（电机与电器专业论文）起重机交流串级调速节能系统的设计与研究.pdf

摘要 能源短缺和环境污染问题日益突出，它也逐渐成为了当今科技发展的热点。 在工业现场，起重机的应用较为广泛，它在工程作业过程中，需要对货物进行 频繁地起升、下放等位移操作。由于起重机负载质量大，起升高度高，根据能 量守恒原理，当负载处于高处要下放时将具有较大的能量可供回收利用。 在交流调速系统中，除了变频调速外交流串级调速同样具有非常高的调速 性能，其机械特性、调速精度、调速范围及动态响应等都已经达到的较高水平。 由于串级调速系统的电路形式特殊，其主电路中已含有能量回馈单元( 有源逆 变器) ，所以在考虑加入势能回馈方案下，交流串级调速比变频调速成本更少。 本文针对起重机的实际工况，结合串级调速系统的基本原理，对塔式起重 机的串级调速电气驱动方式进行研究和设计。塔式起重机由多个机构组成，如 起升、变幅、回转、小车等机构，这些机构都需要由电机驱动。本文设计了斩 波式一拖多串级调速系统的方案，该方案电路简洁、成本较低，可以实现交流 电机的四象限运行，回收起重机的制动能量。在设计中搭建了小功率的模拟实 验平台对方案加以验证，实验结果与原有设计目标相符合。 为了进一步提高系统节能性能，挖掘起重机械的节能潜力，在以上塔式起 重机串级调速系统基础上进行节能方案的探讨和设计。该节能系统利用具有高 能量质量比和功率质量比的超级电容作为储能器件，在串级调速系统动力制动 时对制动能量进行及时地回收存储；同时在最佳的时机进行电能的释放，供给 整个系统中电机的电动运行，从而减少系统从电网吸收的总功率。另一方面， 通过有效的控制算法使能量尽可能地在系统内部循环利用，串级调速系统对电 网造成的谐波影响也会减少。最后，对超级电容节能装置的成本回收期进行了 估算，通过具体数据表明，本设计方案具有潜在的经济价值，有利于广泛推广 及应用。 关键词：起重机；串级调速；斩波器；节能系统；超级电容； a b s t r a c t e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o np r o b l e m sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t , a n di t i s b e c o m i n gah o ts p o to ft o d a y st e c h n o l o 西c a l d e v e l o p m e n t i nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , c r a n ei sw i d e l yu s e d ，i ti si nt h ep r o c e s so f e n g i n e e r i n gw o r k ，t h en e e df o rf r e q u e n tl i f t i n gt h eg o o d s ，s u c ha sd i s p l a c 锄e n to f d e c e n t r a l i z e do p e r a t i o n s a st h eq u a l i t yo fal a r g ec r a n el o a d ，f r o mt h eh i g hr i s e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc o n s c r v a t i o no fe n e r g y , w h e nt h el o a di sh i g ht ot h e l o w e rl e v e l sw i l lh a v em o r e e n e r g ya v a i l a b l ef o rr e c y c l i n g i na cs p e e dc o n t r o ls y s t e m , i na d d i t i o nt of o r e i g ne x c h a n g ef r e q u e n c yc o n t r o l c a s c a d e - c o n t r o la l s oh a sav e r y l l i 曲s p e e dp e r f o r m a n c e , a n di t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，s p e e da c c u r a c y , s p e e dr a n g ea n dd y n a m i cr e s p o n s ea n ds oh a v er e a c h e da h i g h e rl e v e l c a s c a d ec o n t r o ls y s