37kW电机调速控制部分的电气设计.docx

串级调速是一个很经典的理论和方法。国外在上世纪四、五十年头，我国在上世纪七、八十年头，在高压电机调速中最先得到应用，并且有相当规模，在我国的自来水、建材、冶金行业均有相当应用。但因当时的变流技术及限制技术受电力半导体器件和限制技术状况限制，系统性能尚有些缺陷。同时，我国这期间始终处在安排经济和旧的国有企业的运行模式下，用高压大电机的国有大中型企业没有剧烈的节能降耗的动力和意识，所以人们便不够重视其技术发展，甚至在老一代串级调速技术人员逐步退休后，人们都不知道这一技术了。更糟的是，20世纪八、九十年头，随着我国经济改革恰好在小企业和民用产品企业中首先进行，企业在产品生产中对低压小电机的调速和动力需求越来越大，变频调速技术更是得到了空前的青睐，因而变频声名鹊起，一片变频之声，一时沉没了串级调速技术。近年来，加快建设节约型社会已经成为全社会关注的问题。2005年6月21日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，探讨建设节约型社会和发展循环经济问题。同年6月30日，温家宝在召开的全国做好建设节约型社会近期重点工作电视电话会议上强调，加快建设节约型社会，是缓解资源供需冲突的根本出路，是实行科学发展观、走新型工业化道路的必定要求，是保持经济平稳较快发展、全面建设小康社会的迫切须要，是保障经济平安和国家平安的重要举措。事实上，在能源日益惊慌的状况下，我国也自上世纪90年头中后期起先了关于串级调速系统的探讨。串级调速系统是一种节能调速系统，在高压大中型电动机节能调速应用领域以其限制电压低、变流功率小,系统简洁,运行牢靠,节电率高而呈现出光明的应用前景。该产品具有优良的调速性能和高节能率，适合于高压大中型电机调速节能应用。范围包括了3kV、6kV、IokV电压等级，22OkW5400kW电机容量，424极电机极数的高压电机。目前已广泛地应用于电力、水利、水处理、供水、城市供热、冶金矿产、港口机械、石油化工等工业领域中的风机、泵类及其他类负载的节能调速中。在目前变频调速技术市场影响很大的条件下，我们致力于串级调速方面的探讨，这其中自然有我们更深层次的考虑啦。首先一点是，我国异步电机节能调速市场巨大。随着国家节约型社会建设的要求，工业用高压大容量电机调速节能的需求突出出来。这又因为，高压大容量电机耗电占了电力生产量的最大一块。同时，国有企业改革，节能降耗已成为运用高压大电机的国有及其他大中型企业的迫切需求。因而，从事电机调速节能事业具有巨大的社会意义，对国家发展有着重大的主动意义。任何一个中国的企业,为社会供应高效节能产品，是它们对国家和社会的责任。同时，其巨大的市场潜力，又为当前中国企业发展供应了难得的机遇。其次点是，从技术经济层面上讲，串级调速技术与变频调速技术相比较，在不同应用领域各有其优劣。在低压中小容量电机调速应用上，变频技术已特别成熟，很适用，影响也很大，串级调速则不大适用，而在高压大容量电机调速应用领域，串级技术综合因素上比较优于变频技术。这是因为：变频技术从电机的定子侧限制电机供电频率和电压。作为变频这种用电力半导体器件做成的变流装置在高压大电机上应用需承受6kV10kV高电压，困难较大。另外，这种变频变流调速装置需变流高压大电机的全功率，这又是一大困难。因为变流器电压越高，功率越大，越难于做好。所以高电压和全功率变流的变频器就带来牢靠性保证问题、变流自身功耗大问题、变流产生的谐波功率过大问题、变流器限制困难困难问题、装置尺寸过大、运行条件苛刻、运行维护量大、维护难度大、造价及维护费用高等问题。而在高压大电机调速应用上，串级调速恰好避开了变频技术上述最大的困难。这是因为，串级调速是在转子回路串可控反电势的调速。串级调速的变流装置在异步机的转子回路工作。而高压大电机转子回路电压只有几百伏至二千伏左右，在考虑必要的调速下限状况下，调速中转子回路实际电压只有几百伏至一千伏，而不是6千伏，10千伏。所以，半导体器件承压没有问题。其次，转子回路变流的功率，只有转子的转差功率，转差功率的大小据负载性质的不同而不同，而对泵、风机这类大量的须要调速节能的负载而言，转差功率最大只有电机额定功率的14.815%。