繞線轉子異步電動機雙饋調速系統(tǒng)電二演示文稿

繞線轉子異步電動機雙饋調速系統(tǒng)電二演示文稿當前第1頁\共有138頁\編于星期一\12點（優(yōu)選）繞線轉子異步電動機雙饋調速系統(tǒng)電二當前第2頁\共有138頁\編于星期一\12點異步電動機傳遞的電磁功率

轉差功率什么是轉差功率當前第3頁\共有138頁\編于星期一\12點

引言

轉差功率問題轉差功率始終是人們在研究異步電動機調速方法時所關心的問題，因為節(jié)約電能是異步電動機調速的主要目的之一，而如何處理轉差功率又在很大程度上影響著調速系統(tǒng)的效率。

交流調速系統(tǒng)按轉差功率的處理方式可分為三種類型。

當前第4頁\共有138頁\編于星期一\12點

交流調速系統(tǒng)按轉差功率的分類

（1）轉差功率消耗型——異步電機采用調壓控制等調速方式，轉速越低時，轉差功率的消耗越大，效率越低；但這類系統(tǒng)的結構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。（2）轉差功率不變型——變頻調速方法轉差功率很小，而且不隨轉速變化，效率較高；但在定子電路中須配備與電動機容量相當的變壓變頻器，相比之下，設備成本最高。當前第5頁\共有138頁\編于星期一\12點

交流調速系統(tǒng)按轉差功率的分類（續(xù)）

（3）轉差功率饋送型——控制繞線轉子異步電動機的轉子電壓，利用其轉差功率并達到調節(jié)轉速的目的，這種調節(jié)方式具有良好的調速性能和效率；但要增加一些設備。

本章將討論轉差功率饋送型調速方法。返回目錄當前第6頁\共有138頁\編于星期一\12點轉差功率的利用眾所周知，作為異步電動機，必然有轉差功率，要提高調速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉差功率外，還可以考慮如何去利用它。但要利用轉差功率，就必須使異步電動機的轉子繞組有與外界實現電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電動機難以勝任，只有繞線轉子電動機才能做到。7.1異步電機雙饋調速工作原理當前第7頁\共有138頁\編于星期一\12點繞線轉子異步電動機

PsP1

繞線轉子異步電動機結構如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉差功率可以分別向定子和轉子饋入，也可以從定子或轉子輸出，故稱作雙饋電機。當前第8頁\共有138頁\編于星期一\12點

雙饋調速的概念

所謂“雙饋”，就是指把繞線轉子異步電機的定子繞組與交流電網連接，轉子繞組與其他含電動勢的電路相連接，使它們可以進行電功率的相互傳遞。

至于電功率是饋入定子繞組和/或轉子繞組，還是由定子繞組和/或轉子繞組饋出，則要視電機的工況而定。

當前第9頁\共有138頁\編于星期一\12點

雙饋調速的基本結構功率變換單元電網K1M3

~K2TI返回當前第10頁\共有138頁\編于星期一\12點考慮到電動機轉子電動勢與轉子電流的頻率在不同轉速下有不同的數值()，其值與交流電網的頻率往往不一致，所以不能把電動機的轉子直接與交流電網相連，而必須通過一個中間環(huán)節(jié)。這個中間環(huán)節(jié)除了有功率傳遞作用外，還應具有對不同頻率的電功率進行變換的功能，故稱為功率變換單元（PowerConverterUnit，簡稱CU）。當前第11頁\共有138頁\編于星期一\12點

如上圖所示，在雙饋調速工作時，除了電機定子側與交流電網直接連接外，轉子側也要與交流電網或外接電動勢相連，從電路拓撲結構上看，可認為是在轉子繞組回路中附加一個交流電動勢。當前第12頁\共有138頁\編于星期一\12點7.1.1異步電機轉子附加電動勢的作用異步電機運行時其轉子相電動勢為

式中s—異步電動機的轉差率；

Er0—繞線轉子異步電動機在轉子不動時的相電動勢，或稱轉子開路電動勢，也就是轉子額定相電壓值。(7-1)當前第13頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子繞組內感應電動勢和電流的頻率為f2為轉差頻率用E2表示轉子不動時轉子繞組電動勢的有效值，當n=0,s=1，f2=sf1=f1當前第14頁\共有138頁\編于星期一\12點當前第15頁\共有138頁\編于星期一\12點轉子相電流的表達式為：式中Rr—

