运动控制系统课件

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1、第十八讲第十八讲7.1 异步异步电机双机双馈调速工作原理速工作原理7.2 异步异步电机在次同步机在次同步电动状状态下的双下的双馈系系统串串级调速系速系统7.3 异步异步电动机串机串级调速速时的机械特性的机械特性第 7 章 绕线转子异步电机双馈调速系统 转差功率馈送型调速系统运动控制系统 7.0 引言引言 转差功率问题 转差功率始差功率始终是人是人们在研究异步在研究异步电动机机调速速方法方法时所关心的所关心的问题，因，因为节约电能是异步能是异步电动机机调速的主要目的之一，而如何速的主要目的之一，而如何处理理转差功差功率又在很大程度上影响着率又在很大程度上影响着调速系速系统的效率。的效率。如第如第

2、5章所述，交流章所述，交流调速系速系统按按转差功率的差功率的处理方式可分理方式可分为三种三种类型。型。运动控制系统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）转差功率消耗型差功率消耗型异步异步电机采用机采用调压控制等控制等调速方速方式，式，转速越低速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低；但差功率的消耗越大，效率越低；但这类系系统的的结构构简单，设备成本最低，所以成本最低，所以还有一定的有一定的应用价用价值。2）转差功率不差功率不变型型变频调速方法速方法转差功率很小，而差功率很小，而且不随且不随转速速变化，效率化，效率较高；但在定子高；但在定子电路中路中须配配备与与电动机容量

3、相当的机容量相当的变压变频器，相比之下，器，相比之下，设备成本最成本最高。高。3）转差功率差功率馈送型送型控制控制绕线转子异步子异步电动机的机的转子子电压，利用其，利用其转差功率并达到差功率并达到调节转速的目的，速的目的，这种种调节方式具有良好的方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些速性能和效率；但要增加一些设备。 运动控制系统7.1 异步电机双馈调速工作原理异步电机双馈调速工作原理 本节提要本节提要概述概述异步异步电机机转子附加子附加电动势的作用的作用异步异步电机双机双馈调速的五种工况速的五种工况运动控制系统l转差功率的利用作作为异步异步电动机，必然有机，必然有转差功率，要提高差功率，要

4、提高调速系速系统的效率，除了尽量减小的效率，除了尽量减小转差功率外，差功率外，还可以考可以考虑如何去利用它。如何去利用它。但要利用但要利用转差功率，就必差功率，就必须使异步使异步电动机的机的转子子绕组有与外界有与外界实现电气气联接的条件，接的条件，显然然笼型型电动机机难以以胜任，只有任，只有绕线转子子电动机机才能做才能做到。到。 7.1.0 概述概述运动控制系统l绕线转子异步电动机 PsP1 绕线转子异步子异步电动机机结构如构如图所示，从广所示，从广义上上讲，定子功率和，定子功率和转差差功率可以分功率可以分别向定子和向定子和转子子馈入，也可以从定入，也可以从定子或子或转子子输出，故称作出，故称

5、作双双馈电机机。运动控制系统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 根据根据电机理机理论，改，改变转子子电路的串接路的串接电阻，可以改阻，可以改变电机的机的转速。速。转子串子串电阻阻调速速的原理如的原理如图所示，所示，调速速过程中，程中，转差功率差功率完全消耗在完全消耗在转子子电阻阻上。上。PmPmechPs运动控制系统l 双馈调速的概念双馈调速的概念 所所谓“双双馈”，就是指把，就是指把绕线转子异步子异步电机的机的定子定子绕组与交流与交流电网网连接接，转子子绕组与其他含与其他含电动势的的电路相路相连接，使它接，使它们可以可以进行行电功率的相功率的相互互传递。至于

6、至于电功率是功率是馈入定子入定子绕组和和/或或转子子绕组，还是由定子是由定子绕组和和/或或转子子绕组馈出，出，则要要视电机的机的工况而定。工况而定。 运动控制系统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电网K1M3 K2TI运动控制系统 如上如上图所示，在双所示，在双馈调速工作速工作时，除了，除了电机定机定子子侧与交流与交流电网直接网直接连接外，接外，转子子侧也要与交流也要与交流电网或外接网或外接电动势相相连，从，从电路拓扑路拓扑结构上看，构上看，可可认为是在是在转子子绕组回路中附加一个交流回路中附加一个交流电动势。运动控制系统l 功率变换单元功率变换单元 由于由于转子子电动势与与

