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1、1.交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型(1)转差功率消耗型(2)转差功率不变型(3)转差功率馈送型2.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。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(视电机的工况而定)，故称作双馈电机。可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。3基本原理：(T e O C lJ异步电机运行时其转子相电动势为 r=sEr0式 中s异步电机的转差率；r0 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，也就是转子额定相电压值
2、转子相电流的表达式为/sEr0r-J/?,2+(5 Xr0)2式中 也一转子绕组每相电通；X r O-s=1时的转子绕组每相漏抗。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。I _ 5纥0 Eadd1：+(1)E a d d 与 E r 同相 当 E a d d T 5,Er0+a d dT -/r?-Tc T -T(sJ)S i Z o+EM=s2Er0+E.M Js2 转速上升2)当 E a d d J sE ro+E a d d J f/r JfTeJ-J(sT)?l s2$1 4()+K d d =t E r O +Eadd 转速卜.同理，反相时若减小串入的反相附加电动势，则
3、可使电动机的转速升高，反之转速降低。4.异步电机双馈调速的五种 工 况(s=2二2)由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即f2=sfl,l 3 t必须通过功率变换单元(P owe rC onve rt e r U ni t C U )对不同频率的电功率进行电能变换。匕=$4+(1 5)%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；(I-s)P m 电机轴上输出或输入的功率。1)电机在次同步转速下作电动运行 条件:转子侧每相加上与E rt)同相或反向的附加电动势E a d d,并把转子三相回路连通 电 动 运 行 定子侧输入功率，轴上
4、输出机械功率0 s 0 sPm0(l-S)Pm02）电机在反转时作倒拉制动运行条件：轴上带有位能性恒转矩负载（这是进入倒拉制动运行的必要条件），转子回路叠加反向的Eadd|-Eadd|ErO则电机将反转。由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子侧馈送给电网nl Pm 0 sPm0（l-s）Pm03）电机在超同步转速下作回馈制动运行 条件：是有位能性机械（起重机、小车下坡）外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速泊的情况下运行。如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与sErO反相的附加电动势+Eadd,电机将在比未串入+Eadd时的转速更高的状态下
5、作回馈制动运行。电机处在发电状态工作，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。s0 Pm0（l-s）Pm04）电机在超同步转速下作电动运行 原 己 在0 s 1作电动运行，转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd,轴上拖动恒转矩的反抗性负载（只能由电机驱动转轴上的机械负载）。当接近同步转速时，如继续加大+Eadd电机将加速到的新的稳态下工作，即电机在超过其同步转速下稳定运行。电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成，电机处于定、转子双输入状态，其输出功率超过额定功率s 0 sPm05）电机在次同步转速下作回馈制动运行希望电力拖动装置能缩短减速
6、和停车的时间，因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转子侧口加入一定的-Eadd。|-Eadd|sErO,Ir 0 制动定子侧输出功率给电网，电机成为发电机处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减速停车过程 O vsvl Pm0 sPin 0（l-s）Pm 4 T 无个“TTe=7乙-4J 一久1 环;O J（3）停 车 与转子相连的是不可控的整流装置，它只能从电动机转子侧输出功率没有制动停车功能。只能靠减小力角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。6异步电动机串级调速机械特性的特征及其原因1）在串级调速时，理想空载转速与同步
7、转速是不同的理想空载状态下运行时（/d =0）,KiSnEr（）=K2U2T cos/3 其中，sOg异步电动机在串级调速时对应于某力角的理想空载转差率，并 取KI=K 2,则”=口0 5 4相应的理想空载转速 0 八、八U，TC O S/?、E,。0=syn（1 一 ）=syn（1 -毛-）式中 ns y n异步电动机的同步转速。2）比其固有特性要软得多。串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、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。电阻越大越软3）最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有
8、明显的降低。电抗整流电路换相重福角将加大，井产生强迫延迟导通现象7|=-L（l/_/R J电动势系数CE是负载电流的函数，它是使转速特性成为非线性的“=二（d 重要，异步电动机串级调速系统与直流它励电动机的转速特性在形式上完全相同，改变电压即可得到一族平行移动的调速特性。或=詈 =3 3 口34与。cos 4 9/”d 4。一o so o 元 =-。0-1=r。0 理想空载机械角转速（rad/s）；CM串级调速系统的转矩系数8 Telm 第一工作区的计算最大转矩和Te2m第二工作区真正的最大转矩（Te2m对应于冲=15）。T el-2 第一、二工作区交界的转矩值，称作交接转矩4=0.955Te
