现代交流电机控制技术C6绕线式异步电动机的串级调速和双馈调速控制技术课件.ppt

1、第六章绕线式异步电动机的串级调速和双馈调速控制技术内容概要l 串级调速和双馈调速的基本原理；l 双馈调速系统和串级调速系统的稳态特性；l 双馈调速和串级调速的闭环控制系统；l 绕线式异步电动机双馈矢量控制系统。本章讲述：20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 绕线式异步电动机在工业中应用较多，它的传统调速方法是在转子回路串电阻调速。这种调速方式的本质是利用改变消耗转子外串电阻中的转差功率来改变转差率，从而达到调速的目的，因此。这种调速方式是转差功率消耗型调速。这种调速方式虽然结构简单，维护方便，但是调速是

2、有级的，而且耗能多，效率低，使得调速性能和经济性都很差。目前，这种调速方式正在逐渐被淘汰。随着电力电子技术和控制技术的发展，现代绕线式异步电动机一般都采用串级调速方式或双馈调速方式。二者共同的特点是在调速时可将转差功率回收利用，或者变为机械功率回馈到电机轴上，或者回馈电网，调速系统的效率很高，属于转差功率回馈型调速方式。目前已获得了广泛的应用。本章将就绕线式异步电动机的串级调速和双馈调速系统进行详细分析。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分6.1 串级调速和双馈调速的基本原理6.1.1 绕线式异步电动机双馈调速的基本原理1.双馈调速的基本概念 所谓双馈调速，是指将电

3、能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组。通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的独立的交流电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电机的转矩、转速和电动机定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步和亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 交-交变频器最适合于作为转子绕组的变频电源。这是因为交-交变频器采用晶闸管自然换流方式，结构简单，可靠性高；而且交-交变频器能够直接进行能量转换、效率较高。交-交变频器的最高输出频率是电网输入频率的1/

4、31/2。虽然这种输出频率限制了调速范围，但对于异步电动机来说，调速时超过同步转速过高，将会使转子绕组的机械强度受到损害。因此，在双馈调速方式中采用交-交变频器作为转子绕组的变频电源是比较适宜的。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分2.绕线式异步电动机转子串附加电势时的工作情况 由于异步电动机转子感应电动势的频率随转速改变而改变，是转差率的函数，为保证电机的稳定运行，就要求附加电势的频率也要相应变化，并在稳态时与电机转子感应电势频率严格一致。传入的附加电势对电机工作的影响，将主要取决于附加电势的幅值和相位。异步电动机转子绕组串入附加电势后的等值电路如图6-1所示。2

5、0222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-1绕线式异步电动机转子绕组串绕线式异步电动机转子绕组串入附加电势后的等值电路图入附加电势后的等值电路图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 a)b)图图6-2电机转子串入附加电势后对电机电机转子串入附加电势后对电机转速的影响转速的影响a)与与 反相反相 b)与与 同相同相aErsEaErsE20222022年

6、年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图6-3 对电机功率因数的影响aE20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图6-4 对电机运行的影响aE20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分3.双馈调速系统的特点20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-5双馈调速的异步电动机等值电路双馈调速的异步电动机等值电路20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 此处必须强调指出

7、，与电机的变频调速不同，双馈调速时异步机在转子串入外加电压后可以改变电机的理想空载转速，但电机的同步转速并没有变化。本章中所采用的转差率都是相对于电机固有的同步转速而言的。在这种情况下，转子接入外加电压后电机理想空载转差率不等于零，属于改变理想空载转速进行调速，可以等效地看成是“变同步转速”的调速，但其中的关系必须看清楚。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分4.双馈调速的异步电机的运行状态和功率流动关系20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日

8、日1818时时3939分分图图6-7亚同步发电制动运行状态相量图亚同步发电制动运行状态相量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分（3）超同步电动运行状态（）0s 20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-8超同步电动运行状态相量图超同步电动运行状态相量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-8超同步电动运行状态相量图超同步电动运行状态相量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日

