第七章 雙饋調(diào)速系統(tǒng)

1、第第 7 章章 繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 引言 異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理 異步電機(jī)在次同步電動狀態(tài)下的雙饋系 統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng) 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性 串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及其提高 方案 雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng) *異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng) 7.0 引言引言 轉(zhuǎn)差功率問題轉(zhuǎn)差功率問題 轉(zhuǎn)差功率始終是人們在研究異步電動機(jī) 調(diào)速方法時所關(guān)心的問題，因為節(jié)約電能 是異步電動機(jī)調(diào)速的主要目的之一，而如 何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響著調(diào) 速系統(tǒng)的效率。 如第5章所述，交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率 的處理

2、方式可分為三種類型。 l 交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的分類 （1）轉(zhuǎn)差功率消耗型異步電機(jī)采用調(diào) 壓控制等調(diào)速方式，轉(zhuǎn)速越低時，轉(zhuǎn)差功 率的消耗越大，效率越低；但這類系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定 的應(yīng)用價值。 （2）轉(zhuǎn)差功率不變型變頻調(diào)速方法轉(zhuǎn) 差功率很小，而且不隨轉(zhuǎn)速變化，效率較 高；但在定子電路中須配備與電動機(jī)容量 相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本 最高。 l 交流調(diào)速系統(tǒng)按轉(zhuǎn)差功率的分類（續(xù)） （3）轉(zhuǎn)差功率饋送型控制繞線轉(zhuǎn)子異 步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓，利用其轉(zhuǎn)差功率并 達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，這種調(diào)節(jié)方式具有 良好的調(diào)速性能和效率；但要增加一些設(shè) 備。 前兩章已分別討論了轉(zhuǎn)差功率

3、消耗型和 不變型兩種調(diào)速方法，本章將討論轉(zhuǎn)差功 率饋送型調(diào)速方法。 返回目錄返回目錄 7.1 異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理異步電機(jī)雙饋調(diào)速工作原理 本節(jié)提要 概述 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用 異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況 l轉(zhuǎn)差功率的利用 眾所周知，作為異步電動機(jī)，必然有轉(zhuǎn) 差功率，要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡 量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去利 用它。 但要利用轉(zhuǎn)差功率，就必須使異步電動 機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實現(xiàn)電氣聯(lián)接的條 件，顯然籠型電動機(jī)難以勝任，只有繞線 轉(zhuǎn)子電動機(jī)才能做到。 7.1.0 概述概述 l繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī) Ps P1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動 機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，從 廣義上講，定子功

4、率 和轉(zhuǎn)差功率可以分別 向定子和轉(zhuǎn)子饋入， 也可以從定子或轉(zhuǎn)子 輸出，故稱作雙饋電 機(jī)。 l 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 根據(jù)電機(jī)理論， 改變轉(zhuǎn)子電路的串 接電阻，可以改變 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 的原理如圖所示， 調(diào)速過程中，轉(zhuǎn)差 功率完全消耗在轉(zhuǎn) 子電阻上。 Pm Pmech Ps l 雙饋調(diào)速的概念 所謂“雙饋”，就是指把繞線轉(zhuǎn)子異步電 機(jī)的定子繞組與交流電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組 與其他含電動勢的電路相連接，使它們可 以進(jìn)行電功率的相互傳遞。 至于電功率是饋入定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組， 還是由定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組饋出，則要 視電機(jī)的工況而定。 l 雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu) 功率變換單元功

5、率變換單元 電網(wǎng) K1 M 3 K2 TI 如上圖所示，在雙饋調(diào)速工作時，除了電 機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外，轉(zhuǎn)子側(cè) 也要與交流電網(wǎng)或外接電動勢相連，從電 路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回 路中附加一個交流電動勢。 l 功率變換單元 由于轉(zhuǎn)子電動勢與電流的頻率隨轉(zhuǎn)速變 化，即 f2 = s f1 ，因此必須通過功率變換單 元（Power Converter UnitCU）對不同頻 率的電功率進(jìn)行電能變換。 對于雙饋系統(tǒng)來說，CU應(yīng)該由雙向變頻 器構(gòu)成，以實現(xiàn)功率的雙向傳遞。 l 雙饋調(diào)速的功率傳輸 （1）轉(zhuǎn)差功率輸出狀態(tài) 異步電動機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運行時， 它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功

6、率，而在其軸上輸出 機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動負(fù)載運行； CU P1 Ps M 3 Pmech （2）轉(zhuǎn)差功率輸入狀態(tài) 當(dāng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運行時，它被拖著運轉(zhuǎn)， 從軸上輸入機(jī)械功率，經(jīng)機(jī)電能量變換后以電 功率的形式從定子側(cè)輸出（饋出）到電網(wǎng)。 Ps P1 M 3 CU Pmech 7.1.1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用 異步電機(jī)運行時其轉(zhuǎn)子相電動勢為 式中 s 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率； Er0 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子不 動時的相電動勢，或稱轉(zhuǎn)子開路電動勢， 也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。 0rr sEE (7-1) 轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為： 式中 Rr 轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； Xr0

7、 s = 1時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。 2 0r 2 r 0r r )(sXR sE I (7-2) n 轉(zhuǎn)子附加電動勢 圖7-1 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖 M 3 0rr sEE add E r I 附加電動勢與轉(zhuǎn)子 電動勢有相同的頻 率，可同相或反相 串接。 引入可控的交 流附加電動勢 有附加電動勢時的轉(zhuǎn)子相電流： 如圖7-1所示，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在外 接附加電動勢時，轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá) 式 2 0r 2 r add0r r )(sXR EsE I (7-3) n 轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用 1. Er 與 Eadd 同相 l 當(dāng) Eadd ， 使得： 這里： snTIEEs e

