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1、1第7章 三相异步电动机的电力拖动2第7章 三相异步电动机的电力拖动2第7章 三相异步电动机的电力拖动2第7章 三相异步电动机的电力拖动2电气工程教研室电气工程教研室27.2 三相异步电动机的调速7.2 三相异步电动机的调速三相异步电动机的转子转速可由下式给出：)1(601spfn(7-9)由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种：由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种：变极调速，即改变极对数变极调速，即改变极对数p；变频调速，即改变定子频率变频调速，即改变定子频率f1；改变转差率调速，即改变转差率改变转差率调速，即改变转差率s s；其中，改变转差率的调速方法涉及：；
2、其中，改变转差率的调速方法涉及：改变定子电压的调压调速；改变定子电压的调压调速；绕线式异步电动机的转子串电阻调速；绕线式异步电动机的转子串电阻调速；电磁离合器调速；电磁离合器调速；绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。11nnnspfn11603A、变极调速、变极调速概念:变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步速与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。概念:变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步速与极对数成反比，因此，改变定子绕组
3、极对数便可以改变转子转速。图7.11 三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图图7.11a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中，代表A相的半相绕组，代表A相的另一半相绕组。11xa22xaa1x1a2x2NSNSa1x1a2x2NSN、S抵消顺向串联反向串联反向并联4结论:只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。结论:只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。结论:对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。结
4、论:对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致。下面就两种典型的变极接线方法及其变极前后的调速性质与机械特性介绍如下:转子空间机械角度电角度p转子空间5图7.12 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线见P268x1a1a1a2x2x1x2a2Xa1x2x1a2顺向串联反向串联反向并联a、Y/YY接变极调速接变极调速6图7.12 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线假定变极调速前后定子的功率因数、效率均不变，为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值每半相绕组中的电流应均为额定值，于是变
5、极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI121cos)2(3cos31111NNNNYYYIUIUPP(7-10)1)29550/()9550(11nPnPTTYYYYYY(7-11)结论：结论：Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式。接变极调速属于恒转矩调速方式。1260nPPTx1a1a1a2x2x1x2a2Xa1x2x1a2pfn11607图7.13定性给出了Y/YY接变极调速的机械特性。图7.13 Y/YY接变极调速的机械特性)(222212112111maxxxrrUfpmTYe211max2211112(/2)22/4(/4)()/4)YYempUTfrrxx串
