b.起动控制：控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与Uβ的差值能产生 足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动 机就可在一定的动态转矩下加速起动。
随着转速的增高，相应地增大角以减小值 Uβ ，从而维持加速过程中动态 转矩基本恒定 。
30
（2）调速
a.调速原理：通过改 变角的大小调节电动机 的转速。
由于电机在 低于同步转速 下工作，故称 为次同步转速 的电动运行。
sn
0 n1
~
P1 Pm
(1-s)Pm
CU
sPm
10
次同步速度电动运行状态
sPm
Te
12
不断加大+Eadd， s n
就可提高电机的转 速。当接近额定转
1
2n1
SP
速时，如继续加大
+Eadd，电机将加
P
速到s<0的新的稳
Pm
态下工作，即电机
转子电流 I2 的增大，会引起交流电动机
拖动转矩的增大，设原来电机拖动转矩与负载 相等，处于平衡状态，串入附加电势引起电 动机升速，在升速的过程中，随着速度增加， 转差率S减小，分子中sE2减小，电流也减小， 使拖动转矩减小后再次与负载平衡，降速过程 最后会在某一个较高的速度下重新稳定运行。
* 这种向上调速的情况称为高于同步速的串级调速。（超同步串调） 9
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.附加电动势的实现 四.次同步串级调速主电路
2
一. 串级调速的原理
转子串电阻调速方法有什么缺点？
我们知道，对于绕线转子异步电动机，可以在其 转子回路串入电阻来减小电流，增大转差率，从而改 变转速。这种方法就是转子串电阻调速方法。
转子串电阻调速方法的主要缺点：大量转差功率将 在转子所串电阻上变成热量被消耗掉，因此不适合对 大容量电机降速，对小容量电机也因效率太低而不适 宜长期运行。
18
要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流 附加电动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
•
Ef
应为三相对称
交流电。
2.转子感应的三相交流电势
•
sE20
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
•
Ef
也应随之变频变压。
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第二节 低同步串级调速系统整流 电路的工作特性
一.转子整流器的电路 二.转子整流电路的三种工作状态
33
一.转子整流电路
可以看成导通角 为0的三相全控
整流电路
D0
两个三相半波
可控整流电路
串接
34
▪ 假设条件 ▪ （1）整流器件具有理想的整流特性，管压降及
变 转子侧功率因数由于S通常较小而近似为1 电机稳定运行时，电磁转矩基本恒定
因此上式中的电流 I2 就基本是个恒定的值
电流 I2 I2
I2=CONST（常数）
6
如果此时在电路中加入一个附加电动势Eadd，附加电 动势的频率与转子相电动势sE20的频率相同，而相位 相同或者相反
sE20 r22 (sx20 )2
第二章 绕线式异步电动机 串级调速系统
第一节 串级调速的原理与基本类型 第二节 串级调速系统转子整流电路的工作特性 第三节 串级调速系统的调速特性和机械特性 第四节 串级调速的效率和功率因数 第五节 串级调速闭环控制系统 第六节 串级调速系统应用中的几个问题 第七节 串级调速系统应用实例
1
第一节 串级调速的原理与基本类型
u 2.34uT 2 cos Id R
27
2.34sE20 2.34uT 2 cos Id (Rd R RL )
由于惯性 维持不变
β增大→Id
增大→Te增 大
→ 如果系统中的负载保持不变，则电动机会加速 S减 → 小，sE20也就减小 Id减小，达到另一个动态平衡
28
β为逆变器的逆变角β= -α
• 串调系统的主要缺点: ——系统的功率因数低。
原因是异步电动机的功率因数本来就不高， 再加上装置的变换电路及逆变变压器的工作都 要从电网中吸收无功功率 。
16
：不是以电机是否工作在同步转速以
上或以下来区分超同步或次同步串级调速系统， 而是以转差功率的传递方向来区分的。超同步串 调调速系统也会工作在同步转速以下（超同步速 串级调速系统的再生制动），次同步串调调速系 统也会工作在同步转速以上（次同步速串级调速 系统的回馈制动）
在上述的电路中，为了防止逆变颠覆，逆变角 的取值范围为30°≤β≤90°
