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)第一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二內(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(dòng)狀態(tài)下的雙饋系統(tǒng)——串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性串級(jí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)*異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)第二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

7.0引言

轉(zhuǎn)差功率問題轉(zhuǎn)差功率始終是人們?cè)谘芯慨惒诫妱?dòng)機(jī)調(diào)速方法時(shí)所關(guān)心的問題，因?yàn)楣?jié)約電能是異步電動(dòng)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)差功率的處理方式可分為三種類型。

第三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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(shí)，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(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)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(dòng)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。第四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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(dòng)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。返回目錄第五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二7.1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(dòng)勢(shì)的作用異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況第六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二轉(zhuǎn)差功率的利用眾所周知，作為異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電動(dòng)機(jī)難以勝任，只有繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)才能做到。7.1.0概述第七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)

PsP1

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，從廣義上講，定子功率和轉(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)。第八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二~

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)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。PmPmechPs第九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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(dòng)勢(shì)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。

第十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)功率變換單元電網(wǎng)K1M3

~K2TI第十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

如上圖所示，在雙饋調(diào)速工作時(shí)，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(dòng)勢(shì)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(gè)交流電動(dòng)勢(shì)。第十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率變換單元

由于轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與電流的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，即f2=sf1，因此必須通過功率變換單元（PowerConverterUnit—CU）對(duì)不同頻率的電功率進(jìn)行電能變換。對(duì)于雙饋系統(tǒng)來說，CU應(yīng)該由雙向變頻器構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳遞。第十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行；

CUP1PsM3

~Pmech第十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二（2）轉(zhuǎn)差功率輸入狀態(tài)

當(dāng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它被拖著運(yùn)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)。

PsP1M3

~CUPmech第十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二7.1.1異步電機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為

式中s—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；

Er0—繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的相電動(dòng)勢(shì)，或稱轉(zhuǎn)子開路電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。(7-1)第十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為：式中Rr—

轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；

Xr0

—

s=1時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。(7-2)第十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)

圖7-1繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖~~~~附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)第十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二有附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的轉(zhuǎn)子相電流：如圖7-1所示，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在外接附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式(7-3)第十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用1.

Er

與Eadd

同相當(dāng)Eadd

，使得：這里：

轉(zhuǎn)速上升；第二十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用（續(xù)）當(dāng)Eadd

，使得：這里：轉(zhuǎn)速下降；第二十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)，則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。所以，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)，就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

第二十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二7.1.2異步電機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況

本節(jié)摘要電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行電機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行第二十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

異步電機(jī)的功率關(guān)系

忽略機(jī)械損耗和雜散損耗時(shí)，異步電機(jī)在任何工況下的功率關(guān)系都可寫作（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。

第二十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動(dòng)勢(shì)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。第二十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二1.電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行工作條件：轉(zhuǎn)子側(cè)每相加上與Er0

同相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd（Eadd<Er0），并把轉(zhuǎn)子三相回路連通。運(yùn)行工況：電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)差率為0<s<1，從定子側(cè)輸入功率，軸上輸出機(jī)械功率。第二十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a）次同步速電動(dòng)狀態(tài)

~第二十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二2.電機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行工作條件：

軸上帶有位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（這是進(jìn)入倒拉制動(dòng)運(yùn)行的必要條件），此時(shí)逐漸減少+Eadd

值，并使之反相變負(fù)，只要反相附加電動(dòng)勢(shì)–Eadd

有一定數(shù)值，則電機(jī)將反轉(zhuǎn)。第二十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二運(yùn)行工況：電機(jī)進(jìn)入倒拉制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率s

1，此時(shí)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）可改寫作第二十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率流程b）反轉(zhuǎn)倒拉制動(dòng)狀態(tài)Te012s-n-n1PmCU第三十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二3.電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行工作條件：進(jìn)入這種運(yùn)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(yùn)行。此時(shí)，如果處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)子回路再串入一個(gè)與sEr0

