交流調速系統(tǒng)之串級調速

1、 1 第一節(jié)第一節(jié) 串級調速的原理與基本類型串級調速的原理與基本類型 第二節(jié)第二節(jié) 低同步串級調速系統(tǒng)的機械特性低同步串級調速系統(tǒng)的機械特性 第三節(jié)第三節(jié) 串級調速系統(tǒng)的效率和功率因數(shù)串級調速系統(tǒng)的效率和功率因數(shù) 第四節(jié)第四節(jié) 串級調速的閉環(huán)控制系統(tǒng)串級調速的閉環(huán)控制系統(tǒng) 第五節(jié)第五節(jié) 串級調速應用中的幾個問題串級調速應用中的幾個問題 第六節(jié)第六節(jié) 串級調速系統(tǒng)應用實例串級調速系統(tǒng)應用實例 第二章第二章 繞線轉子異步電動機繞線轉子異步電動機 串級調速系統(tǒng)串級調速系統(tǒng) 2 第一節(jié)第一節(jié) 串級調速的原理與基本類型串級調速的原理與基本類型 一一. .串級調速的原理串級調速的原理 二二. .串級調速的

2、基本運行狀態(tài)及功率關系串級調速的基本運行狀態(tài)及功率關系 三三. .串級調速系統(tǒng)的基本類型串級調速系統(tǒng)的基本類型 3 一一. . 串級調速的原理串級調速的原理 轉子串電阻調速方法有什么缺點？轉子串電阻調速方法有什么缺點？ 我們知道，對于繞線轉子異步電動機，可以在其轉子回路串入電阻來我們知道，對于繞線轉子異步電動機，可以在其轉子回路串入電阻來 減小電流，增大轉差率，從而改變轉速。這種方法就是轉子串電阻調速方減小電流，增大轉差率，從而改變轉速。這種方法就是轉子串電阻調速方 法。法。 轉子串電阻調速方法的主要缺點：大量轉差功率將在轉子所串電阻上轉子串電阻調速方法的主要缺點：大量轉差功率將在轉子所串電阻

3、上 變成熱量被消耗掉，因此不適合對大容量電機降速，對小容量電機也因效變成熱量被消耗掉，因此不適合對大容量電機降速，對小容量電機也因效 率太低而不適宜長期運行。率太低而不適宜長期運行。 轉子串電阻調速方法的能量關系如圖所示。轉子串電阻調速方法的能量關系如圖所示。 參照電動機內部各項功率表達式，對照能量關系圖，可以估算出電動參照電動機內部各項功率表達式，對照能量關系圖，可以估算出電動 機的效率情況。機的效率情況。 基本結論是：基本結論是： 串入電阻越大，轉速越低，轉差就越大，機械功率在電串入電阻越大，轉速越低，轉差就越大，機械功率在電 磁功率中所占的比率就越低，效率越低。磁功率中所占的比率就越低，

4、效率越低。 4 *轉速越低，轉差越大，電阻發(fā)熱越多，效率越低。轉速越低，轉差越大，電阻發(fā)熱越多，效率越低。 5 串級調速的基本原理是什么？串級調速的基本原理是什么？ 針對繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速方法轉差功率消針對繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速方法轉差功率消 耗在電阻上，運行效率太低的缺點，引入了一種新的調速方法：耗在電阻上，運行效率太低的缺點，引入了一種新的調速方法： 基本思路是轉子不串入附加電阻基本思路是轉子不串入附加電阻-改為串入附加電動勢來調改為串入附加電動勢來調 速，并將調速引起的轉差功率損耗，回饋回電網(wǎng)或電動機本身，速，并將調速引起的轉差功率損耗，回饋回電網(wǎng)或電動機本身，

5、既提高效率、又實現(xiàn)變轉差率調速的方法，該方法被稱為繞線既提高效率、又實現(xiàn)變轉差率調速的方法，該方法被稱為繞線 轉子異步電動機的串級調速控制方案。轉子異步電動機的串級調速控制方案。 工作原理：工作原理： 三相異步電動機的轉子感應電壓為：三相異步電動機的轉子感應電壓為： 式中：式中： 202 sEE 轉子電流為：轉子電流為： 6 將繞線異步電動機的轉子電路中串入交流附加電勢將繞線異步電動機的轉子電路中串入交流附加電勢 f E a. 如串入的附加電勢如串入的附加電勢 f E 與轉子感生電勢與轉子感生電勢 20 sE 方向相反，頻率相同方向相反，頻率相同 則轉子電流將變?。簞t轉子電流將變?。?)( 2

