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1、绕线转子异步电动机双馈调速系统电力拖动自动控制系统第版阮毅陈伯时 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统 l转转差差功功率率是是人人们们在在研研究究异异步步电电动动机机调调速速方方法法时时所所关关心心的的问问题题，因因为为节节约约电电能能也也是是异异步步电电动动机机调调速速的的主主要要目目的的之之一一。作作为为异异步步电电动动机机，必必然然有有转转差差功功率率，而而如如何何处处理理转转差差功功率率
2、又又在在很很大大程程度度上上影影响响着着调调速速系系统统的的效率。效率。l要要提提高高调调速速系系统统的的效效率率，除除了了尽尽量量减减小小转转差差功功率率外外，还还可可以以考考虑虑如如何何去利用它。去利用它。l对对于于绕绕线线型型异异步步电电动动机机，定定、转转子子电电路路可可以以同同时时与与外外电电路路相相连连，转转差差功功率率可可以以从从转转子子输输出出，也也可可以以向向转转子馈入，故称作双馈调速系统。子馈入，故称作双馈调速系统。绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统l“双双馈馈”的的一一个个特特点点是是转转差差功功率率可可以以回回馈馈到到电电网网，也也可可以以由由
3、电电网网馈馈入入。至至于于电电功功率率是是馈馈入入定定子子绕绕组组和和/或或转转子子绕绕组组，还还是是由由定定子子绕绕组组和和/或或转转子子绕绕组组馈馈出出，则则要要视视电电动动机机的的工工况况而而定。定。l绕绕线线转转子子异异步步电电动动机机双双馈馈调调速速方方法法早早在在20世世纪纪30年年代代就就已已被被提提出出，到到了了6070年年代代，当当可可控控电电力力电电子子器器件出现以后，才得到更好的应用。件出现以后，才得到更好的应用。绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统l绕线型异步电动机双馈调速工作原理绕线型异步电动机双馈调速工作原理l绕线型异步电动机串级调速系统绕线
4、型异步电动机串级调速系统l串级调速的机械特性串级调速的机械特性l串级调速系统的技术经济指标串级调速系统的技术经济指标l双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统l串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式l绕线转子异步风力发电机组绕线转子异步风力发电机组 内内 容容 提提 要要7.1 绕线转子异步电动机双绕线转子异步电动机双馈调速工作原理馈调速工作原理l异异步步电电动动机机由由电电网网供供电电并并以以电电动动状状态态运运行行时时，它它从从电电网网输输入入（馈馈入入）电电功功率率，而而在在其其轴轴上上输输出机械功率给负载，以拖动负载运行。出机械功率给负载，以拖动负载运行。l在在双双馈馈调
5、调速速工工作作时时，绕绕线线型型异异步步电电动动机机定定子子侧侧与与交交流流电电网网直直接接连连接接，转转子子侧侧与与交交流流电电源源或或外外接接电电动动势势相相连连，从从电电路路拓拓扑扑结结构构上上看看，可可认认为为是是在在转转子子绕绕组组回回路路中中附附加加一一个个交交流流电电动动势势，通通过过控控制制附附加加电电动动势势的的幅幅值值，实实现现绕绕线线型型异异步步电电动机的调速。动机的调速。7.1.1 绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用图图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图转子附加电动势的作用转子附
6、加电动势的作用l异步电动机运行时其转子相电动势为异步电动机运行时其转子相电动势为(7-1)式中式中 异步电动机的转差率异步电动机的转差率；绕线型异步电动机转子开路相绕线型异步电动机转子开路相电动势，也就是转子开路额定相电压值。电动势，也就是转子开路额定相电压值。转子相电流在转子短路情况下，转子相电流的表达式为 （7-2）式中 转子绕组每相电阻；时的转子绕组每相漏抗。串电阻调速串电阻调速l在在绕绕线线转转子子异异步步电电动动机机转转子子串串电电阻阻调调速速时时，转转子子电电流流 会会在在外外接接电电阻阻上上产产生生一一个个交交流流电电压压 ，这这一一交交流流电电压压与与转转子子电电流流有有着着相
