第七章 绕线转子异步电动机调速系统
异步电动机的串级调速
2016年3月31日星期四
串级调速的基本原理是什么？
基本思路： 1.转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速； 2.转子不串入附加电阻-----改为串入附加电动势同样可实现调速； 3.将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身，既提高效率、 又实现变转差率调速。 4.该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。 工作原理： 三相异步电动机的转子感应电压为： E 2 s E 20 转子电流为： 式中：
2016年3月31日星期四
2.转子整流器的第二工作状态 （Id较大， 600 不变，出现强迫延时换相角）
特征：
当重叠达到600，电流达到第一工作 状态最大电流（或一、二状态分界 电流Id1-2）以上，如果负载电流继 续增大，最初时重叠角会大于600， 但稳定以后，两个二极管的重叠会 均匀地保持600不变，但所有二极管 的换流都被迫从自然换流点向后延 迟一个角度 p 。 电流越大，这个强迫延时换相 角就越大，但有：
I2 '
sE20 E f R2 jsX 20
I 2 ' I 2 Te ' Te n
s s ' n s I 2 ' I 2 ' I 2 n' T ' T e e
电机在转速n ′处实现平衡，转速调为n ′ 。
2016年3月31日星期四
I 2 ' I 2 Te ' Te n
s s ' n s I 2 ' I 2 ' I 2 n' T ' T e e
【精品】第七章异步电动机动态数学模型的调速系统
第七章异步电动机动态模型调速系统内容提要:异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。
矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后按照直流电动机模型设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。
两种交流电动机调速系统都能实现优良的静、动态性能，各有所长，也各有不足之处。
本章第8.1节首先导出异步电动机三相动态数学模型，并讨论其非线性、强耦合、多变量性质，然后利用坐标变换加以简化，得到两相旋转坐标系和两相静止坐标系上的数学模型。
第8.2节讨论按转子磁链定向的基本原理，定子电流励磁分量和转矩分量的解耦作用，讨论矢量控制系统的多种实现方案。
第8.3节介绍无速度传感器矢量控制系统及基于磁通观测的矢量控制系统。
第8.4节讨论定子电压矢量对转矩和定子磁链的控制作用，介绍基于定子磁链控制的直接转矩控制系统。
第8.5节对上述两类高性能的异步电动机调速系统进行比较，分析了各自的优、缺点。
第8.6节介绍直接转矩控制系统的应用实例。
8.1交流异步电动机动态数学模型和坐标变换基于稳态数学模型的异步电动机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但对于轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等动态性能高的对象，就不能完全适用了。
要实现高动态性能的调速系统和伺服系统，必须依据异步电动机的动态数学模型来设计系统。
8.1.1三相异步电动机数学模型在研究异步电动机数学模型时，常作如下的假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
电力拖动自动控制系统.随堂练习
3.典Ⅰ型系统在加速度输入：R(t)= R0的稳态误差是（ ）。
A、0； B、a0
C、a0/K； D、无穷大
参考答案：D
4.典II型系统在阶跃输入：R(t)=R0的稳态误差是（ ）。
A、0； B、R0
C、R0/K； D、无穷大
参考答案：A
5.典Ⅰ型系统在斜坡输入：R(t)=V0t的稳态误差是（ ）。
A．增大 Ｂ．减小 Ｃ．不变 Ｄ．等于0
参考答案：A
第二章 转速反馈控制的直流调速系统·2.4 直流调速系统的数字控制
1.适合于高速的数字测速方法为（ ）
A .M法 B.T法 C.M/T法 D. C法
参考答案：A
2.在微机数字控制系统的中断服务子程序中中断级别最高的是（ ）
A．故障保护 B．PWM生成 C．电流调节 D．转速调节
1.直流双闭环调速系统中出现电源电压波动和负载转矩波动时，（ ）。
A.ACR抑制电网电压波动，ASR抑制转矩波动
B.ACR抑制转矩波动，ASR抑制电压波动
