【文章內(nèi)容簡介】 勢極性和大小的不同，s 和 P 都是可正可負，因而可以有以下五種不同的工作情況。(1) 次同步轉(zhuǎn)速下的電動運行轉(zhuǎn)子回路串入的附加電動勢 E 和 E 相位相反，電動機減速，所以 ss (0s1)，f2 N根據(jù)式()可知， s P 0，(1s) P 0，說明電網(wǎng)向電動機定子輸入的電磁功率 PMM一部分變?yōu)闄C械功率從軸上輸出，另一部分變?yōu)檗D(zhuǎn)差功率通過產(chǎn)生 E 裝置回饋給M f電網(wǎng)。(2) 電動機在反轉(zhuǎn)時的倒拉制動運行設(shè)電動機原在轉(zhuǎn)子側(cè)已接入一定數(shù)值 E 的情況下作低速電動運行，其軸上帶f有位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，此時若繼續(xù)增大附加電動勢的數(shù)值，且使| E |E ，就能使f0d電動機反轉(zhuǎn)進入倒拉制動運行狀態(tài)，即 s1，根據(jù) s P 0，(1s) P 0，式()可MM改寫為 P +|(1s)| P = s P ，這表明由電網(wǎng)輸入電動機定子的功率和由負載輸入電MM動機軸的功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率，并通過產(chǎn)生 E 裝置回饋給電網(wǎng)。由于這種運行f狀態(tài)使回饋的轉(zhuǎn)差功率值很大，所以要求 E 裝置的容量很大，故一般不宜應(yīng)用在這f種運行狀態(tài)。(3) 電動機在超同步轉(zhuǎn)速下的電動狀態(tài)設(shè)在轉(zhuǎn)子回路串入的附加電動勢 E 與 E 相位相同，電動機將加速到超過其同f2步轉(zhuǎn)速運行，所以 s0。此時電動機轉(zhuǎn)速雖然超過了其同步轉(zhuǎn)速，但它仍拖動負載做電動運轉(zhuǎn)，因此電動機軸上可以輸出比其銘牌所示額定功率還要高的功率。這時式()可改寫為 P s P =(1s) P ，這表明電動機軸上的輸出功率是由定子側(cè)與轉(zhuǎn)MM子側(cè)兩部分合成的，電動機處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)，即“雙饋”狀態(tài)，這一特殊工況可使電動機的輸出功率超過額定功率。(4) 電動機在超同步轉(zhuǎn)速下的回饋制動運行進入這種運行狀態(tài)的必要條件是有位能性機械外力作用在電動機軸上，并使電動機能在超過其同步轉(zhuǎn)速 n 的情況下運行。例如電動機拖動車輛下坡時，為防止下0坡速度過高，被拖動的電動機便需要產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，以限制車輛的速度。此時電動機的運轉(zhuǎn)方向和上坡時一樣，但運行狀態(tài)卻變成回饋制動，轉(zhuǎn)速超過其同步轉(zhuǎn)速n ，轉(zhuǎn)差率 s0，此時若再串入一個與 sE 反相的附加電動勢+E ，電動機將在比1 20 f未串入+E 時的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。由于電動機處在發(fā)電狀態(tài)工作，f功率由負載通過電動機軸輸入，經(jīng)過機電能量變換，分別從電動機定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送給電網(wǎng)。(5) 電動機在次同步轉(zhuǎn)速下的回饋制動運行為了提高生產(chǎn)率，很多工作機械希望其電氣傳動裝置能夠縮短減速和停車的時間，因此必須使運行在低于同步轉(zhuǎn)速電動狀態(tài)的電動機切換到制動狀態(tài)下工作。設(shè)電動機原在低于同步轉(zhuǎn)速(0s1) 下作電動運行，其轉(zhuǎn)子側(cè)加入一定的 E ，并且拖f動反抗性負載?，F(xiàn)若增大|E |的值，并使|E |sE 由式()可知，I 變?yōu)樨撝?，f f202電動機進入發(fā)電回饋制動狀態(tài)，0s1，這時式() 可改寫為|P |=(1s) |P |+s|PMM|。這表明轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)獲取轉(zhuǎn)差功率 s|P |，回饋電網(wǎng)的功率一部分由負載的機械M M功率轉(zhuǎn)換而成，不足部分則由轉(zhuǎn)子提供。 串級調(diào)速系統(tǒng)的基本類型串級調(diào)速系統(tǒng)可分為超同步串級調(diào)速系統(tǒng)和次同步串級調(diào)速系統(tǒng)。超同步串級調(diào)速系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)子回路中串入與感應(yīng)電動勢 sE 同相位同頻率的交流附加電動勢 E20，且附加電動勢 E 的頻率為可變的，以保持與感應(yīng)電動勢 sE 同頻率。