第5章交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)和串級調(diào)速系統(tǒng)5.1交流調(diào)速系統(tǒng)的分類5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)5.3繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)5.4交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)和串級調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真本章小結(jié)習(xí)題與思考題

5.1交流調(diào)速系統(tǒng)的分類

交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)(即感應(yīng)電機(jī))和同步電機(jī)兩大類，每類電機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中介

紹的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進(jìn)行分類。

1.異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

1)按照電動(dòng)機(jī)參變量分類

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

(5-1)

式中,n為交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；p為極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；f為定子電壓頻率。從公式(5-1)可以歸納出交流異步電動(dòng)機(jī)的三類調(diào)速方法：改變極對數(shù)p的調(diào)速方法、改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法以及改變電源頻率f的調(diào)速方法。常見的交流調(diào)速系統(tǒng)有：①變極對

數(shù)調(diào)速；②調(diào)壓調(diào)速；③繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速；⑤電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；⑥變頻調(diào)速，等等。其中②、③、④、⑤均屬于改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法。這是一種比較原始的分類方法。

2)按照異步電動(dòng)機(jī)類型分類

異步電動(dòng)機(jī)分為鼠籠式和繞線式兩大類。其中適用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：變極對數(shù)調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、變頻調(diào)速和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和變頻調(diào)速。

3)按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換類型對電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速進(jìn)行分類，可以更加深入地掌握其基本原理，從更高的角度認(rèn)識交流調(diào)速的本質(zhì)。按照交流異步電動(dòng)機(jī)的基本原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分為兩部分：一部分為機(jī)械功率P2=(1-s)Pm，這是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率；另一部分是轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm，它與轉(zhuǎn)差率s成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度上來看，轉(zhuǎn)差功率是否過大，最終是消耗掉還是得到回收，顯然是評價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的一種標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可把異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分為三大類。

(1)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)：轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)換成熱能而被消耗掉。這類系統(tǒng)的調(diào)速效率低，它們以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低(恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí))，越向下調(diào)速，效率越低，而且這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡單，因而有一定的應(yīng)用場合，如上述的調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速就屬于這類系統(tǒng)。

(2)轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)：這類系統(tǒng)中轉(zhuǎn)差功率的一部分被消耗掉，而其余大部分則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為機(jī)械能加以利用，轉(zhuǎn)速越低，回收的轉(zhuǎn)差功率越多，例如異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速就屬于這一類系統(tǒng)，而且這類系統(tǒng)的效率顯然比上一類系統(tǒng)要高得多。

(3)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)：在這類系統(tǒng)中除轉(zhuǎn)子銅損部分的損耗不可避免外，無論電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此它的效率最高，例如變極對數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速等就屬于這一類系統(tǒng)。但是，變極對數(shù)p的方法只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，應(yīng)用場合有限。只有變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，是最有發(fā)展前途的一類系統(tǒng)。

2.同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

同步電動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型(恒等于0)的，而同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步電動(dòng)機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。

在同步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機(jī)中電刷和換向器的作用，因此有時(shí)又稱為無換向器電機(jī)調(diào)速，或無刷直流電機(jī)調(diào)速。

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種特殊型式的同步電動(dòng)機(jī)，有其獨(dú)特的比較簡單的調(diào)速方法，在小容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。

5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1交流調(diào)壓器

通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子電壓來實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)的控制系統(tǒng)稱為調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)壓調(diào)速是一種典型的轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，它是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法中比較簡便的一種。要實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速，必須在電源和電動(dòng)機(jī)之間設(shè)置一個(gè)交流調(diào)壓器。20世紀(jì)50年代以前，改變交流電壓多采用帶直流磁化繞組的飽和電抗器或自耦變壓器。自從晶閘管出現(xiàn)后，由于它體積小、重量輕、慣性小、控制方便，因而笨重的電磁裝置就被晶閘管組成的交流調(diào)壓器所取代。目前常用的交流調(diào)壓器一般由三個(gè)反并聯(lián)的晶閘管或三個(gè)雙向晶閘管分別串接在三相電路中組成，如圖5-1所示。

主電路的接法可以有多種方案，晶閘管調(diào)壓器的控制方式有通斷控制和相位控制兩種，下面分別簡單加以說明。圖5-1采用晶閘管組成的交流調(diào)壓器

1．通斷控制(周波控制)

在通斷控制方式下，把晶閘管作為開關(guān)使用，這時(shí)晶閘管的控制角為0°。在工作時(shí)將負(fù)載與電源完全接通一個(gè)或幾個(gè)完整的工頻周期Tf，然后再斷開幾個(gè)工頻周期Tf。也就是在一個(gè)循環(huán)周期Tc內(nèi)控制導(dǎo)通的工頻周期數(shù)為導(dǎo)通周期T1，斷開的工頻周期數(shù)為間歇周期T0，這樣通過改變導(dǎo)通周期T1和間歇周期T0的相對大小就可以達(dá)到控制加在負(fù)載上電壓有效值的大小的目的，從而起到調(diào)節(jié)電壓的作用，如圖

5-2所示。圖5-2周波控制方式的負(fù)載電壓波形可見，周波控制采用了“零”觸發(fā)的控制方式，幾乎不產(chǎn)生諧波污染。但是由于在導(dǎo)通周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)承受的電壓為額定值，而在間歇周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)承受的電壓為零，因而，加在電動(dòng)機(jī)上的電壓變化劇烈，使轉(zhuǎn)速脈動(dòng)大，在低速時(shí)影響更為嚴(yán)重，故常用于大容量、熱慣性時(shí)間常數(shù)大、調(diào)速范圍小的場合。

2．相位控制

相位控制方式是指通過控制晶閘管的導(dǎo)通角α來得到不同的負(fù)載電壓波形，從而起到調(diào)節(jié)電壓的作用，如圖5-3所示。顯然，當(dāng)導(dǎo)通角α增大時(shí)，加在負(fù)載上的電壓有效值就減小；反之，當(dāng)α角減小時(shí)，負(fù)載上得到的電壓有效值就增大。圖5-3相位控制方式的負(fù)載電壓波形相位控制電路的輸出電壓較為準(zhǔn)確，調(diào)速精度較高，快速性好，低速時(shí)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)較小，但是這種控制方式會(huì)產(chǎn)生成分復(fù)雜的諧波，對電網(wǎng)造成諧波污染，常用于中小功率、調(diào)速精度與穩(wěn)定性要求較高的場合，也是一種應(yīng)用較廣的晶閘管調(diào)壓控制形式。

總之，在晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，晶閘管可借助于負(fù)載電流過零而自行關(guān)斷，不需要另外增加換流裝置。但在低速時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差損耗增大，致使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，效率隨之下降，所以這種調(diào)速方式經(jīng)常用于一些短時(shí)工作制或短時(shí)重復(fù)工作制的調(diào)速系統(tǒng)中，如電梯、起重機(jī)械以及家用電器產(chǎn)品等。5.2.2交流調(diào)壓調(diào)速電路的組成

用晶閘管裝置來實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓調(diào)速的電路主要有兩大類：一類是單相交流調(diào)壓；另一類是三相交流調(diào)壓。這里著重分析三相交流調(diào)壓電路。三相交流調(diào)壓調(diào)速的電路形式很多，各種接法均有其特點(diǎn)，適用范圍也不相同。下面介紹幾種常用的三相交流調(diào)壓電路。

