矿井提升机直流电控系统初步设计毕业论文.docx

山东科技大学学士学位论文 摘要 摘要矿井直流提升机电控系统由直流电动机、卷筒、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操作系统等组成。与传统提升机电控系统相比，该系统具有单机容量大、体积小、重量轻、起动平滑性好、调速范围宽、精度高和安全可靠性高等优点。本文主要介绍该系统的硬件电路设计、保护电路的设计和系统的工作原理。根据课题的设计要求，本系统从主电路结构的选择和计算、控制方案的选择、保护电路的设计和系统的动静态特性的分析计算等方面出发，进行矿井直流提升机电控系统的设计。该系统能完成对矿井直流提升机的起动、加速运行、匀速运行、减速运行和回馈制动的控制，并且可以实现提升机的四象限运行。 关键词：提升机 电控系统 磁场可逆 逻辑无环流ABSTRACTThe mine DC hoist electric control system consists of the DC motor, drum, brake system, in-depth instruction systems, gun systems and operating systems and so on. With the traditional mechanical and electrical control system upgrade; this system has a single large capacity, small size, light weight, a good smooth start-up feature, high precision and high security and reliability. This paper describes hardware circuit design, protection circuit design and the working principle of the system.In accordance with the design requirements of the subject, the design of the mine DC hoist electric control system is from the choice and calculation of the main circuit of the system, the choice of the control program, the design of the protection system and system analysis and calculation of static and dynamic characteristics. The system is able to complete the start, the running of speed up, uniform running, deceleration running and feedback control, furthermore it can run in the four quadrants.Key words：Hoist The electric control system Reversible magnetic field The logic of non-circulation 山东科技大学学士学位论文 目录 目录1绪论11.1矿井提升机国内外发展状况12系统的设计要求42.1满足四象限运行42.2平滑调节速度且有精度较高的调节精度42.3准确可靠的速度给定装置52.4行程显示与行程控制器52.5完善的故障监视装置62.6可靠的可调闸控制系统63.方案的选择与比较73.1.提升机拖动方式的选择73.2电动机调速方法的比较73.3 可控直流电源比较93.4 电枢可逆与磁场可逆的比较93.5逻辑有环流和无环流的比较103.6矿井提升机供电主电路组合方式123.7单闭环与双闭环的比较144.主回路及保护装置的选择、计算154.1 电枢回路的选择计算154.2 励磁回路的选择与计算204.3 电枢回路保护装置选择、计算214.4励磁回路保护装置选择、计算255单元电路设计275.1系统的总体框图275.2系统的电路原理图285.3电动机电枢回路285.4电动机励磁回路366控制系统动态参数计算446.1调节器结构的选择456.2电流环参数的计算456.3速度环参数计算486.4励磁回路动态设计517设计专题547.1数字调节器的组成547.2数字调节器的优点567.3数字PI调节器568系统的运行分析598.1正向起动598.2等速运行618.3正力减速618.4负力减速62参考文献64致谢65附录661绪论1.1矿井提升机国内外发展状况1) 晶闸管-电动机(SCR-D)直流低速直联拖动系统部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管-电动机(以下简称SCR-D)系统所取代。