9、mA=0.827Tem星=0.716(7-25)(7-26)(7-27)式（7-26）说明，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了 17.3%由 式（7-27）uj 知，Tel-2=0.716 7 e m,而异步电动 机 的 转 矩 过 载 能 力 一 般 大 于 2,即 T em 2T eN,所以当电动机在额定负载下工作时，还是处于第一工作区。9 串级调速系统的效率高的原因1）在串级调速时，P s未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损pC ur,杂散损耗p s 和附加的串级调速装置损耗p tan 后通过转子整流器与逆变器返回电网2）在串级调速系统中，当电动机的转速降低时，如果负
10、载转矩不变,E p 和p tan 都基本不变，效率公式分子和分母中的Pm（1-s）项随着s 的增大而同时减少，对效率的影响并不太大。10串级调速系统的功率因数低的原因1）异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；2）转子整流器的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功率；3）逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率11逆 变 变 压 器 的 二 次 侧 相 电 压 容 量 卬1 OC（l-l-）.19 50kw 4例：D2-3S50kw f?x n =x=-x50kw.1 x 3n=n（稳 定 时）给静翩!给定：0输 出S R 储AC R 0.ACR
11、心/储U/f lJ-n t如系统1 0 0 0-1 5 0 0 现 在 1 3 0 0 稳定运行此时断开反馈线则不可调1 5 0 0A S R 输入由0 f n*则其达饱和输出限幅值nACR饱和达最大n 4r ax =9 0 =M。=0逆变器不起作用即调速系统不再起作用（P I 稳定时不饱和无静差输入为0饱和时有限幅）1 3串级调速系统的起动方式间接起动和直接起动两种总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网,停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故间接起动即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才
12、把串级调速装置投入运行。串级调速系统间接起动控制原理图（1）先合上装置电源总开关S,使逆变器在 m i n 下等待工作。2）然后依次接通接触器K 1,接入起动电阻R,再接 通 K 0,把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动3）待起动到所设计的m i n （s m a x）时接通K 2,使电动机转子接到串级调速装置，同时断开K 1,切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。停 车 1）由于没有制动作用，应先断开K 2,使电动机转子回路与串级调速装置脱离；（2）再断开K 0,以防止当K 0 断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。直接起动又称
13、串级调速方式起动。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。（1）接触器的工作顺序为S-K 0-K 2,此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。（2）待发出给定信号后，随 着p的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速1 4 异步电机双馈调速系统（转差功率馈送型）双馈就是从定子侧与转子侧都馈入电能的工作状态他控式双馈调速系统自控式双馈调速系统矢量控制将三相异步电动
14、机的数学模型变换到以同步转速旋转的由两相坐标系4 d=R J sd +P s i Ws q网叭q+4”sd叭d =Md+mZr dkq=+4%kd=Lm，s d +Ljrde L i.%df电压方程磁链方程转矩和运动方程L m（=3/2 L m s）-d q 坐标系定转子同轴等效绕组间的互感，对应的磁链就是气隙磁链的d轴分量 的n d 和 q轴 分 量 好n q ，流过Lm的电流可称为励磁电流i m d 和 i m q，且有：m d =+Z r dL m m d m d=i 4-im q s q r qLmim q=m q气隙磁链定向，现取按气隙磁链y r n定向，即 把d轴 取 在 川1方向
15、上，则什 md=kn 夕 mq=n=詈 一 电0.=.s q _ q4=p 4 （rd-Urq）=nW，3 q15传统电励磁同步 电 机（同步电机只能变压变频调速转差功率不变型）优 点 1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0,甚至超前存在的问题I）起动困难；2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。问题的根源：供电电源频率固定不变。解决办法：采用电压-频率协调控制类 型（1）他控变频调速系统（2）自控变频调速系统1 6 他控变频同步电动机调速系统 多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压 源 型 PWM变压变频器上，由统一的频率给定信号f*同时调节各台电动机的转速。PWM变压变频器中
16、，带定子压降补偿的恒压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒定，缓慢地调节频率给定/*可以逐渐地同时改变各台电机的转速。全控调速系统:由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统17按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统关系式定子三相绕组轴线A、8、C 是静止的，三 相 电 压MA,MBMC 和三相电流i A、汨、，C 都是平衡的，转子以同步转速 初旋转，转子上的励磁绕组在励磁电 压 Uf供电下流过励磁电流If。沿励磁磁极的轴线为“轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在 空 间 也 以 同 步 转 速 旋 转，d轴 与 A 轴 之 间 的 夹 角0为变量。物理模型R=ism+濡，=T