t e mb e c a u s eo ft h eu n i q u ec i r c u i t ，w h i c hc o n t a i n s t h em a i nc i r c u i tp o w e rf e e d b a c ku n i th a s ( a c t i v ei n v e r t e r ) ，s oc o n s i d e rj o i i l i n gm e p o t e n t i a lf e e d b a c kp r o g r a m ，t h ec o m m u n i c a t i o nc a s c a d es p e e dt h a nt h ec o s to f f r e q u e n c yc o n t r o ll e s s i nt h i st h e s i s ，t h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n so fc r a n e ，c o m b i n e dw i t ht h eb a s i c p n n c i p l e so fc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m ，t o w e rc r a n e sc a s c a d es p e e de l e c t r i c a ld r i v e h a v er e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t o w e rc r a n e b yan u m b e ro fa g e n c i e s ，s u c h 弱l i f i i n 吕 l u f f i n g , s l e w i n g , t r o l l e ya n do t h e ri n s t i t u t i o n s ，t h e s ei n s t i t u t i o n sa r er e q u i r e db vt h e m o t o rd r i v e i nt h i sr e g a r d ，m a d ei nt h ed e s i g no f m u l t i d e l a y e dc h o p p e rc a s c a d e c o n t r o ls y s t e mp r o g r a m ，w h i c hc i r c u i ti s s i m p l e ，l o wc o s ta cm o t o rc a na c m e v e f o u r - q u a d r a n to p e r a t i o n ，t h eb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yc r a n e i nt h ed e s i g np r o c e s s a l s ob u i l tal o w - p o w e rs i m u l a t i o np l a t f o r mt ov a l i d a t et h ep r o g r a m ，e x p 嘶m e n t a l r e s u l t sc o n s i s t e n tw i t ht h eo r i g i n a ld e s i g n g o a l s i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v ee n e r g yp e r f o r m a n c e ，e n e r g y - s a v i n gp o t e n t i a l o f m m l n gc r a n e ，t o w e rc r a n ei nt h ea b o v ec a s c a d ec o n t r o ls y s t e mh a sd e s i g n e da n d m s c u s st h ee n e r g y s a v i n gp r o g r a m s t h ee n e r g y - s a v i n gs y s t e mu s e sa h i g hr a t i oo f e n e r g ya n dp o w e rq u a l i t yt h a nt h es u p e r - c a p a c i t o ra st h ee n e r g ys t o r a g ed e v i c e m e c a s c a d ec o n t r o ls y s t e m ，d y n a m i c b r a k i n go