7、相同同的的频频率率和和相相位位，调调速速时时产产生生的的转转差差功功率率被消耗在外接电阻上。被消耗在外接电阻上。转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l 如如果果在在转转子子绕绕组组回回路路中中引引入入一一个个可可控控的的交交流流附附加加电电动动势势 来来代代替替外外接接电电阻阻，附附加加电电动动势势的的幅幅值值和和频频率率与与交交流流电电压压 相相同同，相相位位与与转转子子电电动动势势 相相反反（如如图图7-1所所示示），则则它它对对转转子子电电流流的的作作用用与与外外接接电电阻阻是是相相同同的的，附附加加电电动动势势将将会会吸吸收收原原先先消消耗耗在在外外接接电电阻阻上上的转差功率。的转
8、差功率。转子附加电动势的原理图转子附加电动势的原理图图图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l引引入入附附加加电电动动势势后后，电电动动机机转转子子回回路路的的合合电电动动势势减减小小了了，转转子子电电流流和和电电磁磁转转矩矩也也相相应应减减小小，由由于于负负载载转转矩矩未未变变，电电动动机机必必然然减减速速，因因而而 增增大大，转转子子电电动动势势 随随之之增增大大，转转子子电电流流 也也逐逐渐渐增增大大，直直至至转转差差率率增增大大到到 时时，转转子子电电流流又又恢恢复复到到负负载载所所需需的的值值，电
9、电动动机机便便进进入入新新的的较较低低转转速速的稳定状态。的稳定状态。转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用此时，未串入附加电动势和串入附加电动势此时，未串入附加电动势和串入附加电动势后的转子电流相等后的转子电流相等 :而减小而减小 则可使电动机的转速升高。所则可使电动机的转速升高。所以在绕线型异步电动机转子侧引入一个可以在绕线型异步电动机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。控的附加电动势，就可调节电动机的转速。7.1.2 绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况双馈调速的五种工况l在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的附加
10、电动势并改变其幅值，就可以实现的附加电动势并改变其幅值，就可以实现对电动机转速的调节。对电动机转速的调节。l可控附加电动势的引入必然在转子侧形成可控附加电动势的引入必然在转子侧形成功率的传送，可以把转子侧的转差功率传功率的传送，可以把转子侧的转差功率传输到与之相连的交流电源或外电路中去，输到与之相连的交流电源或外电路中去，也可以是从外面吸收功率到转子中来。从也可以是从外面吸收功率到转子中来。从功率传送的角度看，可以认为是用控制异功率传送的角度看，可以认为是用控制异步电动机转子中转差功率的大小与流向来步电动机转子中转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的调节。实现对电动机转速的调节。7.1.2
11、绕线转子异步电动机双绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况馈调速的五种工况n考虑到电动机转子电动势与转子电流的频考虑到电动机转子电动势与转子电流的频率在不同转速下有不同的数值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，所以其值与交流电网的频率往往不一致，所以不能把电动机的转子直接与交流电网相连，不能把电动机的转子直接与交流电网相连，而必须通过一个中间环节。这个中间环节而必须通过一个中间环节。这个中间环节除了有功率传递作用外，还应具有对不同除了有功率传递作用外，还应具有对不同频率的电功率进行变换的功能，故称为功频率的电功率进行变换的功能，故称为功率变换单元（率变换单元（Powe
12、r Converter Unit，简称，简称CU），见图），见图7-2。n图图7-2 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)次同步速电动状态次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态超同步速回馈制动状态d)超同步速电动状态超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态次同步速回馈制动状态 CU功率变换单元功率变换单元忽略机械和杂散损耗时，异步电动机的功率关系为忽略机械和杂散损耗时，异步电动机的功率关系为 （7-4）电动机定子传入转子的电磁功率，电动机定子传入转子的电磁功率，包括转子损耗的转子
