第八章 绕线转子异步电机转子变频控制系统

内容提要 绕线转子异步电机转子变频控制原理 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基本工况 绕线转子异步电机转子变频串级调速系统 绕线转子异步电机转子变频双馈控制系统

8.1 绕线转子异步电机转子变频控制原理 定子侧与交流电网连接 ~ 定子与交流电网连接 定子侧与交流电网连接 转子侧与电力电子装置连接，改变转子侧外接的电动势，可以控制转差频率，同时控制转子侧输出或输入的电功率，只增加不多的转子电路损耗。 ~ P1 Ps 转子接交流电源或外接电动势 双馈调速原理示意图

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，也就是转子额定相电压值。 8.1.1 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 式中 s — 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，也就是转子额定相电压值。 (8-1)

转子相电流的表达式为： 式中 Rr — 转子绕组每相电阻； Xr0 — s = 1时的转子绕组每相漏抗。 (8-2)

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。 转子附加电动势 ~ 引入可控的交流附加电动势 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。 图8-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图

如图8-1所示，绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式 有附加电动势时的转子相电流： 如图8-1所示，绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式 (8-3)

转子附加电动势的作用 1. Er 与 Eadd 同相 当 Eadd  ， 使得： 这里： 转速上升；

转子附加电动势的作用（续） 当 Eadd  ， 使得： 这里： 转速下降；

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 侧引入一个可控的附加电动势，就可调 节电动机的转差频率和转速。

8.1.2 转子电路变频器 异步电机转子电动势与电流的频率在不同转速下有不同的数值,其值与交流电网的频率往往不一致，所以不能把电机转子直接与交流电网相连，必须通过一个中间变换环节才能连接到交流电网。

绕线转子异步电机转子变频控制系统的基本结构 8.1.2 转子电路变频器 功率变换单元 电网 K1 M 3 ~ K2 TI Pm 通过调节转差功率大小和流向调节转速 (1-s)Pm sPm 绕线转子异步电机转子变频控制系统的基本结构

图8-2只能用于由转子电路馈出电功率的系统，又称作串级调速系统 sPm 图8-2 转子电路连接不控整流器和晶闸管有源逆变器用以馈出电功率

转子电路可馈入、馈出电功率的双馈系统，功率变换装置必须是可逆的，如图8-3所示，其中CU1和CU2都可兼作可控整流和逆变单元。 sPm 图8-3 转子电路连接可馈出或馈入电功率的双PWM交-直-交变频器

8.2 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基本工况 8.2 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基本工况 本节摘要 电机在次同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作发电运行 电机在次同步转速下作发电运行

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 异步电机的功率关系 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 （8-4a） 式中 Pm —从电机定子传入转子（或由转子传 出给定子）的电磁功率， sPm —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。

当转子变频器传输功率的方向不同时， 和 可正可负，因而使绕线转子异步电机转子变频控制系统产生电动与发电、次同步与超同步排列组合的四种基本工作状况。

图8-4 绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 c)超同步速发电状态 b)超同步速电动状态 d)次同步速发电状态 CU——功率变换单元

1. 电机在次同步转速下作电动运行 转子侧每相加上与 Er0 反相的附加电动势+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。

功率流程 s n Te sPm P1 Pm (1-s)Pm CU 1 n1 a） 次同步速电动状态 ~

2. 电动机在超同步转速下作电动运行 当电动机已在 的情况下作电动运行，轴上拖动恒转矩的额定负载，若转子侧串入了与 同相的附加电动势 ，则式（8-3）变为： 从前面讨论可知，只要不断加大附加电动势的幅值 ，就可提高电动机的转速。

2. 电动机在超同步转速下作电动运行 当电动机的转速到达或超过额定转速时，如继续加大 ，转子电动势 必然反相变负，电动机将加速到 的新的稳态下工作，即超同步电动运行状态。必须指出，此时电动机转速虽然超过了其同步转速，但它仍拖动着负载作电动运转。因此电动机轴上可以输出比其铭牌所示额定功率还要高的功率。

2. 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（8-4a）可改写成 ： （式中s本身为负值）。 其功率流程示于图8-4b。

3. 电机在超同步转速下作发电运行 工作条件： 进入这种运行状态的必要条件是有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。典型的应用是风力发电机。

运行工况： 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，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（7-4）可改写成

