第二章-繞線式異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)課件

第一節(jié)串級調(diào)速的原理與基本類型第二節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流電路的工作特性第三節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和機(jī)械特性第四節(jié)串級調(diào)速的效率和功率因數(shù)第五節(jié)串級調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)第六節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中的幾個問題第七節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

第二章繞線式異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)1第一節(jié)串級調(diào)速的原理與基本類型第二章繞線式異步電動機(jī)第一節(jié)串級調(diào)速的原理與基本類型一.串級調(diào)速的原理二.串級調(diào)速的基本運(yùn)行狀態(tài)及功率關(guān)系三.附加電動勢的實(shí)現(xiàn)四.次同步串級調(diào)速主電路2第一節(jié)串級調(diào)速的原理與基本類型2一.串級調(diào)速的原理

我們知道，對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，可以在其轉(zhuǎn)子回路串入電阻來減小電流，增大轉(zhuǎn)差率，從而改變轉(zhuǎn)速。這種方法就是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法的主要缺點(diǎn)：大量轉(zhuǎn)差功率將在轉(zhuǎn)子所串電阻上變成熱量被消耗掉，因此不適合對大容量電機(jī)降速，對小容量電機(jī)也因效率太低而不適宜長期運(yùn)行。

基本結(jié)論是：

串入電阻越大，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差就越大，機(jī)械功率在電磁功率中所占的比率就越低，效率越低。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法有什么缺點(diǎn)？3一.串級調(diào)速的原理我們知道，對于繞線轉(zhuǎn)子異步電

串級調(diào)速的基本原理是什么？

針對繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法轉(zhuǎn)差功率消耗在電阻上，運(yùn)行效率太低的缺點(diǎn)，引入了一種新的調(diào)速方法：基本思路是轉(zhuǎn)子不串入附加電阻-----改為串入附加電動勢來調(diào)速，并將調(diào)速引起的轉(zhuǎn)差功率損耗，回饋回電網(wǎng)或電動機(jī)本身，既提高效率、又實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法，該方法被稱為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的串級調(diào)速控制方案。

4串級調(diào)速的基本原理是什么？針對工作原理：三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓為：式中：轉(zhuǎn)子電流為：異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：由電動機(jī)結(jié)構(gòu)確定的轉(zhuǎn)矩系數(shù)氣隙磁通折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的定子電流轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)5工作原理：式中：轉(zhuǎn)子電流為：異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：由電動機(jī)結(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式中：轉(zhuǎn)矩系數(shù)由電動機(jī)結(jié)構(gòu)決定電源頻率及定子相電壓不變時(shí)，氣隙磁通則不變轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)由于S通常較小而近似為1

電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本恒定因此上式中的電流就基本是個恒定的值電流I2=CONST（常數(shù)）6電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式中：因此上式中的電流就基本是個恒定如果此時(shí)在電路中加入一個附加電動勢Eadd，附加電動勢的頻率與轉(zhuǎn)子相電動勢sE20的頻率相同，而相位相同或者相反分母中只有s為變量，而s的值通常很少，從而可以認(rèn)定分母為一個不變的定值由于E20是一個電機(jī)參數(shù)決定的常數(shù)，因此Eadd的變化就能導(dǎo)致S發(fā)生變化7如果此時(shí)在電路中加入一個附加電動勢Eadd，附加電動勢的頻率