C.ACR 放大转矩波动，ASR抑制电压波动
D.ACR放大电网电压波动，ASR抑制转矩波动
参考答案：A
2.双闭环调速系统在稳定运行时，控制电压 Uc的大小取决于（ ）。
1.M系统主电路的电机输入端电源是（源 Ｄ．可控的交流电源
参考答案：C
2.型可逆PWM变换器主要电路中，只有二个三极管交替通断，而其它二个的通断是受电动机转向控制的是（ ）
A、双极性; B、单极性
C、受限单极性; D、受限双极性
参考答案：C
A、ASR、ACR 均不饱和 B、ASR、ACR 均饱和
C、ASR 饱和、ACR 不饱和 D、ASR 不饱和、ACR 饱和
三相绕线转子异步电动机的调速原理和方法
三相绕线转子异步电动机的调速原理和方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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绕线转子异步电动机的启动与调速
绕线转子异步电动机串电 阻启动与调速电路设计
电气系
背景描述
• 绕线转子异步电动机的特点是：可以通 过滑环在转子绕组中串入三相对称或不对 称电阻器，来实现减小启动电流，增大起 动转矩以及平滑调速的目的，在生产实际 中用的很多如 钢铁化工、铁路交通、港口 码头以及物流周转等部门，那么今天我们 就为它设计一个既操作方便又安全可靠的 电路吧！
设备和工具。 • 3、根据工作方案，绘制草图并进行修正。 • 根据修正结果画出正式电路图。
瞧进行成果展示汇报: 1、组内的分工情况。 2、怎样选择的电器元件及相关设备？ 3、怎样在转子绕组中串入启动电阻？ 4、详细分析电路工作原理。
阐述观点
认真汇报
完成的电路
一、明确任务
• 学习情境是：设计绕线转子异步电动机启 动电路 。具体要求：
• (1)采用转子绕组串接三相对称电阻的方 法实现减小启动电流的目的。
• (2) 采用时间继电器自动控制切除电阻。 • (3)电动机具有过载及失压、欠压和短路
保护。
二、咨询阶段
• 学生通过网络、书籍、资料库查阅相 关信息：
• 1、 获取完成任务所需要的信息。 • 2、完成相关的引导问题。 • 3、各学习小组制订出完善的工作计划。
关键引导问题:
• 1、电路应该有什么元器件进行控制和保护？ • 2、怎样在转子回路串入外加电阻？
认真自主学习
三、制定工作计划
• 组长统一协调安排组内成员，共同完成工 作计划的制定：
• 1、查找设计线路所需的电器元件型号规格 。 • 2、根据电路的需要，正确选择相关的仪器
淡定从容
•陈 述 设 计 理 念
五、做出决策：
我们大家来找茬：看看哪个 小组的设计更合理，表达的 更好。选出最好的实施方案。
绕线式异步电动机转子串电阻的调速控制
一课题背景21启动前的准备32启动控制33制动控制34调速控制过程4二任务要求4三设计思路51主电路52.PLC接线图63. I/O分配64.程序梯形图75.程序调试86.调试完成错误!未定义书签。
总结10一课题背景绕线式异步电动机转子串电阻的调速控制线路，对调速无特殊要求的生产机械，可以采用绕线式异步电动机拖动，绕线式转子异步电动机转子串电阻调速控制电路,按照时间原则启动、能耗制动的控制线路如图所示：工作原理分析如下1启动前的准备先讲主令控制器SA的手柄置到“0”位，再合上电源开关QS1，QS2,则有：（1）零位继电器KV线圈通电并自锁。
（2）KT1，KT2线圈得电，其延时闭合的动断触点瞬时打开，确保KM1，KM2线圈断电。
2启动控制将SA的手柄推向3位，SA的触点SA1，SA2，SA3,均接通，KM线圈通电。
则有：（1）KM的主触点闭合，电动机接入交流电源，电动机在转子串两段电阻的情况下启动。
同时，KT线圈得电，KT延时断开的动合触点闭合。
（2）KM的动断触点打开，KT1线圈断点开始延时，当延时结束时，KT1动断触点闭合，KM1线圈通电，KM1的动合触点闭合切除一段电阻R1，同时KM1的动断触点断开，KT2线圈断电开始延时，当延时结束时，KT2的动断触点闭合，KM2线圈通电切除电阻R2，启动结束。
3制动控制进行制动时，将主令控制器SA的手柄扳回“0”位，KM，KM1，KM2线圈均断电，电动机切除交流电源。
同时，KT1，KT2线圈得电。
则有：（1）KM的动断触点闭合，KM3线圈通电，电动机接入直流电源进行能耗制动；同时，KM2线圈通电，电动机在转子短接全部电阻的情况下进行能耗制动。
（2）KM的动合辅助触点断开，KT线圈断电开始延时，当延时结束时，KT延时断开的动合触点断开，KM2，KM3线圈均断电，制动结束。