功率流程 c） 超同步速发电状态 -Te Pm CU

4. 电机在次同步转速下作发电运行 工作条件： 如果外力使转子运行的转速低于同步转速 ，转差率 >0，电机仍处于发电状态。

功率流程 d） 次同步速发电状态 Pm -Te CU

8.3 绕线转子异步电机转子变频串级调速系统 绕线转子异步电机调速系统工作在次同步电动状态，称作绕线转子异步电动机的串级调速系统。 串级调速系统分为 机械串级调速系统 电气串级调速系统

转差功率得以机械形式帮助异步电动机拖动负载 图8-6 机械串级调速系统（Kramer系统）原理图

图8-7 绕线转子异步电机电气串级调速系统原理图 *8.3.1 电气串级调速系统的组成 将转差功率逆变后回馈到交流电网 图8-7 绕线转子异步电机电气串级调速系统原理图

串级调速系统工作原理 直流回路稳态电压平衡方程 (8-4) 整流电压输出 (8-5) 式中 和 都是相电压 （8-9）

s是电动机的转差率，而 Id间接反映电动机电磁转矩的大小， 调制度M 是控制变量，式(8-9)可以当作串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式 。 反映了机械特性的线性段。

串级系统调速原理 降低调制度M ，按式（8-8）将提高逆变器的输入电压 ，在动态中首先反映的是减少电流 Id的，使电磁转矩减小，迫使电动机转速降低，实现调速。与此同时，转差率s增大，从而恢复 与负载电流平衡，使串级调速系统恢复到新的稳态。

8.3.2 异步电动机串级调速机械特性的特征 1. 理想空载转速可以连续平滑调节 串级调速系统的理想空载转速 与同步转速 是不同的 8.3.2 异步电动机串级调速机械特性的特征 1. 理想空载转速可以连续平滑调节 串级调速系统的理想空载转速 与同步转速 是不同的 调节调制比，理想空载转差率 和理想空载转速 都相应改变，得到近似平行的机械特性。 Id=0

2．机械特性的斜率与最大转矩 串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置(包括整流和逆变装置、逆变变压器等)，实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。 由于转子回路阻抗的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。

图8-8 异步电动机串级调速时的机械特性

8.3.3 转子变频器的电压和容量与串级调速系统的效率 8.3.3 转子变频器的电压和容量与串级调速系统的效率 串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外为实现串级调速而附加的所有功率部件，包括转子整流器、逆变器和逆变变压器。从经济角度出发，必须正确合理地选择这些附加设备的电压和容量，以提高整个调速系统的性能价格比。

电流定额决定于异步电动机转子的额定电流和所拖动的负载电流IrN； 整流器容量 主要依据其电流与电压的定额。 电流定额决定于异步电动机转子的额定电流和所拖动的负载电流IrN； 电压定额则决定于异步电动机转子的额定相电压（即转子开路电动势 Er0 ）和系统的调速范围 D。这里n1为同步转速。 (8-13)

nmin 是调速系统的最低转速，对应于最大理想空载转差率 s0max ， （8-14） 调速范围越大时， s0max也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高（ s0max Er0 ）。 对于只需要低调速范围的生产机械，如风机水泵等，采用串级调速系统时，只用低电压小功率的变频器就够了。

转子变频器容量 转子变频器和逆变变压器容量的选择主要依据其电流与电压的定额。电压定额取决于系统的调速范围，电流定额取决于异步电动机转子的额定电流和所拖动的负载。

逆变变压器容量 用伏安数表示的逆变变压器容量为 将式（8-15）代入，得 当系统调速范围降低时，逆变变压器和整个串级调速装置的容量都相应减小。 串级调速系统往往被推荐用于有限调速范围的场合（例如 =1.5~2.0范围内无级调速），而很少用于从零转速到额定转速全范围调速的系统。

注意:必须具备起动装置（如起动电阻、频敏变阻器），使转子从零速起动到最低转速，然后才能投入转子变频器运行。

3、串级调速系统的效率

串级调速系统的效率 串级调速系统的总效率 式中 ∑p 是异步电动机定子和转子内的总损耗； ptan 附加的串级调速传动(tandem drive)装 置损耗 。 (8-17)

串级调速系统的效率 在串级调速系统中，当电动机的转速降低时，如果负载转矩不变， ∑p 和 ptan 都基本不变，式（8-17）分子和分母中的项随着s增大而同时减少，对ηsch值的影响并不太大。

串级调速系统的功率因数 在串级调速系统中，从交流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，然而从交流电网吸收的总无功功率却是电动机和逆变器所吸收的无功功率之和（见图8-9a），串级调速系统的功率因数可用下式表示： 串级调速系统的功率因数较低

