（检测技术与自动化装置专业论文）一种新型电机功率试验及监控系统的研究.pdf

中文摘要 论文题目 专业 硕士生 指导教师 一种新型电机功率试验及监控系统的研究 检测技术与自动化装置 王昆( 签名) 李宏( 签名) 摘要 本论文针对国内现广泛应用的电机出厂试验系统之不足，借助于能量回馈利用的观 点，研制了一种新型的电机功率试验及监控系统，从而达到使电机试验系统功率损失最 小，运行成本最低，试验费用最经济的效果。 目前国内的电机功率试验中，对于转速小于1 5 0 0r p m 的电机，一般采用直流反馈的 形式将电能反馈回直流侧；对于转速大于1 5 0 0r p m 的电机，由于没有与之相匹配的直流 发电机作负载，因此普遍采取的方式是通过减速装置减速后，再以直流发电机作为负载， 将电能反馈回直流侧。这使得系统功率损失较大，能量的利用率不高。本论文中选用交 流异步发电机作为负载，发出的三相交流电经整流后反馈回直流侧，从而以交流反馈形 式将能量反馈回直流侧，这种交流反馈的能量回馈方式属目前国内首创应用。此外，交 流异步发电机采用电容励磁( 自励建压) 的设计方案，属目前国内首次应用。 文中详细介绍了该电机功率试验及监控系统所包含的各电路环节的理论基础及设计 过程，并给出了调试结果、实时曲线和实验输出的电压及电流波形。现场实用效果证明， 所研制的试验系统设计合理、性能稳定，交流与直流反馈系统的配合使用，不但可满足 直流电机的功率试验，还可适用于8 极至2 极交流电机的性能试验，取得了十分理想的 效果。 关键词：电机功率试验监控系统p l cw i n c c 保护电路 论文类型：开发研究 s u b j e c t ：an e wk i n do fe l e c t r i c a lm a c h i n e r yp o w e r t e s ta n ds u p e r v i s o r ys y s t e m s r e s e a r c h s p e c i a l t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： d e t e c t i n gt e c h n i q u e a n da u t o m a t i ce q u i p m e n t a b s t r a c t t h i sp a p e r ，i na l l u s i o nt ot h es h o r t so ft h em o t o ro u t - f a c t o r yt e s ts y s t e mw h i c hw i d e l y u s e di nd o m e s t i cn o w ，r e l y i n go nt h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g yf e e d b a c ku s i n g ，r e s e a r c h e san e w t y p eo fe l e c t r i cp o w e r t e s ta n dm o n i t o r i n gs y s t e m i tc a l lm i n i m i z et h ep o w e rl o s so f e l e c t r i c t e s ts y s t e m ，r e d u c et h eo p e r a t i n gc o s t sa n dm a k et h ee x p e r i m e n tc o s te c o n o m i c a l a tp r e s e n t ，i nd o m e s t i ce l e c t r i cp o w e rt e s t ，w eu s u a l l ya d o p tt h ef o r mo fd c f e e d b a c kt o f e e d b a c kt h ee n e r g yt ot h ed cs i d e ，w h e nt h em o t o rs p e e di sl e s st h a n15 0 0r e v o l u t i o n sp e r m i n u ：t e b u tw h e nt h es p e e di sm o r et h a n15 0 0r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e ，b e c a u s et h e r e i sn od c g e n e r a t o ra c t i n ga st h el o a dt om a t c hi t ，w eu s u a l l ys l o wd o w nt h es p e e db yd e c e l e r a t i o n d e v i c e s t h e nu s et h ed cg e n e r a t o ra sal o a dt of e e d b a c kt h ee n e r g yt ot h ed c s i d e i tm a k e s t h es