轉子繞組每相電阻；

Xr0

—

s=1時的轉子繞組每相漏抗。(7-2)當前第16頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子附加電動勢

圖7-1繞線轉子異步電動機轉子附加電動勢的原理圖~~~~附加電動勢與轉子電動勢有相同的頻率，可同相或反相串接。

引入可控的交流附加電動勢當前第17頁\共有138頁\編于星期一\12點有附加電動勢時的轉子相電流：如圖7-1所示，繞線轉子異步電動機在外接附加電動勢時，轉子回路的相電流表達式(7-3)當前第18頁\共有138頁\編于星期一\12點Er

與Eadd

同相使得：這里：

轉速上升；(7-3)當前第19頁\共有138頁\編于星期一\12點引入同相附加電動勢后，電動機轉子回路的合電動勢增加了，轉子電流和電磁轉矩也相應增大，由于負載轉矩未變，電動機必然加速，因而s減小，轉子電動勢隨之減小，轉子電流Ir也逐漸減小，直至轉差率減小到時，轉子電流又恢復到負載所需的值，電動機便進入新的較高轉速的穩(wěn)定狀態(tài)。當前第20頁\共有138頁\編于星期一\12點轉子附加電動勢的作用（續(xù)）2.Er

與Eadd反相同理可知，若串入反相的附加電動勢，則可使電動機的轉速降低。所以，在繞線轉子異步電動機的轉子側引入一個可控的附加電動勢，就可調節(jié)電動機的轉速。

當前第21頁\共有138頁\編于星期一\12點

異步電機的功率關系

忽略機械損耗和雜散損耗時，異步電機在任何工況下的功率關系都可寫作（7-4）

式中Pm

—從電機定子傳入轉子（或由轉子傳出給定子）的電磁功率，

sPm—輸入或輸出轉子電路的功率，即轉差功率，

(1-s)Pm—電機軸上輸出或輸入的功率。

當前第22頁\共有138頁\編于星期一\12點

由于轉子側串入附加電動勢極性和大小的不同，s和Pm

都可正可負，因而可以有五種不同的工作情況。7.1.2異步電機雙饋調速的五種工況

當前第23頁\共有138頁\編于星期一\12點1.電動機在次同步轉速下作電動運行異步電動機定子接交流電網，轉子短路，轉子軸上帶有反抗性的恒值額定負載（對應的轉子電流為），此時電動機在固有機械特性上以額定轉差率運行。若在轉子側每相加上反相附加電動勢，轉子電流將減小，從而使電動機減速，轉子電流回升，最終進入新的穩(wěn)態(tài)運行。

當前第24頁\共有138頁\編于星期一\12點此時，轉子回路的電勢平衡方程式為若繼續(xù)加大值，則值繼續(xù)增大，轉速還將降低，實現了對電動機的調速。當前第25頁\共有138頁\編于星期一\12點

功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a）次同步速電動狀態(tài)

~當前第26頁\共有138頁\編于星期一\12點由于電動機作電動運行，轉差率為0<s<1，從定子側輸入功率，軸上輸出機械功率，而轉差功率在扣除轉子損耗后由附加電勢吸收從轉子側饋送到電網。由于電動機在低于同步轉速下工作，故稱為次同步轉速的電動運行。

當前第27頁\共有138頁\編于星期一\12點2.電動機在反轉時作倒拉制動運行設異步電動機在轉子側已接入一定數值反相附加電勢

的情況下作電動運行，其軸上帶有位能性恒轉矩負載（這是進入倒拉制動運行的必要條件）。此時若逐漸增大值，且使，當前第28頁\共有138頁\編于星期一\12點可使，則電動機將反轉。這表明在附加電動勢與位能負載外力的作用下，可以使電動機進入倒拉制動運行狀態(tài)（在、n坐標系的第四象限）。