7、电流的流的频率随率随转速速变化，化，即即f2=sf1，因此必，因此必须通通过功率功率变换单元（元（Power Converter UnitCU）对不同不同频率的率的电功率功率进行行电能能变换。对于于双双馈系系统来来说，CU应该由由双向双向变频器器构成，以构成，以实现功率的双向功率的双向传递。运动控制系统l 双馈调速的功率传输双馈调速的功率传输（1）转差功率输出状态）转差功率输出状态 异步异步电动机由机由电网供网供电并以并以电动状状态运行运行时，它从它从电网网输入（入（馈入）入）电功率，而在其功率，而在其轴上上输出出机械功率机械功率给负载，以拖，以拖动负载运行；运行； CUP1PsM3 Pmec

8、h运动控制系统（2）转差功率输入状态）转差功率输入状态 当当电机以机以发电状状态运行运行时，它被拖着运，它被拖着运转，从从轴上上输入机械功率，入机械功率，经机机电能量能量变换后以后以电功率的形式从定子功率的形式从定子侧输出（出（馈出）到出）到电网。网。 PsP1M3 CUPmech运动控制系统7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用异步电机转子附加电动势的作用异步异步电机运行机运行时其其转子相子相电动势为式中式中s 异步异步电动机的机的转差率；差率；Er0 绕线转子异步子异步电动机在机在转子不子不动时的相的相电动势，或称，或称转子开路子开路电动势，也就是，也就是转子子额定相定相电压值。(7-1

9、)运动控制系统转子相子相电流的表达式流的表达式为：式中式中Rr 转子子绕组每相每相电阻；阻；Xr0 s=1时的的转子子绕组每相漏抗。每相漏抗。(7-2)运动控制系统n 转子附加电动势转子附加电动势 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附加电动势与与转子子电动势有相同的有相同的频率，率，可同相或反相串接。可同相或反相串接。 引入可控的交引入可控的交流附加电动势流附加电动势运动控制系统有附加有附加电动势时的的转子相子相电流：流：如如图7-1所示，所示，绕线转子异步子异步电动机在外接机在外接附加附加电动势时，转子回路的相子回路的相电流表达式流表达式(7-3)运动控制系统n 转子附加

10、电动势的作用转子附加电动势的作用1. Er 与 Eadd 同相l当当 Eadd ，使得：使得：这里：里： 转速上升速上升；运动控制系统转子附加电动势的作用（续）l当 Eadd ，使得：这里：转速下降速下降；运动控制系统转子附加电动势的作用（续）转子附加电动势的作用（续）2. Er与Eadd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，则可使可使电动机的机的转速降低。速降低。所以，所以，在在绕线转子异步子异步电动机的机的转子子侧引入引入一个可控的附加一个可控的附加电动势，就可，就可调节电动机的机的转速速。 运动控制系统7.1.2 异步电机双馈调速的五种工况异步电机

11、双馈调速的五种工况 本节摘要本节摘要电机在机在次同步次同步转速下作速下作电动运行运行电机在机在反反转时作作倒拉制倒拉制动运行运行电机在机在超同步超同步转速下作速下作回回馈制制动运行运行电机在机在超同步超同步转速下作速下作电动运行运行电机在机在次同步次同步转速下作速下作回回馈制制动运行运行运动控制系统n 异步电机的功率关系异步电机的功率关系 忽略机械忽略机械损耗和耗和杂散散损耗耗时，异步，异步电机在任何工机在任何工况下的功率关系都可写作况下的功率关系都可写作 （7-4） 式中式中 Pm 从从电机定子机定子传入入转子（或由子（或由转子子传出出给定定子）的子）的电磁功率磁功率sPm 输入或入或输出出

12、转子子电路的功率，即路的功率，即转差功率差功率(1-s)Pm 电机机轴上上输出或出或输入的功率入的功率 由于由于转子子侧串入附加串入附加电动势极性和大小的不同，极性和大小的不同，s 和和Pm 都可正可都可正可负，因而可以有以下五种不同的工作情，因而可以有以下五种不同的工作情况。况。运动控制系统1. 电机在次同步转速下作电动运行电机在次同步转速下作电动运行l工作条件： 转子子侧每相加上与每相加上与Er0同相的附加同相的附加电动势+Eadd（EaddEr0），并把），并把转子三相回路子三相回路连通。通。l运行工况： 电机作机作电动运行，运行，转差率差率为0s1，从定子，从定子侧输入功率，入功率，轴

