【正文】 波形發(fā)生畸變，其電流的高次諧波分量引起無功的畸變功率，使串級調速系統(tǒng)的總功率因數(shù)亦變壞。提高功率因數(shù)的關鍵是如何減少從電網(wǎng)中吸收的無功功率。 串級調速系統(tǒng)的功率因數(shù) 補償 ? 對于寬調速的串級調速系統(tǒng) ， 隨著轉差率的增大 ， 系統(tǒng)的功率因數(shù)還要下降 ， 這是串級調速系統(tǒng)能否被推廣應用的關鍵問題之一 。 ? 常用的方法是增加靜止無功補償裝置－電力電容器 ， 采用無功就地補償來解決 。 功率因數(shù)改善途徑 ? 幾種改進串級調速方案分析 1 三相四線雙晶閘管串級調速系統(tǒng) 三相四線雙晶閘管串級調速的核心是在異步電動機轉子回路串入 4線式變流器，該電路用輔助的晶閘管為無功功率提供了通路，從而提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。其控制方法是通過控制主橋晶閘管和輔助晶閘管輪流導通，使逆變橋直流側電壓在線電壓與相電壓之間跳變，從而達到提高功率因數(shù)的目的。 2 新型 GTO串級調速系統(tǒng) 新型 GT0串級調速系統(tǒng)是在逆變器的直流側并聯(lián)一個 GTO元件，并通過 PWM方式控制 GT0的導通和關斷，改變直流回路逆變電壓，從而調節(jié)電動機轉速。該方案中PWM的控制方式，可按逆變器的逆變角 β固定在正角或 β角固定在負角兩種不同方式控制，達到不同情況下提高裝置功率因數(shù)的目的。 ? 為改善串調系統(tǒng)運行功率因數(shù)和電網(wǎng)電壓波形的畸變，逆變器的連接方式可以有許多種：縱序控制或稱順序控制方式，斬波控制串級調速系統(tǒng)。 ? 斬波控制串級調速系統(tǒng)與常規(guī)串級調速系統(tǒng)不同之處在于轉子直流回路中加入了直流斬波器 CH，轉子整流器通過斬波器與逆變器相連接。斬波器可以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電路。在本系統(tǒng)中逆變器的控制角可取為較小值，且固定不變，故可降低無功損耗，而提高功率因數(shù)。 串級調速裝置的電壓和容量 ? 串級調速裝置是指整個串級調速系統(tǒng)中除異步電動機以外為實現(xiàn)串級調速而附加的所有功率部件 ， 包括轉子整流器 、 逆變器和逆變變壓器 。 從經(jīng)濟角度出發(fā) ， 必須正確合理地選擇這些附加設備的電壓和容量 ，以提高整個調速系統(tǒng)的性能價格比 。 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機轉子的額定電流和所拖動的負載電流 IrN； ? 電壓定額則決定于異步電動機轉子的額定相電壓 （ 即轉子開路電動勢 Er0 ） 和系統(tǒng)的調速范圍 D。 這里 n1為同步轉速 。 1m innDn?(230) 其中， nmin 是調速系統(tǒng)的最低轉速，對應于最大理想空載轉差率 smax ，由式（ 27）可得 m in 1 m a x( 1 )n n s??m a x11sD??（ 231） 調速范圍越大時， smax也越大，整流器和逆變器所承受的電壓越高（ smax Er0 ）。 逆變變壓器容量 ? 在交流串級調速系統(tǒng)中 ， 設置逆變變壓器的主要目的就是取得能與被控電動機轉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)的浪涌電壓對晶閘管的影響 。 逆變變壓器容量 這樣 ， 由式 （ 26） 可以寫出逆變變壓器的二次側相電壓 UT2和異步電動機轉子電壓之間的關系 。 一般取 βmin=30?， 則 m a x 02m inc o srTsEU??m a x 02 m a x 01 .1 5c o s 3 0rTrsEU s E??逆變變壓器容量 逆變變壓器的二次側相電壓 )11( 0r2T DEU ??（ 232） T 0 2 T13 . 4 5 ( 1 )rW E I D??（ 233） 逆變變壓器的容量計算 雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng) ? 由于串級調速系統(tǒng)機械特性的靜差率較大 ， 所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調速精度要求不高的場合 。 為了提高靜態(tài)調速精度 ， 并獲得較好的動態(tài)特性 ， 須采用閉環(huán)控制 ， 和直流調速系統(tǒng)一樣 ， 通常采用具有電流反饋與轉速反饋的雙閉環(huán)控制方式 。 由于串級調速系統(tǒng)的轉子整流器是不可控的 ， 系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動作用 ， 所謂動態(tài)性能的改善只是指起動與加速過程性能的改善 ， 減速過程只能靠負載作用自由降速 。 雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)原理圖 圖 213 雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng) 控制環(huán)節(jié)說明 圖 213所示為雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉速反饋信號取自異步電動機軸上聯(lián)接的測速發(fā)電機，電流反饋信號取自逆變器交流側的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉子直流回路。 為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調節(jié)器ACR輸出電壓為零時，應整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為 ? = ?min 。 比較 ? 圖 213 所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調速系統(tǒng)一樣 ， 具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(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機轉子回路實現(xiàn)的 。 ? 由于串級調速系統(tǒng)的轉子整流器是不可控的 ， 系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動作用 ， 減速過程只能靠負載作用自由降速 。 * 串級調速系統(tǒng)的起動方式 ? 串級調速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動勢而工作的 ， 為了使系統(tǒng)工作正常 ， 對系統(tǒng)的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證 。 總的原則是在起動時必須使逆變器先電機而接上電網(wǎng) ， 停車時則比電機后脫離電網(wǎng) ， 以防止逆變器交流側斷電 ， 使晶閘管無法關斷 ， 造成逆變器的短路事故 。 ? 串級調速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種 。 間接起動 ?大部分采用串級調速的設備是不需要從零速到額定轉速作全范圍調速的 ，特別對于風機 、 泵 、 壓縮機等機械 ，其調速范圍本來就不大 ， 串級調速裝置的容量可以選擇比電動機小得多 。 ?串級調速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種 。 間接起動 ? 為了使串級調速裝置不受過電壓損壞 ， 須采用間接起動方式 ， 即將電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(tǒng)的設計最低轉速時 ， 才把串級調速裝置投入運行 。 ? 由于這類機械不經(jīng)常起動 ， 所用的起動電阻等都可按短時工作制選用 ， 容量與體積都較小 。 從串電阻起動換接到串級調速可以利用對電動機轉速的檢測或利用時間原則自動控制 。 間接起動原理圖 圖 220串級調速系統(tǒng)間接起動控制原理圖 間接起動操作順序 S，使逆變器在 ?min 下等待工作。 K1 ，接入起動電阻 R , 再接通 K0 ，把電機定子回路與電網(wǎng)接通，電動機便以轉子串電阻的方式起動。 nmin（ smax）時接通 K2 ，使電動機轉子接到串級調速裝置，然后斷開 K1 , 切斷起動電阻，此后電動機就可以串級調速方式繼續(xù)加速到所需的轉速運行。 停車操作順序 ，應先將轉速降至 nmin , 再合上 K1 ，然后斷開 K2 ，使電動機轉子回路與串級調速裝置脫離； K0 ，以防止當 K0斷開時在轉子側感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器 。 直接起動 ?直接起動又稱串級調速方式起動 ， 用于可在全范圍調速的串級調速系統(tǒng) 。在起動控制時讓逆變器先于電動機接通交流電網(wǎng) ， 然后使電動機的定子與交流電網(wǎng)接通 ， 此時轉子呈開路狀態(tài) ，可防止因電動機起動時的合閘過電壓通過轉子回路損壞整流裝置 ， 最后再使轉子回路與整流器接通 。 直接起動操作順序 S K0 K2 ， 此時不需要起動電阻 。 當轉子回路接通時 ， 由于轉子整流電壓小于逆變電壓 ， 直流回路無電流 ， 電動機尚不能起動 。 ， 隨著 ? 的增大 ， 逆變電壓降低 ， 產(chǎn)生直流電流 ， 電動機才逐漸加速 ， 直至達到給定轉速 。 * 繞線轉子異步風力發(fā)電機組 ? 風能是一種重要的可再生能源 ， 利用風力發(fā)電具有清潔 、 無污染且占地小等獨特優(yōu)點 ， 因此風力發(fā)電技術已成為當前運動控制學科研究的一個熱點 。 風能具有隨機性和間歇性的特點 ， 風速往往是在不停的變化之中 ， 而且變化范圍很大 ， 因此風力發(fā)電機組的轉速與輸出電功率也會隨之變化 ，當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行時 ， 必須要求風力發(fā)電機組發(fā)出的電能頻率與相位和電網(wǎng)頻率與相位保持一致 。 繞線轉子異步風力發(fā)電機組 ? 繞線轉子異步發(fā)電機可作為變速恒頻風力發(fā)電機 [56]， 發(fā)電機定子繞組直接與電網(wǎng)連接 ， 轉子繞組由滑環(huán)引出后與轉子側變頻器連接 。 通過轉子回路中的變頻器控制轉差功率的大小和流向來實現(xiàn)變速恒頻 ，實現(xiàn)發(fā)電機組的并網(wǎng)運行 ， 見圖 215。 ? 轉子側和電網(wǎng)側變頻器均采用 PWM四象限變頻器 ， 則轉差功率可以由轉子輸出至電網(wǎng)或由電網(wǎng)輸入轉子 ， 發(fā)電機運行在超同步回饋制動狀態(tài)或次同步回饋制動狀態(tài) ，大大拓寬了風力發(fā)電機的速度范圍 。 繞線轉子異步風力發(fā)電機組原理圖 圖 215 繞線轉子異步風力發(fā)電機組原理圖 次同步回饋制動狀態(tài) ? 當風速較低時，發(fā)電機轉速 n小于定子旋轉磁場同步轉速 n1，電網(wǎng)側變頻器處于整流工作狀態(tài)而轉子側變頻器處于逆變狀態(tài)，電網(wǎng)通過變頻器向轉子提供轉差功率 Ps=sP1 ，若轉子軸上輸入機械功率為 Pmech ，則發(fā)電機定子輸出電功率 : 轉子軸上輸入機械功率 Pmech和轉子繞組輸入電功率 Ps都通過定子繞組饋送到電網(wǎng)。 1 1 1 1( 1 )m e c h s m e c hP P P P sP s P sP? ? ? ? ? ? ?超同步回饋制動狀態(tài) ? 當風速較高時，發(fā)電機轉速 n大于定子旋轉磁場同步轉速 n1，轉子側變頻器處于整流工作狀態(tài)而電網(wǎng)側變頻器處于逆變狀態(tài)，此時發(fā)電機轉子輸出轉差功率 Ps=sP1 ，其中 s0 ,轉子軸上輸入機械功率為 Pmech ，則發(fā)電機定子輸出電功率 : 轉子軸上輸入機械功率 Pmech通過定子繞組和轉子繞組饋送到電網(wǎng)。 1 m e c h s m e c h s m e c h sP P P P P P sP? ? ? ? ?