第二章 串级调速

1、 1 第一节第一节 串级调速的原理与基本类型串级调速的原理与基本类型 第二节第二节 低同步串级调速系统的机械特性低同步串级调速系统的机械特性 第三节第三节 串级调速系统的效率和功率因数串级调速系统的效率和功率因数 第四节第四节 串级调速的闭环控制系统串级调速的闭环控制系统 第五节第五节 串级调速应用中的几个问题串级调速应用中的几个问题 第六节第六节 串级调速系统应用实例串级调速系统应用实例 第二章第二章 绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机 串级调速系统串级调速系统 2 第一节第一节 串级调速的原理与基本类型串级调速的原理与基本类型 一一. .串级调速的原理串级调速的原理 二二. .串级调速的

2、基本运行状态及功率关系串级调速的基本运行状态及功率关系 三三. .串级调速系统的基本类型串级调速系统的基本类型 3 一一. . 串级调速的原理串级调速的原理 转子串电阻调速方法有什么缺点？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。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

3、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。率太低而不适宜长期运行。 转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。转子串电阻调速方法的能量关系如图所示。 参照电动机内部各项功率表达式，对照能量关系图，可以估算出电动参照电动机内部各项功率表达式，对照能量关系图，可以估算出电动 机的效率情况。机的效率情况。 基本结论是：基本结论是： 串入电阻越大，转速越低，转差就越大，机械功率在电串入电阻越大，转速越低，转差就越大，机械功率在电 磁功率中所占的比率就越低，效率越低。磁功率中所占的比率就越低，

4、效率越低。 4 *转速越低，转差越大，电阻发热越多，效率越低。转速越低，转差越大，电阻发热越多，效率越低。 5 串级调速的基本原理是什么？串级调速的基本原理是什么？ 针对绕线转子异步电动机转子串电阻调速方法转差功率消针对绕线转子异步电动机转子串电阻调速方法转差功率消 耗在电阻上，运行效率太低的缺点，引入了一种新的调速方法：耗在电阻上，运行效率太低的缺点，引入了一种新的调速方法： 基本思路是转子不串入附加电阻基本思路是转子不串入附加电阻-改为串入附加电动势来调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，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，

5、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。转子异步电动机的串级调速控制方案。 工作原理：工作原理： 三相异步电动机的转子感应电压为：三相异步电动机的转子感应电压为： 式中：式中： 202 sEE 转子电流为：转子电流为： 6 将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 f E a. 如串入的附加电势如串入的附加电势 f E 与转子感生电势与转子感生电势 20 sE 方向相反，频率相同方向相反，频率相同 则转子电流将变小：则转子电流将变小： )( 2

6、 20 2 2 2 2 sXR EsE I f 2 I转子电流转子电流的减小，会引起交流电动机的减小，会引起交流电动机 拖动转矩的减小，设原来电机拖动转矩与负载拖动转矩的减小，设原来电机拖动转矩与负载 相等处于平衡状态，串入附加电势必然引起电相等处于平衡状态，串入附加电势必然引起电 动机降速，在降速的过程中，随着速度减小，动机降速，在降速的过程中，随着速度减小， 转差率转差率S增大，分子中增大，分子中sEsE2 2回升，电流也回升，电流也回升，回升， 使拖动转矩升高后再次与负载平衡，降速过程使拖动转矩升高后再次与负载平衡，降速过程 最后会在某一个较低的速度下重新稳定运行。最后会在某一个较低的速

7、度下重新稳定运行。 * 这种向下调速的情况成为这种向下调速的情况成为低于同步速的串级调速。（低同步串调）低于同步速的串级调速。（低同步串调） 7 b. 如串入的附加电势如串入的附加电势 f E 与转子感生电势与转子感生电势 20 sE 方向相同，频率相同方向相同，频率相同 则转子电流将变大：则转子电流将变大： )( 2 20 2 2 2 2 sXR EsE I f 2 I转子电流转子电流的增大，会引起交流电动机的增大，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，串入附加电势必然引起电相等处于平衡状态，串入附加电势必然引起