nt h et i m e l yr e c o v e r yo fb r a k i n g 饥e r g y i i s t o r a g e ；a l s ot h eb e s tt i m ef o rd e c t f i c a le n e r g yr e l e a s e ，s u p p l yt h ee n t i r es y s t e m t o r u ne l e 嘶cm o t o r ，t h e r e b yr e d u c i n gt h es y s t e mt o t a lp o w e r a b s o r b e df r o mt h eg r i d o nm eo t h e rh a n d ，t h r o u g ht h ee f f e c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m s t om a k ea sm u c ha s p o s s i b l ew i t h i nt h es y s t e mo fe n e r g yr e c y c l i n g , c a s c a d ec o n t r o ls y s t e mc a u s e db y h a r n l o i l i c so nt h eg r i dw i l lb er e d u c e d f i n a l l y , as u p e rc a p a c i t o re n e r g y - s a v i n g d e v i c e sc o s tr e c o v e r yp e r i o dw a se s t i m a t e db ys p e c i f i cd a t as h o wt h a tt h ed e s i g n l s o f t l i g he c o n o m i cv a l u e ，u s eo f i t sb r o a da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c r a n e ；c a s c a d ec o n t r o l ；c h o p p e r ；e n e r g ys a v i n gs y s t e m ； s u p e rc a p a c i t o r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题研究目的及意义2 1 3 国内外研究现状2 1 4 课题研究的内容及技术路线3 1 4 1 课题研究的主要内容3 1 4 2 课题研究的技术路线4 第2 章起重机与交流串级调速技术概述。5 2 1 起重机的基本分类与调速方式5 2 1 1 起重机简介及分类5 2 1 2 起重机调速方式6 2 2 交流串级调速系统的原理及分析7 2 2 1 串级调速的基本原理7 2 2 2 可控硅串级调速典型电路分析1 0 2 2 3 串级调速能量流动分析1 3 2 3 交流串级调速衍生电路的研究与分析1 4 2 3 1 斩波式串级调速典型电路分析1 4 2 3 2 串级调速四象限运行的电路结构分析1 6 2 3 3 斩波式串级调速一拖多系统2 0 2 4 本章小结2 1 第3 章塔式起重机交流串级调速系统设计2 3 3 1 塔式起重机及其运行工况2 3 3 2 塔式起重机斩波式串级调速系统的设计方案2 4 3 2 1 系统电气设计的需求分析2 4 3 2 2 塔式起重机系统电气结构搭建一2 5 3 3 斩波器的设计与改进2 7 3 3 1 升压斩波式串级调速斩波器的研究。2 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2s e p i c 斩波式串级调速系统设计2 9 3 4 塔式起重机的交流串级调速控制系统设计3 1 3 4 1 i g b t 驱动电路的设计3 l 3 4 2 晶闸管触发电路的设计3 3 3 4 3 闭环调速控制系统的设计3 5 3 5 本章小结3 7 第4 章系统小功率模拟实验及结果分析3 8 4 1 系统模拟实验平台的搭建及器件选型3 8 4 1 1 模拟实验平台的控制对象3 8 4 1 2 电力电子元器件选型3 9 4 2 模拟系统的总体设计4 0 4 2 1 模拟系统的主电路设计4 0 4 2 2 模拟系统控制器的参数整定4 l 4 3 实验结果及分析4 3 4 3 1 电机起升电动状态的实验波形4 3 4 3 2 电机回馈制动状态的实验波形4 6 4 3 3 系统实验结果分析4 7 4 4 实验结论4 9 第5 章塔式起重机节能技术的研究5 0 5 1 塔式起重机节能方案研究5 0 5 1 1 回馈制动的能量处理方式5 0 5 1 2 塔式起重机的串级调速节能方案5 1 5 2 大功率储能器件及其选择5 2 5 2 1 储能器件概述5 2 5 2 2 塔式起重机节能系统储能器件的选择5 4 5 3 基于超级电容的塔式起重机节能方案设计5 6 5 3 1 能量回收储能系统的总体设计。