第3章 串级调速2
串级调速的原理
串级调速的原理串级调速是指通过改变多个旋转机械装置的连接方式和运动配合的方式，实现调整系统扭矩和转速的控制方法。
其原理是在电力系统中，控制机组发电机电压和频率的稳定运行。
串级调速的原理包括两个方面：机械传输和电力控制。
机械传输方面，串级调速采用多个旋转机械装置通过动力传动装置串联连接而成，如风机、水轮机等。
这些机械装置之间通过齿轮、皮带、链条等相互连接，并且在机械传输中存在着一个主从关系。
其中，主机是发电机，从机是调速装置。
当主机转速变化时，调速装置会自动跟随，通过机械传输将主从机之间的扭矩传递下去。
这样，通过改变主从机之间的相对运动配合方式，就可以实现扭矩和转速的控制。
电力控制方面，串级调速通过调节机组的电力输入和输出，控制机组的转矩和转速，使发电机输出的电压和频率保持稳定。
主要有如下几个方面的控制：1. 输电电压控制：通过调整电源供给电压的大小，控制机组输入的电压，从而影响机组的转矩大小。
一般采用自动电压调节器（AVR）来控制发电机的励磁系统，使输出的电压保持在额定值。
2. 输电频率控制：通过调节机组的转速，控制机组的输出频率。
一般采用机械调速装置（如调速器）或电子调速装置（如调频器）来调节主机的转速，使输出的频率保持在标称值。
3. 负载调节：通过控制负载的大小和稳定性，调整机组的输出功率，使机组的转速和电压保持稳定。
一般采用负载调整装置（如机械负载器、电子负载器）来调整负载的大小，使输出功率与负载需求相匹配。
4. 调速系统的反馈控制：通过采集机组的转速、电压等参数，进行反馈控制，对调速装置进行调整和修正，使机组的运行状态更加稳定和可靠。
一般采用调速控制单元（如PID控制器）来实现闭环控制。
串级调速的优点是能够实现机组的稳定运行，在负载波动和电网波动的情况下，保持发电机输出的电压和频率稳定。
同时，由于采用了多个旋转机械装置的串联连接，还能够实现机组的负载动态调整和转速相对独立的控制。
这样，既能够满足负载的需求，又能够保护机组设备的安全运行。
串级调速系统的调速原理
串级调速系统的调速原理
串级调速系统是一种常见的电机调速方法，通过在电机转速控制回路中增加一个或多个串级调速元件，实现对电机转速的调节。
其调速原理主要包括以下几个方面：
1. 速度传感器：串级调速系统通常需要一个速度传感器来实时监测电机的转速。
速度传感器可以是光电编码器、霍尔传感器等，将转速的信息转换为电信号输入到调速控制器中。
2. 调速控制器：调速控制器是串级调速系统的核心部件，负责接收速度传感器的信号，并根据设定的转速要求计算出电机控制信号，控制电机的转速。
常见的调速控制器有PID控制器、模糊控制器等，根据不同的系统要求选择不同的控制器。
3. 整流器和逆变器：串级调速系统通常采用可调电压可调频率的方式来调节电机的转速。
因此，调速控制器会控制整流器和逆变器来改变电机的供电电压和频率。
整流器将交流电转换为直流电，逆变器将直流电转换为可调的交流电供给电机。
4. 串级调速元件：串级调速系统针对不同的调速要求，可能会增加一些串级调速元件，用于改变电机的特性或增加调速范围。
常见的串级调速元件有降耗器、齿轮箱、变速器等，通过增加这些元件，可以实现更广泛的调速范围和更精确的
转速控制。
总体而言，串级调速系统通过引入调速控制器、整流器和逆变器，以及可能的串级调速元件，实现对电机转速的控制。
通过调节电机供电电压、频率和转速特性，使电机能够按照要求的转速运行，满足不同的工业应用需求。
(4).交流电机串级调速和双馈调速
19 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （2）次同步速回馈（1>S’>0)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM< 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS> 0
制动转矩
20 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 （3）超同步电动（S’<0)
αp
Ce
Ce
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
AB：①状态 BC：②状态 C以后：③状态，不能正常工作
4、串调系统的功率因数 功率因数低的原因： 逆变桥相位滞后，吸收无功 波形畸变 电动机、逆变变压器吸收无功 转差功率回馈，相当于电网吸收无功 例：调速范围2:1
2008-10-12
低速：0.4～0.5
—交流电机调速理论与方法—
14 大学电气工程学院 5、串调系统的起动 调速范围按0→nN设计的系统，可直接起动
—交流电机调速理论与方法—
停车次序：先断开电机侧电源，后断开逆变器侧交流电源
15 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 二、绕线式异步电机双馈调速系统 1、双馈调速的基本原理
浙江大学电气工程学院 （5）倒拉反转 电动（S’>1)
—交流电机调速理论与方法—
电磁功率 PM> 0 机械功率 Pmec< 0 转差功率 PS< 0
23 2008-10-12 交流电机串级调速和双馈调速