这就是说，串级调速变流的功率只有变频的14.815%。一个电压低得多，一个变流功率小得多，所以串级调速装置可以做的更牢靠更简洁，自身变流功耗小，也就是效率高，变流产生谐波功率小，尺寸小，运行条件宽松，造价相对低,运行维护简洁，费用低。这就是说，串级调速是通过对电机转子这一低压回路的串反电势限制，通过对转子回路小的转差功率的变流，实现对高压大容量电机的速度限制。同时，经变流的转子转差功率被通过内反馈或外反馈方式回收，从而实现高效节能调速。将串级与变频相比而言，理论和实践上均证明，串级调速是效率最高的调速方法。换句话说，在高压电机应用上，变频技术有点使硬劲，而串级调速在使巧劲。事实上，串级调速无论从技术角度讲，以及可以用现代技术实际实现的各种性能指标上讲，均不亚于变频调速。而在牢靠性、在节电效率、机械特性，装置造价、装置运行维护量和运行维护费用、运行条件、装置占场地面积、谐波影响等诸多方面均有其突出优势。基于以上理由，我们在高压大电机调速方面还是选择从事串级调速的工作。基于此，如今越来越多的科技工作者又重新将目光投向了串级调速方面的探讨。那么串级调速产品目前达到的技术状况是怎样的？首先讲调速范围，目前实现的为40%99.5%额定转速之间平滑、无级调速，调速上下限还可扩展。99.5%额定转速至全速之间平稳互切换。这就是说，可以由额定转速（全速）经几转的跳动，转为99.5%及其以下转速调速运行；调速的精度,也就是某转速下的稳定性，目前在速度开环限制状况下已达99.8%,表计视察到的转速波动为O.lO5转；调速装置功耗小于1%电机额定功率，也就是说调速装置效率大于99%；谐波很小，远小于国家标准要求；功率因数较传统方法有很大提高,且无功、有功电流均随转速下降而下降，不增加线路无功电流损耗；电机振动和电机温度随转速下降而下降；调速系统为硬机械特性，可以满意有较大扰动的负载（如电厂灰渣泵）的应用须要。对于串级调速系统而言，以下的因素使得牢靠性得以保证：一是它的变流装置（串级调速装置）承压低，变流功率小，从技术本征上简洁作的牢靠性高。二是有一套严谨、科学的系统设计方法和计算方法，用这一方法确定的器件选型、组装，都建立在牢靠的、精确的计算数据之上。三是用仿真技术验证设计。当前仿真技术已深化各个科研领域，可以用该技术验证不同的设计方案，以及已设计出的结果。四是用好器件，用足够裕度的器件，用经检测筛选的器件。五是把握生产过程的工艺质量，用质量管理体系限制质量。六是每台设备出厂前要带载试验，以确定系统实际带载工作正常。七是实际投运后的系统全面测试，将测试结果与设计计算结果和仿真计算结果作比较，并使之相吻合。其实，谛视很多串级调速产品的状况，最根本的是把系统搞清晰，搞明白。只要清晰明白了，理论技术设计计算上就保证了基本的牢靠性和性能。另外就是生产质量管理了，很多产品做不好，就是因为深化的理论技术分析探讨不到位。我们完全有理由信任，在不久的将来，串级调速装置在工业市场上必能大行其道，越来越获得用户的信任。第1章串级调速的基本原理、类型和特点三相异步电动机转速公式为：=607p(l-S)。从该式可知，变更供电频率3电动机的极对数P及转差率S均可太到变更转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是变更沟通电动机的同步转速或不变更同步转两种。在生产机械中广泛运用不变更同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。变更同步转速的有变更定子极对数的多速电动机，变更定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，假如调速范围不大，能量损耗是很小的。本课题选择了串级调速这种方法来实现电机的调速，由于能源紧缺所带来的危机，有关串级调速的探讨正在越来越广泛地受到关注，探讨串级调速有肯定的社会意义。1.1基本原理所谓串级调速，即在转子回路中引入与转子电动势同频率的附加电动势必，通过变更附加电动势邑的幅值大小及相位，从而变更转子电流大小而达到变更转矩的目的。