6、联时2/2/111rrr并联时2/)2/()2/()2/(111rrr13UUNmaxmax2YeYYeTT线电压相电压由于属于恒转矩调速方式，故多用于起重机、传送带等负载。1 21122112mmmn rnnnn srxx221212)(xxrrsm8b、/YY接变极调速接变极调速改接后，每相的两个半相绕组也是反接并联的。极对数减少一半。图7.14 三相异步电动机/YY 接变极调速的接线假定变极调速前后电机的功率因数、效率均不变，并设每半相绕组中的电流均为额定值，则/YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1866.023cos)2(3cos)3(31111NNN
7、NYYIUIUPP3)29550/()9550(11nPnPTTYYYY（7-12）（7-13）Y形接法时，线电流等于相电流线值相值9结论：结论：/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式（升速时转矩略减）接变极调速属于近似恒功率调速方式（升速时转矩略减）。图7.15 /YY接变极调速的机械特性)(222212112111maxxxrrUfpmTe21max2211112(/3)(/2)22/4(/4)()/4)NYYeUmpTfrrxx1UUNY形接法时，相电压是线电压的根号3分之一maxmax32eYYeTT线电压相电压由于属于近似恒功率调速方式，故多用于机床类负载的粗加工和精加工等。10变极
8、调速的优点：稳定性好，初期投资不大，采用不同联结方式可获得恒转矩或恒功率调速特性，以满足不同生产机械的要求。变极调速的缺点：平滑性差、只能分级调速，多速电动机的体积比同容量的普通鼠笼型电动机大。11B、变频调速、变频调速对变频调速的要求：（1）主磁通，以防止定子铁心过饱和；（2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩）尽可能保持不变。对变频调速的要求：（1）主磁通，以防止定子铁心过饱和；（2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩）尽可能保持不变。NmmaxeTa、基频以下的变频调速、基频以下的变频调速由可知，要想确保主磁通不变，可满足亦即变频的同时必须调压变频的同时必须调压，实现定子电压和频率的协调控制
9、。考虑到：因而，此时电机的过载能力保持不变。mwkNfEU1111144.4mconstfUfUNN1111211212111max)()(212fUxxUfpmTe下面对两种情况下变频调速时的机械特性进行讨论：)(11111jxrIEU)1(6060111spfnpfn)(222212112111maxxxrrUfpmTe2122Lfx1112xf L12（1）保持=常数的机械特性（1）保持=常数的机械特性(与U1/f1=c比较，更为精确)11/fE根据三相异步电动机的T型等效电路，可以获得用感应电势表示的电磁转矩的表达式为：（机械特性参数表达式过去是在型等效电路下推导出的）1E)()()(
10、22)(2222212111122211xsrsrffEpmfsrIpmPTemem（7-14）利用可以获得临界转差率和最大转矩分别为：0sTemmsmaxeT222122mrrsxf L22111max41)(2LfEpmTe（7-15）（7-16）上式表明：若采用=常数控制，则最大转矩保持不变。若采用=常数控制，则最大转矩保持不变。11/fEmaxeT21222()rEEIjxs13mmmnnLprpfsnn1221126060)1(11nnnsmm对应于最大转矩处的转速为：maxeT临界转速降：22602mrnpL保持不变，即保持不变1mnn图7.16 三相异步电动机变频调速时的机械特性
11、(=常数)11/fE结论:最大转矩处的转速降与频率无关。亦即:在变频调速过程中，若保持=常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。结论:最大转矩处的转速降与频率无关。亦即:在变频调速过程中，若保持=常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。maxeTmn11/fE14保持=常数可以实现严格意义上的不变和最大转矩不变。但考虑到定子电势难以直接测量，实际调速系统多采用=常数代替=常数实现变频调速。（2）保持=常数的机械特性（2）保持=常数的机械特性11/fU11/fEmmaxeT1E11/fU11/fE现分析保持=常数时三相异步电动机的机械特性。11/f