如德国、瑞典等国家已有90%以上采用直流提升机，传动系统大都采用低速直联式(省去减速机)，使系统大为简化。如AEG公司采用低速直联的SCR-D系统，电机功率3000kw，额定转速55.8r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，提升高度1200米，具有完善的保护系统;采用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置；采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号;主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流，大大提高了功率因数。SIEMENS(西门子)公司、ABB公司、CEGELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品，其性能大同小异。此类系统的优点在于：体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠。其缺点在于：功率因数低，如三相桥平均功率因数只有0.45左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内。2) 交流变频调速同步机驱动提升系统SCR-D直流拖动系统趋于成熟，且采用了顺控技术等措施来提高功率因数，但其功率因数仍然较低，从而从电网吸收大量的无功功率，且对电网品质因数产生严重的影响，提升容量越大，问题越突出。再则，直流电机制造成本高，电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加，且整流4子，碳刷易磨损，加大了维护工作量，故障率高。因此换相整流子是个薄弱环节。由于存在上述两个问题，迫使人们又重新考虑交流拖动方式。自80年代初以来，交流变频供电的同步机拖动异军突起，在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。如SIEMENS公司1979年投运的2X4200kW、1x2650kw，额定转速55.5r/min；CEGELEC公司1983年投运的1X5480kw，额定转速69.5r/min；AEG公司1985年投运的1x3000kW，额定转速55.8r/min，ABB公司投运的lx4200kw额定转速45.86r/min；SEIMAG公司投运的2x460OkW等变频调速同步机拖动的提升机，经过多年的运行，均获得成功。这种拖动系统主要有如下优点：提升容量几乎不受限制，最大可达10000kW，提升速度可达20m/s以上，提升高度1200米以上，滚筒直径达6.5m，这是直流系统难以达到的；没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗；功率因数高，可达0.9-1，极大地节省了电能；动态品质好(和直流系统相同)，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；由于机械特性好，故起动转矩大。同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；调速范围宽。因此，多数专家认为，变频同步机拖动调速系统是大型提升机拖动的必然发展方向。这种拖动系统的缺点是：必须有专用的变频电源；在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；高次谐波对电网有影响，需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解。5 1.2 本课题的目的和意义近年来，随着我国经济的快速发展和对矿山资源需求的高速增长，对矿山生产技术提出了越来越高的要求。矿井提升机作为矿山进行生产活动的关键设备之一，其电控调速技术的发展对促进矿井生产效率的提高和安全作业，无疑具有极其重大的影响。历经几十年发展，我国的矿井提升机电控技术取得了不少的进步，但与美国、 德国等世界发达国家相比，依然存在着很大的差距。目前，发达国家的矿井提升机电控技术已全面实现了全数字控制，而国内绝大多数中小煤矿的矿井提升机电控系统还是交流串电阻调速的继电器接触器控制系统，效率低下，安全隐患多，严重制约着我国矿山产业的健康发展，急需大规模的技术改造和更新。矿井提升机直流拖动相对于交流拖动，提升能力强，并且调速容易。