绕线式异步电动机调速控制

1、浅谈绕线式异步电动机的调速控制摘要：串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实 现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以（回馈电网或是转化为 机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶 闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。关键词：异步电动机 串级调速 原理 基本类型串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用（回馈电网或是转化 为

2、机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是 晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。一、串级调速原理及基本类型1. 1原理假定异步电动机的外加电源电压 U1及负载转矩ML都不变.则电动机在调速前后转子电流近似 保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势Ef则转子电流为J严 辺池坷=常数 何6齐（式1）式中：R2 :转子回路电阻；SX20 :转子旋转时转子绕组每相漏抗E20 :转子开路相电势电动机在正常运行时，转差率 s很小，故R2sX20。忽略SX20有呱土 Eq常数（式一2 ）

3、20 / 181+1 $DP:1+曲尸Is?rziL.3fflM-i雷!R调速囚神摹本逗芍状蛊下的能传谕关聚【打赅于可歩建电3!ttg（Klh40 高于n$%电*状器（iJ）j WMtTSlS电*动欣怎（KKl）上式中，E20为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势Ef可以改变转差率S,从而实现调速。设当Ef = 0时电动机运行于额定转速，即 n = nN, s = sN ,由（式一2 ）可见，当附加电动势与 转子相电势相位相反时（Ef前取负号），改变 Ef的大小，可在额定转速以下调速，这种调度方式称为低 同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（Ef前取正号），改变 Ef的大小，可

4、在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速（即s PD本设计采用的是哈尔滨九洲电气股份有限公司的内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。该电机定额为连续定额 S1，基本防护等级为IP23，基本冷却为IC01，基本结构和安装方式为IBM3控制电机型号JRNT1512-4额定功率1050KW额定电流121.5A转子电压/电流1045V / 627A最高/最低转速1484 / 690 r/min效率88.5%功率因数0.83控制装置型号JC4-800A/800V2 .转子整流器的参数计算与元件选择(1 )最大转差率式中：叫：电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速。n

5、min :串级调速系统的最低工作转速D :调速范围p 1 Hl li II转差率 s =( 1500-1484)/1500 = 0.01最大转差率 Smax =(1484 690) / 1484 = 0.535D =n max /n min = 1484/690 = 2.15。(2)转子整流器的最大输岀电压式中：E20 :转子开路相电势Kuv :整流电压计算系数，见下表:越器主讎计縣披1 却号质1Km*血二M屮级1r- 1.5*1.35*1045*(1 -1/2.15)/ ( 0.9*3 ) = 419V4.1 )整流二极管电流的选择在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。设并联

6、支路数为Np=3则每个整流二极管的电流计算如下：7心厶曲才1LJ式中：Kit :电流计算系数，见上表Idmax :转子整流器最大直流整流电流Kac :均流系数。其值可取 0.80.9。对于元件不并联的情况下取1(5 )逆变嚣的参数计算与元件选择5.1 )逆变变压器的参数计算对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与3其匹配；同时也希逐转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。(1 )逆变压器二次侧线电压：根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定：式中：Ut2 :逆变变压器二次侧线电压Udmax :转

7、子整流器最大输岀直流电压 Kuv :整流电压计算系数。见上表。Bmin :最小逆变角，一般取 30(2)逆变变压器二次侧线电流:式中：IT2 ：逆变变压器二次侧线电流Kiv :整流电流计算系数。见上表IdN :转子整流器输岀直流电流额定值(3)逆变变压器一次侧线电流：式中：* ：逆变变压器一次侧线电流Kil :变压器一次侧线电流计算系数。见上表Kt :逆变变压器的变比(4 )逆变变压器等值容量：；1 K uK r加1业式中：Kst :变压器等值容量计算系数，见上表5.2 )晶闸管的参数计算(1 )晶闸管额定电压的选择在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电压不能满足要求，需要几个晶闸管

8、串联使用设每个串联桥臂上晶闸管的数目为N ，则每个晶闸管反向重复电压由下式确定：式中：KUT :电压计算系数，如上表KAV :均压系数，其值可取 0.80.9。对于元件不需串联的情况下取1UT2 :逆变变压器二次侧线电压（2 ）晶闸管额定电流的选择设每个桥臂并联元件支路数为Np，则每个晶闸管的额定电流为式中：Kit :电流计算系数，见上表Idmax :转子整流器最大直流整流电流Kac :均流系数。其值可取 0.80.9。对于元件不并联的情况下取1（6）平波电抗器电感量的计算转子直流回路平波电抗器的作用是：一，使串级挑速在最小工作电流下仍能维持电流的连续；二，减 小电流脉动，把直流回路中的脉动分

