电力拖动自动控制系统 —运动控制系统,第7章,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,转差功率是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能也是异步电动机调速的主要目的之一作为异步电动机，必然有转差功率，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效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用它 对于绕线型异步电动机，定、转子电路可以同时与外电路相连，转差功率可以从转子输出，也可以向转子馈入，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及其调速,,Ps,,P1,绕线转子异步电动机结构如图所示 从广义上讲，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，故称作双馈电机绕线转子异步机调速的可行途径,从定子侧引入控制变量，如： 改变定子供电电压（调压调速） 同时改变定子供电电压和频率（变频调速） 可从转子侧引入控制变量，如： 调节转子电流（不可行,稳态时随负载大小而定，不能随意调节） 调节转子阻抗（耗能型，不经济，如转子串电阻调速） 调节转子电动势（本章重点）,pec,绕线转子异步电动机转子串电阻调速,根据电机理论，改变转子电路的串接电阻，可以改变电机的转速。
转子串电阻调速的原理如图所示，调速过程中，转差功率完全消耗在转子电阻上双馈调速的概念,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 至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定双馈”的一个特点是转差功率可以回馈到电网，也可以由电网馈入至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电动机的工况而定 绕线转子异步电动机双馈调速方法早在20世纪30年代就已被提出，到了60~70年代，当可控电力电子器件出现以后，才得到更好的应用绕线转子异步电动机双馈调速系统,绕线型异步电动机双馈调速工作原理 绕线型异步电动机串级调速系统 串级调速的机械特性 串级调速系统的技术经济指标 双闭环控制的串级调速系统 串级调速系统的起动方式 绕线转子异步风力发电机组,内 容 提 要,7.1 绕线转子异步电动机双馈调速工作原理,,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行 在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。
7.1.1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的作用,,图7-1 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,,异步电动机运行时其转子相电动势为(7-1)式中 ——异步电动机的转差率；,,,,——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,,在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，转子电流 会在外接电阻上产生一个交流电压 ，这一交流电压与转子电流有着相同的频率和相位，调速时产生的转差功率被消耗在外接电阻上转子附加电动势的作用,,如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势 来代替外接电阻，附加电动势的幅值和频率与交流电压 相同，相位与转子电动势 相反（如图7-1所示），则它对转子电流的作用与外接电阻是相同的，附加电动势将会吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率转子附加电动势的原理图,,图7-1 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,图7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图,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。
引入可控的交流附加电动势,有附加电动势时的转子相电流：,(7-3),转子附加电动势的作用,当 Eadd ,转速上升；,Er 与 Eadd 反相,当 Eadd ,转速下降；,平衡时，转子电流恢复到负载所需的值转子附加电动势的作用,引入附加电动势后，电动机转子回路的合电动势减小了，转子电流和电磁转矩也相应减小，由于负载转矩未变，电动机必然减速，因而 增大，转子电动势 随之增大，转子电流 也逐渐增大，直至转差率增大到 时，转子电流又恢复到负载所需的值，电动机便进入新的较低转速的稳定状态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后的转子电流相等 : 而减小 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双馈调速的五种工况,,在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控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 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实现对电动机转速的调节7.1.2 绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况,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( )，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，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，还应具有对不同频率的电功率进行变换的功能，故称为功率变换单元（Power Converter Unit，简称CU），见图7-2双馈调速的基本结构,如图所示，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中附加一个交流电动势功率变换单元 由于转子电动势、转子电流的频率随转速变化，即 f2 =sf1，因此必须通过功率变换单元（Power Converter Unit—CU）对不同频率的电功率进行电能变换 对于双馈系统来说，CU应该由双向变频器构成，以实现功率的双向传递双馈调速的功率传输,（1）转差功率Ps输出状态,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行；,（2）转差功率Ps输入状态,当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。
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 a)次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态 d)超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态 CU——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（7-4）——电动机定子传入转子的电磁功率，——包括转子损耗的转子电路输入功率，即转差功率，——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， 和都可正可负，因而可以有以下几种不同的工作 状况1/5.电机在次同步转速下作电动运行,,,,工作条件： 初始转子开路，反抗性恒值负载转子侧每相加上与Er0反相的附加电动势Eadd（Eadd
此时，转子回路的电势平衡方程式为若继续加大 值，则 值继续增大，转速还将降低，实现了对电动机的调速对照式（7-4）可知，由于电动机作电动运行，转差率为0 Er0，则s>1,电机将反转运行工况 电机进入倒拉制动运行状态，转差率 s 1，此时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功率流程,,,图7-2b 反转倒拉制动状态,电机输出的转差功率sPm较大，要求CU的功率较大，初始投资增加故这种倒拉制动方法很少应用2.电动机在反转时作倒拉制动运行,设异步电动机在转子侧已接入一定数值+的情况下作电动运行，其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）此时若逐渐增大 值，且使 ，根据式（7-3）的平衡条件，可使 ，则电动机将反转。
这表明在附加电动势与位能负载外力的作用下，可以使电动机进入倒拉制动运行状态（在 、n坐标系的第四象限）值越大，电动机的反向转速越高由于 ，故式（7-4）可改写作:此时由电网输入电动机定子的功率和由负载输入电动机轴的功率两部分合成转差功率，由附加电势吸收从转子侧馈送给电网，见图7-2b3/5.电机在超同步转速下作回馈制动运行,,工作条件 进入该状态的必要条件是有位能性机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 典型的工况为电动车辆下坡的运动 初始：电机处于回馈制动，s<0, Ir、sEr0的相位与电动运行时相反此时，如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与 sEr0 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作回馈制动运行运行工况(Pm<0, s<0)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图7-2c 超同步速回馈制动状态,由于机械负载的特殊性，而且在这种工况下一般不会出现转速往高调的要求，故其应用场合也不多3. 电动机在超同步转速下作回馈制动运行,进入这种运行状态的必要条件是有恒定机械外力作用在电动机轴上，方向与电动机转速方向相同，并使电动机能在超过其同步转速 的情况下运行。
典型的工况为电动车辆下坡的运动，车辆上坡时电动机作电动运行，下坡时车辆重量形成的坡向分力能克服各种磨擦阻力而使车辆下滑，为了防止下坡速度过高，被车辆拖动的电动机便需要产生制动转矩以限制车辆的速度超同步转速下作回馈制动运行,此时电动机的运转方向和上坡时一样，但运行状态却变成回馈制动，转速超过其同步转速 ，转差率 ，转子电动势和转子电流 的相位都与电动运行时相反若处于发电状态运行的电动机转子回路再串入一个与转子电动势 反相的附加电动势 根据式（7-3），电动机将在比未串入 时的转速更高的状态下作回馈制动运行超同步转速下作回馈制动运行,由于电动机处在发电状态工作，由负载通过电动机轴输入机械功率，经过机电能量变换分别从电动机定子侧与转子侧馈送至电网这一结果也可从式（7-4）得到，此时式（7-4）可改写成（式中 与 本身都为负值）超同步速回馈制动状态的功率流程示于图7-2c。