图2.47串级调速系统原理图整流后的直流回路电压平衡方程式为或式中，UT2 为逆变变压器的二次相电压；β 为逆变装置的逆变角；R 为转子直流回路的总电阻。式可以看作在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式s=f。对串级调速系统而言，启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 。因此串级调速系统没有制动停车功能，只能靠减小β 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。......
2023-06-23
串级调速系统的原理和分类
【摘要】：图5-11采用直流附加电动势的串级调速原理框图2.串级调速的分类从功率传递方向来看，串级调速实质上就是利用附加电动势Eadd控制异步电动机转差功率而实现调速的。因此，串级调速系统的基本运行状态可以通过功率传递关系来分析。但由于转速较低时，直流电动机不能产生足够的附加电动势，所以这种串级调速系统调速范围不大，通常在2∶1以内。图5-14机械串级调速
为了利用转差功率Ps，使转差功率不白白消耗在转子回路的电阻上，而将其利用起来，人们提出了另一种改变转差率的调速方法，即串级调速。这种调速方法既可以向电动机转子输送转差功率并转换成机械能从转轴上输出，又可以把转差功率通过逆变器回馈到交流电网。绕线转子异步电动机的转子绕组通过滑环与外部电气设备相连接，其目的是通过调节转子电动势实现调速。
图5-10 绕线转子异步电动机串级调速原理图
1.串级调速的工作原理
式中：Er0为s=1时转子开路相电动势有效值；Xr0为s=1时转子绕组每相漏电抗；Rr为转子回路每相电阻。
当转子回路中串入与
频率相同、相位相反的附加电动势
时，转子电流为
式中：Eadd为串入电动势的有效值。转子合成电动势sEr0-Eadd的减小，引起转子电流Ir的减小，则电动机传递的电磁功率减小，产生的电磁转矩也相应减小，而负载转矩没有变，使得电动机电磁转矩小于负载转矩，平衡条件被破坏，使电动机的转速降低。随着转速的降低，转差率s升高，根据式（5-30）可知转子电流Ir又回升，电动机电磁转矩也相应回升，当s增加到一定值，转子电流又回升到原值。此时，电动机电磁转矩和负载转矩重新达到平衡，减速过程结束，电动机稳定运行在低于原值的某一转速上。这就是低于同步转速调速的原理，称为次同步串级调速。串入的电动势Eadd越大，电动机的稳态转速就越低。
此时，转子合成电动势sEr0+Eadd增大，转子电流和电动机电磁转矩都相应增大，使得电磁转矩大于负载转矩，电动机转速上升，s减小。当s减小到某一定值时，电动机的电磁转矩和负载转矩又可以重新达到平衡，电动机稳定运行在高于原值的某一转速上。若串入的电动势Eadd足够大，就会使s的最终值小于零，电动机稳定运行在高于同步转速的某一转速上，这就是高于同步转速调速的原理，称为超同步串级调速。串入的电动势Eadd值越大，电动机的转速就越高。
图5-11 采用直流附加电动势的串级调速原理框图
2.串级调速的分类
从功率传递方向来看，串级调速实质上就是利用附加电动势Eadd控制异步电动机转差功率而实现调速的。因此，串级调速系统的基本运行状态可以通过功率传递关系来分析。
（1）低于同步转速的电动状态。
这时转子电流Ir与转子绕组感应电动势Er相位相同，而与串入的附加电动势Eadd相位相反，此时转差功率被附加电动势装置所吸收，再借助于附加电动势装置将转差功率回馈给交流电网，异步电动机工作在电动状态。
（2）高于同步转速的电动状态。
此时转子回路串入的附加电动势Eadd和Ir相位相同，而Er与Ir相位相反，电网通过附加电动势产生装置向电动机输入转差功率。从功率传递的角度来看，超同步转速的串级调速是向异步电动机定子和转子同时输入功率的双馈系统。
（3）高于同步转速的再生制动状态。
电动机转子回路中的转差功率传递方向与低于同步转速的状态是相同的，电动机转子输出转差功率经Eadd装置回馈电网，同时电动机的定子也向电网回馈功率。电动机被位能负载拖动时，在超同步转速下产生电气制动，工作在超同步转速的再生制动状态。
（4）低于同步转速的再生制动状态。
此时电网通过Eadd装置向电动机转子回路输入转差功率，功率传递方向与高于同步转速的电动状态相同。送入转子的转差功率与电动机轴上输入的机械功率相加，通过电动机定子回馈电网，此时电动机处于低于同步转速的再生制动状态。
另外，根据串级调速异步电动机转子回路中直流附加电动势Eadd获取的方法不同，又可将串级调速分为以下三种基本类型：
（1）电动机串级调速。
电动机串级调速原理图如图5-12所示，附加电动势Eadd就是直流电动机旋转时的反电动势，改变直流电动机的励磁电流大小，即可改变Eadd的大小。而直流电动机拖动交流异步电动机作发电机运行，从而将转差功率回馈入电网。
（2）晶闸管串级调速。
晶闸管串级调速原理图如图5-13所示，用晶闸管全控整流电路获得Eadd，整流电路长期工作在有源逆变状态，即逆变角β≤90°，改变β的大小即可改变附加电动势Eadd的大小。
图5-12 电动机串级调速
图5-13 晶闸管串级调速
全控整流电路工作在有源逆变状态，所以能将转差功率通过变压器回馈电网。随着大功率晶闸管变流技术的飞速发展，晶闸管串级调速系统显示出了无比的优越性，已成为次同步串级调速系统的典型方案。
（3）机械串级调速。
机械串级调速原理图如图5-14所示，该系统用他励直流电动机旋转时的反电动势作为附加电动势Eadd，改变直流电动机的励磁电流大小，即可改变Eadd的大小，从而实现主电动机的调速。
转差功率经转子整流器送给直流电动机，由于直流电动机与调速电动机同轴硬性连接，直流电动机吸收的转差功率转变为轴上的机械功率又送给负载。这相当于在负载轴上增加了一个拖动转矩，从而很好地利用了转差功率，能在低速时产生较大转矩，适用于低速重负载转矩场合。但由于转速较低时，直流电动机不能产生足够的附加电动势，所以这种串级调速系统调速范围不大，通常在2∶1以内。
图5-14 机械串级调速
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