第十八章 绕线转子异步电机双馈调速系统

功率流程

S⋅P
P
s n −1
2n1
Pm
(1 + S ) P
S ⋅P
CU
0
n1
0
-Te
c） 超同步速回馈制动状态 ）
4. 电机在超同步转速下作电动运行

工作条件： 工作条件： 作电动运行， 设电机原已在 0 < s < 1 作电动运行，轴上 拖动恒转矩的反抗性负载。 拖动恒转矩的反抗性负载。 如转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd， 转子侧串入了同相的附加电动势 电机将加速到s 的新的稳态下工作， 电机将加速到 < 0的新的稳态下工作，即电机在 的新的稳态下工作 超过其同步转速下稳定运行。 超过其同步转速下稳定运行。
1. 电机在次同步转速下作电动运行

工作条件： 工作条件： 转子电流I 转子侧每相加以附加电动势 -Eadd ，转子电流 r将 减小，从而使电动机减速，进入新的稳态工作。 减小，从而使电动机减速，进入新的稳态工作。
Ir = sE r 0 − Eadd Rr 2 + ( sX r 0 )2
运行工况： 运行工况： 电机作电动运行， 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。 入功率，轴上输出机械功率。
功率流程

s n
0 n1
~
P1 Pm
sPm
(1-s)Pm
1 0
sPm
CU
Te
a） 次同步速电动状态 ）
2. 电机在反转时作倒拉制动运行
功率流程

s
n
2n1
−1
S⋅P
P
Pm
(1 + S ) P
S⋅P
0 n1
CUTe0 Nhomakorabead） 超同步速电动状态 ）
5. 电机在次同步转速下作回馈制动运行

•
工作条件：
很多工作机械为了提高其生产率， 很多工作机械为了提高其生产率，希望电力拖 动装置能缩短减速和停车的时间， 动装置能缩短减速和停车的时间，因此必须使运行 在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下 工作。 工作。 设电机原在低于同步转速下作电动运行， 设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转 要使之进入制动状态， 子侧已加入一定的 - Eadd 。要使之进入制动状态， 大于此时的sE 此时I 变为负值， 可使 |- Eadd| 大于此时的 r0 ，此时 r变为负值，电 动机进入制动状态。 动机进入制动状态。
交流调速系统按转差功率的分类（ 交流调速系统按转差功率的分类（续）

（3）转差功率馈送型 ）转差功率馈送型——控制绕线转子异步电动机 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， 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； 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。 一些设备。 前面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回馈型调速方法。 调速方法，本章将讨论转差功率回馈型调速方法。
P
Pm
(1 − S ) P
S ⋅P
CU
1
0
0
-Te
e） 次同步速回馈制动状态 ）

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。 运行状态。 在工况a,b,c中，转子侧 中 在工况 都输出功率， 都输出功率，可把转子的 交流电功率先变换成直流， 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。 功率。
功率流程

1 0
S⋅P
Te
P
Pm
( S − 1) P
S ⋅P
CU
2 -n1 s -n
b）反转倒拉制动状态 ）
3. 电机在超同步转速下作回馈制动运行

工作条件： 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， 机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超过 其同步转速n0的情况下运行。 其同步转速 的情况下运行。 此时，如果处于发电状态运行的电机转子 此时，如果处于发电状态运行的电机转子 回路再串入一个附加电动势 +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。 制动运行。
双馈调速的基本结构
电网 K1
M
从电路拓 扑结构上看， 扑结构上看， 可认为是在 K2 TI 转子绕组回 路中附加一 个交流电动 势。
3~
功率变换单元
功率变换单元

由于转子电动势与电流的频率随转速变化， 由于转子电动势与电流的频率随转速变化， 即 f2 = s f1 ，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。 电功率进行电能变换。 对于双馈系统来说， 应该由双向变频器构 应该由双向变频器 对于双馈系统来说，CU应该由双向变频器构 双馈系统来说 以实现功率的双向传递。 成，以实现功率的双向传递。
5.2 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
异步电机的功率关系

忽略机械损耗和杂散损耗时， 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
Ps
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 = sEr 0
式中
(5-1)
s — 异步电动机的转差率； 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， 相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额 定相电压值。 定相电压值。
双馈调速的功率传输

（1）转差功率输出状态 ）
P1
M 3~
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。
P1
M 3~
Pmech CU

运行工况： 运行工况： 电机处在发电状态工作， 电机处在发电状态工作，s < 0，电 ， 机功率由负载通过电机轴输入， 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。此时式（ ） 子侧馈送至电网。此时式（5-4）可改 写成
Pm + sPm = (1 − s) Pm
Ir =
sEr 0 ± Eadd Rr + (sX r 0 ) 2
2
s1 Er 0 + Eadd ↑→ I r ↑→ Te ↑→ n ↑→ s ↓
转速上升；
转子附加电动势的作用（ 转子附加电动势的作用（续）

当 Eadd ↓ ， 使得：
Ir =
sEr 0 ± Eadd Rr + (sX r 0 ) 2
Pm = sPm + (1 − s ) Pm
（5-4）
式中 Pm —从电机定子传入转子（或由转子传出给定子） 从电机定子传入转子（ 从电机定子传入转子 或由转子传出给定子） 的电磁功率， 的电磁功率， sPm —输入或输出转子电路的功率，即转差功率， 输入或输出转子电路的功率， 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。 电机轴上输出或输入的功率。 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的不同， 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。 可正可负，因而可以有以下五种不同的工作情况。

工作条件： 工作条件： 轴上带有位能性恒转矩负载（ 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）， ），此时若增大 入倒拉制动运行的必要条件），此时若增大 | - Eadd |值，可使电机反转，s>1，进入倒拉 值 可使电机反转， ， 制动运行状态（第四象限）。 制动运行状态（第四象限）。
Er = sEr 0
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。
Ir =
sEr 0 ± Eadd Rr + (sX r 0 )
2 2
(5-3)
图5-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
转子附加电动势的作用

1. Er 与 Eadd 同相 当 Eadd ↑ ，

转子相电流的表达式为： 转子相电流的表达式为：
sEr 0 R + (sX r 0 )
2 r 2
Ir =
(5-2)
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~
2
s1 Er 0 + Eadd ↓→ I r ↓→ Te ↓→ n ↓→ s ↑
转速下降；
转子附加电动势的作用（ 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 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， 引入一个可控的附加电动势，就可调节电动 机的转速。 机的转速
5.1 异步电机双馈调速工作原理

所谓“双馈” 所谓“双馈”，是指把绕线转子异步电机的定子绕 组与交流电网连接， 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。 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， 至于电功率是馈入定子绕组和 或转子绕组，还是由 或转子绕组 定子绕组和/或转子绕组馈出 则要视电机的工况而定。 或转子绕组馈出， 定子绕组和 或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。