交流串级调速系统

引言
串级调速作为一种高效率的交流无级调速曾经盛行一时， 随着近代变频调速的兴起， 串 级调速日渐萧条，被误认为是落后的调速技术。实际上，串级调速在效率、机械特性等本质 方面，和变频调速几乎是完全一致的，而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速，尤其 在高压大容量风机泵类节能方面，串级调速的某些优势表现的更为明显。例如风机、水泵一 般在运行中都要进行负荷调节，相应的流量也要跟踪调节，相对风机、水泵等调速范围不大 （一般为 50％～100％）、系统动态性能要求不高的场合，性价比较高的调速技术必定是串 级调速技术。
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。60 年代中期，W.Shepherd 和 J.Stanway 两人就 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，这就是我们国 家所说的“内馈”串调。 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，以后其它厂家也相继推出了系列产品。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。随着电力电子技术 和控制策略的发展， 新的拓扑结构和方法被不断提出， 到目前为止有多家生产高压大功率内 馈串级调速系统的公司。
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始终处于逆变的工作状态，能将转子的能量反馈回电网，改变触发脉冲发出的时刻(逆变角 B)，即可以逆变电压 UB，从而改变电动机的转速，达到调速的目的。
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图 1—2
晶闸管串级调速系统的主电路
1.3 现代串级调速
现代串级调速根据是将转差功率反馈回电网， 还是电机定子绕组不同， 可以分为外反馈 和内反馈。外反馈串级调速是使用逆变变压器将转差功率吸收，并反馈回电网，其原理如图 1-5 所示。内反馈串级调速原理与外反馈式的原理是相同的，区别就是取消了逆变变压器， 但是在电动机定子绕组线槽内加装了一个独立的三相调节绕组， 这样在同一定子铁芯中的原 定子绕组和该加装的三相调节绕组就代替了原来外接的逆变变压器， 从而简化了系统的结构， 其原理如图 1-3 所示。
5.2 针对功率因素问题
1 在三相交流进线上接入功率补偿电容器。 ○ 表1列出了加入补偿电容后，系统仿真得到的功率因数。可以看出，由于在整个调速过 程中无功功率变化不大， 用电容器对其进行无功补偿后， 系统在全程调速过程中功率因数都 得到了明显提高。 表1 不同占空比下加补偿电容后得到的仿真结果
2 采用高功率因数的串级调速系统： 具体方式有斩波式串级调速系统和 GTO 串级调速系 ○ 统。 GTO 称为可关断晶闸管，与普通晶闸管不同之处是该器件具有自关断能力，GTO 串级调 速系统，与晶闸管串级调速系统主电路基本相同，也是转子整流器接有源逆变器，但使用 GTO 的逆变器可以通过控制 GTO 的开通关断时刻，使逆变电路产生超前于电网电压的电流， 从而使串级调速系统的逆变侧呈现电容性，提高总功率因数。
图3-1 系统有功、无功功率变化趋势图 随着电机转速的下降，负载转矩下降，电机本身消耗的有功功率也下降，而电机消耗的 无功功率大部分用来激磁， 尽管无功功率相对于有功分量有所减少， 但降低的程度非常有限， 这也是水泵、风机类负载低速时功率因数低的缘故。实际上，当在速度下降时，定子与逆变 侧电流畸变程度也在加剧，高次谐波产生的无功功率增大，同样使系统功率因数变坏。
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4.2 交流控制问题
图3-1描述了风机负载随着占空比下调，转速降低，有功与无功的变化趋势。从图中可 以知道，当转速下降时，系统的无功功率也在下降，这主要是因为转速降低引起转矩下降， 造成负载电流减小，无功成分也减少，但因为双侧的无功是相加的，当速度下调时，逆变侧 电流随占空比D减少而增加，所以无功的变化相对于有功功率要小得多。
1.串级调速的基本知识
1.1 串级调速的基本原理
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。假定异步电动机的外加电源电压
U L 及负载转矩 K L 都不变．则电动
机在调速前后转子电流近似保持不变。 若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同， 而相 位相同或相反的附电势
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2 串级调速系统的起动方式
2.1 直接起动方式
利用串级调速装置直接起动电动机，不再另接起动设备进行起动。起动时要串入最大 的直流附加电势，因此将逆变角置为最小，然后逐渐增大逆变角，使串级调速系统升到所需 的转速。 直接起动的缺点是所需的串级调速装置容量较大， 直接起动适合于调速范围要求很大的 负载。
Eadd
= 0 时电动机运行于额定转速，即
转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时 （
Eadd
前取正号），改变
Eadd
的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超
同步串级调速（即 s <0）。
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1.2 传统串级调速系统—— 晶闸管串级调速系统
晶闸管串级调速系统的主电路如图 l-2 所示，它主要由三相桥式二极管整流器 UR、绕 线式转子异步电动机 M 组成。其中，三相桥式晶闸管是由源逆变器 uI，逆变变压器 TI，平 波电抗器 Ld 这几部分组成，系统的核心部分有源逆变器 UI 和转子整流器 UR，逆变电压 UB 即为引入转子电路的反电动势。当电动机稳定运行、并忽略了直流回路的电阻时， 整流电 压 Ud，与逆变电压 UB 大小相等、方向相反， 即 Ud=U B；当串级调速系统运行时，逆变器
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4.4 可靠性问题
