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【摘要】绕线式转子异步电动机在转子回路串接三相电阻，当改变电阻数值时可以实现电机的调速。这种方法设备简单、投资少、维护容易，但转子电阻上消耗大量的电功率，调节性能较差，利用串级调速具有效率高、调节方便等特点，在工业现场中应用较多。串级调速的电路主要由主电路、控制线路和保护线路组成。故障主要结合企业实际线路进行分析排除。
【关键词】串级调速 原理 故障分析
一、串级调速的基本原理
可控硅串级调速是在电动机转子回路串一可变电势，通过改变电势的大小进行调速，电动机的转子功率经过可控有源逆变器，变为与电网同频率的交流电能，将转差功率返回电网，因此效率高。其基本原理如下：先将异步电机的转子电压经过三相桥式整流，整成直流（Ud），再在直流侧串入一个与其相反的直流电势（Uβ），Uβ是由可控硅有源逆变器产生，通过改变逆变器的逆变角p来改变Uβ的大小，从而达到调速与节能目的。
二、GKGJA型串级调速装置的结构及原理
1、结构
本装置由可控硅整流器、逆变器、电抗器、频敏变阻器、触发器、保护部份等组成，主电路见图1。
2、各部份工作原理简述
（1）整流器由可控硅串级调速电气原理图所示，GZ1～GZ6组成三相整流桥，将电机转子交流电压变为直流电压Ud，作为可控硅逆变压器的直流电源。整流器正极经平波电抗器接电机定子零线，整流器负极接逆变器阴极。
（2）逆变器KGZ1～KGZ3组成三相零式逆变器，阳极分别接三相交流电压，阴极接整流器阳极，通过触发脉冲控制，改变了逆变角p的大小，就可改变逆变器电压Uβ的大小，从而达到调速的目的；当逆变电压增加时，回路电流Id减少，电动机的转子电流亦相应减少，电磁力矩小于机械阻力矩，电机减速，转差率S增加，直至电磁力矩与机械阻力矩相平衡；反之，Ub减小，Id增大，电动机转速增加。
（3）平波电抗器平波电抗器DL在串调系统中的作用是保证小电流时连续，限制Δi/Δt电流上升率，使系统工作可靠。本装置的平波电抗器采用摆动式电抗器，当电流增大时，铁芯饱和，电感减小。
（4）频敏变阻器频敏变阻器BL作限制起动电流用。当1C吸合时，BL接入，电机起动，经过延时，电机加速至接近异步转速，此时转子电压频率很低，4C或3C吸合，串调或异步运行。
（5）触发器本装置可控硅触发模块密封成一个模块，功能接线如图2。
（6）保护环节在逆变器三相进线设有C110～C112、R110～R112组成的阻容吸收保护，吸收电网操作过电压，压敏电阻YR1～YR3作为浪涌电压吸收，吸收过电压的峰值。
三、触发模块的原理分析
我们将其解剖，发现其电路简单、巧妙。它采用单相电源即可列相出三相同步信号，来直接触发主回路的三个可控硅，使用很方便。其电路如图3。
电源变压器T1经桥式整流、滤波作触发模块放大电路电源。变压器T2是阻容移相桥的供电电源，移相原理见图4。
变压器T2次级电压相量UAB为常数，电阻两端电压量UAD和电容两端电压相量UDB互成90°，所以D点的轨迹是半圆，DO为半径，改变电阻的大小，DO的相位就发生变化。将移相桥的输出端DO接隔离变压器T3，T3的副边经列相，将单相电源分成对称的三相电源，此三相电源作触发模块的同步信号，将同步信号经过V4～V9、R2进行整形放大，在输出端7、8、9便可得到供可控硅门极的三个互差120°的宽脉冲，调节移相桥的电阻，输出脉冲可在要求的范围内进行移相。为了闭环控制方便，将接电阻的两点间接一桥式整流，整流桥的输出端接可变电阻或晶体三极管，用晶体三极管代替可变电阻能使触发模块方便地用电信号进行控制。
四、故障分析和排除