1．三相全波星形連接的交流調(diào)壓電路

三相全波星形連接的交流調(diào)壓電路如圖5-4所示。由VT1、VT2和VT3三組晶閘管組成三相全波整流電路，R表示三相負(fù)載(事實(shí)上，工業(yè)設(shè)備中感性負(fù)載比較多，一般可用電阻和電感的串聯(lián)電路來等效)。這種接法的特點(diǎn)是輸出電壓中諧波分量低，比較適用于低電壓、大電流的負(fù)載場合，也是工業(yè)現(xiàn)場使用較多的交流調(diào)壓方式之一。圖5-4三相全波星形連接的交流調(diào)壓電路

2．帶零線的三相全波星形連接的交流調(diào)壓電路

帶零線的三相全波星形連接的交流調(diào)壓電路如圖5-5所示，該電路可采用窄脈沖作為觸發(fā)脈沖，但零線上有三次諧波電流，且三次諧波電流對電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的影響比較嚴(yán)重，所以在工業(yè)上應(yīng)用不太多。圖5-5帶零線的三相全波星形連接的交流調(diào)壓電路

3．晶閘管三角形連接的交流調(diào)壓電路

晶閘管三角形連接的交流調(diào)壓電路如圖5-6所示。由于晶閘管接在負(fù)載后面，所以可減少電網(wǎng)浪涌電壓對它的沖擊。但該電路要求電動(dòng)機(jī)定子繞組為星形連接，且中性點(diǎn)能拆開。另外，這種電路負(fù)載上有偶次諧波，同樣對電動(dòng)機(jī)不利，并且晶閘管的耐壓要求比星形連接高。圖5-6晶閘管三角形連接的交流調(diào)壓電路5.2.3調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子電壓來實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)的控制系統(tǒng)稱為調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)壓調(diào)速是一種典型的轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)。

1.異步電動(dòng)機(jī)的等效電路

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：①忽略空間和時(shí)間諧波；②忽略磁飽和；③忽略鐵損，異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖5-7所示。圖5-7異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖5-7中各參數(shù)的含義如下：R1為定子每相電阻；R2′為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；Ll1為定子每相漏感；Ll2′為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；s為轉(zhuǎn)差率；I1為定子每相電流；I2′為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電流；Lm為定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感；U1、ω1為定子相電壓和供電角頻率。

2.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)定子電壓時(shí)的機(jī)械特性

1)定子電流計(jì)算公式

根據(jù)圖5-7，可以推出折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電流I2′為

(5-2)

其中，。在一般情況下，Lm>>Ll1，則C1≈1，這相當(dāng)于將上述假定條件的第③條改為忽略鐵損和勵(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡化成下面的形式：

(5-3)

2)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式

異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為Pm=3I2′2R2′/s，同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速為ωm1=ω1/np(其中np是極對數(shù))，則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(5-4)式(5-4)實(shí)質(zhì)上就是異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速n或轉(zhuǎn)差率s一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Te與定子電壓的平方成正比。這樣，對于不同的定子電壓，可以得到一組人為的機(jī)械特性，如圖5-8所示，圖中U1N表示額定的定子電壓，Temax表示最大轉(zhuǎn)矩。圖5-8異步電動(dòng)機(jī)不同電壓下的機(jī)械特性

3)最大轉(zhuǎn)矩公式

將式(5-4)對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率sm和最大轉(zhuǎn)矩Temax：

(5-5)

(5-6)可見，隨著定子電壓的降低，最大轉(zhuǎn)矩Temax與定子電壓的平方成正比地下降，而最大靜差率sm與定子電壓U1無關(guān)，保持不變。

3.交流調(diào)壓調(diào)速原理

所謂調(diào)壓調(diào)速，就是通過改變定子外加電壓來改變其機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動(dòng)機(jī)在一定輸出轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。

對于圖5-8所示的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓時(shí)的機(jī)械特性，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL工作時(shí)，普通籠型異步電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍不超過0~sm，調(diào)速范圍有限，無法實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行。而對于風(fēng)機(jī)、泵類的負(fù)載，在調(diào)壓調(diào)速時(shí)，可得到較大的調(diào)速范圍，如圖

中的D、E、F工作點(diǎn)。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)速范圍，并使電動(dòng)機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過熱，應(yīng)設(shè)法增大最大轉(zhuǎn)差率sm，這時(shí)可以通過增大轉(zhuǎn)子電阻的方法來實(shí)現(xiàn)。這樣，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就有較高的電阻值，這樣的電動(dòng)機(jī)在變電壓時(shí)的機(jī)械特性如圖5-9所示。顯然，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的變壓調(diào)速范圍增大了，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)又稱做交流力矩電動(dòng)機(jī)。圖5-9高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)(交流力矩電動(dòng)機(jī))在不同電壓下的機(jī)械特性5.2.4閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性

1.系統(tǒng)組成

采用普通的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)，存在的主要問題是調(diào)速范圍不寬，且低速時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性較差，尤其在電網(wǎng)電壓有波動(dòng)以及負(fù)載有擾動(dòng)時(shí)都會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)速變化，難以實(shí)際使用。當(dāng)采用高轉(zhuǎn)子電阻異步電動(dòng)機(jī)(交流力矩電動(dòng)機(jī))時(shí)，調(diào)速范圍雖然可以大一些，但機(jī)械特性變軟，負(fù)載稍有波動(dòng)，就會(huì)引起很大的轉(zhuǎn)速變化。采用開環(huán)控制方式來直接調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的速度時(shí)，很難解決上述這些矛盾。因此，對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，為提高機(jī)械特性硬度，擴(kuò)大調(diào)速范圍，減少靜差率，必須采用閉環(huán)控制方式。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)如圖5-10所示(在要求不高時(shí)也可以采用定子電壓反饋控制方式)。圖5-10帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖該閉環(huán)控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、晶閘管調(diào)壓裝置、測速反饋裝置和異步電動(dòng)機(jī)等組成。當(dāng)改變給定電壓U*n的大小時(shí)，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n；當(dāng)由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載擾動(dòng)而引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可通過反饋來自動(dòng)調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持穩(wěn)定。理論上，只要有偏

差存在，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)糾正偏差，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨給定而變化。

2.系統(tǒng)的靜態(tài)特性分析

根據(jù)圖5-10所示的閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，可以得到閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-11所示。

圖5-11中，Kp為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的靜態(tài)放大倍數(shù)；Uct為控制電壓；Ks為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；U1為定子電壓；n=f(U1,Te)是式(5-4)所表達(dá)的異步電機(jī)機(jī)械特性方程式，它是一個(gè)非線性

函數(shù)。圖5-11異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，可求出穩(wěn)態(tài)時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)輸出量與輸入量的關(guān)系如下：

Uct=Kp(U*n-Un)

(5-7)

U1=KsUct

(5-8)

Un=αn

(5-9)

Te=TL

(5-10)由公式(5-7)～(5-10)可得：

(5-11)

式中，n0為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

再根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式，可得

(5-12)當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載以下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s很小，則

，故式(5-12)可以近似寫成

(5-13)