移相控制另外的主要缺点是可靠性较差。与可控整流电路不同，有源逆变器对换向的要 求是非常严格的，任何换向失误，都将导致逆变颠覆也就是严重短路的后果。
5 针对串级调速系统存在问题的解决方案
5.1 针对电网回馈问题
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对于风机水泵类负载，电流正比于转速的平方即，这个问题表现不是很突出，因此串级 调速多应用于风机水泵调速。
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4.串级调速存在的问题
串级调速在实践中取得过较大的成功同时，也暴露出很多问题和缺点，总之，串级调速 存在的问题可以归结为两个方面，一个是回馈方案问题，另一个是变流控制问题。移相控制 作为传统串级调速的交流控制方法存在着上述问题。 斩波内馈调速是我国首创的新型交流调 速技术,在原理和技术方面取得了长足的发展和进步,较好地解决了串级调速存在的问题和缺 点。4.1 回馈方案问题 在串级调速系统中， 电转差功率以电能的形式由定子从电网中吸收进来， 又以同样的能 量形式反馈电网，显然是一种无谓的功率循环。这种无谓循环的结果，一方面是增大了损耗 降低效率。另外更为不利的是加重了定子的负担。在串级调速系统中，电机定子绕组的功率 为 （1—3） 当机械功率随转速降低而减小时， 电转差功率却相应增大， 定子有功电流只与负载相关， 不随转速而变，于是导致低速时定子严重发热，甚至不能正常运行，因此，尽管串级调速具 有恒转矩调速特性，但却很少在恒转矩负载上应用，使串级调速的使用范围受到限制。
2.2 间接起动方式
利用外加的起动设备进行起动，当速度进入调速范围的速度下限时，再切除起动设备， 将转子电路与串级调速装置接通，对电动机进行调速范围之内的无级变速运行。 间接起动时一般在转子电路串入频敏变阻器或电阻器。间接起动主电路如图 2-1 所示。
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图 2-1 间接起动主电路原理图
3.串级调速国内外的发展现状
Eadd
则转子电流为
2
Ir
sEr 0 Eadd Rr2 ( sX r 0 ) 2
式中：
常数
（1—1）
Rr ：转子回路电阻；
sXr0 ：转子旋转时转子绕组每相漏抗；
Er 0 ：转子开路相电势
sEr 0 Eadd =常数
；
电动机在正常运行时，转差率 s 很小，故
Rr ≥ sX r 0 。忽略 sX r 0 有,
题目：交流串级调速系统
ຫໍສະໝຸດ Baidu学 专
号： 业：过程控制自动化
学生姓名： 任课教师：
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交流串级调速系统 AC Cascade governor system
摘要：串级调速对于风机、水泵类负载是一种性价比较高的调速方式。 传统的串级调 速系统存在功率因数不高、需要逆变变压器等缺陷，应用受到一定限制．在内馈斩波串级调 速系统中不需要使用逆变变压器， 可使系统体积大大缩小， 同时由于逆变器以最小逆变角运 行，能够大大提高功率因数。 串级调速变流功率比变频小的多,使得装置简洁、故障因素 少、可靠性可以更高。
[3] [2] [1]
关键词：串级调速 内馈斩波 功率因数 逆变电源 Cascade speed fan and water pump type load is the governor of a higher cost. The traditional cascade speed control system power factor is not high, you need the inverter transformers defects, has limited application. Including feed-forward chopper cascade speed system, do not need to use the inverter transformer makes the system much smaller, while the inverter is running to the smallest inverter angle, can greatly improve the power factor. Cascade speed much smaller than the inverter power converter, makes the device simple, less failure factors, reliability can be higher. Keyword: Cascade Speed Within the feed Chopper Power Factor Inverter power
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4.3电流振荡问题
电厂的锅炉吸风机上的异步电动机可控硅申级调速装置在平滑调速过程中, 当转差率 接近l / 3 时, 定子电流发生振荡现象。可控硅申级调速的逆变器把调速主回路的直流电逆 变成交流侧的三相方块波形, 产生相当幅值的许多谐波通过逆变变压器与反恢功率一起输 送到电网, 干扰电讯设备。
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图 1-3 现代串级调速系统—内反馈式
1.4 串级调速的优缺点
1 由于串级调速系统的转差功率中的大部分被回馈给电网，所以串级调速系统具有 优点：○ 较高的总效率，其具体原理课参照图 1-5。
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图 1-5 串级调速系统功率关系原理图 2 串级调速系统还具备装置安全、可靠性高的优点。即便串级调速系统的逆变装置发 ○ 生故障，异步电动机也能完全脱离串级调速装置转换到转子短接全速运行。 缺点：功率因数较低，无功损耗大，高速满载运转时，总功率因数在0．6左右，低速 时总功率因数更差；晶闸管串级调速时，会产生高次谐波，影响电网质量。
（1—2）
K 上式中， r 0 为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势可以改变转差率 S，
从而实现调速。
n nN , s s N ,由（式 1-2）可见，当 E E 附加电动势与转子相电势相位相反时 add （前取负号），改变 add 的大小，可在额定
设当
图 1-1 异步电动机在转子附加电动势的原理图