將繞線異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入交流附加電勢

Eadd

a.如串入的附加電勢Eadd與轉(zhuǎn)子感生電勢方向相反，頻率相同則轉(zhuǎn)子電流將變小：轉(zhuǎn)子電流將減小，會引起交流電動機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩的減小，設(shè)原來電機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相等處于平衡狀態(tài)，串入附加電勢必然引起電動機(jī)降速，在降速的過程中，隨著速度減小，轉(zhuǎn)差率S增大，分子中sE2回升，電流也回升，使拖動轉(zhuǎn)矩升高后再次與負(fù)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(yùn)行。*這種向下調(diào)速的情況成為低于同步速的串級調(diào)速。（低同步串調(diào)）8將繞線異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入交流附加電勢Eadb.如串入的附加電勢Eadd與轉(zhuǎn)子感生電勢方向相同，頻率相同則轉(zhuǎn)子電流將變大：轉(zhuǎn)子電流的增大，會引起交流電動機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩的增大，設(shè)原來電機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相等，處于平衡狀態(tài)，串入附加電勢引起電動機(jī)升速，在升速的過程中，隨著速度增加，轉(zhuǎn)差率S減小，分子中sE2減小，電流也減小，使拖動轉(zhuǎn)矩減小后再次與負(fù)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(yùn)行。*這種向上調(diào)速的情況稱為高于同步速的串級調(diào)速。（超同步串調(diào)）9b.如串入的附加電勢Eadd與轉(zhuǎn)子感生電勢方向相同，頻率相在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電動勢，不僅改變了轉(zhuǎn)子回路的有功功率的大小，而且可以通過調(diào)節(jié)附加電動勢的相位來調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的功率因數(shù)（即調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)子電流的無功分量）10在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電動勢，不僅改變了轉(zhuǎn)子回路的有功功率的大二.串級調(diào)速的基本運(yùn)行狀態(tài)及功率傳遞方向11二.串級調(diào)速的基本運(yùn)行狀態(tài)及功率傳遞方向11串級調(diào)速系統(tǒng)有四種基本運(yùn)行狀態(tài)：snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1次同步速度電動運(yùn)行狀態(tài)~

電動機(jī)電動運(yùn)行0<s<1，從定子側(cè)輸入功率，軸上輸出機(jī)械功率，而轉(zhuǎn)差功率從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送到電網(wǎng)。由于電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下工作，故稱為次同步轉(zhuǎn)速的電動運(yùn)行。12串級調(diào)速系統(tǒng)有四種基本運(yùn)行狀態(tài)：snTesPmsPmP1Pm超同步轉(zhuǎn)速電動狀態(tài)

PmTeCU

不斷加大+Eadd，就可提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。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s<0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。電機(jī)處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)。繞線型異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子中串入附加電動勢后可以在超同步轉(zhuǎn)速下作電動運(yùn)行，并可使輸出超過其額定功率，這一特殊工況正是由定、轉(zhuǎn)子雙饋的條件形成的。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。13超同步轉(zhuǎn)速電動狀態(tài)PmTeCU不斷加大+Eadd，就可電動機(jī)轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)差功率，經(jīng)附加電動勢回饋給電網(wǎng)，定子也向電網(wǎng)回饋功率。s<0超同步速度再生制動狀態(tài)

-TePmCU電動機(jī)被負(fù)載拖動，產(chǎn)生電氣制動14電動機(jī)轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)差功率，經(jīng)附加電動勢回饋給電網(wǎng)，定子也向電網(wǎng)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(shí)間，因此必須使運(yùn)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。

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。次同步速度再生制動狀態(tài)

Pm-TeCU

0<s<1

15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

次同步速串調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：①在調(diào)速范圍不大時(shí)，裝置容量小

②系統(tǒng)把大部份轉(zhuǎn)差功率回饋給了電網(wǎng)，所以在低速時(shí)的效率較轉(zhuǎn)差功率消耗型的調(diào)速系統(tǒng)要高

原因是異步電動機(jī)的功率因數(shù)本來就不高，再加上裝置的變換電路及逆變變壓器的工作都要從電網(wǎng)中吸收無功功率?！到y(tǒng)的功率因數(shù)低。

串調(diào)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn):16次同步速串調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：①在調(diào)速范圍不大時(shí)，

：不是以電機(jī)是否工作在同步轉(zhuǎn)速以上或以下來區(qū)分超同步或次同步串級調(diào)速系統(tǒng)，而是以轉(zhuǎn)差功率的傳遞方向來區(qū)分的。超同步串調(diào)調(diào)速系統(tǒng)也會工作在同步轉(zhuǎn)速以下（超同步速串級調(diào)速系統(tǒng)的再生制動），次同步串調(diào)調(diào)速系統(tǒng)也會工作在同步轉(zhuǎn)速以上（次同步速串級調(diào)速系統(tǒng)的回饋制動）特別強(qiáng)調(diào)17：不是以電機(jī)是否工作在同

