绕线转子异步电机双馈调速系统
《交流调速系统》课后习题答案
《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。
答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。
从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。
1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。
在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。
其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。
异步电机双馈调速工作原理
异步电机双馈调速工作原理首先，异步电机双馈调速的基本工作原理是通过降低转子电压的频率来调整转子的转速。
根据电机的转子电压等于输入电压减去转子电流的电压降，通过降低转子电压的频率，可以实现转子转速的调整。
具体来说，通过改变额外绕组的电压和频率，调整电机的转子电压和转速。
当降低转子电压的频率时，转子电流的幅值减小，转子电力降低，转子的转速也随之降低。
反之，当增加转子电压的频率时，转子电流的幅值增加，转子电力增加，转子的转速也随之增加。
其次，异步电机双馈调速还包括电流均分控制。
电流均分控制是指通过调整额外绕组的电压和频率，使额外绕组的电流分布均匀，使得转子的各个绕组受到的转矩相等。
通常情况下，额外绕组的电流分布不均匀，可能导致转子产生额定转矩以下的转矩。
电流均分控制可以通过调整额外绕组的电压和频率，使得额外绕组的电流分布均匀，从而实现转矩均分，提高电机的工作效率。
最后，异步电机双馈调速还涉及到转矩控制。
转矩控制是指在转速调整的同时，实现对电机输出转矩的控制。
通过改变额外绕组的电压和频率，可以调整转子的电磁转矩大小。
一般来说，转子电压越大，额外绕组电压越大，电磁转矩也越大。
通过控制额外绕组的电压和频率，可以实现对电机输出转矩的控制，使电机能够适应不同负载条件下的需要。
需要注意的是，异步电机双馈调速需要额外安装绕组和调速装置，相比于普通的异步电机，成本和复杂度都会有相应的增加。
但由于其实现了转速和转矩的调控，使得电机能够适应不同负载条件和工作需求，广泛应用于风力发电、轨道交通等领域，成为现代工业中常见的调速技术之一综上所述，异步电机双馈调速的工作原理包括转子电压降频调整、电流均分控制和转矩控制三个方面。
通过调整额外绕组的电压和频率，可以实现电机的转速和转矩的调节，从而适应不同工况和需求。
这项技术的应用在现代工业中具有重要的意义，可以提高电机的工作效率和稳定性，减少能源的消耗。
(完整word版)《交流调速系统》课后习题答案
《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。
答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。
从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。
1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。
在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。
其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。
第3章 第3节 绕线式异步电动机的调速
可直接控制转子回路内的滑差功率 实现转子串电阻调速和串级调速等调速方式 串级调速－－变流装置在转子侧 调节滑差功率，调速装置容量小 3.3.1 绕线式异步电动机转子串电阻调速 1、转子串电阻调速原理 转子回路接三相附加电阻 机械特性从自然特性变为人工特性 最大转矩不变
临界转差率将随外加电阻的增大而增加
改变值，逆变器输出电压变化，实现调速
19
①第1工作区
（ p 0
600 ）
转子整流输出电压（考虑换流压降及电机转子侧电阻Rd）：
U d 2.34sE 2 ( 3sX d
2 Rd ) I d
逆变电压：
U 2.34U 2T cos ( 3X T
2 RT )I d
1）亚同步系统－－交直交 静止变流器作用： 回收利用转子绕组中的转差功 率－－传递有功功率 二极管不可控整流桥把转差频率 的交流变成直流 有源逆变器把直流变成电网频 率的交流回馈电网 PCU—Power Converter Unit
2）超同步系统－－交－交变流器
静止变流器能双向传递有功功率 既能运行于亚同步速度，又能运行 于超同步 同时相位能随意变化，传递无功 功率，改善功率因数
) cos1 (1
2X d Id 6 E2
)
Xd－－转子不动时折算到转子侧的总漏抗 Id－－负载电流即整流输出电流
E2－－电机静止时转子绕组相电势
γ角与转差率s无关 随着负载电流Id的增加而增加
当 Id 6E2 4Xd 时
60
14
2、转子整流电路3种工作状态 ①第1工作状态 负载不很大，换流重叠角γ随负载上升而增大，变化范围：
忽略分母中 有
21双馈调速原理
运动控制系统专题报告说明书题目：绕线式异步电动机双馈调速系统专业班级：电气自动化03班学号：姓名：指导教师：成绩：2014年6月16日至6月30日一．双馈调速原理双馈调速理论是从串级调速理论发展而来，针对串级调速系统不能实现能量的双向流动和功率因素低的缺点进行了改进。
两者所使用的原理是相同的，即利用在电机转子上附加电势实现电机的速度调节。
只不过串级调速系统只能实现与电机感应电势反方向的附加电势，而双馈调速系统要实现附加电势的频率、幅值、相位的完全控制。
1．1附加电势的种类根据异步电动机的特性，从转予电流表达式：可以看出，在转子电流，，基本不变的情况下，改变转子侧外加电压玑，可以改变转差率S 。
这就是为什么附加电势能够调节电机转速的原因，因此对电机转速的控制问题就变成了对外加电压U ，的控制问题。
