发布时间 : 星期五 文章第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统更新完毕开始阅读
*第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统
内 容 提 要
控制绕线型异步电动机的转子电压可以利用其转差功率实现转速调节，构成转差功率馈送型调速系统，效率较高，且具有良好的调速性能。第7.1节首先阐明异步电动机双馈调速的基本原理，即控制转子回路中的附加电动势，然后介绍次同步转速下的电动运行与回馈制动、超同步转速下的电动运行与回馈制动、反转倒拉制动五种工况及其功率流程。第7.2节全面分析次同步电动状态下的双馈系统，即串级调速系统。首先讨论电气串级调速系统的工作原理，并介绍机械式、内馈式等其他类型的串级调速系统。然后在第7.3节中着重分析串级调速系统的机械特性。第7.4节讨论串级调速系统的效率、功率因数、附加装置容量等技术经济指标。第7.5节为了提高动态性能而提出具有转速、电流双闭环控制的串级调速系统。在第7.6节中介绍串级调速系统的两种起动方式。最后，在第7.7节中专门介绍了风力发电机组中使用的绕线转子异步电动机双馈调速系统工作原理。
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。转差功率消耗型调速方法，在转速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低。变压变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，所以效率较高。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。
所谓“双馈”，就是指把绕线型异步电动机的定子绕组和转子绕组分别与交流电网或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，则要视电动机的工况而定。“双馈”的另一个特点是转差功率可以回馈到电网，也可以由电网馈入。
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。
7.1 绕线型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；当电动机以发电状态运行时，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。
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 绕线型异步电动机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
Er?sEr0 (7-1) 式中 s——异步电动机的转差率；
7- 1
Er0——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。
式（7-1）表明，绕线型异步电动机工作时，转子电动势Er幅值与转差率s成正比，转子电流频率f2也与s成正比，f2=sf1。在转子短路情况下，转子相电流Ir的表达式为
Ir?式中Rr——转子绕组每相电阻；
sEr0R?(sXr0)2r2 （7-2）
Xr0——s?1时的转子绕组每相漏抗。
在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，转子电流Ir会在外接电阻上产生一个交流电压UR，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。如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势Eadd来代替外接电阻，附加电动势的幅值和频率与交流电压UR相同，相位与转子电动势Er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，附加电动势吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。
~3~M?Er?sEr0IrEadd? 图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图
由于电动机转子电流Ir与负载大小有直接关系，当电动机带有恒定负载转矩TL时，可近似地认为不论转速高低转子电流Ir不变。设在未串入附加电动势前，电动机在某一转差率s1下稳定运行。引入附加电动势后，电动机转子回路的合成电动势减小了，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s增大，转子电动势Er?sEr0随之增大，转子电流也逐渐增大，直至转差率增大到s2(?s1)时，转子电流Ir又恢复到负载所需的值，
Ir?s2Er0?EaddRr?(sXr0)22 （7-3）
电动机便进入新的较低转速的稳定状态。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
s1Er0R?(s1Xr0)2r2?Ir?s2Er0?EaddR?(s2Xr0)2r2 7- 2
反之，若使Eadd与Er?sEr0同相，则可使电动机的转速升高。所以，在绕线型异步电动机的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 绕线型异步电动机双馈调速的五种工况
如上所述，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。
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（f2?sf1），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。或者说，恒压恒频（工频）的交流电网不能向电动机转子提供一个变频变压的附加电动势，需要通过一个中间换流环节来解决。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。
sn?12n1~Pm(1?s)Pm(c)~Pm(1?s)PmsPmCUsPmCU0n1(d)~Pm(1?s)Pm(e)~Pm(1?s)PmCUsPm10sPmCU(a)?Te~Pm(1?s)Pm2?n1(b)TesPmCU 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 忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电动机的功率关系为
Pm?sPm?(1?s)Pm （7-4） 式中Pm——电动机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率，
sPm——包括转子损耗的转子电路输入或输出功率，即转差功率， (1?s)Pm——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的不同，s和Pm都可正可负，因而可以有以下几种不同的工
作状况。
7- 3
1． 电动机在次同步转速下作电动运行
异步电动机定子接交流电网，转子短路，转子轴上带有反抗性的恒值额定负载（对应的转子电流为IrN），此时电动机在固有机械特性上以额定转差率sN运行。若在转子侧每相加上附加电动势+Eadd（与sEr0反相，Eadd< sEr0），根据式（7-3），转子电流Ir将减小，从而使电动机减速，转子电流Ir回升，最终进入新的稳态运行。此时，转子回路的电势平衡方程式为
IrN?s1Er0?EaddRr?(s1Xr0)22s1?sN
若继续加大Eadd值，则s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 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+Eadd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+Eadd值，且使Eadd?Er0，根据式（7-3）的平衡条件，可使s?1，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Te、n坐标系的第四象限）。?Eadd值越大，电动机的反向转速越高。由于s?1，故式（7-4）可改写作Pm?(1?s)Pm?sPm。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7-2b。 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n1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。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n1，转差率s?0，转子电动势sEr0和转子电流Ir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sEr0反相的附加电动势-Eadd，（由于转子电动势sEr0相位与电动运行时相反，故-Eadd与转子电动势sEr0反相）。根据式（7-3）， Ir?sEr0?EaddRr?(sXr0)22??sEr0?EaddRr?(sXr0)22 电动机将在比未串入-Eadd时的转速更高的状态下作回馈制动运行。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Pm与sm?sPm?(1?s)Pm（式中P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。 4. 电动机在超同步转速下作电动运行 设电动机已在0?s?1的情况下作电动运行，轴上拖动恒转矩的额定负载，若转子侧串入了与sEr0同相的附加电动势?Eadd，则式（7-3）变为 IrN?sEr0?EaddRr?(sXr0)22 7- 4