串级调速系统的工作原理
串级调速的原理
串级调速的原理串级调速是指通过改变多个旋转机械装置的连接方式和运动配合的方式，实现调整系统扭矩和转速的控制方法。
其原理是在电力系统中，控制机组发电机电压和频率的稳定运行。
串级调速的原理包括两个方面：机械传输和电力控制。
机械传输方面，串级调速采用多个旋转机械装置通过动力传动装置串联连接而成，如风机、水轮机等。
这些机械装置之间通过齿轮、皮带、链条等相互连接，并且在机械传输中存在着一个主从关系。
其中，主机是发电机，从机是调速装置。
当主机转速变化时，调速装置会自动跟随，通过机械传输将主从机之间的扭矩传递下去。
这样，通过改变主从机之间的相对运动配合方式，就可以实现扭矩和转速的控制。
电力控制方面，串级调速通过调节机组的电力输入和输出，控制机组的转矩和转速，使发电机输出的电压和频率保持稳定。
主要有如下几个方面的控制：1. 输电电压控制：通过调整电源供给电压的大小，控制机组输入的电压，从而影响机组的转矩大小。
一般采用自动电压调节器（AVR）来控制发电机的励磁系统，使输出的电压保持在额定值。
2. 输电频率控制：通过调节机组的转速，控制机组的输出频率。
一般采用机械调速装置（如调速器）或电子调速装置（如调频器）来调节主机的转速，使输出的频率保持在标称值。
3. 负载调节：通过控制负载的大小和稳定性，调整机组的输出功率，使机组的转速和电压保持稳定。
一般采用负载调整装置（如机械负载器、电子负载器）来调整负载的大小，使输出功率与负载需求相匹配。
4. 调速系统的反馈控制：通过采集机组的转速、电压等参数，进行反馈控制，对调速装置进行调整和修正，使机组的运行状态更加稳定和可靠。
一般采用调速控制单元（如PID控制器）来实现闭环控制。
串级调速的优点是能够实现机组的稳定运行，在负载波动和电网波动的情况下，保持发电机输出的电压和频率稳定。
同时，由于采用了多个旋转机械装置的串联连接，还能够实现机组的负载动态调整和转速相对独立的控制。
这样，既能够满足负载的需求，又能够保护机组设备的安全运行。
第二章--绕线式异步电动机串级调速系统
b.起动控制：控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与Uβ的差值能产生 足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动 机就可在一定的动态转矩下加速起动。
随着转速的增高，相应地增大角以减小值 Uβ ，从而维持加速过程中动态 转矩基本恒定 。
30
（2）调速
a.调速原理：通过改 变角的大小调节电动机 的转速。
由于电机在 低于同步转速 下工作，故称 为次同步转速 的电动运行。
sn
0 n1
~
P1 Pm
(1-s)Pm
CU
sPm
10
次同步速度电动运行状态
sPm
Te
12
不断加大+Eadd， s n
就可提高电机的转 速。当接近额定转
1
2n1
SP
速时，如继续加大
+Eadd，电机将加
P
速到s<0的新的稳
Pm
态下工作，即电机
转子电流 I2 的增大，会引起交流电动机
拖动转矩的增大，设原来电机拖动转矩与负载 相等，处于平衡状态，串入附加电势引起电 动机升速，在升速的过程中，随着速度增加， 转差率S减小，分子中sE2减小，电流也减小， 使拖动转矩减小后再次与负载平衡，降速过程 最后会在某一个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速的串级调速。（超同步串调） 9
一.串级调速的原理 二.串级调速的基本运行状态及功率关系 三.附加电动势的实现 四.次同步串级调速主电路
2
一. 串级调速的原理
转子串电阻调速方法有什么缺点？
我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其 转子回路串入电阻来减小电流，增大转差率，从而改 变转速。这种方法就是转子串电阻调速方法。
《交流调速系统》课后习题答案
《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。
答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。
从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。
1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。
在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。
其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。
串级调速系统
5）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就 带着生产机械一同旋转。
3、电磁转差离合器的转速和转向
1）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小； 2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。 电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传 递功率的装置。
/
s
R2' / s)2 12 (Ll1
L'l 2 )2 ]
当s一定时，Te U12 ，改变U1得到一组不同的人为特性如 图4-1所示。在带恒转矩负载TL时，可得到不同的稳定转
速，如图中的A、B、C点。
Sn
0 n0
Sm
A
D
CB E
0.5U1N
风机类负载特性
0.7U1N
F
U1N
10
Te max Te
绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速； 3）变频调速。