13、上上输出机械功率。出机械功率。 运动控制系统l 功率流程功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a） 次同步速电动状态次同步速电动状态 运动控制系统2. 电机在反转时作倒拉制动运行电机在反转时作倒拉制动运行l工作条件： 轴上上带有位能性恒有位能性恒转矩矩负载（这是是进入倒拉入倒拉制制动运行的必要条件），此运行的必要条件），此时逐逐渐减少减少+Eadd值，并使之反相并使之反相变负，只要反相附加，只要反相附加电动势Eadd有有一定数一定数值，则电机将反机将反转。 运动控制系统l运行工况： 电机机进入倒拉制入倒拉制动运行状运行状态，转差率差率s 1，此，此时由由电网网输入入电

14、机定子的功率和由机定子的功率和由负载输入入电机机轴的功率两部分合成的功率两部分合成转差功率，并从差功率，并从转子子侧馈送送给电网。式（网。式（7-4）可改写作）可改写作 运动控制系统l 功率流程功率流程b）反转倒拉制动状态）反转倒拉制动状态 Te012s-n-n1PmCU运动控制系统3. 电机在超同步转速下作回馈制动运行电机在超同步转速下作回馈制动运行l工作条件： 进入入这种运行状种运行状态的必要条件是有位能性机的必要条件是有位能性机械外力作用在械外力作用在电机机轴上，并使上，并使电机能在超机能在超过其其同步同步转速速n1的情况下运行。的情况下运行。此此时，如果，如果处于于发电状状态运行的运行

15、的电机机转子子回路再串入一个与回路再串入一个与sEr0反相的附加反相的附加电动势+Eadd，电机将在比未串入机将在比未串入+Eadd时的的转速更高的状速更高的状态下作回下作回馈制制动运行。运行。运动控制系统l运行工况： 电机机处在在发电状状态工作，工作，s 1，电机功率由机功率由负载通通过电机机轴输入，入，经过机机电能量能量变换分分别从从电机定子机定子侧与与转子子侧馈送至送至电网。此网。此时式（式（7-4）可）可改写成改写成 运动控制系统l 功率流程功率流程c） 超同步速回馈制动状态超同步速回馈制动状态 -TePmCU运动控制系统4. 电机在超同步转速下作电动运行电机在超同步转速下作电动运行l

16、工作条件： 设电机原已在机原已在 0s1 作作电动运行，运行，转子子侧串串入了同相的附加入了同相的附加电动势+Eadd，轴上拖上拖动恒恒转矩矩的反抗性的反抗性负载。当接近当接近额定定转速速时，如，如继续加大加大+Eadd电机机将加速到的新的将加速到的新的稳态下工作，即下工作，即电机在超机在超过其同其同步步转速下速下稳定运行。定运行。运动控制系统l运行工况： 电机的机的轴上上输出功率由定子出功率由定子侧与与转子子侧两部分两部分输入功率合成，入功率合成，电机机处于定、于定、转子双子双输入状入状态，其其输出功率超出功率超过额定功率，式（定功率，式（7-4）改写成）改写成运动控制系统l 功率流程功率流

17、程运动控制系统5. 电机在次同步转速下作回馈制动运行电机在次同步转速下作回馈制动运行工作条件： 很多工作机械很多工作机械为了提高其生了提高其生产率，希望率，希望电力拖力拖动装置能装置能缩短减速和停短减速和停车的的时间，因，因此必此必须使运行在低于同步使运行在低于同步转速速电动状状态的的电机切机切换到制到制动状状态下工作。下工作。设电机原在低于同步机原在低于同步转速下作速下作电动运行，运行，其其转子子侧已加入一定的已加入一定的+Eadd。要使之。要使之进入制入制动状状态，可以在，可以在电机机转子子侧突加一个反相的突加一个反相的附加附加电动势。运动控制系统l 运行工况运行工况 在低于同步在低于同步

18、转速下作速下作电动运行，运行，Eadd由由“+”变为“-”，并使，并使 |-Eadd| 大于制大于制动初瞬的初瞬的Er0 ，电机定子机定子侧输出功率出功率给电网，网，电机成机成为发电机机处于于制制动状状态工作，并工作，并产生制生制动转矩以加快减速停矩以加快减速停车过程。程。电机的功率关系机的功率关系为 运动控制系统l 功率流程功率流程e） 次同步速回馈制动状态次同步速回馈制动状态 Pm-TeCU运动控制系统l五种工况小结五种工况小结图图7-2 异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 五种工况都是异步五种工况都是异步电机机转子加入附加子加入附加电

