串級調(diào)速原理與晶閘管調(diào)速主電路設計案例

目錄

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串級調(diào)速原理與晶閘管調(diào)速主電路設計案例

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1.1異步電機串級調(diào)速原理

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1.2交流調(diào)速方式

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1.3串級調(diào)速系統(tǒng)的基本類型

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1.4晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路設計

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1.5異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流電路

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1.1異步電機串級調(diào)速原理

繞線式異步電動機的構(gòu)造特征是通過滑環(huán)進而導出的三相繞組。對于繞線式晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的研究異步電動機，如果想要減小電流，需要把附加電阻接入到轉(zhuǎn)子回路中去，進而使轉(zhuǎn)差率變大，最終使得轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。這種接附加電阻從而達到改變速度的方法，在轉(zhuǎn)子附加的電阻會被額發(fā)生消耗進而產(chǎn)生熱量，這就使得降低了系統(tǒng)的整體效率。增加所接入的電阻，會使得轉(zhuǎn)差率變大，達到降低轉(zhuǎn)速的目的。損耗的額外功率越多，這樣系統(tǒng)的工作效率就會變低。所以，這種調(diào)速方法的性能差，同時也不經(jīng)濟適用，大型異步電動機不適合用這種方法調(diào)速，且因為效率低，如果長期運行，也不適用于小型異步電機。對于轉(zhuǎn)差功率在電阻中發(fā)生損耗、運行效率低的缺點，把三相對稱附加電動勢串入回路，使電動勢達到改變，進而達到改變轉(zhuǎn)差率的目的，從而達到調(diào)速的目的。如果在調(diào)速的過程中，讓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率被附加電動勢裝置吸收，并將其回饋電動機本身。在這種情況下，轉(zhuǎn)子繞組自身的電阻消耗了很少一部分轉(zhuǎn)差率，而附加的電動勢吸取了剩下的部分，電網(wǎng)再獲得這部分轉(zhuǎn)差功率，在這種情況下，即便電動機運行速度較低，但是它的工作效率仍然較高，這樣就使得電動機應用范圍廣，實用性高。把附加電動勢串入到繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回路中的調(diào)速方法，簡稱為串級調(diào)速。

圖2-1異步電動機串級調(diào)速原理

轉(zhuǎn)子相電動勢為：

（2-1）

式中s異步電機轉(zhuǎn)差率；

轉(zhuǎn)子開路電動勢，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。

分析公式，當電機工作時，其轉(zhuǎn)子電動勢Er值與轉(zhuǎn)差率s成正比。轉(zhuǎn)子頻率也與s成正比，。在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流Ir的表達式為

（2-2）

式中轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；

s=1時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗；為s=1時，轉(zhuǎn)子開路向電動勢。

1.2交流調(diào)速方式

交流電動機的調(diào)速方案主要有三種：改變極對數(shù)調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速及改變定子供電電源頻率正調(diào)速。其中改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法又可以通過調(diào)定子電壓、轉(zhuǎn)子回路電阻、轉(zhuǎn)子附加電動勢及采用電磁離合器來實現(xiàn)。從能量角度看，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分為兩部分：一部分是拖動負載的有功功率，稱作機械功率；另一部分是傳給轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度，根據(jù)轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，可以把異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)分成以下三種類型。

（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

在這類調(diào)速系統(tǒng)中，全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熟能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的調(diào)定子

電壓、轉(zhuǎn)子回路串電阻和采用電磁離合器這三種調(diào)速方法都屬于這一類。這類調(diào)速系統(tǒng)的效率最低，而且它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低(恒轉(zhuǎn)矩負載時)，轉(zhuǎn)速越低，效率也就越低。但這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，設備成本較低，因此還有一定的應用場合。

轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)

在這類調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率的一部分(轉(zhuǎn)子銅損)被消耗掉，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過交流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為機械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低時回收的功率也越多，上述轉(zhuǎn)子附加電動勢調(diào)速方法屬于這一類。這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設備。

轉(zhuǎn)差功率不變型系統(tǒng)

在這類調(diào)速系統(tǒng)中，除了不可避免的轉(zhuǎn)子銅損外，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗

基本不變，因此效率更高，上述的變極對數(shù)和變壓變頻這兩種調(diào)速方法屬于此類。其

中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應用場合有限。而變壓變頻調(diào)速應用很廣，可以構(gòu)成高動態(tài)

性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速。但是須在定子回路中配備與電動機容量相當?shù)淖?/p>

壓變頻器，相比之下，設備成本較高。

1.3串級調(diào)速系統(tǒng)的基本類型

串級調(diào)速系統(tǒng)可分為超同步串級調(diào)速和次同步串級調(diào)速系統(tǒng)。超同步串級調(diào)速系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)子回路中串入與感應電動勢同相位同頻率的交流附加電動勢且附加電動勢的頻率是可改變的，以保持與感應電動勢同頻率。與次同步串級調(diào)速系統(tǒng)相比，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)不但效率高，而且能實現(xiàn)全部五種情況的運行，調(diào)速裝置容量小，此外還可以解決功率因數(shù)低等問題，但它的主電路和控制電路復雜，調(diào)速裝置成本高。所以超同步串級調(diào)速系統(tǒng)適用于需要四象限運行、大容量的生產(chǎn)機械。在此，不進行詳細研究。

