1、1 第7章 三相异步电动机 的电力拖动（2） 第7章 三相异步电动机 的电力拖动（2） 电气工程教研室2 7.2 三相异步电动机的调速 三相异步电动机的转子转速可由下式给出： ) 1 ( 60 1 s p f n (7-9) 由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种： 变极调速，即改变极对数p ； 变频调速，即改变定子频率f 1 ； 改变转差率调速，即改变转差率s； 其中，改变转差率的调速方法涉及： 改变定子电压的调压调速； 绕线式异步电动机的转子串电阻调速； 电磁离合器调速； 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。 1 1 n n n s p f n 1 1 60 3 A、变极调
2、速 概念: 变极调速是一种通过改变定子绕组极对 数来实现转子转速调节的调速 方式。在一定电源频率下，由于同步 速与极对数成反比，因此，改变定子 绕组极对数便可以改变转子转速。 图7.11 三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图 图7.11a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的 接线图。其中， 代表A相的半相绕组， 代表A相的另 一半相绕组。 1 1 x a 2 2 x a a 1 x 1 a 2 x 2 N S N S a 1 x 1 a 2 x 2 N S N、S抵消 顺向串联 反向串联 反向并联4 结论: 只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。 为了确保定子、转子
3、绕组极对数的同时改变以产生有效的电 磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。 特别注意: 对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变， 变极的同时必须改变三相绕组的相序。 这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致。 下面就两种典型的变极接线方法及其变极前后的调速性质与机 械特性介绍如下: 转子空间机械角度 电角度 p 转子空间5 图7.12 三相异步电动机Y/YY 接变极 调速的接线 见P268 x1 a1 a1 a2 x2 x1 x2 a2 X a1 x2 x1 a2 顺向串联 反向串联 反向并联 a 、Y/YY 接变极调速6 图7.12 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的
4、接线 假定变极调速前后定子的功率因数 、效率 均不变，为了确保电动机得到充分 利用，每半相绕组中的电流应均为额定值 ，于是变极前后电动机的输出功率和输出转 矩分别满足下列关系： 1 cos N I 1 2 1 cos ) 2 ( 3 cos 3 1 1 1 1 N N N N YY Y I U I U P P (7-10) 1 ) 2 9550 /( ) 9550 ( 1 1 n P n P T T YY Y YY Y (7-11) 结论：Y/YY接变极调速 属于恒转矩调速方式。 1 2 60 n P P T x1 a1 a1 a2 x2 x1 x2 a2 X a1 x2 x1 a2 p f
5、n 1 1 60 7 图7.13定性给出了Y/YY接变极调速的机械特性。 图7.13 Y/YY接变极调速的机械特性 ) ( 2 2 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1 max x x r r U f p m T Ye 2 11 max 22 1 1112 (/ 2 ) 2 2 / 4 ( / 4) ( ) / 4) YYe mp U T f rrxx 串联时 2 / 2 / 1 1 1 r r r 并联时 2 / ) 2 / ( ) 2 / /( ) 2 / ( 1 1 1 r r r 1 3U U N max max 2 Ye YYe T T 线电压 相电压 由于属于恒转矩调速方式，故多
6、用于起重机、传送带等负载。 12 11 2 2 112 mmm nr nnnn s rxx 2 2 1 2 1 2 ) ( x x r r s m 8 b 、/YY 接变极调速 改接后，每相的两 个半相绕组也是反 接并联的。极对数 减少一半。 图7.14 三相异步电动机 /YY 接变极调速的接线 假定变极调速前后电机的功率因数 、效率 均不变，并设每半相绕组中的电 流均为额定值 ，则 /YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系： 1 cos N I 1 866 . 0 2 3 cos ) 2 ( 3 cos ) 3 ( 3 1 1 1 1 N N N N YY I U I U P