8.3.4 串级调速系统的双闭环控制 由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制的串级调速系统系统只能用于对调速精度要求不高的场合。 8.3.4 串级调速系统的双闭环控制 由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制的串级调速系统系统只能用于对调速精度要求不高的场合。 为了提高静态调速精度，并获得较好的动态性能，须采用闭环控制。 和直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是起动与加速过程性能的改善，减速时只能靠负载自由降速。

双闭环控制的串级调速系统结构原理图 图8-11 双闭环控制的串级调速系统

双闭环控制的串级调速系统动态结构框图 转子直流电压的动态方程式（忽略直流电路滤波电容的充放电电流） 分别为转子整流器输出的理想空载电压、逆变器输入的直流电压， 分别为转子电路的总电感，包括转子绕组和逆变变压器绕组的漏感和转子电路的总电阻，

； 代入转差率与转速的关系 （8-21） 等号两边拉普拉斯变化得： （8-22） ——转子流回路的放大系数和时间常数

串级调速系统转子直流回路的线性化动态结构框图 图8-12 串级调速系统转子直流回路的线性化动态结构框图

在转子直流回路中传输的异步电动机转差功率为 电动机的电磁功率为 电磁转矩为 ——理想空载机械角速度， (rad/s) 定义： 为串级调速系统的电动势系数， 为串级调速系统的转矩系数，

（8-23） 串级调速系统的电动势系数和转矩系数与直流调速系统中的相关系数相似，而式（8-23）所示的转矩电流关系在形式上与直流调速系统完全相同。但须注意，在上述分析中忽略了异步电动机的许多非线性因素。在异步电动机串级调速系统中，气隙磁通的大小会随着电机的工作状态而变化，因此所定义的CE和CM实际上不是常数，把它们视作常数所得到的电机模型只是近似的线性模型。

电力拖动系统的运动方程式为 或写成 异步电动机在串级调速时的传递函数为 ——串级调速系统的机电时间常数，

双闭环控制串级调速系统近似的动态结构框图 图8-13 双闭环控制串级调速系统的近似动态结构框图

8.4 绕线转子异步电机转子变频双馈控制系统 双馈控制变频调速系统原理结构图

双馈变频调速系统常用于要求大起动转矩、有限调速范围的场合。适用于在同步转速上下调速的大功率有限调速范围的生产机械，如大型球磨机。 双馈变频调速系统更适用于大功率带位势负载的可逆调速系统，例如矿井提升机。需要提升满载车厢时，电机多工作在次同步电动状态；下放车厢时，电机反转，多工作在超同步发电状态，传动系统回馈发电。

双馈控制变频调速系统的控制 为了提高运行性能，可采用按气隙磁链定向的矢量控制。 参考式7-49，7-50可得 异步电动机在d轴和q轴上的动态等值电路，如图8-15所示。

图8-15 异步电动机在d轴和q轴上的动态等值电路 a) d轴电路 b) q轴电路

按气隙磁链 定向时，把 轴取在 方向上，则 异步电动机按气隙磁链定向的电磁转矩方程为 （8-36） 电磁转矩的幅值 与 和 成正比。在矢量控制的双馈调速系统中，应设置气隙磁链调节器和转子电流 轴分量调节器。

8.4.2 双馈控制风力发电系统 风力发电机组的转速会随时变化，而用电电源却需要恒压恒频，所以需要风力发电机实现“变速恒频”控制。 双馈控制的绕线转子异步发电机是能够实现变速恒频控制的一种方案。此时绕线转子异步电机运行在双馈发电工作状态。

绕线转子异步电机转子由风机带动作发电机运行，由于风机叶片的转速不高，而异步电机转速一般在1000转/分以上，故必须经齿轮箱升速。 图8-16 绕线转子异步风力发电机组原理图

发电机转速大于其定子旋转磁场同步转速时，控制CU1整流而CU2逆变，电机处于超同步发电状态，发电机轴上输入功率通过定子绕组和转子绕组同时馈入电网。电机处于超同步发电机状态。 当风速较低时，发电机转速 小于其定子旋转磁场同步转速 ，控制CU1逆变而CU2整流，电网通过CU2和CU1向发电机转子提供转差功率，电机处于次同步发电机状态。 近年常采用低速的多极永磁同步发电机和全功率的PWM变频器构成风力发电系统，可以省去齿轮箱。