科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类： （1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能 而被消耗掉。
特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步 电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。
（2）转差功率回馈型调速系统——转差功率的少部分被消 耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予 以利用。
根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发 的次序为VT1 、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1……， 相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。
三、闭环控制的调压调速系统
（一）异步电动机调压调速时的机械特性
1、普通异步电动机调压调速时存在的问题 1）普通异步电动机调压时调速范围不大（恒转矩负
内馈与变频的比较
内反馈串级调速与高压变频调速的比较一、内反馈串级调速简介1、系统的组成：⑴高压内反馈串级调速电机；⑵调速控制装置：①变流柜；②控制柜；③补偿柜；2、控制对象：内反馈串级调速电机，是我公司技术人员自行开发研制的定子具有双绕组（主绕组和调节绕组）的绕线式电动机。
3、工作原理：其工作原理属绕线式三相异步电动机转子串附加电势进行调速的理论范畴，其附加电势就是由调节绕组从主绕组感应过来的，通过变流系统串入电机的转子绕组中，改变其串入电势的大小即可实现调速，同时调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速成正比变化，达到调速节能的目的。
4、适用范围：仅适用于具有递减转矩特性的风机、水泵类负载。
二、高压变频调速简介1、系统的组成：⑴高压鼠笼型电动机一台；⑵隔离变压器一台；⑶变频器一台；2、控制对象：高压鼠笼型电动机；3、工作原理：通过电力半导体器件改变电动机定子绕组所接电源的频率来实现调速的。
4、使用范围：适用所有恒转矩和递减转矩负载。
三、性能对比图1：高压变频调速系统简图 图2：内反馈串级调速系统简图1、高压变频调速必须有干式隔离变压器，此干式变压器除增加系统成本外，也给系统的安全运行带来隐患（据悉罗宾康的高压变频器在威海发电厂、西门子的高压变频器在福州自来水公司、利得华福的高压变频器在福州自来水公司都烧毁过干式隔离变压器）；内反馈串级调速没有隔离变压器。
2、高压变频调速器安装在电机定子绕组侧，因此必须处理高压，而处理高压的代价很大，所以高压变频调速的造价很高，安全性较差，维护比较困难；而内反馈串级调速控制装置只与低压的转子绕组和低压的调节绕组联接，因此内反馈串级调速控制装置为常规的低压控制装置，因此造价较低，便于维护。
3、高压变频器安装在高压电源和电机之间，其控制的最大容量为电机的额定容量；而内反馈串级调速控制装置安装在电机的转子绕组和调节绕组之间，其控制的容量为从转子绕组取出的能量而不是电机的额定容量，对于风机水泵类负载，此能量最大仅为电机额定容量的一半，因此对于控制相同容量的电机来说，内反馈串级调速控制装置的容量仅为高压变频器容量的一半，因此内反馈串级调速控制装置的造价更低，体积更小。
毕业设计(论文)-绕线式异步电动机的串级调速[管理资料]
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绕线式异步电动机的串级调速作者：摘要：本设计主要利用电力拖动控制设计出可靠安全且容易操作和维修。
主要介绍了机械和工艺对电器控制线路的要求，以及怎么设计出来的控制线路满足生产的要求，达到简单经济。
在设计电力拖动自动控制系统时，一般包括两部分内容，一是确定拖动方案和选择电动机，前者主要解决的是采用交流拖动方案还是直流拖动方案，后者主要解决的是选择电动机容量等问题。
根据电机学由异步电机转速公式n=60f1/Þ×(1-s p)可知异步电机的调速方法有改变定子频率、磁极对数和转差率等，而对于绕线式异步电机我们一般都采用的是改变转差率进行调速，而改变转差率实现异步电动机的调速方法有一：在绕线式异步电机的转子中串入不同的电阻实现电力拖动的速度调节，但这中方法存在着以下缺点：1）他是通过增大转子回路电阻来降低转速，当电机负载转矩恒定时，转速越低转差功率越大，这种方法是通过增大转差功率来降低转速的，但所增加的转差功率全部被转化为热量消耗掉了，这种调速方法效率岁调速的范围增大而降低。
2）调速时电机理想空载转速不变。
只能在额定转速以下调节，调速时机械特性变软，降低了静态调速精度，3）由于转子回来附加电阻的档数有限，无法实行无级调速，调速范围小。
二：串级调速，串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。
它属于变转差率来实现串级调速的。
与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。
它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。
特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。
