1、第第4章章 交流调压调速系统和串级调速系统交流调压调速系统和串级调速系统 第一节第一节 概概 述述 第二节第二节 交流异步电动机调压调速系统交流异步电动机调压调速系统 第三节第三节 绕线式异步电动机串级调速系统绕线式异步电动机串级调速系统 一、交流调速系统的特点一、交流调速系统的特点（1）容量大。）容量大。（2）转速高且耐高压。）转速高且耐高压。（3）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。（4）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流）高性能、高精度的
2、新型交流拖动系统已达到同直流 拖动系统一样的性能指标。拖动系统一样的性能指标。（6）交流调速系统能显著地节能。）交流调速系统能显著地节能。从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。二、交流调速系统的分类二、交流调速系统的分类 从交流电机转速表达式：从交流电机转速表达式：spfn1601可归纳出三类调速方法：可归纳出三类调速方法：变极对数变极对数p的调速、变转差率的调速、变转差率s调速及变电源频率调速及变电源频率f1调速。调速。原始的分类方法有原始的分类方法有：1）变极调速；）变极调速；2）变）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电
3、阻调速、调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；3）变频调速。）变频调速。科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：（1）转差功率消耗型）转差功率消耗型调速系统调速系统：转差功率全部转化成热能转差功率全部转化成热能而被消耗掉。而被消耗掉。特点特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系
4、统属于此类。（2）转差功率回馈型）转差功率回馈型调速系统调速系统转差功率的少部分被消转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。以利用。特点特点：效率高。串级调速属该类系统。：效率高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型）转差功率不变型调速系统调速系统调速过程中，转差功率调速过程中，转差功率基本不变。基本不变。特点特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。第二节第二节 交流异步电动机调压调速系统交流异步电动机调压调速系统 一、交流异步电动机调压调速原理和
5、方法一、交流异步电动机调压调速原理和方法 1、调压调速原理、调压调速原理 异步电动机的机械特性方程式异步电动机的机械特性方程式)()/(/3221212211221lleLLsRRsRpUT 当当s一定时，一定时，改变，改变U1得到一组不同的人为特性如得到一组不同的人为特性如图图4-1所示。在带恒转矩负载所示。在带恒转矩负载TL时，可得到不同的稳定转时，可得到不同的稳定转速，如图中的速，如图中的A、B、C点。点。21UTe图图4-1 异步电动机在不同电压下的机械特性异步电动机在不同电压下的机械特性 2、调压调速方法、调压调速方法 获取交流调压电源的方法：获取交流调压电源的方法：（1）调压器调压
6、调压器调压 如图如图4-2（a）所示。）所示。M3M3M3TULSVVC+-(a)(b)(c)图5-2 异步电动机调压调速原理图图4-2 异步电动机调压调速原理异步电动机调压调速原理（2）饱和电抗器调压）饱和电抗器调压 如图如图4-2（b）所示，饱和电抗器）所示，饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组是带有直流励磁绕组的交流电抗器。的交流电抗器。nuXLILsL1（3）晶闸管交流调压器调压）晶闸管交流调压器调压 如图如图4-2（c）所示。单相调压电路如图）所示。单相调压电路如图4-3所示，其控所示，其控制方法有两种：制方法有两种：1）相位控制方式）相位控制方式 通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电
7、压。电压通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图输出波形如图4-4所示。所示。特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。RU1U1VT2VT图5-3 晶闸管单相调压电路U02t图 5-4 晶 闸 管 相 位 控 制 下的 负 载 电 压 波 形 图图4-4 晶闸管相位控制下的负载电压波形晶闸管相位控制下的负载电压波形 图图4-3 晶闸管单相调压电路晶闸管单相调压电路 2）开关控制方式）开关控制方式 把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电
