第8章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版)阮毅

8.3.2 异步电动机串级调速机械特性 的特征
1. 理想空载转速可以连续平滑调节
2.34sEr0

2.828 M UT 2

Id R
Id=0
2. 34s0 Er 0

2.828 M
UT
2
n0

nsyn(1
s0 )

nsy
n
(1

1.209 UT MEr 0
2
)
串级调速系统的理想空载转速 n0与同步转速 nsyn
转子侧每相加上与 Er0 反相的附加电动势 +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
10
a） 次同步速电动状态
当转子变频器传输功率的方向不同时，s 和 Pm可正可负，因而使绕线转子异步电机 转子变频控制系统产生电动与发电、次同 步与超同步排列组合的四种基本工作状况。
~
P
1
P
m
sn
1 2n
~1
P
1
P
m
(1 s)Pm
(c)
sP m CU
~
P
1
P
m
(1 s)P m
0
n 1
(b )
~ P 1
sP m CU
转子相电流的表达式为：
Ir
sEr0 Rr2 (sX r0 )2
(8-2)
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
~
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。
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
（8-4a）
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。
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。典型的 应用是风力发电机。
运行工况： 电机处在发电状态工作，s <0，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。此时式（7-4）可改写成
Pm sPm (1 s)Pm
功率流程
8.1.2 转子电路变频器
异步电机转子电动势与电流的频率在不同 转速下有不同的数值,其值与交流电网的频 率往往不一致，所以不能把电机转子直接 与交流电网相连，必须通过一个中间变换 环节才能连接到交流电网。
8.1.2 转子电路变频器
电网
通过调节转
Pm K1
K2
差功率大小
和流向调节
转速
M
3~
TI
1 D
当系统调速范围降低时，逆变变压器和整个串
级调速装置的容量都相应减小。
串级调速系统往往被推荐用于有限调速范围的 场合（例如 =1.5~2.0范围内无级调速），而 很少用于从零转速到额定转速全范围调速的系 统。
注意:必须具备起动装置（如起动电阻、频敏变
阻器），使转子从零速起动到最低转速，然后才
Pm
(1 s)P m
(d )
T e
sPm
CU
(1 s)Pm
10
(a)
sPm
CU Te
图8-4 绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 c)超同步速发电状态 b)超同步速电动状态 d)次同步速发电状态 CU——功率变换单元
1. 电机在次同步转速下作电动运行
这里：
s1Er0 Eadd s2 Er0 Ea' dd
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 节电动机的转差频率和转速。
第八章 绕线转子异步电机转子变频控制系统
内容提要
绕线转子异步电机转子变频控制原理 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基
本工况 绕线转子异步电机转子变频串级调速系统 绕线转子异步电机转子变频双馈控制系统
8.1 绕线转子异步电机转子变频控制原理
定子侧与交流电网 连接
转子侧与电力电子 装置连接，改变转 子侧外接的电动势， 可以控制转差频率， 同时控制转子侧输 出或输入的电功率， 只增加不多的转子 电路损耗。
调制度M 是控制变量，式(8-9)可以 当作串级调速系统中异步电动机机械 特性的间接表达式 。
反映了机械特性的线性段。
串级系统调速原理
降低调制度M ，按式（8-8）将提高逆变 器的输入电压 ，在动态中首先反映的是减 少电流 Id的，使电磁转矩减小，迫使电动 机转速降低，实现调速。与此同时，转差 率s增大，从而恢复 与负载电流平衡，使 串级调速系统恢复到新的稳态。
载转差率 s0max ，n0min nsyn (1 s0max)
s0 m ax

1
1 D
UT 2

1
1 D

M minEr 0 1.209
（8-14）
调速范围越大时， s0max也越大，整流器和逆 变器所承受的电压越高（ s0max Er0 ）。
对于只需要低调速范围的生产机械，如风机水 泵等，采用串级调速系统时，只用低电压小功 率的变频器就够了。
s
0
s 0