异步电动机的外加电压矢量U ，有三种典型方向可以使用 (1)U 2与转子感应电势E 20s 同相 (2)U 2与转子感应电势E 20s 反相 (3U 2超前转子感应电势姬，E 20s 90度其中，与转子感应电势E 20s 同相和反相的外加电压U2的作用是使电机转速升高和降低，超前转子感应电势 E 20s 90度的外加电压U2的作用是改善电机定子侧功率因数。
在实际控制时，外加电压的相位可以是以上两种典型方向的矢量合成，但必须保证外加电压与转子感应电势频率相同。
下面用图示的方法说明各种附加电势对系统的影响：(1)异步电动机正常运行时的矢量关系如图1．1(a)所示。
其中忽略异步电动机的定子阻抗z 1后有.1U ≈-.1E =.2sE 电机定子电流.m .2.1I I I -+=电机定子、转子的功率因数角分别为α,β。
(2)附加电势与转U2与转子感应电势E 20s 同相时的矢量关系如图1．1(b)所示。
由于电网电压没有变化，迫使电机转子合成电势的折算值.2sE保持不变，即满足.2..22.ESUsE+=随着附加电势折算值U2的增大，系统新的转差率S会随之减小，即电机转速升高。
绕线转子异步电动机双馈调速系统
此时功率变换单元CU得组成如图7-3a所示,其中 CU1就是整流器,CU2就是有源逆变器。对于工况4 和5,电动机转子要从电网吸收功率,必须用一台变 频器与转子相连,其结构如图7-3b,CU2工作在可控 整流状态,CU1工作在逆变状态。
Er sEr0
(7-1)
式中s ——异步电动机得转差率;
Er0 ——绕线型异步电动机转子开路相电动势, 也就就是转子开路额定相电压值。
7、1、1 绕线转子异步电动机 转子附加电动势得作用
图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势得原理图
转子相电流
在转子短路情况பைடு நூலகம்,转子相电流得表达式为
Ir
sEr0 Rr2 (sX r0 )2
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,才得到更好得应用。
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,她 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。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交
11
7、1、2 绕线转子异步电动 机双馈调速得五种工况
在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控得附加 电动势并改变其幅值,就可以实现对电动机转速 得调节。
可控附加电动势得引入必然在转子侧形成功率得 传送,既可以把转子侧得转差功率传输到与之相 连得交流电源或外电路中去,也可以就是从外面 吸收功率到转子中来。
7、2、1串级调速系统得工作原 理
双馈与绕线转子异步电机
双馈发电机与绕线式异步发电机
双馈发电机与绕线式异步发电机基本没差别，应该说原理、结构二者基本相同，两种叫法。
准确讲，双馈发电机是绕线式异步发电机的一种特殊型式，主要针对的用途稍有不同。
双馈发电机都是转子侧采用变频器供电，常规的绕线式异步发电机则在转子侧接入电阻调节速度，这样因为变频器供电具谐波和高频冲击，所以电机本体设计时双馈发电机会比规绕线式异步发电机更多考虑绝缘和增大电感加强滤波效，而且由于变频器具有一定的电压等级，为了充分利用变频器容量，所以设计双馈发电机的转子电压要和变频器匹配，一般来说，双馈发电机比常规绕线式异步发电机设计的更高些，例如用风电双馈电机转电压690V般规绕线式异步发电机300伏。
本质上，二者没什么大的差别，主要应用场合的区别，导致在某些小地方有一定的变化。
双馈发电机与绕线转式异步电机有着完全相同的结构，所以一般称双馈发机为异步发电机。
但事实上，双馈发电机转在外部励磁情况下是一种同步发电机，因此，其正确的名称应该交流励磁的同步发电机，虽然转子的机械转动来是异步的，但磁场是同步的，而一般所说同步发电机无论机械转速还是磁场都同步的，这是不同点。
绕线电机双馈转子变频调速系统在矿井提升机中的应用
研 发 和 制 造 能 力 ， 进 煤 炭 产 业 升级 。 ” 为 高 耗 能 的矿 山大 型 促 作 机 电设 备 应 成 为优 先 考 虑 的 节 能对 象 。
Ｔｌ
１ 问题 的提 出
目前 ，多数现有的矿井提升机 ９ ％左右是绕线异步 电机提 ｏ 升系统 ， ７ ％采用高能耗的转子串电阻调速方式 ， 且 ０ 这种方式结 构及控制方式均简单 ，可在一定程度上满足提升系统的运行要 求， 但存 在的突 出问题却不容忽视 ： 一是 电机转差功率全部消耗 于转子电阻网路 中 ，而提 升机有较 长时间运 行在低速重载的工 况下 ， 时转差功率非常大 ， 此 这就造 成了巨大的能源浪费 。二是 系统调速模式 为有级调速 ， 切换 冲击电流大 。 运行平稳性 差 ， 安 全性低 。三是系统发热严重 ， 工作环境恶劣。四是系统 占地面积 大， 设备维护量大 。因此 ， 引入 矿井 交流提升机双馈转子变频调 速 系统 ， 以节能 、 色、 绿 先进为鲜明特征 ， 为矿 山提 升系统提供有 重要竞争力的国产装备 ， 具有巨大的经济效益和社会效益 。
稳定直流 电压的同时 ，可对网侧功率 数和谐波进行 调节和补 偿， 使系统对电网造成 的影响可忽略不计。
（ ）全 数 字转 子 变频 矢 量 控 制 系 统 采 用 完 全 自主研 发 的 高 ４
护齐全 、 动作灵敏 ， 故障判断 准确 ， 障率低 ， 故 自动化程 度高 。
投入新系统后 ，比使用老 系统具 有明显 的经济效 益和社会
（ ） 回路 采用 “ ２主 背靠 背” 的双三 电平交一 直一 交结 构 ， 其
的； 利用上位机实 现提升系统监 视 、 断 。 通过局域 网连接实 诊 并
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Ir
sEr0 Eadd Rr 2 (sX r0 )2
(7-3)
转子附加电动势的作用
