异步电机串级调速系统设计

- 1 -太原理工大学毕业设计（论文） 异步电机串级调速系统设计院 （系）：太原理工大学继续教育学院专 业： 电气工程 班 级： 2013 届电气一班 提交日期： 2015 年 8 月 姓 名： 王建军（阳煤） - 2 -摘 要串级调速是交流异步电动机调速的一种类型,串级调速的思想就是将异步电动机的转子电压经过三相桥式整流变为直流电压，再在其直流侧由可控硅逆变电路产生与其相反的直流电势与三相桥式产生的直流电压串联，改变逆变角的大小来改变直流电势的大小，达到调速的目的，同时还能提高电动机的运行效率和调速的经济性。本文依据矿井提升机对电力拖动系统的要求，采用可控硅串级调速来控制其拖动电动机实现无级调速，满足矿井提升机对电力拖动系统调速性能和节能的要求。本文主要研究三相交流绕线式异步电动机可控硅串级调速系统的主、辅电路设计有关的技术问题。包括系统的组成与工作原理，主回路的设计，控制回路设计，系统的静、动态工作特性计算分析等。关键词： 可控硅, 串级调速, 整流, 逆变 - 3 -ABSTRACTThe speed of adjusting of each is to exchange a kind of adjusting the speed of asynchronous motor, Each transfer the thoughts of speed to turn into direct current pigeonhole through three-phase bridge type rectification asynchronous the rotor voltages of motors, And then in its direct current it inclines to be at silicon controlled rectifier against becoming circuit produce at opposite direct current tendency and three-phase bridge direct current who type produce pigeonholes and contacts, Change, The ones that still can improve the operational efficiency of the motor and adjust speed at the same time are economic.This text basis mine lifting machine pull systematic request to electricity, adopt silicon controlled rectifier each is it is it control it pull motor realize the stepless speed regulation to come rapidly to adjust, meet mine lifting machine pull to electricity system transfer speed performance and energy-conserving request. This text main research three phases exchange person who wind the line asynchronous motor silicon controlled rectifier each transfer speed systematic main fact, complement circuit design relevant technological questions. Including systematic composition and operation principle , main design of return circuit, control design of way of answering, quiet, dynamic performance characteristics computational analysis of the system, etc.keywords: Silicon controlled rectifier, each adjusts speed, rectification, Go against and change- 4 -目 录摘要2Abstract31. 概述61.1 交流电动机调速的发展概况61.2 矿井提升机对电力拖动系统的要求81.3 本课题研究的目的和内容92. 提升机调速系统方案的选择102.1 提升机调速成系统调速方式的选择102.2 双闭环控制系统的选择102.3 桥式电路的选择112.4 触发电路的选择123. 