1、1本節提要本節提要串級調速系統的效率串級調速系統的效率串級調速系統的功率因數及其改串級調速系統的功率因數及其改善途徑善途徑斬波控制的串級調速系統斬波控制的串級調速系統串級調速安裝的電壓和容量串級調速安裝的電壓和容量* *7.4 7.4 串級調速系統的技術經濟目的串級調速系統的技術經濟目的 及其提高方案及其提高方案12l學習要點：學習要點： 1. 1.串級調速系統性能的普通性討論：串級調速系統性能的普通性討論： 1 1效率效率 2 2功率因數功率因數 3 3附加安裝的容量附加安裝的容量 。 2. 2. 改善功率因數的斬波控制。改善功率因數的斬波控制。 重點、難點：重點、難點： 能量傳送流程。能量

2、傳送流程。 23* *7.4.1 7.4.1 串級調速系統的效率串級調速系統的效率圖圖7-12 串級調速系統效率分析串級調速系統效率分析a)系統的功率傳送系統的功率傳送 b)系統的功率流程圖系統的功率流程圖 34n 串級調速系統功率流程串級調速系統功率流程 l在串級調速時，在串級調速時，PsPs未被全部耗費掉，而未被全部耗費掉，而是扣除了轉子銅損是扣除了轉子銅損pCurpCur、雜散損耗、雜散損耗 ps ps 和附加的串級調速安裝損耗和附加的串級調速安裝損耗ptanptan后經過后經過轉子整流器與逆變器前往電網，這部分轉子整流器與逆變器前往電網，這部分前往電網的功率稱作回饋功率前往電網的功率稱

3、作回饋功率Pf Pf 。l對整個串級調速系統來說，它從電網吸對整個串級調速系統來說，它從電網吸收的凈有功功率應為收的凈有功功率應為 Pin=P1Pf Pin=P1Pf 。 45n 串級調速系統效率及比較串級調速系統效率及比較l串級調速系統的總效率串級調速系統的總效率 %100%100f1mechmechin2schPPpPPP%100)1()1(tanmechmmechmpppsPpsP(7-28)式中式中 p p 是異步電動機定子和轉子內的總損耗；是異步電動機定子和轉子內的總損耗； 56 在串級調速系統中，當電動機的轉速在串級調速系統中，當電動機的轉速降低時，假設負載轉矩不變，降低時，假設負

4、載轉矩不變， p p 和和 ptan ptan 都根本不變，式都根本不變，式7-287-28分子和分分子和分母中的母中的Pm(1-s)Pm(1-s)項隨著的項隨著的s s增大而同時減少，增大而同時減少，對總效率值的影響并不太大。對總效率值的影響并不太大。 67 轉子回路串電阻調速的效率轉子回路串電阻調速的效率 當電動機轉子回路串電阻調速時，調速當電動機轉子回路串電阻調速時，調速系統的效率是系統的效率是%100%100sCurFeCusmechmechmech12RppppPpPPP%100)1 ()1 (mechmmechmppsPpsP= 其中，其中，Pm(1-s)Pm(1-s)項隨項隨s

5、s 的變化和串級調速的變化和串級調速時一樣，而所串電阻越大時，時一樣，而所串電阻越大時，pCur pCur 越大，越大，p p 也越大，因此效率也越大，因此效率 R R 越低，幾乎是隨越低，幾乎是隨著轉速的降低而成比例地減少。著轉速的降低而成比例地減少。 78l 效率的比較效率的比較p串級調速系統的總串級調速系統的總效率是比較高的，效率是比較高的，且當電動機轉速降且當電動機轉速降低時，低時，sch sch 的減的減少并不多。少并不多。p而繞線轉子異步電而繞線轉子異步電動機轉子回路串電動機轉子回路串電阻調速時的效率幾阻調速時的效率幾乎隨轉速的降低而乎隨轉速的降低而成比例地減少。成比例地減少。圖圖

6、7-13 7-13 電氣串級調速系統與轉子串電阻電氣串級調速系統與轉子串電阻調速系統調速系統 = f (s) = f (s) 的比較的比較 89* *7.4.2 7.4.2 串級調速系統的功率因數串級調速系統的功率因數及其改善途徑及其改善途徑 串級調速系統的功率因數與系統所用的異步串級調速系統的功率因數與系統所用的異步電動機、不可控整流器和逆變器三大部分有關：電動機、不可控整流器和逆變器三大部分有關：異步電動機本身的功率因數就會隨著負載的減輕而異步電動機本身的功率因數就會隨著負載的減輕而下降；下降；轉子整流器的換相重迭和強迫延遲導通等作用都會轉子整流器的換相重迭和強迫延遲導通等作用都會經過電機