6、 20 2 2 2 2 sXR EsE I f 2 I轉子電流轉子電流的減小，會引起交流電動機的減小，會引起交流電動機 拖動轉矩的減小，設原來電機拖動轉矩與負載拖動轉矩的減小，設原來電機拖動轉矩與負載 相等處于平衡狀態(tài)，串入附加電勢必然引起電相等處于平衡狀態(tài)，串入附加電勢必然引起電 動機降速，在降速的過程中，隨著速度減小，動機降速，在降速的過程中，隨著速度減小， 轉差率轉差率S增大，分子中增大，分子中sEsE2 2回升，電流也回升，電流也回升，回升， 使拖動轉矩升高后再次與負載平衡，降速過程使拖動轉矩升高后再次與負載平衡，降速過程 最后會在某一個較低的速度下重新穩(wěn)定運行。最后會在某一個較低的速

7、度下重新穩(wěn)定運行。 * 這種向下調速的情況成為這種向下調速的情況成為低于同步速的串級調速。（低同步串調）低于同步速的串級調速。（低同步串調） 7 b. 如串入的附加電勢如串入的附加電勢 f E 與轉子感生電勢與轉子感生電勢 20 sE 方向相同，頻率相同方向相同，頻率相同 則轉子電流將變大：則轉子電流將變大： )( 2 20 2 2 2 2 sXR EsE I f 2 I轉子電流轉子電流的增大，會引起交流電動機的增大，會引起交流電動機 拖動轉矩的增大，設原來電機拖動轉矩與負載拖動轉矩的增大，設原來電機拖動轉矩與負載 相等處于平衡狀態(tài)，串入附加電勢必然引起電相等處于平衡狀態(tài)，串入附加電勢必然引起

8、電 動機升速，在升速的過程中，隨著速度增加，動機升速，在升速的過程中，隨著速度增加， 轉差率轉差率S減小，分子中減小，分子中sEsE2 2減小，電流也減小，電流也減小，減小， 使拖動轉矩減小后再次與負載平衡，降速過程使拖動轉矩減小后再次與負載平衡，降速過程 最后會在某一個較高的速度下重新穩(wěn)定運行。最后會在某一個較高的速度下重新穩(wěn)定運行。 * 這種向上調速的情況稱為這種向上調速的情況稱為高于同步速的串級調速。（超同步串調）高于同步速的串級調速。（超同步串調） 8 串級調速系統(tǒng)串級調速系統(tǒng) 有四種有四種 基本運行狀態(tài)：基本運行狀態(tài)： 二二. .串級調速的基本運行狀態(tài)及功率關系串級調速的基本運行狀態(tài)

9、及功率關系 sPd Pd Pd 9 sPd Pd (1-s)Pd 10 sPd Pd (1+s)Pd 11 sPd Pd (1+s)Pd 12 三三. .串級調速系統(tǒng)的基本類型串級調速系統(tǒng)的基本類型 要實現(xiàn)前面所述的繞線異步電動機轉子串聯(lián)交流附加電要實現(xiàn)前面所述的繞線異步電動機轉子串聯(lián)交流附加電 勢完成調速的基本思想，則所串入的交流附加電勢應該滿足勢完成調速的基本思想，則所串入的交流附加電勢應該滿足 如下條件：如下條件： f E 1.1.首先，轉子是三相交流電路，因此交流附加電勢首先，轉子是三相交流電路，因此交流附加電勢應為三相對稱應為三相對稱 交流電。交流電。 因此附加的三相交流電勢因此附加

10、的三相交流電勢 3. 3.附加的三相交流電勢附加的三相交流電勢 可見，可見，三相交流附加電勢的取得在實際中十分困難。三相交流附加電勢的取得在實際中十分困難。 實用的串級調速系統(tǒng)，一般采用將轉子電路接整流電路，在直流回實用的串級調速系統(tǒng)，一般采用將轉子電路接整流電路，在直流回 路中串入直流附加電勢，通過調節(jié)直流附加電勢的大小來調速的控制方路中串入直流附加電勢，通過調節(jié)直流附加電勢的大小來調速的控制方 案。案。 2. 2.轉子感應的三相交流電勢轉子感應的三相交流電勢 20 sE 的頻率、大小都是隨轉差率變化的，的頻率、大小都是隨轉差率變化的， f E 也應隨之變頻變壓。也應隨之變頻變壓。 在控制過