7、 P 3 ) 2 9550 /( ) 9550 ( 1 1 n P n P T T YY YY （7-12） （7-13） Y形接法时，线电 流等于相电流 线值 相值9 结论： /YY接变极调速属于近似恒功率调速方式 （升速时转矩略减）。 图7.15 /YY接变极调速的机械特性 ) ( 2 2 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1 max x x r r U f p m T e 2 1 max 22 1 1112 (/3 ) (/ 2 ) 2 2 / 4 ( / 4) ( ) / 4) N YYe U mp T f rrxx 1 U U N Y形接法时，相电 压是线电压的根 号3分之一 ma
8、x max 3 2 e YYe T T 线电压 相电压 由于属于近似恒功率调速方式，故多用于机床类负载的 粗加工和精加工等。10 变极调速的优点： 稳定性好，初期投资不大，采用不同联结方式 可获得恒转矩或恒功率调速特性，以满足不同 生产机械的要求。 变极调速的缺点： 平滑性差、只能分级调速，多速电动机的体积 比同容量的普通鼠笼型电动机大。11 B、变频调速 对变频调速的要求： （1）主磁通 ，以防止定子铁心过饱和； （2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩 ）尽可能保持不变。 N m max e T a 、基频以下的变频调速 由 可知，要想确保主磁通 不变，可满足 亦即变频的同时必须调压，实现定
9、子电压和频率的协调控制。 考虑到： 因而，此时电机的过载能力保持不变。 m w k N f E U 1 1 1 1 1 44 . 4 m const f U f U N N 1 1 1 1 2 1 1 2 1 2 1 1 1 max ) ( ) ( 2 1 2 f U x x U f p m T e 下面对两种情况下变频调速时的机械特性进行讨论： ) ( 1 1 1 1 1 jx r I E U ) 1 ( 60 60 1 1 1 s p f n p f n ) ( 2 2 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1 max x x r r U f p m T e 2 1 2 2 L f x 11
10、 1 2 xf L 12 （1）保持 =常数的机械特性 (与U1/f1=c比较，更为精确) 1 1 / f E 根据三相异步电动机的T型等效电路，可以获得用感应电势 表示的电磁转矩的表达式 为：（机械特性参数表达式过去是在型等效电路下推导出的） 1 E ) ( ) ( ) ( 2 2 ) ( 2 2 2 2 2 1 2 1 1 1 1 2 2 2 1 1 x s r s r f f E p m f s r I p m P T em em （7-14） 利用 可以获得临界转差率 和最大转矩 分别为： 0 s T em m s max e T 22 21 2 2 m rr s xf L 2 2 1
11、 1 1 max 4 1 ) ( 2 L f E p m T e （7-15） （7-16） 上式表明： 若采用 =常数控制，则最大转矩 保持不变。 1 1 / f E max e T 2 122 2 () r EEI j x s 13 m m m n n L p r p f s n n 1 2 2 1 1 2 60 60 ) 1 ( 1 1 n n n s m m 对应于最大转矩 处的转速为： max e T 临界转速降： 2 2 60 2 m r n pL 保持不变，即 保持不变 1 m nn 图7.16 三相异步电动 机变频调速时的机械特 性( =常数) 1 1 / f E 结论: 最大
12、转矩 处的转速降 与频率无关。亦即:在变频调速 过程中，若保持 =常数，则机械特性的硬度保持不变。即 不同频率下的机械特性是平行的。 max e T m n 1 1 / f E14 保持 =常数可以实现严格意义上 的不变和最大转矩 不变。但考 虑到定子电势 难以直接测量，实际调速系统多采用 =常数代替 = 常数实现变频调速。 （2）保持 =常数的机械特性 1 1 / f U 1 1 / f E m max e T 1 E 1 1 / f U 1 1 / f E 现分析保持 =常数时三相异步电动机的机械特性。 1 1 / f U 将式（6-121简化形电路图）稍加变形可得： m w k N f