8、radd0r1 add0r2add0r1 EEsEEs 21 ss 轉(zhuǎn)速上升； 轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用（續(xù)） l當(dāng) Eadd ， 使得： 這里： snTIEEs eradd0r1 add0r2add0r1 EEsEEs 21 ss 轉(zhuǎn)速下降； 轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用（續(xù)） 2. Er 與 Eadd反相 同理可知，若減少或串入反相的附加 電動勢，則可使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。 所以，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子 側(cè)引入一個可控的附加電動勢，就可側(cè)引入一個可控的附加電動勢，就可 調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 7.1.2 異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況 本節(jié)

9、摘要 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運行 電機(jī)在反轉(zhuǎn)時作倒拉制動運行 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運行 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動運行 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運行 n 異步電機(jī)的功率關(guān)系 忽略機(jī)械損耗和雜散損耗時，異步電機(jī)在 任何工況下的功率關(guān)系都可寫作 mmm )1 (PssPP （7-4） 式中 Pm 從電機(jī)定子傳入轉(zhuǎn)子（或由轉(zhuǎn)子傳 出給定子）的電磁功率， sPm 輸入或輸出轉(zhuǎn)子電路的功率，即轉(zhuǎn) 差功率， (1-s)Pm 電機(jī)軸上輸出或輸入的功率。 由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動勢極性和大小的 不同， s 和 Pm 都可正可負(fù)，因而可以有以 下五種不同的工作情況。 1. 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運行

10、 l 工作條件： 轉(zhuǎn)子電流I2與轉(zhuǎn)子電勢E2相位趨于一致， 而與附加電動勢Eadd相位相反。 l 運行工況： 電機(jī)作電動運行，轉(zhuǎn)差率為 0 s 1， 轉(zhuǎn)差功率sP1被附加電勢裝置吸收后回饋電 網(wǎng)，而從電網(wǎng)吸收的功率（1-s)P1輸送給 負(fù)載。 l 功率流程 sn Te sPm sPm P1 Pm (1-s)Pm CU 0 0 1 n1 a） 次同步速電動狀態(tài) 2. 電機(jī)在反轉(zhuǎn)時作倒拉制動運行 l工作條件： 軸上帶有位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（這是 進(jìn)入倒拉制動運行的必要條件），此 時逐漸減少 + Eadd 值，并使之反相 變負(fù)，只要反相附加電動勢 Eadd 有一定數(shù)值，則電機(jī)將反轉(zhuǎn)。 l運行工況： 電機(jī)

11、進(jìn)入倒拉制動運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率 s 1，此時由電網(wǎng)輸入電機(jī)定子的功率和由負(fù) 載輸入電機(jī)軸的功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率， 并從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送給電網(wǎng)。式（7-4）可改寫 作 mmm )1 (sPPsP l 功率流程 b）反轉(zhuǎn)倒拉制動狀態(tài) PS PS) 1( PS P Te01 2 s-n -n1 Pm CU 3. 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動運行 l 工作條件： 附加電動勢Eadd與轉(zhuǎn)子電流I2和轉(zhuǎn)子電勢E2相位趨于 一致。 設(shè)電機(jī)原已在 0 s 1 作電動運行， 轉(zhuǎn)子側(cè)串入了同相的附加電動勢+Eadd，軸 上拖動恒轉(zhuǎn)矩的反抗性負(fù)載。 當(dāng)接近額定轉(zhuǎn)速時，如繼續(xù)加大+Eadd電機(jī) 將加速到的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即電機(jī)

12、在超 過其同步轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。S0 l運行工況： 電機(jī)的軸上輸出功率由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)兩 部分輸入功率合成，電機(jī)處于定、轉(zhuǎn)子雙 輸入狀態(tài)，其輸出功率超過額定功率，式 （7-4）改寫成 mmm )1 (PssPP l 功率流程 d） 超同步速電動狀態(tài) 1 2n n PS PS)1 ( PS P 0 0 s 1 1 n Pm Te CU 4. 電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運行 l工作條件： 進(jìn)入這種運行狀態(tài)的必要條件是有位能 性機(jī)械外力作用在電機(jī)軸上，并使電機(jī) 能在超過其同步轉(zhuǎn)速n1的情況下運行。 此時，如果處于發(fā)電狀態(tài)運行的電機(jī)轉(zhuǎn) 子回路再串入一個與 sEr0 反相的附加電 動勢 +Eadd ，電

13、機(jī)將在比未串入 +Eadd 時 的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。 l運行工況： 電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)工作，s 1，電機(jī)功 率由負(fù)載通過電機(jī)軸輸入，經(jīng)過機(jī)電能 量變換分別從電機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送 至電網(wǎng)。此時式（7-4）可改寫成 mmm )1 (PssPP l 功率流程 c） 超同步速回饋制動狀態(tài) 1 2n n PS PS)1 ( PS P 0 0 s 1 1 n -Te Pm CU 5. 電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運行 工作條件： 很多工作機(jī)械為了提高其生產(chǎn)率，希望電力 拖動裝置能縮短減速和停車的時間，因此必 須使運行在低于同步轉(zhuǎn)速電動狀態(tài)的電機(jī)切 換到制動狀態(tài)下工作。 設(shè)電機(jī)原在低于同步轉(zhuǎn)速

14、下作電動運行， 其轉(zhuǎn)子側(cè)已加入一定的 Eadd 。要使之進(jìn)入 制動狀態(tài)，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)加大反相的附 加電動勢。 l 運行工況 在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動運行，增大|- Eadd| 值，并使 |- Eadd| 大于制動初瞬的sEr0 ， 電機(jī)定子側(cè)輸出功率給電網(wǎng)，電機(jī)成為發(fā) 電機(jī)處于制動狀態(tài)工作，并產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩 以加快減速停車過程。電機(jī)的功率關(guān)系為 mmm )1 (PsPsP l 功率流程 e） 次同步速回饋制動狀態(tài) 1 n n PS PS)1 ( PS P 0 1 s 0 0 Pm -Te CU l五種工況小結(jié) 圖7-2 異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動勢時的工況及其功率流程 五種工況都是異步電 機(jī)轉(zhuǎn)子加

