交流调速--第3章：串级调速

~
3.高于同步转速的再生制动状态（图c） 2.高于同步转速的电动状态（图b）
P1
(1-s)P1
~ ~
s<0 sP1
0 n0
（b）
P1 转子回路串入的附加电动势E f 与转子相电流I 2相位相同，而转 电动机转子输出转差功率sP，经附加电动势产生装置回馈电网； 1 n Te n Te 与转子相电流I 相位相反，电网通过产生附加 M M 子感应电动势E2 2 电动机定子也向电网回馈能量； Ef Ef 电动势的装置向电动机转子输入功率sP； （1-s）P1 1 电动机在高于同步转速下产生电气制动力矩，工作在第二象限； ~ ~ 定子和转子都吸收电能，并转换成机械能从轴上输出； 电动机处于再生制动状态；
第三章 绕线型异步电动机的 串级调速系统
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5 绪论 串级调速系统的工作原理 串级调速系统的性能分析 次同步串级调速闭环控制系统 超同步串级调速系统
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§3.1 绪论
一：异步电动机调速的结构特征 1.鼠笼型异步电动机的调速特点:
①转子处于短路状态; ②调速方法都是从电机定子侧引入控制变量(如改变定子电压,频率等)来改变 电动机的转速;
因此若在绕线式异步电动机的 1加入同相电动势
sE 20 E f
2 2 2 2 2 e 2 20
转子侧引入一个可控的附加电 I , I T n s I T 动势,就可以对电机的转速进行 R sX 调节,引入不同数值的同相(反 直到T T ，电动机进入一个新的稳态运行，稳定后的 相)电动势,就可以使电机获得 转差率为s ，s s ,电机的转速增加，称为超同步调速。 不同的稳定转速.
2 2

cos 2 N 常数
§3.1 绪论
这种方法简单,但是主要有以下缺点:
s n
0 n0 R2
①低速损耗大 它是通过增大转子回路的电阻值来降低电机转速. 若带恒转矩负载,转速越低时转差功率就越大,因 此这种方法是通过增大转差功率来降低转速,但 是增加的转差功率全部被转化为热能消耗掉了, 因此随着调速范围的增大,效率就越低
⑦恒转矩调速（转子电流基本不变） 注：在中小功率串级调速系统中为了简化电路，降 低成本，还采用三相零式电路，并采用进线电抗器 省去了逆变变压器。
2.机械串级调速系统
(1-s)P1
M ~
WW
sP1
M _
sP1
UR
机械串级调速系统结构图
机械串级调速系统是一种恒 功率调速系统,其结构如图所 示。 图中交流绕线式转子异步电 动机与一台直流它励电机同 轴连接,共同带动负载. 异步电动机的转差功率经整 流器变换后传送到直流电机, 后者把这部份电功率转变为 机械功率再传送到负载轴上. 这样就相当于在负载轴上增 加了一个拖动力矩,从而很好 地利用了转差功率.
二.串级调速系统的类型
1.电气串级调速系统 电气串级调速系统包括两种类型：电机型串级调速系统和晶闸管串 级调速系统。 ①电机型串级调速系统（一般不用）
电机型串级调速系统是通过一个旋转变流机组将异步电动机的转差 功率整流后输出给直流电动机，后者拖动一台交流异步电机将功率 回馈电网。这种串级调速方式的特点是： •系统复杂；
•需要的附加旋转电机多； 因此难以在工业应用中推广。
§3.2 串级调速系统的工作原理
②晶闸管串级调速系统（静止Scherbius系统） 目前广泛应用的是晶闸管串级调速系统。串级调速系统的核心环节 是产生附加电动势。由于绕线型异步电动机转子回路感应电动势 E2
的频率是随转差率变化的，所以附加电动势 E f 的频率必须随电动 机转速而变化。
逆变器逆变角；
M
I2
L 晶闸管串级调速系统结构图
ud u I d R K1sE20 K 2U 2T COS I d R
串级调速系统的工作原理
ud u I d R K1sE20 K 2U 2T COS I d R
(1) u I d I 2 Te n s sE 20 u d I d
2
M