13、电路输入功率，包括转子损耗的转子电路输入功率，即转差功率，即转差功率，电动机轴上输出或输入的功率。电动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不同，由于转子侧串入附加电动势极性和大小不同，和和 都可正可负，因而可以有以下几种不同的工作都可正可负，因而可以有以下几种不同的工作状况。状况。1.电动机在次同步转速下作电动运行电动机在次同步转速下作电动运行l异步电动机定子接交流电网，转子短路，异步电动机定子接交流电网，转子短路，转子轴上带有反抗性的恒值额定负载（对转子轴上带有反抗性的恒值额定负载（对应的转子电流为应的转子电流为 ），此时电动机在固有），此时电动机在固有机械特性上以额定
14、转差率机械特性上以额定转差率 运行。若在转运行。若在转子侧每相加上附加电动势子侧每相加上附加电动势 （与（与 反反相，相，），根据式（），根据式（7-3），转子），转子电流将减小，从而使电动机减速，转子电电流将减小，从而使电动机减速，转子电流回升，最终进入新的稳态运行。流回升，最终进入新的稳态运行。l此时，转子回路的电势平衡方程式为此时，转子回路的电势平衡方程式为l若继续加大若继续加大 值，则值，则 值继续增大，转值继续增大，转速还将降低，实现了对电动机的调速。速还将降低，实现了对电动机的调速。l对照式（对照式（7-4）可知，由于电动机作电动）可知，由于电动机作电动运行，转差率为运行，转差率为
15、0s 。由图由图7-4可以写出整流后的直流回路电压平衡方可以写出整流后的直流回路电压平衡方程式：程式：或或 (7-5)式中，式中，、UR与与UI的电压整流系数，的电压整流系数，如两者都是三相桥式电路，则如两者都是三相桥式电路，则；串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 l从式从式(7-5)中可以看出，中可以看出，中包含了电动中包含了电动机的转差率机的转差率s，而，而 与电动机转子交流电与电动机转子交流电流流 之间有固定的比例关系，因此它近似之间有固定的比例关系，因此它近似地反映了电动机电磁转矩的大小，而地反映了电动机电磁转矩的大小，而角角是控制变量。所以该式可以看作是在串级是控制变量。所
16、以该式可以看作是在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式达式。串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 l1起动起动 异步电动机在静止不动时，其转子电动异步电动机在静止不动时，其转子电动势为势为 ；控制逆变角；控制逆变角，使在起动开始的，使在起动开始的瞬间，瞬间，与与 的差值能产生足够大的的差值能产生足够大的 ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。态转矩下加速起动。串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 l随着异步随着异
17、步电动电动机机转转速的增高，其速的增高，其转转子子电动电动势势减少，减少，为为了了维维持加速持加速过过程中程中动态转动态转矩基矩基本恒定，必本恒定，必须须相相应应地增大地增大角以减小角以减小 值值，维维持持 基本恒定。当基本恒定。当电动电动机加速到机加速到所需所需转转速速时时，不再，不再调调整整角，角，电动电动机即在机即在此此转转速下速下稳稳定运行。定运行。串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 l设设此此时时的的,则则式（式（7-5）可写）可写作作l式中式中 为对应为对应于于负载转负载转矩的直流回路矩的直流回路电电流。流。串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 l2调调速速当增大
18、当增大角使角使=21时时，逆，逆变电压变电压 减小，但减小，但电动电动机的机的转转速不能立速不能立即改即改变变，所以，所以 将增大，将增大，电电磁磁转转矩增大，矩增大，使使电动电动机加速。随着机加速。随着电动电动机机转转速的增高，速的增高，减少，减少，回落，直到新的平衡状回落，直到新的平衡状态态，电动电动机在增高了的机在增高了的转转速下速下稳稳定运行。式中定运行。式中串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 l3停停车车 对对于于处处于于低低同同步步转转速速下下运运行行的的双双馈馈调调速速系系统统，必必须须在在异异步步电电动动机机转转子子侧侧输输入入电电功功率率时时才才能能实实现现制制动动
