交流异步电动机的其它调速方法h7-2

1、好学力行河南理工大学明德任责自动控制系统自动控制系统河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院朱艺锋朱艺锋Email:Email:Automation Control System好学力行河南理工大学明德任责ch7.2绕线转子异步电动机串级调速系统绕线转子异步电动机串级调速系统转差功率回馈型调速系统转差功率回馈型调速系统好学力行河南理工大学明德任责主要内容主要内容n引言引言n串级调速原理及基本类型串级调速原理及基本类型n串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性n双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统n串级调速系统性能的讨论串级调速系统性能的讨论好学力行河南理工大学明德任责引言引言v

2、转差功率问题转差功率问题 异步电机必有转差功率异步电机必有转差功率 。转。转差功率的大小和处理方法影响着调速系差功率的大小和处理方法影响着调速系统的效率，从而涉及到节约电能的问题，统的效率，从而涉及到节约电能的问题，引起人们长久的重视。引起人们长久的重视。 如第如第5章所述，章所述，交流调速系统按转差交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型功率的处理方式可分为三种类型。 smPsP好学力行河南理工大学明德任责l 交流调速系统按转差功率的分类交流调速系统按转差功率的分类 （1）转差功率）转差功率消耗型消耗型异步电机采用调异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功压控制等调速方式，转

3、速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低；但率的消耗越大，效率越低；但这类系统的这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一定结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。的应用价值。 （2）转差功率）转差功率不变型不变型变频调速方法转变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；高；但在定子电路中须配备与电动机容量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，设备成本相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。最高。 好学力行河南理工大学明德任责l 交流调速系统按转差功率的分类（续）交流调速系统按转差功率的分类（续） （3）转差功率）转

4、差功率馈送型馈送型控制绕线转子异控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并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；良好的调速性能和效率；但要增加一些设但要增加一些设备。备。 前两章已分别讨论了转差功率消耗型和前两章已分别讨论了转差功率消耗型和不变型两种调速方法，本章将讨论转差功不变型两种调速方法，本章将讨论转差功率馈送型调速方法。率馈送型调速方法。好学力行河南理工大学明德任责l转差功率的利用转差功率的利用 众所周知，作为异步电动机，必然有转众所周知，作为异步电动机，必然有转差功率，要提高调速系统的

5、效率，除了尽差功率，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量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。用它。 但要利用转差功率，就必须使异步电动但要利用转差功率，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，只有件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线绕线转子电动机转子电动机才能做到。才能做到。 smPsP好学力行河南理工大学明德任责n异步电动机电磁转矩表达式异步电动机电磁转矩表达式22cosmTmTCI1. ：由异步机结构确定的常数：由异步机结构确定的常数TC2. ：每极气隙磁通：每极气隙磁通m1111

6、14.44mUEf N K在电源电压在电源电压U1和频率和频率f1不变的情况下，不变的情况下， 为常数。为常数。 m好学力行河南理工大学明德任责3. ：转子功率因数：转子功率因数2222220cosrsrXs2cos2cos1constant 通常通常s较小，较小，220rXs好学力行河南理工大学明德任责22cosmTmTCI22II 可见，异步电机的电磁转矩近似与转子侧折算电流可见，异步电机的电磁转矩近似与转子侧折算电流 成正比。成正比。2I因此，异步电机的电磁转矩近似与转子侧电流因此，异步电机的电磁转矩近似与转子侧电流成正比。成正比。改变转子电流可以改变电磁转矩，进行调改变转子电流可以改变

7、电磁转矩，进行调速速。2I好学力行河南理工大学明德任责n 异步电动机转子相电流及调速原理异步电动机转子相电流及调速原理 异步电机运行时其转子相电动势为异步电机运行时其转子相电动势为 式中式中 s 异步电机的转差率异步电机的转差率； E20 绕线转子异步电机在转子不动时绕线转子异步电机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压值转子额定相电压值。022sEE (7-15)好学力行河南理工大学明德任责 根据转子回路等效电路，得转子相电流的表根据转子回路等效电路，得转子相电流的表达式为达式为式中式中 R R2 2 转子绕组每相电阻；转子绕组

8、每相电阻； X X2020 s =s = 1 1时的转子绕组每相漏抗。时的转子绕组每相漏抗。 20222022)(sXRsEI改变转子电阻可以改变转子电流，改变转子回路的电动势改变转子电阻可以改变转子电流，改变转子回路的电动势也可以改变转子电流。从而进行调速。也可以改变转子电流。从而进行调速。好学力行河南理工大学明德任责l绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机 PsP1 绕线转子异步电动绕线转子异步电动机结构如图所示，从机结构如图所示，从广义上讲，定子功率广义上讲，定子功率和转差功率可以分别和转差功率可以分别向定子和转子馈入，向定子和转子馈入，也可以从定子或转子也可以从定子或转子输出，故称作输出