4调速控制过程当需要电动机在低速下运行时，可将主令控制器SA手柄推向“1”位或“2”位，则电动机的转子在串入一段电阻或不串入电阻的情况下以较高速度运转二任务要求绕线式转子异步电动机转子串电阻调速控制电路的PLC程序设计。
第七章 绕线转子异步电动机调速系统
功率流程
s n
SP 1
P1
1 2n1
(1 S ) P 1
SP 1
CU
0
-Te
n1
0
c） 超同步速回馈制动状态
. 电机在超同步转速下作电动运行
工作条件： 设电机原已在 0 < s < 1 作电动运行，转 子侧串入了同相的附加电动势+Eadd，轴上 拖动恒转矩的反抗性负载。 当接近额定转速时，如继续加大+Eadd电 机将加速到的新的稳态下工作，即电机在 超过其同步转速下稳定运行。
工作条件： 进入这种运行状态的必要条件是有位能性 机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超 过其同步转速n1的情况下运行。 此时，如果处于发电状态运行的电机转子 回路再串入一个与 sEr0 反相的附加电动势 +Eadd ，电机将在比未串入 +Eadd 时的转速更 高的状态下作回馈制动运行。
运行工况： 电机处在发电状态工作，s 1，电机功率由 负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别 从电机定子侧与转子侧馈送至电网。
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
下五种不同的工作情况。
1. 电机在次同步转速下作电动运行
工作条件： 转子侧每相加上与 Er0 同相的附加电动势+Eadd （Eadd < Er0），并把转子三相回路连通。 运行工况： 电机作电动运行，转差率为 0 < s < 1，从定子侧输 入功率，轴上输出机械功率。
U d Ui I d R 或 K1sE20 K 2U 2T cos I d R （7-4）
可写出整流后的转子直流回路的电压平衡方程式
第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统
4. 电动机在超同步转速下作电 动运行
电动机轴上输出机械功率由定子侧与转子 侧两部分输入电功率合成，电动机处于定、 转子双输入状态，式（7-4）可改写成 ：
Pm s Pm (1 s) Pm
（式中s本身为负值）。 其功率流程示于图7-2d。
5．电动机在次同步转速下作回 馈制动运行
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 I rN ），此时电动机在固有 机械特性上以额定转差率 s N 运行。若在转 子侧每相加上附加电动势 Eadd （与 sEr 0反 E 相， add sEr 0 ），根据式（7-3），转子 电流将减小，从而使电动机减速，转子电 流回升，最终进入新的稳态运行。
7.1.2 绕线转子异步电动机 双馈调速的五种工况
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。
超同步转速下作回馈制动运行
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 sE r 0 和转子电流 I 的相位都与电动运行时 r 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 sE r 0 反相的附加电 动势 Eadd 。根据式（7-3），
图7-1
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s n
0 n1
~
P1
sPm
(1+s)P1
1同步速电动状态
2. 电机在反转时作倒拉制动运行
工作条件： 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），此时逐渐减少 + Eadd 值，并使之反相变负，只要反相附加电动势 – Eadd 有一定数值，则电机将反转。
e） 次同步速回馈制动状态
五种工况小结
五种工况都是异步电 机转子加入附加电动势 时的运行状态。 在工况a,b,c中，转子 侧都输出功率，可把转 子的交流电功率先变换 成直流，然后再变换成 与电网具有相同电压与 频率的交流电功率。
7.1.3 串级调速系统的基本类型
在异步电动机转子回路中串入附加电动势固然可 以改变电动机的转速，但由于电动机转子回路感 应电动势E2的频率随转差率而变化，所以附加电 动势的频率亦必须能随电动机转速而变化。这种 调速方法就相当于在转子侧加入了一个可变频、 可变幅的电压。由于在工程上获取可变频、可变 幅的可控交流电源是有一定难度的，因此常变换 到直流电路上来处理，即先将电动机转子电动势 整流成直流电压，然后引入一个直流附加电动势， 调节直流附加电动势的幅值就可以调节异步电动 机的转速
