第七章 绕线转子异步电动机调速系统

s n
0 n1
~
P1
sPm
(1+s)P1
1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。
e） 次同步速回馈制动状态

五种工况小结
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。
7.1.3 串级调速系统的基本类型

在异步电动机转子回路中串入附加电动势固然可 以改变电动机的转速，但由于电动机转子回路感 应电动势E2的频率随转差率而变化，所以附加电 动势的频率亦必须能随电动机转速而变化。这种 调速方法就相当于在转子侧加入了一个可变频、 可变幅的电压。由于在工程上获取可变频、可变 幅的可控交流电源是有一定难度的，因此常变换 到直流电路上来处理，即先将电动机转子电动势 整流成直流电压，然后引入一个直流附加电动势， 调节直流附加电动势的幅值就可以调节异步电动 机的转速

式（7-1）说明，转子电动势E2值与其转差率s 成正比，同时它的频率f2也与s成正比，f2=s f1。 当转子按常规接线时，转子相电流的方程式为
I2 sE 20 R sX 20
2 2 2
（7-2）
式中 R2—转子绕组每相电阻； X20—S=1时转子绕组每相漏抗。

现在在转子电路中引入一个可控的交流附加电 动势Eadd，并与转子电动势E2串联。Eadd应与 E2有相同的频率，但与E2同相或反相，如图7-l 所示。

U d Ui I d R 或 K1sE20 K 2U 2T cos I d R （7-4）
可写出整流后的转子直流回路的电压平衡方程式
式中 K1、K2—UR与UI两个整流装置的电压整流系 数，如果都采用三相桥式整流电路，则K1= K2=2.34； U2T—逆变变压器的二次相电压； β—工作在逆变状态的可控整流装置UI的逆变 角； R—转子回路总电阻。
7.2串级调速系统的性能

7.2.1串级调速系统的机械特性 在串级调速系统中，电动机的同步转速由电源频率与电动 机的结构决定，且恒定不变，但其理想空载转速是可调的， 由式（7-4），设K1=K2，当Id=0时，有 s0 E20 U 2T cos 即
s0 U 2T cos E20


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。

功率流程
1 0
SP 1
P1
Te
(S 1) P 1
2 -n1
s -n
SP 1
CU
b）反转倒拉制动状态

电机在超同步转速下作回馈制动运行

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。


直流附加电动势技术要求 按前述，首先它应该是平滑可调的，以满足对电机转 速的平滑调节。另外从功率传递的角度来看，希望能 吸收从电动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用， 譬如把能量回馈电网，而不让它无谓地损耗掉，这就 可以大大提高调速的效率。根据上述两点，如果选用 工作在逆变状态的晶闸管可控整流器作为产生附加直 流电动势的电源，是完全能满足上述要求的。 按产生直流附加电动势的方式不同，次同步串级调 速系统可分为电气串级调速系统、机械串级调速系统。
第7章 绕线转子异步电动机调速系统
内容提要 7.1 绕线转子异步电动机串级调速原理 7.2串级调速系统的性能 7.3转速、电流双闭环串级调速系统 7.4超同步串级调速系统
7.1 绕线转子异步电动机串级调速原理
7.1.1 异步电动机转子附加电动势时的工作情况 绕线式异步电动机运行时，其转子相电动势为 E2 sE20 （7-1） 式中 s—异步电动机的转差率； E20—绕线转子异步电动机在转子不动时的相 电势，或称开路电动势、转子额定相电压。
s1 E 20 R s1 X 20
2 2 2
I2
s 2 E 20 E add R s 2 X 20
2 2 2

可见，改变附加电动势Eadd的大小，即可调节 电动机的转差率s，亦即调节电动机的转速。 同理，如果引入同相的附加电动势，则可使电 动机的转速增大。
7.1.2 串级调速的各种运行状态及功率传递关系
1.电气串级调速系统

图7-3为根据前面的讨论而组成的异步电动机电气串级调速 系统原理图。图中异步电动机以转差率s在运行，其转子电 动势sE20经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压Ud。 工作在逆变状态的三相可控整流装置UI除提供可调的直流 输出电压Ui作为调速所需的附加电动势外，还可将经UR整 流后输出的电动机转差功率逆变，并回馈到交流电网。图 中TI为逆变变压器，L为平波电抗器。两个整流装置的电压 Ud与Ui的极性以及电流Id的方向如图7-3所示。

