2双馈调速原理

一．双馈调速原理

双馈调速理论是从串级调速理论发展而来，针对串级调速系统不能实现能量的双向流动和功率因素低的缺点进行了改进。两者所使用的原理是相同的，即利用在电机转子上附加电势实现电机的速度调节。只不过串级调速系统只能实现与电机感应电势反方向的附加电势，而双馈调速系统要实现附加电势的频率、幅值、相位的完全控制。

1．1附加电势的种类

根据异步电动机的特性，从转予电流表达式：

可以看出，在转子电流，，基本不变的情况下，改变转子侧外加电压玑，可以改变转差率S。这就是为什么附加电势能够调节电机转速的原因，因此对电机转速的控制问题就变成了对外加电压U，的控制问题。

异步电动机的外加电压矢量U，有三种典型方向可以使用

(1)与转子感应电势同相

(2)与转子感应电势反相

(3超前转子感应电势姬，90度

其中，与转子感应电势同相和反相的外加电压U2的作用是使电机转速升高和降低，超前转子感应电势90度的外加电压U2的作用是改善电机定子侧功率因数。在实际控制时，外加电压的相位可以是以上两种典型方向的矢量合成，但必须保证外加电压与转子感应电势频率相同。

下面用图示的方法说明各种附加电势对系统的影响：

(1)异步电动机正常运行时的矢量关系如图1．1(a)所示。其中忽略异步电动机的定子阻抗后有≈-=-s电机定子电流+电机定子、转子的功率因数角分别为α,β。

(2)附加电势与转U2与转子感应电势。同相时的矢量关系如图1．1(b)所示。由于电网电压没有变化，迫使电机转子合成电势的折算值保持不变，即满足s U2+ 随着附加电势折算值u；的增大，系统新的转差率S会随之减小，即电机转速升

高。当附加电势折算值增大到大于系统原有s时，会使系统新的转差率S’变负，即电机转速超过同步转速。此时的矢量关系如图1-1(d)所示。

(3)附加电势U2与转子感应电势。反相时的矢量关系如图1—1(c)所示，其分析方法同上。不同之处在于：附加电势折算值以为负，随着附加电势折算值以的增大，系统新的转差率S’会随之增大，即电机转速降低。

(4)附加电势乩超前转子感应电势90度时的矢量关系如图1-1(e)所示。出于附加电势折算值与转子感应电势的折算值s垂直，并不影响其垂直分量的大小，因此电机的转速不会发生变化，但转子合成电势s的相位却由于的引入而发生了变化。由于电机转子的阻抗参数并不因为附加电势的引入而发生变化，所以转子侧功率因数角α不变。这将导致转子电流的的相位跟随的相位变化而变化，从而间接改善电机定子侧功率因数角

图1-1各种附加电势对系统的影响

二．双馈调速电动机不同工作状态下的能量关系为了能够更清楚的描述异步电动机在双馈状态下运行的特性，有必要对电动机在不同工作状态下的能量关系进行分析。为了简化分析过程，忽略异步电动机的铁耗、定子铜耗以及各种摩擦损耗，只研究电磁功率.机械功率和转差功率的流动方向，从能量的角度对电机运行过程中功率的传递问题进行分析，以确定其运行状态。

2．1低同步电动状态

在异步电动机的转子上加上一个与转子感应电势的相位相反的电压，在外加电压作用的瞬间，转子合成电势减小，导致电机转子电流减小，电动机的输出转矩减小，电机转速降低。随着转差率的逐渐增大，转子合成电势逐渐增大，转子电流增加，电动机的输出转矩增加，达到新的平衡点，此时5∈(0，1)。在忽略各种损耗的情况下，电磁功率功率流动方向从定子电源到电机；机械功率>0功率流动方向从电动机到负载机械；转差功率功率流动方向从电机到外加电源。利用低同步电动状态的特性可以将转差功率回送电网，提高整个系统的效科”。2．2超同步电动状态

在异步电动机的转子上加上一个与转子感应电势的相位相同的电压U2。外加电压U2作用的瞬问，使转子合成电势增大，导致电机转速升高。若U2增大到足以抵消电机原有感应电势，则电机转速会超过同步转速，转差率S<0。此时

电磁功率功率流动方向从定子电源划电机；机械功率>0功率流动方向从电机到负载机械；转差功率功率流动方向从外加电源到电机。

三．系统方案

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所示，习惯上称之为电气串级调速系统（或称Scherbius系统）。

3.1 系统组成

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。

3.2绕线转子异步电动机双馈调速系统的仿真

绕线转子异步电动机在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。在电动机运转时，转差功率大部分被串入的附加电势所吸收，利用产生附加电势的装置，把所吸收的这部分转差功率回馈给

电网，这样就使电动机在调速时有较高的效率，这种在绕线型异步电动机转子回路中串入附加电势的高效率的调速方法称为串级调速。

1．主电路仿真模型的建立与参数设置

主电路由三相电源、绕线转子异步电动机、桥式整流电路、电感、逆变器及逆变变压器组成。异步电动机模块取Asynchronous Machine，参数设置：绕线转子异步电动机，线电压为380V，频率为50Hz,其他参数为默认值。整流桥模块取Universal Bridge，参数设置为：电力电子器件为Diodes,其他参数为默认值。逆变桥Universal Bridge参数设置：电力电子器件为Thyristors，其他参数亦为默认值。平波电抗器取模块Series RLC Branch（路径为SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch），参数设置：电阻（Resistance）为0，电感（Inductance）为1e-3，电容（Capacitance）为inf。2.控制电路仿真模型的建立与参数设置控制电路由给定信号（Constant模块）、PI调节器（Discrete PI Controller 模块）、比较信号（Sum模块）、同步6脉冲发生装置（3个Voltage Measurement模块、一个Synchronized 6-Pulse Generator模块封装而成，同直流调速系统仿真中同步6脉冲发生装置完全相同）、转速反馈信号（Gain模块）和电流反馈信号（Gain模块）等组成

3.给定信号参数设置为10。转速调节器参数设置：