11、程中，要始終保持與轉子感應的在控制過程中，要始終保持與轉子感應的 相位相同或相反，即相位要同步。相位相同或相反，即相位要同步。 f E 三相交流電勢三相交流電勢 20 sE 13 主要介紹主要介紹低同步串級調速系統(tǒng)低同步串級調速系統(tǒng)的基本類型。的基本類型。 從能量關系來說，低同步串級調速電動狀態(tài)的基本能量關系是串從能量關系來說，低同步串級調速電動狀態(tài)的基本能量關系是串 入附加電勢，吸收轉子降速引起的轉差功率，并將吸收的功率回饋電入附加電勢，吸收轉子降速引起的轉差功率，并將吸收的功率回饋電 網(wǎng)的過程。網(wǎng)的過程。 低同步串級調速系統(tǒng)，首先把轉子交流能量通過二極管整流橋整低同步串級調速系統(tǒng)，首先把轉

12、子交流能量通過二極管整流橋整 成直流電，在直流電路中串入可調直流電源，調節(jié)所串入的直流電源成直流電，在直流電路中串入可調直流電源，調節(jié)所串入的直流電源 的電壓對轉子調速，并從直流附加電源將轉差功率回饋電網(wǎng)。的電壓對轉子調速，并從直流附加電源將轉差功率回饋電網(wǎng)。 按照所串直流電源的情況可將串級調速系統(tǒng)分為電氣串級調速系按照所串直流電源的情況可將串級調速系統(tǒng)分為電氣串級調速系 統(tǒng)和機械串級調速系統(tǒng)兩大類。統(tǒng)和機械串級調速系統(tǒng)兩大類。 電氣串級調速系統(tǒng)由晶閘管有源逆變電路作為可控直流電源，通電氣串級調速系統(tǒng)由晶閘管有源逆變電路作為可控直流電源，通 過控制逆變角控制轉子轉速，其交流側通過逆變變壓器接電

13、網(wǎng)。呈現(xiàn)過控制逆變角控制轉子轉速，其交流側通過逆變變壓器接電網(wǎng)。呈現(xiàn) 恒轉矩機械特性。恒轉矩機械特性。 機械串級調速系統(tǒng)用直流電動機作為可控直流電源，通過控制直機械串級調速系統(tǒng)用直流電動機作為可控直流電源，通過控制直 流電動機的勵磁控制轉子轉速。所吸收轉差功率可以通過直流電動機流電動機的勵磁控制轉子轉速。所吸收轉差功率可以通過直流電動機 與繞線電動機的軸間直連將轉差功率直接反饋給繞線電動機。與繞線電動機的軸間直連將轉差功率直接反饋給繞線電動機。 14 繞線異步機繞線異步機 轉子整流器轉子整流器有源逆變器有源逆變器 繞線異步機繞線異步機 轉子整流器轉子整流器 直流電動機直流電動機 電氣串級調速系

14、統(tǒng)電氣串級調速系統(tǒng) 機械串級調速系統(tǒng)機械串級調速系統(tǒng) 15 對于電氣串級調速系統(tǒng)，如忽略損耗，則電機軸上對于電氣串級調速系統(tǒng)，如忽略損耗，則電機軸上 輸出的轉矩為：輸出的轉矩為： 對于機械串級調速系統(tǒng)，如忽略損耗，則電機軸上對于機械串級調速系統(tǒng)，如忽略損耗，則電機軸上 輸出的機械功率為：輸出的機械功率為： 結論：電氣串級調速系統(tǒng)具有近似恒轉矩的機械特性。結論：電氣串級調速系統(tǒng)具有近似恒轉矩的機械特性。 結論：機械串級調速系統(tǒng)具有近似恒功率的機械特性。結論：機械串級調速系統(tǒng)具有近似恒功率的機械特性。 * * 電氣串級調速系統(tǒng)因效率高、技術成熟和低成本而獲得廣泛應用。電氣串級調速系統(tǒng)因效率高、技術