9、日1818时时3939分分图图6-9超同步发电制动运行状态相量图超同步发电制动运行状态相量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-10倒拉反转运行状态相量图倒拉反转运行状态相量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 由上面的分析我们可以画出双馈调速的异步电机在5种运行状态时的功率流动图（图6-11）。图图6-11双馈电机双馈电机5种运行状态下的功率种运行状态下的功率流动方向流动方向20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 对于许多生产机械，亚同步

10、发电制动状态和超同步电动状态都是必不可少的。双馈调速的异步机的优点之一就在于很容易实现这些状态。因此，双馈调速有很广阔的发展前途。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分5.双馈调速系统的分类 双馈调速的异步电机的转子绕组一般采用交-交变频器作为变频电源。为使电机稳定运行，要求在任何转速下，交-交变频器输出的电压与转子电势同频率。根据交-交变频器的频率控制方法不同，双馈调速可以分为他控式和自控式两种控制方式。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 即转子绕组中的电压频率被强制改变时

11、，转子转速才会发生变化。这种控制方式即为他控工作方式。此时，电机的工作相当于转子加交流励磁的同步电机运行，电机转速与负载无关，具有同步电机的特点，但与同步电机不同的是电机转速可以调节。他控式双馈调速的异步电动机在突加负载或转速快调节的情况下，系统比较容易产生振荡。因此实际应用比较少，主要见于风机泵类等负载平稳及对调速的快速性要求不高的场合。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-12绕线式异步电动机双馈调速系统框图绕线式异步电动机双馈调速系统框图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3

12、939分分6.1.2 绕线式异步电动机串级调速的基本原理1.串级调速的基本概念和特点 由前面的分析可知，绕线式异步电功机的转子绕组回路串入附加电势，可以调节电机转速。在双馈调速方式中是采用交-交变频器来产生附加电势的。如果把转子感应电势通过可控整流器变换成为直流电压，然后用一个直流附加电势与之作用，也可以调节异步电动机的转速。这就是串级调速的基本工作原理。在串级调速方式中，把交流可变频率电势转化为与频率无关的直流电压，使得分析和控制都比较方便。但同时也因为不可控整流器的引入，给系统带来了一些新问题。主要是转子电流畸变，附加电势的相位不可调，系统的功率因数较低及功率不能双向传递等问题。这些内容将

13、在后面详细讨论。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分一种比较常见的电气串级调速系统原理图如图6-13所示。图图6-13电气串级调速系统原理图电气串级调速系统原理图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 由于串级调速装置的转子侧整流器那是不可控的，从图6-13可以看出，转子整流电流和功率（）只能单方向流动。即转差能量只能由电机流入变换器。由图6-11可以看出，不可控整流式的串级调速的异步电动机只能工作在亚同步电动、超

14、同步发电制动和倒拉反转制动运行状态。把这类调速系统一般称为亚同步串级调速系统。为使串级调速系统能够达到亚同步发电制动和超同步电动状态，转子侧的整流器必须变为可控的。由此得到的一类串级调速系统称为“超同步串级调速系统”。与亚同步串级调速系统相比，它的功能比较完善，但控制方式也复杂一些。超同步串级调速系统将在6.4.2节中进行详细分析。以后若不特别指出，所讲的串级调速系统都是指亚同步串级调速系统。ddUI20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分2.串级调速系统的分类 根据串级调速系统中功率分配方式的不同，串级调速可分为机械回馈式串级调速（恒功率电机型串级调速）和电气回馈式串

15、级调速。图6-13即为一种电气回馈式调速系统。在此系统中，转差功率是以电能的形式回馈电网的。早期的电气回馈式串级调速系统如图6-14所示。这种系统所用电机较多，目前已不采用。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-14电气回馈式串级调速系统（早期）电气回馈式串级调速系统（早期）原理图原理图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分IM3ZD图图6-15机械回馈式串级调速系统原理图机械回馈式串级调速系统原理图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分2022