8、电 动机升速，在升速的过程中，随着速度增加，动机升速，在升速的过程中，随着速度增加， 转差率转差率S减小，分子中减小，分子中sEsE2 2减小，电流也减小，电流也减小，减小， 使拖动转矩减小后再次与负载平衡，降速过程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。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）高于同步速的串级调速。（超同步串调） 8 串级调速系统串级调速系统 有四种有四种 基本运行状态：基本运行状态： 二二. .串级调速的基本运行状态及功率关系串级调速的基本运行状态

9、及功率关系 9 10 11 12 三三. .串级调速系统的基本类型串级调速系统的基本类型 要实现前面所述的绕线异步电动机转子串联交流附加电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：如下条件： f E 1.1.首先，转子是三相交流电路，因此交流附加电势首先，转子是三相交流电路，因此交流附加电势应为三相对称应为三相对称 交流电。交流电。 因此附加的三相交流电势因此附加的三相交流电势 3. 3.附加的三相交流电势附加的三相交流电势 可见，可见，三相交流附加电势的取得在实际中十分

10、困难。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整流电路，在直流回实用的串级调速系统，一般采用将转子电路接整流电路，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。案。 2. 2.转子感应的三相交流电势转子感应的三相交流电势 20 sE 的频率、大小都是随转差率变化的，的频率、大小都是随转差率变化的， f E 也应随之变频变压。也应随之变频变压。 在控制过程中，要始终保持与转子感应的在控制过程中，要始终保持与转子感应的 相位相同或相反，即相位要同步。相位相同或相反

11、，即相位要同步。 f E 三相交流电势三相交流电势 20 sE 13 主要介绍主要介绍低同步串级调速系统低同步串级调速系统的基本类型。的基本类型。 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。网的过程。 低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整低同步串级调速系统，首先把转子交流能量通过二极管整流桥整 成直流电，在直流电路中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源成直流电，在直流电路

12、中串入可调直流电源，调节所串入的直流电源 的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。的电压对转子调速，并从直流附加电源将转差功率回馈电网。 按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为电气串级调速系按照所串直流电源的情况可将串级调速系统分为电气串级调速系 统和机械串级调速系统两大类。统和机械串级调速系统两大类。 电气串级调速系统由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电源，通电气串级调速系统由晶闸管有源逆变电路作为可控直流电源，通 过控制逆变角控制转子转速，其交流侧通过逆变变压器接电网。呈现过控制逆变角控制转子转速，其交流侧通过逆变变压器接电网。呈现 恒转矩机械特性。恒转矩机械特性。 机械串

13、级调速系统用直流电动机作为可控直流电源，通过控制直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。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。 14 绕线异步机绕线异步机 转子整流器转子整流器有源逆变器有源逆变器 绕线异步机绕线异步机 转子整流器转子整流器 直流电动机直流电动机 电气串级调速系统电气串级调速系统 机械串级调速系统机械串级调速系统 15 对于电气串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上对于电

14、气串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上 输出的转矩为：输出的转矩为： 对于机械串级调速系统，如忽略损耗，则电机轴上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：输出的机械功率为： 结论：电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。结论：电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。 结论：机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。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。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。 00 e )1 ( )1 ( ddm P s PsP T 常数常数 ddd Ps

15、PPs)1( 常数常数 16 第二节第二节 低同步串级调速系统的低同步串级调速系统的 机械特性机械特性 一一. .转子整流器的三种工作状态转子整流器的三种工作状态 二二. .串级调速系统的调速特性串级调速系统的调速特性 三三. .串级调速系统的机械特性与最大转矩串级调速系统的机械特性与最大转矩 17 一一. .转子整流器的三种工作状态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，这两部分电路的整流或逆变器件的开关过程会受到负载电流的影响，负器，这两部分电路的整流或逆变器件的开关过程会受

16、到负载电流的影响，负 载电流较小时换流速度较快，而负载电流较大时器件的换流速度较慢，换流载电流较小时换流速度较快，而负载电流较大时器件的换流速度较慢，换流 速度慢会导致输出电压的降低，如果换流速度过慢甚至会引起电路故障。速度慢会导致输出电压的降低，如果换流速度过慢甚至会引起电路故障。 下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。下面以转子整流器为例说明换流过程其整流输出电压的影响。 分析前提条件分析前提条件: : （1 1） 假设直流滤波电感足够大假设直流滤波电感足够大, ,转子整流器输出的直流电流平直。转子整流器输出的直流电流平直。 （2 2） 整流二极管没有管压降。整流二极管没有