15、成熟和低成本而獲得廣泛應用。 00 e )1 ( )1 ( ddm P s PsP T 常數(shù)常數(shù) ddd PsPPs)1( 常數(shù)常數(shù) 16 第二節(jié)第二節(jié) 低同步串級調速系統(tǒng)的低同步串級調速系統(tǒng)的 機械特性機械特性 一一. .轉子整流器的三種工作狀態(tài)轉子整流器的三種工作狀態(tài) 二二. .串級調速系統(tǒng)的調速特性串級調速系統(tǒng)的調速特性 三三. .串級調速系統(tǒng)的機械特性與最大轉矩串級調速系統(tǒng)的機械特性與最大轉矩 17 一一. .轉子整流器的三種工作狀態(tài)轉子整流器的三種工作狀態(tài) 低同步串級調速系統(tǒng)電力電子電路的核心部分是轉子整流器和有源逆變低同步串級調速系統(tǒng)電力電子電路的核心部分是轉子整流器和有源逆變 器

16、，這兩部分電路的整流或逆變器件的開關過程會受到負載電流的影響，負器，這兩部分電路的整流或逆變器件的開關過程會受到負載電流的影響，負 載電流較小時換流速度較快，而負載電流較大時器件的換流速度較慢，換流載電流較小時換流速度較快，而負載電流較大時器件的換流速度較慢，換流 速度慢會導致輸出電壓的降低，如果換流速度過慢甚至會引起電路故障。速度慢會導致輸出電壓的降低，如果換流速度過慢甚至會引起電路故障。 下面以轉子整流器為例說明換流過程其整流輸出電壓的影響。下面以轉子整流器為例說明換流過程其整流輸出電壓的影響。 分析前提條件分析前提條件: : （1 1） 假設直流濾波電感足夠大假設直流濾波電感足夠大, ,

17、轉子整流器輸出的直流電流平直。轉子整流器輸出的直流電流平直。 （2 2） 整流二極管沒有管壓降。整流二極管沒有管壓降。 （3 3） 忽略電動機內阻對二極管換相的影響。忽略電動機內阻對二極管換相的影響。 分析注意事項分析注意事項: : 18 1.1.轉子整流器的第一工作狀態(tài)轉子整流器的第一工作狀態(tài) 特征：轉子電流較小，整流后直流電流特征：轉子電流較小，整流后直流電流 Id也較?。灰草^??； 二極管整流器換相迅速，兩個二極管整流器換相迅速，兩個 二極管之間的換流重疊角二極管之間的換流重疊角較小。較小。 重疊角重疊角隨轉子電流或隨轉子電流或Id的增大的增大 而增大，第一工作狀態(tài)的而增大，第一工作狀態(tài)的

18、小于等于小于等于 600。 0 60 0 60（IdId較小，較小， 的情況的情況 ） d I 19 由整流電路計算，得第一工作狀態(tài)下的重疊角由整流電路計算，得第一工作狀態(tài)下的重疊角 計算公式：計算公式： 20 第一工作狀態(tài)的邊界第一工作狀態(tài)的邊界 0 60電壓、電流波形：電壓、電流波形： d I 21 2.2.轉子整流器的第二工作狀態(tài)轉子整流器的第二工作狀態(tài) 0 60（I Id d較大，較大， 不變，出現(xiàn)強迫延時換相角）不變，出現(xiàn)強迫延時換相角） 特征：特征： 當重疊達到當重疊達到600， 電流達到第一工作狀態(tài)電流達到第一工作狀態(tài) 最大電流（或一、二狀最大電流（或一、二狀 態(tài)分界電流態(tài)分界電

19、流Id1-2）以上，）以上， 如果負載電流繼續(xù)增大，如果負載電流繼續(xù)增大， 最初時重疊角會大于最初時重疊角會大于600， 但穩(wěn)定以后，兩個二極但穩(wěn)定以后，兩個二極 管的重疊會均勻地保持管的重疊會均勻地保持 600不變，但所有二極管不變，但所有二極管 的換流都被迫從自然換的換流都被迫從自然換 流點向后延遲一個角流點向后延遲一個角 度度 。 電流越大，這個電流越大，這個 強迫延時換相角就越大，強迫延時換相角就越大， 但有：但有： 00 300 p p 22 23 3.3.轉子整流器的故障狀態(tài)轉子整流器的故障狀態(tài) 特征：特征： 當重疊達到當重疊達到600、 強強 迫延時換相角達到迫延時換相角達到30