7、從電網吸收換相無功功率；經過電機從電網吸收換相無功功率；逆變器的相控作用使其電流與電壓不同相，也要耗逆變器的相控作用使其電流與電壓不同相，也要耗費無功功率。費無功功率。910n 串級調速系統的功率因數串級調速系統的功率因數 在串級調速系統中，從交流電網在串級調速系統中，從交流電網吸收的總有功功率是電動機吸收的吸收的總有功功率是電動機吸收的有功功率與逆變器回饋至電網的有有功功率與逆變器回饋至電網的有功功率之差，然而從交流電網吸收功功率之差，然而從交流電網吸收的總無功功率卻是電動機和逆變器的總無功功率卻是電動機和逆變器所吸收的無功功率之和見圖所吸收的無功功率之和見圖7-7-1212。1011 功率

8、因數計算公式功率因數計算公式s s 系統總的視在功率；系統總的視在功率；Q1 Q1 電動機從電網吸收的無功功率；電動機從電網吸收的無功功率；Qf Qf 逆變變壓器從電網吸收的無功功率。逆變變壓器從電網吸收的無功功率。2f12f1f1insch)()(cosQQPPPPSP式中(7-29)1112 功率因數范圍功率因數范圍p普通串級調速系統在高速運轉時的功率因普通串級調速系統在高速運轉時的功率因數為數為0.60.650.60.65，比正常接線時電動機的功，比正常接線時電動機的功率因數減少率因數減少0.10.1左右；左右；p在低速時可降到在低速時可降到0.40.50.40.5對調速范圍為對調速范圍

9、為2 2的系統。這是串級調速系統的主要缺陷。的系統。這是串級調速系統的主要缺陷。p對于寬調速的串級調速系統，隨著轉差率對于寬調速的串級調速系統，隨著轉差率的增大，系統的功率因數還要下降，這是的增大，系統的功率因數還要下降，這是串級調速系統能否被推行運用的關鍵問題串級調速系統能否被推行運用的關鍵問題之一。之一。1213* *7.4.3 7.4.3 斬波控制的串級調速系統斬波控制的串級調速系統l問題的提出問題的提出l 串級調速系統功率因數差的一個串級調速系統功率因數差的一個重要緣由就是采用了相位控制的逆變重要緣由就是采用了相位控制的逆變器，控制角器，控制角 越大時，逆變器從電越大時，逆變器從電網吸

10、收的無功功率越多。網吸收的無功功率越多。l 假設用斬波器來控制直流電壓，假設用斬波器來控制直流電壓，而將逆變器的控制角設定為允許的最而將逆變器的控制角設定為允許的最小值不變，即可降低無功的耗費，而小值不變，即可降低無功的耗費，而提高系統功率因數。提高系統功率因數。 1314n 系統組成系統組成圖圖7-14 斬波控制串級調速系統原理圖斬波控制串級調速系統原理圖 1415 圖圖7-147-14繪出了斬波控制的串級調繪出了斬波控制的串級調速系統原理圖，圖中速系統原理圖，圖中CHCH是直流斬波器，是直流斬波器，可用普通晶閘管或可關斷電力電子器可用普通晶閘管或可關斷電力電子器件組成，后者可大大簡化斬波器

11、電路。件組成，后者可大大簡化斬波器電路。 系統中斬波器系統中斬波器CHCH任務在開關形狀，任務在開關形狀，其任務原理和功率因數如下分析。其任務原理和功率因數如下分析。 15161 1任務原理任務原理l當它接通時，逆變器輸出的附加電動勢當它接通時，逆變器輸出的附加電動勢被短接被短接Eadd = 0Eadd = 0；l斷開時，輸出電動勢最大斷開時，輸出電動勢最大Eadd = UiEadd = Ui。l 設斬波器的開關周期為設斬波器的開關周期為T T ，開關接，開關接通的時間為通的時間為 ，那么逆變器經，那么逆變器經CHCH送出的送出的平均電動勢為平均電動勢為 iUTT 改動占空比改動占空比(T-(