9、，故称作双馈电双馈电机机。好学力行河南理工大学明德任责l 绕线转子异步电动机转子串电阻调速绕线转子异步电动机转子串电阻调速 根据电机理论，根据电机理论，改变转子电路的串改变转子电路的串接电阻，可以改变接电阻，可以改变电机的转速。电机的转速。 转子串电阻调速转子串电阻调速的原理如图所示，的原理如图所示，调速过程中，转差调速过程中，转差功率几乎完全消耗功率几乎完全消耗在转子电阻上。在转子电阻上。PmPmechPs好学力行河南理工大学明德任责 一、串级调速原理及基本类型一、串级调速原理及基本类型 1.1.转子回路串电阻调速法转子回路串电阻调速法 改变串接电阻的大小，以增减转子改变串接电阻的大小，以增

10、减转子回路电流，从而改变电磁转矩，达到调回路电流，从而改变电磁转矩，达到调速的目的。此时，转差功率随之改变，速的目的。此时，转差功率随之改变，消耗在转子回路中。消耗在转子回路中。 但转差功率是一种无益转子的热能损但转差功率是一种无益转子的热能损失，它使系统的整体效率降低，因此，失，它使系统的整体效率降低，因此，这种系统只这种系统只适用于小功率绕线转子异步适用于小功率绕线转子异步电动机电动机及调速范围不宽的场合。及调速范围不宽的场合。 20222022)(sXRsEI好学力行河南理工大学明德任责 2. 2. 转子附加电动势调速法转子附加电动势调速法 在转子回路引入一个附加电动势在转子回路引入一个

11、附加电动势 E Ef f ，且，且令令E Ef f的频率和转子电动势的频率和转子电动势E Er r的频率相等，则的频率相等，则转子回路的总电动势即为转子电动势和附加转子回路的总电动势即为转子电动势和附加电动势的代数和，从而使转子电流随着二者电动势的代数和，从而使转子电流随着二者的相互关系而变化，如果对电动势的方向及的相互关系而变化，如果对电动势的方向及数值加以控制，就会得到性能优越的调速。数值加以控制，就会得到性能优越的调速。 该调速方法可以节省电阻上的热能损耗该调速方法可以节省电阻上的热能损耗；还可通过改变附加电动势的大小和方向做；还可通过改变附加电动势的大小和方向做到平滑调速。到平滑调速。

12、 好学力行河南理工大学明德任责n 转子附加电动势转子附加电动势异步电动机在转子附加电动势的原理图异步电动机在转子附加电动势的原理图M3022sEE addE2I附加电动势须与转子电动势有相附加电动势须与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。同的频率，可同相或反相串接。 引入可控的交流引入可控的交流附加电动势附加电动势有附加电动势时的转子相电流：有附加电动势时的转子相电流：20222add022)(sXREsEI好学力行河南理工大学明德任责n 转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用1. Er 与与 Eadd 同相同相l当当 Eadd 使得使得这里这里 snTIEEseradd0r1add0

13、r2add0r1EEsEEs21ss 转速上升转速上升好学力行河南理工大学明德任责l当当 Eadd 使得使得这里这里snTIEEsM2add021add022add021EEsEEs21ss 转速下降转速下降好学力行河南理工大学明德任责2. E2 与与 Eadd反相反相 同理可知，若减少或串入反相的附加同理可知，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。电动势，则可使电动机的转速降低。 所以所以，在绕线转子异步电动机的转子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，就可调节侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速电动机的转速。 好学力行河南理工大学明德任责 这种异

14、步电动机转子回路中附加电动势这种异步电动机转子回路中附加电动势的调速方法，称为的调速方法，称为异步电动机串级调速异步电动机串级调速。 如果引入的附加电动势和转子电动势反如果引入的附加电动势和转子电动势反相，则转子回路电流只能低于额定转子电流相，则转子回路电流只能低于额定转子电流，对应产生低于同步转速的速度，称为，对应产生低于同步转速的速度，称为低同低同步串级调速。步串级调速。 同理，加入同相附加电动势，则系统能同理，加入同相附加电动势，则系统能产生高于同步转速的速度，称为产生高于同步转速的速度，称为超同步串级超同步串级调速调速。 好学力行河南理工大学明德任责l 双馈调速的概念双馈调速的概念 所