與次同步f f 20串級調(diào)速系統(tǒng)相比，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)不但效率高，而且能實現(xiàn)全部五種工況的運行，調(diào)速裝置容量小，此外還可以解決功率因數(shù)低等問題，但它的主電路和控制電路復雜，調(diào)速裝置成本高。所以，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)適用于需要四象限運行、大容量的生產(chǎn)機械，在此不再贅述。工程上，次同步串級調(diào)速系統(tǒng)是用不可控整流器將轉(zhuǎn)子電動勢 sE 整流為直流20電動勢 U ，再與轉(zhuǎn)子整流回路中串入的直流附加電動勢 E 進行合成，通過改變 Ed f值的大小，實現(xiàn)低于同步轉(zhuǎn)速的電動運行。這是由于轉(zhuǎn)子電動勢的頻率是隨轉(zhuǎn)速f而變化的，所以附加電動勢的頻率也要隨轉(zhuǎn)速而變化，以保持與轉(zhuǎn)子電動勢同頻率，這在技術(shù)上比較難以實現(xiàn)。故采用上述方法就避免了隨時改變 E 頻率的麻煩，在工f程上又比較容易實現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，故轉(zhuǎn)差功率 P 只能單方向從轉(zhuǎn)s子流出，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率 P 從轉(zhuǎn)子流入，故不能實現(xiàn)高于同步轉(zhuǎn)速的電動運行和s低于同步轉(zhuǎn)速的回饋制動運行。次同步串級調(diào)速系統(tǒng)由于具有效率高、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點，所以應(yīng)用廣泛。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)對電氣傳動系統(tǒng)的要求，選用次同步串級調(diào)速系統(tǒng)是較為合適的一種“調(diào)速節(jié)能”方案。 串級調(diào)速系統(tǒng)方案的確定典型的次同步串級調(diào)速系統(tǒng)如圖 所示，習慣上稱之為電氣串級調(diào)速系統(tǒng)，又稱晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)。圖中，M 為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，其轉(zhuǎn)子相電動勢sE 經(jīng)三相不可控整流裝置 UR 整流，輸出直流電壓 U 。工作在有源逆變狀態(tài)的三20 d相可控整流裝置 UI 提供可控的直流電壓 U 作為電動機調(diào)速所需的附加直流電動勢，i同時將經(jīng) UR 整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變后回饋到交流電網(wǎng)。兩個整流裝置電壓 U和 U 的極性以及直流電路電流 I 的方向如圖 所示。顯然，系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時，di d必有 U U 。i圖 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對靜、動態(tài)調(diào)速性能指標要求的不同，串級調(diào)速系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制。對于技術(shù)性能指標要求不高的生產(chǎn)機械設(shè)備，如只要求一定調(diào)速范圍，而無其他動、靜態(tài)指標要求的生產(chǎn)機械，為簡單、可靠地運行，通常選擇開環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)；對于技術(shù)性能指標要求較高的生產(chǎn)機械設(shè)備，應(yīng)選擇閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)。采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)，雖然能加快調(diào)節(jié)，并最終消除靜態(tài)誤差，但由于此系統(tǒng)中只有速度負反饋，沒有電流負反饋，所以抗干擾能力較差。因此在電力拖動系統(tǒng)中用得較少，而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)可以克服上述缺點。雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)不僅具有較硬的機械特性，而且動態(tài)響應(yīng)速度快，抗擾動能力強，容易實現(xiàn)過流保護。所以根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)對靜、動態(tài)性能指標要求，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)。