反相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd

，電機(jī)將在比未串入+Eadd

時(shí)的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動(dòng)運(yùn)行。第三十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二運(yùn)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(shí)式（7-4）可改寫成

第三十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率流程c）超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)

-TePmCU第三十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二4.電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行工作條件：

設(shè)電機(jī)原已在0<s<1作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子側(cè)串入了同相的附加電動(dòng)勢(shì)+Eadd，軸上拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩的反抗性負(fù)載。

當(dāng)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，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)在超過其同步轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。第三十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二運(yùn)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）改寫成第三十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率流程d）超同步速電動(dòng)狀態(tài)

PmTeCU第三十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二5.電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)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(dòng)裝置能縮短減速和停車的時(shí)間，因此必須使運(yùn)行在低于同步轉(zhuǎn)速電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)切換到制動(dòng)狀態(tài)下工作。設(shè)電機(jī)原在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子側(cè)已加入一定的+Eadd

。要使之進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)突加一個(gè)反相的附加電動(dòng)勢(shì)。第三十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

運(yùn)行工況

在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，Eadd

由“+”變?yōu)椤?”，并使|-Eadd|大于制動(dòng)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(dòng)狀態(tài)工作，并產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以加快減速停車過程。電機(jī)的功率關(guān)系為第三十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率流程e）次同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)

Pm-TeCU第三十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二五種工況小結(jié)圖7-2異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的工況及其功率流程

五種工況都是異步電機(jī)轉(zhuǎn)子加入附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的運(yùn)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。第四十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二a）轉(zhuǎn)子輸出功率的工況TICU2CU1sEr0~M3~圖7-4異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元第四十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二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TICU2CU1sEr0~M3~返回目錄第四十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二7.2異步電機(jī)在次同步電動(dòng)狀態(tài)下的

雙饋系統(tǒng)——串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

本章摘要串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的其它類型

第四十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二基本思路如前所述，在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？對(duì)于只用于次同步電動(dòng)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(gè)附加的直流電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)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?jiǎn)栴}，對(duì)問題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都方便多了。7.2.1串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

第四十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

對(duì)直流附加電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)要求

首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。

第四十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

系統(tǒng)方案

根據(jù)以上兩點(diǎn)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(dòng)勢(shì)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(dòng)狀態(tài)運(yùn)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)（或稱Scherbius系統(tǒng)）。

第四十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二圖7-5電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)組成第四十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率變換單元UR—三相不可控整流裝置，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)sEr0

整流為直流電壓Ud

。UI—三相可控整流裝置，工作在有源逆變狀態(tài)：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(dòng)勢(shì)；可將轉(zhuǎn)差功率變換成交流功率，回饋到交流電網(wǎng)。第四十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

工作原理（1）起動(dòng)起動(dòng)條件：

對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)而言，起動(dòng)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。第四十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

起動(dòng)控制控制逆變角，使在起動(dòng)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(dòng)機(jī)就可在一定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大角以減小值Ui

，從而維持加速過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定。第五十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二工作原理（續(xù)）（2）調(diào)速調(diào)速原理：通過改變角的大小調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速過程：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId第五十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二工作原理（續(xù)）（3）停車串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒有制動(dòng)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。第五十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二結(jié)論串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能把異步電動(dòng)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。返回目錄第五十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.3異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性本節(jié)提要概述異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式第五十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二概述在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器的輸出量、分別與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因此，可以從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路著手來分析異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性。第五十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.3.1異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征1.理想空載轉(zhuǎn)速在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，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(shí)機(jī)械特性變軟，調(diào)速性能差。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速都不變，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)。第五十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

根據(jù)式（7-5），當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（Id=0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式變成

其中，s0—異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)對(duì)應(yīng)于某一角的理想空載轉(zhuǎn)差率，并取K1=K2，則

(7-6)第五十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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：