15、入附加電動勢 時的運行狀態(tài)。 在工況a,b,c中，轉(zhuǎn)子 側(cè)都輸出功率，可把轉(zhuǎn) 子的交流電功率先變換 成直流，然后再變換成 與電網(wǎng)具有相同電壓與 頻率的交流電功率。 a）轉(zhuǎn)子輸出功率的工況 TI CU2CU1 sEr0 M 3 圖7-4 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元 b）轉(zhuǎn)子輸入功率的工況 圖7-4 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元 TI CU2CU1 sEr0 M 3 返回目錄返回目錄 7.2 異步電機(jī)在次同步電動狀態(tài)下的異步電機(jī)在次同步電動狀態(tài)下的 雙饋系統(tǒng)雙饋系統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng) 本章摘要本章摘要 串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 串級調(diào)速系統(tǒng)的其它類型串級調(diào)速系統(tǒng)

16、的其它類型 基本思路 如前所述，在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動 勢調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個可變頻、可變 幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？ 對于只用于次同步電動狀態(tài)的情況來說，比較方 便的辦法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再 引入一個附加的直流電動勢，控制此直流附加電動 勢的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 這樣，就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問題，轉(zhuǎn)化為 與頻率無關(guān)的直流變壓問題，對問題的分析與工程 實現(xiàn)都方便多了。 7.2.1 串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 n 對直流附加電動勢的技術(shù)要求 l首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足 對電動機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求； l其次，

17、從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加 直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動 機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。 n 系統(tǒng)方案 根據(jù)以上兩點要求，較好的方案是采用 工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝 置作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源，這就 形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。 按照上述原理組成的異步電機(jī)在低于同 步轉(zhuǎn)速下作電動狀態(tài)運行的雙饋調(diào)速系統(tǒng) 如圖7-5所示，習(xí)慣上稱之為電氣串級調(diào)速電氣串級調(diào)速 系統(tǒng)系統(tǒng)（或稱或稱Scherbius系統(tǒng)系統(tǒng)）。 圖7-5 電氣串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖 n 系統(tǒng)組成 n 功率變換單元 lUR 三相不可控整流裝置，將異步電機(jī) 轉(zhuǎn)子相電動勢 sEr0 整流為直流電壓

18、Ud 。 lUI 三相可控整流裝置，工作在有源逆變 狀態(tài)： l可提供可調(diào)的直流電壓 Ui ，作為電機(jī)調(diào)速所 需的附加直流電動勢； l可將轉(zhuǎn)差功率變換成交流功率，回饋到交流電 網(wǎng)。 n 工作原理 （1）起動）起動 l起動條件： 對串級調(diào)速系統(tǒng)而言，起動應(yīng)有足夠 大的轉(zhuǎn)子電流 Ir 或足夠大的整流后直流 電流 Id ，為此，轉(zhuǎn)子整流電壓 Ud 與逆變 電壓 Ui 間應(yīng)有較大的差值。 l 起動控制 u控制逆變角 ，使在起動開始的瞬間，Ud 與 Ui 的差值能產(chǎn)生足夠大的 Id ，以滿足所 需的電磁轉(zhuǎn)矩，但又不超過允許的電流值， 這樣電動機(jī)就可在一定的動態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速 起動。 u隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增

19、大 角以減小 值 Ui ，從而維持加速過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩基本 恒定 。 工作原理（續(xù)） （2）調(diào)速）調(diào)速 l調(diào)速原理：通過改變 角的大小調(diào)節(jié)電動 機(jī)的轉(zhuǎn)速。 l調(diào)速過程： UiId K1sEr0 n Te Te = TL Id 工作原理（續(xù)） （3） 停車停車 串級調(diào)速系統(tǒng)沒有制動停車功能。只能 靠減小 角逐漸減速，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 的作用自由停車。 結(jié)結(jié) 論論 串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 實現(xiàn)平 滑無級調(diào)速 系統(tǒng)能把異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給交 流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功 率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的 效率。 返回目錄返回目錄 *7.3 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性異步電動

20、機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性 本節(jié)提要 概述 異步電動機(jī)串級調(diào)速機(jī)械特性的特征 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路 異步電動機(jī)串級調(diào)速機(jī)械特性方程式 概概 述述 在串級調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè) 整流器的輸出量、分別與異步電動機(jī)的轉(zhuǎn) 速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因此，可以從電動機(jī) 轉(zhuǎn)子直流回路著手來分析異步電動機(jī)在串 級調(diào)速時的機(jī)械特性。 *7.3.1 異步電動機(jī)串級調(diào)速機(jī)械特性的特異步電動機(jī)串級調(diào)速機(jī)械特性的特 征征 1. 理想空載轉(zhuǎn)速 在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，其 理想空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定 不變，調(diào)速時機(jī)械特性變軟，調(diào)速性能差。 在串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)的極對數(shù)與旋 轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速都不變

21、，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的， 但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地 調(diào)節(jié)。 根據(jù)式（7-5），當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運 行時（Id = 0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式 變成 cos 22001Tr UKEsK 其中，s0 異步電動機(jī)在串級調(diào)速時對應(yīng)于某一 角的理想空載轉(zhuǎn)差率，并取 K1 = K2，則 cos 0 2 0 r T E U s (7-6) 理想空載轉(zhuǎn)速方程 由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速 n0 為： ) cos 1 ()1 ( 0r T2 syn0syn0 E U nsnn (7-7) 式中 nsyn 異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 特性分析 從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級調(diào)在串級調(diào)

