三相异步电动机的串级调速系统设计

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好的代价是要损耗大量的能量，而且只要将电动机的转速调低与之对应的损耗就会相应的加大，从而效率也就会越低，为了提高效率节约能源如果适当的在转子回路加上一个吸收能量的装置，就可以将损耗掉的能量进行重新利用，重新吸收和利用，将能量反馈回电网中能够极大地提高系统的工作效率。串级调速系统就是这种可以将能量进行重新吸收再利用的调速系统。其工作原理具体的来讲就是在转子回路中串连一个附加电动势，通过调节附加电动势的大小来改变电动机的转差率，以此来达到调节转速的效果。

串级调速的方法和串电阻调速的方法相比较其优势在于：机械特性较硬，平滑性更好，最重要的是损耗也小，有更大的发展前景。不足之处在于：功率因数低（原因在于滤波电抗器以及晶闸管逆变器的存在），制造设备结构复杂。造价高，转差率在低速时大，吸收能量时的转差功率也较大，同时会造成对应的调速装置容量增大，成本昂贵，低速过载能力低。

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3 系统的硬件设计

3.1 串级调速的工作原理

在现有的技术条件中只有变频调速和串级调速这两种技术是高效的调速技术。二者之间的区别在于对交流的控制装置上面的控制点的不同。变频技术的控制点在于电动机的定子上，而串级调速技术的控制点在电动机的转子上。由于变频调速装置会承受供电电压以及电机的所有功率, 所以变频调速更多的被用在低压小容量的电动机上面，之所以不用在高压大容量点击是因为其在这方面的应用上存在着较大的问题。串级调速技术负担的是在转子回路当中存在的低电压以及比电动机额定功率还小的转差功率，由于这种工作特性使得其在高压大容量电机的调速方面具备着极大的优势。

串级调速技术是一种经典的调速方法，在经过大量的研究与实践应用之后确定性能优良的系统。近几年来,由于电力电子器件以及计算机控制技术的广泛应用，使得串级调速技术有了良好的发展空间并得到了快速发展，在一些高压大中型电动机上的节能方面的应用更加广泛，在节能方面由于串级调速系统的控制电压低功率小系统构成简单工作时稳定性非常好，最重要的是节电率较高在大中型电机上面应用的前景有着非常好前景[2]。

下式是三相异步电动机的转速公式：

n?n0(1?s)?60f1(1?s)P （3.1）

上式中P——三相交流电动机的极对数；f1——三相电动机电源在工作时的频率；s——三相交流电动机的转差频率

根据上述公式可以得出以下的结论三相交流电动机存在三类调速方法，第一类是变换电动机的极对数（P），第二类是变换电动机的转差率（s），第三类是变换电动机供电的电源的频率(f1)这三类方法。变换电动机s的调速方法又能够分成在电动机转子上串接电阻调速、串级调速、改变电动机电压调速和改变电动机的电磁转差离合器的调速的方法这四种可选类型。 三项异步电动机工作状态下的转子的电动势：

Er?sEr0 （3.2）

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公式中 s-----电机转差率；Er0----转子不动时的相电动势，或转子开路时的电动势，通俗的来说就是转子额定相电压。转子使用绕线式的三相电动机通常在工作时，他的Er值也就是转子电动势的值与s也就是他的转差率是能够成正比的。而且，当f2转子的频率能够达到与s转差率成正比时，f2=sf1。不过这种情况通常只会出现在转子短路的情况下，通常情况下，转子发生短路时，Ir转子侧的相电流的表达式为： Ir?sEr0Rr?(sXr0)

22（3.3）

如果将一个可以控制的附加交流电势加载到转子回路当中，Er转子具备的电动势会与附加电动势大小相同，同时二者会同向或者反向串联，转子回路中的相电流的表达式：

sE?E （3.4） Ir ? r 0 addRr2?(sXr0)2 电机处于正常运转状态时Ir转子电流将与负载的直达大小有这样的关系。TL是恒定负载转矩当电动机带着其时，不论转速的高低他的转子电流都不会发生什么太大的改变，在这个时候，就算有不同的s值也会得到式（3.3）与（3.4）相等的结论[12]。在没有引入附加电动势的时候电动机原来在某一个去定的转差率S1下面可以进行稳定的运行。而当引入了附加电动势且同向时，转子回路上面的经过合成的电动势会向大了改变，同时对应的转子电流以及电磁转矩都会发生相与之对应的变化，但是由于电动机的负载转矩没有发生变化，所以电动机最终是必然会加速，因袭所以S会有所下降低，然后转子电动势Er=sEr0也会随之的减少，此时的转子电流大小也将会逐渐的减少，直至最后电机的转差率降低到s2

s1Er0Rr?(s1Xr0)22?Ir?s2Er0?EaddRr?(s2Xr0)22 （3.5）

相同的道理可知道，若是减少了+Eadd或着在串入反相的附加电动势-Eadd，那么就可以使电动机的转速有所降低。简而言之就是将一个可控的附加电动势加到电机转子侧将不可控转变为可控，改变附加电动势的大小就可以影

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响到转子的转速这样电机调速的目的就实现了。这样的情况就是说这个调节过程将会在转子侧进行能量的传送，换种方式来说是对交流电网输入转子一侧的转差功率。机械损耗和杂散损耗不计的情况下，任何工作状态下的电机功率之间的关系如下式：

（3.6） )mPm?(1?s pm?sP在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压是在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键点。对于一些特殊的情况来说，例如在只用于次同步电动的状态，通常是将转子侧的电压先进行整流行成直流的电压，之后将一个附加的电动势再引入，通过对于此直流附加电动势的幅值的控制，就可以轻而易举的实现调节转速对于异步电动机来说是一个很简单的方法。这样就可以化繁为简，就把一个复杂的问题交流电机的变压变频，通过转化为一个与频率毫不相关的直流变压问题，化整为零使问题简单化，减少工作量，对于最终的的分析以及毕业设计的实现方便了很多。

3.2 主电路的设计

图3.1 使用晶闸管作为串级调速系统的主电路图

在上图中晶闸管作为逆变器的主电路图中，M代表着三相绕线式异步电动机，sEr0是他的转子侧的相电动势，在二极管构成的三相不可控整流器的整流电路中进行整流处理，Ud为整流后的直流电压用来输出的。也被用来与工作在有源逆变状态下的可控的三相整流装置相结合，除了提供一些可调的直流电压

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