关键词：异步电动机串级调速原理基本类型Abstract：The design of the main drag to control the use of electricity to design safe and reliable operation and maintenance easy. Introduces the process of mechanical and electrical control circuit, as well as how the control circuit designed to meet the requirements of the production to a simple economic. Automatic control in the design of electric drive system, generally comprises two parts, first drag the program to identify and select the motor, which is used mainly to solve the exchange program or drag drag DC program, which is the main solution is to choose electric machine capacity and so on.According to the study by the electric induction motor speed formula n = 60f1 / Þ × (1-sp) induction motor can see the speed control methods have to change the frequency of the stator, on the pole and a few slip, and so on, but for the winding - We induction motors generally used is to change the slip for governor, and change the slip of the induction motor to achieve a speed control methods: the wound-rotor induction motor in the string into a different resistance to realize the power delay Adjust the speed of the move, but there is method in the following shortcomings: 1) he is through loopincreased resistance to reduce the rotor speed, when the motor torque constant load, the lower the speed difference to the greater power, this approach is adopted Increasing deterioration of the power to reduce speed, but the increase in power all the difference to be converted into energy consumed, the efficiency of this method of speed-year-old governor to reduce the scope of the increase. 2) The speed at the same speed no-load motor ideal. Can only be rated below regulation speed, variable speed control when the mechanical properties of soft and reduce the static speed accuracy, 3) due to additional back rotor resistance limited number of stalls, unable to carry out stepless speed regulation, the small scope of the governor. Second: Cascade Speed, speed cascade through the wound-rotor induction motor circuit and the introduction of additional potential generated. It is a change to achieve slip cascade of speed. Rotor resistance and the string in different ways, can cascade speed asynchronous motor to power the application (or the power grid back into mechanical energy to send back to the motor shaft), so efficient. It can not achieve the smooth-class speed and low speed when the mechanical properties of relatively hard. Thyristor especially low speed synchronous cascade system, the technical difficulty of small, relatively perfect performance, which was widely used.Key words:asynchronous motor series of basic principles governing the type of一、串级调速的基本原理所谓串级调速就是在转子回路中串入与转子电动势E2同频率的附加电动势E add如图1—1所示。
第3章 第3节 绕线式异步电动机的调速
可直接控制转子回路内的滑差功率 实现转子串电阻调速和串级调速等调速方式 串级调速－－变流装置在转子侧 调节滑差功率，调速装置容量小 3.3.1 绕线式异步电动机转子串电阻调速 1、转子串电阻调速原理 转子回路接三相附加电阻 机械特性从自然特性变为人工特性 最大转矩不变
