串联附加电阻的基本思路与实用电路（附张老师解析）

1.基本思路

因为电动机在运行时，转速并不恒定，转子电流的频率也就随时在变化，要得到和转子电流同频率的附加电动势将是十分困难的。

所以，在实用中，是首先把转子电动势由整流桥UR全波整流成直流电动势，然后和一个附加的反向直流电动势进行比较。把两个同频率交流电动势之间的比较，转变成直流电动势之间的比较，如图6-20a所示。

2.实用电路

实际电路中，附加电动势是由晶闸管组成的三相逆变桥UI产生的，如图6-20b所示。这里，我不大明白，这三相逆变桥是怎样产生反方向的直流电动势的？”

图6-20 串联附加电阻的实施方案

a）基本思路 b）实用电路

张老师说：“对于逆变桥UI，要注意它的基本特点：

（1）由逆变桥产生的直流电压U_K所起的作用，和图6-19中的E_K相同，所以，其极性一定是和整流桥电压U_D的极性相反的。”

“老师，您在图6-20b中，逆变桥UI的极性是不是画反了，好像应该是下面‘+’、上面‘-’的？”

张老师说：“这个问题先放一放，后面要专门讨论的。

（2）直流回路里的电流一定是从整流桥UR流向逆变桥UI的。

为了满足以上特点，晶闸管必须处于有源逆变状态。”

小李又问：“什么是有源逆变？逆变时总得有电源吧，怎么还分有源和无源呢？”

张老师说：“逆变，是把直流电变成交流电。这里，直流电源当然是必不可少的。有源和无源的区别在于交流电那一边是否有交流电源？如变频器，逆变得到的交流电是提供给电动机作电源的，电动机本身并没有交流电源，所以是无源逆变；反之，如果接受逆变电源的那一边，原来就有交流电源的，就叫做有源逆变。

3.有源逆变原理

为简便起见，我们通过一个单相全波可控整流电路来进行说明。

假设，某晶闸管单相全波整流电路的负载是一台直流电动机。则

（1）移相角α₁＜90°晶闸管在大部分时间里是正向导通的，如图6-21a中的阴影部分所示，整流后的电压是c‘+’0‘-’，电流从c流经电动机后回到0。电动机所产生的反电动势E的方向是上‘+’下‘-’，和电流方向相反，是电压uco克服了电动机的反电动势E而做功。所以，变压器是输出功率的一方，电动机是得到功率的一方。”

图6-21 有源逆变原理

a）整流状态 b）有源逆变状态

“老师，电压的负半周怎么也有电流？”小李问。

“这是电感L的作用，因为晶闸管一经导通之后，就难以控制它的截止。而电感L里的自感电动势e_L又具有续流的功能，所以，如果反向电压并不足以克服e_L的话，电流将继续流动。这里的直流电路对于逆变过程而言，实际上相当于一个恒流源。”

“那晶闸管在什么时候截止呢？”小李又问。

“假设变压器T的二次电压为上半周时，u10是上‘+’下‘-’，VT1导通。则当变压器的二次电压为下半周时，u20是上‘-’下‘+’，晶闸管VT2导通，使VT1上得到反向电压，迫使VT₁截止。

总的来说，在图6-21a中，正方向导通的部分大于反方向导通的部分。所以，负载所得的平均电压U_D是‘+’的。

（2）移相角α₂＞90°如果使电动机处于发电状态，相当于发电机，它所产生的电动势是上‘-’下‘+’的。同时，令晶闸管的移相角α₂＞90°，则正方向电压只有小部分时间是导通的，如图6-21b所示，反方向导通的部分超过了正方向导通的部分，平均电压是‘-’的，uco变成了c‘-’0‘+’。这时，是发电机的电动势E克服了uco而做功，发电机是输出功率的一方，而变压器是得到功率的一方，是发电机的直流电动势逆变成了交流电压输出给变压器，而变压器本来就有交流电源，所以是有源逆变。现在，你能不能归纳一下有源逆变的特点？”

