引风机串级调速系统设计

马岩

摘 要：随着电力电子技术的发展，近代均采用在转子回路内串联晶闸管功率变换器完成回馈任务，这样就构成了由绕线式异步电动机与晶闸管变流器共同组成的晶闸管串级调速系统。其中低同步的晶闸管串级调速系统，不仅具有良好的调速性能也能把转差能量回馈电网，而且结构简单、可靠性、技术上已经成熟。

关键词：引风机;串级;调速系统

1 调速

1.1 交流、直流调速系统

1.1.1 交、直流调速的发展与现状

交流调速技术具有优良的调速性能，还可带来节约能源、减少维修费用，节省占地面积等优点，尤其在大容量或工作于恶劣环境时更为直流电机拖动所不及。所以交流调速技术的应用有着广阔的前景。

1.1.2 交流调速系统的类型

交流调速系统的类型由n=60f1/p（1-s）可知电动机调速方式分为变极调速、变频调速和改变转差率调速三大类。

1.2 国内串级调速系统的发展

我国串级调速的应用主要有以下几种类型：

a平方转矩负载调速型;

b恒转矩负载调速型;

c恒转矩位能负载起动调速型。

1.3 研究的意义

在能源日益紧张、能源费用高涨的今天，研究性能更优越﹑节能效果更好的调速系统，符合国家经济发展的需要，有着重要的现实意义。串级调速技术作为节约能源的一个重要手段，已在我国得到广泛应用。

对于风机类负载的调速，合理的方案应是绕线电机串级调速。在串级调速时，转子电路的功率为转差功率。风机类负载所需的调速范围小，一般为30%左右，这样电力电子装置的功率仅为电机功率的30%或15%。

2 串级调速系统的分类

串级调速系统根据直流附加电动势获得的方法不同，有三种基本类型。

第一种，恒转矩电机型串级调速系统（电气串级）。

第二种，恒功率电机型串级调速（机械串级）。

第三种，恒转矩晶闸管串级调速（电气串级）。

3 串级调速系统的特性

串级调速系统可以将转差功率利用起来，因此节能是最突出的优点，而衡量系统技术经济指标的重要方面是系统的能量指标。

4 主回路的设计

串级调速主回路设计，主要包括有源逆变器的选择，逆变变压器，滤波电抗器的计算和整流管，晶闸管的计算与选择等。

有源逆变器是串级调速核心的组成部分，不同接线形式的有源逆变器将有不同的线路结构和不同的控制方式，使串级调速具有不同的性能和不同的技术经济指标，因此，选择有源逆变器也是一项重要工作。

由于有源逆变器在相控换流期间，电源相电压波形出现缺口，使有源逆变器输出的交流电流含有高次谐波，在选择有源逆变器时，应该根据串级调速的容量和对装置提出的技术经济要求而尽可能选用谐波分量较小的接线形式，尤其应尽力避免使用产生偶次谐波的接线形式。

高次谐波电流的次数和幅值主要由有源逆变器电路的脉波数p决定，其中电流谐波的次数为n=（γp±1）（γ=1，2，3，···）;谐波电流的幅值当逆变角β和重叠角γr均为零时与基波电流的幅值成正比，与谐波次数成反比。12以下脉波数的变流器（整流器，有源逆变器）的谐波次数如表4-1所示。不同脉波数时，网侧电流各次谐波有效值与基波电流有效值不同。

表4-1 变流器网侧（变压器一次侧）电流谐波次数

[脉 波 数 p＼&可能产生的谐波次数谐波n＼&3

6

12＼& 2，4，5，7，8，10，11，13，14，16，17，19，…………

5，7，11，13，17，19，23，………

11，13，23，25，35，37，…………＼&]

由上述可知，脉波数为3的逆变器具有很丰富的高次谐波电流，特别含有偶次谐波，其中2次谐波占50%，功率因数也低，因此，对于各种三相半波接线形的有源逆變器，它们虽然各有优缺点，但要慎用，尤其有逆变变压器的三相零式串级调速系统、无逆变变压器的三相零式串级调速系统尽量不用。

5 工作过程分析

由于调速范围小且负载变化不大的串级调速系统可以采用开环控制的串级调速系统。对于调速范围大，调速要求精度高的生产设备，宜采用双闭环的串级调速系统。系统的组成结构与双闭环不可逆晶闸管直流调速基本相同。

因此晶闸管直流调速的工程计算方法基本上适用于串级调速系统，但要注意两个问题：

①串级调速系统逆变变压器的容量，转子整流和逆变器硅元件的耐压等级与调速范围D有关。

②电流环是一个非定常环节，但是以S=Smax时的KLnTLn值，按定常系统设计，可以保证系统具有良好的性能，因此电流环可校正成典Ⅰ型或典型Ⅱ型，速度环一定按典型Ⅱ设计。

要保证串级调速系统安全可靠的运行，必须有严格的启动和切换顺序、正确的停车顺序和完善的保护措施。

6 对串级调速系统的技术经济分析

长期的实验与实践表明，异步电动机的串级调速有以下优点：

①调速装置总效率高，约为90%。

②串级调速系统中变流装置的容量小。

③能实现无级平滑调速。

④安全、可靠性高。

⑤能提高调速系统的效率。

综合上述优点，串级调速系统是能带来经济效益，为企业节约能源，会创造超过30%的剩余价值。因此，目前串级调速装置已在水泵、风机、压缩机等生产机械上得到广泛的应用。

7 结论

采用串级调速，会给企业带来更多的经济效益，会给企业节约更多的能源。它能实现无级平滑调速，当采用双闭环控制时，具有与直流相当的高调速精度。本设计当中采用串级调速系统设计，为了减小较大的超调量，应该增大给定滤波器的时间常数。还具有风量连续可调，调节平稳，节能和可靠性高，容量小，投资少等优点。系统采用串级调速有着重要的现实意义！