第六章交流调速系统

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1、华南理工大学第六章第六章 交流调速系统交流调速系统 华南理工大学内容提要内容提要交流调速的基本类型；交流调压调速系统；绕线型异步电动机的串级调速系统；串级调速系统的工作特性；串级调速的双闭环控制系统。华南理工大学 6.1 6.1 交流调速的基本类型交流调速的基本类型 现在，从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速拖动系统；从一般要求的小范围调速，到高精度、快响应、大范围的调速；从单机拖动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速系统。交流电动机具有结构简单、坚固耐用、运行可靠及惯性小等优点，交流调速已成为节能方面的一项关键技术，它在工业中的应用有着广阔的前景。华南理工大学 交流电机的同步转速表达

2、式为：异步电动机的转速表达式为：因此，异步电动机的调速方法有改变电动机定子供电频率，改变转差率及改变极对数等三种。其中改变转差率又可通过调定子电压、转子电阻、转差电压及定、转子频率差等方法实现。同步电动机的调速可用改变供电频率从而改变同步转速方法实施。pfn1160)1(6011spfn华南理工大学 变极调速转子串电阻调速调压调速串级调速，有以下四种基本类型：a、电气串级；b、机械串级；c、低同步串级调速；d、超同步串级调速。各种交流电机的调速方法各种交流电机的调速方法 华南理工大学电磁转差离合器调速 变频调速。变频器是其核心环节，变频调速有如下几种方式：1、间接变频（交直交变频）a、电压型变

3、频调速；b、电流型变频调速；c、脉冲宽度调制（PWM）变频调速。2、直接变频（交交变频）3、矢量变换控制电磁转差离合器调速华南理工大学 20世纪80年代中期研制开发出一种新型交流调速系统开关磁阻电动机调速系统，它将新型的电机、现代电力电子技术与控制技术融为一体，形成一个典型的机电一体化的调速系统。由于它在效率、调速性能和成本方面都具有一定的优势，已成为当代电力拖动的一个热门课题，将会在调速领域占有一席之地。交流调速的控制策略近年来发展非常迅速，诸如转差矢量控制，自适应控制（磁通自适应、断续电流自适应、参数自适应等模型参考自适应控制），状态观测器（磁通观测器、力矩观测器等），为补偿速度降以提高精

4、度的前馈控制，以节能、平稳、快速等为目标函数的优化控制，线性二次型积分控制，滑模变结构控制，直接转矩控制及模糊控制等已见诸国内外有关文献及杂志中。交流调速系统发展展望交流调速系统发展展望华南理工大学6.2 6.2 交流调压调速系统交流调压调速系统 内容提要：内容提要：6.2.1 三相交流调压电路 6.2.2 异步电动机在调压时的机械特性 6.2.3 闭环控制的调压调速系统 6.2.4 调压调速时的效率和出力 华南理工大学 在恒定交流电源与电动机之间接入晶闸管，通过控制晶闸管的导通角，可以调节电动机的端电压，从而实现调速，这种装置称晶闸管交流调压器。交流调压器与可控整流器一样都是利用相位控制，在

5、工作原理上有其相似之处，只是在带交流电机负载的波形分析、双向晶闸管的触发控制等有其特殊性，在此不加详述。下面给出几种三相交流调压电路及其一相输出电压波形。（注：图中反并联连接的晶闸管也可用双向晶闸管代替。）6.2.1 6.2.1 三相交流调压电路三相交流调压电路 华南理工大学 图中电路(a)为带零线的星形（Y0）三相调压电路，它是三个单相反并联调压电路的组合，晶闸管移相范围为1800。此电路每相负载上所得到的电压与电流波形正负半波对称，可称为三相对称电路。由于输出电压呈缺角正弦波状，电路就有较大的奇次谐波电流，在=900时三次谐波电流最大。因为各相三次谐波电流同相，故中线上有较大谐波电流流过中

6、线上有较大谐波电流流过。因此此线路此线路较少采用较少采用。华南理工大学 电路（b）为不带零线的星形三相调压电路，晶闸管移相范围为1500。此电路每相负载上所得到的电压与电流波形正负半波对称，其输出电压中只有奇次谐波，并以三次谐波所占比重最大。由于没有零线没有零线，所以虽有三次谐波电势而无它的通路，故没有三次谐波电流没有三次谐波电流。华南理工大学 电路（c）为半控调压电路，每相只有一个晶闸管，移相范围为2100。此电路设备简单，但每相的电压电流波形正负半波不对称，负载电流兼有奇、偶次谐波。而无直流分量。偶次谐波电流会产生与基波转矩相反的负转矩，使电动机输出转矩减少，效率降低输出转矩减少，效率降低