例如，一台交流提升机功率最大为1000kw，当要求提升功率为2000kw一下时可以采用双交流电机拖动方式，若要求提升功率大于2000kw时则需要采用直流提升机拖动。矿井直流提升机电控系统可以完成对直流提升机的起动、加速运行、匀速运行、减速运行和回馈制动的控制，并且可以实现平滑运行，调速精度高和提升机的四象限运行。矿井直流提升机电控系统的优点在于:体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠。矿井直流提升机电控系统还可为以后的计算机控制的系统的设计和建设打下了基础，和实现矿井提升机的全数字控制。本设计采用磁场换向的晶闸管-直流电动机(SCR-D)系统作为矿井直流提升机的控制系统，可有效的改善矿井提升机的起动、调速和制动的性能,实现矿井提升机的最佳控制。山东科技大学学士学位论文 系统的设计要求2 系统的设计要求矿井提升机（又称绞车、卷扬机）是矿井生产的关键设备。提升机电控系统技术性能如何，将直接影响矿井生产的效率及安全。欲掌握提升机电控系统的原理，首先要了解提升机对电控系统的要求，以及各种电气传动方案的特点。矿井提升机为往复运动的生产机械，有正向和反向提升，又有正向和反向下放。对于不同水平的提升，在每次提升循环中，容器的上升或下降的运动距离可能是相同的，也可能是不同的。在每一提升周期都要经过从起动、加速、等速、减速、爬行到停车的运动过程，因此提升机对电控系统一般有下述一些要求。2.1 满足四象限运行设提升机正向提升时，拖动电动机工作在第一象限。而在减速下放时，如果是正力减速，拖动电动机也工作在第一象限，但如果为负力减速，则拖动电动机就工作在第二象限。同样当提升机反向提升时，拖动电动机工作在第三象限。而在减速下放时，如果是正力减速，拖动电动机也工作在第三象限，但如果为负力减速，则拖动电动机就工作在第四象限。因此，提升机的运行必须能满足四象限运行的要求。2.2平滑调节速度且有精度较高的调节精度提升工艺要求电控系统须能满足运送物料(达到额定速度)、运送人员(可能要求低于额定速度)、运送炸药(2ms)、检查运行(0.31.0ms)和低速爬行(0.10.5ms)等各种要求，所以要求提升机电控系统必须能平滑连续调节运行速度。对于调速精度，为了在不同负载下的减速段的距离误差尽可能地小，要求提升机的静差率越小越好(一般在高速下)。这样可以使爬行段距离尽可能设计得小，来减少低速爬行段的时间，从而缩短提升周期，获得较大的提升能力。2.3准确可靠的速度给定装置提升工艺要求电控系统的加减速度平稳。根据安全规程，对矿井提升机的加、减速度都有一定的限制。对竖井来说，提物时加减速度小于1.2m/s2；提人时加减速度小于0.7m/s2；对斜井，提人时加减速度小于0.5m/s2。限制加速度的目的其一是为了减少人对加减速度的不适反应程度，其二是降低提升机加速时的电流冲击，提高提升设备的使用寿命。实际上矿井提升机系统是一个位置控制系统，提升容器在井筒中的什么位置该加速、等速、减速、爬行都有一定的要求。也就是说，必须根据提升容器在井筒中的位置确定给定的速度，这就是按行程原则产生速度给定信号。2.4行程显示与行程控制器为了便于提升机司机操作与控制，电控系统应设置可靠的提升容器在井筒中的位置显示装置(俗称深度指示器)。老的深度显示常采用牌坊指针式或圆盘指针式深度显示装置；新的深度显示则采用数字显示。因此，要求提升机电控系统应设置有可靠的位置检测环节，能准确地检测出提升容器在井筒中与减速点开始、爬行、停车及过卷相对应的位置，以便控制提升机能可靠地减速、爬行、停车。为了可靠起见，通常一个位置要设置多只行程开关，以实现冗余控制。2.5完善的故障监视装置提升机对其电控系统的可靠性要求很高。这是因为提升机一旦出现故障，轻则影响生产，重则危及人员生命。电控装置的高可靠性表现在两个方面：一是电控系统质量好，故障少；二是出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容进行记忆和显示，以便能迅速排除故障。2.6可靠的可调闸控制系统可调闸是一套电气控制的液压调节机械闸系统，是提升安全运行的最后一道保护措施，因此要求闸系统的控制必须安全可靠。可调闸系统的控制通常分为工作制动（常称工作闸，由司机的制动手柄控制）和安全制动（常称为安全闸，由安全回路的继电器或PLC等逻辑控制）。工作制动是在手动操作或在自动操作方式下作为正常停车或定车手段。而安全制动是在系统出现故障时，使运行状态下的提升机快速减速停车、静止状态下不能松闸。安全制动又分为一级制动和二级制动。当提升容器在井筒中而离停车点较远时，若系统出现故障需要紧急制动时应采用二级制动。所谓二级制动，就是制动转矩不是一次全部加到闸盘上，而是分两次，使紧急制动时的减速度比较小，减速度较缓，对机械设备的损伤小，容器在紧急制动后要滑行一段距离才停下来。当提升容器在井筒中离停车点较近时，紧急制动时应采用一级制动。一级制动时制动转矩大、在紧急制动时滑行距离短。