電動機(jī)轉(zhuǎn)子電動勢與電流的頻率在不同轉(zhuǎn)速下有不同的數(shù)值，其值與交流電網(wǎng)的頻率往往不一致(f2=sf1)，所以不能把電動機(jī)的轉(zhuǎn)子直接與交流電網(wǎng)相連，而必須通過一個中間環(huán)節(jié)?；蛘哒f，恒壓恒頻（工頻）的交流電網(wǎng)不能向電動機(jī)轉(zhuǎn)子提供一個變頻變壓的附加電動勢，需要通過一個中間換流環(huán)節(jié)來解決。這個中間環(huán)節(jié)除了有功率傳遞作用外，還應(yīng)具有對不同頻率的電功率進(jìn)行變換的功能，故稱為功率變換單元（PowerConverterUnit，簡稱CU）。三.附加電動勢Eadd的實(shí)現(xiàn)18電動機(jī)轉(zhuǎn)子電動勢與電流的頻率在不同轉(zhuǎn)速下有不同的數(shù)值

要實(shí)現(xiàn)前面所述的繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)交流附加電動勢完成調(diào)速的基本思想，則所串入的交流附加電勢應(yīng)該滿足如下條件：

1.首先，轉(zhuǎn)子是三相交流電路，因此交流附加電勢應(yīng)為三相對稱交流電。

因此附加的三相交流電勢3.附加的三相交流電勢

可見，三相交流附加電勢的實(shí)現(xiàn)在實(shí)際中十分困難。實(shí)用的串級調(diào)速系統(tǒng)，一般采用將轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)直流附加電勢的大小來調(diào)速的控制方案。2.轉(zhuǎn)子感應(yīng)的三相交流電勢的頻率、大小都是隨轉(zhuǎn)差率變化的，也應(yīng)隨之變頻變壓。在控制過程中，要始終保持與轉(zhuǎn)子感應(yīng)的相位相同或相反，即相位要同步。三相交流電勢19要實(shí)現(xiàn)前面所述的繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)交流附加a)轉(zhuǎn)子輸出功率的工況次同步速串級調(diào)速系統(tǒng)主電路

20a)轉(zhuǎn)子輸出功率的工況次同步速串級調(diào)速系統(tǒng)主電路20b)轉(zhuǎn)子輸入功率的工況超同步速串級調(diào)速系統(tǒng)主電路21b)轉(zhuǎn)子輸入功率的工況超同步速串級調(diào)速系統(tǒng)主電路21

從能量關(guān)系來說，低同步串級調(diào)速電動狀態(tài)的基本能量關(guān)系是串入附加電勢，吸收轉(zhuǎn)子降速引起的轉(zhuǎn)差功率，并將吸收的功率回饋電網(wǎng)的過程。低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，首先把轉(zhuǎn)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(diào)直流電源，調(diào)節(jié)所串入的直流電源的電壓對轉(zhuǎn)子調(diào)速，并從直流附加電源將轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)。按照所串直流電源的情況可將串級調(diào)速系統(tǒng)分為電氣串級調(diào)速系統(tǒng)和機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)兩大類。四.次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的基本類型及主電路。22從能量關(guān)系來說，低同步串級調(diào)速電動狀態(tài)的基本電氣串級調(diào)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其交流側(cè)通過逆變變壓器接電網(wǎng)。呈現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性。機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)用直流電動機(jī)作為可控直流電源，通過控制直流電動機(jī)的勵磁控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。所吸收轉(zhuǎn)差功率可以通過直流電動機(jī)與繞線電動機(jī)的軸間直連將轉(zhuǎn)差功率直接反饋給繞線電動機(jī)。23電氣串級調(diào)速系統(tǒng)由晶閘管有源逆變電路作為可控直流電源，通過控繞線異步機(jī)轉(zhuǎn)子整流器有源逆變器繞線異步機(jī)轉(zhuǎn)子整流器直流電動機(jī)電氣串級調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)逆變變壓器24繞線異步機(jī)轉(zhuǎn)子整流器有源逆變器繞線異步機(jī)轉(zhuǎn)子整流器直流電動機(jī)次同步速串級調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)MA起動電阻R切換用接觸器1C、2C串調(diào)裝置主電路（交直交變頻電路）不控整流橋VR平波電抗器有源逆變橋VI逆變變壓器TI測速信號取自測速發(fā)電機(jī)TG電流反饋信號在逆變橋交流側(cè)采樣經(jīng)整流得到電流反饋信號也可在直流側(cè)采樣得到控制系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)25次同步速串級調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)MA起動電阻R

對于電氣串級調(diào)速系統(tǒng)，如忽略損耗，則電機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩為：