9、量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。平波电抗器的电感量计算如下：6.1 ）保证电流连续所需要的电感量 眾一壬/ 于 K KlOJO(LT0,02aClIWhO.07-CkQ&0.50.48 30-16不同腓波数户睛临界电堆计算攥敕办与越 前角节魁类嚟 L/ -式中：51 :正比与直流电压中的交流分量的电感计算系数，从下图中查Ut2 :逆变变压器二次侧线电压kuv :系数，见上表Idmin :直流回路最小工作电流（A）Lm :异步电动机折算到转子侧的每相电感量（Lt :逆变变压器折算到二次侧的每相电感量6.2 ）限制电流脉动的电感量(mH)厶 = K-U?WTJ1K? t 乙緒如矶

10、/7*式中：Kp :限制电流脉动的电感系数（ ms），其值从下表中查 b：允许的电流脉动率，一般可取10%左右。表30-4电懋计算乘数疋尸短路电床百分血=0纭-42%三耦带中线1.财1- 831.731-30,45th 40.360.32 2戏三相桥單联或并审Q 0+36.3）平波电抗器的电感量Lrn L-J：二、串级调速系统主回路主要设各的参数与选择1.异步电动机容量的选择考虑到异步电动机输岀的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量p计算如下：P = Ki * PD式中：Ki :串级调速

11、系数，一般取 1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系统，应该取大一点。PD :按照常规运算方式计算的电动机容量。从产品手册中选择的电动机容量P PD本设计采用的是哈尔滨九洲电气股份有限公司的内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。该电机定额为连续定额 S1，基本防护等级为IP23，基本冷却为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。控制电机型号JRNT1512-4额定功率1050KW额定电流121.5A转子电压/电流1045V / 627A最高/最低转速1484 / 690 r/min效率88.5%功率因数0.83控制装置型号JC4-800A/800V2.转子整流器的参

12、数计算与元件选择(1)最大转差率式中：n1 :电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速。nmin :串级调速系统的最低工作转速D :调速范围转差率 s =( 1500-1484)/1500 = 0.01最大转差率 smax =(1484 690) / 1484 = 0.535D =nmax/nmin = 1484/690 = 2.15。(2)转子整流器的最大输岀电压式中：E20 :转子开路相电势KUV :整流电压计算系数，见下表:如主电计縣ItKn口; rK Ku畑Kia册.睛111. 347/&111屈4G. 3*7r17审nf147SL031aiu1卩 1 Gtft曙L93则 Udmax

13、 = 1.35*1045*(1-1/2.15) =755V(3)最大直流整流电流宀IV式中：入m :电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数2I2N :转子线电流额定值KIV :整流电压计算系数，见上表Idr :转子整流器输岀直流电流额定值Idr = I2N / KIV1.1 :考虑到转子电流畸变等因素的而引如的系数则 Idmax = 1.1*2*627/0.813 = 1697A4、整流二极管的选择4.1 ）整流二极管电压的选择设每个桥臂上串联的整流二极管数目为N=3，则每个二极管的反向重复峰值UKRM为（23J冥（1寻）-1.1i丄X .斗耳尸丄式中：KUT :电压计算系数，见上表E2n

14、 :转子开路相电势KAV :均压系数，一般取 0.9。对于元件不要串联时取1由上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围D有关，调速范围越高，元件承受的电压越高贝U: UKRM! 1.5*1.35*1045*(1-1/2.15)/ (0.9*3 ) = 419V4.1 )整流二极管电流的选择在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。设并联支路数为Np=3则每个整流二极管的电流计算如下：式中：KIT :电流计算系数，见上表Idmax :转子整流器最大直流整流电流KAC :均流系数。其值可取 0.80.9。对于元件不并联的情况下取1(5 )逆变嚣的参数计算与元件选择

15、5.1 )逆变变压器的参数计算对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压 与3其匹配；同时也希逐转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变 压器。(1)逆变压器二次侧线电压：根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定：式中：UT2 :逆变变压器二次侧线电压Udmax:转子整流器最大输岀直流电压KUV :整流电压计算系数。见上表。B min :最小逆变角，一般取 30o(2)逆变变压器二次侧线电流:式中：IT2 :逆变变压器二次侧线电流KIV :整流电流计算系数。见上表IdN :转子整流器输岀直流电流额定值(3

