降低，如果换流速度过慢甚至会引起电路故障。 下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。
问题的引入:
2016年3月31日星期四
*转速越低，转差越大，电 阻发热越多，效率越低。
2016年3月31日星期四
2.调速时，其机械特性随着转子回路附加电阻增加而变软，大大降低了调 速精度。 3.实际应用中，由于串入转子回路的附加电阻级数有限，无法实现平滑调速。
基本结论：
串入电阻越大，转速越低，转差就越大， 机械功率在电磁功率中所占的比率就越低，效率 越低。
结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。
2016年3月31日星期四
低同步串级调速系统 电气串级调速系统因效率高、技术成熟和低成本而获得广 泛应用。 低同步机械串级调速系统的调速范围越大，所需直流电动 机容量也越大，只适用于大容量，调速范围小的恒功率生 产机械。
超同步串级调速系统 优点：效率高，而且能四象限运行，调速装置容量小， 还可解决功率因数低的问题。 缺点：其主路和控制电路复杂，调速装置成本高， 使用场合：适用于需要四象限运行，大容量的生产机械。
低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整 成直流电，在直流电路中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源 的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。 从能量关系来说，低同步串级调速电动状态的基本能量关系是串 入附加电势，吸收转子降速引起的转差功率，并将吸收的功率回馈电 网的过程。 按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为电气串级调速系 统和机械串级调速系统两大类。
b. 如串入的附加电势 E f 方向相同，频率相同
与转子感生电势 sE20
* 这种向上调速的情况称为向高于同步 速方向的串级调速。
2016年3月31日星期四
向低于同步速方向的串级调速
串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：
I2 '
sE20 E f R2 jsX 20
绕线转子异步电动机串级调速系统
一、 串级调速的原理与基本类型
二、绕线转子异步电动机串级调速时的机械特性
三、 串级调速系统的效率和功率因数 四、 双闭环控制的串级调速系统
五、 串级调速系统的应用
2016年3月31日星期四
串级调速的原理与基本类型
一.串级调速的原理
二.串级调速的基本运行状态及功率关系 三.串级调速系统的基本类型
2016年3月31日星期四
电气串级调速系统
由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电源， 通过控制逆变角控制转子转速，其交流侧通过逆变变压器接电网。 呈现恒转矩机械特性。
2016年3月31日星期四
机械串级调速系统
用直流电动机作为可控直流电源， 通过控制直流电动机的励磁控制转子转速。 所吸收转差功率可以通过直流电动机与绕线电动机 的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。 具有恒功率调速的特性
I2
sE 20 R2 ( sX 20 ) 2
2
E 20 ―s=1时转子开路相电动势
X 20 ―s=1时转子绕组的相漏抗
2016年3月31日星期四
将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 E f a. 如串入的附加电势 E f 与转子感生电势 sE20 方向相反，频率相同
* 这种向下调速的情况成为向低于同步速方 向的串级调速。
2016年3月31日星期四
将转差率s换成速度n，得串级调速系统的调速特性：
2016年3月31日星期四
二.串级调速系统的调速特性 （n或s与电流Id的关系式）
n或s与电流Id的关系式，需要从直流等效电路入手加以推导： 第一工作状态下，整流整流器-逆变器的直流回路等效电路如下：
2016年3月31日星期四
由直流回路等效电路，列出直流电压平衡方程：
于是，推得转差率与电流之间的关系式：
2016年3月31日星期四
绕线型异步电动机的转子
2016年3月31日星期四
绕线型异步电动机的转子
集电环
2016年3月31日星期四
三相绕线型异步电动机示意图
转子三相绕组接成 Y 形
短接或 外接对称电阻等
2016年3月31日星期四
一. 串级调速的原理
转子串电阻调速分析 我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其转子回路串入电阻来 减小电流，增大转差率，从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方 法。 优点:简单方便 主要缺点： 1.低效率 R2F↑→I2↓→Te↓→n↓实现调速；但 n↓→s↑→转差功率Ps=s.Pem↑， 大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉，因此不适合对大容 量电机降速，对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。 转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。