8、压的大小靠改变通断时然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比间比t0/tp来调节。输出电压波形如图来调节。输出电压波形如图4-5所示。所示。U00t通pt断t图 5-5 晶 闸 管 开 关 控 制 下 的 负 载 电 压 波 形图图4-5 晶闸管开关控制下的负载电压波形晶闸管开关控制下的负载电压波形特点：采用特点：采用“过零过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。触发，谐波污染小；转速脉动较大。二、交流调压电路二、交流调压电路 晶闸管三相交流调压电路如图晶闸管三相交流调压电路如图4-6所示。这种电路接法的所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。特点是
9、负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。图图4-6三相全波星形联结的调压电路三相全波星形联结的调压电路 电路正常工作的条件：电路正常工作的条件：（1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。的反向晶闸管同时导通。（2）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。）要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路。（3）要求）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差相位互差120，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差也互差120；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸
10、管；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差的触发脉冲相位应互差 180。根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为的次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60。三、闭环控制的调压调速系统三、闭环控制的调压调速系统 （一）异步电动机调压调速时的机械特性（一）异步电动机调压调速时的机械特性 1、普通异步电动机调压调速时存在的问题、普通异步电动机调压调速时存在的问题 1）普通异步电动机调压时调速范围不大（恒转矩负）普通异步电动机调压时
11、调速范围不大（恒转矩负载），如图载），如图4-1中中A、B、C点；点；2）在）在ssm的低速段，调速范围虽大，但系统运行不稳的低速段，调速范围虽大，但系统运行不稳定，且低速时，转差功率增大，转子阻抗减小，转定，且低速时，转差功率增大，转子阻抗减小，转子电流增大。子电流增大。2、解决问题的措施、解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图如图4-7所示。所示。eTS0n0n1 NU1 N7.0U1 N5.0U10LT图 5-7 高 转 子 电 阻 异 步 电 动 机在 不 同 电 压 下 的 机 械 特 性ABC图图4-7 高转
12、子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。（二）闭环控制的调压调速系统（二）闭环控制的调压调速系统 转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速 静差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。静差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。ASRM3TGnVVCGT-nUnUctU(a)（a）原理图）原理图 eTnn1U10LTn2Un3UAAA 1NU时的机械特性min1U时的机械特性(b)（b）静特性
13、）静特性 图图4-8 转速闭环调压调速系统转速闭环调压调速系统（三）调压调速系统闭环静态结构图（三）调压调速系统闭环静态结构图调 节 器晶 闸 管调 压 装 置异 步电 动 机转 速 反 馈 装 置给 定nUnU+-ctU1Un图 5-9 调 压 调 速 系 统 静 态 结 构 框 图 图图4-94-9调压调速系统静态结构框图调压调速系统静态结构框图 它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电晶闸管
14、交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电动机即可。动机即可。（四）调压调速系统的可逆运行及制动（四）调压调速系统的可逆运行及制动M312345678910图5-11 电动机的正反转及制动电路图图4-10 电动机的正、反转及制动电路电动机的正、反转及制动电路（四）调压调速系统的可逆运行及制动（四）调压调速系统的可逆运行及制动 1、可逆运行、可逆运行 方法：改变定子供电电压的相序，如图方法：改变定子供电电压的相序，如图4-10所示。图所示。图中晶闸管中晶闸管16供给电动机定子正相序电源；而晶闸管供给电动机定子正相序电源；而晶闸管710及及1、4供给定子反相序电源。供给定子反相序电源。2、反接制动