22、速時，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的速時，理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的。 當(dāng)改變逆變角 時，理想空載轉(zhuǎn)差率和理 想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。 由式（7-5）還可看出，在不同的 角下， 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性是近似 平行的，其工作段類似于直流電動機(jī)變壓 調(diào)速的機(jī)械特性。 2機(jī)械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩 串級調(diào)速時，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級調(diào) 速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、 逆變變壓器等），實際上相當(dāng)于在電動機(jī) 轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和 電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。 由于轉(zhuǎn)子回路電阻的影響，異步電動機(jī)串 級調(diào)速時的機(jī)械特性比其固有特性要軟得 多。 轉(zhuǎn)子回路電阻的影響 當(dāng)電機(jī)

23、在最高速的特性上 （ = 90）帶 額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。 整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強(qiáng)迫 延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級調(diào)速時的最大電磁 轉(zhuǎn)矩比電動機(jī)在正常接線時的最大轉(zhuǎn)矩有 明顯的降低。 這樣，串級調(diào)速時的機(jī)械特性便如圖7-7 所示。 串級調(diào)速時的機(jī)械特性圖 圖7-7 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性 a) 大電機(jī) b)小電機(jī) 從圖7-5中可以看出，異步電動機(jī)相當(dāng)于 轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動機(jī)定 子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞 組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流 電路非常相似，因而可以引用電力電子技 術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來研究串級 調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路。 但是，兩

24、者之間還存在著一些顯著的差 異，主要是： *7.3.2 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路異步電動機(jī)串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路 （1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的， 而異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的幅值與頻率 都是變化的，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而變化； （2）異步電動機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子 頻率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)； （3）由于異步電動機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大， 所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴(yán)重， 從而在負(fù)載較大時會引起整流器件的強(qiáng)迫延遲換 相現(xiàn)象。 整流電路的不同點 1. 轉(zhuǎn)子整流電路 圖7-8 轉(zhuǎn)子整流電路 2. 電路分析 假設(shè)條件： （1）整流器件具有理想的整流特性，管壓降 及

25、漏電流均可忽略； （2）轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為無 窮大，直流電流波形平直； （3）忽略電動機(jī)勵磁阻抗的影響。 n 換相重疊現(xiàn)象 設(shè)電動機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn) 子三相的感應(yīng)電動勢為 era、erb、erc。當(dāng) 各整流器件依次導(dǎo)通時，必有器件間的 換相過程，這時處于換相中的兩相電動 勢同時起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如 下圖所示。 換相重疊波形 換相重疊壓降 換相重疊角 根據(jù)電力電子技術(shù)中介紹的理論，換換 相重疊角相重疊角為 n 換相重疊角 0r dD0 r0 dD0 6 2 1arccos 6 2 1arccos E IX sE IsX （7-8） 其中 XD0 s = 1時折算到

26、轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機(jī)定 子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。 由式（7-8）可知，換相重疊角隨著整流 電流 Id 的增大而增加。 當(dāng) Id 較小， 在0 60之間時，整流電 路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形的自 然換相點處換流，整流波形正常。 當(dāng)電流 Id 增大到按式（7-8）計算出來的 角大于60時，器件在自然換相點處未能 結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點換 流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相強(qiáng)迫延遲換相 現(xiàn)象現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強(qiáng)迫延時換相角強(qiáng)迫延時換相角 p 。 由此可見，串級調(diào)速時的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子 整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。 n 轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài) （1）第一種工作狀態(tài)的特征是 0 60， p =

27、 0 此時，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作 狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。 （2）第二種工作狀態(tài)的特征是 = 60， 0 p 30 這時，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用，使得整流電路 好似處于可控的整流工作狀態(tài)， p 角相當(dāng)于整 流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。 轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)（續(xù)） （3）當(dāng) = 30時，整流電路中會出現(xiàn)4 個器件同時導(dǎo)通，形成共陽極組和共陰極 組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后 p 保持為 30，而 角繼續(xù)增大，整流電路處于第 三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀 態(tài)。 轉(zhuǎn)子整流電流與 、p 間的函數(shù)關(guān)系 圖7-9 轉(zhuǎn)子整流電路的 = f ( Id )， p = f (

28、 Id ) Id1- 2 n 串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓 由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整 流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時的特殊情況，所以 可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式 來表示串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電流和 電壓。 ) 6 sin( 2 6 )cos(cos 2 6 p 0D 0r pp D0 r0 d X E X E I (7-9) n 串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電壓 式中 RD = sRs + Rr 為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動 機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。 dD pp 0rd 2 2 )cos(cos 34. 2IRsEU dDd 0D p0r 2 3 cos34. 2IRI X sE (

29、7-10) 上兩式中， l當(dāng) 0 p 30， =60時表示轉(zhuǎn)子 整流電路工作在第二工作區(qū)； l當(dāng)p = 0， = 0 60 時表示轉(zhuǎn)子整流 電路工作在第一工作區(qū)。 *7.3.3 異步電動機(jī)串級調(diào)速機(jī)械特性方程式異步電動機(jī)串級調(diào)速機(jī)械特性方程式 圖710 串級調(diào)速系統(tǒng) a）主電路 b）等效電路 1. 電路結(jié)構(gòu) 2. 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程 轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為 逆變器直流側(cè)電壓 電壓平衡方程 )2 3 (cos34. 2 D0Ddp0rd RsXIsEU (7-11) )2 3 (cos34. 2 TTd2Ti RXIUU(7-12) (7-13) Ldid RIUU 以上三式中 RL直流平波電

