第七章 绕线转子异步电动机调速系统

2.机械串级调速系统

机械串级调速系统在国际上又称为Kramer系统，其原理图 如图7-4所示。异步电动机转子电动势经整流后，接到一台 与异步电动机同轴相连的直流电动机上，共同拖动负载。 系统中直流附加电动势由直流电动机产生，通过改变直流 电动机励磁电流的大小就可以改变电枢感应电动势，相当 于改变直流附加电动势的大小，从而实现串级调速。当不 计电机的各种损耗时，异步电机从电网吸收的功率为P，直 接输送给负载的机械功率为P(1-s)，另一部分转差功率sP经 转子整流器送给直流电机。由于直流电机与异步电机同轴 硬性连接，直流电机吸收的转差功率sP转变为轴上的机械 功率仍然又输送给负载。这样串级调速系统调到低速运转 时，负载得到的机械功率总和为P(1-s)+ sP=P，具有恒功率 的调速特性。因为转速太低时直流电机不能产生足够的附 加电势，所以调速范围不大，通常在2:1以内。

功率流程
s n
SP 1
P1
1 2n1
(1 S ) P 1
SP 1
CU
0
-Te
n1
0
c） 超同步速回馈制动状态

. 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。

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。


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。

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。

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
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。

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。

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。
1.转子整流电路的工作特性




典型的次同步串级调速系统如图7-3所示，该系统中的 核心部分是有源逆变器和转子整流器，该转子整流器 与一般整流器有以下几点不同。 （1）转子三相感应电动势的幅值和频率都是转差率s 的函数。 （2）折算到转子侧的漏抗值是转差率s的函数。 （3）由于电动机折算到转子侧的漏抗值较大，换流重 叠现象严重，转子整流器会出现“强迫延迟换流”现 象，从而引起转子整流电路的特殊工作状态。 由于电动机存在漏抗，使换流过程中电流不能突变， 因而产生换流重叠角，转子整流器换流重叠角γ的一般 公式为 2X cos 1 I （7-6） 6E 式中 XD0—s=1时折算到转子侧的电动机定子和转子每 相漏抗。
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。
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。

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。

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。

功率流程
s n
SP 1
P1
1 2n1
(1 S ) P 1
SP 1
0 n1
CU
Te
Leabharlann Baidu
0
d） 超同步速电动状态
电机在次同步转速下作回馈制动运行
•
电机工作条件： 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。 在次同步转速下作回馈制动运行

s n
0 n1
~
P1
sPm
(1+s)P1
1 0
sP1
CU
Te
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。

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
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。
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。

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
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
（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。
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
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