2016年3月31日星期四
1. 低于同步转速的电动运行状态 0＜s<l，Te＞0，则
Pem Te0 0 PM (1 s) Pem 0 Ps s Pem 0
说明电网向电动机定子输入的电磁功率Pem一部分变为机械功率 PM 从电动机轴输出；另一部分变为转差功率Ps通过产生 E f
2016年3月31日星期四
1.转子整流器的第一工作状态
（Id较小，
600 的情况
）
特征：转子电流较小，整流后直流电流Id也 较小； 二极管整流器换相迅速，两个二极管之 间的换流重叠角ɼ较小。 重叠角 ɼ 随转子电流或Id的增大而增大， 第一工作状态的ɼ小于等于600。
2016年3月31日星期四
二.串级调速的基本运行状态及功率关系
在转子侧引入一个可控的附加电 动势，就可实现调速，这个调速 过程必然在转子侧形成功率的传 递。
串级调速系统基本运行状态： 四种
在调节前后，转子电阻消耗功率 不变，但转差率s改变，即转差功 率改变；
功率的流向要么是从转子侧传输 到与之相连的交流网或外电路中， 要么是从外面吸收功率到转子中 来。
装置回馈给电网。
2016年3月31日星期四
2. 低于同步转速的回馈制动运行状态 0＜s<l，Te＜0，则
Pem Te0 0
PM (1 s) Pem 0
Ps s Pem 0
说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率PM与从电网通过产生 E f 装置输入的转差功率Ps之和，都变为电磁功率Pem，并通过电动机 定子回馈给电网。
第一工作状态的边界 600 时电压、电流波形
由整流电路计算，得第一工作状 态下的重叠角 计算公式：
cos 1
式中，
2 X D0 6 E20
Id
Id―整流电流平均值； E20 ―转子开路时的相电动势 有效值； XD0 ―折算到转子侧的每相漏 抗(s=l时)。 可见，E20和XD0确定时，Id 越大，γ越大，当 I d 6 E20 时，γ 4 X D0 ＝60o。
2016年3月31日星期四
串级调速的基本原理是什么？
基本思路： 1.转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速； 2.转子不串入附加电阻-----改为串入附加电动势同样可实现调速； 3.将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身，既提高效率、 又实现变转差率调速。 4.该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。 工作原理： 三相异步电动机的转子感应电压为： E 2 s E 20 转子电流为： 式中：
2016年3月31日星期四
2.转子整流器的第二工作状态 （Id较大， 600 不变，出现强迫延时换相角）
特征：
当重叠达到600，电流达到第一工作 状态最大电流（或一、二状态分界 电流Id1-2）以上，如果负载电流继 续增大，最初时重叠角会大于600， 但稳定以后，两个二极管的重叠会 均匀地保持600不变，但所有二极管 的换流都被迫从自然换流点向后延 迟一个角度 p 。 电流越大，这个强迫延时换相 角就越大，但有：
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sE20 E f R2 jsX 20
I 2 ' I 2 Te ' Te n
s s ' n s I 2 ' I 2 ' I 2 n' T ' T e e
电机在转速n ′处实现平衡，转速调为n ′ 。
2016年3月31日星期四
I 2 ' I 2 Te ' Te n
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电机在转速n′处实现平衡，转速调为n ′ 。
2016年3月31日星期四
向高于同步速方向的串级调速
串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：
2016年3月31日星期四
3. 高于同步转速的电动运行状态 s＜0，Te＞0。则
Pem Te0 0 PM (1 s) Pem 0
Ps s Pem 0
说明从电网向电动机定子输入电磁功率Pem，同时从电网通过产生 E f 装置向电动机转子输入转差功率Ps。电动机把定子和转子同时吸收的 电功率变为机械功率PM从轴上输出。
2016年3月31日星期四
4. 高于同步转速的回馈制动运行状态 s＜0，Te＜0。则
Pem Te0 0 PM (1 s) Pem Ps s Pem 0
说明电动机从轴上吸收机械功率PM，一部分变为电磁功率Pem ， 通过定子回馈给电网；另一部分变为转差功率Ps，通过产生 E f 装置回馈给电网。