浙江大学电气工程学院 3、他控与自控 （1）他控式（也称同步工作方式）
—交流电机调速理论与方法—
浙江大学电气工程学院 三、双馈式变速恒频风力发电系统 1、绕线式异步电机 （1）系统结构
调速电机的串级调速法
调速电机的串级调速法
调速电机的调速⽅法有很多，下⾯将介绍其中的串级调速法是如何实现的，串级调速是指绕线式电动机转⼦回路中串⼊可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的⽬的。
⼤部分转差功率被串⼊的附加电势所吸收，再利⽤产⽣附加的装置，把吸收的转差功率返回电⽹或转换能量加以利⽤。
根据转差功率吸收利⽤⽅式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采⽤晶闸管串级调速，其特点为:
1.可将调速过程中的转差损耗回馈到电⽹或⽣产机械上，效率较⾼;
2.装置容量与调速范围成正⽐，投资省，适⽤于调速范围在额定转速70%-90%的⽣产机械上;
3.调速装置故障时可以切换⾄全速运⾏，避免停产;
4.晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较⼤;
5.本⽅法适合于风机、⽔泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使⽤。
串级调速讲解
斩波部分 整流部分
逆变部分
YQT——内反馈交流调 速三相异步电动机 ZL ——转子整流器 ZB ——斩波器 NB ——有源逆变器 PBR ——频敏变阻器 SRD ——快速熔断器
现代串级调速
现代串级调速原理（外反馈式）
现代串级调速原理（内反馈式）
现代串级调速技术突出优点
调速范围宽，无级，平滑。 具有良好的硬机械特性。 串级调速是在电动机转子侧施加控制，特点：
(1)控制电压低，仅几百伏至一千多伏； (2)变流装置控制容量小，对于风机、泵类负载，总控制容量仅为电机额定容量的14.815%； (3)串级调速装置自身功耗小，比变频调速低2~4个百分点，因而效率最高； (4)因变流容量小，变流发生在转子一侧，因而谐波分量小； (5)因变流容量小，变流电压低，装置可靠性高； (6)调速系统简单，尺寸小，占用场地少。
异步电机调速
——串级调速
有关串级调速的探讨
串级调速——绕线式电动机转子回 路中串入可调节的附加电势来改变 电动机的转差，达到调速的目的。
串级调速是十分经典的电机调速方法。它的根本点 不是去控制电机的定子侧，而是控制转子侧，通过 对电机转子电流的控制改变电机的转差率进行调速。 为了高效，反电势源应可吸收因转差增大而产生的 较大的转子转差功率。
最新斩波技术的采用，使其功率因数、调速范围、调速精度等指标 明显提高。 由于串级调速使用绕线式电动机，能够有效控制电动机起动电流。 内反馈式现代串级调速系统，省去了逆变变压器及相关电气设备， 使得系统更为简单。
串级调速真的比变频调速逊色吗？
在高效调速技术方面，有变频调速和串级调速两 种。它们的一个重要区别在于变流的控制装置 （调速装置）的控制点不同。 变频技术控制电机的定子侧供电电源，变流装置 要承受6kV或10kV高压，控制电机全部功率;而串 级技术控制电机的转子侧，变流装置仅承受转子 回路低电压和较电动机额定功率小得多的转差功 率。就节电率而言，串级调速技术是最高的，就 在泵与风机类负载应用上，串级调速技术又是最 为适合的。
SEC系列高频斩波串级调速系统
SEC系列高频斩波串级调速系统技术介绍保定华仿电控有限公司二○○四年十月二十八日目录前言 _____________________________________________________ 错误!未定义书签。
第一章串级调速基本原理 ____________________________________ 错误!未定义书签。
1.1 异步电动机调速的基本方法______________________________ 错误!未定义书签。
1.2 串级调速的基本原理____________________________________ 错误!未定义书签。
1.3 传统串级调速__________________________________________ 错误!未定义书签。
1.4 现代串级调速__________________________________________ 错误!未定义书签。
1.5 现代串级调速技术的主要优点____________________________ 错误!未定义书签。
第二章SEC高频斩波串级调速系统构成_________________________ 错误!未定义书签。
第三章内反馈交流调速三相异步电动机 ________________________ 错误!未定义书签。
3.1 基本原理______________________________________________ 错误!未定义书签。
3.2 主要用途______________________________________________ 错误!未定义书签。
3.3 技术指标______________________________________________ 错误!未定义书签。
