繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)第1頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日“雙饋”的一個(gè)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)差功率可以回饋到電網(wǎng)，也可以由電網(wǎng)饋入。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，則要視電動(dòng)機(jī)的工況而定。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速方法早在20世紀(jì)30年代就已被提出，到了60~70年代，當(dāng)可控電力電子器件出現(xiàn)以后，才得到更好的應(yīng)用。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)第2頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日繞線型異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速工作原理繞線型異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式繞線轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)容提要第3頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.1繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速工作原理異步電動(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。

在雙饋調(diào)速工作時(shí)，繞線型異步電動(dòng)機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源或外接電動(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)，通過控制附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，實(shí)現(xiàn)繞線型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。第4頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.1.1繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用圖7-1繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖第5頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為

(7-1)

式中——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；——繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子開路相電動(dòng)勢(shì)，也就是轉(zhuǎn)子開路額定相電壓值。第6頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子相電流在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為 （7-2）式中——轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；

—— 時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。第7頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串電阻調(diào)速在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流會(huì)在外接電阻上產(chǎn)生一個(gè)交流電壓，這一交流電壓與轉(zhuǎn)子電流有著相同的頻率和相位，調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率被消耗在外接電阻上。

第8頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用如果在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個(gè)可控的交流附加電動(dòng)勢(shì)來代替外接電阻，附加電動(dòng)勢(shì)的幅值和頻率與交流電壓相同，相位與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)相反（如圖7-1所示），則它對(duì)轉(zhuǎn)子電流的作用與外接電阻是相同的，附加電動(dòng)勢(shì)將會(huì)吸收原先消耗在外接電阻上的轉(zhuǎn)差功率。第9頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖圖7-1繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的原理圖第10頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用引入附加電動(dòng)勢(shì)后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路的合電動(dòng)勢(shì)減小了，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電動(dòng)機(jī)必然減速，因而增大，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)隨之增大，轉(zhuǎn)子電流也逐漸增大，直至轉(zhuǎn)差率增大到時(shí)，轉(zhuǎn)子電流又恢復(fù)到負(fù)載所需的值，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入新的較低轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)。第11頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的作用此時(shí)，未串入附加電動(dòng)勢(shì)和串入附加電動(dòng)勢(shì)后的轉(zhuǎn)子電流相等:

而減小則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。所以在繞線型異步電動(dòng)機(jī)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12頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.1.2繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況在繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)并改變其幅值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。可控附加電動(dòng)勢(shì)的引入必然在轉(zhuǎn)子側(cè)形成功率的傳送，可以把轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率傳輸?shù)脚c之相連的交流電源或外電路中去，也可以是從外面吸收功率到轉(zhuǎn)子中來。從功率傳送的角度看，可以認(rèn)為是用控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)差功率的大小與流向來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

第13頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.1.2繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況考慮到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子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，所以不能把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接與交流電網(wǎng)相連，而必須通過一個(gè)中間環(huán)節(jié)。這個(gè)中間環(huán)節(jié)除了有功率傳遞作用外，還應(yīng)具有對(duì)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(jiǎn)稱CU），見圖7-2。第14頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D7-2繞線型異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)時(shí)的工況及其功率流程a)次同步速電動(dòng)狀態(tài)b)反轉(zhuǎn)倒拉制動(dòng)狀態(tài)c)超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)d)超同步速電動(dòng)狀態(tài)e)次同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)CU——功率變換單元第15頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日忽略機(jī)械和雜散損耗時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系為（7-4）

——電動(dòng)機(jī)定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率，

——包括轉(zhuǎn)子損耗的轉(zhuǎn)子電路輸入功率，即轉(zhuǎn)差功率，

——電動(dòng)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(dòng)勢(shì)極性和大小不同，和都可正可負(fù)，因而可以有以下幾種不同的工作狀況。第16頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日1.電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)定子接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子短路，轉(zhuǎn)子軸上帶有反抗性的恒值額定負(fù)載（對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為），此時(shí)電動(dòng)機(jī)在固有機(jī)械特性上以額定轉(zhuǎn)差率運(yùn)行。若在轉(zhuǎn)子側(cè)每相加上附加電動(dòng)勢(shì)（與反相，），根據(jù)式（7-3），轉(zhuǎn)子電流將減小，從而使電動(dòng)機(jī)減速，轉(zhuǎn)子電流回升，最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