在忽略定子電阻R1的條件下，可得電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為

(5-14)式中，3表示電動(dòng)機(jī)定子相數(shù)；np為極對數(shù)；U1為電動(dòng)機(jī)的定子電壓；Rk為異步電動(dòng)機(jī)的短路電抗；ω1為電動(dòng)機(jī)定子電壓的角頻率。將式(5-11)和(5-14)代入式(5-13)得：

(5-15)

式中，。如果電動(dòng)機(jī)的參數(shù)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)已知，可根據(jù)式(5-15)求出不同給定電壓U*n時(shí)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性，如圖5-12所示。顯然，引入速度負(fù)反饋可使系統(tǒng)靜態(tài)特性大大提高，而影響調(diào)速精度的主要因素是放大系數(shù)α、Kp、Ks，它們的選擇和直流調(diào)速系統(tǒng)相類似。下面結(jié)合圖5-12，從物理概念上分析靜特性的形成過程。圖5-12閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性設(shè)系統(tǒng)的給定電壓為U*n，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL時(shí)，系統(tǒng)帶負(fù)載工作在A點(diǎn)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL增大引起轉(zhuǎn)速n下降，反饋控制作用能提高定子電壓U1，從而在右邊一條機(jī)械特性上找到新的工作點(diǎn)A′。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩增大，以平衡增大了的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。同理，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL降低時(shí)，會(huì)在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點(diǎn)A″，此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩隨著降低。按照反饋控制規(guī)律，將A″、A、A′連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。可見，采用閉環(huán)控制后，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)加在電動(dòng)機(jī)定子上的電壓大小。系統(tǒng)的閉環(huán)靜特性實(shí)際上是幾個(gè)不同電壓對應(yīng)機(jī)械特性上各取一點(diǎn)，組成一條新的且很硬的特性曲線。所以，盡管異步電動(dòng)機(jī)的開環(huán)機(jī)械特性和直流電機(jī)的開環(huán)特性差別很大，但是在

不同電壓的開環(huán)機(jī)械特性上各取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，連接起來便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣的分析方法對兩種電機(jī)是完全一致的。如果采用PI調(diào)節(jié)器，同樣可以做到無靜差調(diào)節(jié)。若改變給定電壓信號U*n，則靜態(tài)特性將平行地上下移動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。和直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同的地方是，這種系統(tǒng)存在失控區(qū)。交流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在額定電壓下的機(jī)械特性和最小輸出電壓下的機(jī)械特性是閉環(huán)靜特性左右兩邊的極限，當(dāng)負(fù)載變化到極限兩側(cè)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)就失去控制能力，相當(dāng)于回到了開環(huán)機(jī)械特性上工作。

3.系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析

這里通過對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡單分析來研究其動(dòng)態(tài)特性。首先求出系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，根據(jù)圖5-11所示系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到相應(yīng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-13所示。圖中有些環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是直接寫出的，如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、晶閘管觸發(fā)電路和交流調(diào)壓器、測速反饋環(huán)節(jié)等，而且其傳

遞函數(shù)WASR(s)、WGTV(s)、WFBS(s)的表達(dá)式與直流調(diào)速系統(tǒng)相同。但異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)與直流電動(dòng)機(jī)差別較大，原因在于描述異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程的是一組非線性微分方程，要用一個(gè)傳遞函數(shù)來準(zhǔn)確地表示異步電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的輸入和輸出之間的關(guān)系是不可能的。只有在一定的假設(shè)條件下，采用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近線性化的方法才能得到近似的傳遞函數(shù)。具體推導(dǎo)過程可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。圖5-13異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

5.3繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)

5.3.1串級調(diào)速系統(tǒng)的原理及基本類型

1.串級調(diào)速的原理

為了充分利用轉(zhuǎn)差功率，使其只有一小部分消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，而大部分轉(zhuǎn)差功率被回收后回饋給電網(wǎng)(或再送回電動(dòng)機(jī)軸上輸出)，從而使電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍有較高的效率，人們提出了串級調(diào)速方法，該方法屬于轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速方法。

串級調(diào)速是指在繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢E2同頻率的附加電勢Eadd，如圖5-14所示，然后通過改變附加電勢Eadd的幅值和相位來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖5-14繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢的原理圖需要注意的是，要獲得較好的串級調(diào)速性能，對在轉(zhuǎn)子回路中串入的附加電動(dòng)勢有一定的技術(shù)要求，具體敘述如下：

(1)它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求。

(2)從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。串級調(diào)速完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的缺點(diǎn)。因其串入附加電動(dòng)勢后增加的轉(zhuǎn)差功率被回饋給電網(wǎng)或回饋到電動(dòng)機(jī)軸上，故電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)具有較高的效率、無級平滑調(diào)速、機(jī)械特性較硬等許多優(yōu)點(diǎn)。

下面對繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速的工作原理進(jìn)行定性分析。

1)同步串級調(diào)速過程

當(dāng)附加電勢Eadd=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在自然機(jī)械特性曲線上，如果此時(shí)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處在接近額定值的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，稱為同步串級調(diào)速。此時(shí)轉(zhuǎn)子電流I2為

(5-16)

式中：E20為s=1時(shí)的轉(zhuǎn)子開路相電勢；X20為s=1時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的每相漏電感；R2為轉(zhuǎn)子回路的每相電阻；s為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

2)次同步串級調(diào)速過程

當(dāng)在轉(zhuǎn)子回路中串入與頻率相同、相位相差180°的附加電動(dòng)勢Eadd時(shí)，電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速值以下調(diào)速，稱為次同步調(diào)速。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流變?yōu)?/p>

(5-17)

可見，反向附加電勢Eadd的串入，使得轉(zhuǎn)子合成電動(dòng)勢減小，從而引起轉(zhuǎn)子電流I2的減小，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te相應(yīng)減小，出現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的情況，平衡條件被破壞，迫使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n減小。隨著轉(zhuǎn)速n的降低，轉(zhuǎn)差率s升高，轉(zhuǎn)子電流I2回升，電磁轉(zhuǎn)矩Te也相應(yīng)回升；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩Te與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL重新達(dá)到平衡時(shí)，減速過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在低于原值的某一轉(zhuǎn)速上。這就是低于同步轉(zhuǎn)速的串級調(diào)速過程。串入的附加電勢的幅值越大，電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速就越低。

3)超同步串級調(diào)速過程

串級調(diào)速還可以向高于同步轉(zhuǎn)速的方向上調(diào)節(jié)，這時(shí)只要在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入與E2頻率相同、相位相同的附加電動(dòng)勢Eadd，電動(dòng)機(jī)就會(huì)在額定轉(zhuǎn)速值以上調(diào)速，稱為超同步串級調(diào)速。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流變?yōu)?/p>

(5-18)轉(zhuǎn)子合成電動(dòng)勢增大為sE20+Eadd，則轉(zhuǎn)子電流I2和電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te相應(yīng)增大，使電動(dòng)機(jī)升速，轉(zhuǎn)差率s減??；當(dāng)轉(zhuǎn)差率s減小到到某一值s′時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL重新達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)又穩(wěn)定運(yùn)行在高于額定轉(zhuǎn)速值的某一轉(zhuǎn)速上。這就是高于同步轉(zhuǎn)速的串級調(diào)速過程。串入的附加電勢的幅值越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高。