12、U将式（6-121简化形电路图）稍加变形可得：mwkNfEU1111144.4)()()(2221221212111xxsrrsrffUpmTem(7-18)式（6-125）稍加变形得最大电磁转矩为：)()(422121112111maxxxrrffUpmTe(7-19)pfn1160221212)(xxrrsm221112112222max112112(1)merrxxn srKKTrxxrxx15根据式（7-18）绘出保持=常数时变频调速的典型机械特性如图7.17所示（实线部分）。为便于比较，图7.17还同时绘出了常数时的机械特性，即保持=常数时变频调速的机械特性，如图7.17中的虚线所示
13、。11/fUmaxeT图7.17 三相异步电动机变频调速时的机械特性(=常数)11/fU由图7.17可见，保持=常数，当减小时，最大电磁转矩将有所降低。11/fU1fmaxeT若忽略定子绕组电阻即令，则式（7-19）变为：01r常数)(21)(4212111maxLLfUpmTe11/fE由上式可见，的降低是由定子绕组电阻的影响所致。尤其是当低到使得可以与相比较时，下降严重。maxeT1r1f1r)(21xxmaxeT16解决措施：可以对的线性关系加以修正，解决措施：可以对的线性关系加以修正，提高低频时提高低频时的，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响的，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响（见图
14、7.18）。11/fU11/fU图7.18 具有低频补偿的协调关系11/fU)()(422121112111maxxxrrffUpmTe低频段调速，降低f1时，少降一点U1低频段调速，降低f1时，少降一点U1低频低压时异步电动机出现的这种情况，是由r1产生的电压降相对影响较大，气隙磁通无法保持恒值造成的。这导致低频低压下电动机的起动转矩变小了，甚至不能带正常的负载起动。如不对U1和f1的关系加以修正，这种调速方法只适用于调速范围不大、或转矩随转速下降而减小的负载(如通风机类负载)。17调速性质的分析：调速性质的分析：假定变频调速过程中电机的功率因数、效率均不变，为了充分利用电动机，每相绕组中的
15、电流应保持额定值不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1111111112)(cosffUUIUmPNN（7-20）11229550fUnPT（7-21）结论：由于基频以下的调速过程中保持=常数，基频以下的变频调速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速）结论：由于基频以下的调速过程中保持=常数，基频以下的变频调速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速）（见图7.19中实线部分）。11/fU图7.19 三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系ememTPU1/f1=常数U1/f1=常数基频pfpfn1111260
16、602602)1(601spfn18b、基频以上的变频调速、基频以上的变频调速当定子频率超过基频时，受电机绕组绝缘耐压的限制，定子电压无法进一步提高，只能保持。1UNUU 1此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性仍由式（6-121）得出：)()()(222122121211xxsrrsrffUpmTNem（7-22）最大电磁转矩由式（6-125）给出：21212122121121221211121max1)(8)(4)(4fLLfpUmxxfpUmxxrrfpUmTNNNe（7-23）临界转差率由式（6-124）给出：1111ffff思考：讨论基频以上调速时，为何可以考虑忽略r1，而基频以下