β取得最小值30 °，电动机最低速运行 β取得最大值90° ，电动机最高速运行
29
（1）起动：
a.起动条件：对串级调 速系统而言，起动应有足
够大的转子电流Ir或足够 大的整流后直流电流Id， 为此，转子整流电压Ud 与逆变电压Uβ间应有较大 的差值。
~
M
3~
sPe
CU1
TI CU2
次同步速串级调速系统主电路
20
b)转子输入功率的工况
~
M
3~
CU1 sPe
TI CU2
超同步速串级调速系统主电路
21
四.次同步串级调速系统的基本类型及主电路。
从能量关系来说，低同步串级调速电动状态的 基本能量关系是串入附加电势，吸收转子降速引起 的转差功率，并将吸收的功率回馈电网的过程。
电机定子侧输出功 率给电网，电机成 -Te 为发电机处于制动 状态工作，并产生 制动转矩以加快减 速停车过程。
0<s<1
SP
P
Pm
(1 S)P
CU
SP
次同步速度再生制动状态
sn 0
n1
10 0
15
• 次同步速串调速系统的主要优点： ① 在调速范围不大时，装置容量小 ② 系统把大部份转差功率回馈给了电网，所以在低 速时的效率较转差功率消耗型的调速系统要高
(1 s)Pd sPd Pd 常数
结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。
* 电气串级调速系统因效率高、技术成熟和低成本而获得广泛应用。
26
~
M 3~
UR
Id
++
~
UI
TI
~sEr0
E2
Eβ
~ E2T
- Ld -
(a)
电动机稳态时：ud u Id * RL
其中：ud 2.34sE20 Id Rd
在超过其同步转速
下稳定运行。 电机的轴上输出功
(1 S)P
SP
CU
率由定子侧与转子 0 n1
侧两部分输入功率 0 合成。
超同步转速电动状态
Te
电机处于定、转子双输入状态。绕线型异步电机在转子中
串入附加电动势后可以在超同步转速下作电动运行，并可
使输出超过其额定功率，这一特殊工况正是由定、转子双
馈的条件形成的。
逆变变压器TI
绕线转子 异步电动 机MA
测速信号取 自测速发电 机TG
~
MA
TG
E2 S
1C
起动电阻R
R
+
U
*
n+
-
Un
n
2C
负载
VR
Ld
VI
Ud
Ui
i
ASR
U
*
i+
- Ui
ACR U ct
TI U 2T I 2T
电流反馈 信号在逆 变桥交流 侧采样经 整流得到
电流反馈 信号也可 在直流侧 采样得到
b.调速过程：
随着转速的增高，相应地增大角以减小值 Uβ ，从而维持加速过程中动 态转矩基本恒定 。
31
（3）停车
串级调速系统没有制 动停车功能。只能靠减小 角逐渐减速，并依靠负 载阻转矩的作用自由停车。
结论： （1）串级调速系统能够靠调节逆变角β实现平滑无级调速， （2）系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置 损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。
13
电动机转子输出 转差功率，经附 加电动势回馈给 电网，
P
Pm
sn
1
SP
2n1
定子也向电网回
馈功率。 s<0
(1 S)P
CU
SP
0 n1
-Te
0
电动机被负载拖
超同步速度再生制动状态
动，产生电气制
动
14
很多工作机械为了提 高其生产率，希望电 力拖动装置能缩短减 速和停车的时间，因 此必须使运行在低于 同步转速电动状态的 电机切换到制动状态 下工作。
I2
const
sE20 Eadd r22 (sx20 )2
sE20 Eadd
const
分母中只有s为变量， 而s的值通常很少，从 而可以认定分母为一
个不变的定值
由于E20是一个 电机参数决定的 常数，因此Eadd 的变化就能导致
S发生变化
7
将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 Eadd
4
▪ 工作原理：
•
•
三相异步电动机的转子感应电压为：E2 sE20
转子电流为：
式中：
气隙磁通
异步电动机电磁转矩为： T kmI2 cos2
转子侧功 率因数
由电动机结构确 定的转矩系数
折算到转子侧 的定子电流
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▪ 电磁转矩的表达式中： 转矩系数由电动机结构决定 电源频率及定子相电压不变时，气隙磁通则不
▪ 机械串级调速系统用直流电动机作为可控直流电 源，通过控制直流电动机的励磁控制转子转速。 所吸收转差功率可以通过直流电动机与绕线电动 机的轴间直连将转差功率直接反馈给绕线电动机。