2.串級調(diào)速系統(tǒng)的基本類型

串級調(diào)速的核心是產(chǎn)生附加電動(dòng)勢Eadd的裝置。由于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢E2的頻率是隨轉(zhuǎn)速n而變化的，這樣附加電勢Eadd也需要隨轉(zhuǎn)速n而變，即Eadd裝置應(yīng)是頻率和幅值可調(diào)的三相變頻器，這樣的裝置復(fù)雜，費(fèi)用高。目前，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的是轉(zhuǎn)子回路串入直流附加電動(dòng)勢Eadd的方案，以避免隨著轉(zhuǎn)速n的不同改變Eadd的頻率，如圖5-15所示。在轉(zhuǎn)子繞組端接入一個(gè)不可控的整流器，將轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢E2整流為直流電壓，串級調(diào)速用的附加電動(dòng)勢Eadd也為直流電壓，兩者疊加來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由于轉(zhuǎn)子電路采用了不可控整流電路，所以轉(zhuǎn)差功率只能從轉(zhuǎn)子流向產(chǎn)生附加電勢裝置，再回饋電網(wǎng)。圖5-15采用直流附加電動(dòng)勢Eadd的串級調(diào)速原理圖根據(jù)串級調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中直流附加電動(dòng)勢Eadd獲得的方法不同，可以將串級調(diào)速系統(tǒng)分為以下三種基本類型。

1)直流電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速

電路原理圖如圖5-16所示。直流附加電動(dòng)勢Eadd就是直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的反電動(dòng)勢，改變直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流大小，即可改變附加電勢Eadd的大小。直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而將轉(zhuǎn)差功率回饋入電網(wǎng)。圖5-16直流電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速

2)晶閘管串級調(diào)速

電路原理圖如圖5-17所示，用晶閘管全控整流電路獲得直流附加電動(dòng)勢Eadd，整流電路長期工作在有源逆變區(qū)，即晶閘管的逆變角β≤90°，改變?chǔ)碌拇笮〖纯筛淖兏郊与妱軪add的大小。圖5-17晶閘管串級調(diào)速

3)機(jī)械串級調(diào)速

電路原理圖如圖5-18所示。該系統(tǒng)采用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的反電動(dòng)勢作為直流附加電動(dòng)勢Eadd，改變直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流的大小，即可改變附加電勢Eadd的大小，從而實(shí)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。圖5-18機(jī)械串級調(diào)速轉(zhuǎn)差功率經(jīng)轉(zhuǎn)子整流器送給直流電動(dòng)機(jī)，由于直流電動(dòng)機(jī)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)同軸硬性連接，使直流電動(dòng)機(jī)吸收的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的機(jī)械功率，然后輸送給負(fù)載。這相當(dāng)于在負(fù)載軸上增加了一個(gè)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而很好地利用了轉(zhuǎn)差功率。不計(jì)損耗時(shí)，負(fù)載上得到的機(jī)械功率總和為

(1-s)P+sP=P

(5-19)

故具有恒功率調(diào)速特性，能在低速時(shí)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，適用于低速需重負(fù)載轉(zhuǎn)矩的場合。但是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)不能產(chǎn)生足夠的附加電勢Eadd，所以這種串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍不大，通常在2∶1以內(nèi)。5.3.2異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

1.串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性

1)串級調(diào)速系統(tǒng)主回路

串級調(diào)速系統(tǒng)的主回路接線圖和相應(yīng)的等效電路圖分別如圖5-19和圖5-20所示。

圖5-19所示的串級調(diào)速系統(tǒng)主回路主要由繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)、三相橋式二極管轉(zhuǎn)子整流器、三相橋式晶閘管有源逆變器、逆變變壓器和平波電抗器L等部分組成，該系統(tǒng)的核心部分是有源逆變器和轉(zhuǎn)子整流器。有源逆變器在電力電子變流技術(shù)中已有討論，下面主要分析轉(zhuǎn)子整流器的工作狀態(tài)。圖5-19串級調(diào)速系統(tǒng)主回路接線圖圖5-20串級調(diào)速系統(tǒng)主回路直流等效電路

2)串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流器特點(diǎn)

在分析串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器時(shí)，應(yīng)特別注意它與一般整流器有幾點(diǎn)不同：

(1)轉(zhuǎn)子三相感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值和頻率都是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)。

(2)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)。

(3)由于電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大，換流重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，因而轉(zhuǎn)子整流器會(huì)出現(xiàn)“強(qiáng)迫延遲換流”現(xiàn)象，從而引起轉(zhuǎn)子整流電路的特殊工作狀態(tài)。

3)轉(zhuǎn)子整流器換流重疊角γ和工作狀態(tài)

由于電動(dòng)機(jī)存在漏抗，使換流過程中電流不能突變，因而產(chǎn)生換流重疊角γ，其計(jì)算公式為

(5-20)

式中，Id為轉(zhuǎn)子回路整流電流平均值；XD0為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏抗(轉(zhuǎn)差率s=1時(shí))；E20為轉(zhuǎn)子開路時(shí)的相電動(dòng)勢有效值。由上式可見，當(dāng)E20、XD0一定時(shí)，換流重疊角γ隨著整流電流平均值Id的增大而增大，具體分析如下：

(1)當(dāng)Id較小(

)，γ<60°時(shí)，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(diǎn)處換流，整流波形正常。

(2)當(dāng)，γ=60°時(shí)，若繼續(xù)增大電流Id，則出現(xiàn)強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，即晶閘管元件的起始換流點(diǎn)從自然換流點(diǎn)被迫向后延時(shí)一段時(shí)間，這段時(shí)間用強(qiáng)迫延遲換流角αp表示。在這一階段，γ=60°保持不變，而αp在0°~30°之間變化。這時(shí)，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)，αp角相當(dāng)于整流器件的控制角。

(3)當(dāng)αp=30°時(shí)，整流電路中4個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后αp保持為30°不變，再繼續(xù)增大電流Id的值，則隨著Id的增大，換流重疊角γ從60°繼續(xù)增大。如上所述，為了分析方便，可以假設(shè)串級調(diào)速時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路有三種工作狀態(tài)，具體約定如下：

(1)換流重疊角0°<γ<60°，αp=0的工作狀態(tài)為轉(zhuǎn)子整流器的第一工作狀態(tài)。

(2)γ=60°保持不變，0°<αp≤30°的工作狀態(tài)為轉(zhuǎn)子整流器的第二工作狀態(tài)。

(3)αp=30°不變，隨著電流Id增大，γ從60°繼續(xù)增大的工作狀態(tài)為轉(zhuǎn)子整流器的第三工作狀態(tài)。該工作狀態(tài)屬于故障工作狀態(tài)，這里不討論。

由此可見，串級調(diào)速時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常的工作狀態(tài)。不同工作狀態(tài)下電流Id與換流重疊角γ、強(qiáng)迫延遲換流角αp之間的函數(shù)關(guān)系如圖5-21所示。圖5-21轉(zhuǎn)子整流電路的γ=f(Id)、αp=f(Id)*4)串級調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓

下面分析電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)子回路直流電流Id以及逆變角β之間的函數(shù)關(guān)系，并推導(dǎo)出通過改變逆變角β而得到的調(diào)速特性n=f(Id)，據(jù)此進(jìn)一步說明異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)具有類似直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速特性。由于串級調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流電路具有兩種不同的正常工作狀態(tài)，所以系統(tǒng)的特性分析應(yīng)分別對這兩個(gè)不同的工作狀態(tài)加以討論。根據(jù)圖5-20所示的串級調(diào)速系統(tǒng)主回路的直流等效電路，可以列出轉(zhuǎn)子整流器在第一工作狀態(tài)下的直流回路電壓平衡方程式，如下所示：