v s t e r n ，sp o w e rl o s sq u i t eg r e a t ，a n dt h ee n e r g yu t i l i z a t i o nr a t ei s n o th i g h t h i sp a p e r c h o o s e st h ea ca s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra sal o a d ，r e c t i f i e rt h et h r e e - p h a s ea c a n df e e d b a c ki t t ot h ed cs i d e ，t h e na d o p tt h ef o r mo fa cf e e d b a c kt of e e d b a c kt h ee n e r g yt ot h ed c s i d e t h i sf o r mi st h ef i r s ta p p l i c a t i o ni nd o m e s t i c i na d d i t i o n ，t h ee x c h a n g eo fa s y n c h r o n o u s 留e n e r a t o r su s e dc a p a c i t a n c ee x c i t a t i o n ( s e l f - s t i m u l a t i o nb u i l dp r e s s u r e ) d e s i g n ，w h i c hi s t h e f i r s ta p p l i c a t i o ni nd o m e s t i ct o o t h ea n i c l ei n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt h ed e s i g np r o c e s so fc i r c u i tp a r t sa b o u t t h ee l e c t r i cp o w e rt e s ta n dm o n i t o r i n gs y s t e mi nd e t a i l ，g i v e t h ed e b u g g i n gr e s u l t s ，t h e r e a l t i m ec u r v e sa n dt h ee x p e r i m e n to u t p u tw a v e f o r m so fv o l t a g ea n dc u r r e n t t h er e s u l t s p r o v et h a tt h ep i l o ts y s t e md e v e l o p e db yt h ed e s i g nm e t h o d s i sr e a s o n a b l e ，t h ep e r f o r m a n c ei s s t a b l e t h ec o o p e r a t i v eu s eo ft h ei n t e r s e c t e dc u r r e n ta n d d i r e c tc u r r e n t ，n o to n l ys a t i s f yw i t h t h ep o w e rt e s tf o rd cm o t o r b u ta l s oa p p l yt oe i g h t - p o l et ot w o - p o l e sf u n c t i o nt e s to ft h ea c m o t o r ，a n da c q u i r eq u i t ed e s i r a b l ee f f e c t k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rt e s t ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，p l c ，w i n c c ，p r o t e c t i o n c i r c u i t t h e s i s ：d e v e l o p m e n ts t u d y i l l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 ，申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 垂壁 日期：型! 壁逝 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：巡趔 日期：但星二i 二二歹 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一童 绪诊 1 1 引言 电机是与现代社会最主要的能源电能的生产、传输和使用密切相关，实现机电 能量转换或改变电能特性的机械，它不仅是工业、农业和交通运输业的重要设备，而且 在日常生活中也应用的越来越广泛，因此，电机工业的发展，同国民经济和科学技术的 发展是密切相关i l 】。