(7-7)式中nsyn—異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。

第五十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

特性分析從式（7-6）和式（7-7）可知，在串級(jí)調(diào)速時(shí)，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(shí)，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(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的機(jī)械特性。第五十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二2．機(jī)械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩

串級(jí)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級(jí)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(shí)際上相當(dāng)于在電動(dòng)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(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性比其固有特性要軟得多。第六十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)子回路電阻的影響當(dāng)電機(jī)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(jí)調(diào)速時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)在正常接線時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。

這樣，串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性便如圖7-7所示。

第六十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖圖7-7異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性a)大電機(jī)b)小電機(jī)第六十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

從圖7-5中可以看出，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動(dòng)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(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路。但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：*7.3.2異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)子整流電路第六十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)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(dòng)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(shí)會(huì)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(diǎn)第六十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二1.轉(zhuǎn)子整流電路圖7-8轉(zhuǎn)子整流電路

第六十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二2.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(dòng)機(jī)勵(lì)磁阻抗的影響。第六十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

換相重疊現(xiàn)象

設(shè)電動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為era、erb、erc。當(dāng)各整流器件依次導(dǎo)通時(shí)，必有器件間的換相過程，這時(shí)處于換相中的兩相電動(dòng)勢(shì)同時(shí)起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。第六十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

換相重疊波形換相重疊壓降換相重疊角第六十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

根據(jù)《電力電子技術(shù)》中介紹的理論，換相重疊角為

換相重疊角（7-8）

其中XD0—

s=1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。第六十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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(shí)，整流電路中各整流器件都在對(duì)應(yīng)相電壓波形的自然換相點(diǎn)處換流，整流波形正常。第七十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)電流Id增大到按式（7-8）計(jì)算出來的角大于60°時(shí)，器件在自然換相點(diǎn)處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點(diǎn)換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強(qiáng)迫延時(shí)換相角p

。由此可見，串級(jí)調(diào)速時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。第七十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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

=0

此時(shí)，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(shí)，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)。第七十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)（續(xù)）

（3）當(dāng)=30°時(shí)，整流電路中會(huì)出現(xiàn)4個(gè)器件同時(shí)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)。第七十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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(Id)Id1-2第七十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

串級(jí)調(diào)速時(shí)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(shí)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(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。(7-9)第七十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

串級(jí)調(diào)速時(shí)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(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相等效電阻。

(7-10)第七十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二上兩式中，當(dāng)0<p

<30°，

=60°時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第二工作區(qū)；當(dāng)p

=0，

=0~60°時(shí)表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在第一工作區(qū)。第七十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.3.3異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式

圖7－10串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)a）主電路b）等效電路

1.

電路結(jié)構(gòu)第七十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二2.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(7-11)(7-12)(7-13)第七十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二以上三式中

RL——直流平波電抗器的電阻；

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

。

第八十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二3.轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速方程

解式（7－11）~式（7－13），可以得到用轉(zhuǎn)差率表示的方程式（7-14）

第八十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)速特性方程

將s=(n0–n)/n0代入上式，得到串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速特性為(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。第八十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

分析式（7-15）可以看出，等號(hào)右邊分子中的第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓（7-16）

第二項(xiàng)相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可以寫作IdR，而分母則是轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓。第八十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

等效電動(dòng)勢(shì)系數(shù)公式

如借用直流電動(dòng)機(jī)的概念和有關(guān)算式，引入電動(dòng)勢(shì)系數(shù)CE，使（7-17）

第八十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式則式（7-15）可改寫成

（7-18）

其中，

第八十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二注意：在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce是常數(shù)，但在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，CE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素，故兩個(gè)符號(hào)的下角不同，以示區(qū)別。第八十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二兩種轉(zhuǎn)速特性的比較式（7-18）表明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵(lì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，它是通過改變式（7-16）第二項(xiàng)中的控制角來實(shí)現(xiàn)的。第八十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二兩種轉(zhuǎn)速特性的比較（續(xù)）在串級(jí)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(duì)于p0的第二工作區(qū)，計(jì)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。第八十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二4.電磁轉(zhuǎn)矩方程

