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第一节串级调速的原理与基本类型第二节低同步串级调速系统的机械特性第三节串级调速系统的效率和功率因数第四节串级调速的闭环控制系统第五节串级调速应用中的几个问题第六节串级调速系统应用实例
第一节
串级调速的原理与基本类型
一、串级调速的原理
二、串级调速的基本运行状态及功率关系三、串级调速系统的基本类型
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*转速越低，转差越大，电阻发热越多，效率越低。
引入一种新的调速方法，基本思路：
转子不串入附加电阻
-----改为串入附加电动势来调速，并将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身。
这种，既提高效率、又实现变转差率调速的方法，该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。
工作原理：
E 2=三相异步电动机的转子感应电压为：
sE 20
∙
∙
转子电流为：
式中：
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要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流附加电势完成调速的基本思想，则所串入的交流附加电势应该满足如下条件：
1. 首先，转子是三相交流电路，因此交流附加电势∙
E f 应为三相对称交流电。
2. 转子感应的三相交流电势∙
sE 20的频率、大小都是随转差率变化的，因此附加的三相交流电势∙
E f 也应
随之变频变压。
3. 附加的三相交流电势∙
E f 在控制过程中，要始终保持与转子感应的三相交流电势∙
sE 20相位相同或相反，即相位要同步。
可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。实用的串级调速系统，一般采用将转子电路接不可控整流电路，在直流回路中串入直流附加电势，通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。
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机械串级调速系统
直流电动机
绕线异步机
转子整流器
对于机械串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的机械功率为：
(1-s ) P d +sP d =P d =常数
结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。
由于调速范围越大时，所需直流电机容量也越大，所以只适用于大容量、调速范围小的恒功率生产机械，具有恒功率调速特性。
第二节
低同步串级调速系统的机械特性
一、转子整流器的三种工作状态二、串级调速系统的调速特性
三、串级调速系统的机械特性与最大转矩
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一. 转子整流器的三种工作状态
低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有源逆变器。
下面以转子整流器为例说明：分析前提条件：
滤波电抗器L d 的电感足够大，得到的直流电流是平直的； 整流元件是理想的，忽略其管压降； 忽略电动机电阻对换相的影响。
分析注意事项:转子整流器和一般整流器不同：
转子三相感应电动势的幅值和频率都是转差率的函数； 折算到转子侧的漏抗值也是转差率的函数；
由于电动机折算到转子侧的漏抗较大，换流重叠严重。
1. 转子整流器的第一工作状态
（Id 较小，γ≤600的情况）
特征：转子电流较小，整流后直流电流结论：
γ≤600
I 不换流期间，转子整流器中有两个元件导通；
d 也较小；I 换流期间，换流组有两个元件导通，二极管整流器换相迅速，两个二极d
管之间的换流重叠角不换流组有一个元件导通，共有三个元ɼ较小。
件同时导通，换流期间的整流输出电压重叠角ɼ随转子电流或I 增大，第一工作状态的为正在换流的两相电压瞬时值之和的一d 的增大而半与另一相电压瞬时值的包络线。
ɼ小于等于600。
由整流电路计算，得第一工作状态下的重叠角
γ
计算公式：
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第一工作状态的边界γ=600电压、电流波形：
I d
2. 转子整流器的第二工作状态
（I d 较大，γ=600不变，出现强迫延时换相角）特征：当重叠达到600，电
流达到第一工作状态最大电流（或一、二状态分界电流I d1-2）以上，如果负载电流继续增大，最初时重叠角会大于600，但稳定以后，两个二极管的重叠会均匀地保持600不变，但所有二极管的换流都被迫从自然换流点向后延迟一个角度αp 。电流越大，这个强迫延时换相角就越大，但有：
00
注意：