15、谓所谓“双馈双馈”，就是指把绕线转子异步电，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。以进行电功率的相互传递。 至于电功率是馈入定子绕组和至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，或转子绕组，还是由定子绕组和还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。视电机的工况而定。 好学力行河南理工大学明德任责l 双馈调速的基本结构双馈调速的基本结构功率变换单元功率变换单元电网电网K1M3 K2TI好学力行河南理工大学明德任责 如

16、上图所示，在双馈调速工作时，除了电如上图所示，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拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个路中附加一个交流电动势交流电动势。功率变换单元功率变换单元电网电网K1M3 K2TI好学力行河南理工大学明德任责l 功率变换单元功率变换单元 由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2 = s f1 ，因此必须通过功率变换单元（，因此必须通过功率变换单元（P

17、ower Converter UnitCU）对不同频率的电功率进行）对不同频率的电功率进行电能变换。电能变换。 对于对于双馈系统双馈系统来说，来说，CU应该由应该由双向变频器双向变频器构构成，以实现功率的双向传递。成，以实现功率的双向传递。异步电机在次同步电动状态下的双馈系统异步电机在次同步电动状态下的双馈系统称为称为 串级调速系统串级调速系统 好学力行河南理工大学明德任责（二）电气串级调速系统的工作原理（二）电气串级调速系统的工作原理 在异步电动机转子中引入可控的交流附在异步电动机转子中引入可控的交流附加电动势，固然可以改变异步电动机的转速加电动势，固然可以改变异步电动机的转速，但由于异步电

18、动机，但由于异步电动机转子感应电动势的频率转子感应电动势的频率随转差率而变化，随转差率而变化，所以附加电动势的频率亦所以附加电动势的频率亦必须随异步电动机的转速而变化。这种调速必须随异步电动机的转速而变化。这种调速方法就相当于在转子侧加入一个可变频、调方法就相当于在转子侧加入一个可变频、调压的调速方法，这将使控制线路结构十分复压的调速方法，这将使控制线路结构十分复杂。杂。 好学力行河南理工大学明德任责 由于直流电量不存在频率与相位的问题由于直流电量不存在频率与相位的问题，直流电压又易获得，所以可以考虑将异步，直流电压又易获得，所以可以考虑将异步电动机转子电动势先整流成电动机转子电动势先整流成直

19、流电动势直流电动势，然，然后后串入一直流附加电动势串入一直流附加电动势，而控制此直流附而控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。转速。 好学力行河南理工大学明德任责 对直流附加电动势的要求：对直流附加电动势的要求： 首先，它应该是首先，它应该是平滑可调平滑可调的，以满足对的，以满足对异步电动机的平滑调速要求。异步电动机的平滑调速要求。 其次，从功率传递的角度来看，希望它其次，从功率传递的角度来看，希望它能吸收从异步电动机转子侧传递过来的能吸收从异步电动机转子侧传递过来的转差转差功率功率并并加以利用加以利用。比如把能量回馈电网，而。比如把能量

20、回馈电网，而不让它无谓地损耗掉，那就可以大大提高调不让它无谓地损耗掉，那就可以大大提高调速系统的效率。速系统的效率。 好学力行河南理工大学明德任责n 系统方案系统方案 根据以上两点要求，较好的方案是采用根据以上两点要求，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。置作为产生附加直流电动势的电源。 按照上述原理组成的异步电机在低于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同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图统如图7-157-15所示，习惯上称之为所示，习惯上称之为电气串级电气串级调速系统（

21、或称调速系统（或称ScherbiusScherbius系统）。系统）。 好学力行河南理工大学明德任责图图7-157-15 电气串级调速系统原理图电气串级调速系统原理图 n 系统组成系统组成动画动画好学力行河南理工大学明德任责UR 三相不可控整流装置，将异步电机转三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势子相电动势 sEr0 整流为直流电压整流为直流电压 Ud 。UI 三相可控整流装置，工作在有源逆变三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：状态：可提供可调的直流电压可提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速作为电机调速所需的附加直流电动势；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

22、可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。流电网。好学力行河南理工大学明德任责n 工作原理工作原理（1）起动起动l起动条件起动条件 对串级调速系统而言，起动应有足够对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流大的转子电流 I2 或足够大的整流后直流或足够大的整流后直流电流电流 Id ，为此，转子整流电压为此，转子整流电压 Ud 与逆变与逆变电压电压 Ui 间应有较大的差值间应有较大的差值。好学力行河南理工大学明德任责 起动控制起动控制u控制逆变角控制逆变角 ，使在起动开始的瞬间使在起动开始的瞬间，Ud与与 Ui 的差值能产生足够大的的差值能产生足够大的 Id ，以满足所以满足所需的电磁转矩，