第17頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日此時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的電勢(shì)平衡方程式為若繼續(xù)加大值，則值繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)速還將降低，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。第18頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日對(duì)照式（7-4）可知，由于電動(dòng)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，而轉(zhuǎn)差功率在扣除轉(zhuǎn)子損耗后由附加電勢(shì)吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送到電網(wǎng)，其功率流程示于圖7-2a。由于電動(dòng)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(dòng)運(yùn)行。

第19頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日2.電動(dòng)機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)作倒拉制動(dòng)運(yùn)行設(shè)異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)已接入一定數(shù)值+

的情況下作電動(dòng)運(yùn)行，其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)若逐漸增大值，且使，根據(jù)式（7-3）的平衡條件，可使，則電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。這表明在附加電動(dòng)勢(shì)與位能負(fù)載外力的作用下，可以使電動(dòng)機(jī)進(jìn)入倒拉制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)（在、n坐標(biāo)系的第四象限）。

第20頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日值越大，電動(dòng)機(jī)的反向轉(zhuǎn)速越高。由于，故式（7-4）可改寫作:

此時(shí)由電網(wǎng)輸入電動(dòng)機(jī)定子的功率和由負(fù)載輸入電動(dòng)機(jī)軸的功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率，由附加電勢(shì)吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送給電網(wǎng)，見圖7-2b。第21頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日3.電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行進(jìn)入這種運(yùn)行狀態(tài)的必要條件是有恒定機(jī)械外力作用在電動(dòng)機(jī)軸上，方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向相同，并使電動(dòng)機(jī)能在超過其同步轉(zhuǎn)速的情況下運(yùn)行。典型的工況為電動(dòng)車輛下坡的運(yùn)動(dòng)，車輛上坡時(shí)電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，下坡時(shí)車輛重量形成的坡向分力能克服各種磨擦阻力而使車輛下滑，為了防止下坡速度過高，被車輛拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)便需要產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以限制車輛的速度。

第22頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行此時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和上坡時(shí)一樣，但運(yùn)行狀態(tài)卻變成回饋制動(dòng)，轉(zhuǎn)速超過其同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流的相位都與電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相反。第23頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日若處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路再串入一個(gè)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)反相的附加電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)式（7-3），電動(dòng)機(jī)將在比未串入時(shí)的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動(dòng)運(yùn)行。

第24頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行由于電動(dòng)機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)工作，由負(fù)載通過電動(dòng)機(jī)軸輸入機(jī)械功率，經(jīng)過機(jī)電能量變換分別從電動(dòng)機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電網(wǎng)。這一結(jié)果也可從式（7-4）得到，此時(shí)式（7-4）可改寫成（式中與本身都為負(fù)值）。超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)的功率流程示于圖7-2c。第25頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日4.電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行當(dāng)電動(dòng)機(jī)已在的情況下作電動(dòng)運(yùn)行，軸上拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩的額定負(fù)載，若轉(zhuǎn)子側(cè)串入了與同相的附加電動(dòng)勢(shì)，則式（7-3）變?yōu)椋簭那懊嬗懻摽芍灰粩嗉哟蟾郊与妱?dòng)勢(shì)的幅值，就可提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

第26頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日4.電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)或超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如繼續(xù)加大，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)必然反相變負(fù)，電動(dòng)機(jī)將加速到的新的穩(wěn)態(tài)下工作，即超同步電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。必須指出，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速雖然超過了其同步轉(zhuǎn)速，但它仍拖動(dòng)著負(fù)載作電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此電動(dòng)機(jī)軸上可以輸出比其銘牌所示額定功率還要高的功率。第27頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日4.電動(dòng)機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)軸上輸出機(jī)械功率由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)兩部分輸入電功率合成，電動(dòng)機(jī)處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)，式（7-4）可改寫成：（式中s本身為負(fù)值）。