19、动势时的运行状的运行状态。在工况在工况a,b,c中，中，转子子侧都都输出功率，可出功率，可把把转子的交流子的交流电功率先功率先变换成直流，然后再成直流，然后再变换成与成与电网具有相同网具有相同电压与与频率的交流率的交流电功率。功率。 运动控制系统a）转子输出功率的工况）转子输出功率的工况TICU2CU1sEr0M3图图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元异步电机转子侧连接的功率变换单元运动控制系统b）转子输入功率的工况）转子输入功率的工况 图图7-4 异步电机转子侧连接的功率变换单元异步电机转子侧连接的功率变换单元TICU2CU1sEr0M3运动控制系统7.2 异步电机在次同步电动状态下的

20、异步电机在次同步电动状态下的 双馈系统双馈系统串级调速系统串级调速系统 本节摘要本节摘要串级调速系统的工作原理 串级调速系统的其它类型 运动控制系统基本思路 在异步在异步电机机转子回路中附加交流子回路中附加交流电动势调速的速的关关键就是在就是在转子子侧串入一个可串入一个可变频、可、可变幅的幅的电压。怎怎样才能才能获得得这样的的电压呢？呢？对于只用于次同步于只用于次同步电动状状态的情况来的情况来说，比，比较方便的方便的办法是将法是将转子子电压先整流成直流先整流成直流电压，然后，然后再引入一个附加的直流再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加，控制此直流附加电动势的幅的幅值，就可以，就可以调节异

21、步异步电动机的机的转速。速。这样，就把交流，就把交流变压变频这一复一复杂问题，转化化为与与频率无关的直流率无关的直流变压问题，对问题的分析与工的分析与工程程实现都方便多了。都方便多了。 7.2.1 串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理 运动控制系统n 对直流附加电动势的技术要求对直流附加电动势的技术要求 l首先，它首先，它应该是可平滑是可平滑调节的，以的，以满足足对电动机机转速平滑速平滑调节的要求；的要求；l其次，从其次，从节能的角度看，希望能的角度看，希望产生附加生附加直流直流电动势的装置能的装置能够吸收从异步吸收从异步电动机机转子子侧传递来的来的转差功率并加以利用。差功率并加以利用

22、。 运动控制系统n 系统方案系统方案 根据以上两点要求，根据以上两点要求，较好的方案是采用工作好的方案是采用工作在有源逆在有源逆变状状态的晶的晶闸管可控整流装置作管可控整流装置作为产生生附加直流附加直流电动势的的电源，源，这就形成了就形成了图7-4a中所中所示的功率示的功率变换单元元CU2。按照上述原理按照上述原理组成的异步成的异步电机在低于同步机在低于同步转速下作速下作电动状状态运行的双运行的双馈调速系速系统如如图7-5所示，所示，习惯上称之上称之为电气串气串级调速系速系统（或称（或称Scherbius系系统）。）。 运动控制系统图7-5 电气串级调速系统原理图 n 系统组成系统组成运动控制

23、系统n 功率变换单元功率变换单元lUR 三相不可控整流装置，将异步三相不可控整流装置，将异步电机机转子相子相电动势 sEr0 整流整流为直流直流电压Ud 。lUI 三相可控整流装置，工作在有源逆三相可控整流装置，工作在有源逆变状状态：l可提供可可提供可调的直流的直流电压Ui，作，作为电机机调速所需的附加速所需的附加直流直流电动势；l可将可将转差功率差功率变换成交流功率，回成交流功率，回馈到交流到交流电网。网。运动控制系统n 工作原理工作原理（1）起动l起动条件： 对串串级调速系速系统而言，起而言，起动应有足有足够大的大的转子子电流流Ir或足或足够大的整流后直流大的整流后直流电流流Id，为此，此

24、，转子整流子整流电压Ud与逆与逆变电压Ui间应有有较大的差大的差值。运动控制系统l 起动控制起动控制u控制逆控制逆变角角 ，使在起，使在起动开始的瞬开始的瞬间，Ud与与Ui的的差差值能能产生足生足够大的大的Id，以，以满足所需的足所需的电磁磁转矩，矩，但又不超但又不超过允允许的的电流流值，这样电动机就可在一机就可在一定的定的动态转矩下加速起矩下加速起动。u随着随着转速的增高，相速的增高，相应地增大地增大 角以减小角以减小值Ui，从而从而维持加速持加速过程中程中动态转矩基本恒定矩基本恒定 。运动控制系统工作原理（续）工作原理（续）（2）调速l调速原理：通通过改改变 角的大小角的大小调节电动机的机

