【正文】 串級調(diào)速系統(tǒng)中還能限制逆變顛覆時短路電流上升率。逆 變變壓器還能起到使電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路與交流電網(wǎng)之間電隔離的作用，減弱大功率晶閘管裝置對電網(wǎng)波形的影響，并限制晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率 /dudt 和通態(tài)電流臨界上升率 /didt 。 逆變變壓器起到了電動機(jī)轉(zhuǎn)子電壓與電網(wǎng)電壓匹配的作用，其二次側(cè)電壓 2tU 不但與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢 E2 有關(guān) ，還與調(diào)速范圍有關(guān)。逆變器逆變電壓 iU 即為轉(zhuǎn)子回路中串入的附加直流電動勢。工作在有源逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置除提供可調(diào)的直流電壓 iU 外還可將經(jīng) 整流裝置整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變，并回饋到交流電網(wǎng)。根據(jù)以上兩點要求，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)生附加直流電動勢的電源。首先，它應(yīng)該是平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對電動機(jī)轉(zhuǎn)素平滑調(diào)節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的家度考慮，希望產(chǎn)生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。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)的直流變壓問題，使問題的分析與工程實現(xiàn)方便多了。 圖 22 串級調(diào)速 低于同步速度電動狀態(tài) 運(yùn)行 下的能量傳遞關(guān)系 在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動勢調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個可變頻、可變幅的電壓。由于電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下工作，故稱為次同步轉(zhuǎn)速的電動運(yùn)行。 由于軸上帶有反抗性負(fù)載，電機(jī)在 Ten 坐標(biāo)系的 的第一象限作電動運(yùn)行，轉(zhuǎn)差率為 0s1。若在轉(zhuǎn)子側(cè)每相加以 附加電動勢 Eadd,根據(jù)式（ 23），轉(zhuǎn)子電流 Ir 將減少，從而 使電機(jī)減速，并進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)工作。這里僅研究電機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作電動運(yùn)行狀態(tài)。忽略機(jī)械損耗和雜散損耗時，異步電動機(jī)在任何工況下的功率關(guān)系都可寫作 ： (1 )m m mp sP s P? ? ? （ 25） 式中 mP 從電機(jī)定子傳入轉(zhuǎn)子（或由轉(zhuǎn)子傳出給定子）的電磁功率； msP 輸入或輸出轉(zhuǎn)子電路的功率，即轉(zhuǎn)差功率； (1 ) msP? 電機(jī)軸上輸出或輸入的功率。這個調(diào)節(jié)過程必然在轉(zhuǎn)子側(cè)成功率的傳 送，可以是把轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率傳輸?shù)脚c之相連的交流電網(wǎng)或外電路去，也可以是從外面吸收功率到電機(jī)轉(zhuǎn)子中來。所以，在電 機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)引入同相的附加電動勢后，電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路的合成電動勢增大了，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電動機(jī)必然加速，因而S 降低，轉(zhuǎn)子電動勢 Er=sEr0 隨之減少 ，轉(zhuǎn)子電流也逐漸減少，直至轉(zhuǎn)差率降低到 21ss? 時，轉(zhuǎn)子電流 Ir 又恢復(fù)到負(fù)載所需要的原值，電動機(jī)便進(jìn)入新的更高轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)電動機(jī)帶有恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL 時，可近似地認(rèn)為不論轉(zhuǎn)速高低轉(zhuǎn)子電流都不會變，這時，在不同 s值下的式（ 22）和式（ 23）應(yīng)相等。 如在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個可控的交流附加電動勢，此附加附加電動勢與轉(zhuǎn)子電動勢 rE 有相同的頻率，并與 rE 同相（或反相）串接，如圖 21所示。此外，轉(zhuǎn)子頻率 2f 也與 s成正比， 21f sf? 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計說明書 3 第二 章 串級調(diào)速原理 與主電路設(shè)計 串級調(diào)速原理 : 異步電動機(jī)運(yùn)行時其轉(zhuǎn)子相電動勢為： 0rrE sE? （ 21） 式中 s異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； 0rE 繞線轉(zhuǎn)子 異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子不動時的相電動勢，或稱轉(zhuǎn)子開路電動勢，也 就是 轉(zhuǎn)子額定相電壓值。這次設(shè)計， 讓我更深刻的理解串級調(diào)速的原理知識，而且還能鍛煉個人動手 能力和設(shè)計能力，加強(qiáng)本環(huán)節(jié)知識的掌握，對個人以后 更好 工作學(xué)習(xí) 打下基礎(chǔ)。