17、管压降。 （3 3） 忽略电动机内阻对二极管换相的影响。忽略电动机内阻对二极管换相的影响。 分析注意事项分析注意事项: : 18 1.1.转子整流器的第一工作状态转子整流器的第一工作状态 特征：转子电流较小，整流后直流电流特征：转子电流较小，整流后直流电流 Id也较小；也较小； 二极管整流器换相迅速，两个二极管整流器换相迅速，两个 二极管之间的换流重叠角二极管之间的换流重叠角较小。较小。 重叠角重叠角随转子电流或随转子电流或Id的增大的增大 而增大，第一工作状态的而增大，第一工作状态的小于等于小于等于 600。 0 60 0 60（IdId较小，较小， 的情况的情况 ） d I 19 由整流电

18、路计算，得第一工作状态下的重叠角由整流电路计算，得第一工作状态下的重叠角 计算公式：计算公式： 20 第一工作状态的边界第一工作状态的边界 0 60电压、电流波形：电压、电流波形： d I 21 2.2.转子整流器的第二工作状态转子整流器的第二工作状态 0 60（I Id d较大，较大， 不变，出现强迫延时换相角）不变，出现强迫延时换相角） 特征：特征： 当重叠达到当重叠达到600， 电流达到第一工作状态电流达到第一工作状态 最大电流（或一、二状最大电流（或一、二状 态分界电流态分界电流Id1-2）以上，）以上， 如果负载电流继续增大，如果负载电流继续增大， 最初时重叠角会大于最初时重叠角会大

19、于600， 但稳定以后，两个二极但稳定以后，两个二极 管的重叠会均匀地保持管的重叠会均匀地保持 600不变，但所有二极管不变，但所有二极管 的换流都被迫从自然换的换流都被迫从自然换 流点向后延迟一个角流点向后延迟一个角 度度 。 电流越大，这个电流越大，这个 强迫延时换相角就越大，强迫延时换相角就越大， 但有：但有： 00 300 p p 22 23 3.3.转子整流器的故障状态转子整流器的故障状态 特征：特征： 当重叠达到当重叠达到600、 强强 迫延时换相角达到迫延时换相角达到300时的时的 电压电流波形如右图所示。电压电流波形如右图所示。 如果负载电流继续增如果负载电流继续增 大，重叠角

20、又会大于大，重叠角又会大于600， 但强迫延时换相角会保持但强迫延时换相角会保持 300不变。原因是：即使前不变。原因是：即使前 面两个管子换流未换完，面两个管子换流未换完， 后面该导通的管子也会承后面该导通的管子也会承 受正压而导通，这样，就受正压而导通，这样，就 会出现共阴极管和共阳极会出现共阴极管和共阳极 管都在换流，四个二极管管都在换流，四个二极管 同时导通同时导通-转子整流器转子整流器 短路的故障情况短路的故障情况 。 * 串级调速系统要避免串级调速系统要避免 运行时严重过载的情况。运行时严重过载的情况。 （IdId过大，过大， 的情况的情况 ） 0 30 p 0 60 24 二二.

21、 .串级调速系统的调速特性串级调速系统的调速特性 （n n或或s s与电流与电流I Id d的关系式）的关系式） n n或或s s与电流与电流I Id d的关系式，需要从直流等效电路入手加以推导：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：逆变器的直流回路等效电路如下： 25 由直流回路等效电路，列出直流电压平衡方程：由直流回路等效电路，列出直流电压平衡方程： 于是，推得转差率与电流之间的关系式：于是，推得转差率与电流之间的关系式： 26 将转差率将转差率s s换成速度换成速度n n，得串级调速系统的调速特