1、换流时间间隔与换流延迟时间间隔是均匀分布的
γi =γi +1=γ=60 αpi =αpi +1=αp
2、αp 的稳态数值取决于I d ，I d 越大，αp 就越大
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（三）第三工作状态
γ>60ºa p >30º
随着I d 的继续增大，a p >30º属于故障状态
3. 转子整流器的故障状态（Id 过大，α=300γ>600
p 的情况）
转子整流器的三个工作状态
（一）第一工作状态γ
（二）第二工作状态γ=60ºa p 60ºa p >30º
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二. 串级调速系统的调速特性（n 或s 与电流I d 的关系）
n 或s 与电流I d 的关系式，需要从直流等效电路入手加以推导：第一工作状态下，整流整流器-逆变器的直流回路等效电路如下：
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第三节
串级调速系统的效率和功率因数
一. 串级调速系统的总效率二. 串级调速系统的总功率因数
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（二）GTO 串级调速系统
GTO 称为可关断晶闸管，其具有自关断能力。
使用GTO 的逆变器可以通过控制GTO 的开通关断时刻，使逆变电路产生超前于电网电压的电流，从而使串级调速系统的逆变侧呈现电容性，提高总功率因数。
由于GTO 价格较高，该控制方案适用于大容量绕线异步电动机的串级调速。
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2）当ACR 的输出电压为0时，β最小，此时应整定触发脉冲，使逆变角最小值为βmin ，通常令βmin =30º。同理，当ACR 的输入达到上限的时候，应整定逆变角βmax =90º
3）利用ASR 的输出限幅作用和ACR 的电流负反馈调节作用可以使双闭环串级调速系统在加速过程中实现恒流升速，获得良好的加速特性。
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第六节串级调速系统应用中的几个问题
一、电动机的选择
1、选择串级调速系统中电动机容量的方法：首先，按常规的方法计算出自然接线时电动机的功率；
然后，根据串级调速的特点加以修正，并选择串级调速系统的电动机功率；
最后，进行电动机的热校验及过载能力校验。
采用串级调速方案时，需扩大容量的原因：
（1）串级调速系统的负载能力比自然接线损失17%。（2）串级调速后电动机的功率因数降低。
（3）低速运行时，转子的高频谐波电流造成转子铜损耗增加。
考虑上述因素后，串级调速系统电动机容量：
P =KP D
P ——串级调速时，电动机所需要的功率；
P D ——按常规计算所得的自然接线时电动机功率；K ——串级调速系数，一般取1.15左右
所选择的电动机的额定容量应为：P n ≥P
串级调速系统的热校验，采用等效电流法。串级调速系统电动机的过载能力校验，要考虑
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串级调速时异步电动机过载能力降低17%左右，还要考虑电网电压降低的影响。
若满足下式，则过载能力校验通过
K s T e 2m T L max
2、选择电动机额定转速
在选择电动机的额定转速时，考虑到串级调速系统的机械特性比较软，电动机的额定转速应比生产机械的最高转速高10%左右。3、串级调速系统的结构选择：
若需在电动机轴上安装测速发电机，则要选用两端出轴的双轴伸式电动机。
二、起动方式的选择
1、直接起动：利用串级调速装置本身直接起动电动机，不再另接设备的起动方式。
主要用于要求调速范围很大的生产机械，如提升机、钢丝绳牵引胶带运输机等。
2、间接起动方式：利用频敏变阻器或电阻器等起动设备起动电动机，当加速到调速范围内的最低转速时，投入串级调速，并切除起动设备。
主要用于要求调速范围不大的风机、泵类、压缩机、轧机等生产机械设备。
串级调速系统的起动操作顺序：必须先合控制电源，然后接通逆变器的交流电源，最后才允许电动机转子接入串级调速装置进行起动。停车时，须先断开电动机侧电源，再断开逆变器侧交流电源
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串级调速系统的起动操作顺序：必须先合控制电源，然后接通逆变器的交流电源，最后才允许电动机转子接入串级调速装置进行起动。停车时，须先断开电动机侧电源，再断开逆变器侧交流电源
三、串级调速装置的选择
１、选择串级调速装置的电流电压等级
U dn ≥1.35Ｅ2n （1-1/D）=1.35Ｅ2n s max
I dn ≥（1/0.816）I 2n
２、选择开环装置或者闭环装置
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作业：P51页1、7