典型的次同步串級雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要有繞線轉(zhuǎn)子異步電動機 M、三相橋式二極管整流器 UR、三相橋式晶閘管有源逆變器 UI、逆變變壓器 TI、觸發(fā)裝置、電流調(diào)節(jié)器 ACR、速度調(diào)節(jié)器 ASR 和信號檢測等部分組成。以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，電流調(diào)節(jié)器的輸出作為逆變器的控制電壓，轉(zhuǎn)速反饋信號取自與異步電動機同軸連接的測速發(fā)電機 TG，電流反饋信號通過交流互感器 TA 取自逆變器交流側(cè)。通過改變轉(zhuǎn)速給定信號 U 的值，可以實現(xiàn)調(diào)速。例如，當轉(zhuǎn)速給定sn信號 U 逐漸增大時，電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出電壓也逐漸增加，使逆變角 逐漸增sn ?大，電動機轉(zhuǎn)速 n 也就隨之升高。為防止逆變器逆變顛覆，當電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出電壓為零時，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖使輸出相位角為最小值 ，通常 限制 30176。?minmin為了使系統(tǒng)既能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得快速的動態(tài)響應(yīng)，兩個調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。3 串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和機械特性 串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)由于異步電動機的轉(zhuǎn)子漏阻抗較大，并且接有晶閘管變流器，所以其機械特性的表達式除與系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)外，還與負載電流 I 有關(guān)。d在串級調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子三相繞組和整流器連接的整流電路與一般三相橋式整流電路相似，但要特別注意它與一般整流器有以下幾點不同：轉(zhuǎn)子三相感應(yīng)電動勢的幅值和頻率是轉(zhuǎn)差的函數(shù)；折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏阻抗值也是轉(zhuǎn)差率 s 的函數(shù)；由于異步電動機折算到轉(zhuǎn)子的漏阻抗比一般整流變壓器大得多，所以換流重疊現(xiàn)象嚴重，使換向重疊角 加大，轉(zhuǎn)子整流器會出現(xiàn)“強迫延遲換流”現(xiàn)象，從而引起轉(zhuǎn)子整?流電路的特殊工作狀態(tài)。由于電動機存在漏阻抗，使換流過程中電流不能突變，因而會產(chǎn)生換流重疊現(xiàn)象，根據(jù)電力電子變流技術(shù)理論，轉(zhuǎn)子整流器換向重疊角 的一般公式為? cos =1 I ()?20DE6Xd式中，I 為整流電流平均值；E 為轉(zhuǎn)子開路時的相電動勢有效值；X 為 s=1d 20 0D時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動機的每相漏阻抗。由式()可知，當 E 和 X 確定時，整流電流 I 越大，換向重疊角 也越大。20Dd?當 I 時， 60176。，整流電路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形的自然換d2046XD?相點處換相，整流波形正常。當 I = 時， =60176。，此時，若繼續(xù)增大d2046EXD?I ，則整流器件在自然換相點處未能結(jié)束換相，而是迫使本該在自然換相點換相的d器件推遲一段時間換相，出現(xiàn)了強迫延遲換相現(xiàn)象，推遲的角度用強迫換流延遲角表示。?p這樣，當 I 在某一范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子換流重疊角在 0176。~60176。之間時， =0176。，d ?p此時轉(zhuǎn)子整流器工作在正常的不可控整流狀態(tài)，稱之為串級調(diào)速的第一工作狀態(tài)；隨著整流電流 I 的增大， 保持 60176。不變，0 30176。，這時由于強迫延遲換相d??p?的作用，使得整流電路好似處于可控的整流狀態(tài)， 角相當于整流器件的觸發(fā)延遲角，這一狀態(tài)稱為轉(zhuǎn)子整流器的第二工作狀態(tài)；如果整流電流 I 進一步增大，d保持 60176。不變， =30176。