16、2022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 从节能的角度看，机械回馈式串级调速系统有很大的优越性。特别是需要恒功率调速的设备，可以考虑采用这种串级方式。但是因为系统需要一台直流电动机，噪音大，直流电机的容量也直接限制了调速范围。所以这种串级调速系统很少采用。本章以后各节所讨论的串级调速系统在未加特别说明时，都是指静止式电气串级调速系统。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分6.2 双馈调速系统和串级调速系统的稳态特性6.2.1 双馈调速系统的稳态特性20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1

17、818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-16双馈调速的异步电动机的机械特性双馈调速的异步电动机的机械特性20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 上式表明，在双馈调速的异步电动机中，定子有功电流和转子有功电流的变比关系是 ，而定子无功电流由两项组成，第一项是空载励磁电流 ，第二项是转子侧励磁电流。一般地，接近于1（为简化分析，忽

18、略定子漏抗，则 ）。电机内部的电流关系如图6-17所示。sK0IsKs1K 20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-17双馈电动机的有功电流和无功电流关系双馈电动机的有功电流和无功电流关系20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 由式（6-21）和图6-17都可以看出，当控制电机转子电流的无功分量 为负值时，将会使定子电流的无功分量 （负值）的绝对值减小，甚至可使 变为正值（参见图6-17中的 ）。这就是增强转子侧的励磁分量能提高定子侧功率因数的原因。由于转子侧电压低（近似和转差频率成正比），所以转子侧的励磁功率要比定子侧励磁功率小得多。

19、rqIsqIsqIsqI20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分2.双馈调速系统的能量指标20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分a)b)图图6-18双馈电动机的能量流图双馈电动机的能量流图a)a)亚同步电动状态亚同步电动状态 b)超同步电动状态超同步电动状态20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 对超同步电动运行状态，系统的效率公式完全相同。一般说来，、相对于 来说都比较小，因此，双馈调速系统的效率都很高。双馈调速的异步电动机的能量指标的另一个突出优点，就

20、是在保证调速要求的同时，还可以独立的调节电动机定子侧的无功功率，从而提供整个系统的功率因数。由前面的分析可知，通过调节转子外加电压的幅值和相位，应可以使定子侧功率因数得到改善，甚至可以使电动机定子侧发出无功功率。在保持电动机的气隙磁通不变的条件下，由转子侧励磁的功率要小于由定子侧励磁的功率，从而可以提高电网侧的功率因数。双馈调速的功率因数一般可以达到0.9以上。因此，采用双馈调速的异步电动机不仅调速性能好，而且还可以有效地调节电网的无功功率。MPPmP20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 （2）双馈调速系统的运行方式）双馈调速系统的运行方式 双馈调速的异步电动机的一

21、个突出优点是电机在调速的同时，能够独立调节定子侧无功功率，改善系统的功率因数。在实际应用中，合理的选择转子电流的控制方式，使系统获得某种能量指标的最优是有意义的。一般地，双馈调速系统中有四种常见的运行方式，即全补偿工作方式、最小损耗工作方式，转子电流最小工作方式和转子电流恒定工作方式，下面逐一进行分析。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 全补偿工作方式即全部补偿定子的无功功率，使定子无功电流为0，如图6-19所示。定子电流矢量端点轨迹在纵轴上，功率因数接近1，但在转子不过流的条件下，最大转子转矩电流分量将小于额定转子电流的转矩分量，因而电动机的输出转矩将小于额定转

22、矩。这种工作方式控制简单，较易实现，比较适应于负载变化不大的场合。图图6-19全补偿工作方式矢量图全补偿工作方式矢量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 转子电流最小工作方式这种工作方式的实际意义在于降低转子侧交-交变频器的容量。由于转子有功电流分量取决于负载，因此，当转子电流无功分量为零时，转子电流达到最小值。在这种情况下，当转矩为额定时，转子的全电流即为额定的有功电流。对于功率为5003500kW的电动机，在额定转矩时，这种工作方式可以使转子电流降低9%12%。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 转子电流恒定工作方式当负载变化时，

