1、繞線式異步電動機的串級調(diào)速摘 要：串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的。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的功率加以應(yīng)用（回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機械能送回到電動機軸上），因此效率高。它能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵字：異步電動機 串級調(diào)速 原理 基本類型 串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的。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的功率加以應(yīng)用（回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機械

2、能送回到電動機軸上），因此效率高。它能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。一、串級調(diào)速原理及基本類型1.1原理假定異步電動機的外加電源電壓U1及負載轉(zhuǎn)矩ML都不變則電動機在調(diào)速前后轉(zhuǎn)子電流近似保持不變。若在轉(zhuǎn)子回路中引入一個頻率與轉(zhuǎn)子電勢相同，而相位相同或相反的附電勢Ef則轉(zhuǎn)子電流為（ 式1 ）式中：R2：轉(zhuǎn)子回路電阻；sX20：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗E20：轉(zhuǎn)子開路相電勢 電動機在正常運行時，轉(zhuǎn)差率s很小，故R2sX20。忽略sX20有 （ 式2 ）上式中，E20為取決于電動機的一個常數(shù)，所以，改變附加

3、電勢Ef可以改變轉(zhuǎn)差率s，從而實現(xiàn)調(diào)速。設(shè)當(dāng)Ef = 0時電動機運行于額定轉(zhuǎn)速，即n = nN,s = sN ,由（ 式2 ）可見，當(dāng)附加電動勢與轉(zhuǎn)子相電勢相位相反時（Ef前取負號），改變Ef 的大小，可在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，這種調(diào)度方式稱為低同步串級調(diào)速，且附加電勢與轉(zhuǎn)子相電勢相位相同時（Ef前取正號），改變Ef 的大小，可在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速，這種調(diào)度方式稱為超同步串級調(diào)速（即s 0）。串級調(diào)速四種基本狀態(tài)方式下能量傳遞方式如下圖示，圖中不計電動機內(nèi)部各種損耗，即認定定子輸入功率P即為轉(zhuǎn)子輸出功率。晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)是在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)用大功率的晶閘管或二極管，將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差頻率交

4、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轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方式。晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)主回路見下圖二、串級調(diào)速系統(tǒng)主回路主要設(shè)各的參數(shù)計算與選擇1.異步電動機容量的選擇考慮到異步電動機輸出的最大轉(zhuǎn)矩的降低，功率因數(shù)的降低和轉(zhuǎn)子損耗增大等因素，不論對于新設(shè)計的或是改造的都應(yīng)對異步電動機的容量進行重新選擇的計算，串級調(diào)速異步電動機的容量P 計算如下：P = Ki * PD式中：Ki ： 串級調(diào)速系數(shù)，一般取1.2左右。對于在長期低速運行的串級調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)該取大一點。PD ： 按照常規(guī)運算方式計算的電動機容量。從產(chǎn)品手冊中選擇的電動機容量P PD 本設(shè)計采用的是哈爾濱九洲電氣股份有

5、限公司的內(nèi)反饋串級調(diào)速電機及其控制裝置技術(shù)手冊提供的有關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計而成。該電機定額為連續(xù)定額S1，基本防護等級為IP23，基本冷卻方法為ICO1，基本結(jié)構(gòu)和安裝方式為IBM3?？刂齐姍C型號JRNT1512-4額定功率1050KW額定電流121.5A轉(zhuǎn)子電壓/電流1045V / 627A最高/最低轉(zhuǎn)速1484 / 690 r/min效率88.5%功率因數(shù)0.83控制裝置型號JC4-800A/800V2轉(zhuǎn)子整流器的參數(shù)計算與元件選擇（1）最大轉(zhuǎn)差率式中： n1 ：電動機的同步轉(zhuǎn)速，近似等于電動機的額定轉(zhuǎn)速。nmin ：串級調(diào)速系統(tǒng)的最低工作轉(zhuǎn)速D ：調(diào)速范圍 轉(zhuǎn)差率s = （1500-1484）/1

6、500 = 0.01最大轉(zhuǎn)差率smax =(1484 690) / 1484 = 0.535D =nmax/nmin = 1484/690 = 2.15。（2）轉(zhuǎn)子整流器的最大輸出電壓式中：E20：轉(zhuǎn)子開路相電勢 KUV ：整流電壓計算系數(shù)，見下表：則 Udmax = 1.35*1045*(1-1/2.15) =755V（3）最大直流整流電流式中：m ：電動機的電流過載倍數(shù)，近似等于轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)2I2N ：轉(zhuǎn)子線電流額定值KIV ：整流電壓計算系數(shù)，見上表Idr ：轉(zhuǎn)子整流器輸出直流電流額定值 Idr = I2N / KIV1.1 ： 考慮到轉(zhuǎn)子電流畸變等因素的影響而引如的系數(shù)則Idmax =