17、为何不忽略？19121122122212121)(2)(fLLfrxxrxxrrsm（7-24）由上式得对应于最大转矩时的转速为：maxeTmmmnnLLprpfsnn121211)(26060)1(（7-25）结论：最大转矩处的转速降与频率无关。（但随着频率增大，机械特性的硬度变软）结论：最大转矩处的转速降与频率无关。（但随着频率增大，机械特性的硬度变软）mnmaxeT图7.20 三相异步电动机基频以上变频调速时的机械特性()NUU 10s1111ffff212121221max1)(8fLLfpUmTNen nm mT TL Lmn20调速性质的分析：调速性质的分析：假定基频以上变频调速过
18、程中电机的功率因数、效率均不变，每相绕组中的电流仍保持额定值不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1111112cosUIUmPNN（7-20）11229550fUnPT（7-21）结论：由于基频以上的调速过程中保持，基频以上的变频调速属于恒功率调速，其输出转矩反比于定子绕组的供电频率（或转速）结论：由于基频以上的调速过程中保持，基频以上的变频调速属于恒功率调速，其输出转矩反比于定子绕组的供电频率（或转速）NUU 11116022npff1f1NU1=U1N=常数21一般结论：一般结论：变频调速性能好，可与直流电机媲美变频调速性能好，可与直流电机媲美基频以
19、下为恒转矩调速基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速基频以上为恒功率调速；变频调速过程中变频调速过程中，调速范围宽，基频以下，异步电动机机械特性的硬度保持不变，基频以上，硬度随频率增大而变软调速范围宽，基频以下，异步电动机机械特性的硬度保持不变，基频以上，硬度随频率增大而变软；频率连续可调，可以实现无级调速频率连续可调，可以实现无级调速。22C、改变转差率的调速、改变转差率的调速对于改变转差实现调速的方案，其效率可由下式给出：sPPsPPPPemememmec1)1(12（7-26）上式表明，转子转速越低（s越大），效率越低。因此，上式表明，转子转速越低（s越大），效率越低。因此，一般来说
20、，改变转差率的调速方案的经济性较差（双馈调速与串级调速除外）。一般来说，改变转差率的调速方案的经济性较差（双馈调速与串级调速除外）。给电机轴的机械功率：给电机轴的机械功率：emcuemmecPsrssImrsrImpPP)1(1)2221222212（srImPem2221emcusPp2突出转子铜耗因素23目前常用的改变转差率的调速方法包括：a、改变定子电压的调压调速；b、绕线式异步电动机的转子串电阻调速；c、电磁离合器调速；d、绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。目前常用的改变转差率的调速方法包括：a、改变定子电压的调压调速；b、绕线式异步电动机的转子串电阻调速；c、电磁离合器调速；d、
21、绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。24a、改变定子电压调速、改变定子电压调速曲线1：恒转矩曲线2：风机类)()(222122122111xxsrrsrUfpmTem)(222212112111maxxxrrUfpmTe221212)(xxrrsm由图a可见，对风机、泵类负载，其调速范围较宽，故调压调速特别适用于风机、泵类负载。对恒转矩负载，调压调速的范围较小。对于高转差率（大转速降）电机（大的转子电阻如双鼠笼式或深槽式鼠笼异步电机），如图b所示，则可得到较宽的调速范围，但特性太软，相对稳定性和低速过载差，仅适合轻载。25为了提高调压调速机械特性的硬度，增大鼠笼式异步电动机的调速范围，可采用
22、如下两种方案：为了提高调压调速机械特性的硬度，增大鼠笼式异步电动机的调速范围，可采用如下两种方案：采用采用转速闭环转速闭环的方案（见图7.23）；的方案（见图7.23）；将将调压调速与变极调速结合调压调速与变极调速结合。图7.23 具有速度反馈的异步电动机调压调速系统26举例说明，如果电动机运行在图中所示的A点，这时负载转矩为TL1，系统处于平衡状态。如果由于某种原因，负载转矩突然从TL1变为TL2，假如没有转速反馈，电机电压不变，转速从A点沿特性曲线降到C点稳定运，转速变化很大。当采用反馈控制时，如果负载转矩突然增加时，转速下降，nf减小，这时n*没变，偏差增大，通过速度调节器，控制交流调压