(5-21)式中：UT2為逆變變壓器二次側(cè)相電壓；RD為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)每相等效電阻(RD=R2+sR1′)；XD0為在s=1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)每相漏電抗；為由轉(zhuǎn)子漏抗引起的換相壓降；RL為平波電抗器電阻；RT為折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效電阻(RT=RT2+sRT1′)；XT為折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相等效漏抗(XT=XT2+XT1′)；

為逆變變壓器每相等效漏抗引起的換相壓降。從式(5-21)中求出轉(zhuǎn)差率s為

(5-22)將s=1-n/n0代入式(5-22)，可以求得轉(zhuǎn)速n為

(5-23)式中：這樣，在公式(5-23)中，等號右邊分子中的第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子直流回路的直流電壓，可以記作dU′；第二項(xiàng)相當(dāng)于回路中的總電阻壓降，可以寫作IdRΣ′；而分母則是負(fù)載電流的函數(shù)，也認(rèn)為是轉(zhuǎn)子直流回路的等效電動(dòng)勢系數(shù)，記作CE′。注意，串級調(diào)速系統(tǒng)中的負(fù)載電流函數(shù)CE′與直流調(diào)速系統(tǒng)主回路的電動(dòng)勢系數(shù)Ce在概念上有所不同，它是使轉(zhuǎn)速特性成為非線性的重要因素，故兩個(gè)符號的下角不同，以示區(qū)別。由式(5-23)可見，串級調(diào)速系統(tǒng)通過改變逆變角β可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，其特性n=f(Id)相當(dāng)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的特性。但是，由于串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻RΣ′比直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻大，所以串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速機(jī)械特性n=f(Id)相對要軟一些。上述結(jié)論是在串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流器為第一工作狀態(tài)時(shí)得到的，當(dāng)轉(zhuǎn)子整流器處于第二工作狀態(tài)時(shí)仍可以用相同的方法獲得調(diào)速特性：

(5-24)式中：比較式(5-23)和式(5-24)，可以看出，如令αp=0，則式(5-24)就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)速特性。式(5-24)分子和分母各項(xiàng)的含義和式(5-23)中的相同。顯然，式(5-24)的轉(zhuǎn)速降落增大，串級調(diào)速系統(tǒng)的第二工作狀態(tài)機(jī)械特性更軟了。

2.串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性與最大轉(zhuǎn)矩

由上述討論可知，串級調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流器可以運(yùn)行在兩種正常的工作狀態(tài)，即第一和第二工作狀態(tài)，相應(yīng)地，每個(gè)工作狀態(tài)對應(yīng)不同的機(jī)械特性區(qū)。與轉(zhuǎn)子整流器第一工作狀態(tài)對應(yīng)的機(jī)械特性區(qū)稱為串級調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的第一工作區(qū)；與轉(zhuǎn)子整流器第二工作狀態(tài)對應(yīng)的機(jī)械特性區(qū)稱

為機(jī)械特性的第二工作區(qū)。

1)第一工作區(qū)的機(jī)械特性與最大轉(zhuǎn)矩

異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為

(5-25)

式中，ω0是理想空載機(jī)械角轉(zhuǎn)速，ω0=2πn0/60，單位為rad/s。在不考慮轉(zhuǎn)子電阻損耗及轉(zhuǎn)子整流元件的損耗時(shí)，轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就等于轉(zhuǎn)差功率，即

(5-26)

當(dāng)s=1時(shí)，轉(zhuǎn)子空載整流電動(dòng)勢Ed0=2.34E20。將式(5-26)代入式(5-25)，消去轉(zhuǎn)差率s，得到：

(5-27)利用轉(zhuǎn)矩公式(5-27)和轉(zhuǎn)子整流器在第一工作狀態(tài)下的直流回路電壓平衡方程式(5-21)，可以推出串級調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)的機(jī)械特性表達(dá)式，如下所示：

(5-28)

而理想空載轉(zhuǎn)差率為

(5-29)將第一和第二工作區(qū)分界點(diǎn)電流

代入式(5-27)，可求得第一、第二工作區(qū)分界點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩Te1—2為(Te1—2也稱做交接轉(zhuǎn)矩)：

(5-30)

在忽略定子電阻時(shí)，可以求得繞線式異步電動(dòng)機(jī)固有特性的最大轉(zhuǎn)矩為

(5-31)將式(5-30)與式(5-31)相比，可以得到：

(5-32)

由上式可知，Te1—2=0.716Tem。由于一般繞線異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為Tem≥2TeN，這里TeN為繞線式異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，故Te1—2≥1.432TeN，即串級調(diào)速系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行時(shí)，一般處于機(jī)械特性第一工作區(qū)。

但要注意的是，上述求得的最大轉(zhuǎn)矩實(shí)際上并不存在，它只不過是第一、第二工作區(qū)分界點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，而真正的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)該發(fā)生在第二工作區(qū)。

2)第二工作區(qū)的機(jī)械特性與最大轉(zhuǎn)矩

串級系統(tǒng)工作在第二工作區(qū)時(shí)，同樣，在不考慮轉(zhuǎn)子電阻損耗及轉(zhuǎn)子整流元件的損耗時(shí)，轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率等于轉(zhuǎn)差功率，即有：

(5-33)

可以推出電磁轉(zhuǎn)矩為

(5-34)已知第二工作區(qū)的電流為

(5-35)

把式(5-35)代入式(5-34)得：

(5-36)由上式可以看出，當(dāng)強(qiáng)迫延遲換流角αp=15°時(shí)，可得串級調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性第二工作區(qū)內(nèi)的最大轉(zhuǎn)矩為

(5-37)

將式(5-37)與繞線式異步電動(dòng)機(jī)固有特性的最大轉(zhuǎn)矩式(5-31)相比，可得：

(5-38)根據(jù)式(5-38)可以推出，采用串級調(diào)速后，繞線異步電動(dòng)機(jī)的過載能力降低了17％左右。在選擇串級調(diào)速系統(tǒng)繞線異步電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，應(yīng)特別考慮這個(gè)因素。

此外，在式(5-35)中，令強(qiáng)迫延遲換流角αp=0，可求得機(jī)械特性第二工作區(qū)的起始轉(zhuǎn)矩Te2為

(5-39)

所以，兩段特性在交點(diǎn)處(γ=60°,αp=0)銜接。圖5-22所示為晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線，由圖可見，串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性比繞線式異步電動(dòng)機(jī)固有的機(jī)械特性更軟，最大轉(zhuǎn)矩也比固有機(jī)械特性的小。圖5-22異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線5.3.3雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)

根據(jù)生產(chǎn)工藝對調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能要求的不同，串級調(diào)速系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制。串級調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調(diào)速精度要求不高的場合。當(dāng)開環(huán)控制不能滿足調(diào)速性能指標(biāo)要求時(shí)，就要采用閉環(huán)控制。根據(jù)閉環(huán)反饋控制規(guī)律，若生產(chǎn)工藝要求控制的物理量不同，如電流、電壓、轉(zhuǎn)速、流量、壓力等，則要相應(yīng)地采用該物理量的閉環(huán)控制。和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，由電流反饋和速度反饋組成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)較為常用，因此，下面主要討論電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)。