22、性：，得串级调速系统的调速特性： 式中，式中，R R 、 、CeCe均为常数，均为常数，U U受逆变角控制。受逆变角控制。 该结果类似于直流电动机调压调速的速度表达式，但因该结果类似于直流电动机调压调速的速度表达式，但因R R 更大， 更大， 故串级调速的调速特性很软。故串级调速的调速特性很软。 第二工作状态下的调速特性更为复杂，推导从略。第二工作状态下的调速特性更为复杂，推导从略。 * * 机械特性推导思路：在机械特性推导思路：在已经推出调速特性已经推出调速特性sIsId d 关系之后，关系之后， 继续推导电磁转矩继续推导电磁转矩T Te eI Id d关系，关系， 两者联立，得到机械特性两

23、者联立，得到机械特性sTsTe e关系关系 27 二二. .串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性 （s s或或n n与与TeTe的关系的关系） （一）第一工作状态的机械特性及最大转矩：（一）第一工作状态的机械特性及最大转矩： 于是：于是： 将第一、第二工作状态的边界电流Id1-2代入上式，得第一、第二工 作状态的分界转矩： 28 * * 第一、二工作状态的分界转矩第一、二工作状态的分界转矩T Te1-2 e1-2与电机固有最大转矩 与电机固有最大转矩T Temax emax的比例： 的比例： 将第一工作状态的转矩将第一工作状态的转矩IdId关系与前面推导的关系与前面推导的s-Ids-I

24、d调速特性调速特性 联立消去联立消去IdId， 得第一工作状态下机械特性：得第一工作状态下机械特性： * *该数值有利于机械特性曲线的作图该数值有利于机械特性曲线的作图 29 特征：特征： 串级调速系串级调速系 统在第一工作状统在第一工作状 态下的机械特性态下的机械特性 如右图中的如右图中的“第第 一工作区一工作区”所示。所示。 横轴为串调横轴为串调 时的拖动转矩与时的拖动转矩与 与电机自然特性与电机自然特性 最大拖动转矩的最大拖动转矩的 比值。比值。 当负载比值当负载比值 达到达到0.716及以及以 上时，串级调速上时，串级调速 系统进入第二工系统进入第二工 作状态运行。作状态运行。 * *

25、 重要结论：重要结论： 当串级调速系统带额定负载时运行于第一工作区内。当串级调速系统带额定负载时运行于第一工作区内。 原因分析：电机过载倍数在原因分析：电机过载倍数在2 2左右，即最大自然拖动转矩为额定转矩的左右，即最大自然拖动转矩为额定转矩的2 2倍，倍， 所以额定负载所以额定负载T TeN eN/T /Temax emax约为 约为0.50.5，故额定负载线必然在，故额定负载线必然在0.7160.716之内。之内。 30 （二）第二工作状态的机械特性及最大转矩讨论：（二）第二工作状态的机械特性及最大转矩讨论： 第二工作状态下的方程推导过于复杂，这里只给出结论：第二工作状态下的方程推导过于复

26、杂，这里只给出结论： 拖动转矩表达式为：拖动转矩表达式为： 串调系统取得最大拖动转矩：串调系统取得最大拖动转矩： 最大拖动转矩在机械特性曲线上的横轴位置：最大拖动转矩在机械特性曲线上的横轴位置： * * 重要结论：重要结论： 串级调速系统与转子自然接线相比，最大拖动转矩减少到串级调速系统与转子自然接线相比，最大拖动转矩减少到 原来的原来的82.6%,82.6%,即异步电动机的过载能力损失即异步电动机的过载能力损失17%17%左右。左右。 31 第三节第三节 串级调速系统的串级调速系统的 效率和功率因数效率和功率因数 一一. .串级调速系统的总效率串级调速系统的总效率 二二. .串级调速系统的总

27、功率因数串级调速系统的总功率因数 32 一一. .串级调速系统的总效率串级调速系统的总效率 串调系统的总效率，是绕线异步电动机轴上输出功率串调系统的总效率，是绕线异步电动机轴上输出功率P P2 2与串调与串调 系统从电网输入的总有功功率系统从电网输入的总有功功率P PW W之比。之比。 串调系统功率关串调系统功率关 系单线图系单线图 P P为有功功率为有功功率 Q Q为无功功率为无功功率 系统从电网输入系统从电网输入 的总有功功率的总有功功率P Pw w 是定子取用功率是定子取用功率 P P1 1和逆变变压器和逆变变压器 返回功率返回功率P PT T的差的差。 33 设设 、 、 分别为定子、