E20 R2 R2 v 2 X 2 s
2
为了维持电机转子电流为额定值，必须使 R2 sN R2 R2 v s 常数
Rv ，s ，其中Rv是转子回路所串联的电阻。 转子回路的功率因数 cos 2 （R2 R2 v） s / R2 R2 v 2 X 2 s R2 / s N R2 2 X 2 s N 可见转子回路串电阻属于恒转矩调速方法。
§3.2 串级调速系统的工作原理
晶闸管串级调速系统是选用工作在逆变状态的晶闸管可控整流器来 作为产生附加电动势的电源，从而满足上诉技术条件。典型的晶闸 U 2T 逆变变压器二次侧相电压； 管串级调速系统如下图所示。 图中，三相异步电机M以转差
率s运行，其转子相电动势经 u 逆变器输出电压； 三相不可控整流装置UR整流， TI 输出电压u d 。工作在逆变状的 u d UR 整流器输出电压； Id 三相可控整流装置UI，除可提 UI R 转子直流回路电阻； 供一个可调直流输出电压 u 作为附加电动势外，还可将经 K1，K 2 UR与UI两个电压整流系数， u ud 整流后输出的电动机转差功率 若采用三相桥式连接，则逆变回馈到电网。TI是逆变变 K1 K 2 2.34 压器，L为平波电抗器。
sP1
电动机处于定转子双馈电动状态；
-T
（d）
s>0
晶闸管串级调速系统的特点：
⑥ 为了防止逆变失败，逆变角的变化范围在30