矿井提升机串级调速的工作原理133.1 串级调速系统工作原理及工作状态133.2 串级调速系统主电路的工作原理153.3 串级调速控制回路的工作原理173.4 矿井提升机的系统组成与工作原理174. 主回路电路的设计204.1 三相桥式不可控整流器的设计204.2 三相桥式逆变器的设计204.3 逆变变压器的设计214.4 平波电抗器 LP 的设计214.5 晶闸管保护电路的设计225. 控制回路电路的设计245.1 稳压电源的设计245.2 触发电路的设计275.3 定子控制单元的设计275.4 绝对值单元的设计305.5 速度反馈网络的设计305.6 电流检测反馈网络的设计315.7 控制线路的设计326. 系统的静、动态特性计算346.1 系统的静态特性计算34- 5 -6.2 系统的动态特性计算367. 串级调速系统调试417.1 一般检查以及线路检查417.2 单元器件的调试417.3 系统的调试437.4 操作电路的调试44主要元器件明细表45结束语46致谢47参考文献.48- 6 -1.概 述1.1 交流电动机调速的发展概况纵观电力传动的发展过程，交直流两种传动方式共存于各个生产领域之中。在电力电子技术发展之前，直流电动机几乎占垄断地位。对于直流电动机只要改变电动机的电压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。随着工业技术的不断发展，它们相互竞争、相互促进。交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机与直流电动机相比具有一些突出的优点：制造成本低；重量轻；惯性小；可靠性和运行效率高；维修工作量小；能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行。这些与现代调速系统要求的可靠性、可用性、可维修性相一致。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机广泛得多，约占整个电力拖动总容量的 80%以上；但同时交流电动机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。而随着电力电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能的电力电子器件产品的出现，为交流调速系统的发展创造了有利条件。特别是 70 年代初出现的矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上相继出现的磁通反馈矢量控制、转差型矢量控制、直接转矩控制等实用系统，大大推进了交流传运控制技术的发展。这些新型的交流传动控制技术与高性能的变频器相结合，就有可能使利用交流电动机构成的交流伺服系统在性能上与高精度的直流伺服系统相匹配。特别是在一些大容量、高转速或特殊环境下应用的场合，交流调速系统已显示出无比的优越性，电气传动交流化的时代随之而来。根据异步电动机的转速公式： )1(60)1(0sPfsn式中 电机极对数 供电电源频率Pf电机转差率s因此，异步电动机有三种基本的调速方式，即改变极对数、改变转差率和改变供电电源频率。在改变转差率调速中又可分为转子串电阻调速、串级调速、调压调速和电磁转差离合器调速四种类型。（1） 变极调速变极调速是通过改变绕组极对数达到改变异步电动机同步转速的调速方法。由于电动机的极对数只能成倍变化，因此转速也只能近似成倍变化。变极调速主要用于鼠笼式异步电动机。变极电动机通常有转换单绕组接线改变其极对数- 7 -的电动机和在同一铁心上设置两个以上极对数的不同绕组的两种类型。这种调速优点：设备简单，操作方便，机械特性较硬，效率较高，既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速。缺点：属于有级调速，且调速的级数不多。因此仅适用于不需要平滑调速的场合。例如某些机床的调速，采用变极调速与变速箱机械调速配合，就可以较好地满足生产机械对调速的要求。（2）转子串电阻调速这是对绕线式异步电动机进行调速的一种方法，即在电机的转子回路中串入可变电阻来改变电动机机械特性的斜率，从而改变了一定负载下电机的转差率达到调速的目的。由于转子串入的电阻不能连续变化。因此电机的转速也只能阶跃变化，即有级调速。这种调速的优点：设备简单、易于实现，初投资不大。缺点：低速时的机械特性变软，其最低转速受生产机械允许静差率的限制，所以调速范围不大，一般只能达到 23。转子串电阻为分段调节，属有级调速，调速的平滑性差。只宜带负载调速。空载或轻载时调转子电阻所得到的转子速度变化不大。低速时转差率 s 大，转子铜损 Pcu2=sPm 大。效率低，经济性差。由于以上特点，这种方法多适用于起重机一类对调速性能要求不高的恒转矩负载，对通风机型负载也可以适用。（3）调压调速调压调速是通过改变电动机定子供电电压的大小来改变电动机在某一负载下转速的一种调速方式。