临界转差率将随外加电阻的增大而增加
改变值，逆变器输出电压变化，实现调速
19
①第1工作区
（ p 0
600 ）
转子整流输出电压（考虑换流压降及电机转子侧电阻Rd）：
U d 2.34sE 2 ( 3sX d
2 Rd ) I d
逆变电压：
U 2.34U 2T cos ( 3X T
2 RT )I d
1）亚同步系统－－交直交 静止变流器作用： 回收利用转子绕组中的转差功 率－－传递有功功率 二极管不可控整流桥把转差频率 的交流变成直流 有源逆变器把直流变成电网频 率的交流回馈电网 PCU—Power Converter Unit
2）超同步系统－－交－交变流器
静止变流器能双向传递有功功率 既能运行于亚同步速度，又能运行 于超同步 同时相位能随意变化，传递无功 功率，改善功率因数
) cos1 (1
2X d Id 6 E2
)
Xd－－转子不动时折算到转子侧的总漏抗 Id－－负载电流即整流输出电流
E2－－电机静止时转子绕组相电势
γ角与转差率s无关 随着负载电流Id的增加而增加
当 Id 6E2 4Xd 时
60
14
2、转子整流电路3种工作状态 ①第1工作状态 负载不很大，换流重叠角γ随负载上升而增大，变化范围：
忽略分母中 有
双闭环次同步串级调速系统设计
Ｋ ｅ ｒ ｓ：ａ ｃ ｄ ｐ ｅ ｅ ｕ ａｉｎ；ｄ ｕ ｌ ｌｓ ｄ ｌｏ ；ｅ ｇｉｅ ｒｎ ｅｉ ｙ ｗｏ ｄ ｃ ｓ ａ ｅｓ ｅｄ ｒｇ ｌｔｏ ｏ ｂｅ ｃｏ ｅ ｏｐ ｎ ｎ ｅｉｇ ｄ ｓｇｎ
０ 引 言
流双闭环的感应 电机调速控 制系统 ， 通过 试验 调试参
风机 、 水泵是我 国国民经 济发展 中重要的用 电设
数， 满足系统 的动 、 静态性能 指标 ． １ 串级调 速 基本 原理 三相感应 电机从 定 子传人 转子 的 电磁功率 一部 分用 于拖 动负载为机械功率 ； 另一部分传输 给转 子 电
双 闭环 次 同步 串级 调 速 系统 设 计
李运辉 李 萍 刘 国 忠 ， ，
（ ．西安鑫 隆铁路科技 有限责任公 司， １ 西安 ７ ０ ４ ；． １０ ８２ 北京信息科技大学 ， 北京
１０ ９ ）Biblioteka ０ １２ 誊 萎 誊要 曩 卑级讽逸是电机辕差功率馈迭 键遵曝 式 ． 逸 绱 丧 控 可奄祷０ 挺蔼 ｌ 哇 ｎ 速的静≮ 周 动态性能 堋扬需求 Ⅱ罐嘲计＿案设计双闭环次同 方 ｉ ｊ 甥 目 速系统的控制器参数， 并结合嘲 ￡ ｝ 器参数 ｔ 匕 该方案可 激 现系统聪ｌ Ｊ ｆ 生 Ｉ 蕞 ＇ 畿 球 粥诵 镯侉 融 漪 ’ 砖 辩吕 察 学 行・ Ｉ ｌ 毪 ｊｌ。 踅鼠 ： 关 卑镪 爵遵 虱环 麓 殴诗 罄 誊毫 蠹 臻 薯警 。 ｜ 蘩 Ｉｉ 誊 誊 ｜ 嚣 警 毒 薯 袭 摹｜ ｜ 鼍 啐阻 分獒 号： ｓ ＊ 文 橡标 鹤Ａ ｌ 章编 号 ｓ ｓ ３麓 ； 文 鹄 ４ Ｑ 姒 毫 羹 誊 ３ 奄 薯 ｜
串级调速(内反馈技术)与高压变频调速技术的比较
转子变频调速（斩波内馈、串级调速）与多级H 桥串联方式高压变频器比较一、转子变频调速技术简介转子变频调速是晶闸管串级调速的一种改进, 主电路如图1。
它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR 、PWM 斩波器BC 、IGBT （或晶闸管）逆变器TI 和升压变压器Taw 等部件组成。
斩波器BC 根据电动机的设定转速n 进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网,其原理如下：（1）定子绕组直接接至3～10kV 电网。
（2）转子绕组接400～1000V 变频器，转子绕组接整流器DR ；逆变器TI 的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。
图1转子变频调速主电路斩波器的工作原理:图2斩波器控制原理图斩波器控制如图2所示，斩波器BC 根据电动机的设定转速n 进行速度调节，速度调节器的输出值作为转子电流的dr I 的设定值，电流调节器的输出外则控制斩波器输出波形的占空比ρ，从而控制转子整流电压dr U 和转子交流电压r U ，也就控制了电动机的转差率s ，达到控制转速的目的。
因为 ()1dr r U U ρ=- ，通过改变占空比ρ，也就改变了dr U 和与它相关的r U 。
由转子电压0r r S U U =⨯得0rr s U U =，于是实现了调节转差率s ，从而调节异步电动机的转速。
二、斩波内馈调速技术简介采用内反馈电动机的转子变频主电路如图3所示，从原理上说属于斩波串调，只是逆变器为IGBT电压型PWM逆变器BI。
绕线式异步电动机的定子内嵌有与转子最高逆变输出电压相适应的内反馈绕组，它具有转子正反馈作用。
被控制电动机的转差功率直接回馈给电动机本身，增大了该电动机的出力，也节约了能源。
此方案的原理基本上与上述典型的转子变频方案相同，但转差功率不回馈入电网，当然也不需要升压变压器。
图2 采用内反馈电动机的转子变频主电路被调速的6kV或10kV高压电机的定子有2套绕组，一套定子绕组直接接6kV或10kV 电网，另一套辅助绕组为变频器VF中的逆变器BI提供电源，把来自转子的滑差能量回馈至定子。
第3章串级调速
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2. 低于同步转速的回馈制动运行状态 0＜s<l，Te＜0，则
Pem Te0 0
PM (1 s)Pem 0
Ps s Pem 0
第3 章
说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率PM与从电网通过产生
•
Ef
装置输入的转差功率Ps之和，都变为电磁功率Pem，并通过电动机 定子回馈给电网。
第3 章
主要介绍低同步串级调速系统的基本类型。