15、与能耗制动、反接制动与能耗制动 反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元个元件。件。耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。例：使例：使1、2、6三个元件导通，其它元件都不工作，这样三个元件导通，其它元件都不工作，这样就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。所以调压调速系统具有良好的制动特性。所以调压调速系统具有良好的制动特性。（五）调压调速系统中的能耗与效率分析（五）调压调速系统中的能耗与效率分析 1、转差功率、转差功率Ps 传到转子上的电
16、磁功率传到转子上的电磁功率P2与转子轴上输出的机械功率与转子轴上输出的机械功率PM之差之差Ps为为2002111 955095509550sMeeePPPT nT nTnnsP Ps称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步称为转差功率，它被转子发热而消耗掉。下图为异步电动机的能量流程图。电动机的能量流程图。2、电动机的效率、电动机的效率 若忽略其它损耗，则电动机的效率为若忽略其它损耗，则电动机的效率为snnPPPPM10210讨论：讨论：1)恒转矩负载时：有恒转矩负载时：有Te=TL不变；因不变；因f1不变，故不变，故n0不变，不变，电磁功率电磁功率P2也不变。随着转速的降低，转差功率也
17、不变。随着转速的降低，转差功率sP2增增大，效率降低。大，效率降低。2)风机泵类负载时：有风机泵类负载时：有Te=TL=Kn2，Te、P2随转速以平随转速以平方速率下降，尽管低速时，方速率下降，尽管低速时，s增大，但总的转差功率增大，但总的转差功率Ps=sP2下降，损耗变小。下降，损耗变小。故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。故调压调速系统适合于风机、水泵等设备的调速节能。四、电磁转差离合器调速系统四、电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。差离合器以及控制装置组合而成。（一
18、）电磁转差离合器的基本结构与工作原理（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理 1、电磁转差离合器的组成、电磁转差离合器的组成 它由电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。它由电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。1)直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电供电，直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电供电，产生固定磁场；产生固定磁场；2)机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；3)电枢：圆筒形实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套电枢：圆筒形实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套在异步电动机在异步电动机5的轴上，作为主动转子，转速与异步电动
19、机的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生涡流；相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生涡流；4)磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴6上上而输出转矩，在机械上与电枢而输出转矩，在机械上与电枢3无连接，借助气隙分开；无连接，借助气隙分开；5)异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；6)从动轴：输出机械转矩；从动轴：输出机械转矩；7)是磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分是磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分。2、电磁转差离合器的转动原理、电磁转差离合器的
20、转动原理1）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座气隙气隙电枢电枢气隙气隙磁极磁极导磁体导磁体机座；机座；2）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；3）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；4）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反