1. Er 与 Eadd 同相
当 Eadd ，
s1Er0 Eadd Ir Te n s
使得： 这里：
s1Er0 Eadd s2 Er0 Ea' dd
电动势，则可使电动机的转速降低。
所以，在绕线转子异步电动机的转子 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 异步电机双馈调速的五种工况
本节摘要
电机在次同步转速下作电动运行 电机在反转时作倒拉制动运行 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电动运行 电机在次同步转速下作回馈制动运行
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；
P1 3M~
Pmech
Ps
CU
（2）转差功率输入状态
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。
异步电机的功率关系
忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机 在任何工况下的功率关系都可写作
Pm sPm (1 s)Pm
（7-4）
式中 Pm —从电机定子传入转子（或由转子传 出给定子）的电磁功率，
sPm —输入或输出转子电路的功率，即转 差功率，
(1-s)Pm —电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
绕线转子异步电动机
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。
P1 Ps
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。
s1 s2
转速上升；
转子附加电动势的作用（续）
当 Eadd ，
s1Er0 Eadd Ir Te n s 使得：
这里：
s1Er0 Eadd s2 Er0 Ea' dd
s1 s2
转速下降；
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
P1 3M~
Pmech
Ps
CU
7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用
异步电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；
Er0 — 绕线转子异步电动机在转子不 动时的相电动势，或称转子开路电动势， 也就是转子额定相电压值。
转子相电流的表达式为：
Ir
sEr0 Rr2 (sX r0 )2
转差功率始终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 是异步电动机调速的主要目的之一，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。
如第5章所述，交流调速系统按转差功 率的处理方式可分为三种类型。
交流调速系统按转差功率的分类
（1）转差功率消耗型——异步电机采用调 压控制等调速方式，转速越低时，转差功 率的消耗越大，效率越低；但这类系统的 结构简单，设备成本最低，所以还有一定 的应用价值。
（2）转差功率不变型——变频调速方法转 差功率很小，而且不随转速变化，效率较 高；但在定子电路中须配备与电动机容量 相当的变压变频器，相比之下，设备成本 最高。
交流调速系统按转差功率的分类（续）
（3）转差功率馈送型——控制绕线转子异 步电动机的转子电压，利用其转差功率并 达到调节转速的目的，这种调节方式具有 良好的调速性能和效率；但要增加一些设 备。 前两章已分别讨论了转差功率消耗型和 不变型两种调速方法，本章将讨论转差功 率馈送型调速方法。
(7-2)
式中 Rr — 转子绕组每相电阻； Xr0 — s = 1时的转子绕组每相漏抗。
转子附加电动势
~
引入可控的交 流附加电动势
M 3~
Er sEr0 Ir
~ Eadd ~ ~
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。
图7-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
有附加电动势时的转子相电流：
~
Pm
Pmech Ps
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。
双馈调速的基本结构
电网
K1
K2
M
TI
3~
功率变换单元
如上图所示，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
由于转子电动势与电流的频率随转速变 化，即 f2 = sห้องสมุดไป่ตู้f1 ，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。
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7.1 异步电机双馈调速工作原理
本节提要
概述 异步电机转子附加电动势的作用 异步电机双馈调速的五种工况
7.1.0 概述
转差功率的利用
众所周知，作为异步电动机，必然有转 差功率，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。
但要利用转差功率，就必须使异步电动 机的转子绕组有与外界实现电气联接的条 件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线 转子电动机才能做到。
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
内容提要
引言 异步电机双馈调速工作原理 异步电机在次同步电动状态下的双馈系
统——串级调速系统 异步电动机串级调速时的机械特性 串级调速系统的技术经济指标及其提高
方案 双闭环控制的串级调速系统 *异步电机双馈调速系统
7.0 引言
转差功率问题