0
0.2
s 0

0 .2
0.4
s 0

0 .4
0.6
s 0

0 .6
0.8
s
0
0.8
固有特性
1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 T *
e
a)
b)
图8-8 异步电动机串级调速时的机械特性
8.3.3 转子变频器的电压和容量与串级调速 系统的效率
串级调速装置是指整个串级调速系统中除 异步电动机以外为实现串级调速而附加的 所有功率部件，包括转子整流器、逆变器 和逆变变压器。从经济角度出发，必须正 确合理地选择这些附加设备的电压和容量， 以提高整个调速系统的性能价格比。
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：
M
3~
sPm
CU1
sEr0
T1 CU 2
图8-3 转子电路连接可馈出或馈入电功率的双PWM交-直-交变频器
8.2 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基本 工况
本节摘要
电机在次同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作发电运行 电机在次同步转速下作发电运行
(1 S)P
CU
SP
10
-Te
0
d） 次同步速发电状态
8.3 绕线转子异步电机转子变频串级调速系统
绕线转子异步电机调速系统工作在次 同步电动状态，称作绕线转子异步电 动机的串级调速系统。
串级调速系统分为 ➢ 机械串级调速系统 ➢ 电气串级调速系统
转差功 率得以 机械形 式帮助 异步电 动机拖 动负载
整流器容量
主要依据其电流与电压的定额。
电流定额决定于异步电动机转子的额定电
流和所拖动的负载电流IrN；
电压定额则决定于异步电动机转子的额定
相电压（即转子开路电动势 Er0 ）和系统 的调速范围 D。这里n1为同步转速。
D n1 nmin
(8-13)
nmin 是调速系统的最低转速，对应于最大理想空
图8-1 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8-1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
Ir
sEr0 Eadd Rr 2 (sX r0 )2
(8-3)
转子附加电动势的作用
1. Er 与 Eadd 同相
当 Eadd ，
2. 电动机在超同步转速下作电动运行
当电动机的转速到达或超过额定转速时， 如继续加大 Eadd ，转子电动势 sEr0必然反
相变负，电动机将加速到s 0的新的稳态
下工作，即超同步电动运行状态。必须指 出，此时电动机转速虽然超过了其同步转 速，但它仍拖动着负载作电动运转。因此 电动机轴上可以输出比其铭牌所示额定功 率还要高的功率。
2. 电动机在超同步转速下作电动运行
电动机轴上输出机械功率由定子侧与转子 侧两部分输入电功率合成，电动机处于定、 转子双输入状态，式（8-4a）可改写成 ：
Pm s Pm (1 s)Pm
（式中s本身为负值）。 其功率流程示于图8-4b。
3. 电机在超同步转速下作发电运行
工作条件： 进入这种运行状态的必要条件是有机
P
Pm
sn
S P 1 2n1
(1 S)P
CU
SP
0 n1
-Te
0
c） 超同步速发电状态
4. 电机在次同步转速下作发电运行
• 工作条件：
如果外力使转子运行的转速低于同步转速 ， 转差率 >0，电机仍处于发电状态。
Pm (1 s) Pm s Pm
功率流程
P
Pm
sn 0 n1
SP
Te
2. 电动机在超同步转速下作电动运行
当电动机已在 0 s 1的情况下作电动运
行，轴上拖动恒转矩的额定负载，若转子
侧串入了与 sEr0 同相的附加电动势Eadd
，
则式（8-3）变为：
IrN
sEr0 Eadd Rr2 (sX r0 )2
从前面讨论可知，只要不断加大附加电动 势的幅值 Eadd ，就可提高电动机的转速。
M
M
3~
If

Id
图8-6 机械串级调速系统（Kramer系统）原理图
*8.3.1 电气串级调速系统的组成
将转差功 率逆变后 回馈到交 流电网
~
~
M
3~
UR
Id
UI


sE r 0 Ir
Ud
Ui
TI UT2


图8-7 绕线转子异步电机电气串级调速系统原理图
串级调速系统工作原理
直流回路稳态电压平衡方程
转子变频器容量
转子变频器和逆变变压器容量的选择主要 依据其电流与电压的定额。电压定额取决 于系统的调速范围，电流定额取决于异步 电动机转子的额定电流和所拖动的负载。
逆变变压器容量
用伏安数表示的逆变变压器容量为

ST 3UT 2IT 2
将式（8-15）代入，得
ST
2.481 M E min r0IT 2 1
sPm
(1-s)Pm
功率变换单元
绕线转子异步电机转子变频控制系统的基本结构
图8-2只能用于
由转子电路馈出
电功率的系统， M
ห้องสมุดไป่ตู้
T1
3~
又称作串级调速 sPm
CU1
CU 2
系统
sEr0
图8-2 转子电路连接不控整流器和晶闸管有 源逆变器用以馈出电功率
转子电路可馈入、馈出电功率的双馈系统，功率 变换装置必须是可逆的，如图8-3所示，其中 CU1和CU2都可兼作可控整流和逆变单元。
能投入转子变频器运行。
3、串级调速系统的效率
Pin
Qin
Pf
P1
Q1
Qf
P2
M
3~
PS
pCus pFe pmech
Pin
P1 Pf Pm Pmech
P2
Ptan
PS pCur pS
串级调速系统的效率
串级调速系统的总效率
sch
Ud0 Ui0 Id R 整流电压输出
(8-4)
Ud0

36

sE r 0

2.34 sEr0
(8-5)
UT 2

M 22
Ui0

0.354 MU i0
Ui0

22 M UT2
2.34sEr0

2.828 M UT 2

Id R
（8-9）
式中Er0 和UT 2 都是相
电压
s是电动机的转差率，而 Id间接反映 电动机电磁转矩的大小，
定子与交流电网连接
~ P1
Ps
转子接交流电源或外 接电动势
双馈调速原理示意图
8.1.1 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
Er sEr0
(8-1)
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。
是不同的
调节调制比，理想空载转差率 和理想空载转速 n0 都相应改变，得到近似平行的机械特性。
2．机械特性的斜率与最大转矩
串级调速时，转子回路中接入了串级调速 装置(包括整流和逆变装置、逆变变压器等 )，实际上相当于在电动机转子回路中接入 了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影 响在任何转速下都存在。 由于转子回路 阻抗的影响，异步电动机串级调速时的机 械特性比其固有特性要软得多。