23、装置升高电压，使电机运行于图中所示的B点。可见，采用速度闭环控制系统后，提高了电机特性的硬度，增加了系统的稳定性。调速性质的分析：调速性质的分析：调压调速时电磁转矩与转差率s成反比；Pem也与s成反比。122211/srImPTemem结论：调压调速既不属于恒转矩调速也非恒功率调速。结论：调压调速既不属于恒转矩调速也非恒功率调速。emT27b、绕线式异步电动机的转子串电阻调速、绕线式异步电动机的转子串电阻调速三相绕线式异步电动机转子串电阻的人工机械特性如图7.24所示。图7.24结论：外加转子电阻越大，则转子转差率越大，转速越低。结论：外加转子电阻越大，则转子转差率越大，转速越低。R28调速性
24、质的分析：调速性质的分析：由于电源电压和f1保持不变，故主磁通为定值。由于调速过程中，就看转子有功电流分量如何。为了充分利用电动机的绕组，要保持，于是有：22cosICTmTemmNII22222222222222=()()NNEEIIrRrxxss比较上面等式可得：常数sRrsrN22（7-27）)(11111jxrIEUmwkNfEU1111144.4调速前调速后令29根据式（7-27）得转子回路的功率因数为：常数NNNxsrsrxsRrsRr222222222222cos)(/)(/)(cos因此，电磁转矩为：常数NNmTmTemICICT2222coscos结论：转子串电阻调速属于恒转
25、矩调速。结论：转子串电阻调速属于恒转矩调速。邻边比斜边21222()rEEIjxs30绕线式异步电动机转子串电阻的调速方案可借助于图7.25所示的电力电子变流器加以实现。图7.25 绕线式异步电动机转子回路串电阻的斩波调速图中，转子的等效电阻为：。其中，为IGBT开关器件的占空比。RReq)1(Tton整流桥对转子三相转差电势整流，大电感使Id成恒流源；斩波器工作在直流PWM方式；IGBT关断时，AB端等效电阻为R，IGBT导通时，AB端等效电阻为0，dABABIUR31c、电磁滑差离合器调速、电磁滑差离合器调速滑差离合器电动机又称为“电磁调速电动机电磁调速电动机”，其基本结构如图7.26所示
26、。图7.26 滑差离合器电机的基本结构图滑差离合器的工作原理：滑差离合器的工作原理：图2.27 电磁滑差离合器的工作原理左手定则判断电枢载流导条受力方向为逆时针方向右手定则判断电枢导条感应电势方向为“点”磁极磁场对电枢涡流施加的力是相互作用力，此力反作用到磁极磁场，大小相同，方向相反。外力克服涡流力矩使电枢顺时针转，则磁极磁场受涡流力矩的反作用力推动，也顺时针转涡流与磁极磁场涡流与磁极磁场相互作用相互作用力力为为BlIF 32图2.27 电磁滑差离合器的工作原理滑差离合器电枢内涡流的方向与路径滑差离合器电枢内涡流的方向与路径电枢是由铁磁材料制成的圆筒，当电枢旋转时，电枢各点上磁通处于不断重复的
27、变化之中，电枢将出现感应电动势，在此感应电动势作用下，电枢内将出现涡流，如图所示。33当鼠笼式异步电动机旋转时，滑差离合器的电枢则一同以角速度旋转，设其转向为顺时针。当磁极上的励磁绕组中无励磁电流（即）时，离合器的电枢与磁极无联系，负载侧电磁转矩为零。当励磁绕组中有励磁电流（即）时，离合器的电枢和磁极之间通过磁场相互作用。其最终结果是：磁极随电枢沿同一方向旋转，设其角速度为。显然，。电磁滑差离合器由此而得名。当鼠笼式异步电动机旋转时，滑差离合器的电枢则一同以角速度旋转，设其转向为顺时针。当磁极上的励磁绕组中无励磁电流（即）时，离合器的电枢与磁极无联系，负载侧电磁转矩为零。当励磁绕组中有励磁电流
28、（即）时，离合器的电枢和磁极之间通过磁场相互作用。其最终结果是：磁极随电枢沿同一方向旋转，设其角速度为。显然，。电磁滑差离合器由此而得名。0fI0fI34图7.28给出了电磁滑差离合器的机械特性。其中，理想空载转速是指异步电动机转子的转速。图7.28 电磁滑差离合器的机械特性结论：结论：随着直流励磁电流的增大，相同转速条件下滑差离合器输出的电磁转矩增大；随着直流励磁电流的增大，相同转速条件下滑差离合器输出的电磁转矩增大；改变直流励磁电流可以调节输出负载侧的转速。滑差离合器的调速原理：改变直流励磁电流可以调节输出负载侧的转速。滑差离合器的调速原理：缺点？适用性？缺点？适用性？35d、绕线式异步电