19、。在在串串级级调调速速系系统统中中与与转转子子连连接接的的是是不不可可控控整整流流装装置置，它它只只能能从从电电动动机机转转子子侧侧输输出出电电功功率率，而而不不可可能能向向转转子子输输入入电电功功率率。因因此此串串级级调调速速系系统统没没有有制制动动停停车车功功能能。只只能能靠靠减减小小角角减减小小 ，并依靠，并依靠负载负载阻阻转转矩的作用自由停矩的作用自由停车车。l结论结论：（1）串串级级调调速速系系统统能能够够靠靠调调节节逆逆变变角角实实现现平滑无平滑无级调级调速。速。（2）系系统统能能把把绕绕线线型型异异步步电电动动机机的的转转差差功功率率回回馈馈给给交交流流电电网网，从从而而使使扣扣
20、除除装装置置损损耗耗后后的的转转差差功功率率得得到到有有效效利利用用，大大大大提提高高了了调调速系速系统统的效率。的效率。*7.2.2串级调速系统的其它类型串级调速系统的其它类型 l机机械械串串级级调调速速系系统统（或或称称Kramer系系统统），其其原原理理图图如如图图7-5所所示示。在在绕绕线线型型异异步步电电动动机机同同轴轴上上装装有有一一台台直直流流电电动动机机，异异步步电电动动机机的的转转差差功功率率经经整整流流后后传传给给直直流流电电动动机机，后后者者把把这这部部分分电电功功率率变变换换为为机机械械功功率率，再再帮帮助助异异步步电电动动机机拖拖动动负负载载，从从而而使使转转差差功功
21、率得到利用。率得到利用。机械串级调速系统机械串级调速系统l在在图图7-5 中中，直直流流电电动动机机的的电电动动势势就就相相当当于于直直流流附附加加电电动动势势，通通过过调调节节直直流流电电动动机机的的励励磁磁电电流流 可可以以改改变变其其电电动动势势，从从而而调调节节交交流流电电动动机机的的转转速速。增增大大 可可使使电电动动机机减速，反之减速，反之则则可使可使电动电动机加速。机加速。l从从功功率率传传递递的的角角度度看看，如如果果忽忽略略调调速速系系统统中中所所有有的的电电气气与与机机械械损损耗耗，认认为为异异步步电电动动机机的的转转差差功功率率全全部部为为直直流流电电动动机机所所接接受受
22、，并并以以机机械械功功率率 的的形形式式从从轴轴上上输输出出给给负负载载。则则负负载载轴轴上上所所得得到到的的机机械械功功率率 应应是是异异步步电电动动机机与与直直流流电电动动机机两两者者轴轴上上输输出出功功率率之之和和，并并恒恒等等于于电电动动机机定定子子输输入入功功率率 ，而而与与电动电动机运行的机运行的转转速无关。速无关。恒功率调速恒功率调速l所所以以这这类类机机械械串串级级调调速速系系统统属属于于恒恒功功率率调调速速，其其特特点点是是系系统统在在低低速速时时能能够够产产生生较较大大的的转转矩矩输输出出，因因而而适适用用于于一一些些需需要要低低速速大大转转矩矩传传动动的的场场合合，如如螺
23、螺纹纹钢钢线线材材轧轧机机。而而前前述述的的电电气气串串级级调调速速系系统统则则为为恒恒转转矩矩调调速速，因因为为其其输输出出的的机机械械功功率率与与电电动动机机的的转转速速成成正比。正比。内馈串级调速系统内馈串级调速系统l另另外外还还有有一一种种类类似似于于Kramer系系统统的的内内馈馈串串级级调调速速系系统统，其其主主要要特特点点是是在在异异步步电电动动机机定定子子中中装装有有另另一一套套绕绕组组，称称作作调调节节绕绕组组。转转差差功功率率经经交交-直直-交交变变换换器器变变换换成成工工频频功功率率后后送送到到调调节节绕绕组组上上，作作为为附附加加的的定定子子功功率率送送给给电电动动机机
24、，这这样样就就取取代代了了Kramer系系统统中中的的直直流流电电动动机机，同同样样能能获获得得恒恒功功率率调调速速的的效效果果。但但这这时时必必须须专专门门制制造造有有两两套套定定子子绕组绕组的的绕线转绕线转子子电动电动机。机。7.3 串级调速的机械特性串级调速的机械特性l串级调速机械特性的特征串级调速机械特性的特征l串级调速的转子整流电路串级调速的转子整流电路l串级调速的机械特性方程式串级调速的机械特性方程式串级调速的机械特性串级调速的机械特性l在在串串级级调调速速系系统统中中，异异步步电电动动机机转转子子侧侧整整流流器器的的输输出出量量 、分分别别与与异异步步电电动动机机的的转转速速和和