工程上，低同步串級調(diào)速系統(tǒng)是用不可控整流器將轉(zhuǎn)子電動勢整流為直流電動

勢，再與轉(zhuǎn)子整流回路中串入的直流附加電動勢進行合成，通過改變附加電動勢的大小，實現(xiàn)低于同步轉(zhuǎn)速的電動運行。這是由于轉(zhuǎn)子電動勢的頻率是隨轉(zhuǎn)速而變化的，所以附加電動勢的頻率也要隨轉(zhuǎn)速而變化，以保持與轉(zhuǎn)子電動勢同頻率，這在技術(shù)上比較難以實現(xiàn)。故采用上述方法就避免了隨時改變頻率的麻煩，在工程上又比較容易實現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，故轉(zhuǎn)差功率只只能單方向從轉(zhuǎn)子流出，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率只從轉(zhuǎn)子流入，故不能實現(xiàn)高于同步轉(zhuǎn)速的電動運行和低于同步轉(zhuǎn)速的回饋制動運行。

次同步串級調(diào)速系統(tǒng)由于具有效率高、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點，所以應用廣泛。根據(jù)造紙機生產(chǎn)工藝對電氣傳動系統(tǒng)的要求，選用低同步串級調(diào)速系統(tǒng)是較合適的一種“調(diào)速節(jié)能”方案。

1.4晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路設計

圖中是晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路圖，M為繞線式異步電動機，三相不可控整流裝置的作用：能夠把相電動勢由交變電流變成直流電流，從而得到電壓。整流裝置以有源逆變的狀態(tài)運行。該裝置能夠發(fā)出能夠被調(diào)節(jié)的直流電壓，還能夠把轉(zhuǎn)差功率從直流電流變成交流電流，最終導向電網(wǎng)中。

有源逆變器包括轉(zhuǎn)子整流器和直流反電動勢，都采用三相橋式電路。逆變器逆變電壓就是串接在轉(zhuǎn)子回路中的附加電動勢。負載轉(zhuǎn)矩被直流回路電流控制，使負載和保持不變，調(diào)整逆變角，逆變電壓隨之變化，這就是調(diào)速的本質(zhì)。

逆變器的作用：使電動機轉(zhuǎn)子電壓和電力網(wǎng)絡中的電壓相互匹配。它的二次側(cè)電壓受感應電勢E2和調(diào)速范圍共同影響，比如，增大調(diào)速范圍，那么要求就是有更大。同時逆變變壓器的作用：分隔開電動機轉(zhuǎn)子電路和交流電力網(wǎng)絡，進而使電力網(wǎng)絡的波形被大功率的晶閘管的影響被削弱，調(diào)整斷態(tài)電壓臨界上升率和通態(tài)電流臨界上升率。

圖2-2晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路

1.5異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流電路

轉(zhuǎn)子整流電路采用三相橋式不可控整流電路，如下圖所示：

圖1.3三相橋式不可控整流電路

由于異步電動機的轉(zhuǎn)子漏抗較大，并且接有晶閘管變流器，所以其機械特性的表達

式除與系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)外，還與負載電流有關(guān)。在串級調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子三相繞組和整流器連接的整流電路與一般三相橋式整流電路相似，可以用變流理論分析。但要特別注意它與一般整流器有以下幾點不同：(1)轉(zhuǎn)子三相感應電動勢的幅值和頻率是轉(zhuǎn)差的函數(shù)；(2)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也是轉(zhuǎn)差率的函數(shù)：(3)由于異步電動機折算到轉(zhuǎn)子的漏抗比一般整流變壓器大得多，所以換流重疊現(xiàn)象嚴重，使換向重疊角大，轉(zhuǎn)子整流器會出現(xiàn)“強迫延遲換流”現(xiàn)象，從而引起轉(zhuǎn)子整流電路的特殊工作狀態(tài)

由于電動機存在漏抗，使換流過程中電流不能突變，因而會產(chǎn)生換流重疊現(xiàn)象。根

據(jù)電力電子變流技術(shù)理論，轉(zhuǎn)子整流器換向重疊角一般公式為：

（2—7）

其中，XD0——s=1時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電機每相漏抗。

由式（2—7）可知，整流電流Id越大，換相重疊角也越大，當強迫延遲換相，推遲的角度用強迫換流延遲角表示。這樣當Id某一范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子重疊角在0°到60°之間時，=0°，此時轉(zhuǎn)子整流器工作在正常的不可控狀態(tài)；隨著整流電流Id的