在调速过程中，电动机的转差功率将损耗在转子的电阻上。调压调速的优点：调速平滑，采用闭环调速系统，其机械特性很硬，调速范围宽（可达到 10：1） 。缺点：由于是变转差率调速，因此低速时转差功率损耗大，效率低，这种调速主要适用于高转子电阻的电动机。（4）电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速的特点是异步电动机与负载之间用电磁转差离合器联接。电动机为普通鼠笼式异步电动机，本身并不调速，而与负载相连的输出轴的转速则可以通过改变电磁转差离合器的励磁电流来调节。电磁转差离合器调速的优点：控制简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，能平滑调速，采用闭环系统时可扩大调速范围。缺点：低速时损耗较大，效率较低等缺点。这种调速方法广泛用于纺纱、印染、造纸等机械上以具有通风机械负载特性的设备。（5）变频调速- 8 -变频调速是利用电动机同步转速随频率变化特性，通过改变电动机供电电源频率的方法来实调速。变频调速的优点：调速范围广（可达到 10：1） ，平滑性较高，调速时机械特性较硬，静差率小，变频时 U1按不同规律变化可以实现恒转矩或恒功率调速。因此可以构成具有高性能的交流调速系统。缺点：必须有一套变频电源。目前，变频电源的结构还比较复杂，价格较贵，容量不够大。低速时最大转矩MM 较小，使电动机的过载能力降低。（6）串级调速绕线式异步电动机转子串电阻调速是以能量损耗为代价来实现调速的，越是速度调得越低，损耗也就越大，效率也就越低，若能在转子回路中串入一个能量吸收装置，将这部分损耗的能量加以吸收并回馈电网，就可以大大提高系统的运行效率，这种转差功率回馈型的调速方法称为串级调速。具体来讲就是在电动机转子回路中串入一个附加电势，通过调节附加电势的大小来改变电动机一定负载下的转差率，从而达到调节电动机转速的目的。串级调速与串电阻调速相比其优点为：机械特性较硬，调速平滑性较好，损耗较小，便于向大容量发展。缺点：功率因数较低（因为有滤波电抗器及可控硅逆变器的存在） ，设备较复杂。成本较高，低速时转差率 s 较大，回收的转差功率 sPm 较大，变流装置的容量也应加大，不太经济，且低速时电动机的过载能力较低。因此，串级调速最适用调速范围不大（一般为 24）的场合。例如通风机械，提升机械等设备上。1.2 矿井提升机对电力传动系统的要求在现代化的工业生产中，生产机械都在不停地运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样对电力传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动控制，并且对电力传动装置的要求也越来越高。矿井提升机是矿山运输中的主要设备，是井下与地面联系的重要工具，矿井提升机又是矿山最大的固定设备之一，它的耗电量占矿山总耗电量的 30%40%，因此，为了降低矿石的成本，必须经济合理地选择与设计矿山提升机设备。矿井提升机对电力拖动系统的要求如下：（1） 为了使罐笼能作提升与下放运动，要求提升系统要采用可逆系统，即拖动电动机既可正转又可反转。- 9 -（2） 罐笼提升机是采用三阶段梯形速度图。根据安全规定：升降人员时加、减速度不大于 。/75.02sm（3） 提升矿石、设备或人员时提升机速度不同，因此要求电动机能有较好的调速性能。（4） 为了保证生产和人员的安全要求电气传动系统运行准确安全可靠。本系统采用单罐笼提升，用于副井作为提升矿石和人员用。根据上面所述的要求，提升机的拖动方式有两大类选择，即交流拖动（采用交流绕线式异步电动机）与直流拖动（采用直流他激电动机） ，由于直流拖动系统的设备投资大，安装、维修困难与设备占地多等缺点，因此在中小型矿井提升机设备中选用交流绕线式异步电动机作提升机的拖动电动机。为了使拖动系统具有较好的调速性能和节省电能采用可控硅串级调速；采用改变定子电源电压相序的方法来实现电动机的可逆运行。1.3 本课题研究的目的和内容为了使矿井提升机具有较好的调速性能和节省电能，提高电动机的运行效率和调速的经济性，减小矿石成本。满足矿井提升机对电力拖动系统的要求。我们采用转差功率回馈型的可控硅串级调速，将提升机电动机转子电流整流，再通过有源逆变器回馈电网，避开了复杂的变频问题，一定程度上简化了控制线路。起到减小电动机的转子电流，达到降低转速的目的。本次毕业设计的内容主要是研究三相交流绕线式异步电动机的可控硅串级调速系统主、辅电路的设计有关技术问题。它包括系统的组成与各部分工作原理，主回路电路的设计，触发电路的设计，电流反馈网络，绝对值单元，定子控制单元和速度反馈网络的设计以及对系统的动、静态特性进行简单分析和计算。- 10 -2.提升机调速系统方案的选择2.1 提升机调速系统调速方式的选择2.1.1 动力源为什么要选择绕线式异步电动机电动机分为交流电动机和直流电动机两大类。在选择矿井提升机的动力源上就有两种方案可以供我们选用：直流电动机和交流电动机。直流