目前在先进的提升机上都装备有制动力可调的安全制动装置。9山东科技大学学士学位论文 方案的选择与比较 3方案的选择与比较3.1.提升机拖动方式的选择出于交流开关设备容量的限制，双机拖动整机功率只能达到2000kW，当提升机主电动机功率大于2000kW时，均采用直流拖动方案。直流拖动系统一般采用直流他励电动机作为主拖动电机，它具有调速性能好，低速阶段能够稳定运行，在加速、减速和低速运行时的电耗小，容易实现自动化控制等优点。根据供电方式不同，直流拖动系统又可分为两类，一类是发电机组供电的系统（简称G-M系统），一类是晶闸管供电的系统（简称V-M系统）。G-M系统的特点是过载能力强，所需设备均为常规定型产品，供货容易，运行可靠，技术要求不高但是维护工作量大，对系统以外的电网不会造成有害的影响，即不会引起电力公害等等。与G-M系统相比，V-M系统具有以下优点：功率放大倍数大,快速响应性好,功耗小、效率高,调速范围大,运行可靠,设备费用低。G-M系统设备复杂、庞大，需要大量的钢铁和有色金属进行制造，而V-M系统设备重量轻，辅助设备少、占地面积小。在相同条件下，V-M系统在设备投资方面，比G-M系统节省20%以上。由于直流拖动系统具有调速性能好的优点，是交流系统无法相比的，而V-M系统又具有以上突出的优点。所以，本设计采用直流拖动方式。3.2电动机调速方法的比较直流电动机的调速指标有：(1)调速范围；(2)静差率；(3)平滑性；(4)调速时允许的输出。电动机转速与供电电压的关系：n=(Ua-IaRa)/Ce。 (3-1)n：电动机转速(r/min) Ua：电枢端电压(V)Ia：电枢电流(A) Ra：电枢回路总电阻()Ce：电动势常数 ： 励磁磁通 由(3-1)式可以看出，有三种方法调节电动机的转速： (1)调节电枢供电电压Ua (2)调节励磁磁通 (3)改变电枢回路电阻Ra电枢串电阻调速：在电枢回路串上电阻后，在电枢电阻上流过电流产生压降，电枢端电压降低。电枢端电压的数值受负载影响很大，在空载时几乎几乎没有调速作用(电枢回路电流小，电阻压降可以忽略)。调节励磁磁通：弱磁调速范围对于普通电机最多为D=2，对于特殊设计的额定转速较低的调磁电动机D=34。主要原因是弱磁调速在额定转速以上调速，电动机nmax不可能太高，它受电动机的机械强度和换向的限制。另外，为了保证在nmax时有一定的转矩输出。在低速时，较大，为了使电动机磁路不饱和，电动机的体积及耗费的材料又必须大为增多，显得很不经济。6调节电枢电压：改变Ua，可得一组平行的特性曲线。如图4.1所示。图4.1电机的特性曲线n0与U0成正比，并具有相同的斜率，再采用反馈控制，特性的硬度可再提高，从而获得调速范围广，平滑性高的性能优良的调速系统。采用晶闸管组变流器可以节省成本，有较高的调节速度。3.3 可控直流电源比较调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控的直流电源有以下三种：(1) 旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。(2) 静止可控整流器。用静止的可控整流器获得可调的直流电压。(3) 直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。由于受器件的容量的限制，直流PWM调速系统目前只用于小功率的系统中。本设计采用晶闸管整流器作为可控直流电源。63.4 电枢可逆与磁场可逆的比较V-M直流电力电力拖动系统，为获得可逆运转特性以实现四象限调速，通常有两种电气控制方案可以选择。(1)电枢可逆自动调速系统，用改变电动机供电电压极性的方法来改变电动机的转向；(2)磁场可逆自动调速系统，用该变电动机励磁电流方向的方法来改变电动机的转向。 电枢可逆的特点是改变电枢电流的方向，他需要两套容量较大的SCR整流装置，投资往往较大，尤其是大容量的可逆系统。但是由于电枢回路电感小，时间常数小，正反向切换的快速性好，因此特备适用于频繁起制动，要求过渡过程时间短的中、小容量生产机械上，例如龙门刨床刨台的拖动等。磁场可逆线路的特点是改变磁场电流方向。电枢回路只有一套整流装置，励磁回路用两条整流装置。由于电动机的励磁功率较小(一般为1%5%额定功率)其设备容量比电枢可逆方案小的多，投资费用低，比较经济。但是由于电动机励磁回路电感量大，时间常数大(约零点几秒至几秒，甚至几十秒)，因此这种系统反向过程较慢，在磁场采用强励之后(强迫励磁电压短时加至45倍)，快速性可以得到一定程度的补偿，但其切换时间仍达到几百毫秒以上。此外，磁场可逆线路的控制回路比较复杂，必须在换向过程中励磁磁通等于或接近零时，电枢的供电电压Ud为零，以防止电动机在反转过程中发生“飞车”现象。所以这种方案只适合要求快速正、反转的大容量可逆系统中，例如矿井提升机，电力机车等。