4.晶闸管有源逆变的特点

小李看着图，想了一会儿，说：“好像有3个特点：

（1）晶闸管桥输出电压的极性，取决于其平均电压的极性。

当移相角α＜90°时，正半周导通时间较长，平均电压为‘+’，是整流桥，输出极性是下‘+’上‘-’，如图6-22a所示；

当移相角α＞90°时，负半周导通时间较长，平均电压为‘-’，是逆变桥，输出极性是下‘-’上‘+’，如图6-22b所示。

（2）因为有电感L，电流的方向是不变的。所以，在有源逆变的情况下，改变方向的是电压，而不是电流。而改变电压方向的手段是使移相角α＞90°。

图6-22 三相晶闸管桥

a）整流桥 b）逆变桥

对不对？”

张老师满意地说：“很好。现在，我们再全面地看看串级调速的特点：

5.串级调速电路特点

如图6-23所示：

图6-23 串级调速的实施

（1）直流回路的特点 一方面，绕线转子异步电动机的转子电动势由三相整流桥UR整流成直流电压UD，极性是上‘+’下‘-’；(www.xing528.com)

另一方面，三相变压器的二次侧经逆变桥有源逆变后得到附加电压U_K，极性也是上‘+’下‘-’，和UD的极性正好相反。

于是直流回路里的电流I_D的大小是：

式中 I_D——直流回路的电流，A；

U_D——整流桥输出电压，V；

U_K——逆变桥输出电压，V；

r——直流回路的电阻，Ω。

（2）逆变的电压波形 如图6-24所示，u_U、u_V、u_W是变压器二次侧的相电压，当导通角β较小（移相角α较大）时，经逆变桥逆变后得到附加电压U_K较大，如图6-24a所示；反之，当导通角β较大（移相角α较小）时，经逆变桥逆变后得到附加电压U_K较小，如图6-24b所示。”

图6-24 三相有源逆变的电压波形

a）导通角较小 b）导通角较大

“有没有可能出现移相角α小于90°，使逆变桥也成为整流桥的情况呢？”小李思索着问。

“当然有可能。但是，如果它成为整流桥，其极性将是下‘+’上‘-’，和UD的方向相同，两者相加，而直流回路内的电阻又很小，将发生短路事故，这种情形，称为有源逆变的颠覆，是很危险的。

所以，在有源逆变电路里，晶闸管移相角的范围是有严格限制的：

90°＜α＜150°

或者说，晶闸管导通角的范围是：

30°＜β＜90°

三相有源逆变桥直流侧的平均电压可计算如下：

U_K=2.34U_Φcosβ （6-18）

式中 U_K——有源逆变桥的直流侧电压，V；

U_Φ——交流侧的相电压，V；

β——晶闸管的导通角。

式（6-18）表明，导通角越大，平均附加电压越小。

6.调速过程

（1）假设运行状态 假设，电动机正在带动某恒转矩负载在某一转速下n_X1（s=s_X1）下稳定运行，电磁转矩和负载转矩处于平衡状态：

T_M=T_L

这时，有源逆变桥的导通角为β₁，如图6-24a所示，直流侧平均电压为

U_K1=2.34UΦcosβ₁

直流回路里的电流：

（2）加大导通角 今将导通角增大为β₂，如图6-24b所示，直流侧平均电压减小为

U_K2=-2.34U_Φcosβ₂＜U_K1直流回路里的电流：

电动机的转子电流增大，电磁转矩也必增大，超过了负载转矩：

T_M＞T_L

电动机加速，转差减小，转子电流和电磁转矩也随之减小，当电磁转矩减小到重又和负载转矩相平衡时，转速不再升高，拖动系统在已经升高了的转速下继续运行。

事实上，当把两个同频率交流电动势之间的比较，转变成直流电动势之间的比较时，式（6-16）可以近似地改写为

式中 K——比例常数；

U_DO——转子不动时，整流桥的输出电压，V。

式（6-20）表明，当导通角增大，逆变桥直流侧的平均电压减小时，转差率减小，转速升高。

图6-23所示电路，只能在额定转速以下调速，故称为低同步串级调速。”

“能不能在同步转速以上调速呢？”小李问。

“当然可以，但电路比较复杂。图6-23所示电路是不能在同步转速以上运行的。因为现在变频调速已经十分普及，串级调速的应用正趋向于被淘汰，所以，我们只需了解其基本原理就可以了。