式（7-1）说明，转子电动势E2值与其转差率s 成正比，同时它的频率f2也与s成正比，f2=s f1。 当转子按常规接线时，转子相电流的方程式为
I2 sE 20 R sX 20
2 2 2
（7-2）
式中 R2—转子绕组每相电阻； X20—S=1时转子绕组每相漏抗。
现在在转子电路中引入一个可控的交流附加电 动势Eadd，并与转子电动势E2串联。Eadd应与 E2有相同的频率，但与E2同相或反相，如图7-l 所示。
U d Ui I d R 或 K1sE20 K 2U 2T cos I d R （7-4）
可写出整流后的转子直流回路的电压平衡方程式
式中 K1、K2—UR与UI两个整流装置的电压整流系 数，如果都采用三相桥式整流电路，则K1= K2=2.34； U2T—逆变变压器的二次相电压； β—工作在逆变状态的可控整流装置UI的逆变 角； R—转子回路总电阻。
7.2串级调速系统的性能
7.2.1串级调速系统的机械特性 在串级调速系统中，电动机的同步转速由电源频率与电动 机的结构决定，且恒定不变，但其理想空载转速是可调的， 由式（7-4），设K1=K2，当Id=0时，有 s0 E20 U 2T cos 即
s0 U 2T cos E20
运行工况： 电机进入倒拉制动运行状态，转差率 s 1， 此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入 电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子 侧馈送给电网。
功率流程
1 0
SP 1
P1
Te
(S 1) P 1
2 -n1
s -n
SP 1
CU
b）反转倒拉制动状态
电机在超同步转速下作回馈制动运行
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
下五种不同的工作情况。
1. 电机在次同步转速下作电动运行
工作条件： 转子侧每相加上与 Er0 同相的附加电动势+Eadd （Eadd < Er0），并把转子三相回路连通。 运行工况： 电机作电动运行，转差率为 0 < s < 1，从定子侧输 入功率，轴上输出机械功率。
直流附加电动势技术要求 按前述，首先它应该是平滑可调的，以满足对电机转 速的平滑调节。另外从功率传递的角度来看，希望能 吸收从电动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用， 譬如把能量回馈电网，而不让它无谓地损耗掉，这就 可以大大提高调速的效率。根据上述两点，如果选用 工作在逆变状态的晶闸管可控整流器作为产生附加直 流电动势的电源，是完全能满足上述要求的。 按产生直流附加电动势的方式不同，次同步串级调 速系统可分为电气串级调速系统、机械串级调速系统。
第7章 绕线转子异步电动机调速系统
内容提要 7.1 绕线转子异步电动机串级调速原理 7.2串级调速系统的性能 7.3转速、电流双闭环串级调速系统 7.4超同步串级调速系统
7.1 绕线转子异步电动机串级调速原理
7.1.1 异步电动机转子附加电动势时的工作情况 绕线式异步电动机运行时，其转子相电动势为 E2 sE20 （7-1） 式中 s—异步电动机的转差率； E20—绕线转子异步电动机在转子不动时的相 电势，或称开路电动势、转子额定相电压。
s1 E 20 R s1 X 20
2 2 2
I2
s 2 E 20 E add R s 2 X 20
2 2 2
可见，改变附加电动势Eadd的大小，即可调节 电动机的转差率s，亦即调节电动机的转速。 同理，如果引入同相的附加电动势，则可使电 动机的转速增大。
7.1.2 串级调速的各种运行状态及功率传递关系
1.电气串级调速系统
图7-3为根据前面的讨论而组成的异步电动机电气串级调速 系统原理图。图中异步电动机以转差率s在运行，其转子电 动势sE20经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压Ud。 工作在逆变状态的三相可控整流装置UI除提供可调的直流 输出电压Ui作为调速所需的附加电动势外，还可将经UR整 流后输出的电动机转差功率逆变，并回馈到交流电网。图 中TI为逆变变压器，L为平波电抗器。两个整流装置的电压 Ud与Ui的极性以及电流Id的方向如图7-3所示。
转子电路的电流方程式如下
I2 sE 20 E add R sX 20