7、。因此，此电路仅在简单的小容量电机中使用仅在简单的小容量电机中使用。华南理工大学 电路（d）为晶闸管与负载接成内三角形的三相调压电路，它实际上也是三个单相交流电路的组合，晶闸管移相范围为1800。在同样负载容量下，此电路的晶闸管承受的电压比其它型式电路要高，电路中存在三次谐波电流。电机电机要能引出六个接线端，定子绕组要能承受线电要能引出六个接线端，定子绕组要能承受线电压，实际很少使用。压，实际很少使用。华南理工大学 电路（e）只用三个晶闸管，它们位于三相绕组后面可减少电网浪涌电压对它的冲击，即使三相绕组发生相间短路也不致损坏晶闸管，它的移相范围为2100。此电路要求定子绕组中性点能拆开，且只能

8、接成Y形。电路上有偶次谐电路上有偶次谐波，对电机不利。波，对电机不利。华南理工大学优胜电路：综上所述，电路（电路（b b）、）、(e)(e)性能较好，在交流调压调速系统中多采用这两个方案。华南理工大学 根据电机学原理，异步电动机稳态时的简化等值电络图如图62所示。6.2.2 6.2.2 异步电动机异步电动机 在调压时的机械特性在调压时的机械特性R1R2Ll1Ll21-ssr2RmI2LmImU1I1图62 异步电动机简化等值电路图华南理工大学 式中：R1、2 定子每相电阻和折算到定子 侧的转子每相电阻；定子每相漏感和折算到定子 侧的转子每相漏感；Lm 励磁电感；U1、1 电动机定子相电压和供电

9、角 频率。由图可得转子等值电流 为：2I2211222112)()(llLLsRRUI2RR21llLL、华南理工大学 通常励磁电流Im很小，可以忽略，于是 ，三相电磁功率：同步机械角速度：由上可以得到异步电动机的电磁转矩为：异步电动机的机械特性方程式的推导：异步电动机的机械特性方程式的推导：21II21II2223sMI RPp112221222221111211233(/)()MllPRpU RspTIsRRsLL（上式就是异步电动机的机械特性方程式）华南理工大学对S求导并令 可求出产生最大转矩时的转差率Sm及最大转矩Tm分别为：22121212)(llmLLRRS)(2322121211

10、121llmLLRRpUT0dSdT华南理工大学 上式表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与电压平方成正比。对应不同的定子电压，可得到一组机械特性曲线，如图63 所示，图中U1N表示定子额定电压。右图分析：右图分析：带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机调压时的稳定工作点为ABC，转差率在0Sm范围内变化，调速范围很小。如带风机类负载运行，工作点为D、E、F，调速范围稍大些。风机类负载特性SSTT001mL1nn0.5UUU1N1N1N0.7T图63 异步电动机在不同定 子电压时的机械特性华南理工大学 为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围，使电机在较低速下稳定运行又不致过热，可采用电动机转子绕组有

11、较高电阻值时的机械特性。在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性。图6-4显示此类电动机的调速范围增大了，而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电动机。ABC0.5U1N0.7U1NU1Ns n0 n110TLT图64交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性华南理工大学6.2.36.2.3闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统6.2.3.16.2.3.1 系统的组成及其静特性系统的组成及其静特性 异步电动机调压调速时，采用普通电机的调速范围很窄；采用力矩电机时，调速范围虽有所增大，但机械特性变软，负载变化时的静差率太大，开环控制难以解决这个矛盾。对于恒转矩负载，调速范围要求在 D2以上时，常采用带

12、转速负反馈的闭环控制系统，要求不高时也可采用定子电压负反馈。华南理工大学系统组成及静特性如下：ASRGTVVCM3TGnAAAUn1Un2Un3U1N时的机械特性U1min时的机械特性TnUnUn（a）原理图 (b)静特性图65转速 负反馈闭环控制的交流调压调速系统华南理工大学设本系统带负载TL在A点稳定运行，当负载增大导致转速下降时，通过转速反馈控制作用提高定子电压，从而使电机过渡到另一条机械特性上的点稳定运行。同理，当负载减少时，电机便过渡到降低定子电压机械特性上的点稳定运行。按照反馈控制规律，工作点、连起来就是闭环系统的静特性。华南理工大学这种采用不同机械特性上取得相应工作点连接起来获得