1、起动投调速后，电机转速下降，调节失控。
因起动时，电机运转正常，只是切换至调速后，出现电机转速下降，故可判断为触发模块工作不正常。
重点检查触发电路，测量模块的输入电压为220V，正常；测量触发模块的输出电压为零，说明触发模块没有工作。
经拆开模块检查，通过静态测量，发现电源变压器T1损坏，造成模块工作电源消失，没有输出电压。
2、起动并投调速后过流动作跳闸，保护停机本故障出现较多，其原因也较多，分析如下：
（1）可控硅损坏。可控硅损坏后一般会引起快速熔断器熔断，但如果未熔断时，就会引起GLJ动作停机，通过测量可控硅的阴、阳两极的电阻，就可判断出可控硅的好坏。
（2）触发回路接触不良。本故障出现较多，如果触发回路接触不良，将会引起各触发信号错乱，可控硅导通角发生错乱，引起逆变失败，从而引发过流动作。
对于这故障，可以采用送上控制电源后，测量模块输出端到可控硅输入端的线路压降就可以反映线路的接触情况，正常电压应为零，故障时会有一定电压。在本装置中，因触发信号经过穿心螺栓引入另一面的可控硅；由于该装置放曝气池附近，受曝气池潮湿、腐蚀空气的影响，长时间的作用下，螺栓易生锈而产生接触不良，处理后正常。
（3）触发模块损坏。触发模块损坏后，将会引起某一相可控硅全导通，引起过流动作；模块内一般是三极管V5、V7、V9中某一个或多个击穿引起可控硅某一相或多相全导通，引起直流电流大造成GLJ动作，通过静态测量来找出损坏的三极管更换即可。
3、起动后电动机电流偏大，投调速时发现直流电压不随直流电流而改变。
起动电机并投调速后，发现直流电压表为满偏，直流电流为60A，测量自动开关ZK下面的输入交流电流为75A，比额定值略大，调节调速电位器RP时，发现直流电流增加，但直流电压不下降，后检查电动机，发现电动机并没有转动！仔细检查各交流接触器的触头后，发现为定子主回路交流接触器2C有一相触头接触不良，造成定子绕组跑单相，而电机负载较大，无法起动。因电机控制装置离电机较远，操作人员不能及时发现，还以为是调速装置有故障。
为什么出现跑单相时，会引起这种现象呢？
电动机跑单相堵转时，电机转差率为1，频敏变阻器工作在频率高、阻抗大的状态下，电机定子电流增加不大，热继电器不能迅速工作，这时电机的定、转子绕组，相当于变压器初、次级绕组，转子绕组的交流电压经过整流器GZ1～GZ6整流后的直流电压为一定值，这时调节调速电位器时，当然会产生直流电流上升而直流电压不下降的现象。而当时测量输入端的交流电流的方法不对，没有考虑逆变器的影响，因逆变时交流接触器5C闭合，和电机定子绕组并联，把转子电压逆变回电网，会使各相均有电流流过，并不反映电动机有无缺相，应直接测量电动机定子绕组的电流。
4、电机滑环易发生烧坏
本故障主要为电机长时间运转（一般为24小时运转），碳粉积集在滑环、碳刷架上引起绝缘下降造成短路。尤其是电机在速度较低下运行时，因转差率较大，这时转子绕组感应的电压较高，易击穿短路，在潮湿的天气更厉害；轻者可以见到碳刷架上碳粉在冒火，重者将滑环、碳刷架烧坏。通过将原铜质滑环更换成钢质滑环减少磨损，将D201型碳刷改为较难磨损的J201型碳刷，平时加强检查和保养，解决了该问题。
5、运行中频敏变阻器烧坏
频敏变阻器BL仅在电机启动时使用，平时不通电，一般不会烧坏，除非多次启动过程烧坏，但现在是在运行中烧坏，说明控制线路有故障；经检查发现控制线路中的中间继电器ZJ线圈已开路。在正常运行工作狀态中间继电器ZJ是通电工作的，并通过其辅助触点断开控制频敏变阻器BL的交流接触器1C，使得频敏变阻器在起动完毕后撤出工作状态。若在运行中，中间继电器ZJ线圈回路断开，使得ZJ失电导致1C接通，频敏变阻器投入长期工作，因频敏变阻器设计是短时工作制的，长时间通电必然造成过热烧坏。