25、电电磁磁转转矩矩有有关关。因因此此，可可以以从从电电动动机机转转子子直直流流回回路路着着手手来来分分析析异异步步电动机在串级调速时的机械特性。电动机在串级调速时的机械特性。7.3.1串级调速机械特性的特征串级调速机械特性的特征1.理想空载转速理想空载转速l在在异异步步电电动动机机转转子子回回路路串串电电阻阻调调速速时时，其其理理想想空空载载转转速速就就是是其其同同步步转转速速，而而且且恒恒定定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。不变，调速时机械特性变软，调速性能差。l在在串串级级调调速速系系统统中中，电电动动机机的的极极对对数数与与旋旋转转磁磁场场转转速速都都不不变变，同同步步转转速速也也是
26、是恒恒定定的的，但但是是它它的的理理想想空空载载转转速速却却能能够够连连续续平平滑滑地地调节。调节。串级调速机械特性的特征串级调速机械特性的特征 根据式根据式(7-5)(7-5)，当系统在理想空载状态下运，当系统在理想空载状态下运行时行时(I Id d=0)=0)，转子直流回路的电压平衡方，转子直流回路的电压平衡方程式变成程式变成 s s0 0 异步电动机在串级调速时对应于某异步电动机在串级调速时对应于某一一 角的理想空载转差率。角的理想空载转差率。取取 K K1 1=K K2 2，则，则 (7-6)串级调速机械特性的特征串级调速机械特性的特征由此可得相应的理想空载转速由此可得相应的理想空载转
27、速 n n0 0 为：为：式中式中 n n1 1 异步电动机的同步转速。异步电动机的同步转速。(7-7)串级调速机械特性的特征串级调速机械特性的特征l从从式式（7-6）和和式式（7-7）可可知知，在在串串级级调调速速时时，理理想想空空载载转转速速与与同同步步转转速速是是不不同同的的。当当改改变变逆逆变变角角 时时，理理想想空空载载转转差差率率和理想空载转速都相应改变。和理想空载转速都相应改变。l由由式式（7-5）还还可可看看出出，在在不不同同的的角角下下异异步步电电动动机机串串级级调调速速时时的的机机械械特特性性是是近近似似平平行行的的，其其工工作作段段类类似似于于直直流流电电动动机机变变压压
28、调速的机械特性。调速的机械特性。串级调速机械特性的特征串级调速机械特性的特征2机械特性的斜率与最大转矩机械特性的斜率与最大转矩l串串级级调调速速时时，转转子子回回路路中中接接入入了了串串级级调调速速装装置置(包包括括整整流流和和逆逆变变装装置置、平平波波电电抗抗器器、逆逆变变变变压压器器等等)，实实际际上上相相当当于于在在电电动动机机转转子子回回路路中中接接入入了了一一定定数数量量的的等等效效电电阻阻和和电电抗抗，它它们们的的影影响响在在任任何何转转速速下下都都存存在在。由由于于转转子子回回路路阻阻抗抗的的影影响响，异异步步电电动动机机串串级级调调速速时时的的机机械械特特性性比比其其固固有有特
29、特性性要要软软得得多。多。转子回路电阻和漏抗的影响转子回路电阻和漏抗的影响l受受转转子子回回路路电电阻阻增增加加的的影影响响：当当电电机机在在最最高高转转速速的的特特性性上上（=90）带带额额定定负负载载，也难以达到其额定转速。也难以达到其额定转速。l受受转转子子回回路路漏漏抗抗增增加加的的影影响响：整整流流电电路路换换相相重重叠叠角角将将加加大大，并并产产生生强强迫迫延延迟迟导导通通现现象象，使使串串级级调调速速时时的的最最大大电电磁磁转转矩矩比比电电动动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。串级调速时的机械特性图串级调速时的机械特性图图7-6 异步电动
30、机串级调速时的机械特性a)大电机 b)小电机 7.3.2串级调速的转子整流电路串级调速的转子整流电路l异异步步电电动动机机转转子子电电动动势势相相当当于于转转子子整整流流器器的的供供电电电电源源。如如果果把把电电动动机机定定子子看看成成是是整整流流变变压压器器的的一一次次侧侧，则则转转子子绕绕组组相相当当于于二二次次侧侧，与与带带整整流流变变压压器器的的整整流流电电路路非非常常相相似似，因因而而可可以以引引用用电电力力电电子子技技术术中中分分析析整整流流电电路路的的一一些些结结论论来来研研究究串串级级调调速速时时的的转转子子整整流流电电路路。但但是是，两两者者之之间间还还存存在在着着一一些显著
31、的差异。些显著的差异。转子整流电路的特点转子整流电路的特点（1 1）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化。率都是变化的，随电机转速的改变而变化。（2 2）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关。频率或转差率有关。（3 3）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重