13、闭环系统静特性的分析方法，不会因为异步电动机与直流电动的机械特性差别很大而改变。虽然交流力矩电机的机械特性很软，但只要选取合适的系统放大系数，闭环系统静特性仍然可以很硬。如果采用PI调节器，闭环系统可实现无静差调节。改变给定信号，系统静特性便可平行地上下移动，从而达到调速的目的。华南理工大学与直流电动机调压调速系统不同的是：在定子额定电压U1N和最小输出电压U1min相对应的机械特性是闭环系统静特性左右两边的极限；当负载变化达到两侧极限时，闭环系统便失去控制能力，回到开环机械特性上工作。华南理工大学系统的静态结构图系统的静态结构图Ksn=f(U1,T)ASRUctUin*nUTLUs图66 异

14、步电动机调压调速系统的静态结构图 华南理工大学对图6-5（a）所示的系统，可画出系统静态结构图，见图6-6。图中：Ks=U1/Uct-晶闸管交流调压器VVC和触发装置GT的放大系数；Uct-触发装置的控制电压；=Un/n-为转速反馈系数；Un-测速发电机TG输出的反馈电压；转速调节器ASR采用PI调节器；n=f(U1,T)是由式（6-7）描述的异步电动机械特性方程，它是一个非线性函数。华南理工大学稳态时：T=TL根据和，可由式（6-7）计算或用机械特性图解法求出所需的U1及相应的Uct。nUUnn*华南理工大学6.2.3.2 6.2.3.2 近似的动态结构图近似的动态结构图WASR(s)WGT

15、-V(s)WMA(s)WFBS(s)n(s)(*sUnUn(s)Ui(s)Uct(s)图6-7 异步电动机调压调速系统的近似动态结构图华南理工大学图中各环节的传递函数为图中各环节的传递函数为:转速调节器转速调节器ASRASR 常用PI调节器消除静差并改善动特性，其传递函数为 STSTKSWnnnASR1)(华南理工大学 晶闸管交流调压器和触发装置晶闸管交流调压器和触发装置GT-VGT-V 假定该环节输入输出关系是线性的,在动态中可近似为阶惯性环节，其近似条件与晶闸管触发与整流装置一样。本环节传递函数可表示为:1)(STKSWSSVGT对于三相Y接调压电路，可取 =3.3ms Ts华南理工大学

16、测速反馈环节测速反馈环节 考虑到反馈滤波的作用,传递函数为:1)(STSWonFBS华南理工大学 异步电动机异步电动机 由于描述异步电动机动态过程是一组非线性方程，难于写出其传递函数表达式。为了研究问题简便起见，忽略电机的电磁惯性及空载转矩，只分析电机在稳态工作点附近的动态特性，采用微偏线性化的方法求得电动机近似的传递函数。华南理工大学1126AApUSRpJs221213RpUALTT1U 图68异步电动机微偏线性化近似动态结构图华南理工大学如果只考虑U1到间的传递函数，不考虑负载扰动，可令TL=0，图中小闭环的传递函数可变为:22112212121331AApJSpUpUpJSRJSpR华

17、南理工大学于是，异步电动机的近似线性化传递函数为：1131.2312)3()()()(21222111221211211STKSUpRJUSRpUSpJSURpSUSSWmMAAAAAAAMA华南理工大学式中 KMA 异步电机的传递系数，Tm 异步电机拖动系统的机电时间 常数，AAAAMAUUSK1111)(222122213AmUpRJT华南理工大学当系统的输出为转速时，异步电动机传递系数应为：应该指出的是，上述传递函数是微偏线性化的数学模型，只能用于线性机械特性段上工作点附近稳定性的判别和动态校正，不适用于大范围起制动时动态响应指标的计算。AAMAUnnK11)(2华南理工大学6.2.4

18、6.2.4 调压调速时的效率和出力调压调速时的效率和出力推导过程：异步电动机的效率可用电机轴上输出的总机械功率Pm与电磁功率PM之比表示,即电机的转差功率为：6.2.4.16.2.4.1 调压调速的功率损耗调压调速的功率损耗SPPPPMm1121SMPsPsP华南理工大学上式可化为：负载转矩TL的通用表达式为：式中C为常数，0、1、2分别表示恒转矩负载、转矩与转速成比例的负载以及转矩与转速平方成比例的负载(如泵、风机等)。所以，21 s1SLPsPsKT nsCnTL)1(1111111SSKCnSnKCSSnKCnSSPS华南理工大学电动机的输出功率P2为：在S=0时，从上式可得电动机最大输