28、转子、转子反馈电路的功分别为定子、转子、转子反馈电路的功 率损耗，率损耗， 为机械损耗，则有：为机械损耗，则有： 结论：串调系统系统具有较高的总效率。结论：串调系统系统具有较高的总效率。 理论上，如果忽略小的损耗，串级调速系统的总功率因数将接近理论上，如果忽略小的损耗，串级调速系统的总功率因数将接近100%100%。 实际运行中，大容量串级调速系统在接近满载时的效率可达实际运行中，大容量串级调速系统在接近满载时的效率可达90%90%以上。以上。 原因分析：由于串级调速系统的转差功率中的大部分被回馈电网。原因分析：由于串级调速系统的转差功率中的大部分被回馈电网。 34 二二. .串级调速系统的总

29、功率因数串级调速系统的总功率因数 普通异步电动机的功率因数在普通异步电动机的功率因数在0.80.90.80.9之间之间, ,如果采用串级调速如果采用串级调速 而不采取任何改善功率因数的措施而不采取任何改善功率因数的措施, ,则串级调速系统的总功率因数会则串级调速系统的总功率因数会 很低很低, ,即使高速运行也只有即使高速运行也只有0.60.6左右。左右。 串级调速系统串级调速系统总功率因数低的原因总功率因数低的原因有主要有两个：有主要有两个： 1.1.由于逆变变压器和异步电动机均为电感性由于逆变变压器和异步电动机均为电感性, ,工作时都要从电工作时都要从电 网吸收无功功率网吸收无功功率, ,所

30、以其无功功率是相加的，使功率因数表达式中的所以其无功功率是相加的，使功率因数表达式中的 分母增大，因此系统总功率因数降低。分母增大，因此系统总功率因数降低。 分析参考总功率因数表达式：分析参考总功率因数表达式： 2. 2.由于转子整流器的接入造成了转子电流的换流重叠和波由于转子整流器的接入造成了转子电流的换流重叠和波 形畸变，使得绕线电动机自身的功率因数变低，从而也造成系统形畸变，使得绕线电动机自身的功率因数变低，从而也造成系统 总功率因数降低。总功率因数降低。 35 改善功率因数的方法：改善功率因数的方法： 方法一：在三相交流进线上接入功率补偿电容器。方法一：在三相交流进线上接入功率补偿电容

31、器。 方法二：采用高功率因数的串级调速系统。方法二：采用高功率因数的串级调速系统。 有两种典型的电路结构：斩波式串级调速系统有两种典型的电路结构：斩波式串级调速系统 GTOGTO串级调速系统串级调速系统 （一）斩波式串级调速系统（一）斩波式串级调速系统 整流器整流器 斩波器斩波器 （占空比可调）（占空比可调） 逆变器逆变器 （逆变角固定（逆变角固定 在最小值）在最小值） 36 （二）二）GTOGTO串级调速系统串级调速系统 GTOGTO称为可关断晶闸管，与普通晶闸管不同之处是该器件称为可关断晶闸管，与普通晶闸管不同之处是该器件 具有自关断能力，具有自关断能力，GTOGTO串级调速系统，与晶闸管

32、串级调速系统，与晶闸管串级调速系统主串级调速系统主 电路基本相同，也是转子整流器接有源逆变器，但使用电路基本相同，也是转子整流器接有源逆变器，但使用GTO的的 逆变器可以通过控制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。性，提高总功率因数。 由于由于GTO价格较高，该控制方案适用于大容量绕线异步价格较高，该控制方案适用于大容量绕线异步 电动机的串级调速。电动机的串级调速。 37 第四节第四节 串级调速的串级调速的 闭环

33、控制系统闭环控制系统 一一. .双闭环串级调速系统的组成和工作原理双闭环串级调速系统的组成和工作原理 二二. .双闭环串级调速系统的动态结构图双闭环串级调速系统的动态结构图 38 一一. .双闭环串级调速系统的组成和工作原理双闭环串级调速系统的组成和工作原理 绕线绕线 异步异步 电动机电动机 逆变逆变 变压器变压器 电流电流 互感器互感器 转子转子 整流器整流器 测速测速 发电机发电机 速度速度 调节器调节器 电流电流 调节器调节器 晶闸管晶闸管 触发器触发器 39 二二. .双闭环串级调速系统的动态结构图双闭环串级调速系统的动态结构图 1.1.串调系统直流主回路的传递函数串调系统直流主回路的