2 2 2
（7-3）
由于转子电流I2与负载的大小有直接关系，当电动机的负 载转矩TL恒定时，可以认为不论转速高低转子电流I2都不 变，即在不同的s值下式（7-2）和式（7-3）相等。设附 加电动势Eadd=0时，电动机在s=s1的转差率下稳定运行。 当加入反向的附加电动势后，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，转子总电动 势增大，转子电流也逐渐增大，直至转差率增大到s2（> s1）时，转子电流又恢复到原值，电动机进入新的稳定 运行状态。此时s1与s2之间有如下关系
在电动机负载转矩不变的条件下作稳态运行时， 可以近似认为Id为恒值，当增大β角时，逆变 电压Ui减小，电动机转速因存在机械惯性尚未 变化，Ud仍维持原值，直流回路电流Id增大， 转子电流I2也相应增大，电动机加速；转子整 流电压Ud随转速增大而减小，直至Ud与Ui依式 取得新的平衡，电动机进入新的稳定状态以较 高的转速运行。同理，减小β时，电动机减速。
图7-3中，除电动机外，其余装置都是静止型的 元器件，故称这种系统为静止型电气串级调速系 统。由上述原理可见，系统转子侧构成了一个交 一直一交有源逆变器，由于逆变器通过变压器与 交流电网相连，其输出频率是固定的，因而是一 个有源逆变器。由此可见，这种调速系统可以看 作是电动机定子恒频恒压供电下的转子变频调速 系统。由于其值可平滑连续变化，因而电动机的 转速也能平滑地连续调节。这种调速方法因为逆 变器能将电动机的转差功率回馈到交流电网，比 之转子串电阻调速可大大提高调速系统的效率， 故称为转差功率回馈型的调速方法。
在异步电动机转子中串入附加电势而形成的串级 调速系统，从功率关系来看，实质上就是利用附 加电势由Eadd来控制异步电动机转子中的转差功 率而实现调速的。因此，串级调速的各种基本运 转状态，可以通过功率的传递关系来加以说明。 串级调速可实现5种基本运转状态，不同运转状 态下的功率传递关系如图7-2所示。图中忽略了 电动机内部的各种损耗，认为定子输入功率P1就 是转子电磁功率Pem。
在低于同步转速下作电动运行，Eadd 由“+” 变为“-”，并使 |- Eadd| 大于制动初瞬的sEr0 ， 电机定子侧输出功率给电网，电机成为发电机 处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减 速停车过程。
功率流程
s n
SP 1
P1
0
n1
(1 S ) P 1
SP 1
CU
1
0
0
-Te
工作条件： 进入这种运行状态的必要条件是有位能性 机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超 过其同步转速n1的情况下运行。 此时，如果处于发电状态运行的电机转子 回路再串入一个与 sEr0 反相的附加电动势 +Eadd ，电机将在比未串入 +Eadd 时的转速更 高的状态下作回馈制动运行。
运行工况： 电机处在发电状态工作，s 1，电机功率由 负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别 从电机定子侧与转子侧馈送至电网。
（7-5）
由式（7-5）可见，改变β角时s0也随之改变。在系统中，β 角的调节范围对应于电动机调速范围的上、下限，一般逆 变角的调节范围为30°~90°。其下限30°是为了防止逆 变颠覆而设置的最小逆变角，其具体数值也可根据系统的 电气参数来设定。由式（7-4）还可看出，在不同的β角下， 异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作 段类似于直流电动机变压调速的机械特性。
D0 d 20
由式（7-6）可知，当E20和XD0确定时，换流重叠角γ随 着电流Id的增大而增大。当Id< 时，γ<60°,器件在自然 换流点换流；当Id= 时，γ=60°，此时，若继续增大Id， 会出现强迫延迟换流现象，即器件的起始换流向后延 迟一段时间，这段时间用强迫延迟换流角αP来表示， 在这一阶段，γ保持60°不变，而αP在0°~30°间变 化。当αP=30°后再继续增大Id时，αP保持30°不变； 而随着Id增大，γ从60°继续增大。因此，串级调速时 转子整流电路有3种工作状态。 （1）0°<γ≤60°，在自然换流点换流的工作状态为 第一工作状态。 （2）保持γ=60°不变，而αP在0°~30°间变化的工 作状态为第二工作状态。 （3）αP=30°不变，随着Id增大，γ从60°继续增大的 工作状态为第三工作状态。该工作状态属于故障工作 状态，故不对它进行讨论。