12、T- )/T )/T 即可調理平均電即可調理平均電動勢的大小，從而調理異步電動機的轉速。動勢的大小，從而調理異步電動機的轉速。1617 附加電動勢的斬波波形附加電動勢的斬波波形 圖圖7-157-15為為忽略交流電忽略交流電壓變化時附壓變化時附加電動勢的加電動勢的斬波波形。斬波波形。圖圖7-15 轉子斬波串級調速時的附加電動勢波形轉子斬波串級調速時的附加電動勢波形 OtEaddT1718 斬波控制串級調速系統轉速方程斬波控制串級調速系統轉速方程 當轉子回路整流器和逆變器都是橋式當轉子回路整流器和逆變器都是橋式電路時，可得理想空載的電壓平衡方程式電路時，可得理想空載的電壓平衡方程式min2T0r0

13、cos)1 (34. 234. 2UTEsmin0r2Tsyn0cos11EUTnn7-30 n0 n0 不同占空比時的理想空載轉速；不同占空比時的理想空載轉速；nsynnsyn異步電動機的同步轉速。異步電動機的同步轉速。式中 因此 18192 2系統的功率因數系統的功率因數 在斬波控制在斬波控制時，逆變角設定時，逆變角設定為為 min min ，那么，那么逆變器從電網吸逆變器從電網吸收的無功功率可收的無功功率可減到最小程度。減到最小程度。圖圖7-16 兩種串級調速系統的功率因數比較兩種串級調速系統的功率因數比較斬波控制串斬波控制串級調速系統級調速系統常規串級調常規串級調速系統速系統1920*

14、 *7.4.4 7.4.4 串級調速安裝的電壓和串級調速安裝的電壓和容量容量 串級調速安裝是指整個串級調速系統串級調速安裝是指整個串級調速系統中除異步電動機以外為實現串級調速而附中除異步電動機以外為實現串級調速而附加的一切功率部件，包括轉子整流器、逆加的一切功率部件，包括轉子整流器、逆變器和逆變變壓器。變器和逆變變壓器。 從經濟角度出發，必需正確合理地選從經濟角度出發，必需正確合理地選擇這些附加設備的電壓和容量，以提高整擇這些附加設備的電壓和容量，以提高整個調速系統的性能價錢比。個調速系統的性能價錢比。2021n 整流器和逆變器容量整流器和逆變器容量 選擇主要根據其電流與電壓的定額。選擇主要根

15、據其電流與電壓的定額。電流定額決議于異步電動機轉子的額定電電流定額決議于異步電動機轉子的額定電流流IrNIrN和所拖動的負載；和所拖動的負載；電壓定額那么決議于異步電動機轉子的額電壓定額那么決議于異步電動機轉子的額定相電壓即轉子開路電動勢定相電壓即轉子開路電動勢Er0Er0和和系統的調速范圍系統的調速范圍D D，這里，這里， min0synnnD 2122 其中，其中，n0min n0min 是調速系統的最低轉是調速系統的最低轉速，對應于最大理想空載轉差率速，對應于最大理想空載轉差率 s0max s0max ，由式，由式7-77-7可得可得)1 (max0synmin0snnDs11max07

16、-31 )1 (max0synmin0snnDs11max02223 調速范圍越大時，調速范圍越大時，s0max s0max 也越大，整也越大，整流器和逆變器所接受的電壓越高。流器和逆變器所接受的電壓越高。0max2000max00max020max0min11cos1.15coscos30TrrrTrsDUsEsEsEUsE 2324n 逆變變壓器的容量逆變變壓器的容量 l逆變變壓器的二次側相電壓逆變變壓器的二次側相電壓 )11 (15. 10r2TDEU7-32 )11 (45. 3T20TDIEWr7-33 逆變變壓器的容量計算逆變變壓器的容量計算 調速范圍越大時，整個串級調速安裝調速范

17、圍越大時，整個串級調速安裝的容量要求也越大。的容量要求也越大。2425l從上式可以看出，隨著系統調速范圍的增大，逆變變壓器和整個串級安裝的容量也相應增大l由于隨著D的增大，經過串級調速安裝回饋電網的轉差功率也增大，必需求有較大容量的串級調速安裝來傳送與變換這些功率l串級調速系統被引薦用于有限調速范圍例如D=1.52.0的場所2526作作 業業7-3、7-4 2627l學習要點：學習要點： 1 1具有雙閉環控制的串級調速系統的組成；具有雙閉環控制的串級調速系統的組成； 2 2雙饋調速系統；雙饋調速系統； 重點、難點：重點、難點： 雙饋調速系統與串級調速系統任務方式的雙饋調速系統與串級調速系統任務