對于機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)，如忽略損耗，則電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率為：結(jié)論：電氣串級調(diào)速系統(tǒng)具有近似恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性。結(jié)論：機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)具有近似恒功率的機(jī)械特性。*電氣串級調(diào)速系統(tǒng)因效率高、技術(shù)成熟和低成本而獲得廣泛應(yīng)用。常數(shù)常數(shù)26對于電氣串級調(diào)速系統(tǒng)，如忽略損耗，則電機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)電動機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)：27電動機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)：27如果系統(tǒng)中的負(fù)載保持不變，則電動機(jī)會加速→S減小，sE20也就減小→Id減小，達(dá)到另一個動態(tài)平衡由于慣性維持不變β增大→Id增大→Te增大28如果系統(tǒng)中的負(fù)載保持不變，則電動機(jī)會加速→S減小，sE20也β為逆變器的逆變角β=-α在上述的電路中，為了防止逆變顛覆，逆變角的取值范圍為30°≤β≤90°β取得最小值30°，電動機(jī)最低速運(yùn)行β取得最大值90°

，電動機(jī)最高速運(yùn)行29β為逆變器的逆變角β=-α在上述的電路中，為了防止逆b.起動控制：控制逆變角，使在起動開始的瞬間，Ud與Uβ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。隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大角以減小值

Uβ

，從而維持加速過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定。（1）起動：a.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Uβ間應(yīng)有較大的差值。30b.起動控制：控制逆變角，使在起動開始的瞬間，Ud與Uβ的b.調(diào)速過程：隨著轉(zhuǎn)速的增高，相應(yīng)地增大角以減小值

Uβ

，從而維持加速過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定。（2）調(diào)速a.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。31b.調(diào)速過程：（2）調(diào)速a.調(diào)速原理：通過改變角的大小調(diào)節(jié)結(jié)論：（1）串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角β實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)速，（2）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。（3）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。32結(jié)論：（3）停車串級調(diào)速系統(tǒng)沒有制動停車功能。只能靠減小第二節(jié)低同步串級調(diào)速系統(tǒng)整流電路的工作特性一.轉(zhuǎn)子整流器的電路二.轉(zhuǎn)子整流電路的三種工作狀態(tài)

33第二節(jié)低同步串級調(diào)速系統(tǒng)整流33一.轉(zhuǎn)子整流電路D0可以看成導(dǎo)通角為0的三相全控整流電路兩個三相半波可控整流電路串接34一.轉(zhuǎn)子整流電路D0可以看成導(dǎo)通角為0的三相全控整流電路兩個假設(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）忽略電動機(jī)勵磁阻抗及變壓器繞組電阻的影響。

35假設(shè)條件35

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(yùn)行，轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動勢為ea、eb、ec。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勢同時(shí)起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如下圖所示。36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(yùn)行換相重疊壓降edr換相重疊角37換相重疊壓降edr換相重疊角37根據(jù)電力電子學(xué)中可知：38根據(jù)電力電子學(xué)中可知：38二.整流電路的三種工作區(qū)域1.第一工作區(qū)域該工作區(qū)域中有兩個晶閘管發(fā)生換流，換流時(shí)兩個晶閘管所在的支路都導(dǎo)通，一個管子的電流逐漸減少至零從而關(guān)斷，另一個管子的電流逐漸增大直至完全導(dǎo)通。兩個管子都處于導(dǎo)通時(shí)候稱為換流重疊，從而有換流重疊角，當(dāng)轉(zhuǎn)子整流電流增大，換流重疊角γ也隨之增大。39二.整流電路的三種工作區(qū)域1.第一工作區(qū)域39此時(shí)由于是不可控整流電路，因此a=0，XD=sXD0，E2=sE20，上述的公式則可以變換為40此時(shí)由于是不可控整流電路，因此a=0，XD=sXD0，E2=轉(zhuǎn)子整流器輸出電壓和轉(zhuǎn)子相電流的波形圖如下：41轉(zhuǎn)子整流器輸出電壓和轉(zhuǎn)子相電流的波形圖如下：41當(dāng)整流電路中的電流Id增大到使得換流重疊角γ=60°時(shí)，前一對晶閘管換流的終點(diǎn)就成了下一對換流晶閘管的換流的起點(diǎn)。因此我們把換流重疊角γ