23、但又不超过允许的电流值需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。速起动。u随着转速的增高，相应地增大随着转速的增高，相应地增大 角以减小角以减小值值 Ui ，从而维持加速过程中动态转矩基本从而维持加速过程中动态转矩基本恒定恒定 。好学力行河南理工大学明德任责（2）调速调速l调速原理：通过改变调速原理：通过改变 角的大小调节电动角的大小调节电动机的转速。机的转速。l调速过程：调速过程：diddiUsnIRUUIU)(2加速 直到直到Ud 、 Ui达到新的平衡达到新的平衡（3） 停车停车 串级调速系统没有制动停车功能。只能串

24、级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小靠减小 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。的作用自由停车。 ddLIII好学力行河南理工大学明德任责结结 论论v串级调速系统能够靠调节逆变角串级调速系统能够靠调节逆变角 实现平实现平滑无级调速；滑无级调速；v由于异步电动机的转差功率能通过转子整由于异步电动机的转差功率能通过转子整流器变换为直流功率，再通过逆变器变换流器变换为直流功率，再通过逆变器变换为交流功率而回馈到交流电网，这就解决为交流功率而回馈到交流电网，这就解决了一般转差功率消耗型调速法存在的不足了一般转差功率消耗型调速法存在的不足问题。大大提高了调速系统的效

25、率问题。大大提高了调速系统的效率。好学力行河南理工大学明德任责 从图从图7-15中可以看出，中可以看出，异步电动机转子异步电动机转子电动势相当于转子整流器的供电电源电动势相当于转子整流器的供电电源。如。如果把电动机定子看成是整流变压器的一次果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。论来研究串级调速时的转子整流电路。 但是，两者之间的差异是什么？但是，两者

26、之间的差异是什么？ 思考思考：好学力行河南理工大学明德任责一般整流电路接固定频率和幅值的电源，而转子一般整流电路接固定频率和幅值的电源，而转子电动势的幅值与频率则随异步电动机的转速而变电动势的幅值与频率则随异步电动机的转速而变化；化；专用整流变压器漏抗比较小，虽然会引起换相重专用整流变压器漏抗比较小，虽然会引起换相重叠角，但重叠角不大，而叠角，但重叠角不大，而异步电动机折算至转子异步电动机折算至转子侧的等值电抗则大得多侧的等值电抗则大得多，且与转子频率有关，使，且与转子频率有关，使换相重叠现象严重，甚至会造成强迫换流延迟现换相重叠现象严重，甚至会造成强迫换流延迟现象，必须专门加以考虑；象，必须

27、专门加以考虑；正常的整流器工作在额定负载以下，而异步电动正常的整流器工作在额定负载以下，而异步电动机转子回路内的电流变化则很大，起动电流或过机转子回路内的电流变化则很大，起动电流或过载电流往往超过额定值很多，这不仅加重了换相载电流往往超过额定值很多，这不仅加重了换相重叠现象，而且对元件参数选择也有影响。重叠现象，而且对元件参数选择也有影响。 整流电路的不同点整流电路的不同点 好学力行河南理工大学明德任责三、三、 双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统 由于串级调速系统静态特性的静差率较由于串级调速系统静态特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度大，所以开环控制系统只能用于

28、对调速精度要求不高的场合。要求不高的场合。 为了提高静态调速精度以及获得较好的为了提高静态调速精度以及获得较好的动态特性，可以采用反馈控制。与直流调速动态特性，可以采用反馈控制。与直流调速系统一样，通常采用系统一样，通常采用具有电流反馈具有电流反馈与与转速反转速反馈馈的的双闭环控制方式双闭环控制方式。由于串级调速系统的由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，所以系统不能产生转子整流器是不可控的，所以系统不能产生电气制动作用。而所谓动态性能的改善一般电气制动作用。而所谓动态性能的改善一般只是指起动与加速过程性能的改善，而减速只是指起动与加速过程性能的改善，而减速过程只能靠负载作用自由降速。过程只能靠负载作用自由降速。好学力行河南理工大学明德任责双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统 1. 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成maxminctctmdduuUU极性极性检测检测minmax0ctdduUUctduudidUUIR好学力行河南理工大学明德任责n 控制环节说明控制环节说明 图中，图中，转速反馈信号转速反馈信号取自异步电动机取自异步电动机轴上联接的轴上联接的测速发电机测速发电机，电流反馈信号电流反馈信号取取自逆变器交流侧的自逆变器交流侧的电流互感器电流互感器，也可通过，也