23、转子电流的幅值不变，但相位改变了。如图6-20所示。重载时，转子电流的转矩分量较大，满足负载要求，在不过流的条件下，发挥改善功率因数的作用；轻载时，则提供较大的超前无功电流，尽量发挥改善功率因数的作用。这种工作方式特别适合于负载变动较大、经常轻载而电网又常常需要补偿功率因数的场合。图图6-20转子电流恒定工作矢量图转子电流恒定工作矢量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 最小损耗工作方式这种工作方式的基本原理是通过调节转子电压的幅值和相位，合理地分配定子电流的有功分量和无功分量，使得在任何负载下双馈调速的异步电动机的损耗为最小。这种工作方式系统效 率 最 高，但

24、控 制 复 杂。通 过 计 算 表 明，对5003500kW的电动机，在额定负载条件下，铜损约减小15%30%。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分6.2.2 串级调速系统的稳态特性串级调速系统的稳态特性1.串级调速系统的机械特性 在串级调速系统中，由于存在转子整流器，转子电流不再是正弦波了。因此，应该首先从转子整流电路入手分析异步电机串级调速时的机械特性。在图6-13中，三相桥式整流器UR与电机转子三相绕组相连，转子绕组相当于整流变压器的二次绕组。因此，转子整流电路与一般整流变压器和三相桥式电路相似，但也存在如下的不同之处：20222022年年8 8月月5 5日日

25、1818时时3939分分 电机转子三相绕组感应电动势的幅值和频率都是转差率的函数；转子电流的频率也是转差率的函数，因而转子的每相漏抗值也是转差率的函数；由于电机转子侧等效漏抗值较大，引起换相重叠现象严重，转子整流器会出现特殊的工作状态，即整流器的“强迫延迟导通”现象。因此，在分析串级调速系统转子整流器的工作时，必须注意以上因素20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分（1）三相桥式整流器的工作状态为便于分析，作出以下几点假设：直流回路的滤波电抗器的电感量足够大，能滤掉所有的谐波分量而得到平直的直流电流；忽略电机电阻对换相的影响；整流元件是理想的，导通时正向电阻为零，截止时

26、反向电阻为无穷大。由于电动机漏抗的存在，是的换流过程中电流不能突变，会产生换相重叠。根据换向重叠角 的大小和换流时工作元件的数目，可以把整流器的工作情况分为三种：20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-21换相时的等值电路换相时的等值电路20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-22三相桥式整流器的波形（三相桥式整流器的波形（）6020222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分202220

27、22年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 当 时，电流和电压的波形如图6-23所示。这时共阴极组（元件1、3）换流的终止点，正好是共阳极组（元件2、4）换流的起点，整流器始终处于换流状态，但还是在自然换流点换流。所以只要重叠角 ，整流电路就有换流和不换流两种运行状态，属于整流器的“状态2-3”，称为第一工作状态。6020222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-23第一、第二工作状态交界处的整第一、第二工作状态交界处的整流器波形（流器波形（）6020222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818

28、时时3939分分图图6-24三相桥式整流器的波形（三相桥式整流器的波形（）p60,3020222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分图图6-25第二、第三工作状态交界处的整第二、第三工作状态交界处的整流器波形（流器波形（）p3020222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分 （2）转子电势和电流的瞬时值）转子电势和电流的瞬时值 从以上分析看出，整流电路工作过程中，存在换相重叠和换相延迟现象，使转子电流不是方波也不是正弦波。根据磁势平衡关系，定子电流也不是正弦波，从而使定子漏抗压降和定、转子电势波

29、形发生畸变。但是由于漏抗压降相对于定子电势很小，它引起的定、转子电势畸变不严重。为简化分析，我们仍认为电势为正弦波，因此只对转子电流波形进行分析，并导出在不同工作状态时的瞬时值表达式。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时3939分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5