13、E U 1 1 1 1 1 44 . 4 ) ( ) ( ) ( 2 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 1 1 x x s r r s r f f U p m T em (7-18) 式（6-125）稍加变形得最大电磁转矩为： ) ( ) ( 4 2 2 1 2 1 1 1 2 1 1 1 max x x r r f f U p m T e (7-19) p f n 1 1 60 2 2 1 2 1 2 ) ( x x r r s m 2 2 1112 1 1 22 22 max 112 112 (1 ) m e rrxx ns r KK T rxx rxx 15 根据式（7-18）绘出
14、保持 =常数时变频调速的典型机械特性如图7.17所示 （实线部分）。为便于比较，图7.17还同时绘出了 常数时的机械特性， 即保持 =常数时变频调速的机械特性，如图7.17中的虚线所示。 1 1 / f U max e T 图7.17 三相异步电动机变频调速时的 机械特性( =常数) 1 1 / f U 由图7.17可见，保持 =常数，当 减小时，最大电磁转矩 将有所降低。 1 1 / f U 1 f max e T 若忽略定子绕组电阻即 令 ，则式（7-19）变为： 0 1 r 常数 ) ( 2 1 ) ( 4 2 1 2 1 1 1 max L L f U p m T e 1 1 / f
15、E 由上式可见， 的降低是由定子绕组电阻 的影响所致。尤其 是当 低到使得 可以与 相比较时， 下降严重。 max e T 1 r 1 f 1 r ) ( 2 1 x x max e T16 解决措施： 可以对 的线性关系加以修正，提高低频时的 ，以补 偿低频时定子绕组电阻压降的影响（见图7.18） 。 1 1 / f U 1 1 / f U 图7.18 具有低频补偿的 协调关系 1 1 / f U ) ( ) ( 4 2 2 1 2 1 1 1 2 1 1 1 max x x r r f f U p m T e 低频段调速，降低f1 时，少降一点U1 低频低压时异步电动机出现的这种情况，是由
16、r 1 产生的电压降相 对影响较大，气隙磁通无法保持恒值造成的。这导致低频低压 下电动机的起动转矩变小了，甚至不能带正常的负载起动。如 不对U 1 和f 1 的关系加以修正，这种调速方法只适用于调速范围不 大、或转矩随转速下降而减小的负载(如通风机类负载)。17 调速性质的分析： 假定变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，为了充分利用电动 机，每相绕组中的电流应保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功 率和输出转矩分别满足下列关系： 1 cos N I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 ) ( cos f f U U I U m P N N （7-20） 1 1 2 2 9
17、550 f U n P T （7-21） 结论： 由于基频以下的调速过程中保持 =常数，基频以下的变频调 速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速）（见 图7.19中实线部分）。 1 1 / f U 图7.19 三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系 em em T P U 1 /f 1 =常数 基频 p f p f n 1 1 1 1 2 60 60 2 60 2 ) 1 ( 60 1 s p f n 18 b 、基频以上的变频调速 当定子频率超过基频时，受电机绕组绝缘耐压的限制，定子电压 无法进一 步提高，只能保持 。 1 U N U U 1 此时，三
18、相异步电动机变频调速时的机械特性仍由式（6-121）得出： ) ( ) ( ) ( 2 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 1 x x s r r s r f f U p m T N em （7-22） 最大电磁转矩由式（6-125）给出： 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 1 2 1 max 1 ) ( 8 ) ( 4 ) ( 4 f L L f pU m x x f pU m x x r r f pU m T N N N e （7-23） 临界转差率由式（6-124）给出： 1111 ffff 思考： 讨论基频以上调速时，为何可以考虑忽 略