20、0時的時的 電壓電流波形如右圖所示。電壓電流波形如右圖所示。 如果負載電流繼續(xù)增如果負載電流繼續(xù)增 大，重疊角又會大于大，重疊角又會大于600， 但強迫延時換相角會保持但強迫延時換相角會保持 300不變。原因是：即使前不變。原因是：即使前 面兩個管子換流未換完，面兩個管子換流未換完， 后面該導通的管子也會承后面該導通的管子也會承 受正壓而導通，這樣，就受正壓而導通，這樣，就 會出現(xiàn)共陰極管和共陽極會出現(xiàn)共陰極管和共陽極 管都在換流，四個二極管管都在換流，四個二極管 同時導通同時導通-轉子整流器轉子整流器 短路的故障情況短路的故障情況 。 * 串級調速系統(tǒng)要避免串級調速系統(tǒng)要避免 運行時嚴重過載

21、的情況。運行時嚴重過載的情況。 （IdId過大，過大， 的情況的情況 ） 0 30 p 0 60 24 二二. .串級調速系統(tǒng)的調速特性串級調速系統(tǒng)的調速特性 （n n或或s s與電流與電流I Id d的關系式）的關系式） n n或或s s與電流與電流I Id d的關系式，需要從直流等效電路入手加以推導：的關系式，需要從直流等效電路入手加以推導： 第一工作狀態(tài)下，整流整流器第一工作狀態(tài)下，整流整流器- -逆變器的直流回路等效電路如下：逆變器的直流回路等效電路如下： 25 由直流回路等效電路，列出直流電壓平衡方程：由直流回路等效電路，列出直流電壓平衡方程： 于是，推得轉差率與電流之間的關系式：于

22、是，推得轉差率與電流之間的關系式： 26 將轉差率將轉差率s s換成速度換成速度n n，得串級調速系統(tǒng)的調速特性：，得串級調速系統(tǒng)的調速特性： 式中，式中，R R 、 、CeCe均為常數(shù)，均為常數(shù)，U U受逆變角控制。受逆變角控制。 該結果類似于直流電動機調壓調速的速度表達式，但因該結果類似于直流電動機調壓調速的速度表達式，但因R R 更大， 更大， 故串級調速的調速特性很軟。故串級調速的調速特性很軟。 第二工作狀態(tài)下的調速特性更為復雜，推導從略。第二工作狀態(tài)下的調速特性更為復雜，推導從略。 * * 機械特性推導思路：在機械特性推導思路：在已經(jīng)推出調速特性已經(jīng)推出調速特性sIsId d 關系之

23、后，關系之后， 繼續(xù)推導電磁轉矩繼續(xù)推導電磁轉矩T Te eI Id d關系，關系， 兩者聯(lián)立，得到機械特性兩者聯(lián)立，得到機械特性sTsTe e關系關系 27 二二. .串級調速系統(tǒng)的機械特性串級調速系統(tǒng)的機械特性 （s s或或n n與與TeTe的關系的關系） （一）第一工作狀態(tài)的機械特性及最大轉矩：（一）第一工作狀態(tài)的機械特性及最大轉矩： 于是：于是： 將第一、第二工作狀態(tài)的邊界電流Id1-2代入上式，得第一、第二工 作狀態(tài)的分界轉矩： 28 * * 第一、二工作狀態(tài)的分界轉矩第一、二工作狀態(tài)的分界轉矩T Te1-2 e1-2與電機固有最大轉矩 與電機固有最大轉矩T Temax emax的比

24、例： 的比例： 將第一工作狀態(tài)的轉矩將第一工作狀態(tài)的轉矩IdId關系與前面推導的關系與前面推導的s-Ids-Id調速特性調速特性 聯(lián)立消去聯(lián)立消去IdId， 得第一工作狀態(tài)下機械特性：得第一工作狀態(tài)下機械特性： * *該數(shù)值有利于機械特性曲線的作圖該數(shù)值有利于機械特性曲線的作圖 29 特征：特征： 串級調速系串級調速系 統(tǒng)在第一工作狀統(tǒng)在第一工作狀 態(tài)下的機械特性態(tài)下的機械特性 如右圖中的如右圖中的“第第 一工作區(qū)一工作區(qū)”所示。所示。 橫軸為串調橫軸為串調 時的拖動轉矩與時的拖動轉矩與 與電機自然特性與電機自然特性 最大拖動轉矩的最大拖動轉矩的 比值。比值。 當負載比值當負載比值 達到達到0