本系统的设计采用磁场换向的方案。3.5逻辑有环流和无环流的比较本设计采用磁场换向的控制方式，电机的主磁场由两组反并联的两套整流桥供电。两组晶闸管可控整流电路如图4.4所示。根据对环流的处理方法的不同，可逆调速系统可以分为： 无环流可逆方案 （1）逻辑控制无环流系统 （2）错位控制无环流系统 有环流可逆方案 （1）=配合控制的有环流可逆调速系统 （2）可控环流的可逆调速系统采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载的而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，即为环流。一般情况下，环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。图4.4=配合控制的有环流可逆调速系统 =配合控制的情况下，两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，由于整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现两组晶闸管瞬时电压不相等，从而仍能产生瞬时的脉动环流，这个瞬时脉动环流是自热存在的，因此=配合控制有环流可逆系统又称自然环流系统。直流平均环流可以用配合控制，而抑制瞬时脉动环流的方法是在环流回路中串入电抗器(如上图所示)。为了充分利用有环流可逆系统制动和反向过程的平滑性和连续性，最好能有波形连续的环流。当主回路电流可能断续时，采用的控制方式，遏制环流至零。这样根据要求，通过改变给定电压Uc来控制环流的大小，即为可控环流的可逆调速系统。通过以上分析可知，有环流可逆调速系统具有反向快、过渡平滑等优点，但是需要设置几个环流电抗器，这显然是个累赘。因此，当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不是很高时，特别是对大容量的系统，常采用无环流控制可逆系统。故本系统采用无环流系统。由于没有环流的存在，不需要环流电抗器，没有附加的环流损耗，可节省变压器和SCR整流装置的附加设备容量，因换流失败而导致的事故率会大为降低。但是这种系统也存在缺点：延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性。矿井提升机对换向的快速性要求不高，采用逻辑无环流可以满足要求。2逻辑控制无环流可逆系统：当一组晶闸管正在工作时，封锁另一组晶闸管，但当负载的电流极性发生变化时，通过控制电路封锁工作的晶闸管，开放另一组晶闸管。总之要确保两组晶闸管不能同时工作。实现无环流的另一种方法是采用配合控制的原理，当一组晶闸管工作时，让另一组晶闸管处于待逆变状态，但是两组触发脉冲的零位错开的比较远，彻底防止了环流的产生。本系统采用逻辑控制无环流。3.6矿井提升机供电主电路组合方式 矿井提升机供电变流器经常采用由多个基本的三相全控桥按不同方式组合连接而成，常用的方式有电流可逆双变流器；顺序串联升压变流器；十二脉波变流器等。采用组合连接是因为要获得负载上直流电流的可逆性或获得电源与负载之间电能传输的可逆性，从而实现四象限运行；考虑到提升机功率可以大到一定的数量级(MW级或更大)，因而要求变流电路能满足高电压、大电流的要求；为尽可能地降低提升机起动及低速起动时的无功功率冲击，以及减少高次谐波对电网的污染，从而改善交流设备的动力指标。如图4.7所示，两组变流器按升压方式串联，其控制方式可采用顺序控制。图4.7顺序串联升压变流器先使II组保持IImax不变，单独控制I组使它由Imin向Imin变化，然后再保持Imin不变，单独控制II组使之自IImin向IImin变化，最终两组都运行在min状态，此时I组和II组均工作在最大整流状态，输出电动势最大。采用顺序控制后比用同样输出电压的一组单变流器在深控时大大地减少了无功功率的消耗，因而提高了功率因数。矿井提升机在加速阶段，将产生很大的无功冲击，对电网十分不利，对电网的其它设备的正常运行有较大影响。而当采用顺序串联控制后，这种情况得到改善。同时，该整流器直流输出电压的脉波数在612之间，因此，对改善网侧电流波形畸变有一定好处。采用串、并联变流器的组合连接较之单组变流器不仅具有脉波数提高一倍的优点，而且扩大变流器功率范围，以适应大功率提升机的高电压，大电流的要求优点。尤其是当某一组变流器故障时，可以利用剩下的一组供电，使得提升机在降低一半功率的条件下继续维持运行。通常在高电压的大型提升机电动机供电系统中采用串联型。当一组变流器故障时，可将其短路，而利用另一组使提升机速度降低50% (保持原有)负载，维持运行。而在电流很大的大型提升机供电系统中采用并联型。当一组变流器故障时，可将其切除，而利用另一组使提升机负载降低50%(保持原有速度)维持运行，而在更大功率的大型提升机供电系统中，则可同时采用串并联，再配以变流变压器适当接线组别，可获得24脉波变流效果。