19、出功率最后，电动机转差功率损耗系数电动机转差功率损耗系数为PS与P2max之比：11112)1(SKCnKCnnKTPL11max2KCnP2max1SPssP华南理工大学上式对s求导可得产生最大转差功率损耗系数时的转差为：相应的 11s1max21PPS华南理工大学max2PPs1.00.50.25010.50.330120S图69 不同性质负载时的转差功率损耗系数曲线华南理工大学由图或计算结果均表明,2时,电动机转差功率损耗系数为0.148,是最小的.所以调压调速方式适用于风机、泵类负载。对于恒转矩负载则不宜长期在低速下工作，以免电动机过热；解决此问题的办法可采用变极与调压相结合的方法。华

20、南理工大学6.2.4.2 6.2.4.2 高次谐波对电动机出力的影响高次谐波对电动机出力的影响影响电动机的出力，其原因有三个：一是高次谐波使电动机的损耗增大；二是高次谐波使电动机的总感抗增大，减少，从而影响了输出转矩；三是高次谐波电流会产生六倍于基波频率的脉动转矩，严重影响电动机正常工作。华南理工大学在使用晶闸管调压调速时,要考虑高次谐波的影响,选用电动机容量时应适当增大,例如,在=0.33运行时,采用三相Y连接,容量加8%;三相Y0连接，增加14%；三相半控电路,增加38.2%，三个晶闸管三角形连接，增加43.4%。调压调速系统的优点是线路简单，价格便宜，使用维修方便；缺点是转差功率损耗大，

21、效率低。适用于调速精度要求不高（一般为3%），调速范围在10：1以内的装置，如低速电梯，起重机械，风机水泵等。华南理工大学6.3 6.3 绕线型异步电动机的串级调绕线型异步电动机的串级调速系统速系统 绕线型异步电动机转子外接电阻调速操作方便及价廉。单其缺点也很突出：表现在电阻上消耗大量能量，效率低，经济性差；调速时机械特性变软，静态调速精度差，只能在同步转速以下调节；调速是有级的，不平滑。如果在调速的同时把这部分能量加以利用，则可获得经济高效的运行。利用在电动机转子串入附加电势以改变转差功率从而实现调速，即串级调速系统就为这种装置。华南理工大学6.3.16.3.1串级调速基本原理串级调速基本原

22、理绕线型异步电动机在转子短路时，转子相电流I2为:式中 E20转子不转时的相电势，又称开路相电势；X20S1时转子绕组每相漏抗；R2转子绕组每相电阻。20222220sEIRsX华南理工大学如在转子回路中引入一个交流附加电势Eadd并与转子电势E2SE20串联，两者具有相同的频率，相位相同或反相，如图6-10所示。此时20222220addsEEIRsX E2=sE20M3I2 图610绕线型异步电动机转子 华南理工大学调速过程可做如下描述：在引入反相电势瞬间，转子回路总电势减小，转子电流随之减小，电机的电磁转矩也相应减小,由于负载转矩未变，电机就要减速。随着转速的降低，转子电势逐渐增高，因而

23、转子电流又逐渐增大，直至s=s2（s2s1）时，转子电流恢复到原值，电机便进入新的稳定状态工作。上两式的平衡关系可表示为:1202202222222202120()adds Es EEIRs XRs X 同理可知，串入同相的附加电势，可使电机转速增加。华南理工大学6.3.26.3.2串级调速的四种运行状态串级调速的四种运行状态根据转子电路引入的附加电势与转子绕组电势之间的大小和相位关系的不同，串级调速有四种运行状态，其实质是利用附加电势来控制转子中转差功率的流向从而实现调速。图中的能量传递关系均未考虑电动机内部各种损耗，认为定子输入功率等于电磁功率。华南理工大学华南理工大学分析分析:低于同步速