不久的將來，串級調(diào)速裝置定會進(jìn)入生產(chǎn)個領(lǐng)域，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 晶閘管功率變換裝置是交流電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)中的核心部分，它目前存在以下幾個問題：裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)備初期投資較高，在一定程度上限制了交流調(diào)速的推廣；存在諧波，對電網(wǎng)造成一定程 度的污染；功率因數(shù)還不夠高，特別是在低轉(zhuǎn)速時功率因數(shù)會更低。其中低同步的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)，不僅具有良好的調(diào)速性能以及能把轉(zhuǎn)差能量回饋電網(wǎng)，而且還結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高 ， 技術(shù)上已經(jīng)成熟。 串級調(diào)速 能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機(jī)械特性也比較硬 ，它 完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的缺點，具有高效率、無級平滑調(diào)速、較硬的低速機(jī)械特性等優(yōu)點， 是一種經(jīng)濟(jì)、高效的調(diào)速方法。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的。 這種在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接附加電動勢的調(diào)速方法稱為串級調(diào)速。1 引 言 繞線異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子回路中串接一個與轉(zhuǎn)子電動勢 2sE 同頻率的附加電動 addE通過改變 addE 值大小和相位可實現(xiàn)調(diào)速。 這樣，電動機(jī)在低速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)差率只有小部分被轉(zhuǎn)子繞組本身電阻所消耗，而其余大部分被附加電動勢 addE 所 吸收，利用產(chǎn)生 E 的裝置可以把這部分轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)，使電動機(jī)在低速運(yùn)行時仍具有較高的效率。 串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級調(diào)速可以將異步電動機(jī)的功率加以應(yīng)用（回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機(jī)械能送回到電動機(jī)軸上），因此效率高。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計說明書 2 第一章 緒 論 串級調(diào)速 技術(shù) 發(fā)展 概況 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近代均采用在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串聯(lián)晶閘管功率變換器完成回饋任務(wù)，這樣就構(gòu)成了由繞線式異步電動機(jī)與晶閘管變流器共同組成的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)。性能更優(yōu)越的超同步晶閘管串級調(diào)速也正在發(fā)展當(dāng)中。 盡管如此，今年來串級調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外仍然突飛猛進(jìn)的發(fā)展，大量新器件的出現(xiàn)和新技術(shù)的發(fā)展，使得串級調(diào)速性能指標(biāo)大大提高，有些問題已得到根本的突破。 本 課題 主要 內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo) 此次設(shè)計主要內(nèi)容是讓我們應(yīng)用已掌握的知識，完成 晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 、參數(shù) 定額計算、以及系統(tǒng)的建模與仿真，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。預(yù)計設(shè)計能完成調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計以及各個 環(huán)節(jié)參數(shù)的計算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模仿真，得到比較理想的系統(tǒng)工作特性曲線。 式（ 11）表明，繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)工作時，其轉(zhuǎn)子電動勢 Er 值與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流 Ir 的表達(dá)式為： 0220()rrrrsEI R sX? ? （ 22） 式中 rR 轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； 0rX s=1 時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。此時轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式 為： （ 23） 圖 21 0rrE sE? addE M～ ～ ～ ～ Ir 0220()r ad drrsE EIr R sX?? ? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計說明書 4 當(dāng)電機(jī)處于電動狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)子電流 Ir 與負(fù)載大小有直接關(guān)系。