1.雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成

轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)組成框圖如圖5-23所示。和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中一樣，U*n為轉(zhuǎn)速給定信號，Un為轉(zhuǎn)速反饋信號，U*i為電流給定信號，Ui為電流反饋信號，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，GT為觸發(fā)電路，TG為測速發(fā)電機(jī)，TA為電流互感器，UI為晶閘管逆變器，UR為二極管整流器。為了使調(diào)速系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)速度和電流的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。圖5-23轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)組成框圖

2.雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

在圖5-23中，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號Un取自異步電動(dòng)機(jī)軸上連接的測速發(fā)電機(jī)TG，電流反饋信號Ui取自逆變器交流側(cè)的電流互感器TA，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子直流回路。當(dāng)改變轉(zhuǎn)速給定信號U*n的大小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定信號U*n增大時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出電壓也逐漸增加，使逆變角β逐漸增大，逆變電動(dòng)勢Eβ減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n也就隨之升高。為了防止逆變器逆變顛覆，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖，使逆變角為最小值βmin，通常βmin限制為30°。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出電壓為上限幅值時(shí)，應(yīng)整定逆變角為最大值βmax=90°。這里轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器起到輸出限幅作用，ACR起到電流負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，可以使雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)在加速過程中實(shí)現(xiàn)恒流升速，獲得良好的加速特性，通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速。因此，雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與直流不可逆系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動(dòng)態(tài)恒流作用，所不同的是

它的控制作用都是通過轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。值得指出的是，由于次同步串級調(diào)速不能產(chǎn)生電氣制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故減速過程只能靠負(fù)載轉(zhuǎn)矩自由降落，與不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)相類似。

3.雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1)轉(zhuǎn)子直流主回路的傳遞函數(shù)

根據(jù)電氣串級調(diào)速系統(tǒng)主回路直流等效電路圖5-20，可以寫出轉(zhuǎn)子直流主回路的動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式，如下所示：

(5-40)

式中，Eβ為逆變電動(dòng)勢，即逆變器直流側(cè)的空載電壓，其計(jì)算公式為

Eβ=2.34UT2cosβ

(5-41)

LΣ為轉(zhuǎn)子直流回路總電感，LΣ=2LD0+2LT+LL，其中LD0是折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電機(jī)每相漏感，LT是折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感，LL是平波電抗器電感；RsΣ為轉(zhuǎn)差率

時(shí)的轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻，且

(5-42)把轉(zhuǎn)差率代入轉(zhuǎn)子直流主回路的電壓平衡方程式(5-40)得到

(5-43)

將式(5-43)取拉氏變換，可以求得轉(zhuǎn)子直流主回路的傳遞函數(shù)，如下所示：

(5-44)由上式可以看出，轉(zhuǎn)子直流主回路的傳遞函數(shù)近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其中，TLn為轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)間常數(shù)，

；KLn為轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù)，。

2)異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)

由于串級調(diào)速系統(tǒng)的額定工作點(diǎn)處于第一工作區(qū)，由第一工作區(qū)的電磁轉(zhuǎn)矩公式(5-27)可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)子主回路直流電流Id的關(guān)系為

(5-45)相當(dāng)于串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為

(5-46)

式中，系數(shù)Cm是電流Id的函數(shù)，也就是說在動(dòng)態(tài)中Cm不是常數(shù)。如果用此式來表示轉(zhuǎn)矩Te與電流Id的關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。但是，為了計(jì)算方便，在串級調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)情況下都用該式表示轉(zhuǎn)矩Te和電流Id的關(guān)系。在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為

(5-47)

即機(jī)械慣量的方程式，或者寫成

(5-48)式中,IL為負(fù)載電流，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL所對應(yīng)的等效直流電流。式(5-56)即為串級調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。把該式取拉氏變換，可以求得異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)為

(5-49)

顯然，串級調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)可以近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)。上式中，TI為異步電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的積分時(shí)間系數(shù)，且TI=GD2/375Cm。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)中其他環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中是一致的，這里不再具體推導(dǎo)。至此，可以得到雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-24所示。圖5-24轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3)串級調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

串級調(diào)速系統(tǒng)在突然增加給定U*n時(shí)的起動(dòng)動(dòng)態(tài)過程與直流調(diào)速系統(tǒng)一樣。起動(dòng)初期，速度調(diào)節(jié)器處于飽和輸出狀態(tài)，系統(tǒng)相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)ASR開環(huán)；隨著起動(dòng)過程的進(jìn)行，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出增大，使逆變器的逆變角β增大，逆變電壓Eβ減小，從而打破了起動(dòng)開始瞬間逆變電壓大于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)整流電壓Ed0的條件，產(chǎn)生直流電流Id，使電動(dòng)機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩而加速起動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速未達(dá)到給定值以前，調(diào)速系統(tǒng)始終由電流環(huán)起電流跟蹤作用，以維持動(dòng)態(tài)電流Id為恒定，并且在加速過程中，逆變電壓Eβ與轉(zhuǎn)子整流器輸出電壓的變化速度相同。直到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超調(diào)，速度調(diào)節(jié)器退出飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)ASR才投入工作，以保證最終獲得與給定值相一致的實(shí)際調(diào)速。*5.3.4雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)

雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)基本相同，通常也采用工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)規(guī)則也是從內(nèi)到外，先設(shè)計(jì)電流環(huán)ACR，然后把設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看做是速度環(huán)中的一個(gè)等效環(huán)節(jié)，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)ASR的設(shè)計(jì)。閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應(yīng)使系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。因此，在采用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可以像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣：

(1)電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(2)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是，由于串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流主回路的放大系數(shù)KLn和時(shí)間常數(shù)TLn都是轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，不是常數(shù)，所以電流環(huán)ACR是一個(gè)非定常系統(tǒng)。另外，繞線式異步電動(dòng)機(jī)的積分時(shí)間系數(shù)TI也不是一個(gè)常數(shù)，而是電流Id的函數(shù)，這是和直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同之處，同時(shí)也給調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)帶來一定的困難。具體設(shè)計(jì)時(shí)，可以先在確定的轉(zhuǎn)速n和負(fù)載電流Id的前提下，求出各傳遞函數(shù)中的參數(shù)，例如按照要求的最大轉(zhuǎn)差率smax或平均最大轉(zhuǎn)差率smax/2來確定轉(zhuǎn)速，按額定負(fù)載或常用的實(shí)際負(fù)載來選定電流，然后按定常系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)常采用以下方法：

(1)在進(jìn)行電流環(huán)的設(shè)計(jì)時(shí)，一般來說，可按調(diào)速范圍的下限，即低速時(shí)的smax來計(jì)算轉(zhuǎn)子直流主回路的放大系數(shù)KLn和時(shí)間常數(shù)TLn，從而計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。因?yàn)橥患愚D(zhuǎn)速給定信號U*n時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)機(jī)械慣性大，轉(zhuǎn)速來不及變化電流已調(diào)節(jié)完畢，即電流調(diào)節(jié)過程是在電動(dòng)機(jī)靜止或處于某一低速下且轉(zhuǎn)速來不及變化時(shí)進(jìn)行的，因此，應(yīng)按照低速時(shí)的KLn和TLn來計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。只要保證升速有好的動(dòng)態(tài)性能，則降速時(shí)的動(dòng)態(tài)性能也能得到保證。