30、抗器的電阻； XT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等 效漏抗，XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等 效電阻，RT = RT 1 + RT 2 。 3. 轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速方程 解式（711）式（713），可以得到 用轉(zhuǎn)差率表示的方程式 d0Dp0r LDTTd2T 3 cos34. 2 )22 3 (cos34. 2 IXE RRRXIU s （7-14） 轉(zhuǎn)速特性方程 將 s = (n0 n ) / n0代入上式，得到串級調(diào)速時的 轉(zhuǎn)速特性為 d0Dp0r LDT T0D d2Tp0r 0 3 cos34. 2 )22 3 3 ()coscos(34. 2 IX

31、E RRR XX IUE nn (7-15) 如令p = 0，則式（7-15）就表示系統(tǒng)在第一 工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。 分析式（7-15）可以看出，等號右邊分 子中的第一項是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓 )coscos(34. 2 2Tp0r UEU （7-16） 第二項相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可 以寫作 Id R ，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的輸 出電壓。 等效電動勢系數(shù)公式 如借用直流電動機(jī)的概念和有關(guān)算式，引 入電動勢系數(shù) CE ，使 0 d0D0d 0 d0Dp0r E 3 3 cos34. 2 n IXU n IXE C （7-17） 轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式 則式（7-15）可改寫成 )( 1 d

32、 E RIU C n （7-18） 其中， p0r0d cos34. 2EU LDT T0D 22 3 3 RRR XX R 注意： 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動勢系數(shù) Ce 是常數(shù)， 但在串級調(diào)速系統(tǒng)中，在串級調(diào)速系統(tǒng)中，CE是負(fù)載電流的函是負(fù)載電流的函 數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因數(shù)，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因 素素，故兩個符號的下角不同，以示區(qū)別。 兩種轉(zhuǎn)速特性的比較 式（7-18）表明，異步電動機(jī)串級調(diào)速系 統(tǒng)與直流它勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性在形式上 完全相同，改變電壓即可得到一族平行移 動的調(diào)速特性。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，須直接改變電壓 U； 而在異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)中，它是通 過

33、改變式（7-16）第二項中的控制角 來 實現(xiàn)的。 兩種轉(zhuǎn)速特性的比較（續(xù)） 在串級調(diào)速系統(tǒng)中總電阻 R 較大，系統(tǒng) 的調(diào)速特性較軟；對于p 0 的第二工作 區(qū)，計及p 的影響，在同一逆變角 下的 電壓更小，相當(dāng)于也發(fā)生變化，因而調(diào)速 特性更軟。 4. 電磁轉(zhuǎn)矩方程 轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率 可以從轉(zhuǎn)子整流電路的功率傳遞關(guān)系入手， 暫且忽略轉(zhuǎn)子銅耗，則轉(zhuǎn)子整流器的輸出 功率就是電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率 dd 0D p0rs ) 3 cos34. 2(II sX sEP n 電磁轉(zhuǎn)矩公式 而電磁功率 Pm = Ps /s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為 dd 0D p0r 00 s 0 m e ) 3 cos34. 2( 1 I

34、I X E s PP T dMd 0 d 0D 0d 3 ICI I X U （7-19） 0 理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)速rad/s ； CM 串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， 式中 因為，) 3 ( 1 d 0D 0d 0 M I X UC 它也是電流 Id 的函數(shù)。與式（7-17）的電動勢 系數(shù) CE 相比可知， CM 和 CE 對 Id 的關(guān)系是一 樣的。由于0 =2n0 /60，所以 EM 30 CC （7-20） 可見， CM 和 CE的關(guān)系與直流他勵電動機(jī)中Cm 和 Ce的關(guān)系完全一致。 5. 串級調(diào)速的機(jī)械特性方程 當(dāng)串級調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運行時， p= 0 ，代入式（7-19），再令 dTe

35、/dt = 0， 可求出電磁轉(zhuǎn)矩的計算最大值電磁轉(zhuǎn)矩的計算最大值Te1m，經(jīng)過 適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第一工作區(qū)的機(jī)械特第一工作區(qū)的機(jī)械特 性方程式性方程式： 第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式 2 4 m1 1 1 m1 e1m e s s s s T T (7-21) s1m = s1m- s10 在給定 值下，從理想 空載到計算最大轉(zhuǎn)矩點的轉(zhuǎn)差率增量； s1 = s- s10 在相應(yīng)的 值下，由負(fù) 載引起的轉(zhuǎn)差率增量； 式中 s10 相應(yīng) 值下的理想空載轉(zhuǎn)差率； s1m 對應(yīng)于計算最大轉(zhuǎn)矩Te1m的臨界轉(zhuǎn)差率： 3 22 3 2 0D LDT T 10m1 X RRR X ss (7-22) Te1

36、m 系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計算最大 轉(zhuǎn)矩”。 由于在異步電動機(jī)串級調(diào)速時，負(fù)載增 大到一定程度，必然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子整流器的 強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，也就是說，系統(tǒng)必然 會進(jìn)入第二工作區(qū)。而 Te1m 是在 p= 0 的 條件下由式（7-19）求得的，它只表示若 系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會達(dá)到的 最大轉(zhuǎn)矩。 第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式 (7-23) 2 cos4 m2 2 2 m2 p 2 e1m e s s s s T T s2m = s2m- s20 計及強(qiáng)迫延時換相，對 應(yīng)于某一p 值時的轉(zhuǎn)差率增量； s2 = s- s20 在給定 與p值下，由 負(fù)載引起的轉(zhuǎn)差率增量; 式中 s20相應(yīng) 與 p