24、电动状态在上述假设条件下可以认为转子电流I2与转子电势E2相位趋于一致，而与附加电势Eadd相位相反，故转差功率sP1被附加电势装置吸收后回馈电网，而从电网吸收的功率中的（1-s）P1输送给负载。高于同步速电动状态转子串入的Eadd与E2初始相位和I2相位趋于一致。但当超同步速运行时，sUi，转子回路产生电流d，电机产生转矩而转起来。此后随着转速上升，转差率下降，整流电压降低，使Ud与Ui达到新的平衡，电动机稳定运行。反之亦然。这种串级调速系统由于值连续可调，使得电机转速也能平滑连续调节，它属于恒转矩调速系统。华南理工大学6.3.4 6.3.4 超同步串级调速系统超同步串级调速系统面讨论的低同

25、步串级调速系统，转差功率只能从转子输出并经逆变器反馈回电网，功率传递方向是单一的，如果把转子整流器改为可控变流器，见图614，就能改变转差功率的传递方向，电机转速高于同步转速，这就是超同步串级调速。华南理工大学6.3.4.1 6.3.4.1 超同步串级调速工作原理超同步串级调速工作原理 M31UR 2URsE20TL图614 超同步串级调速系统原理图华南理工大学当1UR处于整流状态，而2UR（即图613UI）处于逆变状态时，电机在低同步电动状态下工作，能量传递关系见图611（a）。若控制触发脉冲使1UR工作于逆变状态，2UR工作于整流状态，则转差功率从电网经串级调速装置输入电机转子。同时，定子

26、仍从电网吸收功率，两部分功率均转换成机械功率从轴上输出。如忽略电机损耗，则功率关系为P1sP1=(1-s)P1。由于s为负值，功率关系可写成P1sP1=(1s)P1，它表明电机转速高于同步转速，电机仍在电动状态工作，这种情况称超同步电动状态，能量传递关系见图611（b）。华南理工大学超同步运行时，设1UR的 逆变角为1，其调节范围为 ；2UR的控制角为2，在 间可调，则可列出理想空载时转子直流回路电压平衡方程式为：所以，由上式可见，调节1或2均能改变电机的转速。可以维持一定，而增大1使转速升高，也可令保持恒定，通过减少2来提高转速。通常用前者进行调速，主要原因在于2UR是可控整流器，选用较小的

27、2可提高系统的功率因数。22201cosscosTUE 华南理工大学6.3.4.2 6.3.4.2 超同步串级调速的再生制动超同步串级调速的再生制动对于图614所示的超同步串级调速系统，当1UR工作于整流状态，2UR工作于逆变状态，系统处于低同步电动状态。如电机在某一转差率s1（0s1s (注意他们的极性已反向)，此时电机就变为从转子侧送入功率，即转差功率变负，使电磁转矩也变成负值，对电机产生制动转矩，进入第二象限b点工作;2TU2cos20E1cos华南理工大学Tsb s1 a0 TL图615 超同步串级调速的再生制动特性华南理工大学若电机轴上带有阻转矩负载，则负载协助起制动作用，电机从转子

28、侧和机械轴上同时输入功率，并转换成电磁功率从定子向电网回馈，电机处于再生制动状态，其能量传递关系见图611（d），由于此时转速仍低于同步转速,所以称低同步再生制动状态。与此相应，在高于同步转速时，也有超同步的电动和再生制动状态，其能量传递关系见图611（b）和（c）。华南理工大学6.3.4.3 6.3.4.3 超同步串级调速系统的优点超同步串级调速系统的优点 在同样的额定功率和调速范围下，系统可以在电机同步转速上、下进行调速，其附加的串级调速装置的容量比单纯的低同步串级调速时的装置容量减少一半。由于转差功率可以双向传递，能实现再生制动，使系统的动态响应好。在超同步串级调速运行时，变压器侧变流器

29、2UR的控制角2较小，因而逆变变压器从电网吸收的无功功率也较小，系统的功率因数较高。华南理工大学6.4 6.4 串级调速系统的工作特性串级调速系统的工作特性内容提要:串级调速系统转子整流电路工作状态 串级调速系统的调速特性 串级调速系统的转矩特性 串级调速系统的机械特性 华南理工大学6.4.16.4.1串级调速系统转子整流电路工作状态串级调速系统转子整流电路工作状态转子整流电路与具有整流变压器的整流电路之间的差异差异，主要是：由于异步机转子感应电势e2的幅值与频率都与电动机的转速有关，如把它看作整流变压器副边时，它输出电压的频率与幅值是随转速变化的量;折算到异步机转子侧的漏抗值亦与转子频率（转

