中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）
LT :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:
(2.7)
于是式（2.1）可改写成：
(2.8)
将式（2.8）两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数:
式中：
TLs:转子直流回路的时间常数， KLr:转子直流回路的放大系数，
(2.9) (2.6)
转子直流回路的动态结构框图如图2.3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TLs和放大系数KLr都是转速n的函数，它们是非定常数。
2 异步电动机的传递函数异步电动机的电磁 转矩为:
(2.10)
图2.3转子直流回路动态结构图
电力拖动系统的运动方程式为：
或写成：
(2.12)
式中：
TL:负载转矩，
IL:所对应的等效直流电路，
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(2.11)
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由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为:
其中
(2.13)
为机电时间常数，TM与R、CE、CM、都有关系，所以也不是常数，
而是Id和n的函数。
3 串级调速系统的动态结构图
把图2.1 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2.4所示。
图2.4双闭环控制串级调速系统动态结构图
（三）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TLs及放大系数KLr都是转速的函数，而异步电动机的机电时间常数TM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Id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Smax或平均转差率1/2Smax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。
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(四)串级调速系统的启动方式
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间接启动
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2.5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βmin?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nmin(smax)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。 图2.5串接调速系统间接启动控制原理图 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，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。
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如果生产机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动机在串电阻方式下起动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要求调节到所需要的转速运行。这种起动方式可以保证整流器与逆变器不致受到超过定额的电压，工作安全。但电动机要先升到最高转速，再通过减速达到工作转速，对于有些生产机械是不允许的。 2 直接启动
直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。在图2.5中，接触器的工作顺序为 S—K0—K2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于 逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。待发出给定信号后，随着夕的增大，逆变电压降低,产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。
（五）异步电动机串级调速时的机械特性
在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量、分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。
1.异步电动机串级调速机械特性的特征 (1)理想空载转速
在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。
在串级调速系统中，电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。
当系统在理想空载状态下运行时（Id=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成 :
(2.14)
S0: 异步电动机在串级调速时对应于某一β 角的理想空载转差率，并取K1=K2,则：
(2.15)
由此可得相应的理想空载转速n0为：
(2.16)
式中nsyn:异步电动机的同步转速。 （2）特性分析：
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从式（2.15）和式（2.16）可知，在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角β 时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。
由式（2.14）还可看出，在不同的?角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。 2. 机械特性的斜率与最大转矩
串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。
由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。
3 转子回路电阻的影响
当电机在最高速的特性上（β=900）带额定负载，也难以达到其额定转速。 整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。 这样，串级调速时的机械特性便如图2.6所示。
图2.6异步电动机串级调速时的机械特性 a)大电机 b）小电机
（六） 异步电动机串级调速时的转子整流电路
从图2.1中可以看出，异步电动机相当于转子整流器的供电电源。如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。
但是，两者之间还存在着一些显著的差异，主要是：整流电路的不同点:
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