其图如图1-1所示。QQQ图1-1绕线转子异步电动机串级调速原理图这种调速方法的特点是，在绕线转子异步电动机的转子绕组电路串入附加电动势，并使三个附加电动势的极性相反。在反极性附加电动势的作用下，转自电动势必定减小，以致带不动负载而使电动机的转速减慢。当电动机的转速降到肯定的值时，转子绕组的感应电动势加大，并补偿了附加电动势的减弱作用，从而使电动机的转子电流保持在带动负载所须要的值。此时，电动机已被调整受到低速运行了。很明显，转子电路串入的外部附加电动势变大，电动机的转速将越低。变更附加电动势的大小，同样可以调整绕线转子异步电动机的转速。在电动机转子电路中串入附加电动势的调速方法，能量消耗小。当电动机转速较小时，有电动机定子电流输入的电能，只有一小部分变为转子轴上的机械能,用来带动负载，而大部分能量被送到转子电路。这部分能量可以通过电动机转子电路端连接的逆变器，回馈到沟通电网中。这种在绕线转子异步电动机转子回路中串入附加电动势Ea的高效率调速方法，一般称作串级调速。下面简要定性分析转子附加电动势时的工作状况。异步电动机运行时其转子感应电动势为E1=E20(1-1)上式说明，转子感应电动势E2与转差率S成正比。当转子在正常接线时，转子电流的方程式为j2I2=Pq弓+(SX20)式中2一转子绕组每相电阻(C)；一转子静止时转子绕组每相漏电抗(。)。现在设想转子回路中引入一个可控的沟通附加电动势瓦1,并与转子感应电动势占串联，纥应与G有相同的频率，但可与当同相或反相。当纥与马的相位相反时，转子电流为(1-3)j_5七20_Ea-yjr2+(SX2q)2(1-4)从电机学可知，三线异步电动机的电磁转矩T为T=CmI2COSW2式中C7一与电动机结构参数有关的常数；中,“一电动机主磁通(皿)，当电动机恒定时，中常数；CoSQ一转自功率因数，当电动机在机械特性稳定工作区域工作时，因转差率S变更不大，COS02也基本上不变。故TocI2(1-5)由于心与七反相位，电动机可自额定值向下调速。因为串入了耳，马上引起A值的减小，电动机电磁转矩7亦相应减小，假定电动机拖动的负载转矩。不变，由于r<,稳定运行条件被破坏，电动机转速必定下降，转差率增大，使转子电流增大，电磁转矩T亦随之增大。直到电动机转速降到某值，右增大使电磁转矩T重新与负载转矩乙相等时，减速过程结束，电动机就在此转速下稳定运行。着就是电动机向低于同步速方向调速的原理。Ea的幅值越大，电动机的稳定转速就越低。串级调速还可以向高于电动机同步速方向调速，只要使Ea的相位相同即可。此时转子电流为2'77÷(¾)2串入了同相位的纥，马上使值增大，电动机转矩亦相应增大，电动机转矩值大于负载转矩值时，迫使电动机加速，转差率减小，2亦随之减小。当心值足够大时，电动机必定要加速超过同步速，使s<0,E2=<0,G反相，上式中的分子项变成E2一ISE20I,才能使A减小，复原到使电动机转矩重新与负载转矩相等时，加速过程结束，带年冬季处于高于同步速的某值下稳定运转。此时虽然>%,电动机仍在电动状态下运行。这就是异步电动机向高于同步速方向调速的超同步串级调速原理。式的幅值越大，电动机的稳定转速就越高。1.2 功率传递关系串级调速课实现五种基本运行状态，其实质使利用外串的附加电动势空来限制异步电动机的转差功率，从而实现调速。不同运行状态下的功率传递关系见图l-2o图1-2串级调速的基本运转状态与功率传递图第一种运行状态是低于同步转速的电动运行状态。如图1-2所示。这时七Ea且相位相反,转子绕组电动势E2向附加电动势邑输出转差功率Ps=记（Pl是定子输入功率，且认为R也近似等于转子电磁功率P,）。再借助Ea的转换装置（如逆变器）把汲取的能量记回馈给电网。其次种是高于同步转速的电动运行状态，如图12所示。这时附加电动势纥与转自电动势与相位相同。由于高于同步转速，这时的多与第一种运行状态中的当相差180°。这是电网通过E.装置向转子输入转差功率，即电网向电动机的转子和定子同时输入功率，实现超同步调速。第三种是高于同步转速的发电运行状态，如图1-2所示.