16、)逆变变压器一次侧线电流：式中：IT1 :逆变变压器一次侧线电流KIL :变压器一次侧线电流计算系数。见上表KT : 逆变变压器的变比(4 )逆变变压器等值容量：式中：KST :变压器等值容量计算系数，见上表5.2 )晶闸管的参数计算(1 )晶闸管额定电压的选择在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电压不能满足要求，需要几个晶闸管串联使用。设每个串联桥臂上晶闸管的数目为N，则每个晶闸管反向重复电压由下式确定：式中：KUT :电压计算系数，如上表KAV :均压系数，其值可取 0.80.9。对于元件不需串联的情况下取1UT2 :逆变变压器二次侧线电压(2 )晶闸管额定电流的选择设每个桥臂并

17、联元件支路数为Np ，则每个晶闸管的额定电流为&朋丄S式中：IdmaxKIT :电流计算系数，见上表:转子整流器最大直流整流电流KAC :均流系数。其值可取0.80.9。对于元件不并联的情况下取1(6)平波电抗器电感量的计算转子直流回路平波电抗器的作用是：一，使串级挑速在最小工作电流下仍能维持电流的连续;，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。 平波电抗器的电感量计算如下：6.1 )保证电流连续所需要的电感量b=&込丫空y;以拧忌-K MS伽in(LT0,02aCl0.50.4lOJOIWhO.07-CkQ&8 30-16不同腓波数户睛临界电堆计算

18、攥敕办与越 前角节魁类嚟 L/ -式中：51 :正比与直流电压中的交流分量的电感计算系数，从下图中查UT2 :逆变变压器二次侧线电压KUV :系数，见上表Idmin :直流回路最小工作电流（A）LM :异步电动机折算到转子侧的每相电感量（LT :逆变变压器折算到二次侧的每相电感量6.2 ）限制电流脉动的电感量(mH)厶 = K-U?WTJ1K? t 乙緒如矶/7*式中：Kp :限制电流脉动的电感系数（ms ），其值从下表中查 b：允许的电流脉动率，一般可取10%左右。表30-4电懋计算乘数疋尸短路电压百分但的感抗分盘左=0纭-42%5=12%三耦带中线1.财1- 831.731-30,45th

19、 40-360.32 2戏三相桥單联或并聆1 L ! V* L- j0 0+36.3）平波电抗器的电感量7. 启动方式的选择5 K爼申滇貫宣矗惓才常巾ti rfiJ奸煜毛肝玩黒顧5，i Nt 、 e战送屯电！?！述邑jt说dr P M J隶的滾，？7.1、利用串调装置直接启动方式如上图a示，它不用任何附加起动设备，而是由串级调速装置控制直接起动电动机。这种调速方式适用于串级调速系统的调速范围很大.几乎要求能从零开始调速或者生产机械对起（制）动的加（减）速度有一定要求的场合。对于调速范围较小的系统，若选用直接起动方式，是不的。另外，对于一个按实际调速范围设计的调速范围较小的串级调速系统，若采用直

20、接起动，则在主回路中会造成较大的冲击电流，且往往超过 允许限度。因此，对于调速范围较小且对起（制）动加（减）速度无特殊要求的串级调速系统，宜采用以下两种起动方式。7.2、并联防加起动设备的切换起动方式如上图b示，电动机先用接触器 KM1接入附加起动电阻器（或频敏变阻器）起动加速（此时KM2 是断开的），当加速到串级调速系统设计的调速范围最低速nmin时，接通KM2，这时逆变控制角 B应为最 小值p min,即对应于最高逆变电压 Up max。然后断开KM1，逐渐增大B,电动机继续加速，直到所需要 的转速这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转于回路主要设备的耐压和容量只需按调运范 围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。这种方式还有一优点，即一旦串级调连装置发生 意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行。7.3、串联起动电阻器起动方式如图（c）所示，在起动过程中把限流的起动电阻逐渐短接，这种接线方式虽然逆变变压器的二次 侧电压只得按调速范围的大小来选择但是转子囚路主要设备元件选用的耐压等级仍需按从零开始调速的 条件来设计， 为克服