≤60°時(shí)的工作區(qū)域稱為第一工作區(qū)域。

如果在此基礎(chǔ)上整流電流再增大電路則進(jìn)入第二工作區(qū)域。下面我們先看γ=60°時(shí)的電壓電流波形圖42當(dāng)整流電路中的電流Id增大到使得換流重疊角γ=60°時(shí)，前一γ=60°時(shí)的電壓電流波形圖前一換流終點(diǎn)為下一換流起點(diǎn)，但并沒有出現(xiàn)強(qiáng)迫延遲角43γ=60°時(shí)的電壓電流波形圖前一換流終點(diǎn)為下一換流起點(diǎn)，但并2.第二工作區(qū)域

在γ=60°時(shí)，負(fù)載電流繼續(xù)增大，最初時(shí)重疊角會大于60°，但穩(wěn)定以后，兩個二極管的重疊角會均勻地保持60°不變，但所有二極管的換流都被迫從自然換流點(diǎn)向后延遲一個角度ap。電流越大，這個強(qiáng)迫延時(shí)換相角ap就越大，但是ap也有一個取值范圍：(0°，30°]442.第二工作區(qū)域電流越大，這個強(qiáng)迫延時(shí)換相角ap就越大，但是

在第二工作區(qū)域內(nèi)，γ=60°保持不變化，強(qiáng)迫延遲角從大于零度到小于等于三十度之間變化。此階段電路中任何時(shí)刻均有三個晶閘管處于同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)。每個管子出現(xiàn)的強(qiáng)迫延遲角都相同。此時(shí)電路中所對應(yīng)的電壓電流的表達(dá)式，可以用第一工作區(qū)域中表達(dá)式中的γ=60°，a=ap代替即可。45在第二工作區(qū)域內(nèi)，γ=60°保持不變化，強(qiáng)迫延遲角4646γ=60°，對應(yīng)工作區(qū)域的電流電壓圖47γ=60°，對應(yīng)工作區(qū)域的電流電壓圖473.第三工作區(qū)域轉(zhuǎn)子整流器的故障狀態(tài)特征：當(dāng)重疊達(dá)到600、強(qiáng)迫延時(shí)換相角達(dá)到300時(shí)的電壓電流波形如右圖所示。（Id過大，的情況）483.第三工作區(qū)域轉(zhuǎn)子整流器的故障狀態(tài)特征：當(dāng)重疊達(dá)到600

如果負(fù)載電流繼續(xù)增大，重疊角又會大于600，但強(qiáng)迫延時(shí)換相角會保持300不變。原因是：即使前面兩個管子換流未換完，后面該導(dǎo)通的管子也會承受正壓而導(dǎo)通，這樣，就會出現(xiàn)共陰極管和共陽極管都在換流，四個二極管同時(shí)導(dǎo)通----轉(zhuǎn)子整流器短路的故障情況。*串級調(diào)速系統(tǒng)要避免運(yùn)行時(shí)嚴(yán)重過載的情況。為什么此時(shí)就是故障情況呢？49如果負(fù)載電流繼續(xù)增大，重疊角又會大于600，但強(qiáng)迫延

轉(zhuǎn)子整流電路的

=f(Id)、=f(Id)不同工作區(qū)域的和的變化曲線50轉(zhuǎn)子整流電路的=f(Id)、第三節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性與機(jī)械特性一.串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性二.串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性51第三節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性一.串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性51

n與電流Id和逆變角β之間的關(guān)系式，需要從直流等效電路入手加以推導(dǎo)：第一工作狀態(tài)下，整流器-逆變器的直流回路等效電路如下：1.串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性

（n與電流Id及逆變角之間的關(guān)系式）52n與電流Id和逆變角β之間的關(guān)系式，需要從直流等效電轉(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53轉(zhuǎn)子整流電路的輸出電壓為53

由直流等效電路列出的第一工作狀態(tài)下的電壓方程式將代入上式得轉(zhuǎn)速n為式中，R∑、Ce均為常數(shù)，U受逆變角控制。結(jié)果類似于直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的速度表達(dá)式，但因R∑更大，故串級調(diào)速的調(diào)速特性很軟。54由直流等效電路列出的第一工作狀態(tài)下的電壓方程式將