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第一节串级调速的原理与基本类型第二节低同步串级调速系统的机械特性第三节串级调速系统的效率和功率因数第四节串级调速的闭环控制系统第五节串级调速应用中的几个问题第六节串级调速系统应用实例
第一节
串级调速的原理与基本类型
一、串级调速的原理
二、串级调速的基本运行状态及功率关系三、串级调速系统的基本类型
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*转速越低，转差越大，电阻发热越多，效率越低。
引入一种新的调速方法，基本思路：
转子不串入附加电阻
-----改为串入附加电动势来调速，并将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身。
这种，既提高效率、又实现变转差率调速的方法，该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。
工作原理：
E 2=三相异步电动机的转子感应电压为：
sE 20
∙
∙
转子电流为：
式中：
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要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流附加电势完成调速的基本思想，则所串入的交流附加电势应该满足如下条件：
1. 首先，转子是三相交流电路，因此交流附加电势∙
E f 应为三相对称交流电。
2. 转子感应的三相交流电势∙
sE 20的频率、大小都是随转差率变化的，因此附加的三相交流电势∙
E f 也应
随之变频变压。
3. 附加的三相交流电势∙
E f 在控制过程中，要始终保持与转子感应的三相交流电势∙
sE 20相位相同或相反，即相位要同步。
可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分困难。实用的串级调速系统，一般采用将转子电路接不可控整流电路，在直流回路中串入直流附加电势，通过调节直流附加电势的大小来调速的控制方案。
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机械串级调速系统
直流电动机
绕线异步机
转子整流器
对于机械串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上输出的机械功率为：
(1-s ) P d +sP d =P d =常数
结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。
由于调速范围越大时，所需直流电机容量也越大，所以只适用于大容量、调速范围小的恒功率生产机械，具有恒功率调速特性。
第二节
低同步串级调速系统的机械特性
一、转子整流器的三种工作状态二、串级调速系统的调速特性
三、串级调速系统的机械特性与最大转矩
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一. 转子整流器的三种工作状态
低同步串级调速系统电力电子电路的核心部分是转子整流器和有源逆变器。
下面以转子整流器为例说明：分析前提条件：
滤波电抗器L d 的电感足够大，得到的直流电流是平直的； 整流元件是理想的，忽略其管压降； 忽略电动机电阻对换相的影响。
分析注意事项:转子整流器和一般整流器不同：
转子三相感应电动势的幅值和频率都是转差率的函数； 折算到转子侧的漏抗值也是转差率的函数；
由于电动机折算到转子侧的漏抗较大，换流重叠严重。
1. 转子整流器的第一工作状态
（Id 较小，γ≤600的情况）
特征：转子电流较小，整流后直流电流结论：
γ≤600
I 不换流期间，转子整流器中有两个元件导通；
d 也较小；I 换流期间，换流组有两个元件导通，二极管整流器换相迅速，两个二极d
管之间的换流重叠角不换流组有一个元件导通，共有三个元ɼ较小。
件同时导通，换流期间的整流输出电压重叠角ɼ随转子电流或I 增大，第一工作状态的为正在换流的两相电压瞬时值之和的一d 的增大而半与另一相电压瞬时值的包络线。
ɼ小于等于600。
由整流电路计算，得第一工作状态下的重叠角
γ
计算公式：
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第一工作状态的边界γ=600电压、电流波形：
I d
2. 转子整流器的第二工作状态
（I d 较大，γ=600不变，出现强迫延时换相角）特征：当重叠达到600，电
流达到第一工作状态最大电流（或一、二状态分界电流I d1-2）以上，如果负载电流继续增大，最初时重叠角会大于600，但稳定以后，两个二极管的重叠会均匀地保持600不变，但所有二极管的换流都被迫从自然换流点向后延迟一个角度αp 。电流越大，这个强迫延时换相角就越大，但有：
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注意：
1、换流时间间隔与换流延迟时间间隔是均匀分布的