當前第29頁\共有138頁\編于星期一\12點運行工況：電機進入倒拉制動運行狀態(tài)，轉差率s

1，此時由電網輸入電機定子的功率和由負載輸入電機軸的功率兩部分合成轉差功率，并從轉子側饋送給電網。當前第30頁\共有138頁\編于星期一\12點

功率流程b）反轉倒拉制動狀態(tài)Te012s-n-n1PmCU當前第31頁\共有138頁\編于星期一\12點3.電動機在超同步轉速下作回饋制動運行進入這種運行狀態(tài)的必要條件有恒定機械外力作用在電動機軸上，方向與電動機轉速方向相同，并使電動機能在超過其同步轉速的情況下運行。當前第32頁\共有138頁\編于星期一\12點轉速超過其同步轉速，轉差率，轉子電動勢和轉子電流的相位都與電動運行時相反。如何理解？當前第33頁\共有138頁\編于星期一\12點因為旋轉磁場切割轉子導體的方向相反當前第34頁\共有138頁\編于星期一\12點若處于發(fā)電狀態(tài)運行的電動機轉子回路再串入一個與轉子電動勢同相的附加電動勢。（此時附加電動勢和轉子電動勢相位與原來電動狀態(tài)時相反）電動機將在比未串入時的轉速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。

當前第35頁\共有138頁\編于星期一\12點由于電動機處在發(fā)電狀態(tài)工作，由負載通過電動機軸輸入機械功率，經過機電能量變換分別從電動機定子側與轉子側饋送至電網。當前第36頁\共有138頁\編于星期一\12點

功率流程c）超同步速回饋制動狀態(tài)

-TePmCU當前第37頁\共有138頁\編于星期一\12點4.電動機在超同步轉速下作電動運行當電動機已在的情況下作電動運行，軸上拖動恒轉矩的額定負載，若轉子側串入了與同相的附加電動勢，則：從前面討論可知，只要不斷加大附加電動勢的幅值，就可提高電動機的轉速。

當前第38頁\共有138頁\編于星期一\12點4.電動機在超同步轉速下作電動運行當電動機的轉速到達或超過額定轉速時，如繼續(xù)加大，轉子電動勢必然反相變負，電動機將加速到的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即超同步電動運行狀態(tài)。必須指出，此時電動機轉速雖然超過了其同步轉速，但它仍拖動著負載作電動運轉。因此電動機軸上可以輸出比其銘牌所示額定功率還要高的功率。當前第39頁\共有138頁\編于星期一\12點電動機軸上輸出機械功率由定子側與轉子側兩部分輸入電功率合成，電動機處于定、轉子雙輸入狀態(tài)。當前第40頁\共有138頁\編于星期一\12點

功率流程d）超同步速電動狀態(tài)

PmTeCU當前第41頁\共有138頁\編于星期一\12點5．電動機在次同步轉速下作回饋制動運行

當電動機在低于同步轉速下作電動運行，其轉子側已加入與轉子電動勢反相的附加電動勢

若使大于，變?yōu)樨撝担妱訖C即可進入制動狀態(tài)，工作在范圍內的第二象限。當前第42頁\共有138頁\編于星期一\12點回饋電網的功率一部分由負載的機械功率轉換而成，另一部分則由轉子提供。電動機的功率關系為：此時轉子從電網獲取轉差功率，功率流程圖如圖7-2e所示。當前第43頁\共有138頁\編于星期一\12點

功率流程e）次同步速回饋制動狀態(tài)

Pm-TeCU當前第44頁\共有138頁\編于星期一\12點五種工況小結圖7-2異步電機在轉子附加電動勢時的工況及其功率流程

五種工況都是異步電機轉子加入附加電動勢時的運行狀態(tài)。在工況a,b,c中，轉子側都輸出功率，可把轉子的交流電功率先變換成直流，然后再變換成與電網具有相同電壓與頻率的交流電功率。當前第45頁\共有138頁\編于星期一\12點a）轉子輸出功率的工況TICU2CU1sEr0~M3~圖7-3a異步電機轉子側連接的功率變換單元當前第46頁\共有138頁\編于星期一\12點對于工況4和5，電動機轉子要從電網吸收功率，必須用一臺變頻器與轉子相連，其結構如圖7-3b，CU2工作在可控整流狀態(tài)，CU1工作在逆變狀態(tài)。當前第47頁\共有138頁\編于星期一\12點b）轉子輸入功率的工況