34、传递函数 直流主回路的动态电压平衡方程为直流主回路的动态电压平衡方程为: : 40 动态电压平衡方程可形变为动态电压平衡方程可形变为: : 直流主回路传递函数为直流主回路传递函数为: : 式中的中间变量定义式中的中间变量定义: : 41 2.2.串调系统中异步电动机的传递函数串调系统中异步电动机的传递函数 因额定负载时，异步电动机运行于第一工作区，其传递函数因额定负载时，异步电动机运行于第一工作区，其传递函数 取第一工作区的方程进行推导。取第一工作区的方程进行推导。 在第一工作状态：在第一工作状态： 式中式中 严格来说，当负载改变时严格来说，当负载改变时C Cm m不是常数，为计算方便处理为常

35、数。不是常数，为计算方便处理为常数。 这样，电动机的运动方程就成为：这样，电动机的运动方程就成为： 式中，式中，I IdL dL是负载转矩 是负载转矩T TL L所对应的等效直流电流。所对应的等效直流电流。 再定义一个常数：再定义一个常数： 42 得绕线电动机的传递函数就为：得绕线电动机的传递函数就为： 双闭环串级调速系统的其它各环节传递函数类似双闭环直流调双闭环串级调速系统的其它各环节传递函数类似双闭环直流调 速系统的传递函数。速系统的传递函数。 总体动态结构图也与双闭环直流调速系统类似。总体动态结构图也与双闭环直流调速系统类似。 双闭环控制系统的设计思路都是从内环到外，外环、内环均按双闭环

36、控制系统的设计思路都是从内环到外，外环、内环均按 照设计要求校正成典型照设计要求校正成典型型或典型型或典型型系统。型系统。 * * 串调系统电流内环设计注意事项：串调系统电流内环设计注意事项： 由于直流主回路近似计由于直流主回路近似计 算中的两个系数算中的两个系数K KLn Ln和 和T TLn Ln实际上不是常数，而是转速 实际上不是常数，而是转速n n的函数，设计时的函数，设计时 注意取低速时的系数数值进行设计（认为过渡过程电流迅速反应时速注意取低速时的系数数值进行设计（认为过渡过程电流迅速反应时速 度尚未上升）。度尚未上升）。 43 双闭环串级调速系统的动态结构图：双闭环串级调速系统的动

37、态结构图： 44 第五节第五节 串级调速应用中的串级调速应用中的 几个问题几个问题 一一. .电动机的选择电动机的选择 二二. .起动方式的选择起动方式的选择 三三. .串调装置的选择串调装置的选择 45 一一. .电动机的选择电动机的选择 串级调速系统电动机容量选择步骤：首先按自然接线计算所需串级调速系统电动机容量选择步骤：首先按自然接线计算所需 的电动机容量的电动机容量PDPD，然后乘以，然后乘以1.151.15倍左右的串级调速系数倍左右的串级调速系数K,K,得到串级调得到串级调 速后所需的绕线异步电动机容量速后所需的绕线异步电动机容量P P： 扩大容量的原因：扩大容量的原因： （1 1）

38、串级调速系统的负载能力比自然接线损失）串级调速系统的负载能力比自然接线损失17%17%。 （2 2）串级调速后电动机的功率因数降低。）串级调速后电动机的功率因数降低。 （3 3）低速运行时，转子的高频谐波电流造成转子铜损耗增加。）低速运行时，转子的高频谐波电流造成转子铜损耗增加。 此外，由于串级调速系统的机械特性较软，电动机的额定转速此外，由于串级调速系统的机械特性较软，电动机的额定转速 选取要比生产机械所需的最高转速高出选取要比生产机械所需的最高转速高出10%10%左右。并进行适当的热校验左右。并进行适当的热校验 和过载能力校验。和过载能力校验。 46 二二. .起动方式的选择起动方式的选择 （一）直接起动方式（一