設(shè)在未串入附加電動勢前電動機(jī)原來在某一轉(zhuǎn)差率 S1 下穩(wěn)定運(yùn)行。此時式（ 22）與式（ 23）的平衡關(guān)系為： 1 0 2 02 2 2 21 0 2 0( ) ( )r r ad dr r r rs E s E EIrR s X R s X????? （ 24） 同理可知，若減少 +Eadd 或串入反相的附加電動勢 Eadd，則可使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。 如上所述，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢并改變其數(shù)值，就可以實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。從功率傳送的角度看，可以認(rèn)為是用 控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)差率的大小與流向來實現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)節(jié)。 由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電勢的極性和大小的不同， s和 Pm 都是可正可負(fù)的， 因而可以有五種不同的工作情況。 設(shè)異步電機(jī)定子接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子短路， 且軸上帶有反抗性的負(fù)載（對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為 Irn） ,此時 電機(jī)在固有機(jī)械特性上一額定轉(zhuǎn)差綠 Sn 運(yùn)行。此時，轉(zhuǎn)子回路的電勢平衡方程式 102 2 210r ad drNrrs E EI R s X?? ? s1sn （ 26） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 如果不斷加大 addE? 值，將使 s值不斷增大，實現(xiàn)了對電機(jī)的調(diào)速。對照式（ 25）可知，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)子損耗后從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送會電網(wǎng)，功率流程 如 圖 22 所示。 晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)是在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)用大功率的晶閘管或二極管，將轉(zhuǎn)子的 交流電變?yōu)橹绷麟?，再用晶閘管逆變器將轉(zhuǎn)子電流返回電源以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方式。對 于只用于次同步電動狀態(tài)的情況來說，比較方便的方法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)然對這一直流附加電動勢要有一定的技術(shù)要求。把轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)這樣才能提高調(diào)速 系統(tǒng)的效率。 eT mP msP 1 n1 (1 ) msP? 0 n1 s,n CUU ~ 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主 電 路 設(shè)計 圖 23 晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路 上圖為晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路圖， M 為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子相電 動勢 0rsE 經(jīng)過三相不可控整流裝置整流，輸出直流電壓 dU 。 轉(zhuǎn)子整流器和產(chǎn)生附加直流反電動勢的晶閘管有源逆變器，均采用三相橋式電路。直流回路電 流 Id 決定于拖動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)負(fù)載一定時， dI 為定植，改變逆變器的逆變角 ? ，逆變電壓iU 相應(yīng)改變，便實現(xiàn)調(diào)速。調(diào)速范圍越大，要求 2T 的值越高。 轉(zhuǎn)子回路中接入的電抗器 Ld， 可以 使小負(fù)載時電流連續(xù)并限制電流脈動分量。 保護(hù)電路，交流側(cè)采用阻容吸收和壓敏電阻作為 過電壓 保護(hù)電路， 對于電路中晶閘管和二極管則采用 阻容吸收和壓敏快速熔斷器做過電流保 護(hù)。 換相重疊角為： 0022a r c c o s [ 1 ] a r c c o s [ 1 ]66D d D drrs X I X Is E E? ? ? ? ? （ 2— 7） 其中， XD0—— s=1 時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機(jī)釘子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。當(dāng) Id 較小，在 0 度到 60 度之間時，整流電路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。強(qiáng)迫延時換相只說明在 Id 超過某一值時，整流器件比自然換相點滯后 p? 角換流，但從總體上看， 6 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 個器件在 360 度內(nèi)輪流工作，每一對器件的換流過程最多只能是 60 ，也就是說， Id再大，只能是 ? =60 不變。 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)分析式來表示串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。 ,D s rR sR R?? 是折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的每相等效電阻。 異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng) 的逆變電