30、 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分电机额定运行时的工作区间将式（6-45）与式（6-50）比较，可得eiImaxeimax0.716TT 一般绕线式异步电动机的最大转矩 ，所以，。可见串级调速系统的额定工作点处于第一工作区。在设计串级调速系统时，利用第一工作区的转矩表达式即可。eimaxeiN(1.8 2)TTeiImaxeiN(1.29 1.43)TT20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4

31、040分分用标幺值表示的转矩特性20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-26异步电动机串级调速时的转矩特性异步电动机串级调速时的转矩特性20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-27异步电动机串级调速时的机械特性异步电

32、动机串级调速时的机械特性20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分2.串级调速系统的能量指标（1）串级调速系统的总效率）串级调速系统的总效率由于串级调速系统在正常电动运行时，只能工作在亚同步转速区。因此，其能流图与工作于亚同步电动状态的双馈调速系统类似（如图6-18（a）所示）。与双馈调速系统相比，串级调速系统的转差功率

33、需要经过中间直流环节实现能量变换，因此，效率略低于采用交-交变频器直接实现能量变换的双馈调速系统。但与转子串电阻调速系统相比，它的效率还是相当高的。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-28晶闸管串级调速和转子串电阻晶闸管串级调速和转子串电阻调速的效率曲线调速的效率曲线20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 异步电动机转子串电阻和串级调速时的效率曲线如图6-28所示。其中 为转子串电阻调速时的效率，为串级调速时的效率高得多，有明显的节能效果，这是串级调速装置的最大优点。而

34、且由于其结构比较简单，因而在工业中获得广泛应用。RC20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 （2）串级调速系统的总功率因数）串级调速系统的总功率因数 一般串级调速系统的总功率因数都比较低，通常只有0.30.6，即使在高速满载运行时，功率因数也只能达到0.60.65，比正常接线时电动机的功率因数减少0.1左右。这是串级调速系统的主要缺点。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分串级调速系统功率因数低的主要原因 造成串级调速系统功率因数低的原因主要有三个方面。首先，晶闸管逆变桥采用自然换流方式，逆变桥触发角在 之间，电流相位滞后，需从电网吸收大量的

35、换相无功功率，再加上电动机本身和逆变变压器在正常工作时也要吸收相当数量的无功电流，因此串级调速系统从电网吸收的无功功率比异步电动机单独运行时多得多，而有功功率则由于转差功率的回收而减少，于是功率因数就变得很低。这是造成串级调速系统功率因数低的主要原因。其次，在串级调速系统中由于转载整流电路存在严重的换流重叠现象，使得定子和转子电流都是非正弦的，从而导致电机本身的功率因数降低。此外，串级调速系统中电流波形发生畸变也会使串级调速系统的功率因数下降。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 由式（6-70）可见，

36、串级调速系统从电网吸收的总有功功率是电动机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之差；而从交流电网吸收的总无功功率却是电动机和逆变器吸收的无功功率之和。因此，串级调速系统的功率因数较低。随着电机转速的下降功率因数还会进一步降低。下面，我们借助于图析法来进一步分析电机转速对系统功率因数的影响。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 在串级调速系统中，电机转子电流的大小取决于负载。如果电机拖动的是恒转矩负载，则转子回路中电流，也就是经逆变器送到电网的电流也是一定的。在逆变器电网侧电压一定的前提下，这意味着由逆变器反馈电网的视在功率也是一定的。在忽略损耗的情况下，电机的