其功率流程示于圖7-2d。

第28頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日5．電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行

當(dāng)電動(dòng)機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下作電動(dòng)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子側(cè)已加入與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)反相的附加電動(dòng)勢(shì)（注意在電動(dòng)狀態(tài)工作時(shí)）。根據(jù)式（7-3）可知，若使大于，變?yōu)樨?fù)值，電動(dòng)機(jī)即可進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，工作在范圍內(nèi)的第二象限。第29頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日5．電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行

回饋電網(wǎng)的功率一部分由負(fù)載的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換而成，另一部分則由轉(zhuǎn)子提供。由式（7-4）可知，電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系為：此時(shí)轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)獲取轉(zhuǎn)差功率，功率流程圖如圖7-2e所示。第30頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日5．電動(dòng)機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動(dòng)運(yùn)行以上五種工況都是異步電動(dòng)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1,2,3中，轉(zhuǎn)子回路輸出電功率，可以先把轉(zhuǎn)子的交流電功率變換成直流，然后再逆變至電網(wǎng)。此時(shí)功率變換單元CU的組成如圖7-3a所示，其中CU1是整流器，CU2是有源逆變器。對(duì)于工況4和5，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子要從電網(wǎng)吸收功率，必須用一臺(tái)變頻器與轉(zhuǎn)子相連，其結(jié)構(gòu)如圖7-3b，CU2工作在可控整流狀態(tài)，CU1工作在逆變狀態(tài)。第31頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元圖7-3繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接的功率變換單元第32頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.2繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在異步電動(dòng)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、可變幅的附加電動(dòng)勢(shì)。怎樣才能獲得這樣的附加電動(dòng)勢(shì)呢？第33頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.2.1串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)輸出轉(zhuǎn)差功率的情況來說，比較方便的辦法是，將異步電動(dòng)機(jī)的轉(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)都更加容易。

第34頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.2.1串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

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。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7-3a中所示的功率變換單元CU2。第35頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D7-4電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖第36頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時(shí)，必有>。

由圖7-4可以寫出整流后的直流回路電壓平衡方程式：

或 (7-5)

式中，、——UR與UI的電壓整流系數(shù)，如兩者都是三相橋式電路，則 ；

第37頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

從式(7-5)中可以看出，中包含了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，而與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子交流電流之間有固定的比例關(guān)系，因此它近似地反映了電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小，而β角是控制變量。所以該式可以看作是在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的間接表達(dá)式 。第38頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

1．起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)在靜止不動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)為；控制逆變角β，使在起動(dòng)開始的瞬間，與的差值能產(chǎn)生足夠大的，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)。第39頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

隨著異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)減少，為了維持加速過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩基本恒定，必須相應(yīng)地增大β角以減小值，維持 基本恒定。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速到所需轉(zhuǎn)速時(shí)，不再調(diào)整β角，電動(dòng)機(jī)即在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

第40頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

設(shè)此時(shí)的 ,則式（7-5）可寫作式中為對(duì)應(yīng)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的直流回路電流。第41頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

2．調(diào)速 當(dāng)增大β角使β=β2>β1時(shí)，逆變電壓減小，但電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能立即改變，所以將增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，使電動(dòng)機(jī)加速。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高， 減少，回落，直到新的平衡狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。式中第42頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

3．停車對(duì)于處于低同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)，必須在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸入電功率時(shí)才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中與轉(zhuǎn)子連接的是不可控整流裝置，它只能從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電功率，而不可能向轉(zhuǎn)子輸入電功率。因此串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒有制動(dòng)停車功能。只能靠減小β角減小，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車。第43頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日結(jié)論：（1）串級(jí)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(jí)調(diào)速。（2）系統(tǒng)能把繞線型異步電動(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。第44頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日*7.2.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的其它類型