改變β，相當(dāng)于他勵直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速。特性為n=f（Id），但由于RΣ比直流電機(jī)電樞回路總電阻大，故n=f（Id）相對要軟一些。而在第二工作狀態(tài)時(shí)：特性更軟。上式中U、R∑、CE的表達(dá)式：在串級調(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55改變β，相當(dāng)于他勵直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速。特性為n=f第二工作區(qū)域的調(diào)速特性負(fù)載增大至第二工作區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)迫延遲角，從而不變整流器輸出端電壓出現(xiàn)強(qiáng)迫延遲的影響56第二工作區(qū)域的調(diào)速特性負(fù)載增大至第二工作區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)迫延遲第二工作區(qū)域中的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：負(fù)載增加即整流電流增大，從而會使得轉(zhuǎn)速減小。第二工作區(qū)域的調(diào)速特性比第一工作區(qū)域的特性更軟。57第二工作區(qū)域中的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：負(fù)載增加即整流電流增大，從而會*機(jī)械特性推導(dǎo)思路：在已經(jīng)推出調(diào)速特性s—Id

關(guān)系之后，繼續(xù)推導(dǎo)電磁轉(zhuǎn)矩Te—Id關(guān)系，兩者聯(lián)立，得到機(jī)械特性s—Te關(guān)系2.串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性（s或n與Te的關(guān)系）58*機(jī)械特性推導(dǎo)思路：在已經(jīng)推出調(diào)速特性s—Id關(guān)系之后，異步電動機(jī)串級調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

a)大電機(jī)b）小電機(jī)59異步電動機(jī)串級調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性a)大電機(jī)b）小電機(jī)交流異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：轉(zhuǎn)子整流電路中如果忽略轉(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，轉(zhuǎn)差功率表達(dá)式為：Ud60交流異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：轉(zhuǎn)子整流電路中如果忽略轉(zhuǎn)子則第一工作區(qū)域的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：其中的Cm與串級調(diào)速系統(tǒng)等效電勢系數(shù)Ce表達(dá)式類似61則第一工作區(qū)域的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：其中的Cm與串級調(diào)速系統(tǒng)則第二工作區(qū)域的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：其中的Cm′與串級調(diào)速系統(tǒng)等效電勢系數(shù)Ce′表達(dá)式類似62則第二工作區(qū)域的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：其中的Cm′與串級調(diào)速系第一工作狀態(tài)的機(jī)械特性及最大轉(zhuǎn)矩把電流Id的表達(dá)式代入上面電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式中要求最大值則求電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)差率s求導(dǎo)等于零63第一工作狀態(tài)的機(jī)械特性及最大轉(zhuǎn)矩把電流Id的表達(dá)式代入上面電求得最大電磁轉(zhuǎn)矩T1m和對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率S1m為：64求得最大電磁轉(zhuǎn)矩T1m和對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率S1m為：64第一工作區(qū)域和第二工作區(qū)域交界處對應(yīng)的電流及電磁轉(zhuǎn)矩的值為：可以看出求導(dǎo)得到的最大電磁轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩的臨界值因此在第一工作區(qū)域?qū)嶋H取不到最大電磁轉(zhuǎn)矩的值。因此第一工作區(qū)域的實(shí)際最大電磁轉(zhuǎn)矩為一二工作區(qū)域的臨界值。65第一工作區(qū)域和第二工作區(qū)域交界處對應(yīng)的電流可以看出求導(dǎo)得到的第二工作狀態(tài)的機(jī)械特性及最大轉(zhuǎn)矩按第一工作區(qū)域電磁轉(zhuǎn)矩的求法求第二工作區(qū)域的表達(dá)式66第二工作狀態(tài)的機(jī)械特性及最大轉(zhuǎn)矩按第一工作區(qū)域電磁轉(zhuǎn)矩的求法求得最大電磁轉(zhuǎn)矩T2m和對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率S2m為：=90°時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩取得最大值，ap=15°67求得最大電磁轉(zhuǎn)矩T2m和對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率S2m為：=90°時(shí)異步電動機(jī)忽略定子電阻時(shí)，正常接線時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩為：因此可以得出：當(dāng)串級調(diào)速系統(tǒng)帶額定負(fù)載時(shí)運(yùn)行于第一工作區(qū)內(nèi)。電機(jī)過載倍數(shù)在2左右，即最大自然拖動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，所以額定負(fù)載TeN/Temax約為0.5，故額定負(fù)載線必然在0.716之內(nèi)。串級調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子自然接線相比，最大拖動轉(zhuǎn)矩減少到原來的82.6%,即異步電動機(jī)的過載能力損失17%左右。68異步電動機(jī)忽略定子電阻時(shí)，正常接線時(shí)的最大電磁因此可以得出：異步電動機(jī)串級調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性曲線圖s20橫軸為串調(diào)時(shí)的拖動轉(zhuǎn)矩與與電機(jī)自然特性最大拖動轉(zhuǎn)矩的比值。負(fù)載比值達(dá)到0.716及以上時(shí)，串級調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入第二工作狀態(tài)運(yùn)行69異步電動機(jī)串級調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性曲線圖s20橫軸為串調(diào)時(shí)的拖動第四節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)的效率和功率因數(shù)一.串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率二.串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)70第四節(jié)串級調(diào)速系統(tǒng)的效率一.串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率70一.串調(diào)系統(tǒng)的總效率是指串調(diào)系統(tǒng)電機(jī)軸上的輸出功率與從電網(wǎng)輸入的總有功功率之比。下圖是反映串調(diào)系統(tǒng)各部分有功和無功功率間關(guān)系的單線圖。P為有功功率Q為無功功率，系統(tǒng)從電網(wǎng)輸入的總有功功率Pw是定子取用功率P1和逆變變壓器返回功率PT的差。