5 6 5 3 2 双向d c d c 变换器设计5 7 5 3 3 功率检测控制器设计5 9 。 5 3 4 储能控制策略的研究6 2 5 3 5 超级电容参数选择与成本回收计算6 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 5 4 本章小结6 4 第6 章结论与展望6 5 参考文献6 7 致谢7 0 攻读硕士学位期间公开发表的论文7 1 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着2 0 1 1 年3 月我国“十一五”计划落下帷幕，“十二五”计划也已经出 台。节能减排，倡导低碳生活依旧是国家可持续发展道路中的重中之重。“十 二五”期间，我国节能减排的工作重点为同步控制单位国内生产总值能耗与二 氧化碳排放，下降幅度分别控制为1 6 和1 7 ，碳耗降幅高出一个百分点。同 时，大力推进绿色制造，对于机械工业万元工业增加值综合能耗由2 0 0 9 年的 0 4 2 5 吨标煤下降到2 0 1 5 年的o 3 1 吨标煤左右，笔均下降5 9 。大力发展节能 机电设备，量大面广的通用机电产品设计效率大幅提升，如中小电机达到9 5 ， 风机达到9 2 一9 5 ，泵达到8 7 o , - , 9 2 ，气体压缩机达到8 5 , - - 9 0 。内燃机油 耗要降低1 0 ，排放要达到国际先进水平。 节能减排一方面将有助于进一步提高国民经济的能源资源使用效率，节约 能源资源的利用；另一方面则将积极推动可再生能源的利用程度，并限制那些 高二氧化碳排放的生产和消费行为。可以预见，节能减排新政中对碳耗指标的 引入将极大地刺激与节碳相关的技术和产品发展，从而加速推动中国低碳经济 的发展进程。 目前，国际国内上各个领域的节能产品层出不穷，其中对于混合动力汽车 和电动汽车的研究力度较大，并且所取得的成果也显著。在国内，如北京、武 汉等地已有纯电动公交车已在为市民提供出行方便；国际上，大众、丰田等知 名汽车企业都在汽车的节能减排道路上投入了巨大的人力物力。 这种混合动力汽车和电动汽车的出现同时也让所在工业生产领域的工程师 们有了更多节能的方案导向，如在特殊机械设备中进行节能的改造。在工程工 业领域，起重机的应用无疑非常广泛，其大能耗及提升货物的工作形式使之有 着比较汽车更为巨大的节能空间。所以对于起重机的节能改造也是当今社会较 为关注的一个领域【1 】【2 1 。 由武汉理工大学联合多方企业研发的9 0 k w 基于超级电容的混合动力直流 轮胎式起重机，在生产试验中取得了一定的成果，对于这种节能方案予以了肯 定，起重机的节能设备将在工业生产过程中越来越重要。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究目的及意义 在这种大的发展背景下，发展机械设备的科技含量，降低其直接或间接的 碳排放，优化其能量的利用效率是机械工业发展的必然趋势。起重机这种大型 机械设备，具有能耗大、势能可回收性等特点，有非常大的节能减排空间。如 直流混合动力轮胎式起重机，它将起重机与储能系统相结合，不仅仅能将起重 机行走机构制动时的动能回收加以利用，还能将起升货物的重力势能回收利用， 同时能够在能量控制的合理方式下降低发动机的排量，减少发动机在起动时燃 油不充分燃烧带来的空气污染及燃油浪费p j 。 以上轮胎式起重机是基于直流调速系统而研发设计的，针对目前起重机械 中以交流拖动系统占绝大多数，开发一套起重机的交流调速节能系统也是迫在 眉睫。这类交流调速系统有别于直流调速系统，它一般直接与电网相连，动力 源由交流电网直接提供。所以交流起重机的节能的目的不仅仅是将重力势能或 动能回收重复利用，更重要的是能够最大限度地降低整个交流驱动的起重机的 实际用电量及提高用电效率，这直接可由电表可以反映出来。 基于以上考虑，结合交流串级调速的特点，开发一套起重机交流串级调速 的节能系统，不仅仅节能成本能够有所降低，而且还能提高起重机制动能量的 利用效率，使能量有效地被起重机自身吸收，降低整机用电量。这种既绿色环 保，又有市场推广可行性的起重机交流调速节能系统具有潜在的市场价值。 1 3 国内外研究现状 目前，交流调速系统的技术日趋完善，不管是变频调速还是串级调速都有 相应成熟的产品面世。其中串级调速系统中最早的可控硅串级调速系统己被斩 波式串级调速系统所取代。这种斩波式的串级调速系统利用高频的i g b t 器件， 将串级调速的调速精度进一步提高，使调速性能与变频调速想媲美。 同时在斩波式串级调速的基础上，衍生出了串级调速一拖多系统电路。