这时转子又向区传递功率，E.装置再把汲取来的转差功率回馈给电网，与此同时，电动机在超同步转速下回馈制动，在其次象限内工作。第四种是低于同步转速的发电运行状态，如图1-2所示。这时电网通过E”装置向电动机转子输入转差功率，同时定子绕组又向电网回馈功率，电动机在低于同步转速下也能产生制动转矩，在其次象限内工作。第五种是倒拉反接制动运行状态，如图1-2所示。电动机反转，s>1,处在第四象限内工作。这时电网向定子内输入功率，而转子又向均输出功率，再通过纥装置把汲取的功率回馈如电网。由于这种运行状态，回馈的转差功率值很大，就要求纥装置的容量亦很大，故一般不宜用在这种运行状态中。1.3 基本类型串级调速系统有主要两种类型，现介绍如下。机械串级调速系统这种系统又称克莱墨系统（Kramer）,原理图见图1-3。图1-3机械串级调速系统原理图图中绕线转子异步电动机与始终流电动机同轴刚性相连，共同作为负载的拖动电动机。异步电动机的转差功率经整流器U/整流后输给直流电动机，直流电动机的转差功率转变为机械功率回馈到负载轴上，这样就相当于在负载上增加了一个拖动转矩，从而很好地利用了转差功率。只要变更直流电动机的励磁电流O就可以调整沟通电动机的转速。在稳定运行时，直流电动机的电动势"与转子整流电压力相平衡。如增大则心相应增大，是直流回路电流，降低，电动机减速，直到新的平衡状态，在较大转差率下稳态运行。如减小则可使电动机在较高的转速运行。对于机械串级调速系统，从功率传递的角度看，假如忽视相同中的各种损耗,异步电动机的转差功率可全部为直流电动机所接受，并以机械功率记形式从轴上输给负载，而异步电动机在轴上的输出机械功率为(1-5)6,负载得到的功率生应是这两者之和，如下式所示：/(I-S)E-机械负载外6T异步电动机MWsP1MW本身转子f直流电动机MDP1=(I-S)+s<=P=Const(1-7)所以这种机械串级调速系统，在负载上得到的功率恒为4,与电动机的转速无关，属于恒功率调速系统。适用于低速时要求重负载转矩的生产机械，但调速范围不大，通常在2以内。该系统须要增设一台直流电动机，其功率随调速范围的增大而相应增大，所以应用受到限制。晶闸管串级调速系统这种系统又称谢尔比乌斯(SCherbiUS)系统，原理图见1-4。图1-4晶闸管低同步串级调速系统原理图图中绕线转子异步电动机MW以转差率s运行，其转子电动势。经三相不行控整流器UR整流，输出直流电压工作在逆变状态的三相可控整流装置U/,除供应一可调的直流输出电压Uj作为调速所需的附加电动势外，还可将UR整流输出的电动机转差功率回馈到沟通电网中。S的极性及电流。的方向见图1-4.在整流的转子直流回路中，假如忽视转子绕组与逆变变压器漏抗，可以写出以下的电动势平衡方程式Ud=U,+/“R或KisE20=K2U2cos/+IdR（1-8）式中q一逆变器输出电压（V）；一逆变变压器的二次电压（V）；夕一晶闸管逆变器触发超前角；R一转自直流回路的电阻（Q）；小七一UR与U/的电压整流系数，假如它们都采纳三相桥式连接，则K1=K2=2.34o从式中可以看出，力反映电动机转差率的量；与转子沟通电流右间有固定的比例关系，它可以近似地反映电动机电磁转矩的大小。限制触发超前角夕可以调整逆变电压当电动机拖动恒转矩负载稳定运行时，近似地认为。为恒值。限制尸使它增大，则逆变电压6马上减小，但电动机转速因存在机械惯性而尚未变更，力仍维持原值，故电流增大，转子电流八亦相应地增大，电动机加速。在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流，减小，直到力与取得新的平衡，使电动机进入新的稳定状态，以较高的转速运行。同理，减小夕值可以使电动机在较低的转速下运行。图中的转子整流器是不行控的，转差率只能从转子输出，这种系统只能在同步转速以下调速，称为低同步串级调速系统，亦称为次同步串级调速系统。另外还有一种串级调速系统，它不但可以限制转差率的传递方向，还可以得到串级调速系统的不同工作状态以及电动机的不同运行状态，我们称作超同步传及调速系统。换句话说，凡是可以向电动机转子侧输入功率的串级调速系统，称之为超同步串级调速系统。