2016年3月31日星期四
可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。
超同步串级调速系统系统装置复杂，费用高。
实用的串级调速系统，一般采用低同步串级调速： 将转子电路接整流电路； 在直流回路中串入直流附加电动势； 通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。
2016年3月31日星期四
主要介绍低同步串级调速系统的基本类型。
分析前提条件:
（1） 假设直流滤波电感足够大,转子整流器输出的直流电流平直。 （2） 整流二极管没有管压降。 （3） 忽略电动机内阻对二极管换相的影响。
2016年3月31日星期四
分析注意事项:
异步电机转子整流电路的工作与一般具有整流变压器的整流电路的 工作极为相似，因此可以引用电力电子整流电路分析中已有的一些结 论,但是要看到它们两者之间存在着差异，主要是： ①转子绕组感应电动势E2的幅值与频率都是转差率s的函数； ②折算到转子侧的漏抗值也是转差率s的函数； ③由于异步电机折算到转子侧的漏抗值比整流变压器的要大，换相 重叠现象严重，转子整流器会出现“强迫延迟导通”现象。
2016年3月31日星期四
对于电气串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的转矩 为：
(1 s) Pd Pd Te (1 s) 0 0 Pm
常数
结论：电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。
对于机械串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的机械 功率为：
(1 s) Pd sPd Pd 常数
0 p 30
0
0
2016年3月31日星期四
0 30 （ Id 过大， p 3.转子整流器的故障状态
600
的情况 ）
特征： 当重叠达到600、 强迫延时 换相角达到300时的电压电流波 形如右图所示。 如果负载电流继续增大， 重叠角又会大于600，但强迫延 时换相角会保持300不变。原因 是：即使前面两个管子换流未 换完，后面该导通的管子也会 承受正压而导通，这样，就会 出现共阴极管和共阳极管都在 换流，四个二极管同时导通---转子整流器短路的故障情况 。 * 串级调速系统要避免运行 时严重过载的情况。
2016年3月31日星期四
低同步串级调速系统的机械特性
一.转子整流器的三种工作状态
二.串级调速系统的调速特性
三.串级调速系统的机械特性与最大转矩
2016年3月31日星期四
一.转子整流器的三种工作状态
低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有源逆变 器，这两部分电路的整流或逆变器件的开关过程会受到负载电流的影响。 负载电流较小时换流速度较快，而负载电流较大时器件的换流速度较慢， 换流速度慢会导致输出电压的降低，如果换流速度过慢甚至会引起电路故障。 下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。
问题的引入:
2016年3月31日星期四
*转速越低，转差越大，电 阻发热越多，效率越低。
2016年3月31日星期四
2.调速时，其机械特性随着转子回路附加电阻增加而变软，大大降低了调 速精度。 3.实际应用中，由于串入转子回路的附加电阻级数有限，无法实现平滑调速。
基本结论：
串入电阻越大，转速越低，转差就越大， 机械功率在电磁功率中所占的比率就越低，效率 越低。
结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。
2016年3月31日星期四
低同步串级调速系统 电气串级调速系统因效率高、技术成熟和低成本而获得广 泛应用。 低同步机械串级调速系统的调速范围越大，所需直流电动 机容量也越大，只适用于大容量，调速范围小的恒功率生 产机械。
超同步串级调速系统 优点：效率高，而且能四象限运行，调速装置容量小， 还可解决功率因数低的问题。 缺点：其主路和控制电路复杂，调速装置成本高， 使用场合：适用于需要四象限运行，大容量的生产机械。
低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整 成直流电，在直流电路中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源 的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。 从能量关系来说，低同步串级调速电动状态的基本能量关系是串 入附加电势，吸收转子降速引起的转差功率，并将吸收的功率回馈电 网的过程。 按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为电气串级调速系 统和机械串级调速系统两大类。
b. 如串入的附加电势 E f 方向相同，频率相同
与转子感生电势 sE20
* 这种向上调速的情况称为向高于同步 速方向的串级调速。
2016年3月31日星期四
