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绕线式异步电动机的串级调速
一 课程设计目的
专业课程设计是学生基本完成全部理论课学习之后，综合运用所学知识、结合工程实际的实践教学。通过设计使学生加深对所学专业课程内容的理解和掌握，了解工程设计的一般方法和步骤，培养理论联系实际、综合考虑问题和解决问题的能力。
二 课程设计的内容
从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。
在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有：绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有：改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速及无换向电动机调速等。
从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种:高效调速指转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中;电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中;液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
转子电路串电阻调速，能量消耗大，不经济。转子电路的损耗为sPem称为转差功率。为使调速时这转差功率大部分能回收利用，可采用串级调速方法。所谓串级调速，串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入一个与E2频率相同而相位相同或相反的附加电动势Ef，通过改变Ef的大小来实现调速。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。
串级调速的效率高，平滑性好，设备比变频调速简单，特别时调速范围较小时更为经济，缺点是功率因数较低。
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%一90%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;
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。
三、串级调速原理及基本类型
3.1、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
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I2?sE20?EfR?(sX20)222?常数 （ 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R2≥sX20。忽略sX20有
sE20?Ef?常数 （ 式—2 ）
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—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 <0）。
串级调速四种基本状态方式下能量传
递方式如下图示，图中不计电动机内部各种损耗，即认定定子输入功率P即为转子输出功率。 图a为低于同步转速电动状态。此时转子电流与转子电动势趋于一致，而与附加电动势相位相反。故转子绕组输出转差功率sP被附加电动势装置吸收后回馈电网。而从电网吸收功率中的（1-s）P 输送给负载。
图b为高于同步转速电动状态。此时转子电流与转子电动势相位相反，而与附加电动势相位一致，故电网通过附加电动势装置向电动机绕组输入|s|P，从而使电动机的转速高于同步转速。 图c 为高于同步转速发电制动状态。此时转子电流与转子电动势相位一致，而与附加电动势相位相反。故转子绕组输出转差功率|s|P被附加电动势装置吸收后回馈电网。回馈电网的总功率中的（1+|s|）P 来自负载的机械功率。。此时电动机在超同步速下产生制动转矩。
图d 为低于同步转速发电制动状态。此时转子电流与转子电动势相位相反，而与附加电动势相位一致，故附加电动势从电网中吸收功率sP给转子绕组，定子向电网回馈功率P，回馈电网功
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率中的（1-s）P来自负载机械功率。此时电动机低同步速下产生电气制动转矩。
3.2、分类
对于异步电动机的串级调速，可根据其一些特点进行分类。
第一种分类方法是，根据功率分配的不同，分为“机械串级”和“电气串级”两种调速方法。
第二种分类方法是，按异步电动机转速调节的区域划分，分为低同步申级调速和超同步串级调速两类。
第三种分类方法是，把串级调速分为电机一交流器组串级和整流器一变流器组串级调速。
一般由不可控转子整流器组成的串统调速系统，只能在同步转速以下调速称为低同步串调。低同步串调不能产生电气制动转矩系统功率固数低。
由全控整流器或采用转子由循环变流器供电组成的串调系统，可以在同步转速以上
调速，称之为超同步串级调速。超同步串调可以产生电气制动转矩，且功率因数得到很大的改善
晶闸管低同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。
晶闸管低同步串级调速系统典型电路图如下示
四、串级调速系统主回路主要设备的参数计算与选择
4.1、异步电动机容量的选择
考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，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 ： 串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系
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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PN?P
本设计采用YRJ-22/6 三相绕线转子异步电动机
YRJ-22/6电动机防护等级为IP23，冷却方式为IC01。 YRJ-22/6电动机绝缘等级为定子/转子：B/B级。
YRJ-22/6技术数据 型号 功率(kW) 定子电压 (V) 定子电流(A) 效率(%) 功率因数 (cosφ) 额定转矩 转速 (r/min) 转子电流(A) 转子电压(V) 转动惯量(kg·m2) YRJ-22/6 22 380 45.5 89 0.85 2.8 955 63.1 224 0.637 定子电阻：r1 = 0.95*380*0.045/1.732/45.5 =0.21 转子电阻：r2 = 224*0.045/1.732/63.1 = 0.09 定子绕组的变比 ：Km = 0.95*380/224 = 1.61 折算到转子侧的定子绕组：r1’= 0.21 / 1.61 = 0.13 电动机的额定转矩：Tn = 9596*22/955 = 221N.M
[折算到转子侧的漏抗 ：XM =
(U1n/3)2P22?r1]2?r1210?M?nkM2= 0.5Ω
电动机的等效电感 ：LM = 0.5*1000/314 = 1.6mH
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最大转差率 smax?n1?nmin1?1? n1D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，D = 2
转差率s = （1000-955）/1000 = 0.045
4.2、转子整流器的参数计算与元件选择
4.2.1、转子整流器的最大输出电压
Udmax?3KUVE20(1?式中：E20：转子开路相电势
KUV ：整流电压计算系数，见下表：
符号 三相带中线 三相桥 双三相桥串联 双三相桥并联
KIT 0.367 0.367 0.367 0.184 KUT KUV 0.67 1.35 2.7 1.35 KIV 0.577 0.8130 0.816 0.408 1) DKIL 0.472 0.816 1.578 0.789 KST 1.35 1.05 1.03 1.03 KL 1 2 4 1 K 0.866 0.5 0. 26~ 0.52 0.26~ 0.52 2 2 2 2 则 Udmax = 1.35?224(1?) =151V
4.2.2、最大直流整流电流
12Idmax?1.1?MI20?1.1?MIdN KIV式中：λm ：电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数3
I2N ：转子线电流额定值
KIV ：整流电压计算系数，见上表
Idr ：转子整流器输出直流电流额定值 Idr = I2N / KIV 1.1 ： 考虑到转子电流畸变等因素的影响而引如的系数
则Idmax =1.1?3?63.10.813=256A
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绕线式异步电动机的串级调速