应当指出的是：不是亦电动机是否工作在同步转速以上或以下来区分超同步与低同步串级调速，而是以转子功率的传递方始终区分。图1-5为超同步串级调速系统原理图。从图中可以看出，电动机转子侧的整流器URl必需是可控的，且工作在逆变状态；变压器侧的可控整流器Ua工作在整流状态。当转子可控整流器向电动机转子输出功率，且电动机定子从电网也汲取功率时，电动机处于定、转子双馈状态，故亦称为双馈调速。电动机在超同步转速下运行，但电动机仍是电动工作状态，由定转子汲取的电能转换成机械能从轴上输出。设U&的触发超前角为四，调整范围为30°90°；U%的触发延迟角为巴,调整范围为0°90°。志向空载时转子直流回路的电压平衡方程为-sE2qcos=U2COSa2可以得到s="cos%(1.9)七20COS因此，调整4或%都可以变更发动机的转速。当可控整流器UR?的触发延迟角见肯定时，增大Ug的触发超前角4,可使转差率的数值增大电动机转速上升。或者当可控整流器U&的触发超前角4肯定时，减小触发延迟角%可使电动机转速上升。着两种方法中，一般是限制4来调整电动机的转速，这是因为要兼顾到逆变变压器二次侧电压U72与电动机转子额定电压E?o的匹配，并且能够充分利用用的调整宽度以获得较宽的调速范围。另外，由于UR?是一个可控整流器，选用较小的可以提高串级调速装置的功率因数。图15所示串级调速系统，也可以运行在低同步状态，只要使U叫工作在整流状态即可。当电动机运行在某一转差率s（l>s>0）电动状态时，假如此时突然变更UN与U（的工况，时它们分别处于逆变与整流状态，且满意Uncosa2>s1E20cos1,（留意这两个电压的极性都已反向）。电动机就从转子侧送入功率，系统处于低于同步转速下的“超同步串级调速”工作。1.4 串级调速的特点1.4.1 串级调速的优点与不足串级调速的优点主要有：1.5 效率高它利用了转差功率，可以把转差功率变为机械功率回馈到电动机轴上；或是把转差功率回馈到沟通电网。属于高效调速系统。（2）可平滑无级调速当采纳双闭环调速时，具有与直流调压调速相当的高调速精度。（3）牢靠性高它比变频调速、无换向器电动机等近代沟通调速系统简洁、运行牢靠，而且万一逆变装置发生故障，可使转子回路转换到端接状态下而全速运行。这时串调装置退出，以便进行检修处理而不影响生产，这一优点对于矿井风机、核电站的循环泵之类的生产机械来说，时特别珍贵的。（4）节能效果显著据统计，采纳串级调速后一般能节点20%至30%,而且在1到2年内即可用节电电费回收调速装置的初投资。串级调速的不足之处是整个调速系统的功率因数过低，在高速时约为0.6左右。另外由于采纳晶闸管元件，由此引起的谐波重量对电源的影响不能不加以考虑，但只要装置在用电系统中所占的比重不大还是允许的。假如实行相应的措施（如通过变更晶闸管触发的方式，变更可控桥的接线和选用志向的补偿装置等）则更好。还有一点是调速范围有限，一般都须要特地的启动设备，限制了它的应用范围。由于上述的特点，串级调速适用于要求调速范围不大的中、大功率绕线转子异步电动机的调速，如对泵类机械（泵、风机、压缩机等）的调速，目前采纳此法调速的拖动系统的容量最大己达2000OkW左右（大于离心泵）。低同步串级调速系统和超同步串级调速系统性能比较（1）低同步串级调速系统变流装置容量大约与调速范围层正比。当调速范围在2以下时，沟通装置的容量不会超过电动机额定容量的一半，所以低同步串级调速系统较为合适的调速范围在21.5之间，这时的装置容量较小，比较经济。低同步串级调速系统的主要缺点是功率因数低，一般只能达到0.6左右，必需采纳适当的措施以提高其功率因数。（2）超同步串级调速系统和低同步串级调速系统相比，有如下几个优点：1）可以四象限运行，运行，也可以超同步转速运行；既可以工作在电动运行状态，也可以运行在制动运行状态。2）在变流装置容量相等的条件下超同步串级调速系统的调速范围要比低同步串级调速系统扩大一倍。3）超同步调速系统，在超同步状态下运行时，其效率及功率因数都比低同步运行时高。4）在相同的调速范围和额定负载功率下，超同步串级调速装置的容量比低同步串级调速装置的容量小一半。