第四章SEC系列高频斩波串级调速装置 ________________________ 错误!未定义书签。
4.1 基本原理及构成________________________________________ 错误!未定义书签。
串级调速的基本原理
频敏变阻器BL仅在电机启动时使用，平时不通电，一般不会烧坏，除非多次启动过程烧坏，但现在是在运行中烧坏，说明控制线路有故障；经检查发现控制线路中的中间继电器ZJ线圈已开路。在正常运行工作状态中间继电器ZJ是通电工作的，并通过其辅助触点断开控制频敏变阻器BL的交流接触器1C，使得频敏变阻器在起动完毕后撤出工作状态的。若在运行中，中间继电器ZJ线圈回路断开，使得ZJ失电导致1C接通，频敏变阻器投入长期工作，因频敏变阻器设计是短时工作制的，长时间通电必然造成过热烧坏。
·空心轴不带内置轴承的角度编码器Dr.Ing.Rainer Hagl王桂芳翻译(2005-6-19)
·环氧树脂在高压电机主绝缘中的应用陈宗旻(2005-6-16)
·直线电动机驱动冲压机的研究与应用浙江大学叶云岳陈永校卢琴芬(2005-6-13)
·无刷直流电动机保护电路的研究陕西汉中供电局张全红鲁军勇(2005-6-8)
·常用电机与控制--伺服电动机newmaker (2005-6-20)
·常用电机与控制--步进电机newmaker (2005-6-20)
·步进电机原理及使用说明金坛市四海电机电器厂刘建中(2005-6-20)
·绝对位置测量系统的高速接口Dr.Ing.Rainer Hagl李莹翻译(2005-6-19)
2、2、2、逆变器
KGZ1~KGZ3组成三相零式逆变器，阳极分别接三相交流电压，阴极接整流器阳极，通过触发脉冲控制，改变了逆变角β的大小，就可改变逆变器电压Uβ的大小，从而达到调速的目的；当逆变电压增加时，回路电流Id减少，电动机的转子电流亦相应减少，电磁力矩小于机械阻力矩，电机减速，转差率S增加，直至电磁力矩与机械阻力矩相平衡；反之，Ub减小，Id增大，电动机转速增加。
串级调速
电气串级调速系统
绕线异步机
转子整流器
有源逆变器
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。 呈现恒转矩机械特性。
异步电动机调压调速系统
β↑→ U β↓→ Id ↑→I2↑→M↑→ n↑→ s↓
直到新的平衡为止，并且转速比原来高。
忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的功率关 系都可写作
Pm sPm (1 s) Pm
式中 Pm —从电机定子传入转子（或由转子传 出给定子）的电磁功率， sPm —输入或输出转子电路的功率，即转 差功率， (1-s)Pm —电机轴上输出或输入的功率。
13
三.串级调速的基本运行状态及功率关系
* 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）
b. 如串入的附加电势 E f 与转子感生电势 sE20 方向相同，频率相同 则转子电流将变大：
I2
sE2 E f
2 2 R2 ( sX 20 )
这种向上调速的情况称为向上调速， •甚至高于同步速。（超同步串调）
•
异步电动机调压调速系统
第二节
串级调速的闭环控制系统
第一节 串级调速的原理与基本类型
一. 转子串电阻调速原理
二.串级调速的原理
三.串级调速的基本运行状态及功率关系
四.串级调速系统的基本类型
异步电动机调压调速系统
概述
转差功率的利用 众所周知，作为异步电动机，必然有转差功率，要提高调速系统 的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。
超同步串调异步电动机调压调速系统异步电动机调压调速系统13忽略机械损耗和杂散损耗时异步电机在任何工况下的功率关系都可写作从电机定子传入转子或由转子传出给定子的电磁功率sp输入或输出转子电路的功率即转差功率1sp电机轴上输出或输入的功率
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电机在转速n ′处实现平衡，转速调为n ′ 。
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2014年5月18日星期日
第3章
二.串级调速的基本运行状态及功率关系
在转子侧引入一个可控的附加电 动势，就可实现调速，这个调速 过程必然在转子侧形成功率的传 递。
串级调速系统基本运行状态： 四种
在调节前后，转子电阻消耗功率 不变，但转差率s改变，即转差功 率改变；
基本结论：
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。
问题：如何在改变转子电流的基础上，提高技术 性能和经济性能？
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第3章
串级调速的基本原理是什么？
基本思路： 1.转子串电阻调速是通过改变转子电流改变电磁转矩实现调速； 2.转子不串入附加电阻-----改为串入附加电动势同样可实现调速； 3.将调速引起的转差功率损耗，回馈回电网或电动机本身，既提高效率、 又实现变转差率调速。 4.该方法被称为绕线转子异步电动机的串级调速控制方案。 工作原理： 三相异步电动机的转子感应电压为： E 2 s E 20 转子电流为： 式中：