25、的转速。速。l调速过程：UiIdK1sEr0nTeTe = TLId运动控制系统工作原理（续）工作原理（续）（3） 停车 串串级调速系速系统没有制没有制动停停车功能。只能靠减小功能。只能靠减小 角逐角逐渐减速，并依靠减速，并依靠负载阻阻转矩的作用自由停矩的作用自由停车。 运动控制系统结结 论论串串级调速系速系统能能够靠靠调节逆逆变角角 实现平滑无平滑无级调速速系系统能把异步能把异步电动机的机的转差功率回差功率回馈给交流交流电网，网，从而使扣除装置从而使扣除装置损耗后的耗后的转差功率得到有效利用，差功率得到有效利用，大大提高了大大提高了调速系速系统的效率。的效率。运动控制系统*7.3.1 异步电

26、动机串级调速机械特性的特征异步电动机串级调速机械特性的特征1. 理想空载转速在异步在异步电动机机转子回路串子回路串电阻阻调速速时，其理想空，其理想空载转速就是其同步速就是其同步转速，而且恒定不速，而且恒定不变，调速速时机械特性机械特性变软，调速性能差。速性能差。在串在串级调速系速系统中，中，电动机的极机的极对数与旋数与旋转磁磁场转速都不速都不变，同步，同步转速也是恒定的，但是它的理速也是恒定的，但是它的理想空想空载转速却能速却能够连续平滑地平滑地调节。运动控制系统 根据式（根据式（7-5），当系），当系统在理想空在理想空载状状态下运行下运行时（Id = 0），），转子直流回路的子直流回路的电压

27、平衡方程式平衡方程式变成成 其中，其中，s0异步异步电动机在串机在串级调速速时对应于某一于某一 角的理想空角的理想空载转差率，并取差率，并取K1=K2，则 (7-6)运动控制系统 理想空载转速方程理想空载转速方程由此可得相由此可得相应的理想空的理想空载转速速n0为： (7-7)式中式中nsyn 异步异步电动机的同步机的同步转速。速。 运动控制系统 特性分析特性分析从式（从式（7-6）和式（）和式（7-7）可知，）可知，在串在串级调速速时，理想空理想空载转速与同步速与同步转速是不同的。速是不同的。当改当改变逆逆变角角 时，理想空，理想空载转差率和理想空差率和理想空载转速都相速都相应改改变。由式（

28、由式（7-5）还可看出，在不同的可看出，在不同的 角下，异步角下，异步电动机串机串级调速速时的机械特性是近似平行的，其的机械特性是近似平行的，其工作段工作段类似于直流似于直流电动机机变压调速的机械特性。速的机械特性。 运动控制系统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 串串级调速速时，转子回路中接入了串子回路中接入了串级调速装速装置（包括两套整流装置、平波置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆抗器、逆变变压器等），器等），实际上相当于在上相当于在电动机机转子回路中接入子回路中接入了一定数量的等效了一定数量的等效电阻和阻和电抗，它抗，它们的影响在任的影响在任何何转速下都存在。速下都存在

29、。由于由于转子回路子回路电阻的影响，异步阻的影响，异步电动机机串串级调速速时的机械特性比其固有特性要的机械特性比其固有特性要软得多得多。 运动控制系统 转子回路电阻的影响转子回路电阻的影响当当电机在最高速的特性上（机在最高速的特性上（ =90）带额定定负载，也也难以达到其以达到其额定定转速。速。整流整流电路路换相重叠角将加大，并相重叠角将加大，并产生生强迫延迫延迟导通通现象，使串象，使串级调速速时的最大的最大电磁磁转矩比矩比电动机机在正常接在正常接线时的最大的最大转矩有明矩有明显的降低。的降低。 这样，串级调速时的机械特性便如图这样，串级调速时的机械特性便如图7-7所示。所示。 运动控制系统

30、串级调速时的机械特性图串级调速时的机械特性图图7-7 异步电动机串级调速时的机械特性a) 大电机 b)小电机 运动控制系统 从从图7-5中可以看出，异步中可以看出，异步电动机相当于机相当于转子子整流器的供整流器的供电电源。如果把源。如果把电动机定子看成是整机定子看成是整流流变压器的一次器的一次侧，则转子子绕组相当于二次相当于二次侧，与与带整流整流变压器的整流器的整流电路非常相似，因而可以路非常相似，因而可以引用引用电力力电子技子技术中分析整流中分析整流电路的一些路的一些结论来来研究串研究串级调速速时的的转子整流子整流电路。路。但是，两者之但是，两者之间还存在着一些存在着一些显著的差异，著的差异