国民经济和科学技术的发展要求生产出大批性能优良、品种齐全的 电机，并对电机产品提出了越来越高的性能和质量指标。在新的电机产品研制过程中， 除了必须对设计、工艺过程及理论分析等方面进行研究外，还必须对电机及其模型进行 大量的试验，以进一步探索改进和完善的途径。从事电机生产的企业都免不了要对产品 进行各种试验，以检查电机的质量是否符合国家标准，确定电机的电气和机械性能是否 全面达到技术要求。电机试验对电机设计及制造有着非常重要的意义，以前的电机试验 系统主要由模拟设备和机械式测量仪表构成，试验人员工作繁重，数据统计工作复杂， 而且由于人为因素，数据测量不准确【2 j 。 随着计算机技术的发展，各种数字式控制技术在工业中的应用已越来越广泛，近年 来，计算机的大量推广应用为电机试验系统的发展开拓了新的途径。计算机在电机试验 系统中的主要功能有：( 1 ) 进行程序控制；( 2 ) 监视测试过程；( 3 ) 记录、整理并分析 试验结果，即将测得的数据进行分析处理，最后以数字显示、打印和拟合工作特性曲线 p 引。可见，计算机在试验系统中己成为了试验设备的一部分。计算机的使用具有高度 灵活性和扩展性，可以非常方便地实现多种的控制及试验功能。同时，随着新的测试仪 器的出现，使得电机试验系统的实现和升级变的更为方便，也促进了新技术在电机试验 工作中的应用。近代电子技术的迅速发展又为提高电机试验的精度和速度、进行动态特 性测试及采用新的试验方法提供了可能性，进一步推动了电机试验技术的发展。 传统的电机实验技术，无论从精度上还是从工作效率上来讲都与电机工业和科学技 术的发展不相适应，现在传统的人工测试很难满足科研与生产的需要。因此要降低工人 的劳动强度，提高工作效率，保证测试的精度，且快速精确有效地处理实验数据，更好 地管理电机的数据资源，必须寻求一种可靠性好、效率高、自动化程度高的电机试验新 方法。本论文的选题就是针对国内现在广泛应用的加载电机出厂试验系统的不足，借助 于能量回馈的特点，设计一种新型电机功率试验及监控系统，从而达到使电机试验系统 功率损失最小，运行成本最低，试验费用最经济的效果。 1 2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 电机试验系统的国内外研究现状【5 】【6 】 电机试验系统的产生与发展是与现代科学技术的发展是密切相关的，特别是与计算 机科学和大规模集成电路的发展是密不可分的，上个世纪七十年代，随着大规模集成电 路的发展，计算机开始进入微型化阶段，出现了以微处理器为核心的微型计算机和单片 两安石油人学硕士学位论文 计算机，同时数字化自动化仪器仪表已普遍应用于测量领域，现代科学技术中的数字技 术、自动控制和调节技术、编码技术、接口技术、a d 和d a 变换技术得到了新的发展， 也为电机试验系统的产生和发展提供了条件，国外最先采用计算机进行电机试验，实现 自动测试和数据处理的如德国西门子公司为慕尼黑大学电机试验室制造的3 0 0 型过程控 制计算机，在电机试验中大大简化了各种参数的测量。日本国际检测器公司生产的 m d p l 0 1 ，m d p l 0 2 型电机性能综合试验仪，可以自动测试电压、电流、转速、转矩、 功率、效率、功率因数等十多个项目，并有微机进行快速数据处理；法国c e m 公司也 研制了自动试验平台，主要用于o 5 k w 一8 0 k w 三相异步电机的试验，在国内也有一些 单位研制电机的自动化测试系统，例如早期上海电器科学研究所研制，湖南仪表总厂生 产d z w l 型电机微机自动测试仪，可用于o 5 5 k w - - 1 3 0 k w 三相异步电机的空载特性、 短路特性、杂散损耗( 用反转法) 、温升特性、工作特性等的测试，但由于这些系统微处 理器一般采用2 8 0 芯片，使得系统软件开发周期长，硬件设计和调试工作量大，并且价 格昂贵，不利于推广应用。 上个世纪八十、九十年代以来，由于计算机技术的飞速发展和普及，电机的自动化 试验系统也得到了极大的发展，国内许多的科研单位开始研制以p c 机为核心的电机微 机自动试验设备，如上海电机技术研究所研制的a m t - 一1 型电机性能综合试验仪，它采 用双机系统结构，上位机采用p c x t 机，下位机为s t d 工控机；天津正大电子技术研 究所开发的g c 一1 电机自动测试系统结构上与之相似，但是下位机改造成为带有标准接 口的智能仪表。这些系统由于采用了标准接口，方便了系统的组建和功能的扩充，并且 利用p c 机丰富的软硬件资源，友好的人机对话界面和强大的数据处理能力以及容错性， 使系统在功能上、操作方便程度上都超过了国内以往的同类试验设备，但是它们也存在 一些局限性和缺陷，如系统结构复杂，上位机用户接口软件不够友好，容错性还有待提 高，尤其是测试试验的数据管理功能不够友善。 近年来，电机试验系统在智能化、多样化、人机界面、数据的处理功能以及容错性 方面都有了很大的提高。目前电机自动试验系统的主要组成很相似，主要有：微机系统 及其外部设备、试验硬件平台和各种数字试验仪器。