37、转差功率就是转子整流器输出的直流功率，也就是由逆变变压器反馈到电网的有功功率。由式（6-37）、（6-41）可以看出，在电机调速时，这个功率是与转差率成正比的。电机转速越高，则转差率越小，经转子整流器和逆变器回馈电网的视在功率是一定的，因此无功功率必须增大。当异步电动机转速接近同步速度时，转差率接近于零，转子输送回电网的有功功率也为零，这是反馈电网的全部视在功率都将是无功功率。这些无功功率将使系统的功率因数显著下降。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 根据以上分析可以做出串级调速系统的功率矢量图，如图6-29所示。图图6-29串级调速系统功率矢量图串级调速系统功率

38、矢量图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分串级调速系统功率因数的改善方法20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 由图6-30可以看出，电容补偿有改善串级调速系统功率因数的效果。但这种方法也存在着缺点，即电容器对电网谐波比较敏感，容易引起发热，与电动机电抗之间产生自激震荡现象，在负荷变化时引起电网电压变化较大。因此便出现了从串级调速系统本身来解决功率因数过低的方法，如下所述。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-30不同方式的串级调速系统的功率因

39、数不同方式的串级调速系统的功率因数1采用电容器补偿采用电容器补偿 2逆变器串联逆变器串联 3采用斩波控制采用斩波控制 4般形式逆变般形式逆变器器20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-31两台逆变器串联的纵续控制系统两台逆变器串联的纵续控制系统20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 （c）斩波控制串级调速系统。这种方案如图6-32所示。它是在常规串级调速系统的直流回路中，加上了一个并联型直流斩波器，斩波器CH工作在开关状态。当它接通时，转子整流电路被短接，电动机相当于在转子

40、短路状态下工作；当它断开时，电动机在串级调速接线下工作。为了提高系统的功率因数，减少逆变器从电网吸收的无功功率，总是把逆变器固定在最小逆变角下工作，且不随转速变化而变化。这时，只要改变斩波器的占空比便可改变异步电动机的理想空载转速。设斩波器开关周期为T，CH接通的时间为 ，则逆变器经CH送至整流器的电压 。的波形如图6-33所示。chiTUUTchU20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-32具有斩波环节的晶闸管串级调速系统原理图具有斩波环节的晶闸管串级调速系统原理图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-33斩波器脉宽调制理想波

41、形图斩波器脉宽调制理想波形图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 由图6-32和6-33可见，改变占空比，相当于改变串入整流器的直流回路的附加电势，因而能调节电机转速。由于在系统中逆变器的控制角一般取较小值且固定不变，故可提高系统的功率因数，如图所示，同时由于系统的功率因数较高，通过逆变器传输的功率几乎都是有功功率，即异步电动机的转差功率，因此这种斩波调速串级调速系统的逆变器和逆变变压器的容量比普通串级调速系统要小得多。系统功率因数高和逆变器容量相对较小，是斩波控制串级调速系统的突出优点，而且由于其控制系统的结构也十分简单、可靠，因此，它是一种很有发展前途的串级调速

42、系统。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 （d）GTO串级调速系统。这种系统通过改变逆变系统的工作状态来提高功率因数，即使逆变系统的控制角 在180270之间改变，为此，只需将逆变桥中普通晶闸管用可关断晶闸管GTO来代替。如图6-34所示。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-34节能型串级调速装置原理图节能型串级调速装置原理图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图6-35逆变

43、电压、电流波形图及矢量图（）a)电压波形 b)电流波形 c)电压和电流向量图 d)串级调速装置电压和电流矢量图24020222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分6.3 双馈调速和串级调速的闭环控制系统 异步电动机无论是采用双馈调速还是串级调速，在开环控制时静差率都比较大，如图6-16和图6-27所示。因此，开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。为了提高调速精度和获得较好的动态特性，就要采用闭环控制。串级调速的闭环控制系统与直流双闭环系统相类似，也可以采用转速和电流两个闭环。因此，在系统设计时可以应用直流传动系统的闭环调节原理，但也必须考虑串级调速的特殊性。实践证明，