37、值下的理想空載轉(zhuǎn)差率： p0r 2T 20 cos cos E U s 3 22 3 2 0D LDT T 20m2 X RRR X ss (7-24) 而 注意： 在用式（7-23）計算第二工作區(qū)的一段 機(jī)械特性時，等號左邊分母中仍用Te1m ， 這是為了使第一、二工作區(qū)的機(jī)械特性計 算公式盡量一致，不要誤解為第二工作區(qū) 的最大轉(zhuǎn)矩就是Te1m ，它具有另外一個最 大轉(zhuǎn)矩Te2m 。 n 幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系和計算 從異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)可計算出額定 轉(zhuǎn)矩TeN和正常運行時的最大轉(zhuǎn)矩Tem 。 對串級調(diào)速系統(tǒng)來說，有實用意義的是 第一工作區(qū)的計算最大轉(zhuǎn)矩 Te1m 和第二工第二工 作區(qū)真正的最

38、大轉(zhuǎn)矩作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩 Te2m （可證明，Te2m 對應(yīng)于p= 15）。還有第一、二工作區(qū) 交界的轉(zhuǎn)矩值，稱作交接轉(zhuǎn)矩稱作交接轉(zhuǎn)矩 Te1-2 。 按照上面的推導(dǎo)，可得40 955. 0 em e1m T T 827. 0 em e2m T T 716. 0 em 2e1 T T （7-25） （7-26） （7-27） 式（7-26）說明，異步電動機(jī)串級調(diào)速異步電動機(jī)串級調(diào)速 時所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時減少時所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時減少 了了17.3%，這在選用電機(jī)時必須注意。 另外，由式（7-27）可知，Te1-2 = 0.716 Tem，而異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩過載能力一般大

39、于2，即Tem 2TeN，所以當(dāng)電動機(jī)在額定當(dāng)電動機(jī)在額定 負(fù)載下工作時，還是處于第一工作區(qū)負(fù)載下工作時，還是處于第一工作區(qū)。 6. 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性 圖7-11 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性 返回目錄返回目錄 s20 本節(jié)提要 串級調(diào)速系統(tǒng)的效率 串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑 斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng) 串級調(diào)速裝置的電壓和容量 *7.4 串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 及其提高方案及其提高方案 *7.4.1 串級調(diào)速系統(tǒng)的效率串級調(diào)速系統(tǒng)的效率 圖7-12 串級調(diào)速系統(tǒng)效率分析 a)系統(tǒng)的功率傳遞 b)系統(tǒng)的功率流程圖 n 串級調(diào)速系統(tǒng)功率流程 l在

40、串級調(diào)速時（圖7-12a），Ps未被全部消 耗掉，而是扣除了轉(zhuǎn)子銅損 PCur、雜散損 耗 Ps 和附加的串級調(diào)速裝置損耗 Ptan 后通 過轉(zhuǎn)子整流器與逆變器返回電網(wǎng)，這部分 返回電網(wǎng)的功率稱作回饋功率 Pf 。 l對整個串級調(diào)速系統(tǒng)來說，它從電網(wǎng)吸收 的凈有功功率應(yīng)為 Pin = P1 Pf 。 n 串級調(diào)速系統(tǒng)效率及比較 l串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率 %100%100 f1 mechmech in 2 sch PP pP P P %100 )1( )1( tanmechm mechm pppsP psP (7-28) 式中 p 是異步電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗； ptan 附加的串級調(diào)速傳動(

41、tandem drive)裝 置損耗 。 在串級調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低 時，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變， p 和 ptan 都基本 不變，式（7-28）分子和分母中的項隨著的 增大而同時減少，對值的影響并不太大。 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率 當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，調(diào)速系統(tǒng)的 效率是 %100%100 sCurFeCusmech mechmech 1 2 R ppppP pP P P %100 )1 ( )1 ( mechm mechm ppsP psP = 其中，Pm(1- s) 項隨s 的變化和串級調(diào)速時一樣， 而所串電阻越大時，pCus 越大，p 也越大，因而 效率 R 越低，幾乎是隨

42、著轉(zhuǎn)速的降低而成比例 地減少。 l 效率的比較 p串級調(diào)速系統(tǒng)的總 效率是比較高的， 且當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速降 低時，sch 的減少 并不多。 p而繞線轉(zhuǎn)子異步電 動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電 阻調(diào)速時的效率幾 乎隨轉(zhuǎn)速的降低而 成比例地減少。 圖7-13 電氣串級調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子串電阻 調(diào)速系統(tǒng) = f (s) 的比較 *7.4.2 串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑 串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)與系統(tǒng)所用的 異步電動機(jī)、不可控整流器和逆變器三大 部分有關(guān)： l異步電動機(jī)本身的功率因數(shù)就會隨著負(fù)載的減 輕而下降； l轉(zhuǎn)子整流器的換相重迭和強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通等作用 都會通過電機(jī)從電網(wǎng)吸收換相無

43、功功率； l逆變器的相控作用使其電流與電壓不同相，也 要消耗無功功率。 n 串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù) 在串級調(diào)速系統(tǒng)中，從交流電網(wǎng)吸收的總 有功功率是電動機(jī)吸收的有功功率與逆變 器回饋至電網(wǎng)的有功功率之差，然而從交 流電網(wǎng)吸收的總無功功率卻是電動機(jī)和逆 變器所吸收的無功功率之和（見圖7-12）， 因此，串級調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)可用下式 表示 功率因數(shù)計算公式 s 系統(tǒng)總的視在功率； Q1 電動機(jī)從電網(wǎng)吸收的無功功率； Qf 逆變變壓器從電網(wǎng)吸收的無功功率。 2 f1 2 f1 f1in sch )()( cos QQPP PP S P 式中 (7-29) 功率因數(shù)范圍 p一般串級調(diào)速系統(tǒng)在高速運行