30、差率）有关；由于折算到转子侧漏抗值比整流变压器的要大，所以，在转子整流电路中出现的换相重叠现象比一般整流变压器供电的整流电路严重，从而在负载较大时出现整流元件强迫延迟导通现象，改变了不可控整流电路的工作。华南理工大学6.4.1.1 6.4.1.1 整流电路第一工作状态整流电路第一工作状态图616为三相桥式转子整流电路。设电动机转子u相感应电势为:根据电力电子整流电路分析可得有关表达式，换流重叠角：22012ssin6ueEst110020202s2cos1cos166DdDdXIXIsEE华南理工大学换流压降03sDddXUI IdC e2u e2v e2w XD0 VD4 VD6 VD2VD

31、1 VD3 VD5 i1 i3 i5AB图616 异步机转子整流电路华南理工大学由上式可见，换流重叠角随着转子直流整流电流Id的增大而加大。当Id较小，600。由于共阳极组换流尚未结束，共阴极组换流就已开始，形成共阳极元件与共阴极元件双双换流的重叠现象，转子短路，这是一种故障状态，因此不再对它进行讨论。华南理工大学6.4.2 6.4.2 串级调速系统的调速特性串级调速系统的调速特性第一工作状态是第二工作状态在=00时的特殊形式。所以，在第二工作状态下推导出的一系列表达式中，以=00，00代入，即可获得第一工作状态的相应表达式。),(dIfn 华南理工大学转子整流电路在第二工作状态的输出电压Ud

32、与有源逆变电路直流侧电压Ui分别为：并有 20032.34scos2dpdDDUEIsXRTTdTiRXIUU23cos34.22Ud=Ui+Id RL 华南理工大学由上三式可得以转差率表示的方程式：以S=(n1-n)/n1代入上式，得串级调速系统的调速特性方程：dDPLDTTdTIXERRRXIUS02023cos34.2223cos34.2dDpLDTTDdTpIXERRRXXIUEnn020022013cos34.22233coscos34.2华南理工大学如设：串级调速系统的调速特性方程可改写成：coscos34.2220TpUEULDTTDRRRXXR22330dDpeIXEC0203

33、cos34.2RIUCCRTUnndeed11华南理工大学 上式与直流他励电动机的调速特性有同样的形式。与直流调压调速一样，在串级调速系统中，改变电压U也可对异步电动机进行调速，并可获得与直流调压相似的调速特性。但串级调速系统是通过改变逆变角来改变电压的，系统的电势系数Ce不是常数，而是负载电流Id的函数，它相当于直流电机存在电枢反应的去磁作用。此外,回路的电阻较大，使调速特性较软。00的第二工作状态调速特性与第一工作状态的相比，其电枢反应的去磁作用更强，同一值时值更小。华南理工大学6.4.3 6.4.3 串级调速系统的转矩特性串级调速系统的转矩特性采用转子整流电路的功率平衡关系，直接导出系统

34、的转矩特性表达式。在不考虑电机铜损耗时，转子整流器输出功率即为其转差功率s)(dIfT 0s203s2.34scosDddpddXPU IEII华南理工大学电动机的电磁转矩当转子整流电路处于第一工作状态时为求电磁转矩最大值，令，ddDpSIIXESPT020113cos34.21ddDIIXET0201334.210ddIdT华南理工大学有T1m是在第一工作状态（即未出现强迫延迟导通现象）求出的异步电动机转矩最大值。实际上由于负载增大时，转子整流电路进入第二工作状态，所以实际上最大转矩在机械特性Tf（S）第二工作区内出现。式（649）所表示的最大转矩是不存在的，故称之为第一工作区的计算最大转矩

35、。020126DmddXEII012201627DmXETT华南理工大学同样可以推导出在p=150时发生的第二工作状态 最大转矩T2m：相应的直流回路电流上面第一式就是串级调速系统的实际最大转矩表达式。当p150时，异步机产生的电磁转矩将减小。012202439DmXET020223DmdXEI华南理工大学在第一工作区与第二工作区交界处就是转子整流电路是否发生强迫延迟导通现象的临界工作点，将此时的转矩与电流称为交接转矩T12及交接电流Id12。只要将 600、p00代入式（650）及式（639），即可求出此二参数：0122021827DXET0202146DdXEI华南理工大学忽略定子电阻后，