低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整 成直流电，在直流电路中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源 的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。
从能量关系来说，低同步串级调速电动状态的基本能量关系是串 入附加电势，吸收转子降速引起的转差功率，并将吸收的功率回馈电 网的过程。
第3 章
可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。 超同步串级调速系统系统装置复杂，费用高。
实用的串级调速系统，一般采用低同步串级调速： 将转子电路接整流电路； 在直流回路中串入直流附加电动势； 通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。
2024年1月27日星期六
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1.转子整流器的第一工作状态
第3 章
（Id较小， 60 0 的情况 ）
特征：转子电流较小，整流后直流电流Id也 较小；
二极管整流器换相迅速，两个二极管之 间的换流重叠角ɼ较小。
重叠角 ɼ 随转子电流或Id的增大而增大， 第一工作状态的ɼ小于等于600。
2024年1月27日星期六
不对称控制的串级调速系统
触发 ｌ 关断 ５必须 Ｖ ＞ 。 ０ 触 发 ６关 断 ４必须 Ｖ ＞ 。 ０
触 发 ２关 断 ６必须 Ｖ ＞ 。 ０ 触 发 ４关断 ２必须 Ｖ 。 ０ 。＞ 。
据此 Ｏ可达 １０ ， ｔ ８ 。考虑换相重迭角 的影
响 ， 全换 流必须 留有 ｒ ０ 的余量 ， 此将 安 ＝２ 。 因 １ 管起 点 前移 ｒ４管 的最 大 移 相 留 ｒ则 移 相 ， ，
滑无级调速 ， 回收转子转 差功率 等优点。 能 带转速负反馈 闭环控 制时 ， 速精 度很高。 调 在调速范围不很大而容量较大 的设备上 ， 可
以与直 流调速 系统 比美。它特别适 用 于风 机、 水泵类负载。因而属于国家节 能重点推
广 技术 。
桥式逆变器 （ 图 １ 的共 阴极晶闸管 １３５ 如 ） 、、
然换流状态， 所以移相范围有多大， 关键决定
・
４３ ・
于 换流 能否 成功 。如 图 １可 知换 流条件 ： 触 发 ３关 断 ｌ必须 Ｖ ＞ 。 ｈ ０ 触 发 ５关 断 ３必须 Ｖ ＞ 。 ０
重迭 部分 在变 化 ， 路 区长 短 及 ａ相 绕 组 中 短 流过 的 电 流 ｉ 一ｉ 长 短 也 不 同 （ 图 与 的 见 ３ 。 由波形 变化 可求 出逆 变 电压 值 。 ）
段 的长短 及 每 相 导 通 的 长 短 均 随 Ｏ角 而 变 ｔ 化， 为便 于分 析 ， 我们 可 以将此 桥式 逆变过 程 看作 固定触发 的共 阴极三 相零 式与 可移 相触 发 的共 阳极三 相零 式两 组逆 变器 的合成 。 图
ＵＩ 一１ １ Ｕ Ｂ ｏ０ ＝ ． ７ ２ ｃｓ Ｉ一（一１ ７ ２ ．１Ｕ Ｂ
染等优点。在《 电力拖动 自动控制系统》 高
电力拖动试题及答案
1.脉宽调制p5答:利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的(三种方式)。
2. 直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。
问蓄电池的电流Id是多少?是放电电流还是充电电流? 图见P103答:因斩波电路输出电压u0的平均值: U0=ρ×Us=30%×300=90 V < EaId=( U0- E)/ R=(90-100)/1=-10A是充电电流,电动机工作在第Ⅱ象限的回馈制动状态, 直流蓄电池吸收能量。
3. PWM调速系统的开关频率答: 电力晶体管的开关频率越高，开关动态损耗越大；但开关频率提高，使电枢电流的脉动减小，也容易使电流连续，提高了调速的低速运行平稳性，使电动机附加损耗减小；从PWM变换器传输效率最高的角度出发，开关频率应有一个最佳值；当开关频率比调速系统的最高工作频率高出10倍左右时，对系统的动态特性的影响可以忽略不计。
4静差率s与空载转速n0的关系p11答：静差率s与空载转速n0成反比，n0下降，s上升。
所以检验静差率时应以最低速时的静差率为准。
5. 反馈控制有静差调速成系统原理图,各部件的名称和作用。
p21答：①比较器：给定值与测速发电机的负反馈电压比较,得到转速偏差电压ΔUn。
②比例放大器A：将转速偏差电压ΔUn放大，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc。
③电力电子变换器UPE：将输入的三相交流电源转换为可控的直流电压Ud。
④M电机：驱动电机。
⑤TG测速发电机：测速发电机检测驱动电机的转速。
⑥电位器：将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值U*n 。
6．分析转速负反馈单闭环调速系统的基本性质,说明单闭环调速系统能减少稳态速降的原因，改变给定电压或者调整转速反馈系数能否改变电动机的稳态转速?为什么?P23~25答：负反馈单闭环调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。
绕线转子异步电动机的串级调速系统
s
串电阻调速可通过分析转子回路电流来认识其调速的物 理过程 异步电动机电磁转矩的物理表达式
M
nT
3~
T CTm I 2 cos 2
I2
电磁转矩T只与转子回路中的有功电流 成正比
I 2T I 2 cos 2
R 绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速
a)电路图
1 b)机械特性 0 TL T
E2s
输出 E add 有功功率
5
电机达到超同步 速的新稳态工作 点
由正转变成反转
反向串联
6.1 串级调速的原理与类型（续3）