當前第48頁\共有138頁\編于星期一\12點7.2異步電機在次同步電動狀態(tài)下的

雙饋系統(tǒng)——串級調速系統(tǒng)

本章摘要串級調速系統(tǒng)的工作原理

串級調速系統(tǒng)的其它類型

當前第49頁\共有138頁\編于星期一\12點基本思路

如前所述，在異步電機轉子回路中附加交流電動勢調速的關鍵就是在轉子側串入一個可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？7.2.1串級調速系統(tǒng)的工作原理

當前第50頁\共有138頁\編于星期一\12點對于轉子側輸出轉差功率的情況來說，比較方便的辦法是，將異步電動機的轉子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的直流電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調節(jié)異步電動機的轉速。這樣，就把交流變壓變頻這一復雜問題，轉化為與頻率無關的直流變壓問題。

當前第51頁\共有138頁\編于星期一\12點首先，它應該是可平滑調節(jié)的，以滿足對電動機轉速平滑調節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的角度看，希望產生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉子側傳遞來的轉差功率并加以利用。對直流附加電動勢的技術要求：當前第52頁\共有138頁\編于星期一\12點

系統(tǒng)方案

根據以上兩點要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產生附加直流電動勢的電源，這就形成了圖7-3a中所示的功率變換單元CU2。

當前第53頁\共有138頁\編于星期一\12點TICU2CU1sEr0~M3~當前第54頁\共有138頁\編于星期一\12點按照上述原理組成的異步電機在低于同步轉速下作電動狀態(tài)運行的雙饋調速系統(tǒng)如圖7-4所示，習慣上稱之為電氣串級調速系統(tǒng)。

當前第55頁\共有138頁\編于星期一\12點圖7-4電氣串級調速系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)組成當前第56頁\共有138頁\編于星期一\12點

功率變換單元UR—三相不可控整流裝置，將異步電機轉子相電動勢sEr0

整流為直流電壓Ud

。UI—三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：可提供可調的直流電壓Ui

，作為電機調速所需的附加直流電動勢；可將轉差功率變換成交流功率，回饋到交流電網。當前第57頁\共有138頁\編于星期一\12點串級調速系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時，必有>。

由圖7-4可以寫出整流后的直流回路電壓平衡方程式：

或 (7-5)

式中，、——UR與UI的電壓整流系數，如兩者都是三相橋式電路，則 ；

當前第58頁\共有138頁\編于星期一\12點

工作原理（1）起動起動條件：

對串級調速系統(tǒng)而言，起動應有足夠大的轉子電流Ir

或足夠大的整流后直流電流Id

，為此，轉子整流電壓Ud

與逆變電壓Ui

間應有較大的差值。當前第59頁\共有138頁\編于星期一\12點

起動控制控制逆變角，使在起動開始的瞬間，Ud與Ui

的差值能產生足夠大的Id

，以滿足所需的電磁轉矩，但又不超過允許的電流值，這樣電動機就可在一定的動態(tài)轉矩下加速起動。隨著轉速的增高，相應地增大角以減小值Ui

，從而維持加速過程中動態(tài)轉矩基本恒定。當前第60頁\共有138頁\編于星期一\12點工作原理（續(xù)）（2）調速調速原理：通過改變角的大小調節(jié)電動機的轉速。調速過程：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId當前第61頁\共有138頁\編于星期一\12點工作原理（續(xù)）（3）停車串級調速系統(tǒng)沒有制動停車功能。只能靠減小角逐漸減速，并依靠負載阻轉矩的作用自由停車。當前第62頁\共有138頁\編于星期一\12點結論串級調速系統(tǒng)能夠靠調節(jié)逆變角實現平滑無級調速串級系統(tǒng)能把異步電動機的轉差功率回饋給交流電網，從而使扣除裝置損耗后的轉差功率得到有效利用，大大提高了調速系統(tǒng)的效率。返回目錄當前第63頁\共有138頁\編于星期一\12點串級調速系統(tǒng)的其它類型