36、异步机在固有特性上的最大转矩为则可求得：T1m/Tm=0.955,T2m/Tm=0.826,T1-2/Tm=0.7160122023DmXET华南理工大学 固有机械特性曲线 (电流断续时)第一工作区第二工作区TamCBA 1 2 10.50.8260.716t/Tm10Sio0n1s n图618 异步电动机串级调速时的机械特性曲线华南理工大学可见，异步机在串级调速工作时产生的最大转矩比它在正常接线时的最大转矩减小174，在选择电动机容量时应予注意。此外，因为T120716Tm，而电动机转矩过载能力一般在2倍以上，即Tm2TN，于是TN0.7T12。故当电动机在额定转矩TN下工作时，处于转子整流

37、电路第一工作状态，即在机械特性第一工作区内，见图618。华南理工大学6.4.4 6.4.4 串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性（1）第一工作区的机械特性方程（600，p00）)(sfT 2411111mmmSSSSTT010132232DLTdTmXRRRXSS华南理工大学式中 S1m异步机从理想空载到计算最大转矩的转差率增量，S1mS1mS10；S1由负载引起的转差率增量，S1SS10；S10给定值下理想空载转差率（电流连续时）;S1m对应计算最大转矩T1m的临界转差率;华南理工大学（2）第二工作区的机械特性方程（600，p00300）2cos4222221mmpmSSSSTT02

38、0232232DLTdTmXRRRXSS华南理工大学由于在给定值时，S20是随而变化的，所以S2m也是随而变化，S2m并不表示实际最大转矩T2m时的转差率，S20实际上也是不存在的，因为空载时不能出现强迫延迟导通现象。所以S2m、S20是在对式（658）数学推导过程中为计算方便而出现的量。华南理工大学转差率增量通用表达式为：当取00时，SmS1m，SS1，用于第一工作区。若取p00300，SmS2m时，SS2，用于第二工作区。mpmpmSTTTTS2121cos11cos11华南理工大学见图618曲线中AB段为机械特性第一工作区，BC段为第二工作区，C点以后为第三工作区，此区不能正常工作，当考

39、虑转子直流回路的平波电抗器电感为有限值时，电流Id减小到一定程度后便产生断续现象，异步机的机械特性将与晶闸管供电的直流电动机的机械性一样，发生上翘，如图中虚线所示。华南理工大学M3+-+-+TGASRACRTATI图619双闭环串级调速系统原理图华南理工大学6.5 6.5 串级调速的双闭环控制系统串级调速的双闭环控制系统内容提要：双闭环串级调速系统的组成 双闭环串级调速系统的动态数学模型双闭环串级调速系统调节器参数的确定 华南理工大学绕线型异步电动机转子外接电阻调速是一种传统调速方法，曾获广泛应用。此法简单。操作方便及价廉。单其缺点也很突出：表现在电阻上消耗大量能量，效率低，经济性差；调速时机

40、械特性变软，静态调速精度差，只能在同步转速以下调节；调速是有级的，不平滑。如果在调速的同时把这部分能量加以利用，则可获得经济高效的运行。利用在电动机转子串入附加电势以改变转差功率从而实现调速，即串级调速系统就为这种装置。对绕线型异步电动机而言，其转子侧对电机转速有影响的参数有电流，电势和阻抗。稳态时转子电流由负载大小决定，不能随意调节；转子回路阻抗的调节属耗能型调速，已作讨论；故而我们专注于研究转子电势调节上来。华南理工大学6.5.16.5.1双闭环串级调速系统的组成双闭环串级调速系统的组成图68为双闭环串级调速系统原理图。图中转速负反馈信号取自与异步机机械相连的测速发电机，电流负反馈信号取自

41、逆变器交流侧，亦可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为防止逆变器颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角 。此系统与直流不可逆双闭环系统类似，具有静态稳速与动态恒流加速作用，不同之处在于它的控制作用均通过异步机转子回路进行。min华南理工大学6.5.2 6.5.2 双闭环串级调速系统的双闭环串级调速系统的 动态数学模型动态数学模型本系统的可控整流电路、调节器、给定环节及反馈环节的传递函数与直流调速系统类似，不再重复。但异步机转子直流主回路不少参量都与转差率有关，故要着重进行研究。华南理工大学6.5.2.1 6.5.2.1 转子直流回路传递函数转子直流回路传递函