(2)也可把電流環(huán)ACR作為定常系統(tǒng)，按平均最大轉(zhuǎn)差率smax/2時(shí)所確定的KLn和TLn值去計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

(3)轉(zhuǎn)速環(huán)一般按典型Ⅱ型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的非線性積分常數(shù)TI非定常，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，可以選用與實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)電流值Id相對應(yīng)的TI值，然后按定常系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣經(jīng)校正后的系統(tǒng)會(huì)盡可能地接近滿意的動(dòng)態(tài)特性。

5.4交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)和串級

調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真

本小節(jié)主要討論的是交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)和串級調(diào)速系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是交流電動(dòng)機(jī)。與前面所述的直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，其主電路有區(qū)別。在控制電路中，交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的控制電路采用的是轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制方式，串級調(diào)速系統(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方式。交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)控制電路的建模和仿真與直流調(diào)速系統(tǒng)的單閉環(huán)和雙閉環(huán)控制方式相同，因此，本節(jié)著重討論交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)主電路的建模與參數(shù)設(shè)置。5.4.1交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真

交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖如圖5-10所示。按照圖5-10的電氣原理建立的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖5-25所示，其中同步6脈沖觸發(fā)器和三相交流調(diào)壓電路均為封裝的子系統(tǒng)。同步6脈沖觸發(fā)器的組成和封裝模型和前面直流調(diào)速系統(tǒng)中使用的同步6脈沖觸發(fā)器完全相同；而三相交流調(diào)壓電路的封裝在后面會(huì)詳細(xì)介紹。下面主要介紹各部分的建模與參數(shù)設(shè)置過程。圖5-25交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

1.交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的建模與模型參數(shù)設(shè)置

1)主電路的建模與參數(shù)設(shè)置

由圖5-25可知，主電路由三相對稱交流電壓源、晶閘管三相交流調(diào)壓電路、交流異步電動(dòng)機(jī)、電機(jī)信號分配器等部分組成。三相交流電源的建模和參數(shù)設(shè)置在前面各章已經(jīng)作過討論，此處重點(diǎn)討論晶閘管三相交流調(diào)壓電路、交流異步電動(dòng)機(jī)、電機(jī)測試信號分配器的建模和參數(shù)設(shè)置問題。

(1)晶閘管三相交流調(diào)壓電路的建模與參數(shù)設(shè)置。晶閘管三相交流調(diào)壓電路通常用三對反并聯(lián)的晶閘管元件組成，單個(gè)晶閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網(wǎng)自然換流。根據(jù)三相交流調(diào)壓電路的接線要求，利用單個(gè)晶閘管元件搭建而成的三相交流調(diào)壓電路仿真模型如圖5-26所示，其中標(biāo)記為UA、UB、UC的三個(gè)輸入端子代表三相交流調(diào)壓電路的輸入端；標(biāo)記為A、B、C的三個(gè)輸出端子代表三相交流調(diào)壓電路的輸出端；標(biāo)記為P的輸入端子代表脈沖輸入端，此端與同步6脈沖觸發(fā)器的脈沖輸出端(pulses)相連接。該仿真模型封裝后的子系統(tǒng)如圖5-27所示。在該仿真模型中，單個(gè)晶閘管(Thyristor)模塊可以在電力系統(tǒng)(SimPowerSystem)工具箱中的PowerElectronics路徑下得到。單個(gè)晶閘管元件的參數(shù)設(shè)置仍然遵循晶閘管整流橋的參數(shù)設(shè)置原則，具體的參數(shù)設(shè)置為Ron=0.01Ω,Uf=0.8V,Rs=10Ω,Cs=4.7μF。

(2)交流異步電動(dòng)機(jī)的建模與參數(shù)設(shè)置。在電力系統(tǒng)(SimPowerSystem)工具箱中有一個(gè)電機(jī)(Machines)模塊庫。該模塊庫包含了直流電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)以及其它各種電機(jī)模塊。其中異步電動(dòng)機(jī)模塊有兩種：一種是標(biāo)么值單位制(PUUnit)下的異步電動(dòng)機(jī)模型；另一種是國際單位制(SIUnit)下的異步電動(dòng)機(jī)模型，本節(jié)選擇后一種異步電動(dòng)機(jī)模型。國際單位制下的異步電動(dòng)機(jī)模塊符號如圖5-28所示。描述異步電動(dòng)機(jī)模塊性能的狀態(tài)方程包括電氣和機(jī)械兩個(gè)部分，電氣部分有5個(gè)狀態(tài)方程，機(jī)械部分有2個(gè)狀態(tài)方程。該模塊有4個(gè)輸入端子，4個(gè)輸出端子。前三個(gè)輸入端子A、

B、C為電機(jī)的定子三相電壓輸入端；第四個(gè)輸入端子Tm一般接負(fù)載，為加到電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載，該端子可以直接接Simulink信號。該模塊的前三個(gè)輸出端子a、b、c為轉(zhuǎn)子電壓輸出，一般短接在一起，或者連接其它附加電路。當(dāng)選擇鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)模塊符號將不會(huì)顯示輸出端子

a、b、c。第四個(gè)輸出端子為m端子，它返回一系列電機(jī)內(nèi)部信號(共21路)，供給電機(jī)測試信號分配器模塊(Machines

MeasurementDemux)的輸入端子m。圖5-26利用單個(gè)晶閘管元件搭建的三相交流調(diào)壓電路仿真模型圖5-27封裝后的三相交流調(diào)壓電路的仿真模型圖5-28交流異步電動(dòng)機(jī)的模塊符號(AsynchronousMachineSIUnit)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置可以通過電動(dòng)機(jī)模塊的參數(shù)對話框來輸入，有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

①繞組類型(RotorType)列表框：分為繞線式(Wound)和鼠籠式(Squirrelcage)兩種，本書選擇后者。

②參考坐標(biāo)系(ReferenceFrame)列表框：有三種坐標(biāo)系可以選擇：靜止坐標(biāo)系(Stationary)、轉(zhuǎn)子(Rotor)坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(Synchronous)，此處選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

③異步電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)：額定功率PN=2.2kW，線電壓UN=380V，頻率fN=50Hz。

④定子電阻(Stator)Rs=3Ω，定子漏感Lls=2mH。⑤轉(zhuǎn)子電阻(Rotor)Rr=0.816Ω，轉(zhuǎn)子漏感Llr=2mH。

⑥互感(MutualInductance)Lm=69.31mH。

⑦轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Inertia)J=2kg·m2，極對數(shù)P0=2。

⑧初始條件(InitialConditions)設(shè)為默認(rèn)值［1，00，0，00，0，0］。

(3)電機(jī)測試信號分配器的建模與參數(shù)設(shè)置。異步電動(dòng)機(jī)測試信號分配器的模塊符號如圖5-29所示。該模塊共有21路輸出信號。具體要輸出哪些信號，可以根據(jù)實(shí)際問題，通過電機(jī)測試信號分配器模塊的設(shè)置對話框來選擇。需要輸出哪個(gè)物理量，只要在其前面的復(fù)選框內(nèi)打個(gè)“√”即可。此