當前第64頁\共有138頁\編于星期一\12點在繞線型異步電動機同軸上裝有一臺直流電動機，異步電動機的轉差功率經整流后傳給直流電動機，后者把這部分電功率變換為機械功率，再幫助異步電動機拖動負載，從而使轉差功率得到利用。當前第65頁\共有138頁\編于星期一\12點機械串級調速系統(tǒng)在圖7-5中，直流電動機的電動勢就相當于直流附加電動勢，通過調節(jié)直流電動機的勵磁電流可以改變其電動勢，從而調節(jié)交流電動機的轉速。增大可使電動機減速，反之則可使電動機加速。當前第66頁\共有138頁\編于星期一\12點從功率傳遞的角度看，如果忽略調速系統(tǒng)中所有的電氣與機械損耗，認為異步電動機的轉差功率全部為直流電動機所接受，并以機械功率的形式從軸上輸出給負載。則負載軸上所得到的機械功率應是異步電動機與直流電動機兩者軸上輸出功率之和，并恒等于電動機定子輸入功率，而與電動機運行的轉速無關。當前第67頁\共有138頁\編于星期一\12點恒功率調速所以這類機械串級調速系統(tǒng)屬于恒功率調速，其特點是系統(tǒng)在低速時能夠產生較大的轉矩輸出，因而適用于一些需要低速大轉矩傳動的場合，如螺紋鋼線材軋機。而前述的電氣串級調速系統(tǒng)則為恒轉矩調速，因為其輸出的機械功率與電動機的轉速成正比。當前第68頁\共有138頁\編于星期一\12點*7.3異步電動機串級調速時的機械特性本節(jié)提要概述異步電動機串級調速機械特性的特征異步電動機串級調速時的轉子整流電路異步電動機串級調速機械特性方程式當前第69頁\共有138頁\編于星期一\12點*7.3.1異步電動機串級調速機械特性的特征1.理想空載轉速在異步電動機轉子回路串電阻調速時，其理想空載轉速就是其同步轉速，而且恒定不變，調速時機械特性變軟，調速性能差。當前第70頁\共有138頁\編于星期一\12點轉子電路內串聯(lián)對稱電阻時的人為機械特性當前第71頁\共有138頁\編于星期一\12點在串級調速系統(tǒng)中，電動機的極對數與旋轉磁場轉速都不變，同步轉速也是恒定的，但是它的理想空載轉速卻能夠連續(xù)平滑地調節(jié)。當前第72頁\共有138頁\編于星期一\12點

當系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運行時（Id=0），轉子直流回路的電壓平衡方程式變成

其中，s0—異步電動機在串級調速時對應于某一角的理想空載轉差率，并取K1=K2，則

(7-6)(7-5)當前第73頁\共有138頁\編于星期一\12點

理想空載轉速方程由此可得相應的理想空載轉速n0為：

(7-7)式中n1—異步電動機的同步轉速。當前第74頁\共有138頁\編于星期一\12點

特性分析從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級調速時，理想空載轉速與同步轉速是不同的。當改變逆變角時，理想空載轉差率和理想空載轉速都相應改變。由式（7-5）還可看出，在不同的角下，異步電動機串級調速時的機械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動機變壓調速的機械特性。當前第75頁\共有138頁\編于星期一\12點2．機械特性的斜率與最大轉矩

串級調速時，轉子回路中接入了串級調速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實際上相當于在電動機轉子回路中接入了一定數量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉速下都存在。由于轉子回路電阻的影響，異步電動機串級調速時的機械特性比其固有特性要軟得多。當前第76頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子回路電阻的影響當電機在最高速的特性上（

=90°）帶額定負載，也難以達到其額定轉速。整流電路換相重疊角將加大，并產生強迫延遲導通現象，使串級調速時的最大電磁轉矩比電動機在正常接線時的最大轉矩有明顯的降低。