44、時的功率因數(shù)為 0.60.65，比正常接線時電動機(jī)的功率因數(shù)減少 0.1左右； p在低速時可降到0.40.5（對調(diào)速范圍為2的系 統(tǒng)）。這是串級調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點。 p對于寬調(diào)速的串級調(diào)速系統(tǒng)，隨著轉(zhuǎn)差率的增大， 系統(tǒng)的功率因數(shù)還要下降，這是串級調(diào)速系統(tǒng)能 否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。 *7.4.3 斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng)斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng) 問題的提出 串級調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)差的一個重要原因 就是采用了相位控制的逆變器，控制角 越大時，逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率越 多。 如果用斬波器來控制直流電壓，而將逆變 器的控制角設(shè)定為允許的最小值不變，即 可降低無功的消耗，而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。 n 系

45、統(tǒng)組成 圖7-14 斬波控制串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖7-14繪出了斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng)斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng) 原理圖，圖中CH是直流斬波器，可用普通 晶閘管或可關(guān)斷電力電子器件組成，后者 可大大簡化斬波器電路。 系統(tǒng)中斬波器CH工作在開關(guān)狀態(tài)，其工 作原理和功率因數(shù)如下分析。 1工作原理 當(dāng)它接通時，逆變器輸出的附加電動勢被短接 （Eadd = 0）； 斷開時，輸出電動勢最大（ Eadd = Ui）。 設(shè)斬波器的開關(guān)周期為 T ，開關(guān)接通的時間為 ，則逆變器經(jīng)CH送出的平均電動勢為 i U T T 改變占空比（T- ）/ T 即可調(diào)節(jié)平均電動勢的 大小，從而調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 附加電動勢的

46、斬波波形 圖7-15為忽 略交流電壓變 化時附加電動 勢的斬波波形。 圖7-15 轉(zhuǎn)子斬波串級調(diào)速時的附加電動勢波形 O t Eadd T 斬波控制串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速方程 當(dāng)轉(zhuǎn)子回路整流器和逆變器都是橋式電路時， 可得理想空載的電壓平衡方程式 min2T0r0 cos)1 (34. 234. 2 U T Es min 0r 2T syn0 cos11 E U T nn （7-30） n0 不同占空比時的理想空載轉(zhuǎn)速； nsyn異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 式中 因此 2系統(tǒng)的功率因數(shù) 在斬波控制時， 逆變角設(shè)定為 min ， 則逆變器從電網(wǎng)吸 收的無功功率可減 到最小程度。圖7- 16繪出了帶恒轉(zhuǎn)矩

47、負(fù)載的斬波控制串 級調(diào)速系統(tǒng)在不同 轉(zhuǎn)差率下的功率因 數(shù)。 圖7-16 兩種串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)比較 斬波控制串 級調(diào)速系統(tǒng) 常規(guī)串級調(diào) 速系統(tǒng) *7.4.4 串級調(diào)速裝置的電壓和容量串級調(diào)速裝置的電壓和容量 串級調(diào)速裝置是指整個串級調(diào)速系統(tǒng)中除 異步電動機(jī)以外為實現(xiàn)串級調(diào)速而附加的 所有功率部件，包括轉(zhuǎn)子整流器、逆變器 和逆變變壓器。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，必須正 確合理地選擇這些附加設(shè)備的電壓和容量， 以提高整個調(diào)速系統(tǒng)的性能價格比。 n 整流器和逆變器容量 選擇主要依據(jù)其電流與電壓的定額。 l電流定額決定于異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的額定電 流和所拖動的負(fù)載 IrN； l電壓定額則決定于異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的額

48、定 相電壓（即轉(zhuǎn)子開路電動勢 Er0 ）和系統(tǒng)的 調(diào)速范圍 D。這里， min0 syn n n D 其中， n0min 是調(diào)速系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速，對應(yīng)于最 大理想空載轉(zhuǎn)差率 s0max ，由式（7-7）可得 )1 ( max0synmin0 snn D s 1 1 max0 （7-31） 調(diào)速范圍越大時， s0max也越大，整流器和逆 變器所承受的電壓越高。 n 逆變變壓器的容量 l逆變變壓器的二次側(cè)相電壓 ) 1 1 (15. 1 0r2T D EU（7-32） ) 1 1 (45. 3 T220T D IEW （7-33） 逆變變壓器的容量計算 返回目錄返回目錄 7.5 雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速

49、系統(tǒng)雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng) 由于串級調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的靜差率 較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調(diào)速 精度要求不高的場合。為了提高靜態(tài)調(diào)速 精度，并獲得較好的動態(tài)特性，須采用閉 環(huán)控制，和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，通常采用 具有電流反饋與轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方 式。 7.5.1 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖7-17 雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng) n 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) n 控制環(huán)節(jié)說明 圖7-17所示為雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系 統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號取自異步 電動機(jī)軸上聯(lián)接的測速發(fā)電機(jī)，電流反饋 信號取自逆變器交流側(cè)的電流互感器，也 可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子 直流回路

50、。 為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調(diào)節(jié) 器ACR輸出電壓為零時，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖 輸出相位角為 = min 。 n 系統(tǒng)比較 l圖717所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(tài)恒流的 作用。 l所不同的是它的控制作用都是通過異步電 動機(jī)轉(zhuǎn)子回路實現(xiàn)的。 在圖717所示的系統(tǒng)中，可控整流裝 置、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖均 與直流調(diào)速系統(tǒng)中相同，本節(jié)不再贅述。 但是，在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路中， 不少物理量都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，所以要單獨 處理。 *7.5.2 串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 1轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) 串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)電壓平

51、衡方程 d d 0i0d d d RI l I LUsU(7-34) 式中 Ud0 = 2.34Er0 cosp當(dāng) s = 1 時轉(zhuǎn)子整流器 輸出的空載電壓； Ui0 = 2.34UT2 cos 逆變器直流側(cè)的空載電 壓； L 轉(zhuǎn)子直流回路總電感； L = 2LD0 + 2LT + LL LD0 折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電機(jī)每相漏感； LT 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感； LL 平波電抗器電感； R 轉(zhuǎn)差率為時轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻。 LTD T0D 22 3 3 RRR X s X R 轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) 由上式可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) 1 )( )( Lr Lr 0i 0 0d 0d