21、应磁场，与主磁通合成并产生转矩；与主磁通合成并产生转矩；5）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就带着生产机械一同旋转。带着生产机械一同旋转。3、电磁转差离合器的转速和转向、电磁转差离合器的转速和转向1）从动轴的转速）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小；取决于励磁电流的大小；2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。）从动轴的转向则取决于原动机的转向。电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。递功率的装置。41LeITKnn（二）电磁转差离合器的机械特性及调速系统（二）电磁转差离
22、合器的机械特性及调速系统1、电磁转差离合器的机械特性、电磁转差离合器的机械特性式中式中 n1原动机转速；原动机转速；Te电磁转差离合器轴上输出转矩；电磁转差离合器轴上输出转矩；IL电磁转差离合器的励磁电流；电磁转差离合器的励磁电流；K与电磁转差离合器结构有关的常数。与电磁转差离合器结构有关的常数。经验公式表达：经验公式表达：2、电磁转差离合器闭环调速系统、电磁转差离合器闭环调速系统电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得速负反馈控制，从而可获得10:1的调速范围。闭环系统的的调速范围。闭环系统的组成与相应的静特性如
23、下图所示。组成与相应的静特性如下图所示。第三节第三节 绕线式异步电动机串级调速系统绕线式异步电动机串级调速系统 一、串级调速原理一、串级调速原理（一）串电阻调速的原理（一）串电阻调速的原理 绕线式异步机在转子回路中串接电阻的调速原理：绕线式异步机在转子回路中串接电阻的调速原理：22022202)(sXRRsEIf。已经降低，实现了调速达到新的平衡，但速度使dLeedLeefTTTIsndtdnTTTIR2200)(从串电阻调速的原理中可获得串级调速的启发。从串电阻调速的原理中可获得串级调速的启发。22022202sXREsEIf。已经降低，实现了调速达到新的平衡，但速度使dLeedLeefTT
24、TIsndtdnTTTIE2200)(（二）串级调速原理（二）串级调速原理 在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。过改变附加电势的幅值和相位实现调速。当转子串入的附加电势当转子串入的附加电势Ef相位与转子电势相位与转子电势sE20的相位相差的相位相差180时，电机在额定转速以下调速，称为次同步调速。时，电机在额定转速以下调速，称为次同步调速。当附加电势当附加电势Ef相位与转子感应电势相位与转子感应电势sE20的相位相同时，串的相位相同时，串级调速可向高于同步转速的方向调速。级调速可向高于同步转速的方向调速
25、。（三）串级调速系统的基本类型（三）串级调速系统的基本类型 工程上获取与转子感应电势工程上获取与转子感应电势sE20反相位同频率且频率随反相位同频率且频率随转子频率变化的交流变频电源转子频率变化的交流变频电源Ef比较困难，所以在次同步比较困难，所以在次同步串级调速系统中采用整流器将转子电势串级调速系统中采用整流器将转子电势sE20整流为直流电整流为直流电势，再与转子回路中串入的直流附加电动势势，再与转子回路中串入的直流附加电动势E进行比较。进行比较。而可调直流附加电动势而可调直流附加电动势E在工程上比较容易实现。在工程上比较容易实现。按产生直流附加电势方式的不同，次同步串级调速系统按产生直流附
26、加电势方式的不同，次同步串级调速系统可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。1.电气串级调速系统电气串级调速系统 系统中，直流附加电势系统中，直流附加电势E由逆变器由逆变器UI产生，改变逆变角就产生，改变逆变角就改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势E，可实，可实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：率为：，角速度，角速度 ，则电机输出转矩为：，则电机输出转矩为：2(1)MPs P0)1(s常数0202)1()1(PsPsPTMe，恒转矩
27、调速特性。，恒转矩调速特性。2、机械串级调速系统、机械串级调速系统 机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势E由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势电枢电势，相当于改变直流附加电势E的值，实现串级调的值，实现串级调速。速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：（1-s）P2+sP2=P2=常数。具有恒功率调速特性。常数。具有恒功率调速特性。二、电气串级调速系统中电动机转子的工作状态二、电气串级调速系统中电
