根据生产工艺对静、动态调速性能要求的不同，串级调速可以采用开环控制和闭环控制系统。由于串级调速系统的静态特性中静差率较大，通常开环系统只能用于对调速精度要求不高的场合。与直流调速系统一样，通常采用转速和电流双闭环串级调速系统。图5-15双闭环串级调速原理图......
2023-06-25
微机控制晶闸管串级调速系统
【摘要】：如图8-16所示为采用低同步晶闸管的串级调速系统，图中，M为电动机，NB为逆变变压器，ZPZ为转子整流器，KPZ为晶闸管逆变器。根据负载对静、动态调速性能要求的不同，串级调速可以采用开环控制和闭环控制系统。通常采用转速和电流双闭环串级调速系统。图8-18接触器控制电路为了进一步提高串级调速系统的性能，实现宽调和精调，扩大应用范围，可以利用微机实现的闭环调速系统，借以调节空调风机的风量。
1.串级调速的工作原理
绕线式异步电动机转子回路串入电阻实现调速时，转差能量变为热能消耗在电阻上，故效率很低。如果在绕线式异步电动机转子回路中串入与转子同频率的附加电动势Ef，通过改变Ef的幅值和相位，同样也可以实现调速，这样电动机在低速运转时，转子中的转差功率Ps只有小部分消耗在转子绕组电阻上，而大部分被串入的附加电动势Ef所吸收并回馈给电网，因而具有较高的效率，这种调速方法称为串级调速。如图8-16所示为采用低同步晶闸管的串级调速系统，图中，M为电动机，NB为逆变变压器，ZPZ为转子整流器，KPZ为晶闸管逆变器。
图8-16 串级调速系统原理图
若转差率为s，直流电流为Id，则在第一工作状态下，转子整流器输出电压Ud为
式中：E2D为转子堵转时的额定相电势；RD、XD为折算到转子侧的电动机每相等效电阻和电抗（按星形接法计算）；ΔUd为转子整流器每个桥臂元件的压降。
若逆变角为β，则三相桥式有源逆变器的直流电压Uβ（即附加电动势Ef）为
式中：E2B为逆变变压器二次侧的相电压；RB、XB为折算到变压器二次侧的电动机每相等效电阻和电抗（按星形接法计算）；Rd为直流回路电抗器电阻；ΔUβ为三相桥式有源逆变器每个桥臂元件的压降。
由于Ud=Uβ，转差率s=1-n/n0，经代换整理后的晶闸管串级调速的转速表达式为
可见，只要改变逆变角β的大小就可以实现无级调速。为了保证逆变器正常运行，通常β在30°～90°范围内调节。
2.串级调速系统的主电路
系统的转子整流器ZPZ和晶闸管逆变器KPZ分别由整流二极管ZP1～ZP6和晶闸管KP1～KP6组成，为了减少电枢电流的纹波量并使电流连续，直流侧串入平波电抗器Ld，逆变变压器NB起电动机转子电压与电网电压匹配作用，并使转子电路与交流电网隔离，从而减弱较大容量串级调速系统的逆变器对电网电压波形畸变的影响。
为了使电动机平滑启动，转子回路串接频敏变阻器RQ，启动完毕后将RQ短接，电动机即可根据给定信号进行自动调速控制。
在逆变器KPZ直、交流侧采用压敏电阻保护，晶闸管元件采用阻容保护和快熔断保护，因而使主电路的工作可靠性大大提高。
3.串级调速系统的控制电路
为了提高调速精度，防止较大功率负载启动时引起的冲击电流，改善系统抗扰动能力，采用典型的双闭环控制，即电流内环和转速外环，并由微机实现模拟PI调节。控制系统框图如图8-17所示（以空调风机工作场合为例）。
图8-17 串级调速系统微机控制系统框图
速度给定电压Ugn=UT-UTO，UTO为设定电压，即空调风机工作场合要求的环境温度所对应的电压，UT为工作场合的实际温度所对应的电压，通常采用热敏电阻器组成的温度-电压转换电路来实现温度-电压转换，温度越高，其输出的电压也越大。
当环境温度升高时，UT值增大，给定电压Ugn上升，通过调节环节改变逆变角β，使电动机转速上升，当环境温度逐步降低到对应的UT与UTO相等时，空调风机稳定运行。
为了提高速度反馈精度，将与空调风机电动机同轴连接的脉冲发生器MCZ所反映的转速数字脉冲信号输入微机，实现速度反馈。
电动机要求的工况有启动、串调运行、异步运行以及停机等，利用微机PIO A端口，通过按钮发出工况指令，微机系统就自动执行工况的变换。电动机在不同的工况下，接触器动作顺序也不相同。例如，电动机启动时动作顺序为：1XC闭合→2XC闭合→转速达70%额定转速时，3XC闭合→1XC断开。启动后投入串调运行时的动作顺序为：5XC闭合→4XC闭合→3XC断开。停机时的动作顺序为：1XC闭合→2XC断开→（延时）3XC闭合→（延时）3XC断开。接触器控制电路如图8-18所示，图中启动按钮QA与微机系统的复位按钮RESET联动，DD为故障报警用的电笛。接触器控制信号由微机PIO B端口输出，为了加强抗干扰能力采用光电隔离，如图8-18所示。
4.应用说明
异步电动机的串级调速实质上就是利用附加电动势来控制异步电动机转差功率，而实现调速的，属于转差功率回馈型的调速系统。风机、泵类负载采用晶闸管串级调速，不但可以改善调速的特性，而且具有明显的节能效果。
根据负载对静、动态调速性能要求的不同，串级调速可以采用开环控制和闭环控制系统。由于串级调速系统的静态特性中静差率较大，通常开环系统只能用于对调速精度要求不高、调速范围不大的场合。为了提高静态调速精度并得到较好的动态特性，与直流调速系统一样，可以采用反馈控制。通常采用转速和电流双闭环串级调速系统。
图8-18 接触器控制电路
为了进一步提高串级调速系统的性能，实现宽调和精调，扩大应用范围，可以利用微机实现的闭环调速系统，借以调节空调风机的风量。系统具有模拟PI运算，采集并显示电压、电流和速度，自动执行各运行状态的转换，实现过电流、过电压和欠电压的保护，以及故障报警等功能。
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