3．附加电势获得的方法
~
M A TI E 2S VR i2 U do U i VI
控制系统
次同步速串级调速系统主电路 附加电势吸收电机转子送来的转差功率 Ps 这部份能量可通过有源逆变送回电 网
~
MA
TG
Ld Id
R Ld R1
n f T | 1
Ud 0 2.34s0 E20
Ui 0 2.34U2T cos 1
S
0
U cos 1 s0 | 1 2T E20 空载时I d 0
1
下的人为机
Ud
Ui
+ 负载
+ -
U i0
U d 0 Ui 0
S0=0 90
15
6.2 次同步速串级调速系统（续4）
1．能量传递关系
四.串调系统的能量传递关系与效率
a)
Pin
P1
Pm
pCu 2 pFe Ps PF P1 Pm
Pmec
pCu 2 ps p
P2 pmec
异步电动机的串级调速
4. 高于同步转速的回馈制动运行状态 s＜0，Te＜0。则
PemTe00
P M(1s)P em 0 Ps sPem0
说通明 过电 定动 子机 回从馈轴给上电吸网收；机另械 一功 部率 分变PM为，转一差部功分率变P为s，电通磁过功产率生PemE ，f 装置回馈给电网。
可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。 超同步串级调速系统系统装置复杂，费用高。
实用的串级调速系统，一般采用低同步串级调速： 将转子电路接整流电路； 在直流回路中串入直流附加电动势； 通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。
主要介绍低同步串级调速系统的基本类型。
低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整 成直流电，在直流电路中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源 的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。
I2'
sE 20 R2
E f jsX 20
I2'
I2
Te ' Te
n
s s'
n
s
I2 '
I
2
'
I2
n'
Te ' Te
电机在转速n′处实现平衡，转速调为n ′ 。
向高于同步速方向的串级调速
串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：
方向相反，频率相同
* 这种向下调速的情况成为向低于同步速方 向的串级调速。
b. 如串入的附加电势
Ef
与转子感生电势sE 20
方向相同，频率相同
* 这种向上调速的情况称为向高于同步 速方向的串级调速。
(完整版)串级调速系统的仿真与设计
湖南科技大学信息与电气工程学院《课程设计报告》题目：串级调速系统的仿真与设计专业：电气工程及其自动化班级：电气三班姓名：学号：指导教师：***任务书一、串级调速原理绕线转子异步电动机用转子串接电阻、分段切换可进行调速，此法调速性能与节能性能都很差。
采用转子回路引入附加电动势，从而实现电动机调速的方法称为串级调速。
晶闸管串级调速是异步电动机节能控制广泛采用的一项技术，目前国内外许多著名电气公司均生产串级调速系列产品。
串级调速的工作原理是利用三相整流将电动机转子电动势变换为直流，经滤波通过有源逆变电路再变换为三相工频交流返送回电网。
串级调速主电路如图1-1所示，逆变电压Uβ为引入转子电路的反电动势，改变逆变角β即可以改变反电动势大小，达到改变转速的目的。
Ud是转子整流后的直流电压，其值为错误!未找到引用源。
当电动机转速稳定，忽略直流回路电阻时，则整流电压Ud 与逆变电压Uβ大小相等方向相反。
当逆变变压器T1二次线电压为U2l时，则所以错误!未找到引用源。
上式说明，改变逆变角β的大小即可以改变电动机的转差率，实现调速。
通常电动机转速越低返回电网的能量越大，节能越显著，但调速范围过大将使装置的功率因数变差，逆变变压器和交流装置的容量增大，一次投资增高，过串级调速比宜定在2:1以下。
图1-1 串级调速主电路二、调速过程1. 起动接通KM1、KM2，利用频敏变电阻器起动电动机。
当电动机起动后，断开KM2接通KM3，电动机转入串级调速。
2. 调速电动机稳定运行在某转速此时Ud = Uβ，如β角增大则Uβ减少，使转子电流瞬时增大，致使电动机转矩增大转速提高、使转差率s减少，当Ud 减少到Uβ相等时，电动机稳定运行在较高的转速上；反之减少β的值则电动机的转速下降。
3. 停车先断开KM1，延时断开KM3，电动机停车。
三、参数计算1. 电机选择本设计选取三相异步电动机，调速范围为D= 20。
三相异步电动机主要技术数据如下：额定输出功率7.5KW；定子绕组额定线电压380V；定子绕组额定相电流12A; 定子绕组每相电阻0.5欧姆；定子绕组接线形式Y；转子额定转速980rpm;转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:3欧姆；转子折算后额定电流30A；额定功率因数：0.75；电机机电时间常数2S; 电枢允许过载系数1.5；电网额定电压:380/220V; 电网电压波动10%;环境温度:-40~+40摄氏度;环境相对湿度:10~90%.转差率：3%；调速范围：D＝20；电流超调量小于等5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;稳速精度：0.03.2. 逆变变压器参数计算逆变变压器二次线电压：逆变变压器容量：因为I T2N = I2N，所以：3. 整流电路和逆变电路器件选择直流回路的额定电流：错误!未找到引用源。
串级调速系统的工作原理
可提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所 需的附加直流电动势；
可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电 网。
工作原理
（1）起动 起动条件