7、1.1*2*627/0.813 = 1697A4、整流二極管的選擇4.1 ） 整流二極管電壓的選擇設(shè)每個橋臂上串聯(lián)的整流二極管數(shù)目為N=3，則每個二極管的反向重復(fù)峰值UKRM為式中：KUT ： 電壓計算系數(shù)，見上表E2n ：轉(zhuǎn)子開路相電勢KAV ：均壓系數(shù)，一般取0.9。對于元件不要串聯(lián)時取1由上式可見，整流二極管所承受的最高電壓與最低電壓與系統(tǒng)的調(diào)速范圍D有關(guān)，調(diào)速范圍越高，元件承受的電壓越高則：UKRM 4.1 ） 整流二極管電流的選擇在大容量串級調(diào)速系統(tǒng)中，需要將幾個整流二極管并聯(lián)使用。設(shè)并聯(lián)支路數(shù)為Np= 3則每個整流二極管的電流計算如下：式中：KIT ：電流計算系數(shù)，見上表Idmax

8、 ：轉(zhuǎn)子整流器最大直流整流電流KAC ：均流系數(shù)。其值可取0.80.9。對于元件不并聯(lián)的情況下取1（5）逆變囂的參數(shù)計算與元件選擇5.1 ）逆變變壓器的參數(shù)計算 對于不同的異步電動機轉(zhuǎn)子額定電壓和不同的調(diào)速范圍、要求有不同的逆變變壓器二次側(cè)電壓與3其匹配；同時也希逐轉(zhuǎn)子電路與交流電網(wǎng)之間實行電隔離，因此一般串級調(diào)速系統(tǒng)中均需配置逆變變壓器。（1）逆變壓器二次側(cè)線電壓：根據(jù)最低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子最大整流電壓與逆變器最大電壓相等的原則確定：式中： UT2 ：逆變變壓器二次側(cè)線電壓Udmax ： 轉(zhuǎn)子整流器最大輸出直流電壓KUV ： 整流電壓計算系數(shù)。見上表。min ： 最小逆變角，一般取30o（2）逆變變

9、壓器二次側(cè)線電流：式中：IT2 ：逆變變壓器二次側(cè)線電流KIV ：整流電流計算系數(shù)。見上表IdN ： 轉(zhuǎn)子整流器輸出直流電流額定值（3）逆變變壓器一次側(cè)線電流：式中：IT1 ：逆變變壓器一次側(cè)線電流KIL ：變壓器一次側(cè)線電流計算系數(shù)。見上表KT ： 逆變變壓器的變比（4）逆變變壓器等值容量：式中：KST ：變壓器等值容量計算系數(shù)，見上表5.2 ）晶閘管的參數(shù)計算（1）晶閘管額定電壓的選擇在大容量晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中，單個晶閘管的額定電壓不能滿足要求，需要幾個晶閘管串聯(lián)使用。設(shè)每個串聯(lián)橋臂上晶閘管的數(shù)目為N ，則每個晶閘管反向重復(fù)電壓由下式確定：式中：KUT： 電壓計算系數(shù)，如上表KAV ：

10、均壓系數(shù)，其值可取0.80.9。對于元件不需串聯(lián)的情況下取1UT2 ：逆變變壓器二次側(cè)線電壓（2）晶閘管額定電流的選擇設(shè)每個橋臂并聯(lián)元件支路數(shù)為Np ，則每個晶閘管的額定電流為式中：KIT ：電流計算系數(shù)，見上表Idmax ：轉(zhuǎn)子整流器最大直流整流電流KAC ：均流系數(shù)。其值可取0.80.9。對于元件不并聯(lián)的情況下取1(6)平波電抗器電感量的計算轉(zhuǎn)子直流回路平波電抗器的作用是：一，使串級挑速在最小工作電流下仍能維持電流的連續(xù)；二，減小電流脈動，把直流回路中的脈動分量在電動機轉(zhuǎn)子中造成的附加損耗控制在允許的范圍內(nèi)。平波電抗器的電感量計算如下：6.1）保證電流連續(xù)所需要的電感量式中：1 ： 正比與