32、，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。换相现象。假设条件假设条件（1）整整流流器器件件具具有有理理想想的的整整流流特特性性，管管压压降及漏电流均可忽略；降及漏电流均可忽略；（2）转转子子直直流流回回路路中中平平波波电电抗抗器器的的电电感感为为无穷大，直流电流波形平直；无穷大，直流电流波形平直；（3）忽略电动机励磁阻抗的影响。）忽略电动机励磁阻抗的影响。转子整流电路转子整流电路图7-7 转子整流电路 换相重叠换相重叠l设设电电动动机机在在某某一一转转差差率率下下稳稳定定运运行行，转转子子三三相相的的感感应应电电动动势势为为 era、erb、e
33、rc。当当各各整整流流器器件件依依次次导导通通时时，必必有有器器件件间间的的换换相相过过程程，这这时时处处于于换换相相中中的的两两相相电电动动势势同同时时起作用，产生换相重叠压降，如下图所示。起作用，产生换相重叠压降，如下图所示。换相重叠角换相重叠角 根根据据“电电力力电电子子技技术术”中中介介绍绍的的理理论论，换相重叠角为换相重叠角为 其其中中 XD0 s=1时时折折算算到到转转子子侧侧的的电电动机定子和转子每相漏抗。动机定子和转子每相漏抗。（7-8）l由由式式（7-8）可可知知，换换相相重重叠叠角角随随着着整整流流电流电流 Id 的增大而增加。的增大而增加。l当当 Id 较较小小，在在0
34、60之之间间时时，整整流流电电路路中中各各整整流流器器件件都都在在对对应应相相电电压压波波形形的的自自然然换换相相点点处处开开始始换换流流，到到 处处结结束束换换流，整流波形正常。流，整流波形正常。强迫延迟换相现象强迫延迟换相现象l当当电电流流 Id 增增大大到到按按式式（7-8）计计算算出出来来的的 角角大大于于60时时，器器件件在在自自然然换换相相点点处处未未能能结结束束换换流流，从从而而迫迫使使本本该该在在自自然然换换相相点点换换流流的的器器件件推推迟迟换换流流，出出现现了了强强迫迫延延迟迟换换相相现现象象，所所延延迟迟的的角角度度称称作作强强迫迫延延时时换换相角相角 p。由由此此可可见
35、见，串串级级调调速速时时的的异异步步电电动动机机转转子子整流电路有两种正常工作状态。整流电路有两种正常工作状态。l需需要要指指出出的的是是，强强迫迫延延时时换换相相只只说说明明在在 超超过过某某一一值值时时，整整流流器器件件比比自自然然换换相相点点滞滞后后 角角换换流流，但但从从总总体体上上看看，6个个器器件件在在360内内轮轮流流工工作作，每每一一对对器器件件的的换换流流过过程程最最多多只只能能是是60，也也就是说，就是说，再大，也只能使再大，也只能使 不变。不变。转子整流电路的工作状态转子整流电路的工作状态（1）第一种工作状态的特征是）第一种工作状态的特征是 0 60，p=0 此时，转子整
36、流电路处于正常的不可控整流工此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。作状态，可称之为第一工作区。（2）第二种工作状态的特征是）第二种工作状态的特征是 =60，0 p 30 这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路类似处于可控整流工作状态，路类似处于可控整流工作状态，p 角相当于整角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。转子整流电路的工作状态转子整流电路的工作状态（3）当）当 p=30时，整流电路中会出现时，整流电路中会出现4个个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件同时导通
37、，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，此后器件双换流的重叠现象，此后 p 保持为保持为30，而，而 角继续增大，整流电路处于第角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状三种工作状态，这是一种非正常的故障状态。态。转子整流电流与、p 间的函数关系 图7-8 转子整流电路的 =f(Id)，p=f(Id)转子整流电路的电流和电压转子整流电路的电流和电压 l由由于于整整流流电电路路的的不不可可控控整整流流状状态态是是可可控控整整流流状状态态当当控控制制角角为为零零时时的的特特殊殊情情况况，所所以以可可以以直直接接引引用用可可控控整整流流电电路路的的有有关关分分析析式式来来表