52、d sT K Usn n U U sI (7-36) R L T Lr R K 1 Lr 轉(zhuǎn)子直流回路的時間常數(shù)； 轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù)。 式中 轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖7-18 轉(zhuǎn)子直流回路動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 將電力拖動系統(tǒng)的運動方程式： t nGD TT d d 375 2 Le t nGD IIC d d 375 )( 2 LdM 或?qū)懗?式中 IL 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL 所對應(yīng)的等效直流電流。 2異步電動機(jī)的傳遞函數(shù) 帶入異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程： dMdd 0D 0d 0 e ) 3 ( 1 ICII X UT (7-19) 可推得異步電動機(jī)在串級調(diào)速時的傳遞函數(shù)為： 串級調(diào)速時的傳遞函數(shù)

53、sTC R s CC RGD CR sIsI sn ME ME 2 E Ld 375 / )()( )( (7-37) ME 2 M 375CC RGD T式中 機(jī)電時間常數(shù)， TM 與 R 、CE 、CM 都有關(guān)系，所以也不是 常數(shù)，而是 Id 和 n 的函數(shù)。 3串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖7-19 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 *7.5.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正一 般主要按抗擾性能考慮，即應(yīng)使系統(tǒng)在負(fù) 載擾動時有良好的動態(tài)響應(yīng)能力。在采用 工程設(shè)計方法進(jìn)行動態(tài)設(shè)計時，可以象直 流調(diào)速系統(tǒng)那樣： 轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計。 電流環(huán)按典型I

54、型系統(tǒng)設(shè)計； 問題和困難 但是串級調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子直流回路的時間 常數(shù) TLr 及放大系數(shù) KLr 都是轉(zhuǎn)速的函數(shù)， 而異步電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù) TM 又是轉(zhuǎn) 速 n 和電流 Id 的函數(shù)，這就給調(diào)節(jié)器的 設(shè)計帶來一定的困難。 解決辦法固定工作點求參數(shù) 具體設(shè)計時，可以先在確定的轉(zhuǎn)速 n 和負(fù) 載電流 Id 的前提下，求出各傳遞函數(shù)中的 參數(shù)，例如按照要求的最大轉(zhuǎn)差率 smax或 平均轉(zhuǎn)差率 smax / 2 來確定轉(zhuǎn)速，按額定 負(fù)載或常用的實際負(fù)載來選定電流，然后 按定常系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。 如果用模擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)，則當(dāng)實際轉(zhuǎn) 速和/或電流改變時，系統(tǒng)的動態(tài)性能就要 變壞。 如果采用微機(jī)數(shù)字控制，可

55、以按照不同 的轉(zhuǎn)速和電流事先計算好參數(shù)的變化，用 表格的方式存入微機(jī)，實時控制時可根據(jù) 檢測得到的轉(zhuǎn)速和電流查表調(diào)用，就可以 得到滿意的動態(tài)特性。 7.5.4 串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式 串級調(diào)速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動 勢而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對系統(tǒng) 的起動與停車控制必須有合理的措施予以保 證?？偟脑瓌t總的原則是在起動時必須使逆變器先電 機(jī)而接上電網(wǎng)，停車時則比電機(jī)后脫離電網(wǎng)， 以防止逆變器交流側(cè)斷電，使晶閘管無法關(guān) 斷，造成逆變器的短路事故。 串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動 和直接起動兩種。 1. 間接起動 為了使串級調(diào)速裝置不受過電壓損壞， 須采用間接

56、起動方式，即將電動機(jī)轉(zhuǎn)子先 接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉(zhuǎn)速升高 到串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計最低轉(zhuǎn)速時，才把 串級調(diào)速裝置投入運行。 間接起動控制原理圖 圖720 串級調(diào)速系 統(tǒng)間接起動 控制原理圖 間接起動操作順序 （1）先合上裝置電源總開關(guān)S，使逆變器在 min 下等待工作。 （2）然后依次接通接觸器K1，接入起動電阻R， 再接通K0，把電機(jī)定子回路與電網(wǎng)接通，電 動機(jī)便以轉(zhuǎn)子串電阻的方式起動。 （3）待起動到所設(shè)計的nmin（smax）時接通K2， 使電動機(jī)轉(zhuǎn)子接到串級調(diào)速裝置，同時斷開 K1，切斷起動電阻，此后電動機(jī)就可以串級 調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運行。 停車操作順序 （1）由于沒

57、有制動作用，應(yīng)先斷開K2， 使電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置脫離； （2）再斷開K0，以防止當(dāng)K0斷開時在轉(zhuǎn) 子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆 變器。 2直接起動 直接起動又稱串級調(diào)速方式起動。在起 動控制時讓逆變器先于電動機(jī)接通交流 電網(wǎng)，然后使電動機(jī)的定子與交流電網(wǎng) 接通，此時轉(zhuǎn)子呈開路狀態(tài)，可防止因 電動機(jī)起動時的合閘過電壓通過轉(zhuǎn)子回 路損壞整流裝置，最后再使轉(zhuǎn)子回路與 整流器接通。 直接起動操作順序 （1）接觸器的工作順序為 SK0K2，此 時不需要起動電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路接通時， 由于轉(zhuǎn)子整流電壓小于逆變電壓，直流回 路無電流，電動機(jī)尚不能起動。 （2）待發(fā)出給定信號后，隨著 的增大， 逆變電壓降低，產(chǎn)生直流電流，電動機(jī)才 逐漸加速，直至達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。 返回目錄返回目錄 *7.6 異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng) 概 述 上述的異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)是從