29、动机的双馈调速与串级调速、绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速双馈调速与串级调速的引入：双馈调速与串级调速的引入：上述各种改变转差率的调速方式皆属于低效率的调速方式。因为其转子的转差功率皆消耗到转子电阻上，正是通过损耗的改变，才实现了调速。如果能将这部分转差功率回收到电网上，则调速系统的效率便可以大大提高。双馈调速和串极调速就是根据这一思想加以实现的。双馈的概念：双馈即双馈的概念：双馈即双边激磁双边激磁，它是在三相异步电动机的定、转子绕组中皆通以三相电流完成供电。这一点与感应电动机的，它是在三相异步电动机的定、转子绕组中皆通以三相电流完成供电。这一点与感应电动机的单边激磁单边激磁不同。不同。3
30、6双馈调速与串级调速的工作原理：双馈调速与串级调速的工作原理：交流电机的定子绕组接到电网上，而转子绕组接至电力电子变流器上。借助于电力电子变流器对转子绕组施加交流电机的定子绕组接到电网上，而转子绕组接至电力电子变流器上。借助于电力电子变流器对转子绕组施加转差频率转差频率的电压。通过改变转差频率电压的幅值和相位实现转子的调速。如果转子绕组借助于电力电子变流器接到一幅值可调的的电压。通过改变转差频率电压的幅值和相位实现转子的调速。如果转子绕组借助于电力电子变流器接到一幅值可调的直流电源直流电源上，通过改变直流电源电压的大小来改变转子绕组外加电压的幅值，上，通过改变直流电源电压的大小来改变转子绕组外
31、加电压的幅值，双馈调速双馈调速则变为则变为串级调速串级调速。因此，可以把串级调速看作是双馈调速的特例。因此，可以把串级调速看作是双馈调速的特例。12sff 37图7.29画出了三相绕线式异步电动机定子外接三相电源，转子外接转差频率电压的等效电路图。双馈异步电动机的调速原理：双馈异步电动机的调速原理：图7.29 双馈供电下绕线式异步电动机一相的等效电路由图7.29可求得转子绕组的电流为：22222jsxrUEIsss（7-28）式中，。下面就几种情况分别讨论如下：22EsEs异步机负载运行时，转子以(n1-n)的速度切割m产生感应电势电流，其频率pfssnpfnn11216060)(比较上面等式
32、有：12sff-+38（1）当与相位相同或相反时（1）当与相位相同或相反时：sU2sE2由式（7-28）得转子电流的有功分量为：222cosaII222222222222)()()(sxrrsxrUEIssa（7-29）考虑到实际运行时转差率较小，忽略又，上式简化为：s22sEEs2222rUsEIsa（7-30）设转子回路未加（即）时的转差为，则有：sU202sU1s2212rEsIa2r2sx转子电流的有功分量2sx239（7-31）假定加入前后负载转矩不变，由可知，sU2amTmTemICICT21221cosaaII22221222rEsrUsEs221EUsss即：上式表明，改变外加
33、电压便可以改变转差率，实现转子调速改变外加电压便可以改变转差率，实现转子调速sU2转子电流的有功分量未加U2s，s=s1加U2s0amTemICT21amTemICT21得：|注：s1不再是电动机实际运行的转差率，它的含义是在同样负载转矩下，转子回路未接电压时的转差率，是个固定的数值40将式（7-29）代入转矩表达式得：amTmTemICICT21221cos22222212222221)()(sxrrUCsxrrECTsmTsmTem（7-32）根据上式绘出双馈调速的机械特性如图7.30c所示。图7.30 双馈调速的机械特性曲线(与同相或反相时)sU2sE2由图7.30c可见，改变的大小和正
34、负便可以使三相绕线式异步电动机分别工作在次同步状态次同步状态（）、同步速状态同步速状态（）以及超同步运行状态超同步运行状态（）。sU21nn1nn 1nn41和同相时分析：sU2sE2第一种情况是。刚开始时，由于转子回路合成电动势增大，使增大，电磁转矩增大，在负载转矩不变的条件下，转子加速。随着转速的增加(转差率s减小)，转子回路感应电动势减小，直到产生的电流等于电压接入前（即）的电流时，保持不变，电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，电机在新的转差率s下运行。根据，这时，电机的转速升高了。212sUssE212sUs E2aI2222sasEUIr22ssEU2sU12s E2aI212sUssE