超同步串级调速系统的不足之处是，在主电路的结构和限制系统方面，都比同步串级调速系统要困难的多，在技术上不如低同步系统成熟。1.5串级调速的应用范围低同步串级调速系统的主要应用范围1）风机、泵类的变速驱动。2）调速范围不超过2的生产机械的变动驱动。3）在有爆炸性或腐蚀性环境中工作的生产机械的变速驱动。4）某些试验装置的变速驱动。5）转子串电阻调速。超同步串级调速系统应用范围1) 动态特性要求高而调速范围有限的场合。2) 大功率生产机械的变速驱动，并且要求效率高，功率因数高，而且对电网的无功冲击有所限制的场合。3) 调速的精度同电网频率波动无关的场合(电动机-发电机组)。4) 为了提高生产效率，要求将感应电动机的转速提高到同步转速以上的场合。5) 须要对电网电压的幅值、频率进行补偿的场合。第2章具有双闭环限制的串级调速系统2.1 用途对于调速精度和动态加速度要求较高的场合，可采纳闭环的双闭环串级调速系统。2.2 闭环调速系统的组成串级调速系统的组成如图2-1所示。图中转速反馈信号取自与异步电动机机械上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器沟通侧，也可以通过直流互感器取自转子直流回路。为防止逆变器逆变颠覆，在电流调整器1.T输出电压为零时，应整定脉冲输出相位角为=minO图中所示系统的工作与直流不行逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是，它的限制作用都是通过异步电动机转子回路来实现的。组成特点：采纳转子不控整流，简化主回路和限制回路；一般只能工作在次同步工作状态；电流调整器1.T输出为零时，应整定夕=6隔，以保证最低启动（即以U时启动)；为防止逆变失败，取&“n=30°；1.T输出增加，引起向90°方向变更，当夕=90°时，U°=a,相当于转子没有附加电动势，电动工作于固有特性；利用电流负反馈和逆变调整器(ST)的限幅作用，使得系统有较好的恒流加速特性。.2.3 串级调速系统的动态数学模型在图2-1所示的系统中，不行控整流装置、调整器以及反馈调整的动态结构图与直流测速系统中的一样。而电机的转子直流主回路部分，由于不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。转子直流回路的传递函数（八）主电路(b)等效电路图2-2电气串级调速系统主电路及其等效电路依据图2-2的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路的动态电压平衡方程式：SUdO-UiO="4+RJd(2-1)d式中U,o=2.34U28S/一逆变器输出的空载电压；k=1.+2Z0+2Z一转子直流回路总电感；1.。一折算到转子侧的电动机每相漏感；1.T一折算到二次侧的逆变变压器每相漏感；&一当转差率为S时转子直流回路等效漏感：R包但S+%+2Rd+2R+R1.(2-2)JlJl式(21)可以改为UdO-UdO-UiO=1.Z+&(2-3)将式(2-3)两边取拉氏变换，可得转子直流回路的传递函数：3=KiJ(2.4)o-)-)小+10式中心=1.m一转子直流回路的时间常数;KU=1R一转子直流回路放大系数。转子直流回路相应的结构图如图23所示。n图2-3转子直流回路结构图须要指出的时，串级调速系统中转子直流回路传递函数中的时间函数兀和放大系数K次都是转速的函数，它们时非定常的。异步电动机的传递函数依据串级调速系统的工作状况，异步电动机的电磁转矩为%=:亿。"o(2-5)式中(2-6)电力传动系统的运动方程式为“GD2dnMt.-M1=el375dtrz,/GD?dn375at(2-7)式中，0是负载转矩乙所对应的等效负载电流。由上式可得异步电动机在串级调速时的传递函数:心）j(5)-l(5)GD2(2-8)375CM式中KM=，是与GO2、CM有关的系数。应留意，由于系数Gw是电流GD2CM的函数，所以KM也不是常数而是的函数。系统的动态结构图在图2-2中，电流调整器与转速调整器一般都采纳Pl调整器。