38、表示示串串级级调调速速时时转转子子整整流流电电路路的的电电流流和和电压电压。(7-9)转子整流电路的电压转子整流电路的电压 式中，式中，RD=sRs +Rr 为折算到转子侧的电为折算到转子侧的电动机定子和转子每相等效电阻。动机定子和转子每相等效电阻。(7-10)上两式中上两式中l当当 p=0，=0 60时时表表示示转转子子整整流流电电路路工作在第一工作区。工作在第一工作区。l当当 0 p 30，=60时时表表示示转转子子整整流流电电路工作在第二工作区。路工作在第二工作区。7.3.3串级调速机械特性方程式串级调速机械特性方程式1.串级调速系统的主电路及等效电路串级调速系统的主电路及等效电路 根据
39、串级调速系统主电路接线图（当整流根据串级调速系统主电路接线图（当整流器和逆变器都为三相桥式电路时）及相应器和逆变器都为三相桥式电路时）及相应的等效电路（见图的等效电路（见图79），考虑到电动机），考虑到电动机转子与逆变变压器的电阻和换相重叠压降转子与逆变变压器的电阻和换相重叠压降后，可以列出系统的稳态电路方程式。后，可以列出系统的稳态电路方程式。图图7-9 串级调速系统的主电路及等效电路串级调速系统的主电路及等效电路 图7-9 串级调速系统主电路及等效电路a）主电路）主电路b）等效电路）等效电路 1.电路电路结构结构2.稳态电路方程稳态电路方程l转子整流电路的输出电压为转子整流电路的输出电压为
40、l逆变器直流侧电压逆变器直流侧电压l电压平衡方程电压平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)以上三式中以上三式中 RL直流平波电抗器的电阻直流平波电抗器的电阻；XT 折算到二次侧的逆变变压器每相等折算到二次侧的逆变变压器每相等效漏抗，效漏抗，XT =XT 1+XT 2。RT 折算到二次侧的逆变变压器每相等折算到二次侧的逆变变压器每相等效电阻，效电阻，RT =RT 1+RT 2。3.转差率与转速方程转差率与转速方程 解式（解式（7-11）式（式（7-13），可以得到用），可以得到用转差率表示的方程式转差率表示的方程式（7-14）转速特性方程转速特性方程 将将 s=(n0 n)/n0代入上式，
41、得到串级代入上式，得到串级调速时的转速特性为调速时的转速特性为(7-15)如令如令 p=0，则式（，则式（7-15）就表示系统在）就表示系统在第一工作区的转速特性。第一工作区的转速特性。分析式（分析式（7-15）可以看出，等号右边分）可以看出，等号右边分子中的第一项是转子直流回路的直流电压子中的第一项是转子直流回路的直流电压（7-16）第二项相当于回路中的总电阻压降，可第二项相当于回路中的总电阻压降，可以写作以写作 Id R ，而分母则是转子整流器的，而分母则是转子整流器的输出电压。输出电压。电动势系数电动势系数 如借用直流电动机的概念和有关算式，如借用直流电动机的概念和有关算式，引入电动势系
42、数引入电动势系数 CE，使，使（7-17）其中，其中，转速特性方程的直观形式转速特性方程的直观形式则式（则式（7-15）可改写成）可改写成（7-18）其中，其中，注意注意 在直流调速系统中，电动势系数在直流调速系统中，电动势系数 Ce 是常数，是常数，但但在串级调速系统中，在串级调速系统中，CE是负载电流的函是负载电流的函数，它是使转速特性成为非线性的重要因数，它是使转速特性成为非线性的重要因素素，故两个符号的下标不同，以示区别。，故两个符号的下标不同，以示区别。两种转速特性的比较两种转速特性的比较l式式（7-18）表表明明，异异步步电电动动机机串串级级调调速速系系统统与与直直流流它它励励电电
43、动动机机的的转转速速特特性性在在形形式式上上完完全全相相同同，改改变变电电压压即即可可得得到到一一族族平平行行移移动的调速特性。动的调速特性。l在在直直流流调调速速系系统统中中，须须直直接接改改变变电电压压 Ud；而而在在异异步步电电动动机机串串级级调调速速系系统统中中，它它是是通通过过改改变变式式（7-16）第第二二项项中中的的控控制制角角 来来实现的。实现的。两种转速特性的比较（续）两种转速特性的比较（续）n在串级调速系统中总电阻在串级调速系统中总电阻 R 较大，系统的较大，系统的调速特性较软；对于调速特性较软；对于 p 0 的第二工作区，的第二工作区，计及计及 p 的影响，在同一逆变角的