在试验的方法上主要有两种类型： 一是试验的过程控制由试验硬件平台来实现，微机系统只进行数据处理、曲线绘制等， 例如浙江大学电磁研究所1 9 9 5 年研制的一套电机自动试验系统，它是用微机接口控制器 来实现控制的；二是美国西屋公司研制的电机自动试验系统，整个试验过程是由p l c 实 现的。 国内的电机试验中，对于发电机试验，传统方法是采用电动机拖动，经变速传动装 置，拖动被试发电机，用负荷箱作被试电机的负载；对于电动机试验，则用被试电动机 拖动发电机，外接负荷箱。电能最终都以热能的形式散发到周围空间，浪费了大量的能 源。 国外在电机加载试验系统方面则比较成熟，基本上都采用计算机控制的自动测试系 2 第一章绪论 统，最著名的生产企业有美国的m a g t r o l 公司、法国c e m 公司、日本管源、日本横河和日 本国际计测器公司等。为了解决功率回馈再生能量的问题，德国西门子公司已经推出了 电机四象限运行的电压型交直交变频器；日本富士公司也成功研制了电源再生装置( 它 把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频 器的直流侧，将再生能量回馈到电网中) 。但是普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再 加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用 能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现 电机的四象限运行，该方法虽然简单，但也有如下严重缺点： ( 1 ) 浪费能量，降低了系统的效率； ( 2 ) 电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作； ( 3 ) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能 的提高( 制动力矩大，调速范围宽，动态性能好) 。 上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十千瓦以下的中小容量系统。国内关于能 量回馈控制的研究正在进行，能量回馈控制的方案目前已广泛应用于各种功率装置，但 其节能程度、控制方式及稳定性仍需要进一步的完善和提高。 1 2 2 电机试验系统的发展趋势( 7 j 随着微机技术的发展，微机的性能越来越强大，软件的发展也使实现控制变得极为 方便、灵活，所以现在大多数系统的控制部分都是由微机控制，即通过通讯口对设备进 行控制。因为运行在微机上的软件编写非常灵活，许多功能很容易实现，能进行复杂的 逻辑运算、判断，而且运算速度非常快，使系统灵活性大大增加【8 】o 目前将取代传统电 机试验的方法有以下几种： ( 1 ) 计算机检测电机试验系统 该电机试验系统通过检测中心的一台主控计算机和设置在生产电机测试现场的多台 计算机分机构成主从分布的二级检测系统，形成以主从方式协调工作，它将传感技术现 场检测到的电机参量的模拟信号直接通过计算机分机进行信号处理，在测试现场就将测 得的电机模拟信号变为数字信号，然后传输到检测中心的主控计算机中，对检测的电机 各种参量进行存储、分析、显示和打印，实现了对电机运行状态下参量的在线检测和处 理，因此可以大大提高电机参量的检测精度和系统的抗干扰能力，并可实现对多个参量 和多台电机同时检测，可以大大的提高工作效率。 ( 2 ) 电机组智能试验系统 电机组智能试验系统可以精确测试各类发电机组的输出功率与带载能力，主要对发 电机组所有电参数包括动态参数进行测试。电机组智能测试系统主要由测控、分配箱和 负载柜三部分组成，与上位计算机配合使用，实现智能化，并自动完成对发电机组所有 电参数的专项测试，同时生成图表、曲线及检测报告，全面脱离手工操作( 智能控制， 自动手动可选) ，为大功率发电机组设备提供了科学检测手段。 西安石油大学硕士学位论文 ( 3 ) 高压电机智能试验系统 高压电机试验系统首先要为被试电机提供一个可调的高压电源，其次提供一个平滑 可调的大功率负载。一般选用与该电机参数相同的另一台电机作为被测电机的负载。为 了让系统按设定的要求工作，通常采用p l c 对其控制，试验过程中的各个参数通过测量 系统和数据采集上传至上位机，并通过组态软件实时监控一j 。 国内外电机试验系统的发展具有以下几个共同特点： ( 1 ) 电机试验技术与计算机技术同步发展 计算机技术与电机试验相结合，电机试验进入智能化时代，可以实现误差修正的高 精度测量、实时测量和自动测量。从而形成了两种设计思想：一是以电机试验为核心进 行仪器设计，根据试验的需要，采用一个或多个微处理器来完成仪器的测量控制、数据 采集、数据处理和图形显示等功能；二是以通用p c 为基础，增加试验功能、数字接口 和控制接口，充分利用计算机的图形显示、数据处理、外设接口和软件功能，通常的仪 器用户界面就是计算机界面。其中，第二种设计思想是近几年的最新发展，即虚拟仪器 技术( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 。 ( 2 ) 试验技术的发展超前应用于对象 试验仪器采用最新技术不断改进性能、增加功能和推出新产品，打破传统仪器的分 界线，为用户提供新型试验仪器和试验技术。 ( 3 ) 集成化试验系统的发展受到普遍重视 现在电子系统的复杂程度越来越大，需要试验的性能指标也越来越多，因此系统化 和集成化是电子试验仪器的一个发展方向。 1 3 本论文研究的内容 各种功率驱动装置( 如柴油机、电动机、发电机、电力电子变流装置等) ，在设计制 作完成后，出厂时都需要进行是否满足设计功率和其他指标要求的试验，过去这种试验 中常把大量的功率白白在负载电阻上消耗掉了，浪费大量的能源，如何使试验系统的损 耗最小，实现最广泛的节能，多年来一直是电力电子变流行业与驱动装置研究行业广泛 进行的研究课题。本论文的研究内容正是针对国内现广泛应用的电机出厂试验系统之不 足，借助于能量回馈利用的观点，研究一种新型的电机功率试验及监控系统，从而达到 使电机试验系统功率损失最小，运行成本最低，试验费用最经济的效果，属根据工业实 际需要而设立的横向课题。 目前国内的电机功率试验中，一部分采用能耗电阻的形式将电能消耗掉了，能量的 利用率很低；另一部分采用直流反馈的形式将电能反馈回直流侧，即对于转速小于1 5 0 0 转的电机，采用直流发电机作为负载，将电能直接反馈回直流侧，能量的利用率较高。 但对于转速大于1 5 0 0 转的电机( 尤其是极对数少于4 的电机) ，由于被试电机的转速太 高，同时由于直流机换向火花的缘因，使得没有与之相匹配的直流发电机作负载，因此 普遍通过减速装置( 多为减速齿轮箱，存在极大的噪音与齿轮易坏、齿轮油漏油等问题) 4 第一章绪论 减速后，再以直流发电机作为负载，将电能反馈回直流侧，从而使得系统功率损失较大， 能量的利用率不高。 为解决此问题，本次设计对于被试电机转速大于1 5 0 0 转的电机试验，选用异步交流 发电机作为负载，发出的三相交流电经整流后反馈回直流侧，最终以交流反馈的形式将 电能反馈回直流侧；对于转速小于1 5 0 0 转的电机试验，选用直流发电机作为负载，将电 能反馈回直流侧。交流与直流反馈系统的配合使用，不但可满足直流电机的功率试验， 还可适用于8 极至2 极交流电机的性能试验，试验系统的实用性和节能性得到了很大的 提高。 西安石油大学硕士学位论文 第二章电机功率试验系统的控制策略和主电路设计 本论文研究的电机功率试验系统是为某电机股份有限公司提供进行交直流电机功率 试验的平台。 2 1 主电路的参数设计要求 ( 1 ) 主供电电网输入交流电压：3 相3 8 0 v ，5 0 h z ； ( 2 ) 直流电动机m 1 电枢额定直流电压：d c4 4 0 v ，额定电枢电流：3 1 6 a ，额定转 速：1 0 0 0 r p m ( 3 ) 直流电动机m 1 励磁方式：他励，励磁回路额定直流电压：d c 2 2 0v ，额定励磁 电流：3 5 a ； ( 4 ) 直流发电机g 电枢额定输出直流电压：d c4 6 0 v , 额定电枢电流：2 5 0 a ，额定转 速：1 4 5 0 r p m ； ( 5 ) 直流发电机g 励磁方式：他励，励磁回路额定直流电压：d c2 2 0 v , 额定励磁电 流：1 0 a ： ( 6 ) 交流同步发电机g 1 额定输出交流线电压：a c 4 0 0 v ，额定输出相电流：1 8 0 a ， 额定转速：1 0 0 0 r p m ； ( 7 ) 交流同步发电机g 1 ，励磁回路额定直流电压：d c l 8v 额定励磁电流：4 6 a ； ( 8 ) 被试交流电动机m 2 额定输入交流线电压：a c 3 8 0 v , 额定输出相电流：1 8 0 a ，额 定转速：1 4 8 0 r p m ； ( 9 ) 交流发电机g 2 与g 1 参数相同。 2 2 电机功率试验系统主电路的方案确定及控制策略 2 2 1 主电路的方案确定1 1 0 】 本次设计的电机功率试验系统是提供为直流发电机、直流电动机、交流电动机和交 流发电机进行功率试验的平台，其具体方案如图2 1 所示。 系统利用晶闸管整流装置来完成交流到直流的变换，在改善了系统的节能效率的同 时降低了系统的工作噪音，根据进行试验的是交流还是直流电机，是电动机还是发电机 的不同，其工作过程可分析如下： 直流发电机实验原理如图2 1 ( a ) 所示，直流电动机m 采用恒速控制，以其转速作为 反馈量，达到恒转速调节的目的；m 励磁由一单相全控桥整流后提供，其控制采用恒流 控制，用其励磁电流作为反馈量，使励磁电流恒定，即实现恒磁通条件下调电枢电压调 速；直流发电机g 励磁为一单相全控整流桥，以发电机输出电流为反馈量，采用恒流控 制，其输出经电力二极管反馈回主电路。 6 第二章电机功率试验系统的控制策略和主电路设计 7 西安石油人学硕+ 学位论文 ( d ) 8 第二章电机功率试验系统的控制策略和主电路设计 ( f ) 图2 1 系统的原理框图 ( a ) 直流发电机试验( b ) 直流电动机试验( c ) 交流同步电动机试验( d ) 交流同步发电机试验 ( e ) 交流异步电动机( 转速小于1 5 0 0 r p m ) 试验( f ) 交流异步电动机( 转速大于1 5 0 0 r p m ) 试验 直流电动机实验原理如图2 1 ( b ) 所示，m 2 即为被试直流电动机。直流电动机试验需 要给被试电动机提供平直直流电，故需要由直流发电机给被试电动机供电。