19、r1，而基频以下为何不忽略？19 1 2 1 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 ) ( 2 ) ( f L L f r x x r x x r r s m （7-24） 由上式得对应于最大转矩 时的转速为： max e T m m m n n L L p r p f s n n 1 2 1 2 1 1 ) ( 2 60 60 ) 1 ( （7-25） 结论： 最大转矩 处的转速降 与频率无关。（但随着频率增大， 机械特性的硬度变软） m n max e T 图7.20 三相异步电动机基频以上变频 调速时的机械特性( ) N U U 1 0 s 1111 ffff 2 1 2 1
20、2 1 2 2 1 max 1 ) ( 8 f L L f pU m T N e n m T L m n 20 调速性质的分析： 假定基频以上变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，每相绕 组中的电流仍保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出 转矩分别满足下列关系： 1 cos N I 1 1 1 1 1 1 2 cos U I U m P N N （7-20） 1 1 2 2 9550 f U n P T （7-21） 结论： 由于基频以上的调速过程中 保持 ，基频以上的变频调速属 于恒功率调速，其输出转矩反比于定 子绕组的供电频率（或转速） N U U 1 1 1 1
21、60 2 2 n p f f 1 f 1N U 1 =U 1N =常数21 一般结论： 变频调速性能好，可与直流电机媲美 基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功 率调速； 变频调速过程中，调速范围宽，基频以 下，异步电动机机械特性的硬度保持不 变，基频以上，硬度随频率增大而变软； 频率连续可调，可以实现无级调速。22 C、改变转差率的调速 对于改变转差实现调速的方案，其效率可由下式给出： s P P s P P P P em em em mec 1 ) 1 ( 1 2 （7-26） 上式表明，转子转速越低（s越大），效率越低。因此，一般来说，改变转 差率的调速方案的经济性较差（双馈调速与串级调速
22、除外）。 给电机轴 的机械功率： em cu em mec P s r s s I m r s r I m p P P ) 1 ( 1 ) 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 （ s r I m P em 2 2 2 1 em cu sP p 2 突出转子 铜耗因素23 目前常用的改变转差率的调速方法包括： a、改变定子电压的调压调速； b、绕线式异步电动机的转子串电阻调 速； c、电磁离合器调速； d、绕线式异步电动机的双馈调速与串级 调速。24 a 、改变定子电压调速 曲线1：恒转矩 曲线2：风机类 ) ( ) ( 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 1 x x s r r s
23、 r U f p m T em ) ( 2 2 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1 max x x r r U f p m T e 2 2 1 2 1 2 ) ( x x r r s m 由图a可见，对风机、 泵类负载，其调速范围 较宽，故调压调速特别 适用于风机、泵类负载。 对恒转矩负载，调压调 速的范围较小。 对于高转差率（大转速 降）电机（大的转子电 阻如双鼠笼式或深槽式 鼠笼异步电机），如图 b所示，则可得到较宽 的调速范围，但特性太 软，相对稳定性和低速 过载差，仅适合轻载。25 为了提高调压调速机械特性的硬度，增大鼠笼式异步电动机 的调速范围，可采用如下两种方案： 采用转速闭环
24、的方案（见图7.23）； 将调压调速与变极调速结合。 图7.23 具有速度反馈的异步电动机调压调速系统26 举例说明，如果电动机运行在图中 所示的A点，这时负载转矩为T L1 ， 系统处于平衡状态。如果由于某种 原因，负载转矩突然从T L1 变为 T L2 ，假如没有转速反馈，电机电 压不变，转速从A点沿特性曲线降 到C点稳定运，转速变化很大。当 采用反馈控制时，如果负载转矩突 然增加时，转速下降，n f 减小，这 时n * 没变，偏差增大，通过速度调 节器，控制交流调压装置升高电 压，使电机运行于图中所示的B点。 可见，采用速度闭环控制系统后， 提高了电机特性的硬度，增加了系 统的稳定性。