31、，主要是：主要是：*7.3.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路异步电动机串级调速时的转子整流电路运动控制系统（1）一般整流）一般整流变压器器输入入输出的出的频率是一率是一样的，而的，而异步异步电动机机转子子绕组感感应电动势的幅的幅值与与频率都是率都是变化的，随化的，随电机机转速的改速的改变而而变化；化； （2）异步）异步电动机折算到机折算到转子子侧的漏抗的漏抗值也与也与转子子频率或率或转差率有关；差率有关；（3）由于异步）由于异步电动机折算到机折算到转子子侧的漏抗的漏抗值较大，大，所以出所以出现的的换相重叠相重叠现象比一般整流象比一般整流电路路严重，从重，从而在而在负载较大大时会引起整流器

32、件的会引起整流器件的强迫延迫延迟换相相现象。象。 整流电路的不同点整流电路的不同点 运动控制系统1. 转子整流电路转子整流电路图7-8 转子整流电路 运动控制系统2. 电路分析电路分析假设条件：（1）整流器件具有理想的整流特性，管）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏降及漏电流均可忽略；流均可忽略；（2）转子直流回路中平波子直流回路中平波电抗器的抗器的电感感为无无穷大，大，直流直流电流波形平直；流波形平直；（3）忽略）忽略电动机励磁阻抗的影响。机励磁阻抗的影响。 运动控制系统n 换相重叠现象换相重叠现象 设电动机在某一机在某一转差率下差率下稳定运行，定运行，转子三子三相的感相的感应电动势为e

33、ra、erb、erc。当各整流器件。当各整流器件依次依次导通通时，必有器件，必有器件间的的换相相过程，程，这时处于于换相中的两相相中的两相电动势同同时起作用，起作用，产生生换相重叠相重叠压降，如下降，如下图所示。所示。运动控制系统 换相重叠波形换相重叠波形换相重叠压降换相重叠压降换相重叠角换相重叠角运动控制系统 根据根据电力力电子技子技术中介中介绍的理的理论，换相重相重叠角叠角为n 换相重叠角换相重叠角（7-8） 其中其中XD0 -s=1时折算到折算到转子子侧的的电动机定子机定子和和转子每相漏抗。子每相漏抗。运动控制系统 由式（由式（7-8）可知，）可知，换相重叠角随着整流相重叠角随着整流电流

34、流Id 的增大而增加。的增大而增加。当当Id 较小，小， 在在0 60之之间时，整流，整流电路中各整流路中各整流器件都在器件都在对应相相电压波形的自然波形的自然换相点相点处换流，流，整流波形正常。整流波形正常。运动控制系统当当电流流Id 增大到按式（增大到按式（7-8）计算出来的算出来的 角大于角大于60时，器件在自然，器件在自然换相点相点处未能未能结束束换流，从而迫使流，从而迫使本本该在自然在自然换相点相点换流的器件推流的器件推迟换流，出流，出现了了强迫延迫延迟换相相现象象，所延，所延迟的角度称作的角度称作强迫延迫延时换相相角角 p 。由此可由此可见，串，串级调速速时的异步的异步电动机机转子

35、整流子整流电路有两种正常工作状路有两种正常工作状态。 运动控制系统n 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）第一种工作状态的特征是的特征是0 60， p = 0 此此时，转子整流子整流电路路处于正常的不可控整流工作于正常的不可控整流工作状状态，可称之，可称之为第一工作区。第一工作区。（2）第二种工作状）第二种工作状态的特征是的特征是 = 60，0 p 30 这时，由于，由于强迫延迫延迟换相的作用，使得整流相的作用，使得整流电路路好似好似处于可控的整流工作状于可控的整流工作状态， p 角相当于整流角相当于整流器件的控制角，器件的控制角，这一状一状态称作第二工作区。称作

36、第二工作区。运动控制系统 转子整流电路的工作状态（续）转子整流电路的工作状态（续） （3）当）当 =30时，整流，整流电路中会出路中会出现4个器件同个器件同时导通，形成共阳极通，形成共阳极组和共阴极和共阴极组器件双器件双换流的流的重叠重叠现象，此后象，此后 p 保持保持为30，而，而 角角继续增大，增大，整流整流电路路处于第三种工作状于第三种工作状态，这是一种非正常是一种非正常的故障状的故障状态。运动控制系统 转子整流电流与 、p 间的函数关系 图图7-9 转子整流电路的转子整流电路的 = f ( Id )， p = f ( Id )Id1-2运动控制系统n 串级调速时转子整流电路的电流和电压