處選擇三路輸出信號，轉(zhuǎn)子電流ira、irb、irc、轉(zhuǎn)子角速度ωm和轉(zhuǎn)矩Te。其中電機(jī)類型(MachineType)有四種選擇：

單一化同步電機(jī)(SimplifiedSynchronous)、同步電機(jī)(Synchronous)、異步電機(jī)(Asynchronous)和永磁式同步電

機(jī)(PermanentmagnetSynchronous)，這里電機(jī)選擇為異步

電機(jī)。圖5-29異步電動(dòng)機(jī)測試信號分配器(MachinesMeasurementDemux)的模塊符號

2)控制電路的建模與參數(shù)設(shè)置

交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器ASR(采用PI控制器)、限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)等。該控制電路和無靜差單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)完全相同，同步脈沖觸發(fā)器也完全相同，此處不再詳細(xì)討論。需要注意的一點(diǎn)是，為了得到比較復(fù)雜的給定轉(zhuǎn)速信號，這里采用了將簡單信號源組合的方法，將兩個(gè)階躍信號疊加組成輸入信號。此處階躍信號Step1的階躍時(shí)間(StepTime)設(shè)為0，初值(InitialValue)設(shè)為50，終值(FinalValue)設(shè)為100，采樣時(shí)間(SampleTime)設(shè)為2s；階躍信號Step2

的階躍時(shí)間(StepTime)設(shè)為2s，初值(InitialValue)設(shè)為0，終值(FinalValue)設(shè)為50，采樣時(shí)間(SampleTime)設(shè)為4s，則組合輸入信號如圖5-30所示。圖5-30交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速信號控制電路的有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：對于速度調(diào)節(jié)器ASR，PI調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)為Kpi=30，積分時(shí)間常數(shù)τpi=300，

PI調(diào)節(jié)器的上下限幅值為［100，-100］，限幅器(飽和器)限幅值為［100，-100］，其它沒有特別說明的參數(shù)設(shè)為系統(tǒng)默認(rèn)值。

2.交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置

仿真所選擇的算法為ode23tb，仿真開始時(shí)間(Start

Time)設(shè)為0，停止時(shí)間(StopTime)設(shè)為10，其它與上一章、系統(tǒng)相同。

3.交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真及其仿真結(jié)果分析

建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。圖5-31所示為交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速仿真曲線，圖5-32為使用MATLAB命令繪制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，仿真系統(tǒng)的實(shí)際速度能實(shí)現(xiàn)對給定速度的良好跟蹤；在過渡過程時(shí)，仿真系統(tǒng)的實(shí)際速度對階躍給定信號的跟蹤有一定的偏差。從圖中還可以預(yù)見，實(shí)際速度對斜坡給定信號的跟蹤還是比較好的。圖5-31交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速仿真曲線圖5-32用MATLAB命令繪制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速曲線5.4.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖如圖5-23所示。根據(jù)圖5-23，采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的方法構(gòu)建的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖5-33所示，其中主電路子系統(tǒng)為封裝后的電路，由圖5-34的模型封裝得到。下面分別介紹各部分的建模與參數(shù)設(shè)置過程。圖5-33轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖5-34晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路子系統(tǒng)的仿真模型

1.串級調(diào)速系統(tǒng)的建模與模型參數(shù)設(shè)置

晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對稱交流電壓源、繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)、二極管轉(zhuǎn)子整流器、平波電抗器、晶閘管逆變器、逆變變壓器、電機(jī)測試信號分配器等部分組成。圖5-34是晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)除三相對稱交流電壓源、同步脈沖觸發(fā)器、電機(jī)測試信號分配器之外的主電路子系統(tǒng)的仿真模型，其封裝后的主電路子系統(tǒng)如圖5-35所示。圖5-35晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路子系統(tǒng)的封裝模型在圖5-33和圖5-34的仿真模型中，同步脈沖觸發(fā)器、電機(jī)測試信號分配器、平波電抗器、交流異步電動(dòng)機(jī)(繞線式)、PI調(diào)節(jié)器的建模和參數(shù)設(shè)置在前面的章節(jié)已經(jīng)具體介紹過，此處不再贅述。這里主要討論二極管轉(zhuǎn)子整流器、晶閘管逆變器、逆變變壓器的建模和參數(shù)設(shè)置問題。

(1)二極管轉(zhuǎn)子整流器的建模和參數(shù)設(shè)置。在SimPowerSystem/ExtraLibrary路徑下找到三相電氣(ThreePhaseLibrary)子模塊庫，然后在此子模塊庫中找到“6脈沖二極管橋”(SixpulseDiodeBridge)模塊，并將其標(biāo)簽改為“轉(zhuǎn)子整流橋”。具體的參數(shù)設(shè)置如下：二極管導(dǎo)通阻抗(DiodeOnstateResitance)為0.001Ω，二極管導(dǎo)通自感系數(shù)(DiodeOnstateInductance)為0H，二極管正向?qū)妷簽?.8V，緩沖阻抗(SnubberResistance)為10Ω，緩沖電容(SnubherCapacitance)為4.7μF。

(2)晶閘管逆變器的建模和參數(shù)設(shè)置。在SimPower

System/ExtraLibrary路徑下找到三相電氣(Three-PhaseLibrary)子模塊庫，然后在三相電氣子模塊庫中找到“6脈沖晶閘管橋”(Six-pulseThyristorBridge)模塊，并將其標(biāo)簽改為“逆變橋”。具體參數(shù)設(shè)置如下：晶閘管導(dǎo)通阻抗為0.01Ω，晶閘管導(dǎo)通自感系數(shù)為0H，緩沖阻抗為10Ω，緩沖電容為4.7μF。

(3)逆變變壓器的建模和參數(shù)設(shè)置。同樣在SimPower

System/ExtraLibrary路徑下找到三相電氣(Three-PhaseLibrary)子模塊庫，然后在三相電氣子模塊庫中找到“YgY線性變壓器”(YgYLinearTransformer)模塊，并將其標(biāo)簽改為“YgY逆變變壓器”。圖5-36是YgY逆變變壓器的參數(shù)設(shè)置

情況。圖5-36

YgY逆變變壓器的參數(shù)設(shè)置將各模塊按照電氣原理結(jié)構(gòu)圖所示的關(guān)系連接，就可以得到圖5-34所示的仿真模型。

2.控制電路的建模與參數(shù)設(shè)置

由圖5-33可知，晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、限幅器、速度和電流反饋環(huán)節(jié)等。這些與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路仿真模型沒有什么區(qū)別，同步脈沖觸發(fā)器也一樣，此處就不再詳細(xì)討論了。晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜，為了得到比較好的性能，在設(shè)置控制電路的參數(shù)時(shí)，需要進(jìn)行多次試探，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

3.系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置

經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)比較后，選擇算法ode15tb；仿真起始時(shí)間StartTime設(shè)為0，終止時(shí)間StopTime設(shè)為10，其它與前述章節(jié)相同。

4.系統(tǒng)的仿真及其仿真結(jié)果分析

當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。

圖5-37晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速如圖5-37(a)所示，在負(fù)載為150時(shí)，串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速仿真波形如圖5-37(b)所示。從仿真結(jié)果可以看出：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，仿真系統(tǒng)的實(shí)際速度能實(shí)現(xiàn)對給定速度的良好跟蹤，而且可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差；但是，在過渡過程時(shí)，仿真系統(tǒng)的實(shí)際速度對階