25、调速性质的分析： 调压调速时电磁转矩 与转差率s 成反比；P em 也与s成反比。 1 2 2 2 1 1 / / s r I m P T em em 结论： 调压调速既不属于恒转矩调速也非恒功率调速。 em T27 b 、绕线式异步电动机的转子串电阻调速 三相绕线式异步电动 机转子串电阻的人工 机械特性如图7.24所 示。 图7.24 结论： 外加转子电阻 越大，则转 子转差率越大，转速越低。 R28 调速性质的分析： 由于电源电压和f1保持不变，故主磁通 为定值。由于 调速过程中，就看转子有功电流分量如何。为了充分利用电动机的 绕组，要保持 ，于是有： 2 2 cos I C T m T
26、em m N I I 2 2 22 22 22 22 22 22 = () ( ) N N EE II rR r x x ss 比较上面等式可得： 常数 s R r s r N 2 2 （7-27） ) ( 1 1 1 1 1 jx r I E U m w k N f E U 1 1 1 1 1 44 . 4 调速前 调速后 令29 根据式（7-27）得转子回路的功率因数为： 常数 N N N x s r s r x s R r s R r 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 cos ) ( / ) ( / ) ( cos 因此，电磁转矩为： 常数 N N m T m T em I
27、 C I C T 2 2 2 2 cos cos 结论： 转子串电阻调速属于恒转矩调速。 邻边比斜边 2 122 2 () r EEI j x s 30 绕线式异步电动机转子串电阻的 调速方案可借助于图7.25所示的 电力电子变流器加以实现。 图7.25 绕线式异步电动机转子回路串电阻的斩波调速 图中，转子的等效电阻为： 。其中， 为 IGBT开关器件的占空比。 R R eq ) 1 ( T t on 整流桥对转子三相转差电势整 流，大电感使Id成恒流源；斩 波器工作在直流PWM方式； IGBT关断时，AB端等效电阻为 R ， IGBT导通时，AB端等效 电阻为0， d AB AB I U R
28、 31 c 、电磁滑差离合器调速 滑差离合器电动机又称为“电磁调速电动机”，其基本结构如图7.26所示。 图7.26 滑差离合器电机的基本结构图 滑差离合器的工作原理： 图2.27 电磁滑差离合器的工作原理 左手定则判断电枢 载流导条受力方向 为逆时针方向 右手定则判断电枢 导条感应电势方向 为“点” 磁极磁场对电枢涡流 施加的力是相互作用 力，此力反作用到磁 极磁场，大小相同， 方向相反。外力克服 涡流力矩使电枢顺时 针转，则磁极磁场受 涡流力矩的反作用力 推动，也顺时针转 涡流与磁极磁场 相互 作用 力为 BlI F 32 图2.27 电磁滑差离合器的工作原理 滑差离合器电枢内涡流的方向与
29、路径 电枢是由铁磁材料制成的 圆筒，当电枢旋转时，电 枢各点上磁通处于不断重 复的变化之中，电枢将出 现感应电动势，在此感应 电动势作用下，电枢内将 出现涡流，如图所示。33 当鼠笼式异步电动机旋转时，滑差离合器的电枢则 一同以角速度 旋转，设其转向为顺时针。当磁极 上的励磁绕组中无励磁电流（即 ）时，离合 器的电枢与磁极无联系，负载侧电磁转矩为零。当励 磁绕组中有励磁电流（即 ） 时，离合器的电 枢和磁极之间通过磁场相互作用。其最终结果是：磁 极随电枢沿同一方向旋转，设其角速度为 。显 然， 。电磁滑差离合器由此而得名。 0 f I 0 f I 34 图7.28给出了电磁滑差离合器的机械特性
30、。其中，理想空载转 速是指异步电动机转子的转速。 图7.28 电磁滑差离合器的机械特性 结论： 随着直流励磁电流的增大，相同转速条件下滑差离合器输出 的电磁转矩增大； 改变直流励磁电流可以调节输出负载侧的转速。 滑差离合器的调速原理： 缺点？适 用性？35 d 、绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速 双馈调速与串级调速的引入： 上述各种改变转差率的调速方式皆属于低效率的调速 方式。因为其转子的转差功率皆消耗到转子电阻上， 正是通过损耗的改变，才实现了调速。 如果能将这部分转差功率回收到电网上，则调速系统 的效率便可以大大提高。双馈调速和串极调速就是根 据这一思想加以实现的。 双馈的概念： 双馈
31、即双边激磁，它是在三相异步电动机的定、转子绕组中皆 通以三相电流完成供电。这一点与感应电动机的单边激磁不同。36 双馈调速与串级调速的工作原理： 交流电机的定子绕组接到电网上，而转子绕组接至电 力电子变流器上。借助于电力电子变流器对转子绕组 施加 转差频率 的电压。通过改变转差频率电压的幅值 和相位实现转子的调速。 如果转子绕组借助于电力电子变流器接到一幅值可调 的直流电源 上，通过改变直流电源电压的大小来改变 转子绕组外加电压的幅值， 双馈调速 则变为 串级调速 。 因此，可以把串级调速看作是双馈调速的特例。 1 2 sf f 37 图7.29画出了三相绕线式异步电动机定子外接三相电源，转子