35、1ss第二种情况是，s=0，这时仅由的作用就能产生，电机的转速达同步转速，为零。212sUs E2sU2aI2sE第三种情况是，s0，在负载转矩不变的条件下，电机的转速可以超过同步速。212sUs E42（2）当超前时（2）当超前时：sU2sE2根据式（7-28），画出加入前后双馈电机的相量图如图7.31所示。sU2图7.31 双馈电机的相量图由图7.31可见，加入后，定子侧的功率因数角减小，功率因数明显提高。若进一步加大的大小，定子电流有可能超前定子电压，使得定子侧的功率因数超前，即可以向电网发送滞后无功。sU211cossU21I1U1cos90)()()(2122221111121mmm
36、mmmjxrIzIEEx jsrIEjxrIEUIIImwkNfjE111144.422222jsxrUEIsss12222112EEkEkNkNEeww转子侧阻抗角不变43简化分析：仍假设负载转矩不变，仅考虑转子电阻的作用。领先相位是90，转子回路的合成电动势与转子电流同相（可以忽略），其中与同相位的电流分量为有功电流，与成90的电流分量为无功电流，由于无功电流与气隙磁密同相，起了励磁电流的作用。从图可见，定子边的功率因数得到了改善。sU2sE22E2I2sX2aIsE2sE22rI1cos44（3）当与成任意夹角时（3）当与成任意夹角时：sU2sE2图7.32 双馈电机的相量图(与的夹角为
37、)sU2sE2由图可见，此时可分解为两个分量；与同相的分量；超前的分量。这两个分量确保电动机既可以实现调速，也可以改善定子侧的功率因数。sU222EsEscos2sUsE290sin2sU1cos双馈调速要求转子绕组能够获得幅值、频率和相位均可调的三相交流电源。可通过图7.33a、b所示交-交变频器或交-直-交变频器方案实现。221EUsss12,0ssUs调速：45图7.33 三相绕线式异步电动机双馈调速系统的组成amTemICT21附加转子电势的本质是改变转子电流有功分量的大小。定子由三相交流电源供电，转子由交流电源经变压器降压，再经交交变频器把工频变为转差频率，然后接到转子。此变频器的频
38、率、幅值和相序均可调节，转子转差功率的传递方向可以改变。当nn1时，双馈电机的情况与普通感应电机相似，只是转差功率可由变频器回馈给电源。调节变频器的输出频率，电动机的转速就会改变；调节输出电压的幅值和相位，就可以调节定子边的功率因数（可达到1和超前）。当变频器的频率调到零时，变频器将向转子输出直流，此时电动机将在同步转速下运行。改变变频器输出电压的相序，并将频率由0继续上调，此时转差功率反向，从电网经变频器输入到转子绕组，于是转子的转差功率将成为负值，电机将在超同步转速下运行。46由于异步电动机转子感应电动势的频率是随转速的变化而变化的。因此，要求在任何转速下，变频器输出的电压应与转子感应电动
39、势同频率。有两种办法可以实现这种要求：一为他控式；一为自控式。他控式在运行中，电动机可能发生失步现象，也会出现转子振荡等问题。因此，他控式异步电动机双馈调速系统在实际工作中，一般都不采用。自控式是在在绕线式异步电动机的转轴上装上转子频率检测器，如图所示。2U从图中可见，转子频率检测器检测转子频率信号。利用此信号去自动控制交交变频器输出电压的频率，可以达到转子频率自控的目的。这就是说，在进行异步电动机双馈调速时，电压的频率能自动跟踪转子感应电动势的频率，从而避免了上述的失步现象。这种控制方式的异步电动机可以拖动冲击性负载。其过载能力及抗干扰能力都很强，再加上定子功率因数可凋，已用于某些调速场合，
40、例如，用于轧钢机和抽水蓄能电站中。绕线式异步电动机双馈调速系统起动时，必须先将转子绕组接到起动电阻及上，以减小起动电流，增大起动转矩。待电动机转速上升到设计值时，再将交交变频器投入运行。这是由于受交交变频器输出频率范围小的限制，不能在电机转速为零时投入变频器。47作为双馈调速的一个特例，串级调速仅仅能够调节转子外加电压的大小。图7.34给出了绕线式异步电动机串级调速系统的主回路框图。图中的整流器把异步电动机转子的转差电动势和电流变成直流，逆变器就是给电机转子回路提供外接直流电动势的电源，并把转差功率(扣除转子绕组铜损耗)大部分反送回交流电源。sU2图7.34 绕线式异步电动机的串级调速串级调速
41、的工作原理：串级调速的工作原理：设转子绕组的线电势为，为转子开路时的线电压；整流器直流侧的电压为；逆变器直流侧的电压为，逆变器交流侧（即变压器二次侧）的线电压为，则有下列关系式：202sEEs20EdUUlU2emmecPsP)1(emcusPp2srImPem2221222121rssImpPPcuemmec00222022IUsEUEssssU2不控整流桥：由无控制功能的整流二极管组成的整流电路。当输入交流电压一定时，在负载上得到的直流电压是不能调节的，只单向传递功率482035.1sEUd(7-33)cos35.12lUU(7-34)UUdcos35.135.1220lUsE(7-35)