28、动机转子的工作状态转子整流器与一般整流器的不同点：转子整流器与一般整流器的不同点：1）转子三相感应电势的幅值和频率都是转差率）转子三相感应电势的幅值和频率都是转差率s的函数。的函数。2）折算到转子侧的漏抗值也是转差率）折算到转子侧的漏抗值也是转差率s的函数。的函数。3）电机折算到转子侧的漏抗值较大，换流重叠现象严重，）电机折算到转子侧的漏抗值较大，换流重叠现象严重，转子整流器会出现转子整流器会出现“强迫延迟换流强迫延迟换流”现象，引起转子整现象，引起转子整流电路的特殊工作状态流电路的特殊工作状态。（1）第一工作状态：转子整流器的换流重叠角）第一工作状态：转子整流器的换流重叠角0 60二极管元件
29、在自然换流点换流。二极管元件在自然换流点换流。（2）第二工作状态：换流重叠角保持）第二工作状态：换流重叠角保持 =60不变，强迫不变，强迫延迟换流角在延迟换流角在0 30间变化。间变化。强迫延迟换流角强迫延迟换流角 ：二极管元件的起始换流点从自然：二极管元件的起始换流点从自然换流点向后延迟一段时间，这段时间所对应的换流点向后延迟一段时间，这段时间所对应的 角。角。ppp（3）第三工作状态：）第三工作状态：=30不变，随不变，随Id增大增大 从从60继继续增大。第三工作状态属于故障工作状态。续增大。第三工作状态属于故障工作状态。p第 一 工 作 状 态第 二 工作 状 态第 三 工 作 状 态0
30、0060090dI2-d1Ip,030)(dIf)(dpIf图 5-19 转 子 整 流 电 路 的)(dIf)(dpIf，图图4-19 转子整流电路的转子整流电路的 =f(Id)、=f(Id)p三、串级调速系统的调速特性和机械特性三、串级调速系统的调速特性和机械特性（一）串级调速系统的调速特性（一）串级调速系统的调速特性 (a)11,RXL,RL220,RX20sET1T1,RXT2UdIT2T2,RX(b)+-0dsU+-D2RD03sXdILLRT3XT2Ri0U图 5-20 电 气 串 级 调 速 系 统 主 回 路 接 线 图 和 直 流 等 效 电 路图图4-19 电气串调系统主回
31、电气串调系统主回路接线图和直流等效电路路接线图和直流等效电路 由直流等效电路列出的由直流等效电路列出的第一工作状态下第一工作状态下的电压方程式的电压方程式)2233(cos34.234.2022000LTDTDdTidRRRXsXIUsEUsU将将 代入上式得转速代入上式得转速n n为为01nns1/00200220334.2)2233()cos(34.2eddDLTDTDdTCRIUnIXERRRXXIUEn 改变改变，相当于他励直流电机调压调速。特性为，相当于他励直流电机调压调速。特性为n=f（Id），但由于），但由于R比直流电机电枢回路总电阻大，故比直流电机电枢回路总电阻大，故n=f（I
32、d）相对要软一些。）相对要软一些。而在第二工作状态时：特性更软而在第二工作状态时：特性更软。（二）串级调速系统的机械特性与最大转矩（二）串级调速系统的机械特性与最大转矩 因转子整流器有第一和第二工作状态，所以串调系统机因转子整流器有第一和第二工作状态，所以串调系统机械特性也有第一和第二两个工作区。械特性也有第一和第二两个工作区。串调系统的额定工作点位于机械特性第一工作区；串调串调系统的额定工作点位于机械特性第一工作区；串调系统在该区的过载能力比绕线式异步电机固有特性的过载系统在该区的过载能力比绕线式异步电机固有特性的过载能力降低了能力降低了17左右。而最大转矩发生在第二工作区。左右。而最大转矩
33、发生在第二工作区。0n自然接线时的机械特性曲线019002900.716 0.8261max ee/TT第二工作区第一工作区图5-21 晶闸管串级调速系统机械特性曲线 串调系统的机械串调系统的机械特性比绕线异步电特性比绕线异步电动机固有机械特性动机固有机械特性软，最大转矩比固软，最大转矩比固有机械特性的小。有机械特性的小。四、双闭环控制的串级调速系统四、双闭环控制的串级调速系统1.1.双闭环串调系统的组成双闭环串调系统的组成ASRACRGTM3TGnUnUiUiUTIUITAdLUR+-图5-22 双闭环串级调速系统的组成框图 图图4-22 双闭环串级双闭环串级调速系统的组成框图调速系统的组成
34、框图 2.串级调速系统的调速原理串级调速系统的调速原理*2nictdeUUUEIITn 整定触发脉冲，使逆变角为最小值整定触发脉冲，使逆变角为最小值min。通常。通常min限制为限制为30，以防止逆变失败。当，以防止逆变失败。当ACR的输出电压为上限幅值时，的输出电压为上限幅值时，应整定逆变角为最大值应整定逆变角为最大值max=90。利用利用ASR的输出饱和的输出饱和限幅值和限幅值和ACR的电流负反馈调节作用，使双闭环串调系统的电流负反馈调节作用，使双闭环串调系统在加速过程中实现恒流升速，获得良好的加速特性。在加速过程中实现恒流升速，获得良好的加速特性。（二）闭环串调系统动态结构图（二）闭环串
