第5章交流调压调速和串级调速

2．相位控制 通过控制晶闸管的导通角α，得到不同的电压 波形，如图5.2.7所示，从而起到调节电压的 作用。相位控制时输出电压较为准确，调速精 度较高，快速性好，低速时转速脉动较小，但 这种控制方式，会产生成分复杂的谐波，对电 网造成谐波污染，常用于中小功率、调速精度 与稳定性要求较高的场合。
5.2.3 调压调速系统的组成及特性 1．系统组成 采用普通异步电动机调压调速时，调速范围佷 窄，采用高转子电阻的力矩电动机时调速范围 是增大了，但机械特性却很软，当负载稍有波 动，就会引起很大的转速变化，难以实际使用， 因此对于恒转矩负载时，为提高机械特性硬度， 扩大调速范围，减少静差率，采用闭环控制。 带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图如图 5.2.8所示。
U1 K n K s (U n n) K n K s [U n n0 (1 s)]
* *
式中，n0为异步电动机的同步转速。已知异步电 动机机械特性的实用表达式为
2Te (max) Te sm s s sm
(5.2.6)
当电动机在额定负载以下运行时，转差率S很小, S Sm 则 S m << ，故式（5.2.6）可近似写成
将式（5.2.1）对s 求导，并令其导数为零，即 dTe 0, 得
ds
sm
r2' r ( x1 x )
2 1 ' 2 2
Te max
3 pU 12
' 2f1[r1 r12 ( x1 x2 ) 2 ]
可见，随着定子电压的降低， Te max 与定子电压 的平方成正比地下降，而 s m 与 U 1 无关， 保持不变。
1．变极调速 当定子频率一定时，改变定子的磁极对数即可 改变同步转速n0，从而达到调速的目的。变极 对数可通过改变定子绕组的接线方式实现。也 可由独立的两套或三套不同极对数的绕组，形 成双速电机或三速电机。 特点：简单方便、效率高，但由于极对数是成 对变化的，故为有极调速。
2．变转差率调速 （1）降电压调速 当负载转矩一定时，改变电机定子电压，可以 使电机在不同的转差率下运行，从而达到转速 调节的目的。 特点：可实现平滑的无级调速，但低速时调速 性能较差，对恒转矩负载调速范围有 限。
3． 变频调速 通过改变异步机的定子频率即可改变同步转 速，从而达到调速的目的。 特点：效率高、调速性能好，可实现无级调速， 但调速装置成本较高，调速原理较复杂。 对于同步机采用变频调速尤为重要，因为同步机 没有转差，只有变频。
按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子 的电磁功率Pm可分为两部分： ① Pmech=(1-s)Pm是拖动负载的有效功率，称 为机械功率； ② Ps=sPm是传输给转子电路的转差功率，与 转差率成正比。 从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是 消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高 低的标志。
需要指出的是，这种系统存在失控区（图 5.2.10的阴影部分）。在额定电压 U1N 下的机 械特性和最小输出电压 U1(min) 下的机械特性是 闭环静特性左右两边的极限，即当负载变化达 到两侧极限时，闭环系统便失去控制能力，回 到开环机械特性上工作。
将式（5.2.5）、（5.2.8）代入式（5.2.7）得：
2 3 pKn K s 2s 3 pU1 * Te U n n0 (1 s) s sm 21 xk 1 x k s m 2 2 2