機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)（或稱Kramer系統(tǒng)），其原理圖如圖7-5所示。在繞線型異步電動(dòng)機(jī)同軸上裝有一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流后傳給直流電動(dòng)機(jī)，后者把這部分電功率變換為機(jī)械功率，再幫助異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，從而使轉(zhuǎn)差功率得到利用。第45頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在圖7-5中，直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)就相當(dāng)于直流附加電動(dòng)勢(shì)，通過調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流可以改變其電動(dòng)勢(shì)，從而調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。增大可使電動(dòng)機(jī)減速，反之則可使電動(dòng)機(jī)加速。第46頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日從功率傳遞的角度看，如果忽略調(diào)速系統(tǒng)中所有的電氣與機(jī)械損耗，認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率全部為直流電動(dòng)機(jī)所接受，并以機(jī)械功率的形式從軸上輸出給負(fù)載。則負(fù)載軸上所得到的機(jī)械功率應(yīng)是異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)兩者軸上輸出功率之和，并恒等于電動(dòng)機(jī)定子輸入功率，而與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速無關(guān)。第47頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日恒功率調(diào)速所以這類機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)屬于恒功率調(diào)速，其特點(diǎn)是系統(tǒng)在低速時(shí)能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適用于一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)的場(chǎng)合，如螺紋鋼線材軋機(jī)。而前述的電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，因?yàn)槠漭敵龅臋C(jī)械功率與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。第48頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)另外還有一種類似于Kramer系統(tǒng)的內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是在異步電動(dòng)機(jī)定子中裝有另一套繞組，稱作調(diào)節(jié)繞組。轉(zhuǎn)差功率經(jīng)交-直-交變換器變換成工頻功率后送到調(diào)節(jié)繞組上，作為附加的定子功率送給電動(dòng)機(jī)，這樣就取代了Kramer系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)，同樣能獲得恒功率調(diào)速的效果。但這時(shí)必須專門制造有兩套定子繞組的繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)。第49頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.3

串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征串級(jí)調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性方程式第50頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性在串級(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51頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.3.1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52頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征

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

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。取K1=K2，則(7-6)第53頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速n0為：式中n1—異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。(7-7)第54頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征從式（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55頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性的特征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(包括整流和逆變裝置、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)子回路阻抗的影響，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56頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子回路電阻和漏抗的影響受轉(zhuǎn)子回路電阻增加的影響：當(dāng)電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速的特性上（

=90°）帶額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。受轉(zhuǎn)子回路漏抗增加的影響：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。第57頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖圖7-6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58頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.3.2串級(jí)調(diào)速的轉(zhuǎn)子整流電路異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)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。第59頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子整流電路的特點(diǎn)（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。第60頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日假設(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61頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子整流電路圖7-7轉(zhuǎn)子整流電路

第62頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日換相重疊設(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63頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日換相重疊角根據(jù)“電力電子技術(shù)”中介紹的理論，換相重疊角為

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。（7-8）

第64頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日由式（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)處開始換流，到處結(jié)束換流，整流波形正常。第65頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象當(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66頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日需要指出的是，強(qiáng)迫延時(shí)換相只說明在超過某一值時(shí)，整流器件比自然換相點(diǎn)滯后角換流，但從總體上看，6個(gè)器件在360°內(nèi)輪流工作，每一對(duì)器件的換流過程最多只能是60°，也就是說，再大，也只能使不變。第67頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(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，使得整流電路類似處于可控整流工作狀態(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68頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)

（3）當(dāng)p

=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69頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)子整流電流與

、p間的函數(shù)關(guān)系

圖7-8轉(zhuǎn)子整流電路的

=f(Id)，p

=f(Id)第70頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(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71頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(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72頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日上兩式中當(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)。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)。第73頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.3.3串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性方程式1.串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路根據(jù)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路接線圖（當(dāng)整流器和逆變器都為三相橋式電路時(shí)）及相應(yīng)的等效電路（見圖7－9），考慮到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與逆變變壓器的電阻和換相重疊壓降后，可以列出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程式。第74頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D7-9串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路及等效電路