這樣，串級調速時的機械特性便如圖7-7所示。

當前第77頁\共有138頁\編于星期一\12點

串級調速時的機械特性圖圖7-6異步電動機串級調速時的機械特性a)大電機b)小電機當前第78頁\共有138頁\編于星期一\12點

從圖7-5中可以看出，異步電動機相當于轉子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側，則轉子繞組相當于二次側，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術中分析整流電路的一些結論來研究串級調速時的轉子整流電路。但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：*7.3.2異步電動機串級調速時的轉子整流電路當前第79頁\共有138頁\編于星期一\12點（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動機轉子繞組感應電動勢的幅值與頻率都是變化的，隨電機轉速的改變而變化；（2）異步電動機折算到轉子側的漏抗值也與轉子頻率或轉差率有關；（3）由于異步電動機折算到轉子側的漏抗值較大，所以出現的換相重疊現象比一般整流電路嚴重，從而在負載較大時會引起整流器件的強迫延遲換相現象。

整流電路的不同點當前第80頁\共有138頁\編于星期一\12點轉子轉動時的漏電抗X2s，等于轉子不動時的漏電抗X2與轉差率s的乘積轉子轉動時的感應電動勢E2s，等于轉子不動時的感應電動勢E2與轉差率s的乘積。如果轉子轉動，有效值E2s為當前第81頁\共有138頁\編于星期一\12點1.轉子整流電路圖7-8轉子整流電路

當前第82頁\共有138頁\編于星期一\12點2.電路分析假設條件：（1）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（2）轉子直流回路中平波電抗器的電感為無窮大，直流電流波形平直；（3）忽略電動機勵磁阻抗的影響。當前第83頁\共有138頁\編于星期一\12點

換相重疊現象

設電動機在某一轉差率下穩(wěn)定運行，轉子三相的感應電動勢為era、erb、erc。當各整流器件依次導通時，必有器件間的換相過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產生換相重疊壓降，如下圖所示。當前第84頁\共有138頁\編于星期一\12點

換相重疊波形換相重疊壓降換相重疊角當前第85頁\共有138頁\編于星期一\12點

根據《電力電子技術》中介紹的理論，換相重疊角為

換相重疊角（7-8）

其中XD0—

s=1時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。當前第86頁\共有138頁\編于星期一\12點3.3變壓器漏感對整流電路的影響

電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路①②

注：①單相全控橋電路中，XB在一周期的兩次換相中都起作用，等效為m=4；②三相橋等效為相電壓等于的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入。表3-2各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計算

當前第87頁\共有138頁\編于星期一\12點

由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流電流Id的增大而增加。當Id較小，在0°~60°之間時，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。（7-8）

當前第88頁\共有138頁\編于星期一\12點當電流Id增大到按式（7-8）計算出來的角大于60°時，器件在自然換相點處未能結束換流，從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現了強迫延遲換相現象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角p

。由此可見，串級調速時的異步電動機轉子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。當前第89頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子整流電路的工作狀態(tài)

（1）第一種工作狀態(tài)的特征是

0≤

≤60°，p

=0

此時，轉子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是=

60°，0<p

<30°

這時，由于強迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)，p角相當于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。當前第90頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子整流電路的工作狀態(tài)（續(xù)）

（3）當=30°時，整流電路中會出現4個器件同時導通，形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現象，此后p保持為30°，而角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。當前第91頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子整流電流與

、p間的函數關系

圖7-8轉子整流電路的

=f(Id)，p

=f(Id)當前第92頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子整流電路的電流和電壓

可以直接引用可控整流電路的有關分析式，表達轉子整流電路的電流和電壓。(7-9)

上式中當p=0，

=0~60°時表示轉子整流電路工作在第一工作區(qū)。當0<p<30°，

=60°時表示轉子整流電路工作在第二工作區(qū)，此時可進一步表示為當前第93頁\共有138頁\編于星期一\12點

串級調速時轉子整流電路的電壓式中RD=sRs+Rr為折算到轉子側的電動機定子和轉子每相等效電阻，包括線路電阻和器件導通壓降。

(7-10)當前第94頁\共有138頁\編于星期一\12點*7.3.3異步電動機串級調速機械特性方程式

圖7－9a)串級調速系統(tǒng)主電路

1.