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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率第八十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

電磁轉(zhuǎn)矩公式而電磁功率Pm=Ps/s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為（7-19）

0——

理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)速rad/s

；CM——

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，

式中

第九十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二因?yàn)?，它也是電流Id的函數(shù)。與式（7-17）的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)CE相比可知，CM和CE對(duì)Id的關(guān)系是一樣的。由于0=2n0/60，所以

（7-20）可見，CM和CE的關(guān)系與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)中Cm和Ce的關(guān)系完全一致。第九十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二5.串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性方程

當(dāng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運(yùn)行時(shí)，p=0，代入式（7-19），再令dTe/dt=0，可求出電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)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)械特性方程式：

第九十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式

(7-21)s1m

=s1m-s10——在給定值下，從理想空載到計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)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

第九十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二s10——相應(yīng)值下的理想空載轉(zhuǎn)差率；s1m——對(duì)應(yīng)于計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩Te1m的臨界轉(zhuǎn)差率：(7-22)第九十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二Te1m——系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩”。由于在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)，負(fù)載增大到一定程度，必然會(huì)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(huì)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(huì)達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩。第九十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式

(7-23)s2m

=s2m-s20——計(jì)及強(qiáng)迫延時(shí)換相，對(duì)應(yīng)于某一p值時(shí)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;式中第九十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

s20——相應(yīng)與p

值下的理想空載轉(zhuǎn)差率：(7-24)而第九十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二注意：在用式（7-23）計(jì)算第二工作區(qū)的一段機(jī)械特性時(shí)，等號(hào)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(jì)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(gè)最大轉(zhuǎn)矩Te2m。第九十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

幾種最大轉(zhuǎn)矩的關(guān)系和計(jì)算

從異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)矩TeN和正常運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩Tem

。對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來說，有實(shí)用意義的是第一工作區(qū)的計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩Te1m和第二工作區(qū)真正的最大轉(zhuǎn)矩Te2m

（可證明，Te2m對(duì)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Te1-2

。第九十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二按照上面的推導(dǎo)，可得[40]（7-25）

（7-26）

（7-27）

第一百頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

式（7-26）說明，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩比正常接線時(shí)減少了17.3%，這在選用電機(jī)時(shí)必須注意。另外，由式（7-27）可知，Te1-2=0.716Tem，而異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過載能力一般大于2，即Tem≥2TeN，所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下工作時(shí)，還是處于第一工作區(qū)。第一百零一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二6.異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

圖7-11異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性返回目錄s20第一百零二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二本節(jié)提要串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率串級(jí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量*7.4串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

及其提高方案第一百零三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.4.1

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率圖7-12串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率分析a)系統(tǒng)的功率傳遞b)系統(tǒng)的功率流程圖第一百零四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率流程

在串級(jí)調(diào)速時(shí)（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(jí)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

。對(duì)整個(gè)串級(jí)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

。第一百零五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率及比較串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率

(7-28)式中∑p

是異步電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的總損耗；

ptan附加的串級(jí)調(diào)速傳動(dòng)(tandemdrive)裝置損耗

。第一百零六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，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(xiàng)隨著的增大而同時(shí)減少，對(duì)值的影響并不太大。

第一百零七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的效率是=其中，Pm(1-s)

項(xiàng)隨s的變化和串級(jí)調(diào)速時(shí)一樣，而所串電阻越大時(shí)，pCus越大，∑p也越大，因而效率R越低，幾乎是隨著轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。

第一百零八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

效率的比較串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率是比較高的，且當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，sch

的減少并不多。而繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)=f(s)的比較第一百零九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.4.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改善途徑