35、调系统动态结构图 双闭环串调系统的设计方法与双闭环直流调速系统基本双闭环串调系统的设计方法与双闭环直流调速系统基本相同，通常也采用工程设计方法。即先设计电流环，然后相同，通常也采用工程设计方法。即先设计电流环，然后把设计好的电流环看作是速度环中的一个等效环节，再进把设计好的电流环看作是速度环中的一个等效环节，再进行转速环的设计。应用工程设计方法进行动态设计时，电行转速环的设计。应用工程设计方法进行动态设计时，电流环宜按典流环宜按典系统设计，转速环宜按典系统设计，转速环宜按典系统设计。系统设计。sTon11)(ASRsWsToi11)(ACRsWsTKss1sTKLnLn1sT11sToi10d
36、0nEsTon1速度给定+-+-速度给定滤波器nUnU速度调节器电流给定滤波器电流负反馈转速反馈滤波器转速负反馈iU电流调节器晶闸管逆变器串调直流主回路Ed0E电流反馈滤波器电动机dILI转差电压扰动n图5-23 双闭环串级调速系统的动态结构图图图4-23 双闭环串级调速系统的动态结构图双闭环串级调速系统的动态结构图 五、串级调速系统的效率和功率因数五、串级调速系统的效率和功率因数（一）串调系统的总效率（一）串调系统的总效率是指串调系统电机轴上的输出功率与从电网输入的总有功是指串调系统电机轴上的输出功率与从电网输入的总有功功率之比。下图是反映串调系统各部分有功和无功功率间功率之比。下图是反映串
37、调系统各部分有功和无功功率间关系的单线图。关系的单线图。M3WPWQ1P1Q0PsPTPTQdL负载TI图5-24 串级调速系统功率关系单线原理图C u1PC u2PFePMPMP0P1P2P图 5-12 异 步 电 动 机 的 能 量 流 程 图1、定子输入功率、定子输入功率TWPPP1定子输入功率定子输入功率P1由电网向整个串调系统提供的有功功率由电网向整个串调系统提供的有功功率PW及晶闸管逆变器返回到电网的回馈功率及晶闸管逆变器返回到电网的回馈功率PT构成；构成；2、旋转磁场传送的电磁功率、旋转磁场传送的电磁功率MsPPPPP112定子输入功率定子输入功率P1减去定子损耗减去定子损耗P1
38、（包括定子的铜耗和（包括定子的铜耗和铁耗）得到电磁功率铁耗）得到电磁功率P2；P2中的一部分转变为转差功率中的一部分转变为转差功率Ps，另一部分转变成机械功率另一部分转变成机械功率PM；sTPPsPP223、回馈电网的功率、回馈电网的功率转差功率减去转子损耗转差功率减去转子损耗P2和转子整流器、晶闸管逆变和转子整流器、晶闸管逆变器的损耗器的损耗Ps，剩下部分即为回馈电网的功率，剩下部分即为回馈电网的功率PT；4、电网向整个系统提供的有功功率：、电网向整个系统提供的有功功率：sTTWPPPPsPPPPPP212121)1()(5、电机轴上输出功率：、电机轴上输出功率：mmMPPsPPP20)1(
39、；电机轴上输出功率电机轴上输出功率P0则要从机械功率则要从机械功率PM中减去机械损耗中减去机械损耗Pm后获得。后获得。%100)1()1(21220smwPPPPsPPsPP6、串级调速系统的总效率、串级调速系统的总效率 由于大部分转差功率被送回电网，使串级调速系统从由于大部分转差功率被送回电网，使串级调速系统从电网输入的总有功功率并不多，故串级调速系统的效率电网输入的总有功功率并不多，故串级调速系统的效率很高。效率可达很高。效率可达9090以上。以上。(二二)串级调速系统的总功率因数串级调速系统的总功率因数 晶闸管串调系统功率因数低。晶闸管串调系统功率因数低。主要原因：主要原因：1、逆变变压
40、器和异步电机都要从电网吸收无功，故串调系、逆变变压器和异步电机都要从电网吸收无功，故串调系统比固有特性下异步电机从电网吸收的无功增多，而串调系统比固有特性下异步电机从电网吸收的无功增多，而串调系统把转差功率的大部分又回馈给电网，使系统从电网吸收的统把转差功率的大部分又回馈给电网，使系统从电网吸收的有功减少，这是造成串调系统功率因数低的主要原因。例：有功减少，这是造成串调系统功率因数低的主要原因。例：1)串调系统从电网吸收的有功功率串调系统从电网吸收的有功功率Pw等于异步电机从电网等于异步电机从电网吸收的有功吸收的有功P1与通过逆变器回馈到电网的有功功率与通过逆变器回馈到电网的有功功率-PT的代
41、数的代数和，即和，即PW=P1-PT，有功功率减少；，有功功率减少；2)串调系统从电网吸收的无功串调系统从电网吸收的无功Qw等于异步电机吸收的无功等于异步电机吸收的无功Q1与逆变变压器吸收的无功与逆变变压器吸收的无功QT之和，即之和，即Qw=Q1+QT，无功功，无功功率增加。率增加。串调系统的总功率因数降低为串调系统的总功率因数降低为 21211)()(cosTTTWsQQPPPPSP式中式中 PW串调系统从电网吸收的总有功功率；串调系统从电网吸收的总有功功率；S串调系统的总视在功率。串调系统的总视在功率。2、由于串调系统接入转子整流器，不仅出现换流重叠现、由于串调系统接入转子整流器，不仅出现换流重叠现象，还使转子电流发生畸变，这将使异步电机本身的功率象，还使转子电流发生畸变，这将使异步电机本身的功率因数降低，这是造成串调系统功率因数低的另一个原因。因数降低，这是造成串调系统功率因数低的另一个原因。为改善串调系统的功率因数，提出多种解决方法，可归为为改善串调系统的功率因数，提出多种解决方法，可归为两大类：一类是利用电力电容器补偿；另一类是采用高功两大类：一类是利用电力电容器补偿；另一类是采用高功率因数的串级调速系统。率因数的串级调速系统。