五、总结
通过以上分析增强了检修中的针对性，提高了检修效率，可控硅串级调速装置运转正常，其效率高，节约了大量电费，取得了很好的经济效益。
【关键词】串级调速 原理 故障分析
一、串级调速的基本原理
可控硅串级调速是在电动机转子回路串一可变电势，通过改变电势的大小进行调速，电动机的转子功率经过可控有源逆变器，变为与电网同频率的交流电能，将转差功率返回电网，因此效率高。其基本原理如下：先将异步电机的转子电压经过三相桥式整流，整成直流（Ud），再在直流侧串入一个与其相反的直流电势（Uβ），Uβ是由可控硅有源逆变器产生，通过改变逆变器的逆变角p来改变Uβ的大小，从而达到调速与节能目的。
二、GKGJA型串级调速装置的结构及原理
1、结构
本装置由可控硅整流器、逆变器、电抗器、频敏变阻器、触发器、保护部份等组成，主电路见图1。
2、各部份工作原理简述
（1）整流器由可控硅串级调速电气原理图所示，GZ1～GZ6组成三相整流桥，将电机转子交流电压变为直流电压Ud，作为可控硅逆变压器的直流电源。整流器正极经平波电抗器接电机定子零线，整流器负极接逆变器阴极。
（2）逆变器KGZ1～KGZ3组成三相零式逆变器，阳极分别接三相交流电压，阴极接整流器阳极，通过触发脉冲控制，改变了逆变角p的大小，就可改变逆变器电压Uβ的大小，从而达到调速的目的；当逆变电压增加时，回路电流Id减少，电动机的转子电流亦相应减少，电磁力矩小于机械阻力矩，电机减速，转差率S增加，直至电磁力矩与机械阻力矩相平衡；反之，Ub减小，Id增大，电动机转速增加。
（3）平波电抗器平波电抗器DL在串调系统中的作用是保证小电流时连续，限制Δi/Δt电流上升率，使系统工作可靠。本装置的平波电抗器采用摆动式电抗器，当电流增大时，铁芯饱和，电感减小。
（4）频敏变阻器频敏变阻器BL作限制起动电流用。当1C吸合时，BL接入，电机起动，经过延时，电机加速至接近异步转速，此时转子电压频率很低，4C或3C吸合，串调或异步运行。
（5）触发器本装置可控硅触发模块密封成一个模块，功能接线如图2。
（6）保护环节在逆变器三相进线设有C110～C112、R110～R112组成的阻容吸收保护，吸收电网操作过电压，压敏电阻YR1～YR3作为浪涌电压吸收，吸收过电压的峰值。
三、触发模块的原理分析
我们将其解剖，发现其电路简单、巧妙。它采用单相电源即可列相出三相同步信号，来直接触发主回路的三个可控硅，使用很方便。其电路如图3。
电源变压器T1经桥式整流、滤波作触发模块放大电路电源。变压器T2是阻容移相桥的供电电源，移相原理见图4。
变压器T2次级电压相量UAB为常数，电阻两端电压量UAD和电容两端电压相量UDB互成90°，所以D点的轨迹是半圆，DO为半径，改变电阻的大小，DO的相位就发生变化。将移相桥的输出端DO接隔离变压器T3，T3的副边经列相，将单相电源分成对称的三相电源，此三相电源作触发模块的同步信号，将同步信号经过V4～V9、R2进行整形放大，在输出端7、8、9便可得到供可控硅门极的三个互差120°的宽脉冲，调节移相桥的电阻，输出脉冲可在要求的范围内进行移相。为了闭环控制方便，将接电阻的两点间接一桥式整流，整流桥的输出端接可变电阻或晶体三极管，用晶体三极管代替可变电阻能使触发模块方便地用电信号进行控制。
四、故障分析和排除
1、起动投调速后，电机转速下降，调节失控。
因起动时，电机运转正常，只是切换至调速后，出现电机转速下降，故可判断为触发模块工作不正常。
重点检查触发电路，测量模块的输入电压为220V，正常；测量触发模块的输出电压为零，说明触发模块没有工作。