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)與系統(tǒng)所用的異步電動(dòng)機(jī)、不可控整流器和逆變器三大部分有關(guān)：異步電動(dòng)機(jī)本身的功率因數(shù)就會(huì)隨著負(fù)載的減輕而下降；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(huì)通過電機(jī)從電網(wǎng)吸收換相無功功率；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。第一百一十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)

在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，從交流電網(wǎng)吸收的總有功功率是電動(dòng)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(dòng)機(jī)和逆變器所吸收的無功功率之和（見圖7-12），因此，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)可用下式表示

第一百一十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率因數(shù)計(jì)算公式

s—系統(tǒng)總的視在功率；Q1—電動(dòng)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。式中(7-29)第一百一十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

功率因數(shù)范圍一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)為0.6~0.65，比正常接線時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)減少0.1左右；在低速時(shí)可降到0.4~0.5（對(duì)調(diào)速范圍為2的系統(tǒng)）。這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。對(duì)于寬調(diào)速的串級(jí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)能否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。第一百一十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.4.3斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)問題的提出串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)差的一個(gè)重要原因就是采用了相位控制的逆變器，控制角越大時(shí)，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)。第一百一十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

系統(tǒng)組成圖7-14斬波控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖第一百一十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

圖7-14繪出了斬波控制的串級(jí)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(jiǎn)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。第一百一十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二1．工作原理當(dāng)它接通時(shí)，逆變器輸出的附加電動(dòng)勢(shì)被短接（Eadd=0）；斷開時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)最大（Eadd=Ui）。設(shè)斬波器的開關(guān)周期為T，開關(guān)接通的時(shí)間為，則逆變器經(jīng)CH送出的平均電動(dòng)勢(shì)為

改變占空比（T-

）/T即可調(diào)節(jié)平均電動(dòng)勢(shì)的大小，從而調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。第一百一十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

附加電動(dòng)勢(shì)的斬波波形

圖7-15為忽略交流電壓變化時(shí)附加電動(dòng)勢(shì)的斬波波形。圖7-15轉(zhuǎn)子斬波串級(jí)調(diào)速時(shí)的附加電動(dòng)勢(shì)波形

OtEaddT第一百一十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

斬波控制串級(jí)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(shí)，可得理想空載的電壓平衡方程式（7-30）

n0—不同占空比時(shí)的理想空載轉(zhuǎn)速；nsyn—異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。式中

因此

第一百一十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二2．系統(tǒng)的功率因數(shù)

在斬波控制時(shí)，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)矩負(fù)載的斬波控制串級(jí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)比較斬波控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)常規(guī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)第一百二十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.4.4串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量

串級(jí)調(diào)速裝置是指整個(gè)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中除異步電動(dòng)機(jī)以外為實(shí)現(xiàn)串級(jí)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(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能價(jià)格比。第一百二十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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。電流定額決定于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定電流和所拖動(dòng)的負(fù)載IrN；電壓定額則決定于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定相電壓（即轉(zhuǎn)子開路電動(dòng)勢(shì)Er0

）和系統(tǒng)的調(diào)速范圍D。這里，第一百二十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

其中，n0min是調(diào)速系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)于最大理想空載轉(zhuǎn)差率s0max

，由式（7-7）可得（7-31）

調(diào)速范圍越大時(shí)，s0max也越大，整流器和逆變器所承受的電壓越高。第一百二十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

逆變變壓器的容量

逆變變壓器的二次側(cè)相電壓（7-32）（7-33）逆變變壓器的容量計(jì)算返回目錄第一百二十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二7.5

雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

由于串級(jí)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(duì)調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動(dòng)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。第一百二十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二7.5.1

雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖7-17雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一百二十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

控制環(huán)節(jié)說明

圖7-17所示為雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自異步電動(dòng)機(jī)軸上聯(lián)接的測(cè)速發(fā)電機(jī)，電流反饋信號(hào)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。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(shí)，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為=min

。

第一百二十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

系統(tǒng)比較圖7－17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(dòng)態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。