~ 90 之间，

当 min 30 时，逆变电压u 2.34uT cos 30 为最大值,电 动机在最低速运行;当 max 90 时, 逆变电压u 0,电动 机在固有特性上工作, 相当于最高转速..
从式中可以看出：u d 反映电动机转差功率.I d与转子电流 之间有固定比例关系，从而可以近似表征电动机电磁转
直到电压平衡方程式达到新的平衡状态。 矩。改变逆变角就可以调节逆变电压u ，从而实现调速。 （2） u I d I 2 Te n s sE 20 u d I d 直到电压平衡方程式达到新的平衡状态。
§3.2 串级调速系统的工作原理
一.串级调速原理
异步电动机运行时转子的相电动势 E2 sE 20
M
Ef
s为转差率，E20为转子开路电动势，就是绕线式异步电动机在转子不动
时的相电动势，它就是转子额定电压的相电压值。此外，转子频率f 2与 定子频率之间关系满足f 2 sf1.在转子短路的情况下，转子相电流I 2为 I2 sE 20 R2 sX 20
e e L 2 2 1
2 加入反相电动势 sE 20 E f R2 sX 20
2 2
I2
, I 2 Te n s I 2 Te
直到Te TL，电动机进入一个新的稳态运行，稳定后的 转差率为s3，s3 s1 ,电机的转速减少，称为次同步调速。
这种调速方法就相当于在转子侧加入可变频可变幅交流电压的调速方法。实际系 统中是把转子交流电动势整流成直流电动势，然后再与一个直流电动势进行比较， 控制直流电动势的大小就可以调节惦记的转速，从而把交流变频问题转化为与频 率无关的直流问题。
对直流电动势的技术要求： ①平滑可调，从而实现对电机转速的平滑调节； ②从功率传递提高调速效率的角度，要求能吸收从转子侧传递过来 的转差功率并加以利用，例如将电能回馈电网；
2 2
如果转子回路中引入一个可控交流附加电动势E f ，该附加电动势与E2有
相同频率，并且与E2同相或反相串接。如图所示.此时转子回路的电流I 2为 I2 sE 20 E f R2 sX 20
2 2
§3.2 串级调速系统的工作原理
分析:
设设备转矩恒定,未串入附加电动势Ef之前在s=s1上午转差率下运行.
由于需要附加一台直流电机,并且直流电机的功率随调 速范围的扩大而增大,由于这一缺点目前很少采用
三.串级调速的功率传递关系 s n
1.低于同步转速的电动状态（图a） 4.低于同步转速的再生制动状态（图d） -1 2n
P1
0
M ~
sP1
sP1 P1 n Te
Ef
~
电网通过产生附加电动T 势的装置向电动机转子回路输入转差功 转子相电流I 2与转子绕组感应电动势E2相位相同，而与 n
率sP，该功率与电动机轴上 串入的附加电动势E f 的相位相反； 输入的机械功率相加，通过电动机 1 转差功率sP 被产生附加电动势的装置所吸收，并通过 1
(1-s)P1 定子回馈电网；
Ef
(1-s)P1
电动机在低于同步转速下产生制动力矩，工作在第二象限，电机 sP 电网； sP1 该装置将转差功率回馈1 处于再生制动状态； 异步电机工作在电动状态； （C）
二.绕线型转子回路串电阻调速特点
绕线型异步电动机过去使用最多的方法是在转子回路串入不同 数值的可调电阻,从而获得电机的不同机械特性,以实现电气传动的 转速调节.
回顾一下电机学原理，交流异步电动机的电磁转矩 Te Cm m I 2 COS 2 当电源电压一定时，主磁通 m 基本为定值，转子电流 I 2可以维持在它的额定值I 工作。 I2 I2N R2 s N E20 2 X 2
晶闸管串级调速系统的特点：
①除电机外，其余都是静止型器件，所以又称为静止型电气串 级调速系统； ②从装置的连接上构成一个交-直-交变频器，由于逆变器通过 逆变变压器TI与交流电网相连，输出频率固定，是一个有源逆 变器；
③由于逆变角可以平滑连续调节，使得电机转速也能平滑连续 调节；
④由于电机转差功率能通过转子整流器UR变换为直流功率，再由逆变器UI 变换为交流功率回馈电网，提高了效率； ⑤由于转子回路采用采用不可控整流器，转差功率只能经整流器UR输出， 为有源逆变器UI所吸收回馈电网，而无法实现由电网向电动机转子输送转差 功率，转差功率的传递是不可逆的，只能运行在低于同步转速的电动状态和 高于同步转速的再生制动状态。由于电动机的电动工作状态的转速范围低于 同步转速，因此又称为次同步串级调速系统。
2.绕线型异步电动机的调速特点:
①转子可以通过滑环与外部电气设备相连接;
②调速方法除了从定子侧控制电压,频率以外,还可以从转 子侧引入控制变量实现调速; ③转子侧的控制变量有电流,电动势,电阻等,通常转子稳态 电流随负载变化,不能任意调节,一般可以通过转子回路串 电阻或引入附加电动势来实现;
M
§3.1 绪论
R2+RV1
sm sm1 1 0 R2+RV2 R2+RV3
②机械特性软 电机的理想转速不变,所以只能在同步转速 Tm 以下调节,所串电阻越大,机械特性就越软,降 绕线型异步电动机改变转子电阻调速 低了静态调速精度
§3.1 绪论
这种方法简单,但是主要有以下缺点:
s n
0 n0 R2
③调速不平滑
由于电机转子回路所串附加电阻的 档数有限,无法实现平滑调速,基本属 于有级调速.另外转子回路的电流较 大,使得电阻体积笨重,抽头不易.
R2+RV1
sm sm1 1 0 R2+RV2 R2+RV3
④调速范围小
一般为(2～3):1,负载越小,调速范 Tm 围就越小. 绕线型异步电动机改变转子电阻调速
§3.1 绪论
这种方法简单,但是主要有以下缺点:
sБайду номын сангаасn
0 n0 R2
适用范围:
R2+RV1 多用于断续工作的生产机械上,在低速 sm R2+RV2 运行的时间不长,并且要求调速性能不 sm1 高的场合,如桥式起重机. R2+RV3 不能满足高性能节能型传动系统的要求, 必须寻求一种效率较高,性能较好的调 1 0 速方法,这就是下一节的串级调速. Tm 绕线型异步电动机改变转子电阻调速