直流电动机 9 西安石油人学硕士学位论文 m i 采用恒速控制，以其转速作为反馈量，达到恒转速调节的目的；m i 励磁由一单相全 控桥整流后提供，其控制采用恒流控制，用其励磁电流作为反馈量，使励磁电流恒定， 即实现恒磁通条件下调电枢电压调速；直流发电机g l 励磁为一单相全控整流桥，其控 制采用恒励磁控制，用其励磁电流作为反馈量，使励磁电流恒定；直流电动机m 2 励磁 由一单相全控桥整流后提供，其控制采用恒流控制，用其励磁电流作为反馈量，使励磁 电流恒定；直流发电机g 2 励磁为一单相全控整流桥，其控制采用恒流控制，以发电机 输出电流为反馈量，其输出经电力二极管反馈回主电路。 交流同步电动机试验原理如图2 - 1 ( c ) 所示，m 2 即为被试交流同步电动机。直流电 动机m 1 采用恒速控制，以其转速作为反馈量，达到恒转速调节的目的；m i 励磁由一单 相全控桥整流后提供，其控制采用恒流控制，用其励磁电流作为反馈量，使励磁电流恒 定，即实现恒磁通条件下调电枢电压调速；交流同步发电机g 1 励磁为一单相全控整流 桥，其控制采用恒压控制，用其输出电压作为反馈量，使输出电压恒定；交流同步电动 机m 2 励磁由一单相全控桥整流后提供，其控制采用恒流控制，用其励磁电流作为反馈 量，使励磁电流恒定；直流发电机g 2 励磁为一单相全控整流桥，其控制采用恒流控制， 以发电机输出电流为反馈量，其输出经电力二极管反馈回主电路。 交流同步发电机试验原理如图2 1 ( d ) 所示，g 1 即为被试交流同步发电机。直流电动 机m 1 采用恒速控制，以其转速作为反馈量，达到恒转速调节的目的；m i 励磁由一单相 全控桥整流后提供，其控制采用恒流控制，用其励磁电流作为反馈量，使励磁电流恒定， 即实现恒磁通条件下调电枢电压调速；交流同步发电机g 1 励磁为一单相全控整流桥， 其控制采用恒压控制，其控制采用恒压控制，以发电机输出电压为反馈；其输出经三相 可控整流电路i i ( 三相可控整流电路以输出电流为反馈，采用恒流控制) 整流后通过电 力二极管反馈回主电路。 交流异步电动机( 转速小于1 5 0 0 r p m ) 试验原理如图2 1 ( e ) 所示，m 2 即为被试交流 异步电动机。直流电动机m i 采用恒速控制，以其转速作为反馈量，达到恒转速调节的 目的；m 1 励磁由一单相全控桥整流后提供，其控制采用恒流控制，用其励磁电流作为 反馈量，使励磁电流恒定，即实现恒磁通条件下调电枢电压调速；交流同步发电机g 1 励磁为一单相全控整流桥，其控制采用恒压控制，用其输出电压作为反馈量，使输出电 压恒定；直流发电机g 2 励磁为一单相全控整流桥，其控制采用恒流控制，以发电机输 出电流为反馈量，其输出经电力二极管反馈回主电路。 交流异步电动机( 转速大于1 5 0 0 r p m ) 试验原理如图2 1 ( f ) 所示，m 2 即为被试交流 异步电动机，交流异步电动机g 2 作发电机使用。直流电动机m i 采用恒速控制，以其 转速作为反馈量，达到恒转速调节的目的；m i 励磁由一单相全控桥整流后提供，其控 制采用恒流控制，用其电流反馈作为反馈量，使励磁电流恒定，即实现恒磁通条件下调 电枢电压调速；同步发电机g l 励磁为一单相全控整流桥，其控制采用恒压控制，以发 电机输出电压为反馈；负载交流异步发电机g 2 采用电容励磁发电( 异步发电机的电容 l o 第二章电机功率试验系统的控制策略和主电路设计 自励建压是利用了异步发电机的剩磁电压，在剩磁电压的作用下，电容产生的电流可使 电机的励磁电流逐步加强，使得电机的端电压逐渐提高) ；其输出经三相可控整流电路 i i ( 三相可控整流电路以输出电流为反馈，采用恒流控制) 整流后通过电力二极管反馈 回主电路。由于异步交流发电机g 2 采用电容励磁，g 2 的励磁电压不线性，使得g 2 的 输出电压波动较大，故需在三相桥式全控整流电路i i 的电路输出端加平波电抗器，同时 三相桥式全控整流电路i i 应选用有较大耐压值的的电力电子器件。 交流异步发电机实验原理与交流电动机( 转速大于1 5 0 0 转) 试验原理基本相同，图 2 1 ( 0 所示g 2 即为被试验交流异步发电机。 2 2 2 主电路的控制策略【1 2 】 ( 1 ) 直流发电机试验 起动过程中不给直流发电机g 提供励磁，调节三相可控整流电路的输出电压，当其 达到直流电动机m 的额定电压时，电动机m 运行到额定转速，逐步增加发电机的励磁， 使g 发出的电压稍大于m 的额定电压，则发电机便向电动机提供了能量，调整m 的转 速、励磁或g 的励磁便可以调节g 的输出电流，完成了直流发电机的功率试验。 ( 2 ) 直流电动机试验 起动过程中不给直流发电机g 2 提供励磁，先通过三相可控整流电路i 触发控制角 的调节使m 1 电枢电压从最小上升到额定值，而拖动直流发电机g 1 启动被试验的交流 电动机m 2 ，调节晶闸管整流装置的输出电压，当其达到直流电动机m 1 的额定电压时， 电动机m 1 运行到额定转速，逐步增加g 2 的励磁，使g 2 发出的电压稍大于m 1 的额定 电压，则发电机便向电动机提供了能量，调整该能量的大小也就调节了直流电动机m 2 负载的轻重，完成了直流电动机的功率试验。 ( 3 ) 交流同步电动机试验 起动过程中不给直流发电机1 3 2 提供励磁，先通过三相可控整流电路i 触发控制角 的调节使m 1 电枢电压从最小上升到额定值，而拖动交流同步发电机g 1 启动被试验的 交流电动机m 2 ，调节晶闸管整流装置的输出电压，当其达到直流电动机m 1 的额定电压 时，电动机m 1 运行到额定转速，逐步增加g 2 的励磁，使g 2 发出的电压稍大于m 1 的 额定电压，则发电机便向电动机提供了能量，调整该能量的大小也就调节了交流同步电 动机m 2 负载的轻重，完成了交流同步电动机的功率试验。 ( 4 ) 交流同步发电机试验 起动后先通过晶闸管整流装置i 触发控制角的调节使m 1 电枢电压从最小上升到额 定值，而拖动交流同步发电机g 1 启动，同时三相可控整流电路i i 使在此过程结束后g 1 发的电经整流后不足以使二极管导通。当晶闸管输出电压稳定后，调节m 1 励磁电流使 其转速上升，从而使g 1 的转速随之上升，并调节三相可控整流电路i i 使g 1 发出的电 压经整流后高于晶闸管整流装置的输出，串联在直流电动机与三相可控整流电路i i 输出 之间的电力二极管导通，给电动机m 1 提供主要电流，通过调节三相可控整流电路i i 可以 西安石油大学硕士学位论文 改变g 1 负载的大小，完成了交流同步发电机试验。 ( 5 ) 交流异步电动机试验( 转速小于于1 5 0 0 转) 起动过程中不给直流发电机g 2 提供励磁，先通过三相可控整流电路i 触发控制角 的调节使m 1 电枢电压从最小上升到额定值，而拖动同步发电机g 1 启动被试验的交流 异步电动机m 2 ，调节晶闸管整流装置的输出电压，当其达到直流电动机m 1 的额定电压 时，电动机m 1 运行到额定转速，逐步增加g 2 的励磁，使g 2 发出的电压稍大于m 1 的 额定电压，则发电机便向电动机提供了能量，调整该能量的大小也就调节了交流异步电 动机m 2 负载的轻重，完成了交流异步电动机的功率试验。 ( 6 ) 交流异步电动机试验( 转速大于1 5 0 0 转) 起动后先通过三相可控整流电路i 触发控制角的调节使m 1 电枢电压从最小上升到 额定值，而拖动同步发电机g l 启动被试验的交流异步电动机m 2 ，同时调节三相可控整 流电路i i 使在此过程结束后g 2 发的电经整流后不足以使二极管导通。当晶闸管输出电 压稳定后，调节m 1 励磁电流使其转速上升，从而使g 2 的转速随之上升，并调节三相 可控整流电路i i 使g 2 发出的电压经整流后高于晶闸管整流装置的输出，串联在直流电 动机与三相可控整流电路i i 输出之间的电力二极管导通，给电动机m 1 提供主要电流， 通过调节三相可控整流电路i i 可以改变m 2 负载的大小，完成了交流异步电动机试验。 2 3 三相桥式全控整流电路的基本原理【1 3 】 图2 2 示为三相桥式全控整流电路。其中一组晶闸管是共阴极组的( v t l 、v t 3 、 v t 5 ) ，另一组是共阳极的( v t 4 、v t 6 、v t 2 ) ，每个时刻均需2 个晶闸管同时导通( 不 能为同一相的晶闸管) ，形成向负载供电的回路。 t v t l v t 3v t 5 ，i c lzz 【 b 二 izz 1 2 v i 4v t 6v t 2 ( a ) 负 载 第二章电机功率试验系统的控制策略和主电路设计 ! j ) | i、 ：i li 沈6 濑晒一 砸 、，冬 ， ：、 瓣辫肇黼搿 iiiliiiii i i l - 倒 ii- iiiii iil： - i ( b ) 2 - 2 三相桥式全控整流电路 ( a ) 主电路原理图( b ) 带电感性负载a = 3 0 。时的波形 三相桥式全控整流电路是通过控制触发脉冲延迟角0 t 的大小来控制输出整流电压， 带电阻负载时0 【角的移相范围是0 1 2 0 0 ，带阻感负载时a 角的移相范围是0 9 0 0 。输出 整流电压一周脉动6 次，每次脉动的波形都一样。三相桥式全控整流电路的特点： ( 1 ) 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时使用三相整流电路； ( 2 ) 应用最为广泛； ( 3 ) 由于零线平均电流为零，所以可以不用零线； ( 4 ) 对触发脉冲的要求按v t l v t 2 v t 3 v t 4 v t 5 v t 6 的顺序，相位依次差6 0 0 ； 共阴极组v t l 、v t 3 、v t 5 的脉冲依次差1 2 0 0 ，共阳极组v t 4 、v t 6 、v t 2 也依次差1 2 0 0 ； 同一相的上下两个桥臂，即v t l 与v t 4 ，v t 3 与v t 6 ，v t 5 与v t 2 ，脉冲相差1 8 0 0 。 ( 5 ) 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，须保证同 时导通的两个晶闸管均有触发脉冲，一般有两种方法：一种是使脉冲宽度大于6 0 0 ，称 为宽脉冲触发。另一种方法是在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发 脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差6 0 。，脉冲宽度一般为2 0 。 到3 0 0 ，称为双窄脉冲触发。 