再考虑给定滤波环节等，就可干脆画出具有双闭环限制的串级调速系统动态结构图如24所示。图2-4串级调速系统动态结构图系统在突加给定时的启动动态过程与直流调速系统一样。起动初期，速度调整器处于饱和输出状态，系统相当于转速开环。随着启动过程的进行，电流调整器的输出增大，使逆变器的逆变角夕增大，逆变电压/减小，打破了启动起先瞬间逆变电压大于电动机转子不动时的整流电压UdO的条件，产生直流电流使电动机转速有电磁转矩而加速起动。在电动机转速未达到给定值之前，调速系统始终由电流环其电流跟踪作用以维持动态电流Id为恒定，并使加速过程中逆变电压与转子整流输出电压的变更速率相同。直到电动机的转速超调，速度调整器退出饱和，转速环才投入工作，以保证最终获得与给定转速相一样的实际转速。2.4 串级调速系统的性能串级调速系统的机械特性串级调速系统主回路原理图如图2-5所示。调速电动机图25串级调速系统主回路原理图图中电动机转子三相绕组和整流器连接的整流电路与一般的三相整流桥相像，可以用变流理论分析。但也有不同的地方：整流前的转子电视的频率与幅值是转差率的函数；所以折算到转子侧的换相漏抗XD=SX0。；由于转子异步电动机折算到转子侧的漏抗值很大，换流重叠角/加大，引起转子整流电路的特殊工作状态。有由变流技术可知：7是由于整流电源的漏感和整流电流引起的两相同时导通的现象，在串级调速时，整流电源是异步电动机转子，折算到转子的电机漏抗Xoo必一般整流变压器大得多，所以随整流电流乙的增大，7角比一般的整流器工作时大得多，甚至超过60°。而三相桥式整流每60°换流一次，当760°时，下一次换流将被推迟换流，推迟角度是。在稳定工作时，下次换流在以60°为环流周期中被推迟为起先，它的的换流角Y只好等于60。，这样它将使再下一次换流也被推迟%角。这种7角被强迫限制在60°的现象，称强迫延迟换流角。如Id接着增大，的也随之增大，当%达到%=30°后，将不再增加，而7>60°,这时共阳极和共阴极组将发生重叠换流现象，造成负载短接事故，不是正常工作范围。因此，串级调速可分为三种工作状态。第一工作状态，OVZ<60°其次工作状态，=60°,OVaP<30°；第三工作状态，%=3()0,>6Ooo正常工作在第一、二工作状态。由于有两个正常工作状态，所以串级调速是的机械特性应分别分析。第一工作状态的机械特性：电磁转矩Me=&=2(2-9)lso)、从直流侧计算：P,=UdId=(SEdoId)Id(2-10)11式中，Edo为S=I时的转子空载整流电势。故，区(“更(N-m)(2-11)sx11由图2-5可知Ud=%,即3X3X2.34"-IdG+2RD)=2.34E,CoSP+(一旦+2R+R,)(2-12)1111式中当8逆变变压器副边相电势；Xb'%折算到副边的逆变变压器相电抗和相电阻；R1.一滤波电抗器1.d的内阻；夕一逆变器的逆变角。将式(2-12)代入(2-11),得M.=2.¾(sE2d-E2bcosyS)3X)qS3Xl+2Rd+2坛+凡1111234(sE20-E2bcos)3XdqS3Xl.+2Rd+2Rb+Rl3Y一+2%+2%+&)(2-13)3XW*"4。)四+以+2%+2&+七)21111SIO=空CoS夕(2-14)E2D式中，SH)为串级调速系统在某夕值时的志向空载转差率。将式(2-10)对S求导，并令dMJds=0,可求出第一个工作状态M表达式的最大转矩Mlm和对应的临界转差率Shno(2-15).3XB÷2R>+2RB÷R,2s,n÷-ZT71.将(2-12)代入式(20),得第一工作区的MhM:钟号(N.m)OTZZW1Ado并可由式(2-10)、(2-12)、(2-13)得(2-17)Me二4Mr-AISS+2(2-18)(2-19)式中ASlm=Shn-SK)s,=s-s10这就是第一工作区的串级调速调速机械特性方程。应当说明的是：由式(2-11)可知串级调速时，同步转速由电网频率/%确定，是不变的,但通过变更可以变更志向空载转速。可以得到类似变更同步转速的调速特性；M丽由于当增大后将转入其次工作状态，所以事实上不存在。