71一.串調(diào)系統(tǒng)的總效率是指串調(diào)系統(tǒng)電機(jī)軸上的輸出功率與從電網(wǎng)輸輸入定子定子的銅耗和鐵耗輸入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子損耗機(jī)械功率機(jī)械損耗電動機(jī)軸上的輸出功率72輸入定子定子的銅耗和鐵耗輸入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子損耗機(jī)械功率機(jī)械損耗電動1、定子輸入功率定子輸入功率Pi由電網(wǎng)向整個串調(diào)系統(tǒng)提供的有功功率Pin及晶閘管逆變器返回到電網(wǎng)的回饋功率PF構(gòu)成；定子輸入功率Pi減去定子損耗ΔP1（包括定子的銅耗和鐵耗）得到電磁功率Pe；Pe中的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)差功率Ps，另一部分轉(zhuǎn)變成機(jī)械功率Pm；2、旋轉(zhuǎn)磁場傳送的電磁功率731、定子輸入功率定子輸入功率Pi由電網(wǎng)向整個串調(diào)系統(tǒng)提供的有3、回饋電網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)差功率減去轉(zhuǎn)子損耗ΔP2和轉(zhuǎn)子整流器、晶閘管逆變器的損耗ΔPi，剩下部分即為回饋電網(wǎng)的功率PF；4、電網(wǎng)向整個系統(tǒng)提供的有功功率：5、電機(jī)軸上輸出功率：；電機(jī)軸上輸出功率Pex則要從機(jī)械功率Pm中減去機(jī)械損耗ΔPm后獲得。743、回饋電網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)差功率減去轉(zhuǎn)子損耗ΔP2和轉(zhuǎn)子整流器、晶6、串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率

由于大部分轉(zhuǎn)差功率被送回電網(wǎng)，使串級調(diào)速系統(tǒng)從電網(wǎng)輸入的總有功功率并不多，故串級調(diào)速系統(tǒng)的效率很高。效率可達(dá)90％以上。如果是轉(zhuǎn)子串電阻的形式，系統(tǒng)的效率會是多少呢？756、串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率由于大部分轉(zhuǎn)差功率被送回電二.串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)

普通異步電動機(jī)的功率因數(shù)在0.8—0.9之間,如果采用串級調(diào)速而不采取任何改善功率因數(shù)的措施,則串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)會很低,即使高速運(yùn)行也只有0.6左右。a.由于逆變變壓器和異步電動機(jī)均為電感性,工作時(shí)都要從電網(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(dá)式中的分母增大，因此系統(tǒng)總功率因數(shù)降低。串級調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)低的原因有主要有兩個：76二.串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)普通異步電動機(jī)的功率因數(shù)b.由于轉(zhuǎn)子整流器的接入造成了轉(zhuǎn)子電流的換流重疊和波形畸變，使得繞線電動機(jī)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。分析參考總功率因數(shù)表達(dá)式：77b.由于轉(zhuǎn)子整流器的接入造成了轉(zhuǎn)子電流的換流重疊和波形畸變，方法二：采用高功率因數(shù)的串級調(diào)速系統(tǒng)。改善功率因數(shù)的方法：方法一：接入電力電容器進(jìn)行功率補(bǔ)償。有兩種典型的電路結(jié)構(gòu)：斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)