对于一般的提升机优先考虑串联型比较合适。综上所述，根据设计要求提高功率因数，减少脉动的目的，本设计采用顺序控制串联升压变流器。3.7单闭环与双闭环的比较采用PI调节的单闭环直流调速系统，可以在保证系统稳定的前提下实现转速的无静差。但是如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等。这是单闭环系统无法满足的。主要是因为在单闭环系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。根据矿井直流提升机的设计要求，本设计采用转速、电流双闭环调速系统。在系统中了设置转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)。电流调节器在内环，速度调节器在外环。下面介绍ASR和ACR的作用。1 1.转速调节器(ASR) (1)使n跟随给定电压Un*变化，稳态无静差； (2)对负载变化起抗绕作用； (3)其输出限幅值决定允许的最大电流； 2.电流调节器(ACR) (1)对电网电压波动起及时抗绕作用； (2)起动时保证获得允许的最大电流； (3)在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui*变化。54山东科技大学学士学位论文 主回路及保护装置的选择计算 4主回路及保护装置的选择、计算4.1 电枢回路的选择计算4.1.1整流变压器额定参数计算一般情况下，SCR装置要求的供电电压与电网电压不相符，另外为了尽可能减少用电设备和电网之间的相互的干扰，利用整流变压器进行变压和电磁隔离，所以通常配有整流变压器。整流变压器一次侧电压U1是电网电压，它属于已知。根据整流电路的类型和系统要求的整流电压Ud和整流电流Id，可以算出整流变压器的额定参数：二次相电压U2，二次相电流I2，一次相电流I1，二次容量S2，一次容量S1，和平均计算容量S0。 1） 二次相电压U2 （4-1）式中：Ud直流电动机额定电压； ra直流电动机电枢绕组电阻标幺值； rb直流电动机电枢回路其它电阻标幺值； Idn直流电动机额定电流； Ra直流电动机电枢绕组电阻； Rp直流电动机电枢回路其它电阻，包括平波电抗器电阻，变流变压器绕组电阻等； Idmax电枢回路最大电流； n桥臂同时导通的串联元件个数； UT可控硅元件在额定运行条件下的通态电压降； A变流器接线系数，对于三相全控桥，A=2.34； 电网电压波动系数，一般取=0.9； min变流器最小控制角，对于可逆电路min=25- 30； c整流器倾斜系数，对于三相全控桥，c=0.5； Uk%变压器短路阻抗百分值，对于100-1000KVA的变压器， UK%=5-10； ITmax/ITN变压器最大工作电流与额定电流之比；Imax/Id=2.25 是负载的过载倍数A=Ud0/U2=4.68 B=cos25=0.9603C=0.5 =0.9 2）变压器二次、一次电流有效值与负载电流Id关系式：式中：KI1、KI2电流系数，三相全控桥中KI1=KI2=0.816； K变流变压器的变比，K=W1/W2；为了精确，考虑变压器的激磁电流时，应在公式的右方乘以1.05左右的系数，才是一次电流有效值。3）二次容量S2、一次容量S1、平均计算容量S变压器的容量是指相数、相电压有效值和相电流有效值的乘积 根据以上计算选择整流变压器：ZS-2500KVA相电压 6000/330V；相电流 139/2525AUd%=8.5%,/Y-11 4.1.2电抗参数计算1）电动机漏电感La按下式计算 （4-2） UdN电动机额定电压 IdN电动机额定电流 P电动机极对数 Ka计算系数，对于一般无补偿电机Ka=8-12 2）限制输出电流脉动所需的电感量Lm为 （4-3）Si电流脉动系数，为输出脉动电流中最低频率的交流分量幅值IAm 与输出电流平均值Id之比，通常三相电路Si5%-10%； Km与变流电路有关的系数，双桥顺控供电min=30Km=0.3；所以： 3）整流变压器电感，按下式得 (4-4) LD变压器每相电感，mH Uk变压器短路电压百分比，8.5% U2变压器次级相电压，330V Ide额定电流，2675A Kb系数，3.9所以 对于三相桥式电路，在计算时应考虑到可能有两相同时导通，所以电感量 Lb=2Lb=0.08mH 4）使输出电流连续的临界电感量 （4-5） KL与整流主回路形式有关的系数，0.693 Idmin要求连续的最小电流平均值，5%Id所以 因此与负载串联的限制电流脉动的实际电感量Lmax=Lm-(LD+2Lb)=2.6-(1.65+2*0.08)=0.79mH实际临界电感量: LLa=LL-(LD+2Lb)=1.71-(1.65+2*0.08)=-0.1mHLLa和Lma合并后，统称为平波电抗器La.