其次工作状态的机械特性：此时，由于即出现，它与有如下关系：Id=*2"CoSaP-COSQp+g)=啰2。sin(%+£)(2-20)将式(2-17)代入(2-8),得其次工作区的转矩表达式：112X°osin(+£)6×2Xsin(+否694n).Xn1./乃、sm(%+g)(2-21)当式(218)简洁看出，当强迫延迟换流角=15°时，可得其次工作区的最大转矩：Azf93,汽93N、M7ltl=-sin=-(Nm)4zz7iXd24;ZSX力1ijOIJA)(2-22)M2m是串级调速电动机实际能产生的最大转矩值。当进入其次工作区状态后，在考虑到时的力为3XfsUd=2.34sE2dcosa-/.(-+2Rd)考虑式(220)后的Ud=U6,可求得3X2.34EsCoSQ+Id(殳÷2Rli+2Rd+R1.)C=®_3Xfih2.34邑OCOSa/,XId11将?=150代入式(2-21),得其次工作区的临界转差率为3VJ+2%+2%+此S2m=2520+3迎(2-24)(2-25)式中,y20E2fiCQSp七2"CoSaP(2-26)11由式(2-8)、式(2-13)和式(2-21),可得其次工作区的机械特性表达式:M4cos2apJ=B(2-27)%m2+2+2加2式中s2m=S2m-S20(2-28)s2=S-S20(2-29)以(=0代入式(217)、式(220),并按Me=Pjs外,可求得第一、二工作区交界点的直流侧电流Id1_2和电动机转矩V,一：(2-30)1.2=-(03X¾Re”冗4X%)4Xd二27斤。8叫XA(N.m)(2-31)比较式(2-13)与式(2-28)：z,2DMe二8孙X%117S(2-32)27E；D6叫XA-V.7J按式(214)和式(2-24)即可绘制串级调速系统在转速开环时的机械特性曲线，如图1-11所示。为便于比较，图中绘出正常接线时的固有机械特性。其最大转矩M,“，由下式求得:2阳+12+(X1+,2)2(N.m)(2-33)对于大容量电机RX+X2,若忽视与，上式可简化为MX3U；_二3(KDEQ2=里上m2l(Xl+X2)2叼(X+X2)2qXA式中R1一定子相电阻；XnX2一定子相漏抗、折算到定自侧的的转子相漏抗；q一定子相电压；XDO-S=I时折算到转子侧的相漏抗，XDO=(Xi+X2)IK)=X；+X2。串级调速，在额定负载时，均在第一工作区内。将式(2-28)、式(2-19)分别与式(2-30)比较,得27/8叫XM)3£22iX0o=0.716(2-35)9Mzm4叫XDQMJ3或2lXD(t=0.826(2-36)由此可见，采纳串级调速后的最大转矩只有固有特性的0.826倍，在须要过载倍数大的场合予以留意。2.5串级调速系统的能量指标在转子回路串电阻调速时绕线式异步电动机的志向空载转速就是同步转速，且恒定不变。在串级调速系统中由于电动机旋转的磁场转速不变，所以其同步转速也不变。但是，它的志向空载转速确是可以调整的。从串级调速系统原理图中我们得出系统在志向空载运行时的转子直流回路电动式平衡方程（此时。=O）S0七20=U2Cos5=U2Cos（2-37）E?o式中“一志向空载转差率。从该式中可知，变更逆变角尸时，SO也相应变更，逆变角S也越大，“越小,即电动机的志向转速越高。一般逆变角的调速范围为30。90。，其下限30。是为了防止逆变颠倒的最小逆变角Qmin，也可依据系统的电气参数计算设定。4角的调整范围对应了电动机的调上、下限。在不同的夕角下，与转子沟通电流A间有着固定比例关系，即可以反映电动机电磁转矩的大小，所以异步电动机串级调速时的T-S曲线时近似平行的，类似与直流电动机调压调速时的机械特性。在整流调速系统中，异步电动机转子绕组虽然不接电阻，但是，由于转自回路中接入了两套整流装置以及平波电抗器、逆变变压器等（这些部件统称为串级调速装置），在计及线路电阻后，事实上相当于在转子回路中接入了肯定数值的等效电阻电抗。它们的影响在任何转速下都是存在的，即使电动机在最高转速运行时也是如此（最高转速在P=90°,S交0时的转速）。由于转子回路电阻的影响使异步电动机在