2 4 主电路设计及参数计算 2 4 1 三相桥式全控整流电路的参数计算【1 4 】 三相桥式全控整流电路如图2 3 所示，图中k m l 为交流接触器，它用来实现电源主 西安石油大学硕+ 学位论文 电路的接通与分断，一则提供正常运行时电源的合分控制，二则用在故障时分断主电路。 快熔熔断器f u l - f u 3 用于主电路的过流保护，v t l v t 6 构成标准的三相桥式全控整流 电路，用来将交流电整流成直流，为防止因电路中电力半导体器件的导通或关断导致电 流变化而因电路中分布电感的存在引起尖峰过电压l d i d t 击穿整流晶闸管，在每个整流 晶闸管旁并接有进行尖峰过电压吸收的阻容网络( r i r 6 、c 1 c 回，电容c 7 与电感三j 构成直流电压滤波环节，用以来平直整流后的直流电压。k t l 。k t 6 分别为六个桥臂上的 过热继电器，用于桥臂过热保护。霍尔电流传感器h l l l 和h l l 2 分别用来检测由电网经 三相整流后输出的电流和由交流同步发电机经三相整流后反馈回直流电动机m 1 两端的 电流，并为电流闭环调节电路、过流保护电路及短路保护电路提供电流信号。霍尔电压 传感器h l v l 和h l v 2 分别用来检测由电网经三相整流后输出的电压和由交流同步发电 机经三相整流后反馈回直流电动机m 1 两端的电压，并为电压闭环调节电路及过压保护 电路提供电流信号【15 1 。 一 彤rn 科l 三一牢+ 彤眨t 朋眨厂s - 彤0 2p t 5 口七一c 汪 口t _ 罂f u l 姿 墨， 医。 臣s 一 、l1 之名e 弋f u 2 娑 tf u 3 娑 暑孔 臣t 墨e 墨2 = = 6 7 扛 尉眨v t 4 肋iz e 慰亚 ，一 v t 2 l 西乙 c 旺瓯 由该电路设计参数得，负载直流电动机m i 电枢额定直流电压：d c4 4 0 v ，额定电 枢电流：3 1 6 a ，交流进线线电压最高u l = 3 8 0 v ，市电频率户5 0 h z ，整流电路元器件的 参数计算如下【16 】： ( 1 ) 理想空载直流电压： 竺鲎二塑芸兰：兰 池。， 泡l n j n ( 1 - 孟) 式中：一整流器理想空载直流电压，v ； 一整流器额定输出直流电压，v ； k 一变压器感抗电压降折算系数，对三相桥式全控整流电路取o 5 ； 1 4 第二章电机功率试验系统的控制策略和主电路设计 级一变压器短路电压的漏抗分量； 彳尸尸，一变压器铜耗的百分数； 加一最小导通角，取口棚加：0 0 ； s 一串连换相组数，三相桥式全控整流电路为双拍电路遂取s - 2 ： r s 一每臂串联元件数； k 一变压器过载倍数，对整流变压器取1 ； u 一阀器件在额定运行情况下的通态压降； 以一附加电压降包括连接导线、熔断器母线等； b 一网侧电压允许的持续负波动对额定值的百分数，一般取5 ； 对于三相桥式全控整流电路，其参数值为：s = 2 ，疗。= 1 ，u = 1 9 0 ，以= 3 0v ， e x1 2 ，厶p ? p t = 2 1 0 0 0 故u d l o ：业些糟# 竺跏7 州 故 ：上j 盟孚# 一- 5 0 7 4 v k 1 1 - 盂j ( 2 ) 变压器网侧线电压阢。根据下式： o 一告2 詈瑚5 s v 协2 ， 取整后得= 3 7 6 v ( 3 ) 变压器阀侧线电流l 根据下式： 化整i v = 2 6 0 a i y 。k i 饿2 0 8 1 6 x 3 1 6 a = 2 5 7 9 a ( 4 ) 变压器阀侧容量品根据下式： 昂2 k 矿易2 1 0 5 5 0 7 4 x31 6 x1 0 一= 1 6 8 4 k v a ( 5 ) 变压器网侧线电流。工根据下式： i l = k i l i 烈= k i v i 烈 k = k n ，d n | u u ，。2 = 0 8 1 6 x3 1 6 | 3 ，8 7 0 j = 2 5 s 久 ( 6 ) 变压器网侧容量s ：根据下式： = 如乞= 1 0 5 = 1 6 8 4 k v a ( 7 ) 变压器等值容量研根据下式： 1 5 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 西安石油大学硕士学位论文 s t = b 乞= 1 0 5 另= 1 6 8 4k v a ( 2 7 ) ( 8 ) 晶闸管的选择： 在三相桥式全控整流电路中，每个桥臂的晶闸管承受的正反向电压的最大值为 叽肼2 1 0 5 d = 1 0 5 5 0 7 4 = 5 3 2 8 ( v ) ( 2 - 8 ) 考虑到电网电压的波动和各种偶然因素会形成浪涌电压，般所选用晶闸管的正、反向 阻断电压为该峰值电压的2 - 3 倍，即： u d m , t = u , o a m = ( 2 - - - - , 3 ) x u 爿删2 1 0 6 - 1 5 9 8 ( v ) ( 2 9 ) 其中：u 一反向峰值电压； 一正向峰值电压； 桥臂电流的方均根值l ( 嬲) 由下式： r m s ) 2 砀k 2 0 5 7 7 x 3 1 6 = 1 8 2 3 a ( 2 1 0 ) 式中k 脾一臂电流变换系数，考虑到在直流侧将串联平波电抗器，