K U n n0 (1 s ) s
*


2
(5.2.9)
式中，
第5章 交流调压调速和串级调速
5.1 概述
5.1.1交流电机的调速方法及其分类 交流异步电动机的转速公式为：
60 f1 1 s n0 1 s n p
式中，f1为定子电压频率；p为极对数； s为转差率；n0为同步转速。
可见，交流异步电动机调速方法分为： 变频调速 变极对数调速 变转差率调速 其中变转差率的方法又可以通过调定子电 压、转子电阻、转差电压等方法实现。
（2） 转子串电阻调速 在定子电压一定时，改变绕线式异步机转子的 外接电阻大小，从而达到转速调节的目的。 特点：简单方便，但效率低、调速性能差，且 为有级调速。
（3）双馈调速 所谓“双馈”是指把绕线式异步电机的定子绕 组和转子绕组分别与交流电网或其它含电动势 的电路相联接，使其能进行电功率的相互传递。 这种调速方法常用于风力发电、大功率风机系 统的调速。 异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的 双馈调速系统，习惯上被称为“电气串级调速 系统”。
2．系统的静特性 系统的静态结构图如图5.2.9所示，根据静态 结构图，可求出个环节输出量与输入量的关系
U c K n (U n U n )
*
U1 K s U c
Un n
(5.2.4)
式中，Kn为ASR的静态放大倍数；Ks为触发调 压部分的放大倍数；α为测速反馈系数。
由式(5.2.4)可得：
（1）转差功率消耗型调速系统 Ps全部转换成热能消耗在转子回路中。调压、 电磁转差离合器、串电阻调速方法属于这一类。 （2）转差功率回馈型调速系统 除转子铜耗外，大部分Ps通过变流装置转为有 用功率。串极调速方法属于这一类。 （3）转差功率不变型调速系统 Ps只有转子铜耗，且无论转速高低，Ps基本 不变。变极、变频调速方法属于这一类。
n 设系统的给定电压为 U * , 当负载转矩为 TL 时， 系统工作在特性2的a点上。如负载转矩增 ' TL ,则 T n U U ，系统过渡到特性4 为 的b点。这时电动机输出的转矩增大，以平衡 增大了的负载转矩 TL ' 。同理，负载转矩降低 '' TL 时 ，系统工作在特性1上的c点，按照反 至 馈控制规律，将工作点c、a、b连起来，便是 得到系统的闭环静特性了。
晶闸管调压器的控制方式有两种： 1．通断控制（周波控制） 晶闸管的控制角为0o ，将负载与电源接通一个 或几个完整的工频周期Tf，然后再断开几个工频 周期Tf，即控制一个循环周期Tr内导通的工频周 期数，可控制加在负载上电压有效值的大小， 从而起到调压作用，见图5.2.6所示。
由于周波控制采用了“零”触发的控制方式， 几乎不产生谐波污染。但由于在导通周期内电 动机承受的电压为额定值，而在间歇周期内电 动机承受的电压为零，所以，加在电动机上的 电压变化剧烈，使转速脉动大，在低速时影响 尤为严重，故常用于大容量、热惯性时间常数 大、调速范围小的场合。
L n 1
可见，采用闭环控制后，当负载发生变化时，通过转 速负反馈，自动调节电动机定子上的电压，以保持电 动机的速度不变。系统的闭环静特性实际上是在几个 不同电压所对应的机械特性上各取一点，组成一条新 的、较硬的特性。所以尽管交流调压调速系统的开环 机械特性和直流调速系统的开环机械特性差别很大， 但在不同开环机械特性上各取一相应的工作点，连接 起来得到系统闭环静特性的分析方法是完全一致的。 如果在图5.2.8的系统中，转速调节器采用PI调节器， * 照样可以使系统实现无静差调速。改变 U n ，则静特性 平行的上下移动，达到调速的目的。
（4）电磁转差离合器调速 调速系统有异步电机、电磁离合器和晶闸管整 流电源组成。用晶闸管整流电源为电磁离合器 提供直流励磁。用电磁离合器作为电动机和机 械负载的联轴节，以电动机原动机，恒速运行， 当改变电磁离合器的励磁电流时，机械负载的 转速便发生了变化。通常将电磁离合器与电动 机做在一起，称为滑差电机。 特点：控制简单、运行可高，可实现无级调速， 但低速损耗大，效率低，系统响应慢。
5.2 闭环控制的异步电动机的调压系统
5.2.1 调压调速的工作原理 通过改变异步电动机定子电压来实现异步电 动机转速可调的控制系统称调压调速系统。 调压调速是一种典型的转差功率消耗型调速 系统。
1．调定子电压时的机械特性 由电机学知，在下列假定条件下： （1）忽略空间和时间谐波。 （2）忽略磁饱和。 （3）忽略铁损。 则异步电机的稳态等值电路如图5.2.1所示。
S
Te
2Te(max) sm
s
(5.2.7)
在忽略定子电阻 r1 的条件下，可得电动机的最 大转矩为
Te (max) 3 pU1 ' 21 ( x1 x2 ) 21 xk 3 pU1
2 2
(5.2.8)
式中, xk为异步电动机的短路电抗； 1 为电动机 定子电压的角频率。
（3）特大容量、极高转速的交流调速系统 直流电动机受换向器的限制，其容量转速积 不超过106KW· r/min。而交流电动机不受此限 制，其转速可达每分钟几万转。交流调速在高 速电梯上也有很好的应用实例。
（4） 取代热机、液力、气动控制的交流系统 世界石油资源的衰竭，环境污染促使交流电 动机车辆、电力机车牵引的发展。
3 pKn K s K 1 x k s m
2
2
如电动机参数和系统各环节放大系数已知， 则根据式（5.2.9），可求得在不同给定电 压 U * 时调压调速系统的静特性，如图5.2.10 n 所示。
图中特性1、2、3、4、5为开环机械特性，特 性6、7为闭环静特性，显然，引入速度负反馈 使系统静特性硬度大大提高了。而影响调速精 度的主要因素是放大系数α、 K n K s，它们 、 的选择和直流调速系统类似。 下面结合图5.2.10，从物理概念上分析静特性 的形成过程。
由稳态等值电路得到异步电动机的机械特性方程 式为：
3 pU1 r2 / s Te ' 2f1[(r r2' / s) 2 ( x1 x2 ) 2 ] 1
2 '
上式表明：当n（或s）一定时，电磁转矩 2 Te U1 ，对于不同的定子电压，可以得到一组 人为的机械特性，如图5.2.2所示。
2．调速原理
如图5.2.2所示的调电压时的机械特性： 当电动机带恒转矩负载TL（特性1）工作时，改变定 子电压能实现调速，且机械特性也较硬（图中A点、 B点、C点），但其稳定运行区限制在0～Sm范围内， 故调速范围很小，无法实现低速运行，没有实际意义。 对风机类负载（特性2）， TL Kn ( > 1 )， 稳定 运行区不受 Sm限制，则相应的调速范围较大（图中D 点、E点、F点）。