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 ｜
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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。