25、.716及以及以 上時，串級調速上時，串級調速 系統(tǒng)進入第二工系統(tǒng)進入第二工 作狀態(tài)運行。作狀態(tài)運行。 * * 重要結論：重要結論： 當串級調速系統(tǒng)帶額定負載時運行于第一工作區(qū)內。當串級調速系統(tǒng)帶額定負載時運行于第一工作區(qū)內。 原因分析：電機過載倍數(shù)在原因分析：電機過載倍數(shù)在2 2左右，即最大自然拖動轉矩為額定轉矩的左右，即最大自然拖動轉矩為額定轉矩的2 2倍，倍， 所以額定負載所以額定負載T TeN eN/T /Temax emax約為 約為0.50.5，故額定負載線必然在，故額定負載線必然在0.7160.716之內。之內。 30 （二）第二工作狀態(tài)的機械特性及最大轉矩討論：（二）第二工作狀

26、態(tài)的機械特性及最大轉矩討論： 第二工作狀態(tài)下的方程推導過于復雜，這里只給出結論：第二工作狀態(tài)下的方程推導過于復雜，這里只給出結論： 拖動轉矩表達式為：拖動轉矩表達式為： 串調系統(tǒng)取得最大拖動轉矩：串調系統(tǒng)取得最大拖動轉矩： 最大拖動轉矩在機械特性曲線上的橫軸位置：最大拖動轉矩在機械特性曲線上的橫軸位置： * * 重要結論：重要結論： 串級調速系統(tǒng)與轉子自然接線相比，最大拖動轉矩減少到串級調速系統(tǒng)與轉子自然接線相比，最大拖動轉矩減少到 原來的原來的82.6%,82.6%,即異步電動機的過載能力損失即異步電動機的過載能力損失17%17%左右。左右。 31 第三節(jié)第三節(jié) 串級調速系統(tǒng)的串級調速系統(tǒng)的

27、 效率和功率因數(shù)效率和功率因數(shù) 一一. .串級調速系統(tǒng)的總效率串級調速系統(tǒng)的總效率 二二. .串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù)串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù) 32 一一. .串級調速系統(tǒng)的總效率串級調速系統(tǒng)的總效率 串調系統(tǒng)的總效率，是繞線異步電動機軸上輸出功率串調系統(tǒng)的總效率，是繞線異步電動機軸上輸出功率P P2 2與串調與串調 系統(tǒng)從電網(wǎng)輸入的總有功功率系統(tǒng)從電網(wǎng)輸入的總有功功率P PW W之比。之比。 串調系統(tǒng)功率關串調系統(tǒng)功率關 系單線圖系單線圖 P P為有功功率為有功功率 Q Q為無功功率為無功功率 系統(tǒng)從電網(wǎng)輸入系統(tǒng)從電網(wǎng)輸入 的總有功功率的總有功功率P Pw w 是定子取用功率是定子取用功率

28、P P1 1和逆變變壓器和逆變變壓器 返回功率返回功率P PT T的差的差。 33 設設 、 、 分別為定子、轉子、轉子反饋電路的功分別為定子、轉子、轉子反饋電路的功 率損耗，率損耗， 為機械損耗，則有：為機械損耗，則有： 結論：串調系統(tǒng)系統(tǒng)具有較高的總效率。結論：串調系統(tǒng)系統(tǒng)具有較高的總效率。 理論上，如果忽略小的損耗，串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù)將接近理論上，如果忽略小的損耗，串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù)將接近100%100%。 實際運行中，大容量串級調速系統(tǒng)在接近滿載時的效率可達實際運行中，大容量串級調速系統(tǒng)在接近滿載時的效率可達90%90%以上。以上。 原因分析：由于串級調速系統(tǒng)的轉差功率中的

29、大部分被回饋電網(wǎng)。原因分析：由于串級調速系統(tǒng)的轉差功率中的大部分被回饋電網(wǎng)。 34 二二. .串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù)串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù) 普通異步電動機的功率因數(shù)在普通異步電動機的功率因數(shù)在0.80.90.80.9之間之間, ,如果采用串級調速如果采用串級調速 而不采取任何改善功率因數(shù)的措施而不采取任何改善功率因數(shù)的措施, ,則串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù)會則串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù)會 很低很低, ,即使高速運行也只有即使高速運行也只有0.60.6左右。左右。 串級調速系統(tǒng)串級調速系統(tǒng)總功率因數(shù)低的原因總功率因數(shù)低的原因有主要有兩個：有主要有兩個： 1.1.由于逆變變壓器和異步電動機均為電感