对串级调速系统而言，起动应有足够 大的转子电流 Ir 或足够大的整流后直流 电流 Id ，为此，转子整流电压 Ud 与逆变 电压 Ui 间应有较大的差值。
调速原理：通过改变 角的大小调节电动
机的转速。 调速过程：
Ui Id Te n
Te = TL Id K1s转矩的作用自由停车串级调速系统能够靠调节逆变角实现平滑无级调速系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用大大提高了调速系统的效率
串级调速系统的工作原理
基本思路
如前所述，在异步电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。怎样才能获得这样的电压呢？
按照上述原理组成的异步电机在低于同 步转速下作电动状态运行的双馈调速系统 如图7-5所示，习惯上称之为电气串级调速 系统（或称Scherbius系统）。
系统组成
图7-5 电气串级调速系统原理图
功率变换单元
UR — 三相不可控整流装置，将异步电机 转子相电动势 sEr0 整流为直流电压 Ud 。
首先，它应该是可平滑调节的，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。
系统方案
根据以上两点要求，较好的方案是采用 工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装 置作为产生附加直流电动势的电源，这就 形成了图7-4a中所示的功率变换单元CU2。
串级调速的一般原理有哪些
串级调速的一般原理有哪些串级调速是指通过多台电动机按一定顺序和方法进行串联，利用自动调速装置调整负载条件，以实现适应不同负载的运行要求的调速方式。
串级调速的一般原理主要包括以下几个方面：1. 电动机选取原理：根据负载特性和运行要求选择适当的电动机。
串级调速系统中，通常选取功率小、调速范围宽的电动机作为主机，用于调节较大范围的负载需求；而功率大的电动机作为副机，用于调节较小范围的负载需求。
2. 电动机串联原理：将多台电动机按一定顺序串联起来。
与并联调速不同，串级调速中各电动机的电源是串联连接的，负载则并联连接。
通过串联连接，可以将输入功率分配到各个电动机上，实现分步调速。
3. 电动机速度匹配原理：为了保证各个电动机的转速一致，需要调节各个电动机的输入功率。
通常采用调节输入电压或调节转矩的方式，使得各个电动机的转速保持一致。
4. 负载分配原理：在串级调速系统中，负载是并联连接的。
为了保持各个电动机在负载下的运行稳定，需要根据负载特性以及一定的控制策略，将负载按一定比例分配给各个电动机。
5. 调速控制原理：串级调速系统通常配备自动调速装置，通过采集电动机运行状态、负载特性等信息，实时控制电动机的转速。
根据转速偏差和负载变化情况，自动调整输出功率、电压或转矩，以实现稳定的调速效果。
6. 调速响应原理：串级调速系统可以根据负载特性和调速要求，调整各个电动机的转速。
不同的调速要求对响应速度和稳定性有不同的要求。
通常通过合理的参数选择和控制策略，使得系统具有较快的响应速度和良好的调速稳定性。
总结起来，串级调速的一般原理包括电动机选取、电动机串联、电动机速度匹配、负载分配、调速控制和调速响应等方面，通过合理地设计和调整这些参数和控制策略，能够实现适应不同负载要求的稳定调速效果。
SEC高频斩波串级调速系统在天瑞水泥公司的应用及案例分析
1141S EC 高频斩波串级调速系统简介1.1技术由来串级调速源于英语“cascade control ”，意为“级联控制”，是指当异步电动机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。
串级调速理论早在20世纪30年代就已被提出，到了60~70年代，当可控电力电子器件出现以后，这一理论才得到更好的应用。
20世纪60年代以来，由于高压大电流晶闸管的出现，串级调速系统获得了空前的发展，出现实用串级调速系统。
我国是在20世纪60年代末期开始发展串级调速技术的，到了70年代后期，西安整流器厂首先推出了系列产品，以后其它厂家也相继推出了系列产品，主要应用于钢铁、化工、煤炭、纺织、给排水，当时串级调速系统功率已达1900k W ；到80年代，在我国已有相当应用。
1984年，当时的机械工业部发布了串级调速装置的电工专业标准，1990年国家技术监督局批准了半导体变流串级调速装置的国标(GB1266-90)，规范了这类装置的设计、试验要求。
到了20世纪90年代，由于工业现场鼠笼式电机的广泛使用、变频技术发展迅速，仅少量串级调速系统被新用于工业现场。
进入21世纪，由于串级调速自身固有的优势，以及绕线式电机技术的发展，串级调速才被重新关注，并成为现代高效电机调速的两大技术之一。
1.2基本原理串级调速又称为转子串附加可调电势调速，属变转差率调速。
在电机转子回路中串入可吸收电转差功率的可调附加反电动势，通过控制附加反电动势的大小，改变转子回路电流、电磁转矩，进而调节电机转速，同时回收转子回路的转差功率，达到高效节能的目的。
特别对于平方转矩负载(如：泵与风机类负载)，串级调速装置最大变流功率仅为电机额定功率的14.815%，变流电压范围仅为100~1500V 。
SEC 高频斩波串级调速系统主要由启动单元、整流器单元、斩波单元和有源逆变单元组成。
PI控制器控制的双闭环控制串级调速系统
目录第一章概述 (2)第二章双闭环控制串级调速系统 (3)2.1双闭环控制串级调速系统的组成 (3)2.2异步电动机串级调速时转子整流电路工作状态的选择 (4)2.3串级调速系统的动态数学模型 (6)2.4异步电动机和转子直流回路传递函数计算 (9)2.5调节器参数的设计-电流环和转速环设计 (10)2.5.1 电流环的设计 (10)2.5.2 转速环的设计 (12)第三章 MATLAB仿真 (14)3.1给定阶跃的仿真： (14)3.2抗扰仿真 (14)第四章收获与致谢 (16)参考文献 (16)第一章概述串级调速理论早在20世纪30年代就已提出,到了60-70年代,当可控电力电子器件出现以后,才得到更好的应用。