经拆开模块检查，通过静态测量，发现电源变压器T1损坏，造成模块工作电源消失，没有输出电压。
2、起动并投调速后过流动作跳闸，保护停机本故障出现较多，其原因也较多，分析如下：
（1）可控硅损坏。可控硅损坏后一般会引起快速熔断器熔断，但如果未熔断时，就会引起GLJ动作停机，通过测量可控硅的阴、阳两极的电阻，就可判断出可控硅的好坏。
（2）触发回路接触不良。本故障出现较多，如果触发回路接触不良，将会引起各触发信号错乱，可控硅导通角发生错乱，引起逆变失败，从而引发过流动作。
对于这故障，可以采用送上控制电源后，测量模块输出端到可控硅输入端的线路压降就可以反映线路的接触情况，正常电压应为零，故障时会有一定电压。在本装置中，因触发信号经过穿心螺栓引入另一面的可控硅；由于该装置放曝气池附近，受曝气池潮湿、腐蚀空气的影响，长时间的作用下，螺栓易生锈而产生接触不良，处理后正常。
（3）触发模块损坏。触发模块损坏后，将会引起某一相可控硅全导通，引起过流动作；模块内一般是三极管V5、V7、V9中某一个或多个击穿引起可控硅某一相或多相全导通，引起直流电流大造成GLJ动作，通过静态测量来找出损坏的三极管更换即可。
3、起动后电动机电流偏大，投调速时发现直流电压不随直流电流而改变。
起动电机并投调速后，发现直流电压表为满偏，直流电流为60A，测量自动开关ZK下面的输入交流电流为75A，比额定值略大，调节调速电位器RP时，发现直流电流增加，但直流电压不下降，后检查电动机，发现电动机并没有转动！仔细检查各交流接触器的触头后，发现为定子主回路交流接触器2C有一相触头接触不良，造成定子绕组跑单相，而电机负载较大，无法起动。因电机控制装置离电机较远，操作人员不能及时发现，还以为是调速装置有故障。
为什么出现跑单相时，会引起这种现象呢？
电动机跑单相堵转时，电机转差率为1，频敏变阻器工作在频率高、阻抗大的状态下，电机定子电流增加不大，热继电器不能迅速工作，这时电机的定、转子绕组，相当于变压器初、次级绕组，转子绕组的交流电压经过整流器GZ1～GZ6整流后的直流电压为一定值，这时调节调速电位器时，当然会产生直流电流上升而直流电压不下降的现象。而当时测量输入端的交流电流的方法不对，没有考虑逆变器的影响，因逆变时交流接触器5C闭合，和电机定子绕组并联，把转子电压逆变回电网，会使各相均有电流流过，并不反映电动机有无缺相，应直接测量电动机定子绕组的电流。
4、电机滑环易发生烧坏
本故障主要为电机长时间运转（一般为24小时运转），碳粉积集在滑环、碳刷架上引起绝缘下降造成短路。尤其是电机在速度较低下运行时，因转差率较大，这时转子绕组感应的电压较高，易击穿短路，在潮湿的天气更厉害；轻者可以见到碳刷架上碳粉在冒火，重者将滑环、碳刷架烧坏。通过将原铜质滑环更换成钢质滑环减少磨损，将D201型碳刷改为较难磨损的J201型碳刷，平时加强检查和保养，解决了该问题。
5、运行中频敏变阻器烧坏
频敏变阻器BL仅在电机启动时使用，平时不通电，一般不会烧坏，除非多次启动过程烧坏，但现在是在运行中烧坏，说明控制线路有故障；经检查发现控制线路中的中间继电器ZJ线圈已开路。在正常运行工作狀态中间继电器ZJ是通电工作的，并通过其辅助触点断开控制频敏变阻器BL的交流接触器1C，使得频敏变阻器在起动完毕后撤出工作状态。若在运行中，中间继电器ZJ线圈回路断开，使得ZJ失电导致1C接通，频敏变阻器投入长期工作，因频敏变阻器设计是短时工作制的，长时间通电必然造成过热烧坏。
五、总结
通过以上分析增强了检修中的针对性，提高了检修效率，可控硅串级调速装置运转正常，其效率高，节约了大量电费，取得了很好的经济效益。