37、串级调速时转子整流电路的电流和电压 由于整流由于整流电路的不可控整流状路的不可控整流状态是可控整流是可控整流状状态当控制角当控制角为零零时的特殊情况，所以可以直接的特殊情况，所以可以直接引用可控整流引用可控整流电路的有关分析式来表示串路的有关分析式来表示串级调速速时转子整流子整流电路的路的电流和流和电压。(7-9)运动控制系统n 串级调速时转子整流电路的电压串级调速时转子整流电路的电压式中式中 RD=sRs +Rr为折算到折算到转子子侧的的电动机定子和机定子和转子每相等效子每相等效电阻。阻。(7-10)运动控制系统上两式中，上两式中，l当当 0 p 30， =60时表示表示转子整流子整流电路工

38、作路工作在第二工作区；在第二工作区；l当当 p = 0， = 0 60 时表示表示转子整流子整流电路工作在路工作在第一工作区。第一工作区。运动控制系统*7.3.3 异步电动机串级调速机械特性方程式异步电动机串级调速机械特性方程式 图710 串级调速系统a）主电路）主电路b）等效电路）等效电路 1. 电路电路结构结构运动控制系统2. 系统的稳态电路方程系统的稳态电路方程转子整流子整流电路的路的输出出电压为逆逆变器直流器直流侧电压电压平衡方程平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)运动控制系统以上三式中以上三式中RL直流平波直流平波电抗器的抗器的电阻；阻；XT 折算到二次折算到二次侧的逆的逆变

39、变压器每相等效漏抗，器每相等效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。RT 折算到二次折算到二次侧的逆的逆变变压器每相等效器每相等效电阻，阻，RT = RT 1 + RT 2 。 运动控制系统3. 转差率与转速方程转差率与转速方程 解式解式（711）式式（713），），可以得到用可以得到用转差率表示的方程式差率表示的方程式（7-14） 运动控制系统 转速特性方程转速特性方程 将将 s=(n0 n)/n0代入上式，得到串代入上式，得到串级调速速时的的转速特性速特性为(7-15) 如令如令 p = 0，则式（式（7-15）就表示系）就表示系统在第一在第一工作区的工作区的转速特性。速特性。运动控制

40、系统 分析式（分析式（7-15）可以看出，等号右）可以看出，等号右边分子中的分子中的第一第一项是是转子直流回路的直流子直流回路的直流电压 （7-16） 第二第二项相当于回路中的相当于回路中的总电阻阻压降，可降，可以写作以写作Id R ，而分母，而分母则是是转子整流器的子整流器的输出出电压。 运动控制系统 等效电动势系数公式等效电动势系数公式 如借用直流如借用直流电动机的概念和有关算式，引入机的概念和有关算式，引入电动势系数系数 CE ，使，使 （7-17） 运动控制系统 转速特性方程的直观形式转速特性方程的直观形式则式（式（7-15）可改写成）可改写成 （7-18） 其中，其中， 运动控制系统

41、注意：注意：在直流在直流调速系速系统中，中，电动势系数系数Ce是常数，但是常数，但在串在串级调速系速系统中，中，CE是是负载电流的函数，它是流的函数，它是使使转速特性成速特性成为非非线性的重要因素性的重要因素，故两个符号，故两个符号的下角不同，以示区的下角不同，以示区别。运动控制系统两种转速特性的比较两种转速特性的比较式（式（7-18）表明，异步）表明，异步电动机串机串级调速系速系统与直与直流它励流它励电动机的机的转速特性在形式上完全相同，改速特性在形式上完全相同，改变电压即可得到一族平行移即可得到一族平行移动的的调速特性。速特性。 在直流在直流调速系速系统中，中，须直接改直接改变电压U；而在

42、异；而在异步步电动机串机串级调速系速系统中，它是通中，它是通过改改变式（式（7-16）第二）第二项中的控制角中的控制角 来来实现的。的。运动控制系统两种转速特性的比较（续）两种转速特性的比较（续）在串在串级调速系速系统中中总电阻阻R 较大，系大，系统的的调速特速特性性较软；对于于 p 0 的第二工作区，的第二工作区，计及及 p的影响，的影响，在同一逆在同一逆变角角 下的下的电压更小，相当于也更小，相当于也发生生变化，化，因而因而调速特性更速特性更软。运动控制系统4. 电磁转矩方程电磁转矩方程 转差功率 可以从可以从转子整流子整流电路的功率路的功率传递关系入手，关系入手，暂且忽略且忽略转子子铜耗

