双闭环串级调速

双闭环控制的串级调速系统

由于串级调速系统机械特性的

静差率较大，所以开环控制系统只能

用于对调速精度要求不高的场合。为

了提高静态调速精度，并获得较好的

动态特性，须采用闭环控制，通常采

用具有电流反馈与转速反馈的双闭

环控制方式。由于串级调速系统的转

子整流器是不可控的，系统本身不能

产生电气制动作用，所谓动态性能的

改善只是指起动与加速过程性能的

改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。

1. 双闭环控制串级调速系统的组成

图1 所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。

为了防止逆变器逆变

颠覆，在电流调节器

ACR输出电压为零

时，应整定触发脉冲

输出相位角

为。图1 所

示的系统与直流不可

逆双闭环调速系统一

样，具有静态稳速与

动态恒流的作用。所

不同的是它的控制作

用都是通过异步电动

机转子回路实现的。

2. 串级调速系统的

动态数学模型

在图1 所示的系

统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构框图均与直流调速系统中相同。在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。

(1) 转子直流回路的传递函数

根据图2 的等效

电路图可以列出串级

调速系统转子直流回

路的动态电压平衡方

程式

式中U d0 ——

当 s=1 时转子整流

器输出的空载电压，

U i0——逆变器直流侧的空载电压，；

L——转子直流回路总电感，L = 2L D + 2L T + L L

L D——折算到转子侧的异步电动机每相漏感，

；

L T——折算到二次侧的逆变变

压器每相漏感，；

LL ——平波电抗器电感；

R ——转差率为 s 时转子直

流回路等效电阻，

。

于是，式(1)可改写成

将式(2)两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数

式中T Lr ——转子直流回路的时间

常数，；

K i ——转子直流回路的放大系数，。

转子直流回路的动态结构框图如图3所示。需要指出，串级调速系统转子直流回路传递函数中的时间常数 T Lr 和放大系数 K Lr都是转速 n 的函数，它们是非定常的。

(2) 异步电动机的传递函数

异步电动机的电磁转矩为

电力拖动系统的运动方程式为

或写成

式中I L——负载转矩TL所对应的等效直流电流。

由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为

其中，为机电时间常数，T M与 R、C E、C M都有关系，所以也不是常数，而是I d和 n 的函数。

(3) 串级调速系统的动态结构框图

把图1 中的异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再考虑给定滤波环节和反馈滤波环节就可直接画出双闭环控制串级调速系统的动态结构框图，如图4所示。

双闭环控制的串级调速系统

3. 调节器参数的设计

双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主要按抗扰性能考

虑，即应使系统在负载扰动时有良好的动态响应。在采用工程设

计方法进行动态设计时，可以像直流调速系统那样，电流环按典

型I型系统设计，转速环按典型Ⅱ型系统设计。但是串级调速系

统中转子直流回路的时间常数 T Lr及放大系数 K Lr 都是转速的

函数，而异步电动机的机电时间常数 T M又是转速和电流的函

数，这就给调节器的设计带来一定的困难。具体设计时，可以先

在确定的转速 n 和负载电流 I d的前提下，求出各传递函数中

的参数。例如，按照要求的最大转差率S m ax或平均转差率

1/2S m ax来确定转速，按额定负载或常用的实际负载来选定电

流，然后按定常系统进行设计。如果用模拟控制系统实现，则当

实际转速或电流改变时，系统的动态性能就要变坏。如果采用微

机数字控制，可以按照不同的转速和电流事先计算好参数的变

化，用表格的方式存入微机，实时控制时可根据检测得到的转速

和电流查表调用，就可以得到满意的动态特性。

4. 串级调速系统的起动方式

串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先于电机接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，而使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。

串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。

(1) 间接起动

大部分采用串级调速的

设备是不需要从零速到额定

转速作全范围调速的，特别

对于风机、泵、压缩机等机

械，其调速范围本来就不大，

串级调速装置的容量可以选

择比电动机小得多。为了使

串级调速装置不受过电压损

坏，须采用间接起动方式，

即将电动机转子先接入电阻

或频敏变阻器起动，待转速

升高到串级调速系统的设计

最低转速时，才把串级调速

装置投人运行。由于这类机械不经常起动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。从串电阻起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用时间原则自动控制。

图5所示是间接起动控制原理图。起动操作顺序如下：先合上装置电源总开关S，使逆变器在

min下等待工作。然后依次接通接触器 K1，接人起动电阻 R，再接通K0，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。待起动到所设计的n m in(s max)时接通 K2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开 K1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。不允许在未达到设计最低转速以前就把电动机转子回路与串级调速装置联通，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏器件，所以转速检测或起动时间计算必须准确。停车时，由于没有制动作用，应先断开 K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再断开 K0，以防止