第7章异步电动机转差功教材

第7章异步电动机转差功

率回馈型传动系统

7.1引言

如第4、5、6章所讨论的那样，在定子侧进行功率按制的异步电机传动J.泛应用于工业中。尽管笼型和绕线转子电机都可以用于传动，但前者一直.更受欢迎，因为绕线转子异步电机重量更大，成本更高，而且有更大的转子惯量和更高的速度限制，电刷和集电环还带来了维护和可靠性的问题。但我们注意到，转子回路中串有机械调节变阻器的绕线转子异步电机可能是交流电机调速的最简单也是最古老的一种方法，这种电功机的个特点是转差功率可以很简单地从集电上得到，并能够被电路控制来实现电机调速。对于有限范围的调速应用来说，转差功率仅仅是电动机总功率的一小部分，变流器的成本节约就显得更为重要。这个优点一定程度上抵消了绕线转子异步机的缺点。转差功率回馈型传动已经用于下面诸多领域:

1) 大容量泵类和风机传动:

2) 变速风能系统:

3) 舰载变速/恒频(VSCF)系统;

4）引变速水泵/发电机:

5) 飞轮储能系统。

在这一章，我们将研究转差功率控制原理，特别是流行的静止Kramr和静止Scherbiu 传动。必须要注意的是在不同的地方这些传动的命名可能会有不同。

7.2转子变限器调速的双馈电动机

绕线转子异步电动机调速的基本方法是改变电动机转子回路中的电阻，如图

下图7-1所示:

上图7-2给出由式(2-32)计算得到不同转子电阻T R 下的电机转矩-转差曲线、若外接电阻尺01=R ,即集电环短接，电动机的固有转矩-转差曲线给出在额定负载转矩下电机转速对应点A 。随着电阻的增加，曲线变得更平缓，额定负载转矩下的速度更小，在电阻高(>4R )时度变成零。最大转矩或极限转矩【见式(2-35)]保持恒定，但是起动转距随电阻的增大而增大「见式(2-33)]。但是，电阻的机械调节有其固有的缺点。另外，这种调速方法效率很低.因为大部分转差功率浪费在转子网路电阻上但这个方法也有一些优点:起动电流没有冲击。可以以额定转矩起动.电网功率因数较高，电网电流没有谐波，可以实现大范围平滑调速。这种方案注今天几乎不再使用了。

通过用一个二极管镇流桥和斩波器来代替机械调节的变阻器，如图下图7-3所示

我们可以实现转子回路等效电限的静止调节。电机定

子人接和电网相连，但在转子回路中，转差

电压被二极管彼流器变成直流。直流电压又经过中联电感d L 变成电流d I ，然后接到带一电阻R 的ICBT 井联斩波器，如图所不。斩波器使用脉宽调制。占空比T t on /=δ。式中.on t 导

通时间;T 为周期。当IGBT 关断时，电阻接入电路，直流电流d I 流过电阻;而如果ICBT 通电阻被短路，电流d I 琉过IGBT 。我们由此叮以看出斩波器的占空比控制提供了一个A 、B 之间的等效电阻R R )1(0δ-=。因此，电机的转距和转速就能够被斩波器的占空比所控制。这个控制转子电阻的方法比起变附器控制是有绝对优势的，但是传动效率依然较差。这种方案毛要用于在有限速度范围内的间歇调速，在这些场合，传动效率不是十分重要。

7.3静止Kramer 传动

为了不将转差功率浪费在转子问路电阻上，可以将其逆变成60Hz 交流，A 后送回电网。通过交直交变流器在次同步范围内进行调速的转差功率控制被称为静止Kramer 传动，如图7-4所示。它与用旋转电机进行转差功率回馈的基本Kramer 传动系统不同。静止Kramer 传动一直在大容量泵类和风机传动中非常流行。其调速范围略低于同步转速。.它的传动效率很高，由于仅处理转差功率，变流器功率等级很低。事实上，如果调速范围更加严格。功率等级就会更低，它还有一个优点.就是传动系统有类似直流电机的特性，调速非常简单，后面会详细讨论。这此优点很大程度上弥补了绕线转子异步电机的不足。

图 7-4 图 7-5

电动机气隙磁链是由定子建立起来的，如果忽略定子压降和电源电压波动，这个磁链维持恒定。理想情况下，如果直流d I 没有谐波，并且忽略二极管整流器的换相重叠角，则电动机转子电流是与转子相电压同相的6脉波。图7-5为电机的定子侧基波矢最图。其中，vs

为相电压;，d I 为相对定子的转子基波电流;g ψ为气隙磁链;m I 为励磁电流;ϕ为功率因数角。

若气隙磁链不变。电机转矩和电流'rf I 成正比，而'

rf I 又和直流环节电流d I 成正比，所以转矩和式成d I 正比。对比上一节讨论的静止电阻控制，这种控制方法可以称为反电动势控制，它通过一个相控电网换相逆变器改变反电动势1v ，从而控制直流环节电流d I ，在稳态运行时，忽略电感Ld 仁的阻性压降，经过整流的转差电压d V 和逆变器直流电压1v 应该平衡。

电压d V 和转差率s 成正比，电流d I 和转矩成正比。在转速一定时，减小逆变器的触延迟角可以减小电压1v ,使d I 增加从而增加相应的转矩。简化的转速和转矩表达式可以如下推出。忽略定子和转子上的压降.电压d V 由式(3-21)给出:

式中，s 是单位转差率;1V 是定子线电压；1n 是电机定子和转子的绕组匝数比。逆变器直流电压1V 由式((3-57)给出:

式中，2n 是变压器电网侧和逆变器交流侧的绕组匝数比；α是逆变器触发延迟角.对于逆变器运行，触发延迟角范围为πα

π<

(7-2)推出:

因此，转速r ω的表达式如下：

式中，假设1/21=n n 。式(7-4)指出理想情况下，通过控制逆变器触发延迟角可以使转速在零和同步转速r ω之间变化。在零速时，触发延迟角πα=，电压d V 取最大值；在同步转速，/2πα=, Vd=0.实际应用中，最大转速比同步转速略小，以保证1V =0，并考虑直流环节电感上的电阻压降(d d d R I V =)时，仍有转矩输出。再一次忽略损耗，写出功率平衡关系如下：