44、影响，在同一逆变角 下的电压下的电压更小，相当于更小，相当于 也发生变化，因而调速特也发生变化，因而调速特性更软。性更软。4.电磁转矩方程电磁转矩方程 l转差功率转差功率 可可以以从从转转子子整整流流电电路路的的功功率率传传递递关关系系入入手手，暂暂且且忽忽略略转转子子铜铜耗耗，则则转转子子整整流流器器的的输输出出功率就是电动机的转差功率功率就是电动机的转差功率l而电磁功率而电磁功率 P Pm m=P=Ps s/s/s，因此电磁转矩为，因此电磁转矩为 0 理想空载机械角转速理想空载机械角转速(rad/s)；CM 串级调速系统的转矩系数，串级调速系统的转矩系数，（7-19）因为，因为，它也是电流
45、它也是电流 Id 的函数的函数。与式（。与式（7-17）的电）的电动势系数动势系数 CE 相比可知，相比可知，CM 和和 CE 对对 Id 的的关系是一样的。由于关系是一样的。由于 0=2 n0/60，所以，所以（7-20）可见，可见，CM 和和 CE的关系与直流他励电动机的关系与直流他励电动机中中Cm 和和 Ce的关系完全一致。的关系完全一致。5.串级调速的机械特性方程串级调速的机械特性方程当串级调速系统在第一工作区运行时，当串级调速系统在第一工作区运行时，p=0，代入式（，代入式（7-19）,再令再令 dTe/dt=0，可求出可求出电磁转矩的计算最大值电磁转矩的计算最大值Te1m，经过适，
46、经过适当的数学推导，得当的数学推导，得第一工作区的机械特性第一工作区的机械特性方程式方程式：(7-21)第一工作区的机械特性方程式第一工作区的机械特性方程式 (7-21)s1m=s1m-s10 在给定在给定 值下，从理想值下，从理想空载到计算最大转矩点的转差率增量；空载到计算最大转矩点的转差率增量；s1=s-s10 在相应的在相应的 值下，由负载值下，由负载引起的转差率增量；引起的转差率增量；第一工作区的机械特性方程式第一工作区的机械特性方程式s10 相应相应 值下的理想空载转差率；值下的理想空载转差率；s1m 对应于计算最大转矩对应于计算最大转矩Te1m的临界转差率：的临界转差率：(7-22
47、)Te1m 系统在第一工作区的系统在第一工作区的计算最大转计算最大转矩矩。由于在异步电动机串级调速时，负载增大由于在异步电动机串级调速时，负载增大到一定程度，必然会出现转子整流器的强到一定程度，必然会出现转子整流器的强迫延迟换相现象，系统必然会进入第二工迫延迟换相现象，系统必然会进入第二工作区。而作区。而 Te1m 是在是在 p=0 的条件下由式的条件下由式（7-19）求得的，它只表示若系统能继续）求得的，它只表示若系统能继续保持第一工作状态将会达到的最大转矩。保持第一工作状态将会达到的最大转矩。第二工作区的机械特性方程式第二工作区的机械特性方程式 当串级调速系统在第二工作区运行时，当串级调速
48、系统在第二工作区运行时，p不等于零，不等于零，=60，代入式（，代入式（7-19），再），再令令 dTe/dt=0，可求出，可求出第二工作区的最大第二工作区的最大转矩值转矩值Te2m，经过适当的数学推导，得第，经过适当的数学推导，得第二工作区的机械特性方程式：二工作区的机械特性方程式：第二工作区的机械特性方程式第二工作区的机械特性方程式 (7-23)s2m=s2m-s20 计及强迫延时换相，计及强迫延时换相，对应于某一对应于某一 p 值时的转差率增量；值时的转差率增量；s2 =s -s20 在给定在给定 与与 p值下，值下，由负载引起的转差率增量由负载引起的转差率增量;式中式中 s20相应相应
49、 与与 p 值下的理想空载转差率：值下的理想空载转差率：(7-24)而而注意注意 在用式（在用式（7-23）计算第二工作区的一段）计算第二工作区的一段机械特性时，等号左边分母中仍用机械特性时，等号左边分母中仍用Te1m，这是为了使第一、二工作区的机械特性计这是为了使第一、二工作区的机械特性计算公式尽量一致，不要误解为第二工作区算公式尽量一致，不要误解为第二工作区的最大转矩就是的最大转矩就是Te1m，它具有另外一个最，它具有另外一个最大转矩大转矩Te2m。几种最大转矩的关系和计算几种最大转矩的关系和计算 从异步电动机的铭牌数据可计算出额定从异步电动机的铭牌数据可计算出额定转矩转矩TeN和正常运行
50、时的最大转矩和正常运行时的最大转矩Tem。对串级调速系统来说，有实用意义的是对串级调速系统来说，有实用意义的是第一工作区的计算最大转矩第一工作区的计算最大转矩 Te1m 和和第二工第二工作区真正的最大转矩作区真正的最大转矩 Te2m（可证明，（可证明，Te2m 对应于对应于 p=15）。还有第一、二工作区交）。还有第一、二工作区交界的转矩值，称作界的转矩值，称作交接转矩交接转矩 Te1-2。按照上面的推按照上面的推导导，可得，可得41（7-25）（7-26）（7-27）式（式（7-26）说明，）说明，异步电动机串级调速异步电动机串级调速时所能产生的最大转矩比正常接线时减少时所能产生的最大转矩比