11、直流電壓中的交流分量的電感計算系數(shù)，從下圖中查UT2 ：逆變變壓器二次側(cè)線電壓KUV ：系數(shù)，見上表Idmin ：直流回路最小工作電流（A）LM ： 異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相電感量（LT ： 逆變變壓器折算到二次側(cè)的每相電感量6.2）限制電流脈動的電感量式中：Kp ：限制電流脈動的電感系數(shù)（ms），其值從下表中查 ： 允許的電流脈動率，一般可取10%左右。6.3）平波電抗器的電感量7啟動方式的選擇7.1、利用串調(diào)裝置直接啟動方式如上圖a示，它不用任何附加起動設(shè)備，而是由串級調(diào)速裝置控制直接起動電動機。這種調(diào)速方式適用于串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍很大幾乎要求能從零開始調(diào)速或者生產(chǎn)機械對起(制)動

12、的加(減)速度有一定要求的場合。對于調(diào)速范圍較小的系統(tǒng)，若選用直接起動方式，是不經(jīng)濟的。另外，對于一個按實際調(diào)速范圍設(shè)計的調(diào)速范圍較小的串級調(diào)速系統(tǒng)，若采用直接起動，則在主回路中會造成較大的沖擊電流，且往往超過允許限度。因此，對于調(diào)速范圍較小且對起(制)動加(減)速度無特殊要求的串級調(diào)速系統(tǒng)，宜采用以下兩種起動方式。7.2、并聯(lián)防加起動設(shè)備的切換起動方式如上圖b示，電動機先用接觸器KM1接入附加起動電阻器(或頻敏變阻器)起動加速(此時KM2是斷開的)，當(dāng)加速到串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)速范圍最低速nmin時，接通KM2，這時逆變控制角應(yīng)為最小值min，即對應(yīng)于最高逆變電壓Umax。然后斷開KM1，逐

13、漸增大，電動機繼續(xù)加速，直到所需要的轉(zhuǎn)速這種起動方式雖然增加了一套附加起動設(shè)備，但轉(zhuǎn)于回路主要設(shè)備的耐壓和容量只需按調(diào)運范圍的要求來選擇，從設(shè)備的總投資上來看是經(jīng)濟合理的。這種方式還有一優(yōu)點，即一旦串級調(diào)連裝置發(fā)生意外故障，異步電動機可以脫離串調(diào)狀態(tài)，而用附加起動設(shè)備正常起動到高速運行。7.3、串聯(lián)起動電阻器起動方式如圖(c)所示，在起動過程中把限流的起動電阻逐漸短接，這種接線方式雖然逆變變壓器的二次側(cè)電壓只得按調(diào)速范圍的大小來選擇但是轉(zhuǎn)子囚路主要設(shè)備元件選用的耐壓等級仍需按從零開始調(diào)速的條件來設(shè)計，為克服這一缺點可采用圖d的接線方式。起動時先將KM3接通，當(dāng)電動機加速到串調(diào)裝置設(shè)計的調(diào)速范圍

14、員低速時，斷開KM3，串調(diào)裝置自動投入運行。8、繼電器接觸器控制電路設(shè)計繼電器接觸器控制電路設(shè)計是否合理，關(guān)系到串調(diào)裝置能否按正確的順序起動、切換、運行、停車，還關(guān)系到裝置的安全及元件的使用壽命。在設(shè)計中要注意以下幾點：1必須有嚴(yán)格的起動和切換順序。由于串調(diào)裝置中硅元件的耐壓等級是按照調(diào)速范圍最低轉(zhuǎn)速時所承受的電壓來選擇的，故繼電操作電路必須保證電動機轉(zhuǎn)速在達到規(guī)定的最低轉(zhuǎn)速以上時才允許切換至串調(diào)運行狀態(tài)。起動順序是：給控制回路送電；接通逆變器主電源轉(zhuǎn)子接入頻敏變阻器，接通定子電源，電動機開始起動，電動機加速至規(guī)定轉(zhuǎn)速時切換至串調(diào)運行，此后立即切斷頻敏變阻器。2必須有正確的停車順序。一般繞線式異步電動機空載勵磁電流較大，為電動機額定電流的25左右，這意味著電動機有較大的磁場能量。因此在電動機分閘時不允許轉(zhuǎn)子開路否則轉(zhuǎn)子側(cè)將產(chǎn)生嚴(yán)重過電壓，甚至擊穿電動機絕緣。停車時也不允