30、性由于逆變變壓器和異步電動機均為電感性, ,工作時都要從電工作時都要從電 網(wǎng)吸收無功功率網(wǎng)吸收無功功率, ,所以其無功功率是相加的，使功率因數(shù)表達式中的所以其無功功率是相加的，使功率因數(shù)表達式中的 分母增大，因此系統(tǒng)總功率因數(shù)降低。分母增大，因此系統(tǒng)總功率因數(shù)降低。 分析參考總功率因數(shù)表達式：分析參考總功率因數(shù)表達式： 2. 2.由于轉子整流器的接入造成了轉子電流的換流重疊和波由于轉子整流器的接入造成了轉子電流的換流重疊和波 形畸變，使得繞線電動機自身的功率因數(shù)變低，從而也造成系統(tǒng)形畸變，使得繞線電動機自身的功率因數(shù)變低，從而也造成系統(tǒng) 總功率因數(shù)降低?？偣β室驍?shù)降低。 35 改善功率因數(shù)的方

31、法：改善功率因數(shù)的方法： 方法一：在三相交流進線上接入功率補償電容器。方法一：在三相交流進線上接入功率補償電容器。 方法二：采用高功率因數(shù)的串級調速系統(tǒng)。方法二：采用高功率因數(shù)的串級調速系統(tǒng)。 有兩種典型的電路結構：斬波式串級調速系統(tǒng)有兩種典型的電路結構：斬波式串級調速系統(tǒng) GTOGTO串級調速系統(tǒng)串級調速系統(tǒng) （一）斬波式串級調速系統(tǒng)（一）斬波式串級調速系統(tǒng) 整流器整流器 斬波器斬波器 （占空比可調）（占空比可調） 逆變器逆變器 （逆變角固定（逆變角固定 在最小值）在最小值） 36 （二）二）GTOGTO串級調速系統(tǒng)串級調速系統(tǒng) GTOGTO稱為可關斷晶閘管，與普通晶閘管不同之處是該器件稱為

32、可關斷晶閘管，與普通晶閘管不同之處是該器件 具有自關斷能力，具有自關斷能力，GTOGTO串級調速系統(tǒng)，與晶閘管串級調速系統(tǒng)，與晶閘管串級調速系統(tǒng)主串級調速系統(tǒng)主 電路基本相同，也是轉子整流器接有源逆變器，但使用電路基本相同，也是轉子整流器接有源逆變器，但使用GTO的的 逆變器可以通過控制逆變器可以通過控制GTO的開通關斷時刻，使逆變電路產(chǎn)生超的開通關斷時刻，使逆變電路產(chǎn)生超 前于電網(wǎng)電壓的電流，從而使串級調速系統(tǒng)的逆變側呈現(xiàn)電容前于電網(wǎng)電壓的電流，從而使串級調速系統(tǒng)的逆變側呈現(xiàn)電容 性，提高總功率因數(shù)。性，提高總功率因數(shù)。 由于由于GTO價格較高，該控制方案適用于大容量繞線異步價格較高，該控制

33、方案適用于大容量繞線異步 電動機的串級調速。電動機的串級調速。 37 第四節(jié)第四節(jié) 串級調速的串級調速的 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 一一. .雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的組成和工作原理雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的組成和工作原理 二二. .雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 38 一一. .雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的組成和工作原理雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的組成和工作原理 繞線繞線 異步異步 電動機電動機 逆變逆變 變壓器變壓器 電流電流 互感器互感器 轉子轉子 整流器整流器 測速測速 發(fā)電機發(fā)電機 速度速度 調節(jié)器調節(jié)器 電流電流 調節(jié)器調節(jié)器 晶閘管晶閘管 觸發(fā)器觸發(fā)器 39 二二. .雙閉環(huán)串