32、外接转差频率电 压的等效电路图。 双馈异步电动机的调速原理： 图7.29 双馈供电下绕线式异步电动机一相的等效电路 由图7.29可求得转子绕组的电流为： 2 2 2 2 2 jsx r U E I s s s （7-28） 式中， 。下面就几种情况分别讨论如下： 2 2 E s E s 异步机负载运行 时，转子以(n 1 -n) 的速度切割m产生 感应电势电流，其 频率 p f s sn p f n n 1 1 2 1 60 60 ) ( 比较上面等式有： 1 2 sf f - + +38 （1）当 与 相位相同或相反时： s U 2 s E 2 由式（7-28）得转子电流的有功分量为： 22
33、2 cos a II 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ) ( ) ( ) ( sx r r sx r U E I s s a （7-29） 考虑到实际运行时转差率 较小，忽略 又 ，上式简化为： s 2 2 sE E s 2 2 2 2 r U sE I s a （7-30） 设转子回路未加 （即 ）时的转差 为 ，则有： s U 2 0 2 s U 1 s 2 2 1 2 r E s I a 2 r 2 sx 转子电流的有 功分量 2 sx 239 （7-31） 假定 加入前后负载转矩不变，由 可知， s U 2 a m T m T em I C I C T 2 1 2 2
34、1 cos a a I I 2 2 2 2 1 2 2 2 r E s r U sE s 2 2 1 E U s s s 即： 上式表明，改变外加电压 便可以改变转差率，实现转子调速 s U 2 转子电流的有 功分量 未加U 2s ，s=s 1 加U 2s 0 a m T em I C T 2 1 a m T em I C T 2 1 得： | | 注：s是电动机实际运行的转差率， s 1 是在同样负载转矩下， 转子回路未接电压时的转差率，是个固定的数值40 将式（7-29）代入转矩表达式 得： a m T m T em I C I C T 2 1 2 2 1 cos 2 2 2 2 2 2
35、1 2 2 2 2 2 2 1 ) ( ) ( sx r r U C sx r r E C T s m T s m T em （7-32） 根据上式绘出 双馈调速的机械特性 如图7.30c所示。 图7.30 双馈调速的机械特性曲线( 与 同相或反相时) s U 2 s E 2 由图7.30c可见，改变 的大小和正负便可以使三相绕线式异步电动机分别 工作在次同步状态（） 、 同步速状态（ ）以及超同步运行状 态（ ）。 s U 2 1 n n 1 n n 1 n n 41 （2）当 超前 时 ： s U 2 s E 2 根据式（7-28），画出 加入前后 双馈电机的相量图如图7.31所示。 s
36、U 2 图7.31 双馈电机的相量图 由图7.31可见，加入 后，定子侧的功率因数角 减小，功率因数 明显提高。 若进一步加大 的大小，定子电流 有可能超前定子电压 ，使得定子侧的功率因 数 超前，即可以向电网发送滞后无功。 s U 2 1 1 cos s U 2 1 I 1 U 1 cos 90 ) ( ) ( ) ( 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 1 m m m m m m jx r I z I E E x j s r I E jx r I E U I I I m w k N f j E 1 1 1 1 44 . 4 2 2 2 2 2 jsx r U E I s s s
37、 1 2 2 2 2 1 1 2 E E k E k N k N E e w w 转子侧阻 抗角不变42 （3）当 与 成任意夹角 时 ： s U 2 s E 2 图7.32 双馈电机的相量图( 与 的夹角为 ) s U 2 s E 2 由图可见，此时 可分解为两个分量；与 同相的分量 ； 超前 的分量 。这两个分量确保电动机既可以实现调速，也可以 改善定子侧的功率因数 。 s U 2 2 2 E s E s cos 2s U s E 2 90 sin 2s U 1 cos 双馈调速要求转子绕组能够获得幅值、频率和相位均可调的三相交流电源。 可通过图7.33a、b所示交-交变频器或交-直-交变
38、频器方案实现。 2 2 1 E U s s s 1 2 , 0 s s U s 调速：43 图7.33 三相绕线式异步电动机双馈调速系统的组成 a m T em I C T 2 1 附加转子电势的本质 是改变转子电流有功 分量的大小。 定子由三相交流电源供电，转子由交流电源经变压器降压，再经交交变频器 把工频变为转差频率，然后接到转子。此变频器的频率、幅值和相序均可调 节，转子转差功率的传递方向可以改变。当nn 1 时，双馈电机的情况与普 通感应电机相似，只是转差功率可由变频器回馈给电源。调节变频器的输出 频率，电动机的转速就会改变；调节输出电压的幅值和相位，就可以调节定 子边的功率因数（可达
