【文章內容簡介】 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) 次同步轉速下的電動運行轉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差功率通過產生 E 裝置回饋給M f電網。(2) 電動機在反轉時的倒拉制動運行設電動機原在轉子側已接入一定數(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差功率，并通過產生 E 裝置回饋給電網。由于這種運行f狀態(tài)使回饋的轉差功率值很大，所以要求 E 裝置的容量很大，故一般不宜應用在這f種運行狀態(tài)。(3) 電動機在超同步轉速下的電動狀態(tài)設在轉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步轉速運行，所以 s0。此時電動機轉速雖然超過了其同步轉速，但它仍拖動負載做電動運轉，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與轉MM子側兩部分合成的，電動機處于定、轉子雙輸入狀態(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生制動轉矩，以限制車輛的速度。此時電動機的運轉方向和上坡時一樣，但運行狀態(tài)卻變成回饋制動，轉速超過其同步轉速n ，轉差率 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，經過機電能量變換，分別從電動機定子側與轉子側饋送給電網。(5) 電動機在次同步轉速下的回饋制動運行為了提高生產率，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速電動狀態(tài)的電動機切換到制動狀態(tài)下工作。設電動機原在低于同步轉速(0s1) 下作電動運行，其轉子側加入一定的 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)樨撝担琭 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|。這表明轉子從電網獲取轉差功率 s|P |，回饋電網的功率一部分由負載的機械M M功率轉換而成，不足部分則由轉子提供。 串級調速系統(tǒng)的基本類型串級調速系統(tǒng)可分為超同步串級調速系統(tǒng)和次同步串級調速系統(tǒng)。超同步串級調速系統(tǒng)是在轉子回路中串入與感應電動勢 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，以保持與感應電動勢 sE 同頻率。與次同步f f 20串級調速系統(tǒng)相比，超同步串級調速系統(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，調速裝置成本高。所以，超同步串級調速系統(tǒng)適用于需要四象限運行、大容量的生產機械，在此不再贅述。工程上，次同步串級調速系統(tǒng)是用不可控整流器將轉子電動勢 sE 整流為直流20電動勢 U ，再與轉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)低于同步轉速的電動運行。這是由于轉子電動勢的頻率是隨轉速f而變化的，所以附加電動勢的頻率也要隨轉速而變化，以保持與轉子電動勢同頻率，這在技術上比較難以實現(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)。由于轉子整流器是不可控的，故轉差功率 P 只能單方向從轉s子流出，無法實現(xiàn)轉差功率 P 從轉子流入，故不能實現(xiàn)高于同步轉速的電動運行和s低于同步轉速的回饋制動運行。次同步串級調速系統(tǒng)由于具有效率高、技術成熟、成本低等優(yōu)點，所以應用廣泛。根據(jù)工業(yè)生產對電氣傳動系統(tǒng)的要求，選用次同步串級調速系統(tǒng)是較為合適的一種“調速節(jié)能”方案。 串級調速系統(tǒng)方案的確定典型的次同步串級調速系統(tǒng)如圖 所示，習慣上稱之為電氣串級調速系統(tǒng)，又稱晶閘管串級調速系統(tǒng)。圖中，M 為三相繞線轉子異步電動機，其轉子相電動勢sE 經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 作為電動機調速所需的附加直流電動勢，i同時將經 UR 整流輸出的轉差功率逆變后回饋到交流電網。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 次同步串級調速系統(tǒng)根據(jù)生產工藝對靜、動態(tài)調速性能指標要求的不同，串級調速系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制。對于技術性能指標要求不高的生產機械設備，如只要求一定調速范圍，而無其他動、靜態(tài)指標要求的生產機械，為簡單、可靠地運行，通常選擇開環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)；對于技術性能指標要求較高的生產機械設備，應選擇閉環(huán)串級調速系統(tǒng)。采用比例積分調節(jié)器的單閉環(huán)串級調速系統(tǒng)，雖然能加快調節(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，而轉速、電流雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)可以克服上述缺點。雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)不僅具有較硬的機械特性，而且動態(tài)響應速度快，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，采用轉速、電流雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)。