34、級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 1.1.串調系統(tǒng)直流主回路的傳遞函數(shù)串調系統(tǒng)直流主回路的傳遞函數(shù) 直流主回路的動態(tài)電壓平衡方程為直流主回路的動態(tài)電壓平衡方程為: : 40 動態(tài)電壓平衡方程可形變?yōu)閯討B(tài)電壓平衡方程可形變?yōu)? : 直流主回路傳遞函數(shù)為直流主回路傳遞函數(shù)為: : 式中的中間變量定義式中的中間變量定義: : 41 2.2.串調系統(tǒng)中異步電動機的傳遞函數(shù)串調系統(tǒng)中異步電動機的傳遞函數(shù) 因額定負載時，異步電動機運行于第一工作區(qū)，其傳遞函數(shù)因額定負載時，異步電動機運行于第一工作區(qū)，其傳遞函數(shù) 取第一工作區(qū)的方程進行推導。取第一工作區(qū)的方程進行推導。 在第一工作狀態(tài)：在

35、第一工作狀態(tài)： 式中式中 嚴格來說，當負載改變時嚴格來說，當負載改變時C Cm m不是常數(shù)，為計算方便處理為常數(shù)。不是常數(shù)，為計算方便處理為常數(shù)。 這樣，電動機的運動方程就成為：這樣，電動機的運動方程就成為： 式中，式中，I IdL dL是負載轉矩 是負載轉矩T TL L所對應的等效直流電流。所對應的等效直流電流。 再定義一個常數(shù)：再定義一個常數(shù)： 42 得繞線電動機的傳遞函數(shù)就為：得繞線電動機的傳遞函數(shù)就為： 雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的其它各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)類似雙閉環(huán)直流調雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的其它各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)類似雙閉環(huán)直流調 速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 總體動態(tài)結構圖也與雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

36、類似。總體動態(tài)結構圖也與雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)類似。 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計思路都是從內環(huán)到外，外環(huán)、內環(huán)均按雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計思路都是從內環(huán)到外，外環(huán)、內環(huán)均按 照設計要求校正成典型照設計要求校正成典型型或典型型或典型型系統(tǒng)。型系統(tǒng)。 * * 串調系統(tǒng)電流內環(huán)設計注意事項：串調系統(tǒng)電流內環(huán)設計注意事項： 由于直流主回路近似計由于直流主回路近似計 算中的兩個系數(shù)算中的兩個系數(shù)K KLn Ln和 和T TLn Ln實際上不是常數(shù)，而是轉速 實際上不是常數(shù)，而是轉速n n的函數(shù)，設計時的函數(shù)，設計時 注意取低速時的系數(shù)數(shù)值進行設計（認為過渡過程電流迅速反應時速注意取低速時的系數(shù)數(shù)值進行設計（認為過渡過

37、程電流迅速反應時速 度尚未上升）。度尚未上升）。 43 雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖：雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖： 44 第五節(jié)第五節(jié) 串級調速應用中的串級調速應用中的 幾個問題幾個問題 一一. .電動機的選擇電動機的選擇 二二. .起動方式的選擇起動方式的選擇 三三. .串調裝置的選擇串調裝置的選擇 45 一一. .電動機的選擇電動機的選擇 串級調速系統(tǒng)電動機容量選擇步驟：首先按自然接線計算所需串級調速系統(tǒng)電動機容量選擇步驟：首先按自然接線計算所需 的電動機容量的電動機容量PDPD，然后乘以，然后乘以1.151.15倍左右的串級調速系數(shù)倍左右的串級調速系數(shù)K,K,得到串級調得到串級調

38、速后所需的繞線異步電動機容量速后所需的繞線異步電動機容量P P： 擴大容量的原因：擴大容量的原因： （1 1）串級調速系統(tǒng)的負載能力比自然接線損失）串級調速系統(tǒng)的負載能力比自然接線損失17%17%。 （2 2）串級調速后電動機的功率因數(shù)降低。）串級調速后電動機的功率因數(shù)降低。 （3 3）低速運行時，轉子的高頻諧波電流造成轉子銅損耗增加。）低速運行時，轉子的高頻諧波電流造成轉子銅損耗增加。 此外，由于串級調速系統(tǒng)的機械特性較軟，電動機的額定轉速此外，由于串級調速系統(tǒng)的機械特性較軟，電動機的額定轉速 選取要比生產(chǎn)機械所需的最高轉速高出選取要比生產(chǎn)機械所需的最高轉速高出10%10%左右。并進行適當?shù)臒嵝ｒ炞笥摇２⑦M行適當?shù)臒嵝ｒ?和過載能力校驗。和過載能力校驗。 46 二二. .起動方式的選擇起動方式的選擇 （一）直接