GTO串級調(diào)速系統(tǒng)GTO價(jià)格較高，該方案適用于大容量繞線異步電動機(jī)的串級調(diào)速。通過控制GTO開通關(guān)斷時(shí)刻，使逆變電路產(chǎn)生超前于電網(wǎng)電壓的電流，從而使系統(tǒng)的逆變側(cè)呈現(xiàn)電容性，提高總功率因數(shù)占空比可調(diào)，逆變角固定于最小值78方法二：采用高功率因數(shù)的串級調(diào)速系統(tǒng)。改善功率因數(shù)的方法：方功率因數(shù)

定子相電壓與串級調(diào)速系統(tǒng)的總電流(定子相電流和逆變變壓器一次側(cè)相電流向量之和)之間的夾角為串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)角。

逆變角的變化將使逆變變壓器一次側(cè)的電流相位發(fā)生改變。逆變角增大，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)功率因數(shù)角減小，功率因數(shù)增大。一般情況下高速運(yùn)行時(shí)：λ=0.6～0.65

低速運(yùn)行時(shí)：λ=0.4～0.5均低于正常接線時(shí)的功率因數(shù)水平79功率因數(shù)定子相電壓與串級調(diào)速系統(tǒng)的總電流(定子相電串級調(diào)速形態(tài)中由于換流重疊角的存在以及強(qiáng)迫延遲角的出現(xiàn)，都將使整流器通過電動機(jī)向電網(wǎng)吸收換相無功功率，從而使得串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。電力電容器進(jìn)行相位補(bǔ)償是因?yàn)槟墚a(chǎn)生相位超前于相位電壓的電流信號80串級調(diào)速形態(tài)中由于換流重疊角的存在以及強(qiáng)迫電力電容器進(jìn)行相位缺點(diǎn)：電力電容器對電網(wǎng)諧波敏感，容易發(fā)熱，況且與電機(jī)電抗之間容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象，從而使電機(jī)端子電壓升高TICU2CU1sPe~M3~M3~M3~81缺點(diǎn)：電力電容器對電網(wǎng)諧波敏感，容易發(fā)熱，況且與電機(jī)電抗之間

第五節(jié)串級調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)

一.雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理二.雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖82第五節(jié)串級調(diào)速的82一.雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成

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，通常采用具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(tài)恒流的雙閉環(huán)控制方式。

由于串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動作用，所謂動態(tài)性能的改善只是指起動與加速過程性能的改善，減速過程只能靠負(fù)載作用自由降速。

與直流調(diào)速的區(qū)別：它的控制作用都是通過異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。

83一.雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成為了提高靜態(tài)調(diào)速精度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)脈沖輸出相位角為轉(zhuǎn)速反饋信號取自異步電動機(jī)軸上聯(lián)接的測速電機(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。84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)

逆變變壓器繞線異步電動機(jī)

電流互感器

轉(zhuǎn)子整流器

測速發(fā)電機(jī)

速度調(diào)節(jié)器

電流調(diào)節(jié)器

晶閘管觸發(fā)器

逆變器85逆變繞線異步電流轉(zhuǎn)子測速發(fā)速度電流晶閘管觸發(fā)器二.串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型可控整流裝置、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。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(dú)處理。轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)列出串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式86二.串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型可控整流裝置、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)s=1時(shí)轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓；逆變器直流側(cè)的空載電壓；轉(zhuǎn)子直流回路總電感；折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電機(jī)每相漏感；折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感平波電抗器電感；轉(zhuǎn)差率為s時(shí)轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻87s=1時(shí)轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓；逆變器直流側(cè)的空載電壓；轉(zhuǎn)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)轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖需要指出，串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)TLn和放大系數(shù)KLn都是轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，它們是非定常的。nn88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)轉(zhuǎn)子直流回路

異步電動機(jī)的傳遞函數(shù)異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式為異步電動機(jī)在串級調(diào)速時(shí)的傳遞函數(shù)為89異步電動機(jī)的傳遞函數(shù)異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖：90雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖：90調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)

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(shí)有良好的動態(tài)響應(yīng)能力。

采用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，采用典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。91調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正

第六節(jié)串級調(diào)速應(yīng)用中的幾個問題

一.電動機(jī)的選擇二.起動方式的選擇

三.串調(diào)裝置的選擇92第六節(jié)串級調(diào)速應(yīng)用中的92一.電動機(jī)的選擇串級調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)容量選擇：首先按自然接線計(jì)算所