42、数由图613的转子直流回路，可列出其动态平衡方程：可改写成：00sddiddIUULR IdtddiddIRdtdILUUnnU0010华南理工大学式中 转子整流器在s1时空载输出 电压，；逆变器输出的空载电压，；转子直流回路总电感，；折算到转子侧的异步机每相漏感；折算到副边的逆变变压器每相漏感 转子直流回路在转差率为S时的等效电阻，其值为：0dU20034.2EUd0iUcos34.220TiUULTDLLLL2200DLTLRLTDTDRRRXSXR22330华南理工大学对转子直流回路动态平衡方程两边取拉氏变换，可得出转子直流回路传递函数为：式中 转子直流回路时间常数，；转子直流回路放大系

43、数，；10100STKSUSnnUUSILrLridddLrTRLTTLr/LrKRKLr/1华南理工大学图620是转子直流回路结构图，图中参数 和 均是转速n的函数，它们是非定常值。LrTLrKUd0N1 KLR TLRS+1nId Ui0 -Ud0图620转子直流回路结构图华南理工大学6.5.2.2 6.5.2.2 异步电动机的传递函数异步电动机的传递函数串级调速系统通常在第一工作区工作，这是我们分析问题的基础。按式（648），我们将电磁转矩表达式重写如下：可见电磁转矩是Id的二次函数dTddDdICIIXUT00131华南理工大学将其作微偏线性化处理后，忽略空载转矩，得在某一工作电流下转

44、矩可表达为：式中 、负载转矩和对应的负载电流；经线性化处理后的转矩系数dTICTLTLICTLTLITCdDdTIXUC00161华南理工大学电力拖动系统的运动方程式为或 由上式可得异步电动机在串级调速时的传递函数其中dtdnGDTTL3752dtdnGDIICLdT3752 SKSCGDSISISnTTLd237512/375GDCKTT华南理工大学6.5.2.3 6.5.2.3 串级调速系统的动态结构图串级调速系统的动态结构图在图617中，电流调节器和转速调节器通常均采用PI调节器，再考虑给定滤波环节等，就可直接画出双闭环串级调速系统动态结构图，如图621所示。华南理工大学sTgn11sT

45、sTKnnn)1(sTgi1110nUdsTsTKiii)1(sTKss1sTKLrLr1sKTsTKfifi1sTKfnfn1U*n Uio 0dU dILI n-速度给定滤波器速度调节器电流给定滤波器电流调节器晶闸管逆变器电流负反馈电流反馈滤波器转速反馈滤波器转速负反馈串调直流主回路电动机转差电压扰动图621 双闭环串级调速系统动态结构图 华南理工大学系统在突加给定时的起动动态过程与直流调速系统一样，起动初期，速度调节器处于饱和状态，系统相当转速开环。随着起动的进行，电流调节器的输出增大，使逆变器的逆变角增大，逆变电压Ui减少，打破了起动开始瞬间逆变电压大于转子不动时整流电压Ud0的条件，

46、产生直流电流，使异步机在电磁转矩作用下加速起动。当电机转速未达给定值前，调速系统始终由电流环起电流跟踪作用，以维持动态电流Id恒定，并使加速过程中逆变电压与转子整流器输出电压协调变化。等到电机转速出现超调，速度调节器便退出饱和，转速环才投入工作，保证实际转速最终等于给定转速。华南理工大学6.5.3 6.5.3 双闭环串级调速系统双闭环串级调速系统 调节器参数的确定调节器参数的确定对于电流环来说，若直流回路时间常数 较电流环中小惯性时间常数 大，且满足 (为中频宽)，那么只要选取电流环时间系数 ,就可按典型型系统设计电流环。因为 较大，可将直流回路传递函数近似看成是积分环节，即 与 随转速变化的

47、影响是互相补偿的，从而使电流环变成一个定常系统。LrTiTiLrhTTiLrhTTLrTsTKsTTLrLrLrLr/)1/(LrKLrT华南理工大学若 的条件不能满足时，可按典型I型系统设计。前人实践经验表明，可用系统调速范围下限，即以Smax所确定的 与 之值或按Smax/2时所确定的 与 值，把电流环作为定常系统来计算电流调节器的参数。按此 、值所设计的电流环在整个调速范围内的动态响应几乎没有什么变化。iLrhTTLrKLrTLrKLrTLrKLrT华南理工大学至于速度调节器，一般按典型型系统设计速度环。由于异步机机电时间常数1/非定常，故应选用与实际运行工作点电流 相对应的1/值，然后按定常系统进行设计。TKdITK