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1、第4章 交流调压调速系统和串级调速系统,第一节 概 述第二节 交流异步电动机调压调速系统第三节 绕线式异步电动机串级调速系统,一、交流调速系统的特点（1）容量大。（2）转速高且耐高压。（3）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。（4）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流 拖动系统一样的性能指标。（6）交流调速系统能显著地节能。从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。,二、交流调速系统的分类 从交流电机转速表达式：,可归纳出三类调速方法：变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。,原始的分类方法有：1）变极调速；2
2、）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；3）变频调速。,科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率回馈型调速系统转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。特点：效率高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。,图4-1 异
3、步电动机在不同电压下的机械特性,2、调压调速方法 获取交流调压电源的方法：（1）调压器调压 如图4-2（a）所示。,图4-2 异步电动机调压调速原理,图4-4 晶闸管相位控制下的负载电压波形,图4-3 晶闸管单相调压电路,2）开关控制方式 把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/tp来调节。输出电压波形如图4-5所示。,图4-5 晶闸管开关控制下的负载电压波形,特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。,电路正常工作的条件：（1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。（2）要求采用宽脉冲或双
4、窄脉冲触发电路。（3）要求U、V、W三相电路中正向晶闸管的触发信号相位互差120，三相电路中反向晶闸管的触发信号相位也互差120；但同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差 180。根据上面的结论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60。,三、闭环控制的调压调速系统（一）异步电动机调压调速时的机械特性,1、普通异步电动机调压调速时存在的问题 1）普通异步电动机调压时调速范围不大（恒转矩负载），如图4-1中A、B、C点；2）在ssm的低速段，调速范围虽大，但系统运行不稳定，且低速时，转差功
5、率增大，转子阻抗减小，转子电流增大。2、解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图4-7所示。,图4-7 高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性,可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。,（二）闭环控制的调压调速系统 转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速 静差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。,（a）原理图,（b）静特性 图4-8 转速闭环调压调速系统,（四）调压调速系统的可逆运行及制动,图4-10 电动机的正、反转及制动电路,（四）调压调速系统的可逆运行及制动,1、可逆运行 方法：改变定子供电电压的相序，如图4-10所示。图中晶闸管
6、16供给电动机定子正相序电源；而晶闸管710及1、4供给定子反相序电源。2、反接制动与能耗制动 反接制动时，工作的晶闸管为供给反相序电源的6个元件。耗能制动时，可不对称地控制某几个晶闸管工作。例：使1、2、6三个元件导通，其它元件都不工作，这样就可使电机定子绕阻中流过直流电流，实现能耗制动。所以调压调速系统具有良好的制动特性。,四、电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理,1、电磁转差离合器的组成 它由电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。1)直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电供电，产
7、生固定磁场；2)机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；3)电枢：圆筒形实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套在异步电动机5的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生涡流；4)磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴6上而输出转矩，在机械上与电枢3无连接，借助气隙分开；5)异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；6)从动轴：输出机械转矩；7)是磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分。,2、电磁转差离合器的转动原理1）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座气隙电枢气隙磁极导磁体机座；2）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，在槽间部分磁力
8、线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；3）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；4）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，与主磁通合成并产生转矩；5）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就带着生产机械一同旋转。,3、电磁转差离合器的转速和转向1）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小；2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。,2、电磁转差离合器闭环调速系统电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得10:1的调速范围。闭环系统的组成与相应的静特性如下图所示。,
9、当转子串入的附加电势Ef相位与转子电势sE20的相位相差180时，电机在额定转速以下调速，称为次同步调速。当附加电势Ef相位与转子感应电势sE20的相位相同时，串级调速可向高于同步转速的方向调速。,（三）串级调速系统的基本类型 工程上获取与转子感应电势sE20反相位同频率且频率随转子频率变化的交流变频电源Ef比较困难，所以在次同步串级调速系统中采用整流器将转子电势sE20整流为直流电势，再与转子回路中串入的直流附加电动势E进行比较。而可调直流附加电动势E在工程上比较容易实现。按产生直流附加电势方式的不同，次同步串级调速系统可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。,2、机械串级调速系统 机械串
10、级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势E由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势E的值，实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：（1-s）P2+sP2=P2=常数。具有恒功率调速特性。,（二）串级调速系统的机械特性与最大转矩 因转子整流器有第一和第二工作状态，所以串调系统机械特性也有第一和第二两个工作区。串调系统的额定工作点位于机械特性第一工作区；串调系统在该区的过载能力比绕线式异步电机固有特性的过载能力降低了17左右。而最大转矩发生在第二工作区。,串调系统的机械特性比绕线异步电动机固有机械特性软，最大转矩比固有机械特性的小。,整定触
11、发脉冲，使逆变角为最小值min。通常min限制为30，以防止逆变失败。当ACR的输出电压为上限幅值时，应整定逆变角为最大值max=90。利用ASR的输出饱和限幅值和ACR的电流负反馈调节作用，使双闭环串调系统在加速过程中实现恒流升速，获得良好的加速特性。,（二）闭环串调系统动态结构图 双闭环串调系统的设计方法与双闭环直流调速系统基本相同，通常也采用工程设计方法。即先设计电流环，然后把设计好的电流环看作是速度环中的一个等效环节，再进行转速环的设计。应用工程设计方法进行动态设计时，电流环宜按典系统设计，转速环宜按典系统设计。,图4-23 双闭环串级调速系统的动态结构图,五、串级调速系统的效率和功率
12、因数（一）串调系统的总效率是指串调系统电机轴上的输出功率与从电网输入的总有功功率之比。下图是反映串调系统各部分有功和无功功率间关系的单线图。,6、串级调速系统的总效率,由于大部分转差功率被送回电网，使串级调速系统从电网输入的总有功功率并不多，故串级调速系统的效率很高。效率可达90以上。,(二)串级调速系统的总功率因数 晶闸管串调系统功率因数低。主要原因：1、逆变变压器和异步电机都要从电网吸收无功，故串调系统比固有特性下异步电机从电网吸收的无功增多，而串调系统把转差功率的大部分又回馈给电网，使系统从电网吸收的有功减少，这是造成串调系统功率因数低的主要原因。例：1)串调系统从电网吸收的有功功率Pw
13、等于异步电机从电网吸收的有功P1与通过逆变器回馈到电网的有功功率-PT的代数和，即PW=P1-PT，有功功率减少；2)串调系统从电网吸收的无功Qw等于异步电机吸收的无功Q1与逆变变压器吸收的无功QT之和，即Qw=Q1+QT，无功功率增加。,串调系统的总功率因数降低为,式中 PW串调系统从电网吸收的总有功功率；S串调系统的总视在功率。2、由于串调系统接入转子整流器，不仅出现换流重叠现象，还使转子电流发生畸变，这将使异步电机本身的功率因数降低，这是造成串调系统功率因数低的另一个原因。为改善串调系统的功率因数，提出多种解决方法，可归为两大类：一类是利用电力电容器补偿；另一类是采用高功率因数的串级调速系统。,