17、 ft=4 C 0 S&磁动势和磁通的空间矢量图令沿F R、OR方向为M轴与之正交的是T 轴F f、0 f 转子励磁磁动势和磁通，沿励磁方向为d轴；Fs 定子三相合成磁动势；F R、皈一合成的气隙磁动势和总磁通；A 八 与尸R间的夹角；Of F f与 F R间的夹角。将 F s除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量i s ,可将它沿M、T 轴分解为励磁分量i s m和转矩分量i s t。同样，F f与相当的 励 磁 电 流 矢 量/f 也可分解成z f m 和 z f t o17%盘女解密电动机调速系统结构原理图控 制 器（二结 构 特 点 1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器B Q,由
18、它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I 换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控 制 U I 的输入直流电压。（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器B Q 合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时,换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。分 类 1）无换向器电动机2）三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）3）无刷直流电动机（采
19、用方波电流时）区别类型定子绕组转子结构气隙磁密的波形2分布短距绕组内置式矩形凸极式正弦波3集中整距绕组瓦形磁钢表面式磁钢放在转子表面隐极式梯形波18梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图“AMC逆变器通常采用120导通型的，当两相导通时，另 相 断 开 A、B、C 三相输入对地电压iA、iB、iC 三相电流eA、e B、eC三相电动势R s定子每相电阻L s定子每相绕组的自感L m 定子任意两相绕组间的互感氏000凡0由于三相定子绕组对称，故有 iA+iB+iC=0则Lm zB +Lm iC-Lm zALm iC+Lm zA=-Lm/BLm(A+Lm zB =-Lm iC0-m00
20、Lf0方波电流的峰值为/p,梯形波电动势的峰值为E p,在一般情况下，同时只有两相导通,从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率为Pm=2E p/p。忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为P2nF J式 中 除 一梯形波励磁磁链的峰值，是恒定值19动态模型当图中的V T 1和VT6导通时，A、B两相导通而C相关断，则可得无刷直流电动机的动态电压方程为 M.-MB=2/?/.+2(4 -Lm)pi.+2e.在上式中，(“A-B )是 A、B 两相之间输入的平均线电压，采用P WM控制时，设占空比为0,贝l J“A-“B =p U d ,于是，力 一2必=2尺(+1)炊 Ls-Lm 为电枢漏磁
21、时间常数广工根据电机和电力拖动系统基本理论，可知nJ6八=/=%0 (A A+B)=2P A Te-TL PMCO p无刷直流电动机的动态结构框图20正弦波永磁同步电动机的自控变频醛系统转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d轴 定 在 转 子 磁 链 方 向 上匕=以+匕匕 二3%=&i d+L s d P i d一 刃%iq q =R/q +4 q P i q +。4儿 匕7e=p(d/q-d)=p q+(LSd-LS q)ql在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量使之落在q轴上，即 令i d =0,i q =i s匕=4q1s 4 =R
22、js+%Pis+3K按转子磁链定向的正弦波永磁 同 步 电 动 机 矢 量 图a)i d=0,恒转矩调速 b)z d 0,弱磁恒功率调速iA=is c o s(90 +O)-is s i n 0zB=-zssin(-120)zc=-issin(+120)优 点 定子电流与转子永磁磁通互相独立，控制系统简单，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。缺 点 1）当负载增加时.，定子电流增大，使气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置须有足够的容量，而有效利用率却不大。（2）负载增加时，定子电压矢量和电流矢量的夹
23、角也会增大，造成功率因数降低。（3）在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。21永久磁钢的三个关键指标矫 顽 力 Hc使磁化至永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度退磁曲线与H 轴的交点磁能积 退磁曲线的任意点上磁通密度B 与 对应的磁场强度H 的乘积磁体所储磁能容量最 大 磁 能 积 也2剩磁密度B 磁滞回线上H=0 时所对应得磁通密度22自起动永磁同步电动机（永磁体内置于转子内内置式）典 型 结 构（转子不同定子相同）径向式转轴无需隔磁气向式转轴需隔磁或者本身不导磁混合式物理模型Lsd 等效两相定子绕组d轴自感 Lsd=Lls+Lmd Lsq 等效两相定子绕组g 轴自感，
24、Lsq=Lls+Lmq；Ls 等效两相定子绕组漏感；Lmdd轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步电动机原理中的d轴电枢反应电感；Lmq q轴定子与转子绕组间的互感，相当于g 轴电枢反应电感；LrD d 轴阻尼绕 组 自 感，LrD=LID+Lmd；LrQ一q 轴阻尼绕组自感，LrQ=L1Q+L m q。由 永久磁体提供的磁链idd 轴定子电流 转子转速,坐标系相对于定子的角速度0）电阻压降，电感压降,旋转电动势“d=R s id+P U d 0 qd=乙M乙 +L m d，D+“f“q=(sq q 十(mqQD=L m/d +WD+f“Q=L m q,q +LrQl Q“q=R J q+P P q+kO =R-D+P-D。:RJQ+PWQ1=p(d i q -匕。)=普+，p出+八p(4 d -4q)Rq +p(L m d，Diq-%)第一项是同步电动机主要的电磁转矩第二项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称作反应转矩或磁阻转矩，这是凸极电机特有的转矩，在隐极电机中，Lsd=L sq,该 项 为Oo永磁电机4 d%第三项异步绕组是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组,或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该项都是零