電路結構當前第95頁\共有138頁\編于星期一\12點2.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程轉子整流電路的輸出電壓為逆變器直流側電壓電壓平衡方程(7-11)(7-12)(7-13)當前第96頁\共有138頁\編于星期一\12點以上三式中

RL——直流平波電抗器的電阻；

XT

——折算到二次側的逆變變壓器每相等效漏抗，XT=XT

1'+XT

2。

RT——折算到二次側的逆變變壓器每相等效電阻，RT

=RT

1'+RT

2

。

當前第97頁\共有138頁\編于星期一\12點

圖7－9b)串級調速系統(tǒng)等效電路(7-11)(7-12)(7-13)當前第98頁\共有138頁\編于星期一\12點3.轉差率與轉速方程

解式（7－11）~式（7－13），可以得到用轉差率表示的方程式（7-14）

當前第99頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉速特性方程

將s=(n0–n)/n0代入上式，得到串級調速時的轉速特性為(7-15)

如令p=0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉速特性。當前第100頁\共有138頁\編于星期一\12點

等號右邊分子中的第一項是轉子直流回路的直流電壓（7-16）

引入電動勢系數CE，使其中，（7-17）

（7-18）

當前第101頁\共有138頁\編于星期一\12點注意：在直流調速系統(tǒng)中，電動勢系數Ce是常數，但在串級調速系統(tǒng)中，CE是負載電流的函數，它是使轉速特性成為非線性的重要因素，故兩個符號的下角不同，以示區(qū)別。當前第102頁\共有138頁\編于星期一\12點兩種轉速特性的比較式（7-18）表明，異步電動機串級調速系統(tǒng)與直流它勵電動機的轉速特性在形式上完全相同，改變電壓即可得到一族平行移動的調速特性。在直流調速系統(tǒng)中，須直接改變電壓U；而在異步電動機串級調速系統(tǒng)中，它是通過改變式（7-16）第二項中的控制角來實現的。（7-18）

（7-16）

當前第103頁\共有138頁\編于星期一\12點兩種轉速特性的比較（續(xù)）在串級調速系統(tǒng)中總電阻R較大，系統(tǒng)的調速特性較軟；對于p0的第二工作區(qū)，計及p的影響，在同一逆變角下的電壓更小，相當于也發(fā)生變化，因而調速特性更軟。（7-16）

當前第104頁\共有138頁\編于星期一\12點4.電磁轉矩方程

轉差功率可以從轉子整流電路的功率傳遞關系入手，暫且忽略轉子銅耗，則轉子整流器的輸出功率就是電動機的轉差功率當前第105頁\共有138頁\編于星期一\12點

電磁轉矩公式而電磁功率Pm=Ps/s，因此電磁轉矩為（7-19）

0——

理想空載機械角轉速rad/s

；CM——

串級調速系統(tǒng)的轉矩系數，

式中

當前第106頁\共有138頁\編于星期一\12點因為，它也是電流Id的函數。（7-20）可見，CM和CE的關系與直流他勵電動機中Cm和Ce的關系完全一致。由于0=2n0/60，所以

（7-17）

當前第107頁\共有138頁\編于星期一\12點5.串級調速的機械特性方程

當串級調速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運行時，p=0，代入式（7-19），再令dTe/dt=0，可求出電磁轉矩的計算最大值Te1m，經過數學推導得第一工作區(qū)的機械特性方程式：

（7-19）

(7-21)當前第108頁\共有138頁\編于星期一\12點第一工作區(qū)的機械特性方程式

(7-21)s1m

=s1m-s10——在給定值下，從理想空載到計算最大轉矩點的轉差率增量；s1

=s-s10——在相應的值下，由負載引起的轉差率增量式中

s10——相應值下的理想空載轉差率；s1m——對應于計算最大轉矩Te1m的臨界轉差率：(7-22)Te1m——系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計算最大轉矩”。當前第109頁\共有138頁\編于星期一\12點

由于在異步電動機串級調速時，負載增大到一定程度，必然會出現轉子整流器的強迫延遲換相現象，也就是說，系統(tǒng)必然會進入第二工作區(qū)。而Te1m是在p=0的條件下由式（7-19）求得的，它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會達到的最大轉矩。當系統(tǒng)進入第二工作區(qū)后，Te1m實際是不存在的，故稱之為“第一工作區(qū)的計算最大轉矩”。當前第110頁\共有138頁\編于星期一\12點第二工作區(qū)的機械特性方程式