以后，轉(zhuǎn)子整流器進入第三工作狀態(tài)。??p 串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性圖 所示的異步電動機晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路，其中轉(zhuǎn)子整流器是一個三相橋式不可控整流電路，它的交流電壓是頻率隨轉(zhuǎn)差率變化的三相轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢；逆變器則是由與工頻電網(wǎng)相連的三相全控橋式電路組成。轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓 U 為d U = I ( )2 U ()d20dD0R2sX3???d式中， 為轉(zhuǎn)子空載整流電動勢； I 為轉(zhuǎn)子整流器換相壓降；20 0dR 、sX 分別為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機相電阻和每相漏阻抗； U 為轉(zhuǎn)子整流器D0 ?d每個橋臂元件的壓降。若逆變角為 ，則三相橋式有源逆變器的直流電壓為? U = cos +I ( )+2 U ()iT2?dTR2X3????式中， cos 為空載逆變電動勢； I 為逆變器的換相壓降； R ，XT2?d T分別為折算到逆變變壓器二次側(cè)的每相電阻和每相漏電感；R 為直流回路電抗器T d的電阻； U 為三相橋式有源逆變器每個橋臂元件的壓降。??若忽略整流元件和晶閘管元件的管壓降，由式()和()可以列出其轉(zhuǎn)子整流器第一工作狀態(tài)下的直流回路電壓平衡方程式為 I ( )= cos + I ( )+I R ()20dD0R2sX3??T2?dT2X3??d則可從式() 中求出轉(zhuǎn)差率 s 為 s= ()d)R(??用 s=1 代入上式，可得異步電動機串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)速表達式為0n n= ()0D2TT0dT20 IX3E4. )R2(I)cosE(??????其中令 U=(E E cos )，R = + +2R +2R +R ，C =20T??DsTDTde。由式()可以看出，串級調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)逆變角 進行調(diào)速0?? ?時，其特性 n=f(I )相當于他勵直流電動機調(diào)壓調(diào)速時的調(diào)速特性。但是，由于串級d調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻 R 比直流電動機電樞回路總電阻大，故串級調(diào)速?系統(tǒng)的調(diào)速特性 n=f(I )相對更軟些。d 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的機械特性由于轉(zhuǎn)子整流器有第一和第二工作狀態(tài)，相應(yīng)地串級調(diào)速系統(tǒng)的機械特性也有第一和第二兩個工作區(qū)。下面將分析串級調(diào)速系統(tǒng)在這兩個工作區(qū)的機械特性和最大轉(zhuǎn)矩，并將它們與繞線轉(zhuǎn)子異步電動機自然接線時的最大轉(zhuǎn)矩進行比較。 異步電動機在自然接線方式下的最大轉(zhuǎn)矩若忽略定子電阻，異步電動機在自然接線時的最大轉(zhuǎn)矩為 T = = ()emax)X(2Ek3210w??D023式中，E 為轉(zhuǎn)子額定相電動勢(s=1 時) ；k 為定子與轉(zhuǎn)子的匝數(shù)比；X 為折20 0D算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏電抗。 串級調(diào)速異步電動機工作在第一工作區(qū)內(nèi)的機械特性交流異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為 T = = = ()e0MP?s0s式中，P 為串級調(diào)速系統(tǒng)的電磁功率，P 為轉(zhuǎn)差功率， 為同步角速度。Ms?0當忽略轉(zhuǎn)子電阻損耗及轉(zhuǎn)子整流元件的損耗時，轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就等于轉(zhuǎn)差功率，即 P =U I =(sE I ()sd0d)sX3Dd?式中，E 為 s=1 時轉(zhuǎn)子空載整流電動勢，E = 。將式() 帶入式()，消0d 0d20去 s，可得 T = (E )I ()e01?ddIX3D0?利用式()和式 ()，可以求得串級調(diào)速系統(tǒng)機械特性第一工作區(qū)的表達式 T = (SS ) ()e 2TDTD002d )R2X3S(Ed????0式中，s 為串級調(diào)速系統(tǒng)理想空載(I =0)轉(zhuǎn)差率，即 s = cos 。0 d02ET?將式()對 s 求導可求出第一工作狀態(tài) T 表達式的最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)e差率 s ，其值為mc