γi =γi +1=γ=60 αpi =αpi +1=αp
2、αp 的稳态数值取决于I d ，I d 越大，αp 就越大
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（三）第三工作状态
γ>60ºa p >30º
随着I d 的继续增大，a p >30º属于故障状态
3. 转子整流器的故障状态（Id 过大，α=300γ>600
p 的情况）
转子整流器的三个工作状态
（一）第一工作状态γ
（二）第二工作状态γ=60ºa p 60ºa p >30º
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二. 串级调速系统的调速特性（n 或s 与电流I d 的关系）
n 或s 与电流I d 的关系式，需要从直流等效电路入手加以推导：第一工作状态下，整流整流器-逆变器的直流回路等效电路如下：
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第三节
串级调速系统的效率和功率因数
一. 串级调速系统的总效率二. 串级调速系统的总功率因数
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（二）GTO 串级调速系统
GTO 称为可关断晶闸管，其具有自关断能力。
使用GTO 的逆变器可以通过控制GTO 的开通关断时刻，使逆变电路产生超前于电网电压的电流，从而使串级调速系统的逆变侧呈现电容性，提高总功率因数。
由于GTO 价格较高，该控制方案适用于大容量绕线异步电动机的串级调速。
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2）当ACR 的输出电压为0时，β最小，此时应整定触发脉冲，使逆变角最小值为βmin ，通常令βmin =30º。同理，当ACR 的输入达到上限的时候，应整定逆变角βmax =90º
3）利用ASR 的输出限幅作用和ACR 的电流负反馈调节作用可以使双闭环串级调速系统在加速过程中实现恒流升速，获得良好的加速特性。
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第六节串级调速系统应用中的几个问题
一、电动机的选择
1、选择串级调速系统中电动机容量的方法：首先，按常规的方法计算出自然接线时电动机的功率；
然后，根据串级调速的特点加以修正，并选择串级调速系统的电动机功率；
最后，进行电动机的热校验及过载能力校验。
采用串级调速方案时，需扩大容量的原因：
（1）串级调速系统的负载能力比自然接线损失17%。（2）串级调速后电动机的功率因数降低。
（3）低速运行时，转子的高频谐波电流造成转子铜损耗增加。
考虑上述因素后，串级调速系统电动机容量：
P =KP D
P ——串级调速时，电动机所需要的功率；
P D ——按常规计算所得的自然接线时电动机功率；K ——串级调速系数，一般取1.15左右
所选择的电动机的额定容量应为：P n ≥P
串级调速系统的热校验，采用等效电流法。串级调速系统电动机的过载能力校验，要考虑
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串级调速时异步电动机过载能力降低17%左右，还要考虑电网电压降低的影响。
若满足下式，则过载能力校验通过
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2、选择电动机额定转速
在选择电动机的额定转速时，考虑到串级调速系统的机械特性比较软，电动机的额定转速应比生产机械的最高转速高10%左右。3、串级调速系统的结构选择：
若需在电动机轴上安装测速发电机，则要选用两端出轴的双轴伸式电动机。
二、起动方式的选择
1、直接起动：利用串级调速装置本身直接起动电动机，不再另接设备的起动方式。
主要用于要求调速范围很大的生产机械，如提升机、钢丝绳牵引胶带运输机等。
2、间接起动方式：利用频敏变阻器或电阻器等起动设备起动电动机，当加速到调速范围内的最低转速时，投入串级调速，并切除起动设备。
主要用于要求调速范围不大的风机、泵类、压缩机、轧机等生产机械设备。
串级调速系统的起动操作顺序：必须先合控制电源，然后接通逆变器的交流电源，最后才允许电动机转子接入串级调速装置进行起动。停车时，须先断开电动机侧电源，再断开逆变器侧交流电源
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串级调速系统的起动操作顺序：必须先合控制电源，然后接通逆变器的交流电源，最后才允许电动机转子接入串级调速装置进行起动。停车时，须先断开电动机侧电源，再断开逆变器侧交流电源
三、串级调速装置的选择
１、选择串级调速装置的电流电压等级
U dn ≥1.35Ｅ2n （1-1/D）=1.35Ｅ2n s max
I dn ≥（1/0.816）I 2n
２、选择开环装置或者闭环装置
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