18、方式的差別。差別。 27287.5 7.5 雙閉環控制的串級調速系統雙閉環控制的串級調速系統 由于串級調速系統機械特性的靜由于串級調速系統機械特性的靜差率較大，所以開環控制系統只能用差率較大，所以開環控制系統只能用于對調速精度要求不高的場所。于對調速精度要求不高的場所。 為了提高靜態調速精度，并獲得為了提高靜態調速精度，并獲得較好的動態特性，須采用閉環控制，較好的動態特性，須采用閉環控制，和直流調速系一致樣，通常采器具有和直流調速系一致樣，通常采器具有電流反響與轉速反響的雙閉環控制方電流反響與轉速反響的雙閉環控制方式。式。28297.5.1 7.5.1 雙閉環控制串級調速系雙閉環控制串級調速系

19、統的組成統的組成圖圖7-17 雙閉環控制的串級調速系統雙閉環控制的串級調速系統 n 系統構造系統構造2930n 控制環節闡明控制環節闡明 圖中，轉速反響信號取自異步電動圖中，轉速反響信號取自異步電動機軸上聯接的測速發電機，電流反響機軸上聯接的測速發電機，電流反響信號取自逆變器交流側的電流互感器，信號取自逆變器交流側的電流互感器，也可經過霍爾變換器或直流互感器取也可經過霍爾變換器或直流互感器取自轉子直流回路。自轉子直流回路。 為了防止逆變器逆變顛覆，在電為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調理器流調理器ACRACR輸出電壓為零時，應整定輸出電壓為零時，應整定觸發脈沖輸出相位角為觸發脈沖輸出相位角為=

20、=min min 。 3031n 系統比較系統比較l圖圖7-177-17所示的系統與直流不可逆所示的系統與直流不可逆雙閉環調速系一致樣，具有靜態雙閉環調速系一致樣，具有靜態穩速與動態恒流的作用。穩速與動態恒流的作用。l所不同的是它的控制造用都是經所不同的是它的控制造用都是經過異步電動機轉子回路實現的。過異步電動機轉子回路實現的。 31327.5.4 7.5.4 串級調速系統的起動方式串級調速系統的起動方式 串級調速系統是依托逆變器提供附加串級調速系統是依托逆變器提供附加電動勢而任務的，為了使系統任務正常，電動勢而任務的，為了使系統任務正常，對系統的起動與停車控制必需有合理的措對系統的起動與停車

21、控制必需有合理的措施予以保證。施予以保證。 總的原那么是在起動時必需使逆變器總的原那么是在起動時必需使逆變器先電機而接上電網，停車時那么比電機后先電機而接上電網，停車時那么比電機后脫離電網，以防止逆變器交流側斷電，使脫離電網，以防止逆變器交流側斷電，使晶閘管無法關斷，呵斥逆變器的短路事故。晶閘管無法關斷，呵斥逆變器的短路事故。 串級調速系統的起動方式通常有間接串級調速系統的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。起動和直接起動兩種。32331. 1. 間接起動間接起動 為了使串級調速安裝不受過電壓為了使串級調速安裝不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電損壞，須采用間接起動方式，即將電動機轉子

22、先接入電阻或頻敏變阻器起動機轉子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉速升高到串級調速系統的設動，待轉速升高到串級調速系統的設計最低轉速時，才把串級調速安裝投計最低轉速時，才把串級調速安裝投入運轉。入運轉。 3334 間接起動控制原理圖間接起動控制原理圖 圖圖7-20 串串級級調調速速系系統統間間接接起起動動控控制制原原理理圖圖3435 間接起動操作順序間接起動操作順序1 1先合上安裝電源總開關先合上安裝電源總開關S S，使逆變器在，使逆變器在 min min 下等待任務。下等待任務。2 2然后依次接通接觸器然后依次接通接觸器K1K1，接入起動電，接入起動電阻阻R R，再接通，再接通K0K0，把電機

23、定子回路與電網接，把電機定子回路與電網接通，電動機便以轉子串電阻的方式起動。通，電動機便以轉子串電阻的方式起動。3 3待起動到所設計的待起動到所設計的nminnminsmaxsmax時接時接通通K2K2，使電動機轉子接到串級調速安裝，使電動機轉子接到串級調速安裝，同時斷開同時斷開K1K1，切斷起動電阻，以后電動機，切斷起動電阻，以后電動機就可以串級調速的方式繼續加速到所需的就可以串級調速的方式繼續加速到所需的轉速運轉。轉速運轉。 3536 停車操作順序停車操作順序 1 1由于沒有制動作用，應先斷開由于沒有制動作用，應先斷開K2K2，使電動機轉子回路與串級調速安裝使電動機轉子回路與串級調速安裝脫