第一百二十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

在圖7－17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(dòng)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(dòng)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(dú)處理。*7.5.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型第一百二十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二1．轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動(dòng)態(tài)電壓平衡方程(7-34)式中Ud0

=2.34Er0cosp—當(dāng)s=1時(shí)轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓；Ui0=2.34UT2cos—逆變器直流側(cè)的空載電壓；第一百三十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二L—轉(zhuǎn)子直流回路總電感；

L=2LD0+2LT

+LLLD0—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(shí)轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻。第一百三十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

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)(7-36)—

轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)間常數(shù)；—

轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù)。式中第一百三十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)子直流回路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖7-18轉(zhuǎn)子直流回路動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第一百三十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二將電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式：或?qū)懗墒街蠭L—負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

所對(duì)應(yīng)的等效直流電流。2．異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)

第一百三十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二帶入異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程：(7-19)

可推得異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的傳遞函數(shù)為：第一百三十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

串級(jí)調(diào)速時(shí)的傳遞函數(shù)(7-37)式中—機(jī)電時(shí)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)。第一百三十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二3．串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖7-19雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

第一百三十七頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二*7.5.3調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)

雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)時(shí)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。在采用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)。

電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第一百三十八頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

問題和困難

但是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)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(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)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(jì)帶來一定的困難。第一百三十九頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

解決辦法——固定工作點(diǎn)求參數(shù)

具體設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)際負(fù)載來選定電流，然后按定常系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一百四十頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

如果用模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，則當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速和/或電流改變時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就要變壞。如果采用微機(jī)數(shù)字控制，可以按照不同的轉(zhuǎn)速和電流事先計(jì)算好參數(shù)的變化，用表格的方式存入微機(jī)，實(shí)時(shí)控制時(shí)可根據(jù)檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速和電流查表調(diào)用，就可以得到滿意的動(dòng)態(tài)特性。第一百四十一頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二7.5.4

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動(dòng)勢(shì)而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)與停車控制必須有合理的措施予以保證?？偟脑瓌t是在起動(dòng)時(shí)必須使逆變器先電機(jī)而接上電網(wǎng)，停車時(shí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式通常有間接起動(dòng)和直接起動(dòng)兩種。第一百四十二頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二1.間接起動(dòng)

為了使串級(jí)調(diào)速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動(dòng)方式，即將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動(dòng)，待轉(zhuǎn)速升高到串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最低轉(zhuǎn)速時(shí)，才把串級(jí)調(diào)速裝置投入運(yùn)行。第一百四十三頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

間接起動(dòng)控制原理圖

圖7－20串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)間接起動(dòng)控制原理圖第一百四十四頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

間接起動(dòng)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(dòng)電阻R，再接通K0，把電機(jī)定子回路與電網(wǎng)接通，電動(dòng)機(jī)便以轉(zhuǎn)子串電阻的方式起動(dòng)。（3）待起動(dòng)到所設(shè)計(jì)的nmin（smax）時(shí)接通K2，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接到串級(jí)調(diào)速裝置，同時(shí)斷開K1，切斷起動(dòng)電阻，此后電動(dòng)機(jī)就可以串級(jí)調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

第一百四十五頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二

停車操作順序

（1）由于沒有制動(dòng)作用，應(yīng)先斷開K2，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級(jí)調(diào)速裝置脫離；（2）再斷開K0，以防止當(dāng)K0斷開時(shí)在轉(zhuǎn)子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。第一百四十六頁，共一百六十四頁，編輯于2023年，星期二2．直接起動(dòng)

直接起動(dòng)又稱串級(jí)調(diào)速方式起動(dòng)。在起動(dòng)控制時(shí)讓逆變器先于電動(dòng)機(jī)接通交流電網(wǎng)，然后使電動(dòng)機(jī)的定子與交流電網(wǎng)接通，此時(shí)轉(zhuǎn)子呈開路狀態(tài)，可防止因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)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。第一百四十七頁，