圖7-9串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路及等效電路a）主電路b）等效電路

1.電路結(jié)構(gòu)第75頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日2.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76頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日以上三式中

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77頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日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78頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(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79頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

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80頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日電動(dòng)勢(shì)系數(shù)

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）

其中，

第81頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)速特性方程的直觀形式則式（7-15）可改寫成

（7-18）

其中，

第82頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

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)的下標(biāo)不同，以示區(qū)別。第83頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日兩種轉(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Ud；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84頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日兩種轉(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85頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日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86頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日而電磁功率Pm=Ps/s，因此電磁轉(zhuǎn)矩為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)，

（7-19）

第87頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日因?yàn)椋彩请娏鱅d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88頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日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：(7-21)第89頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日第一工作區(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；

第90頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日第一工作區(qū)的機(jī)械特性方程式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91頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

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，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92頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式

當(dāng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在第二工作區(qū)運(yùn)行時(shí)，p不等于零，γ=60o，代入式（7-19），再令dTe/dt=0，可求出第二工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩值Te2m，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，得第二工作區(qū)的機(jī)械特性方程式：

第93頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日第二工作區(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94頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

s20——相應(yīng)與p值下的理想空載轉(zhuǎn)差率：(7-24)而第95頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

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96頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日幾種最大轉(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97頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日按照上面的推導(dǎo)，可得[41]（7-25）

（7-26）

（7-27）

第98頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

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99頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日6.異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

圖7-10異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性第100頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日*7.4

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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)串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量第101頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.4.1

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率在串級(jí)調(diào)速時(shí)，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后經(jīng)過轉(zhuǎn)子整流器和逆變器返回電網(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102頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率分析圖7-11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103頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率式中∑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。(7-28)第104頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率 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s增大而同時(shí)減少，對(duì)ηsch值的影響并不太大。第105頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日轉(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的變化與串級(jí)調(diào)速時(shí)一樣，而所串電阻越大時(shí)，pCur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106頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日效率的比較串級(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7-12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107頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.4.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)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)通過電動(dòng)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相位落后于電壓相位，也會(huì)使功率因數(shù)下降；第108頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(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7-11），因此，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)可用下式表示：第109頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日功率因數(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110頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(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)。第111頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償對(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。常用的方法是增加靜止無功補(bǔ)償裝置－電力電容器，采用無功就地補(bǔ)償來解決。第112頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日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113頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日整流器和逆變器容量主要依據(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)載電流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n1為同步轉(zhuǎn)速。(7-30)第114頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

其中，nmin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smax

，由式（7-7）可得（7-31）調(diào)速范圍越大時(shí)，smax也越大，整流器和逆變器所承受的電壓越高（smax

Er0）。第115頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日逆變變壓器容量在交流串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，設(shè)置逆變變壓器的主要目的就是取得能與被控電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相匹配的逆變電壓，其次是把逆變器與交流電網(wǎng)隔離，以抑制電網(wǎng)的浪涌電壓對(duì)晶閘管的影響。第116頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日逆變變壓器容量 這樣，由式（7-6）可以寫出逆變變壓器的二次側(cè)相電壓UT2和異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓之間的關(guān)系。

一般取βmin=30?，則第117頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日逆變變壓器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)算第118頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日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。由于串級(jí)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(dòng)作用，所謂動(dòng)態(tài)性能的改善只是指起動(dòng)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。

第119頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖7-13雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

第120頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日

控制環(huán)節(jié)說明

圖7-13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121頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日比較圖7-13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。由于串級(jí)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(dòng)作用，減速過程只能靠負(fù)載作用自由降速。第122頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日*7.6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。總的原則是在起動(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123頁，共135頁，2023年，2月20日，星期日7.6.1間接起動(dòng)大部分采用串級(jí)調(diào)速的設(shè)備是不需要從零速到額定轉(zhuǎn)速作全范圍調(diào)速的，特別對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等機(jī)械，其調(diào)速范圍本來就不大，串級(jí)調(diào)速裝置的容