运动控制系统

P1 Ps
绕线转子异步电动机转子串电阻调速
根据电机理论，改 变转子电路的串接电 阻，可以改变电机的 转速。
转子串电阻调速的 原理如图所示，调速 过程中，转差功率完 全消耗在转子电阻上 。
~
Pm
Pmech Ps
双馈调速的概念
所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电 机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组 与其他含电动势的电路相连接，使它们可 以进行电功率的相互传递。 至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕 组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出， 则要视电机的工况而定。
异步电机的功率关系
忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何 工况下的功率关系都可写作
Pm sPm (1 s)Pm
（7-4）
式中 Pm —从电机定子传入转子（或由转子传出给定
子）的电磁功率
sPm —输入或输出转子电路的功率，即转差功率
(1-s)Pm —电机轴上输出或输入的功率 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
Converter Unit—CU）对不同频率的电功率进行 电能变换。
对于双馈系统来说，CU应该由双向变频器构 成，以实现功率的双向传递。
双馈调速的功率传输
（1）转差功率输出状态
异步电动机由电网供电并以电动状态运行时， 它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出 机械功率给负载，以拖动负载运行；
运动控制系统
7.0 引言
转差功率问题
转差功率始终是人们在研究异步电动 机调速方法时所关心的问题，因为节约电 能是异步电动机调速的主要目的之一，而 如何处理转差功率又在很大程度上影响着 调速系统的效率。
如第5章所述，交流调速系统按转差功 率的处理方式可分为三种类型。
交流调速系统按转差功率的分类
10
a） 次同步速电动状态
3）转差功率馈送型——控制绕线转子异步电动机的转子 电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种 调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些
设备。
7.1 异步电机双馈调速工作原理
概述
本节提要
异步电机转子附加电动势的作用
异步电机双馈调速的五种工况
7.1.0 概述
转差功率的利用
双馈调速的基本结构
电网
K1
K2
M
TI
3~
功率变换单元
如上图所示，在双馈调速工作时，除了电 机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧 也要与交流电网或外接电动势相连，从电 路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回 路中附加一个交流电动势。
功率变换单元
由于转子电动势与电流的频率随转速变化，
即f2=sf1，因此必须通过功率变换单元（Power
动势，则可使电动机的转速降低。
所以，在绕线转子异步电动机的转子侧 引入一个可控的附加电动势，就可调节电 动机的转速。
7.1.2 异步电机双馈调速的五种工况
本节摘要
电机在次同步转速下作电动运行 电机在反转时作倒拉制动运行 电机在超同步转速下作回馈制动运行 电机在超同步转速下作电动运行 电机在次同步转速下作回馈制动运行
~
引入可控的交 流附加电动势
M 3~
Er sEr0 Ir
~ Eadd ~ ~
附加电动势与转子电 动势有相同的频率， 可同相或反相串接。
图7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
有附加电动势时的转子相电流：
如图7-1所示，绕线转子异步电动机在外接附 加电动势时，转子回路的相电流表达式
作为异步电动机，必然有转差功率，要 提高调速系统的效率，除了尽量减小转差 功率外，还可以考虑如何去利用它。
但要利用转差功率，就必须使异步电动 机的转子绕组有与外界实现电气联接的条 件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线 转子电动机才能做到。
绕线转子异步电动机
绕线转子异步电动机 结构如图所示，从广义 上讲，定子功率和转差 功率可以分别向定子和 转子馈入，也可以从定 子或转子输出，故称作 双馈电机。
1）转差功率消耗型——异步电机采用调压控制等调速方 式，转速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低； 但这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一 定的应用价值。
2）转差功率不变型——变频调速方法转差功率很小，而 且不随转速变化，效率较高；但在定子电路中须配备 与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成 本最高。
Ir
sEr0 Eadd Rr 2 (sX r0 )2
(7-3)
转子附加电动势的作用
1. Er 与 Eadd 同相
当 Eadd ，
s1Er0 Eadd Ir Te n s
使得： 这里：
s1Er0 Eadd s2 Er0 Ea' dd
s1 s2
转速上升；
转子附加电动势的作用（续）
当 Eadd ， s1Er0 Eadd Ir Te n s
使得：
s1Er0 Eadd s2 Er0 Ea' dd
这里：
s1 s2
转速下降；
转子附加电动势的作用（续）
2. Er与Eadd反相 同理可知，若减少或串入反相的附加电
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M
3~
Pmech
Ps
CU
（2）转差功率输入状态
当电机以发电状态运行时，它被拖着运转， 从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电 功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。
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M
3~
Pmech
Ps
CU
7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用
异步电机运行时其转子相电动势为
ErFra Baidu bibliotek sEr0
(7-1)
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。
功率流程
sn
0 n1
~
sPm
P1 Pm
(1-s)Pm
CU
sPm
式中 s — 异步电动机的转差率；
Er0 — 绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动
势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压 值。
转子相电流的表达式为：
Ir
sEr0 Rr2 (sX r0 )2
(7-2)
式中 Rr— 转子绕组每相电阻； Xr0— s=1时的转子绕组每相漏抗。
转子附加电动势