42、于是有：202cosEUsl从上式可见，改变逆变角的大小，就能改变转差率，进而调节转子转速。越大，越小，转速越高。当时，相当于转子短路，电动机工作在自然机械特性状态。ss20Ucos34.2cos63)()30sin(63)(3/122366226UUtdtUtdvUabd上面三相桥整流器输出公式中的U2为相电压有效值，这里提供的是线电压有效值，线电压是相电压的根号3倍。对于不控桥有cosa=135.123电机稳定运行时，无波动，为直流，dI与双馈调速相比，串级调速系统结构简单、易于实现、分析和控制方便。但是在相同调速范围和额定负载下，调速装置的容量增大一倍。因而，往往用于调速范围不大的场合，
43、功率因数较低。49emcuemmecPsrssImrsrImpPP)1(1)2221222212（srImPem2221emcusPp2串级调速是在异步电动机转子回路中串入附件电动势去代替转子回路串的电阻，避免绕线式电动机转子串电阻调速时，一部分功率白白消耗在电动机所串电阻上的情况，通过改变附加电动势的大小来调节转速，使拖动系统的运行效率大大提高。串级调速是在异步电动机转子回路中串入附件电动势去代替转子回路串的电阻，避免绕线式电动机转子串电阻调速时，一部分功率白白消耗在电动机所串电阻上的情况，通过改变附加电动势的大小来调节转速，使拖动系统的运行效率大大提高。50上述由双馈调速与串极调速组成的系
44、统分别又称为上述由双馈调速与串极调速组成的系统分别又称为Scherbius系统系统和和Kramer系统系统，其主要区别在于转差功率是否可以在变流器中双向传递。这些系统的主要优点是：，其主要区别在于转差功率是否可以在变流器中双向传递。这些系统的主要优点是：运行效率高；运行效率高；变流器的容量较小；变流器的容量较小；可以改善电网的功率因数（仅对双馈调速系统而言）。可以改善电网的功率因数（仅对双馈调速系统而言）。目前双馈调速主要用于高压、大容量的绕线式异步电动机带动风机、泵类负载。对于双馈调速系统，由于其可以在超同步速、同步速、及同步速以下运行，并能改善电网的功率因数，因而在风里发电系统中也得到广泛
45、的应用。51P299，思考题，思考题7.8：变频调速：变频调速此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性：)()()(222122121211xxsrrsrffUpmTNem最大电磁转矩：211max2211112222111112211211214()()4()8()em pUTfrrxxm pUm pUUCf xxfLLf 式中，C为常数负载能力：NeMTTmax则：211NMUCTf52因此，如频率变为f因此，如频率变为f1 1，定子相电压、额定转矩及过载能力相应变为U，定子相电压、额定转矩及过载能力相应变为U1 1，T，TN N及及m m，则频率变化前后的额定转矩之比为：，则频率变化前后
46、的额定转矩之比为：221111NMNMTUfTUf 为使频率变化前后电动机具有同样的过载能力，即m为使频率变化前后电动机具有同样的过载能力，即m=mm，则频率变化前后的额定转矩之比为：，则频率变化前后的额定转矩之比为：221111NNTUfTUf 对于恒功率负载，由于：对于恒功率负载，由于：TNNNPTT 定值则：则：11NNT fT f53221111NNTUfTUf 11NNT fT f则：则：22111111fUffUf 1111UfUf即：即：1111UUff定值由此可见，对恒功率负载，采用变频调速，如能满足的条件，调速过程中电动机的过载能力保持不变。由此可见，对恒功率负载，采用变频调速，如能满足的条件，调速过程中电动机的过载能力保持不变。11Uf定值54对于通风机类负载，由于：对于通风机类负载，由于：2 2121()NNTfnTnf则：则：221111NNTUfTUf 222111111fUffUf 21111UfUf即：即：112211UUff定值121Uf定值由此可见，通风机类负载，采用变频调速，如能满足的条件，调速过程中电动机的过载能力保持不变。由此可见，通风机类负载，采用变频调速，如能满足的条件，调速过程中电动机的过载能力保持不变。