20世纪60年代以来,由于高压大电流晶闸管的出现,串级调速系统获得了空前的发展。
60年代中期,W.Shepherd和J.Stanw 就提出了一种将绕线转子电动机的转差功率进行整流,然后经过晶闸管逆变器将整流后的转差功率逆变为电网频率的交流功率,并将其反馈到电动机的定子辅助绕组中的晶闸管串级方案,称为“定子反馈”方案,而把通过变压器,逆变变压器,将转差功率反馈到电网,常规的晶闸管串级,称为“电网反馈”方案。
在“定子反馈”方案中,辅助绕组与定子绕组电气上绝缘,通过磁耦合,即电磁感应,将转差功率经过定子绕组反馈到电网,这就是我们所说的“内馈”串调。
20世纪60年代末期,我国的一些单位开始进行晶闸管串级调速的试验,70年代后期,西安整流器厂首先推出了系列产品,以后其他厂家也相继推出。
国内最先是由屈维谦在80年代后期提出内馈串级调速方案的。
90年代中期以后,有一家公司又推出斩波式内馈串调。
随着电力电子技术和控制策略的发展,新的拓扑结构和控制策略被不断提出。
到目前为止全国已有四到五家知名的内馈串级调速装置的生产厂家。
如今节约能源、更加合理地、有效地利用能源是一项艰巨、利国利民造福子孙的长期工作,也是我国的一项基本国策。
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结论： （1）串级调速系统能够靠调节逆变角β实现平滑无 级调速。 （2）系统能把绕线型异步电动机的转差功率回馈 给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率 得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。
7.2.1串级调速系统的工作原理
对直流附加电动势的技术要求：首先，它应该是可 平滑调节的，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。 根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源 逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流 电动势的电源，这就形成了图7-3a中所示的功率变 换单元CU2。
串级调速系统的工作原理
设此时的s=s1， β= β1,则式（7-5）可写作
K1s1Er 0 K2U 2T cos 1 I dL R
式中IdL为对应于负载转矩的直流回路电流。
串级调速系统的工作原理
2．调速 当增大β角使β=β2>β1时，逆变电压Ui减小，但电 动机的转速不能立即改变，所以Id将增大，电磁 转矩增大，使电动机加速。随着电动机转速的增 高， K1sEr0减少， Id回落，直到新的平衡状态， 电动机在增高了的转速下稳定运行。式中β2>β1 ，s2<s1 K1s2 Er 0 K2U 2T cos 2 I dL R
7.2绕线转子异步电动机串级调 速系统
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、可变幅的附加电 动势 。怎样才能获得这样的附加电动势呢？
7.2.1串级调速系统的工作原理
对于转子侧输出转差功率的情况来说，比较方便 的办法是，将异步电动机的转子电压先整流成直 流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控 制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电 动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂 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更加容易。
图7-4 电气串级调速系统原理必有U d > Ui。 由图7-4可以写出整流后的直流回路电压平衡方程 式：U d Ui I d R 或 K sE K U cos I R
1 r0 2 T2 d
(7-5) 式中，K1、 K 2 ——UR与UI的电压整流系数，如两 者都是三相桥式电路，则 K1 K2 2.34 ；
串级调速系统的工作原理
3．停车 对于处于低同步转速下运行的双馈调速系统，必 须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制 动。 在串级调速系统中与转子连接的是不可控整流装 置，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不可 能向转子输入电功率。因此串级调速系统没有制 动停车功能 。只能靠减小 β 角减小 Id ，并依靠负 载阻转矩的作用自由停车。
串级调速系统的工作原理
从上式②中可以看出， Ud中包含了电动机的转差 Id 率s，而 与电动机转子交流电流Ir之间有固定的 比例关系，因此它近似地反映了电动机电磁转矩 的大小，而β角是控制变量。所以该式可以看作 是在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接 s f (Id , ) 表达式 。
串级调速系统的工作原理
1．起动 异步电动机在静止不动时，其转子电动势为 Er0 ； 控制逆变角β，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差 值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但 又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定 的动态转矩下加速起动。
串级调速系统的工作原理
随着异步电动机转速的增高，其转子电动 势减少，为了维持加速过程中动态转矩基 (Ud Ui ) 本恒定，必须相应地增大β角以减小Ui值 ，维持 基本恒定。当电动机加 速到所需转速时，不再调整β角，电动机 即在此转速下稳定运行。