39、到1和超前）。当变频器的频率调到零时，变频器将 向转子输出直流，此时电动机将在同步转速下运行。改变变频器输出电压的 相序，并将频率由0继续上调，此时转差功率反向，从电网经变频器输入到 转子绕组，于是转子的转差功率将成为负值，电机将在超同步转速下运行。44 由于异步电动机转子感应电动势的频率是随转速的变化而变化的。因此，要 求在任何转速下，变频器输出的电压 应与转子感应电动势同频率。有两 种办法可以实现这种要求：一为他控式；一为自控式。 他控式在运行中，电动机可能发生失步现象，也会出现转子振荡等问题。因 此，他控式异步电动机双馈调速系统在实际工作中，一般都不采用。 自控式是在在绕线式异步电动机的
40、转轴上装上转子频率检测器，如图所示。 2 U 从图中可见，转子频率检测器检测转子频 率信号。利用此信号去自动控制交交变频 器输出电压的频率，可以达到转子频率自 控的目的。这就是说，在进行异步电动机 双馈调速时，电压的频率能自动跟踪转子 感应电动势的频率，从而避免了上述的失 步现象。这种控制方式的异步电动机可以 拖动冲击性负载。其过载能力及抗干扰能 力都很强，再加上定子功率因数可凋，已 用于某些调速场合，例如，用于轧钢机和 抽水蓄能电站中。 绕线式异步电动机双馈调速系统起动时，必须先将转子绕组接到起动电阻及上，以减 小起动电流，增大起动转矩。待电动机转速上升到设计值时，再将交交变频器投入运 行。
41、这是由于受交交变频器输出频率范围小的限制，不能在电机转速为零时投入变频 器。45 作为双馈调速的一个特例，串级调速仅仅能够调节转子外加电压 的大小。图7.34 给出了绕线式异步电动机串级调速系统的主回路框图。图中的整流器把异步电动机转 子的转差电动势和电流变成直流，逆变器就是给电机转子回路提供外接直流电动势的 电源，并把转差功率(扣除转子绕组铜损耗)大部分反送回交流电源。 s U 2 图7.34 绕线式异步电动机的串级调速 串级调速的工作原理： 设转子绕组的线电势为 ， 为转子开路时的线电压；整流器直流侧的电 压为 ；逆变器直流侧的电压为 ，逆变器交流侧（即变压器二次侧）的线电压 为 ，则有下
42、列关系式： 20 2 sE E s 20 E d U U l U 2 em mec P s P ) 1 ( em cu sP p 2 s r I m P em 2 2 2 1 2 2 2 1 2 1 r s s I m p P P cu em mec 0 0 2 2 20 2 2 I U sE U E s s s s U 2 不控整流桥：由无控制功能的整流二极管组成 的整流电路。当输入交流电压一定时，在负载 上得到的直流电压是不能调节的，只单向传递 功率46 20 35 . 1 sE U d (7-33) cos 35 . 1 2l U U (7-34) U U d cos 35 . 1 35
43、 . 1 2 20 l U sE (7-35) 于是有： 20 2 cos E U s l 从上式可见，改变逆变角 的大小，就能改变转差率 ，进而调节转子转速。 越大， 越小，转速越高。当 时， ，相当于转子短路，电动机 工作在自然机械特性状态。 s s 2 0 U cos 34 . 2 cos 6 3 ) ( ) 30 sin( 6 3 ) ( 3 / 1 2 2 3 6 6 2 2 6 U U t d t U t d v U ab d 上面三相桥整流器 输出公式中的U2为 相电压有效值，这 里提供的是线电压 有效值，线电压是 相电压的根号3倍。 对于不控桥有 cosa=1 35 . 1 2
44、 3 电机稳定运行时， 无 波动，为直流， d I 与双馈调速相比，串级调速系统结构简单、易于实现、分析和控制方便。但是 在相同调速范围和额定负载下，调速装置的容量增大一倍。因而，往往用于调 速范围不大的场合，功率因数较低。47 em cu em mec P s r s s I m r s r I m p P P ) 1 ( 1 ) 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 （ s r I m P em 2 2 2 1 em cu sP p 2 串级调速是在异步电动机转子回路中串入附件电动势去代替转子回路串的电 阻，避免绕线式电动机转子串电阻调速时，一部分功率白白消耗在电动机所 串电阻上的情况，通过改变附加电动势的大小来调节转速，使拖动系统的运 行效率大大提高。48 上述由双馈调速与串极调速组成的系统分别又称为Scherbius 系 统和Kramer 系统，其主要区别在于转差功率是否可以在变流器 中双向传递。这些系统的主要优点是： 运行效率高； 变流器的容量较小； 可