向低于同步速方向的串级调速
串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：
I2 '
sE20 E f R2 jsX 20
绕线转子异步电动机串级调速系统
一、 串级调速的原理与基本类型
二、绕线转子异步电动机串级调速时的机械特性
三、 串级调速系统的效率和功率因数 四、 双闭环控制的串级调速系统
五、 串级调速系统的应用
2016年3月31日星期四
串级调速的原理与基本类型
一.串级调速的原理
二.串级调速的基本运行状态及功率关系 三.串级调速系统的基本类型
2016年3月31日星期四
电气串级调速系统
由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电源， 通过控制逆变角控制转子转速，其交流侧通过逆变变压器接电网。 呈现恒转矩机械特性。
2016年3月31日星期四
机械串级调速系统
用直流电动机作为可控直流电源， 通过控制直流电动机的励磁控制转子转速。 所吸收转差功率可以通过直流电动机与绕线电动机 的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。 具有恒功率调速的特性
I2
sE 20 R2 ( sX 20 ) 2
2
E 20 ―s=1时转子开路相电动势
X 20 ―s=1时转子绕组的相漏抗
2016年3月31日星期四
将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 E f a. 如串入的附加电势 E f 与转子感生电势 sE20 方向相反，频率相同
* 这种向下调速的情况成为向低于同步速方 向的串级调速。
2016年3月31日星期四
将转差率s换成速度n，得串级调速系统的调速特性：
2016年3月31日星期四
二.串级调速系统的调速特性 （n或s与电流Id的关系式）
n或s与电流Id的关系式，需要从直流等效电路入手加以推导： 第一工作状态下，整流整流器-逆变器的直流回路等效电路如下：
2016年3月31日星期四
由直流回路等效电路，列出直流电压平衡方程：
于是，推得转差率与电流之间的关系式：
2016年3月31日星期四
绕线型异步电动机的转子
2016年3月31日星期四
绕线型异步电动机的转子
集电环
2016年3月31日星期四
三相绕线型异步电动机示意图
转子三相绕组接成 Y 形
短接或 外接对称电阻等
2016年3月31日星期四
一. 串级调速的原理
转子串电阻调速分析 我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其转子回路串入电阻来 减小电流，增大转差率，从而改变转速。这种方法就是转子串电阻调速方 法。 优点:简单方便 主要缺点： 1.低效率 R2F↑→I2↓→Te↓→n↓实现调速；但 n↓→s↑→转差功率Ps=s.Pem↑， 大量转差功率将在转子所串电阻上变成热量被消耗掉，因此不适合对大容 量电机降速，对小容量电机也因效率太低而不适宜长期运行。 转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。
2016年3月31日星期四
1. 低于同步转速的电动运行状态 0＜s<l，Te＞0，则
Pem Te0 0 PM (1 s) Pem 0 Ps s Pem 0
说明电网向电动机定子输入的电磁功率Pem一部分变为机械功率 PM 从电动机轴输出；另一部分变为转差功率Ps通过产生 E f
2016年3月31日星期四
1.转子整流器的第一工作状态
（Id较小，
600 的情况
）
特征：转子电流较小，整流后直流电流Id也 较小； 二极管整流器换相迅速，两个二极管之 间的换流重叠角ɼ较小。 重叠角 ɼ 随转子电流或Id的增大而增大， 第一工作状态的ɼ小于等于600。
2016年3月31日星期四
二.串级调速的基本运行状态及功率关系
在转子侧引入一个可控的附加电 动势，就可实现调速，这个调速 过程必然在转子侧形成功率的传 递。
串级调速系统基本运行状态： 四种
在调节前后，转子电阻消耗功率 不变，但转差率s改变，即转差功 率改变；
功率的流向要么是从转子侧传输 到与之相连的交流网或外电路中， 要么是从外面吸收功率到转子中 来。
装置回馈给电网。
2016年3月31日星期四
2. 低于同步转速的回馈制动运行状态 0＜s<l，Te＜0，则
Pem Te0 0
PM (1 s) Pem 0
Ps s Pem 0
说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率PM与从电网通过产生 E f 装置输入的转差功率Ps之和，都变为电磁功率Pem，并通过电动机 定子回馈给电网。
第一工作状态的边界 600 时电压、电流波形
由整流电路计算，得第一工作状 态下的重叠角 计算公式：
cos 1
式中，
2 X D0 6 E20
Id
Id―整流电流平均值； E20 ―转子开路时的相电动势 有效值； XD0 ―折算到转子侧的每相漏 抗(s=l时)。 可见，E20和XD0确定时，Id 越大，γ越大，当 I d 6 E20 时，γ 4 X D0 ＝60o。