44、加上闭环控制后，系统的静、动态性能都得到了较大的改善。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 对双馈调速而言，在矢量控制理论出现之前，只出现过一些简单的闭环控制方案。但由于这些方案都不够完善，未能充分发挥双馈调速的优点而逐渐被采用矢量控制的双馈调速系统所代替。由于采用矢量控制后可以独立调节有功功率（转矩和转速）和无功功率，系统的动、静态性能优越，可以达到或超过直流调速系统的水平，因而在工业中应用日益广泛。本节主要阐述采用简单闭环控制的双馈调速系统和串级调速的闭环控制系统的工作原理，矢量控制双馈调速系统将在第6.6节中详细讨论。20222022年年8 8月月5 5日日1

45、818时时4040分分6.3.1 双馈调速的简单闭环控制系统 历史上曾出现由简单闭环控制的双馈调速系统是用模拟直流调速系统实现的。其原理如图6-36所示。该系统存在两个闭环：速度闭环和电流闭环，分别用于系统的速度调节和电流调节。电流检测环节检测电动机转子三相电流，一方面用作电流反馈，另一方面经过过零逻辑环节产生过零信号。电压同步环节用于产生触发交-交变频器所需的同步电压信号。对过零信号、同步电压信号和电流调节器的输出信号进行综合，经脉冲生成环节产生脉冲，用于控制交-交变频器输出频率幅值可调的“准正弦电压”20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-36简单闭环控制的

46、双馈调速系统简单闭环控制的双馈调速系统20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 这种简单闭环控制系统在一定程度上克服了开环系统的不足，但由于被控对象异步电动机是一个非线性强耦合的电磁系统，因此与异步电动机的早期其它调速方案一样，系统的动静态品质不很理想，只能应用于风机、泵类等对调速精度和动态性能要求不高的场合。这在一定程度上限制了双馈调速的进一步发展。矢量控制理论的出现为交流调速技术的发展注入了活力。双馈调速系统采用矢量控制后，系统的动静态品质都得到很大的提高，可与直流调速系统相媲美。矢量控制的双馈调速系统的调速精度高，动态特性优越，效率和功率因数也比较高，而且转子侧的

47、变频器容量可以做得比电机容量小，这对于调速精度要求较高、调速范围不大的大功率场合如轧钢机类负载尤其具有吸引力，显示出广阔的发展前景。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分6.3.2 串级调速的闭环控制系统20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-37晶闸管串级调速双闭环系统晶闸管串级调速双闭环系统ACR电流调节器；ASR速度调节器；GT触发器；TG测速发电机；20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 利用电流负反馈作用与速度调节器ASR输出电压的限幅环节作用，在加速过程中，也能实现恒流升速，使系统具有较好的加速特性

48、。需要加速时，增加给定信号 ，经逆变触发器GT使 角变大，逆变电压下降，直流电流（即电动机电流）增加，电机加速，由于限幅环节作用，在加速过程中电动机能维持所设定的最大加速转矩。随着转速升高，转速反馈信号增加，最后在与给定信号相对应的较高转速下稳定运行。为了研究晶闸管串级调速双闭环控制系统的动态校正方法，先介绍其传递函数及系统结构图。n20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分2.系统的动态结构图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分（2）异步电动机的传递函数）异步电动机的传递函数20

49、222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分（3）触发逆变环节的传递函数）触发逆变环节的传递函数20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分（4）电流反馈回路的传递函数）电流反馈回路的传递函数20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分（5）转速反馈回路的传递函数20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分图图6-38异步电动机晶闸管串级调速系统双闭异步电动机晶闸管串级调速系统双闭环系统动态结构图环系统动态结构图20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日18

50、18时时4040分分20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分6.4 绕线式异步电动机双馈矢量控制系统6.4.1 绕线式异步电动机双馈调速系统 双馈调速是指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组，通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的变频电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电动机的转矩、转速、转向及定子侧的无功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步或亚同步运行，不但可以工作再电动状态，而且可以工作在发电状态。20222022年年8 8月月5 5日日1818时时4040分分 因为交-交变流器采用晶闸管