24、離；脫離；2 2再斷開再斷開K0K0，以防止當，以防止當K0K0斷開時在斷開時在轉子側感生斷閘高電壓而損壞整流轉子側感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。器與逆變器。 36372 2直接起動直接起動 l直接起動又稱串級調速方式起動。直接起動又稱串級調速方式起動。在起動控制時讓逆變器先于電動在起動控制時讓逆變器先于電動機接通交流電網，然后使電動機機接通交流電網，然后使電動機的定子與交流電網接通，此時轉子的定子與交流電網接通，此時轉子呈開路形狀，可防止因電動機起動呈開路形狀，可防止因電動機起動時的合閘過電壓經過轉子回路損壞時的合閘過電壓經過轉子回路損壞整流安裝，最后再使轉子回路與整流安裝，最后再使轉

25、子回路與整流器接通。整流器接通。 3738 直接起動操作順序直接起動操作順序1 1接觸器的任務順序為接觸器的任務順序為 S SK0K0K2K2，此時不需求起動電阻。當轉子回路接通此時不需求起動電阻。當轉子回路接通時，由于轉子整流電壓小于逆變電壓，時，由于轉子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流，電動機尚不能起動。直流回路無電流，電動機尚不能起動。2 2待發出給定信號后，隨著待發出給定信號后，隨著 的增的增大，逆變電壓降低，產生直流電流，電大，逆變電壓降低，產生直流電流，電動機才逐漸加速，直至到達給定轉速。動機才逐漸加速，直至到達給定轉速。3839* *7.6 7.6 異步電機雙饋調速系統異步電

26、機雙饋調速系統l概概 述述l 上述的異步電動機串級調速系統是從上述的異步電動機串級調速系統是從定子側饋入電能、從轉子側饋出電能的系統，定子側饋入電能、從轉子側饋出電能的系統，從廣義上說，它也是雙饋調速系統的一種。從廣義上說，它也是雙饋調速系統的一種。l 但人們往往狹義地以為雙饋但人們往往狹義地以為雙饋Double Double FedFed就是從定子側與轉子側都饋入電能的就是從定子側與轉子側都饋入電能的任務形狀，以示與串級調速的區別。任務形狀，以示與串級調速的區別。 3940 雙饋調速系統與串級調速系統類雙饋調速系統與串級調速系統類似都適用于大功率、有限調速范圍的似都適用于大功率、有限調速范圍

27、的場所，普通調速范圍僅為場所，普通調速范圍僅為1.41.51.41.5。 交交- -交變頻器是一種功率可雙向傳交變頻器是一種功率可雙向傳輸的靜止變頻器，只需一次功率轉換，輸的靜止變頻器，只需一次功率轉換，適用于大功率變頻場所，其輸出頻率適用于大功率變頻場所，其輸出頻率僅為輸入頻率的僅為輸入頻率的1/31/21/31/2，所以用于雙，所以用于雙饋調速是合理的。饋調速是合理的。4041 從從7.1.27.1.2中的分析可知，異步電機中的分析可知，異步電機雙饋任務時，其轉子電路應銜接一臺雙饋任務時，其轉子電路應銜接一臺變頻器作為功率變換單元，以供應轉變頻器作為功率變換單元，以供應轉子繞組所需頻率的電

28、功率，控制這個子繞組所需頻率的電功率，控制這個電功率即可實現調速。電功率即可實現調速。 這臺變頻器可以用交這臺變頻器可以用交- -直直- -交變頻交變頻器或交器或交- -交變頻器，在雙饋調速時常用交變頻器，在雙饋調速時常用后者。后者。 41427.6.1 7.6.1 雙饋調速系統的構成雙饋調速系統的構成 要在任何轉速下使變頻器輸出要在任何轉速下使變頻器輸出電壓與電機轉子感應電動勢都有一電壓與電機轉子感應電動勢都有一樣的頻率，對變頻器輸出的頻率有樣的頻率，對變頻器輸出的頻率有兩種控制方式：兩種控制方式： 他控式他控式 自控式自控式42431. 1. 他控式雙饋調速系統他控式雙饋調速系統圖圖7-21 他控式雙饋調速系統原理圖他控式雙饋調速系統原理圖n系統組成系統組成轉子轉子4344n 任務原理任務原理 由獨立的控制器控制變頻器的輸由獨立的控制器控制變