(7-23)s2m

=s2m-s20——計及強迫延時換相，對應于某一p值時的轉差率增量；s2

=s-s20——在給定與p值下，由負載引起的轉差率增量;式中當前第111頁\共有138頁\編于星期一\12點

s20——相應與p

值下的理想空載轉差率：(7-24)而S2m并不表示在第二工作區(qū)對應實際最大轉矩的轉差率，只是數學推導過程中的一個量而已，目的是讓兩個工作區(qū)的表達式形式一致，便于工程計算。

當前第112頁\共有138頁\編于星期一\12點注意：

在用式（7-23）計算第二工作區(qū)的一段機械特性時，等號左邊分母中仍用Te1m，這是為了使第一、二工作區(qū)的機械特性計算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉矩就是Te1m，它具有另外一個最大轉矩Te2m。

(7-23)當前第113頁\共有138頁\編于星期一\12點

幾種最大轉矩的關系和計算

從異步電動機的銘牌數據可計算出額定轉矩TeN和正常運行時的最大轉矩Tem

。對串級調速系統(tǒng)來說，有實用意義的是第一工作區(qū)的計算最大轉矩Te1m和第二工作區(qū)真正的最大轉矩Te2m

（可證明，Te2m對應于p=15°）。還有第一、二工作區(qū)交界的轉矩值，稱作交接轉矩Te1-2

。當前第114頁\共有138頁\編于星期一\12點可得[41]（7-25）

（7-26）

（7-27）

當前第115頁\共有138頁\編于星期一\12點

式（7-26）說明，異步電動機串級調速時所能產生的最大轉矩比正常接線時減少了17.3%，這在選用電機時必須注意。

當前第116頁\共有138頁\編于星期一\12點6.異步電動機串級調速時的機械特性

圖7-11異步電動機串級調速時的機械特性返回目錄s20當前第117頁\共有138頁\編于星期一\12點*7.4串級調速系統(tǒng)的技術經濟指標

串級調速系統(tǒng)的效率串級調速系統(tǒng)的功率因數串級調速裝置的電壓和容量當前第118頁\共有138頁\編于星期一\12點在串級調速時（圖7-12a），Ps未被全部消耗掉，而是扣除了轉子銅損PCur、雜散損耗Ps

和附加的串級調速裝置損耗Ptan后通過轉子整流器與逆變器返回電網，這部分返回電網的功率稱作回饋功率Pf

。對整個串級調速系統(tǒng)來說，它從電網吸收的凈有功功率應為Pin=P1–Pf

。*7.4.1

串級調速系統(tǒng)的效率當前第119頁\共有138頁\編于星期一\12點圖7-12串級調速系統(tǒng)效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞b)系統(tǒng)的功率流程圖

串級調速系統(tǒng)功率流程

當前第120頁\共有138頁\編于星期一\12點

串級調速系統(tǒng)效率及比較串級調速系統(tǒng)的總效率

(7-28)式中∑p

是異步電動機定子和轉子內的總損耗；

ptan附加的串級調速傳動裝置損耗

。當前第121頁\共有138頁\編于星期一\12點

在串級調速系統(tǒng)中，當電動機的轉速降低時，如果負載轉矩不變，∑p和ptan都基本不變，式（7-28）分子和分母中的項隨著s的增大而同時減少，對值的影響并不太大。

(7-28)當前第122頁\共有138頁\編于星期一\12點

轉子回路串電阻調速的效率

當電動機轉子回路串電阻調速時，調速系統(tǒng)的效率是其中，Pm(1-s)

項隨s的變化和串級調速時一樣，而所串電阻越大時，pCus越大，∑p也越大，因而效率R越低，幾乎是隨著轉速的降低而成比例地減少。

當前第123頁\共有138頁\編于星期一\12點

效率的比較串級調速系統(tǒng)的總效率是比較高的，且當電動機轉速降低時，sch

的減少并不多。而繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速時的效率幾乎隨轉速的降低而成比例地減少。圖7-13電氣串級調速系統(tǒng)與轉子串電阻調速系統(tǒng)=f(s)的比較當前第124頁\共有138頁\編于星期一\12點*7.4.2串級調速系