转子电路的电流方程式如下
I2 sE 20 E add R sX 20
2 2 2
（7-3）
由于转子电流I2与负载的大小有直接关系，当电动机的负 载转矩TL恒定时，可以认为不论转速高低转子电流I2都不 变，即在不同的s值下式（7-2）和式（7-3）相等。设附 加电动势Eadd=0时，电动机在s=s1的转差率下稳定运行。 当加入反向的附加电动势后，电动机转子回路的合成电 动势减小了，转子电流和电磁转矩也相应减小，由于负 载转矩未变，电动机必然减速，因而s增大，转子总电动 势增大，转子电流也逐渐增大，直至转差率增大到s2（> s1）时，转子电流又恢复到原值，电动机进入新的稳定 运行状态。此时s1与s2之间有如下关系

在电动机负载转矩不变的条件下作稳态运行时， 可以近似认为Id为恒值，当增大β角时，逆变 电压Ui减小，电动机转速因存在机械惯性尚未 变化，Ud仍维持原值，直流回路电流Id增大， 转子电流I2也相应增大，电动机加速；转子整 流电压Ud随转速增大而减小，直至Ud与Ui依式 取得新的平衡，电动机进入新的稳定状态以较 高的转速运行。同理，减小β时，电动机减速。

图7-3中，除电动机外，其余装置都是静止型的 元器件，故称这种系统为静止型电气串级调速系 统。由上述原理可见，系统转子侧构成了一个交 一直一交有源逆变器，由于逆变器通过变压器与 交流电网相连，其输出频率是固定的，因而是一 个有源逆变器。由此可见，这种调速系统可以看 作是电动机定子恒频恒压供电下的转子变频调速 系统。由于其值可平滑连续变化，因而电动机的 转速也能平滑地连续调节。这种调速方法因为逆 变器能将电动机的转差功率回馈到交流电网，比 之转子串电阻调速可大大提高调速系统的效率， 故称为转差功率回馈型的调速方法。
在异步电动机转子中串入附加电势而形成的串级 调速系统，从功率关系来看，实质上就是利用附 加电势由Eadd来控制异步电动机转子中的转差功 率而实现调速的。因此，串级调速的各种基本运 转状态，可以通过功率的传递关系来加以说明。 串级调速可实现5种基本运转状态，不同运转状 态下的功率传递关系如图7-2所示。图中忽略了 电动机内部的各种损耗，认为定子输入功率P1就 是转子电磁功率Pem。

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。

功率流程
s n
SP 1
P1
0
n1
(1 S ) P 1
SP 1
CU
1
0
0
-Te
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。
（7-5）
由式（7-5）可见，改变β角时s0也随之改变。在系统中，β 角的调节范围对应于电动机调速范围的上、下限，一般逆 变角的调节范围为30°~90°。其下限30°是为了防止逆 变颠覆而设置的最小逆变角，其具体数值也可根据系统的 电气参数来设定。由式（7-4）还可看出，在不同的β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。
D0 d 20


由式（7-6）可知，当E20和XD0确定时，换流重叠角γ随 着电流Id的增大而增大。当Id< 时，γ<60°,器件在自然 换流点换流；当Id= 时，γ=60°，此时，若继续增大Id， 会出现强迫延迟换流现象，即器件的起始换流向后延 迟一段时间，这段时间用强迫延迟换流角αP来表示， 在这一阶段，γ保持60°不变，而αP在0°~30°间变 化。当αP=30°后再继续增大Id时，αP保持30°不变； 而随着Id增大，γ从60°继续增大。因此，串级调速时 转子整流电路有3种工作状态。 （1）0°<γ≤60°，在自然换流点换流的工作状态为 第一工作状态。 （2）保持γ=60°不变，而αP在0°~30°间变化的工 作状态为第二工作状态。 （3）αP=30°不变，随着Id增大，γ从60°继续增大的 工作状态为第三工作状态。该工作状态属于故障工作 状态，故不对它进行讨论。