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学习指导
第9章 绕线转子异步电动机双馈调速及串级调速系统 9.1 绕线转子异步电动机双馈调速及串级调速的基本原理 一、双馈调速及串级调速的基本概念 1、功率分析
PM=Pmec+Ps PM=T·?1 Pmec=(1?s)PM
Ps=s?PM=3·I2·r2 （9-1）
当异步电动机拖动恒转矩负载时，电磁功率PM=TΩ1为常值，转子侧的机械功率Pmec与转差功率Ps之和也为常值。如果人为地改变转差功率，则异步电动机的机械功率将随之改变，电机的转速亦将随之改变。为此，人们寻求一种既能改变转差功率Ps的大小，又能充分利用这部分功率的方法，现代电力电子技术的发展为它提供了现实的可能性，这就是异步电动机的双馈调速和串级调速方法。
2、双馈调速
所谓双馈调速，就是将电能分别馈入绕线转子异步电动机的定子绕组和转子绕组，其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源，而接入转子绕组电源的频率、电压幅值则需按运行要求分别进行调节。如果改变转子外接电源电压的幅值和相位，就可以调节异步电动机的转矩、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不但可以在亚同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运转，因此双馈调速又称为超同步串级调速。
3、串级调速
对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动势，这使整个系统控制线路大为简化，称之为串级调速。也叫低同步串级调速系统，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的缘故。串级调速是双馈调速的一种特殊情况。
在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。这样，就把交流变压变频的复杂问题转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。当然，对这一直流附加电动势要有一定的技术要求。首先，它必须平滑可调，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。
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例如，把转差功率回馈给交流电网，或者把它转换成机械功率送到电气传动装置的轴上，从而提高调速系统的效率。 二、串级调速的基本原理
图9-1为串级调速的转子电路原理图。 三相异步电动机的转子感应电动势：
E2?sE20
转子电流I2的值为 I2?sE20?Ef2R2??sX20?2 图9-1 串级调速的转子电路原理图 式中：E20——s?1时转子开路相电动势；
X20——s?1时转子绕组的相漏抗。
1）如串入的交流附加电动势与转子感应电动势相位相反、频率相同，则转子电流将变小：
I2?sE20?Ef2R2??sX20?2 转子电流的减小，会引起交流电动机拖动转矩的减小，设原来电动机拖动转矩与负载转矩相等处于平衡状态，串入附加电动势必然引起电动机降速。在降速的过程中，随着速度的减小，转差率s增大，分子中sE20回升，电流也回升，使拖动转矩升高后再次与负载平衡，降速过程最后会在某一较低的速度下重新稳定运行。
这种向下调速的情况称为低于同步转速的串极调速（低同步串调）或称次同步转速的串极调速（次同步串调）。
2）如串入的交流附加电动势与转子感应电动势相位相同、频率相同，则转子电流将变大：
I2?sE20?EfR??sX20?222 转子电流的增大，会引起交流电动机拖动转矩的增大，设原来电动机拖动转矩与负载转矩相等处于平衡状态，串入附加电动势必然引起电动机升速。在升速的过程中，随着速度的增大，转差率s减小，分子中sE20下降，电流也下降，使拖动转矩下降后再次与负载平衡，升速过程最后会在某一较高的速度下重新稳定运行。
这种向上调速的情况称为高于同步转速的串极调速（超同步串调）。 三、串级调速的基本运行状态及其功率传递关系
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忽略异步电动机定子、转子铜损耗、铁损耗及各种机械摩擦损耗等，只研究电磁功率
PM、机械功率Pmec=(1-s) PM和转差功率Ps=sPM的流动方向，以确定其运行状态。
（1）转子运行于次同步调速的电动状态（1＞s′＞0）
?前电机拖动某恒定负载的转差图9-2是这种情况下的相量图，图中s是未加电压U2?后电机运行的转差率。U2?与sE2?反相，电机转速往率，s′是拖动同样负载且加了电压U2低调，即在零转速与同步转速之间调节。从图中看出：电磁功率PM=m1U1I1cosφ1＞0，此功率的流动方向是从定子电源到电机，式中m1为定子绕组相数。
????图9-2 次同步电动运行状态相量图 图9-3 次同步回馈制动运行状态相量图
机械功率Pmec=（1-s′）PM＞0，是电机输出给机械负载的。
?为转差功率Ps= s′PM= m2U2I2cosφ2′＜0，这部分功率回馈给转子外接电源了，式中?2?与I2?间夹角。 U2这种情况属电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。见图9-7a。 （2）转子运行于次同步转速的定子回馈制动状态（1> s' > 0）
???前电机已运行在回馈制动状态，这种情况的相量图如图9-3所示，在未加U2在此基础?，且令U2?与-sE2?同相，此时电机的实际转差率s??0，转速低于同步转速，上加电压U2但仍是定子回馈制动运行状态。由图中可以看出：
电磁功率PM=m1U1I1cosφ1＜0，是由电机回馈给定子电源的 。 机械功率Pmec=（1-s′）PM＜0，是原动机输入给电机的。
转差功率Ps= s′PM= m2U2I2cosφ2′＞0，是转子外接电源输入给电机的。 这种情况下电磁转矩为制动性转矩，见图9-7b。 （3）转子运行于超同步转速的电动状态（s′< 0）
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?与转子电动势sE2?同相且︱电机原运行在次同步转速的电动状态，当转子外接电压U2?︱＞︱sE2?︱，这时电机的转速超过同步转速，s′< 0，见图9-4。 U2电磁功率PM=m1U1I1cosφ1＞0，由定子电源输给电机。 机械功率Pmec=（1-s′）PM＞0，由电机输给负载。
转差功率Ps= s′PM= m2U2I2cosφ2′＞0，由转子电源输给电机。 此种情况属电动运行状态，电磁转矩为拖动性，见图9-7c所示。 （4）转子运行于超同步转速的定子回馈制动状态（s′< 0）
????图9-4 超同步速电动运行状态相量图 图9-5 超同步速回馈制动运行状态相量图
异步电动机定子接在电源上，当转子转速超过同步转速时，就运行于定子回馈制动状
?与-sE2?反相，如图9-5所示，则能将转子转速继续态。在此基础上，若转子外接电压U2调高，即s??0（受转子机械强度限制）。由图9-5可以看出：
电磁功率PM=m1U1I1cosφ1＜0，由电机回馈给定子电源。 机械功率Pmec=（1-s′）PM＜0，由原动机输给电机。
转差功率Ps= s′PM= m2U2I2cosφ2′＜0，回馈给转子外接电源。 这种情况下电磁转矩是制动性的，见图9-7d所示。 （5）电机运行于倒拉反转的电动状态（s'?1）
在图9-2的基础上，只要增大U2的值，电机的转速不仅可以向下调节，还可以停转乃至反转，即s??1。由于x2>>r2，转子功率因数角φ2≈90o，相量图如图9-6所示。
由图可见：
电磁功率PM=m1U1I1cosφ1＞0，由定子 电源输给电机。
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