典型的次同步串級雙閉環(huán)調速系統(tǒng)主要有繞線轉子異步電動機 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、電流調節(jié)器 ACR、速度調節(jié)器 ASR 和信號檢測等部分組成。以速度調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的給定，電流調節(jié)器的輸出作為逆變器的控制電壓，轉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。通過改變轉速給定信號 U 的值，可以實現(xiàn)調速。例如，當轉速給定sn信號 U 逐漸增大時，電流調節(jié)器 ACR 的輸出電壓也逐漸增加，使逆變角 逐漸增sn ?大，電動機轉速 n 也就隨之升高。為防止逆變器逆變顛覆，當電流調節(jié)器 ACR 輸出電壓為零時，應整定觸發(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)轉速和電流的無靜差調節(jié)，又能獲得快速的動態(tài)響應，兩個調節(jié)器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 調節(jié)器。3 串級調速系統(tǒng)的調速特性和機械特性 串級調速系統(tǒng)轉子整流電路的工作狀態(tài)由于異步電動機的轉子漏阻抗較大，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)有關外，還與負載電流 I 有關。d在串級調速系統(tǒng)中，轉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：轉子三相感應電動勢的幅值和頻率是轉差的函數(shù)；折算到轉子側的漏阻抗值也是轉差率 s 的函數(shù)；由于異步電動機折算到轉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，轉子整流器會出現(xiàn)“強迫延遲換流”現(xiàn)象，從而引起轉子整?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，因而會產生換流重疊現(xiàn)象，根據(jù)電力電子變流技術理論，轉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 為轉子開路時的相電動勢有效值；X 為 s=1d 20 0D時折算到轉子側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，轉子換流重疊角在 0176。~60176。之間時， =0176。，d ?p此時轉子整流器工作在正常的不可控整流狀態(tài)，稱之為串級調速的第一工作狀態(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，轉子整流器進入第三工作狀態(tài)。??p 串級調速系統(tǒng)的調速特性圖 所示的異步電動機晶閘管串級調速系統(tǒng)主電路，其中轉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差率變化的三相轉子感應電動勢；逆變器則是由與工頻電網相連的三相全控橋式電路組成。轉子整流器的輸出電壓 U 為d U = I ( )2 U ()d20dD0R2sX3???d式中， 為轉子空載整流電動勢； I 為轉子整流器換相壓降；20 0dR 、sX 分別為折算到轉子側的電動機相電阻和每相漏阻抗； U 為轉子整流器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() 中求出轉差率 s 為 s= ()d)R(??用 s=1 代入上式，可得異步電動機串級調速時的轉速表達式為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，串級調速系統(tǒng)通過調節(jié)逆變角 進行調速0?? ?時，其特性 n=f(I )相當于他勵直流電動機調壓調速時的調速特性。但是，由于串級d調速系統(tǒng)轉子直流回路等效電阻 R 比直流電動機電樞回路總電阻大，故串級調速?系統(tǒng)的調速特性 n=f(I )相對更軟些。d 次同步串級調速系統(tǒng)的機械特性由于轉子整流器有第一和第二工作狀態(tài)，相應地串級調速系統(tǒng)的機械特性也有第一和第二兩個工作區(qū)。下面將分析串級調速系統(tǒng)在這兩個工作區(qū)的機械特性和最大轉矩，并將它們與繞線轉子異步電動機自然接線時的最大轉矩進行比較。 異步電動機在自然接線方式下的最大轉矩若忽略定子電阻，異步電動機在自然接線時的最大轉矩為 T = = ()emax)X(2Ek3210w??D023式中，E 為轉子額定相電動勢(s=1 時) ；k 為定子與轉子的匝數(shù)比；X 為折20 0D算到轉子側的每相漏電抗。 串級調速異步電動機工作在第一工作區(qū)內的機械特性交流異步電動機的電磁轉矩為 T = = = ()e0MP?s0s式中，P 為串級調速系統(tǒng)的電磁功率，P 為轉差功率， 為同步角速度。Ms?0當忽略轉子電阻損耗及轉子整流元件的損耗時，轉子整流器的輸出功率就等于轉差功率，即 P =U I =(sE I ()sd0d)sX3Dd?式中，E 為 s=1 時轉子空載整流電動勢，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 為串級調速系統(tǒng)理想空載(I =0)轉差率，即 s = cos 。0 d02ET?將式()對 s 求導可求出第一工作狀態(tài) T 表達式的最大轉矩所對應的臨界轉e差率 s ，其值為mc