第3章
第三章 绕线转子异步电动机 串级调速系统
第一节 串级调速的原理与基本类型
第二节 绕线转子异步电动机串级调速时的
机械特性 第三节 串级调速系统的效率和功率因数
第四节 双闭环控制的串级调速系统
第五节 串级调速系统的应用
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第3章
第一节
串级调速的原理与基本类型
一.串级调速的原理
二.串级调速的基本运行状态及功率关系 三.串级调速系统的基本类型
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第3章
绕线型异步电动机的转子
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第3章
绕线型异步电动机的转子
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第3章
向高于同步速方向的串级调速
串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：
I2 '
sE20 E f R2 jsX 20
I 2 ' I 2 Te ' Te n
s s ' n s I 2 ' I 2 ' I 2 n' T ' T e e
问题的引入:
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第3章
*转速越低，转差越大，电 阻发热越多，效率越低。
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第3章
2.调速时，其机械特性随着转子回路附加电阻增加而变软，大大降低了调 速精度。 3.实际应用中，由于串入转子回路的附加电阻级数有限，无法实现平滑调速。
* 这种向下调速的情况成为向低于同步速方 向的串级调速。
b. 如串入的附加电势 E f 方向相同，频率相同
与转子感生电势 sE20
* 这种向上调速的情况称为向高于同步 速方向的串级调速。
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第3章
向低于同步速方向的串级调速
串附加电动势之前：电机匀速转动，I2，Te=Tl； 串附加电动势之后：
PM (1 s) Pem 0
Ps s Pem 0
说明电动机从轴上向转子上输入的机械功率PM与从电网通过产生 E f 装置输入的转差功率Ps之和，都变为电磁功率Pem，并通过电动机 定子回馈给电网。
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I2 '
sE20 E f R2 jsX 20
I 2 ' I 2 Te ' Te n
s s ' n s I 2 ' I 2 ' I 2 n' T ' T e e
电机在转速n′处实现平衡，转速调为n ′ 。
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功率的流向要么是从转子侧传输 到与之相连的交流网或外电路中， 要么是从外面吸收功率到转子中 来。
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第3章
1. 低于同步转速的电动运行状态 0＜s<l，Te＞0，则
Pem Te0 0 PM (1 s) Pem 0 Ps s Pem 0
I2
sE 20 R2 ( sX 20 ) 2
2
E 20 ―s=1时转子开路相电动势
X 20 ―s=1时转子绕组的相漏抗
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第3章
将绕线异步电动机的转子电路中串入交流附加电势 E f a. 如串入的附加电势 E f 与转子感生电势 sE20 方向相反，频率相同
集电环
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第3章
三相绕线型异步电动机示意图
转子三相绕组接成 Y 形
短接或 外接对称电阻等
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第3章
一. 串级调速的原理
转子串电阻调速分析 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 法。 优点:简单方便 主要缺点： 1.低效率 R2F↑→I2↓→Te↓→n↓实现调速；但 n↓→s↑→转差功率Ps=s.Pem↑， 大量转差功率将在转子所串电阻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。
说明电网向电动机定子输入的电磁功率Pem一部分变为机械功率 PM 从电动机轴输出；另一部分变为转差功率Ps通过产生 E f
装置回馈给电网。
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第3章
2. 低于同步转速的回馈制动运行状态 0＜s<l，Te＜0，则
Pem Te0 0