43、，耗，则转子整流器的子整流器的输出功率就出功率就是是电动机的机的转差功率差功率 运动控制系统n 电磁转矩公式电磁转矩公式而而电磁功率磁功率Pm=Ps/s，因此，因此电磁磁转矩矩为（7-19） 0理想空理想空载机械角机械角转速速rad/s ；CM串串级调速系速系统的的转矩系数，矩系数， 式中式中 运动控制系统因因为，它也是它也是电流流Id 的函数。与式（的函数。与式（7-17）的）的电动势系数系数CE 相比可知，相比可知，CM和和CE对Id 的关系是一的关系是一样的。的。由于由于 0 =2 n0 /60，所以，所以 （7-20） 可可见，CM和和CE的关系与直流他励的关系与直流他励电动机中机中C

44、m 和和 Ce的关系完全一致。的关系完全一致。运动控制系统5. 串级调速的机械特性方程串级调速的机械特性方程 当串当串级调速系速系统在第一工作区运行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，可求出电磁磁转矩的矩的计算最大算最大值Te1m，经过适当的数学推适当的数学推导，得得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： 运动控制系统第一工作区的机械特性方程式 (7-21) s1m=s1m-s10 在在给定定 值下，从理想下，从理想空空载到到计算最大算最大转矩点的矩点的转差率增量；差率增量； s1=s-s10 在相在相应的的 值下

45、，由下，由负载引引起的起的转差率增量；差率增量；式中式中 运动控制系统s10 相相应 值下的理想空下的理想空载转差率；差率；s1m 对应于于计算最大算最大转矩矩Te1m的的临界界转差率：差率：(7-22)运动控制系统 Te1m 系系统在第一工作区的在第一工作区的“计算最大算最大转矩矩”。由于在异步由于在异步电动机串机串级调速速时，负载增大到增大到一定程度，必然会出一定程度，必然会出现转子整流器的子整流器的强迫延迫延迟换相相现象，也就是象，也就是说，系，系统必然会必然会进入第二工作区。入第二工作区。而而 Te1m 是在是在 p= 0 的条件下由式（的条件下由式（7-19）求得的，）求得的，它只表

46、示若系它只表示若系统能能继续保持第一工作状保持第一工作状态将会达将会达到的最大到的最大转矩。矩。 运动控制系统第二工作区的机械特性方程式 (7-23) s2m=s2m-s20 计及及强迫延迫延时换相，相，对应于某一于某一 p 值时的的转差率增量；差率增量； s2=s-s20 在在给定定 与与 p值下，由下，由负载引起的引起的转差率增量差率增量;式中式中运动控制系统 s20相相应 与与 p 值下的理想空下的理想空载转差率：差率：(7-24)而运动控制系统注意：注意：在用式（在用式（7-23）计算第二工作区的一段机算第二工作区的一段机械特性械特性时，等号左，等号左边分母中仍用分母中仍用Te1m ，

47、这是是为了了使第一、二工作区的机械特性使第一、二工作区的机械特性计算公式尽量一致，算公式尽量一致，不要不要误解解为第二工作区的最大第二工作区的最大转矩就是矩就是Te1m ，它，它具有另外一个最大具有另外一个最大转矩矩Te2m 。 运动控制系统n 几种最大转矩的关系和计算几种最大转矩的关系和计算 从异步从异步电动机的机的铭牌数据可牌数据可计算出算出额定定转矩矩TeN和正常运行和正常运行时的最大的最大转矩矩Tem 。对串串级调速系速系统来来说，有，有实用意用意义的是第一的是第一工作区的工作区的计算最大算最大转矩矩Te1m 和和第二工作区真正的第二工作区真正的最大最大转矩矩Te2m（可（可证明，明，

48、Te2m 对应于于 p=15）。）。还有第一、二工作区交界的有第一、二工作区交界的转矩矩值，称作交接称作交接转矩矩Te1-2。 运动控制系统按照上面的推按照上面的推导，可得，可得（7-25） （7-26） （7-27） 运动控制系统 式（式（7-26）说明，明，异步异步电动机串机串级调速速时所能所能产生的最大生的最大转矩比正常接矩比正常接线时减少了减少了17.3%，这在在选用用电机机时必必须注意。注意。另外，由式（另外，由式（7-27）可知，）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而异步，而异步电动机的机的转矩矩过载能力一般大于能力一般大于2，即即Tem 2TeN，所以，所以当当电动机在机在额定定负载下工作下工作时，还是是处于第一工作区。于第一工作区。 运动控制系统6. 异步电动机串级调速时的机械特性异步电动机串级调速时的机械特性 图7-11 异步电动机串级调速时的机械特性 s20运动控制系统作业作业课外作业： P:2417-17-27-7运动控制系统此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！运动控制系统