所以选择额定电流2675A，电感量La=1mH的平波电抗器。4.1.3整流器件选择选择SCR元件型号：T600N/800,其极限平均正向电流600A，额定反向峰值电压Upk=1800V。 1）串联元件数目ns确定 （4-6）URmSCR元件所承受的反向电压最大峰值URm=U2 K1电网电压升高系数，一般取1.05-1.1K5各串联元件内电压分配不均匀系数取1.1Ks电压储备系数，取23 取ns=1 2）并联元件np的确定为了使各元件开通一致。除了选用正反向特性和开通时间一致的元件外，还应采用前沿陡度和幅度大的脉冲，例如采用强触发电路。 （4-7） Idm最大直流整流电流3480A If每个SCR元件的额定电流600A Ki电路系数，0.367 K2风速系数，1 K3环境温度系数，1 K4高度系数，1 K7均流系数，0.92 Kp电流储备系数，取1.5-2所以 为了使并联器件的电流均匀分配，除选用特性一致的器件进行并联外，可选用均流措施。空芯电抗器均流是目前普遍采用的均流方法。它的优点是接线简单，还有限制di/dt和du/dt的作用。所以空芯电抗器： （4-8）Ur每臂SCR元件开闭的最大电压，Up=1.1U2U2整流变压器次级相电压di/dtSCR元件导通时电流变化率限制值，一般取10A/us 3）基本负载电阻计算基本负载电阻的作用是续流，选取电阻的原则是保证导通SCR整流桥能获得维持电流而不至于关断。T600N/800 SCR维持电流IH=600mA，每个桥臂有四个SCR并联，因此每个桥臂的电流为40.6=2.4A，取3A基本电阻4.2 励磁回路的选择与计算本设计采用磁场可逆的逻辑无环流调速系统，励磁回路采用两组三相桥式全控整流电路反并联接线方式。4.2.1励磁回路整流变压器选择、计算根据已知：励磁功率40kW，励磁电压110V，强励电压550V，励磁电流If为380A所以励磁回路整流变压器二次侧相电压有效值：V变压器次级电流：I2=0.816Id=0.816380=310.08A变压器容量：Sb=S1=S2=3U2I2=3282310.08=262.367KW选择整流变压器：Sbe=300KVA，变压比380/282,电流变比219/300A 接线方式 /Y-114.2.2整流器件选择 1）整流器的额定电压UTNSCR承受的最大峰值电压Um=U2=282=690.7VUTN=(23)Um=(13812072)V 2）整流器件的额定(通态)电流IT2 经过晶闸管的正弦半波电流有效值I和额定电流(通态平均电流)ITa的关系为：I=1.57ITa。为使晶闸管不至因过热而损坏，根据晶闸管实际通过电流的有效值，并考虑留有(1.52)倍的安全裕量晶闸管电流定额。ITa=(1.52)=2 （4-9）根据UTN和ITa选择的晶闸管型号为KP300-18E即额定电压为1800V，额定电流为300A4.3 电枢回路保护装置选择、计算晶闸管有很显著地优点，但是它的承受过电压和过电流的能力差的缺点是不容轻视的。即使短时间的过流或者过压都有可能将器件损坏。为了让器件能够安全的运行和提高系统可靠性，必须针对过电压和过电流对晶闸管器件采取保护措施。同时还要正确选择保护元件的参数。24.3.1过电压保护凡是超过可控硅工作时承受的最大峰值电压Um的电压成为过电压。按产生原因可分为操作过电压和浪涌过电压。操作过电压是由电路接通、断开以及可控硅周期性换向开关等电磁过程引起的，这是经常发生和不可避免的。浪涌过电压是由雷击等原因从电网侵入的偶然性过电压，一般比操作过电压要高。从过电压保护的部位来说，有交流侧过电压保护、直流侧过电压保护以及器件过电压保护。采取过电压保护措施后，应使经常发生地操作过电压限制在器件额定电压之下，而使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压之下。 1) 交流侧过电压保护对于雷击过电压，一般在变压器高压侧加装避雷器或火花间隙来限制过电压，如图所示采用避雷器T1。 （1）阻容保护保护电容和电阻的计算公式为 （4-10）式中：S变压器每相平均计算容量，VA U2变压器二次侧相电压有效值，V i0%变压器激磁电流百分数 Uk变压器的短路比 C保护电容，uF R保护电阻，保护电容和电阻的计算： ，取1.5uF （4-11）电容的耐压值 取1 （4-12） 取Rc100K电阻的功率取20W （4-13）由于正常工作情况下R中电流很小，所以R的功率不必专门考虑。 （2）非线性电阻保护为了吸收更大能量的浪涌电压，在采用阻容保护的同时可以设置非线性电阻保护。常用的有硒堆保护与压敏电阻保护，他们有接近于稳压管的伏安特性，能把浪涌电压抑制在可控硅装置允许的范围以内。两个反向硒堆可以用来抑制浪涌过电压。 （3）换向过电压保护可控硅元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压的作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，恢复电流很快被截止，此时流过电电感L会感应出高电压，即所谓的换向高电压，为保护元件免受换向过电压的危害，在元件两端并联RC保护。R、C的选择与前面的相同。 （4）整流变压器静电迁移电压的吸收装置当晶闸管整流装置的整流变压器合闸时，如果一次侧三相电源不同时接通而是一相先接通，则该相的电位在次级就要产生静电感应，产生静电迁移电压，如果变压器初级与次级绕组对地之间的电容愈大则迁移电压也愈大。变比越大的变压器，静电迁移电压越大。因此，在变压器次级绕组与大地之间加接适当的电容以增大次级绕组与大地之间的静电电容达到抑制次级绕组电位上升。如图所示。图5.5整流式阻容保护电路电容器C电容取1uF，额定电压1500V，选用纸介质金属膜电容器 2）直流侧过电压保护 参数计算： （4-14） 式中： I02这算到整流变压器次级的空载相电流；U2x整流变压器次级线电压；Kcd、Krd系数，分别为，所以Cd=5%2525/(50330)546uF （4-15）4.3.2过电流保护 1）交流侧串接电抗器限流保护 交流侧串联电抗器或选用漏抗较大的变压器可以限制短路电流，这是保护可控硅的有效措施，但它存在的缺点是负载时会产生较大的压降。如图中A所示。 图5.7晶闸管装置的过电流保护措施 A.进线电抗器限流 B.电流检测和过电流继电器 C.交流侧快容 D.元件串联快容 E.直流侧快容 F.过流继电器 G.直流快速开关 2）交流侧电流检测与过流保护交流侧经电流互感器及电流检测装置取出过电流信号去控制触发器，使触发脉冲快速后移或瞬时停止发脉冲，使晶闸管关断，抑制了过电流。过电流信号作用于过电流继电器，使之动作让自动开关跳闸也能起到保护作用。由于自动开关动作时间在0.10.2s，故靠它只能保护较小的过载电流。如图中B、D、H所示。3）快速熔断器保护 交流侧与直流侧设置快容均不能对器件直接进行保护，只有器件直接串联快容对器件的保护作用最好，也是最常用的一种。熔体的额定电流IkR按如下要求选择： 1.57IT IT为晶闸管实际工作电流有效值，1.57IT=1.57600=942A选择RSL系列快容的额定电流选600A4.4励磁回路保护装置选择、计算励磁回路保护装置的选择和计算与电枢回路保护装置的选择和计算基本相同。4.4.1过电压保护 1) 交流侧过电压 (2)对于雷电产生的过电压，在整流变压器380V侧装设一台避雷器； (3) 整流变压器静电迁移电压的吸收装置；每相对地装设1uF的电容。 ，电容取0.5F （4-16） ，电阻取4 （4-17）与电容并联的Rc为： 取Rc为10k （4）非线性电阻保护 采用金属氧化物压敏电阻，选择Uma为850V 2）直流侧过电压采用阻容吸收装置 （4-18）Cd取为10uF。 Rd取1.5（4-19）3）换向过电压采用在SCR两端并联阻容，电容C=0.5uF，R=104.4.2过电流保护在SCR两端串联的快速熔断器。快速熔断器选择应满足一下要求：1）快容的额定电压应大于线路正常工作的电压有效值2）快容的额定电流应大于线路正常工作的电流有效值3）快容的时间应满足SCR保护的要求，尽量越短越好。熔断器的额定电流IKR： 取IKR=300A 山东科技大学学士学位论文 单元电路设计 5单元电路设计5.1系统的总体框图 图5.1系统总体框图5.2系统的电路原理图图5.2系统电路原理图SGI：速度给定积分器；ASR：速度调节器；DXT：电流变化率限制器；WAB：绝对值变换器；ACR：电流调节器；DX：倒相器；LK：顺序控制器；CF：触发器；APR：励磁电流给定装置；AFR：励磁电流调节器；BS：变送器；LBS：电流变送器；SA：触发开关；CS：测速发电机。5.3电动机电枢回路 提升电动机电枢回路及其控制部分，由电枢主回路、变流装置、速度调节及提升速度给定等部分。15.3.1电枢主回路 提升电动机电枢回路及晶闸管变流器如图5.3所示。图5.3电枢回路电路图变流器采用两组全控桥UC1和UC2串联后，向电动机电枢绕组供电。晶闸管组采用串联升压的方式，可以提高直流供电的电压等级和减小输出电压的波动程度。改善电动机的运行特性和电网的功率因数。高压6kv交流电源经隔离开关QS，油开关QF向两台变压器供电，以满足大容量电动机功率的需求(本系统所控制的电动机功率约为2100kw)，平波电抗器L1用于直流电动机的直流滤波，并保证电流连续所需要的电感值。6kv高压侧的避雷器F1用于变流装置的雷击过电压保护；两组全控桥所接的电流互感器1TA和2TA，用于向交流检测装置提供电流检测信号，以进行电流闭环控制。变流装置直流侧所装设的两台直流快速开关Qks1，Qks2用于装置的过流保护和过电压保护，当电路发生过流或者过电压时，通过继电器控制电路使直流