这 种系统电路为多电机拖动提供了一种更为经济的方案，将多个电机的串级调速 系统中的有源逆变器共用，起到节约成本的效果。这种方式同时也将串级调速 进行节能改造的成本降低。 串级调速技术在不断进步，同时起重机的节能系统的设计也在不断更新， 被世界各国重视，近年来基于储能系统设计已成为起重机械节能降耗、降低废 2 武汉理工大学硕士学位论文 气排放的重要研究课题之一。为了提高下一代产品的竞争力和市场占有率，日 立建机、小松、卡特彼勒一三菱和神户制钢等世界各大工程机械制造商，纷纷 开展了储能器节能系统在起重机械上应用的研究工作。2 0 0 3 年，日立建机生产 出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机( 、釉e e ll o a d e r ) ，这是混合动 力系统在工程机械上的首次应用。2 0 0 4 年5 月，小松研制出了世界上第一台混 合动力液压挖掘机的试验机型。 在起重机械领域，作为世界上起重机生产和设计之领军企业上海振华 港机公司，在起重机械储能器节能系统的研究上取得了一定的成果，装备了由 上海振华港机公司自主开发的超级电容的轮胎式集装箱起重机( r u b b e r - t y p e d g a n t r yc r a n e ，简称r t g ) 2 0 0 5 年在美国西雅图正式投入使用，性能较好，得 到了用户的肯定。这是z p m c 在美国市场投入使用的第一台配有超级电容的“绿 色”r t g 。目前，已取得中华人民共和国国家知识产权局颁发的在国内外市场 有效的专利证书。 武汉理工大学也在起重机械混合动力系统改进研究方面做出了很大的努 力，包括直流6 0 k w 的基于超级电容混合动力轮胎式起重机的研发成功，给港 口的节能减排解决方案带来了实质性的意见。 上海交通大学张建武、顾力强、何维廉、黄宏成、包继华等发明的“带有 轨道检测系统的混合动力电传动磁浮轨道巡检车 ，同样是基于回收再生能量 的目的，以超级电容器为储能元件，借助混合动力新技术，实现节能降耗的目 的。 在2 0 1 0 年上海世博会中，我国自主推出的基于超级电容的公交车也交付运 行，其良好的运行性能，为以后城市化的道路交通也提出了一种更经济，更环 保的改造路线。 截至目前为止，我国在基于储能器的串级调速的节能系统结构在现有的文 献中未见报告。 1 4 课题研究的内容及技术路线 1 4 1 课题研究的主要内容 本课题将针对低碳、环保及节能减排这种全球大背景下，对现有的传统起 重机交流电机系统进行改造。在已有的研究基础上，进一步分析起重机节能空 3 武汉理工大学硕士学位论文 间，提出高效、绿色及更加经济的新型起重机解决方案。研究的具体内容如下： ( 1 ) 以建筑塔式起重机为具体研究对象，分析其具体的作业情况，根据对 比不同的交流电机控制方法，提出最适合进行节能改造的交流电机控制方案 ( 2 ) 分析传统串级调速原理，结合现代高频斩波式串级调速的方法，探索 出合适塔式起重机的新型斩波式串级调速方法，并针对改造方案进行实验研究， 论证方案的可行性。 ( 3 ) 提出基于超级电容的节能管理方案，结合上述交流串级调速改造，形 成一套更为优化的起重机交流串级调速节能系统。 1 4 2 课题研究的技术路线 虽然国家大力倡导节能减排，但实际的实施与推广却存在较大阻力，其中 最大阻力不外乎是实施节能减排过程中增加的大额费用，造成大多数用户在增 设节能装置时为之犯难，在起重设备中也是一样。 综合以上考虑，本设计的技术路线可以分为三个阶段，第一个阶段是起重 机串级调速系统的理论性研究与可行性研究；第二个阶段则为起重机串级调速 系统的具体设计及选型；第三个阶段是系统小功率模拟实验平台的搭建及结果 分析；第四个阶段为起重机节能系统的设计及预期效果分析。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章起重机与交流串级调速技术概述 2 1 起重机的基本分类与调速方式 2 1 1 起重机简介及分类 在人类社会的快速发展过程中，工业技术革新始终为推动人类现代化提供 源动力。汽车就是工业现代化的产物，方便了人类的出行及日常生活。随着汽 车的不断发展，其动力驱动技术及其理念应用至工业发展的各个领域。在工业 建设进程中，人们为了提高工作效率，提升人力资源的利用率，使用人类的强 大的脑力去控制大型机械来完成人类自身难以完成的工作，造就了许多特殊工 业机械的发明，其中起重机就是作为其中的一个典型。 起重机发展至今，对工业的发展做出了强有力的贡献，大大提高了工程作 业效率。起重机有别于汽车的结构，其种类繁多以便于适应各种不同的工业应 用场合，衍生出多种多样结构的起重机。在工业机械领域中，起重机械按照其 结构及其功能形式，有以下1 4 大类： ( 1 ) 汽车起重机 ( 2 ) 塔式起重机 ( 3 ) 履带起重机 ( 4 ) 桅杆起重机 ( 5 ) 缆索起重机 ( 6 ) 管道起重机 ( 7 ) 抓斗起重机 ( 8 ) 轮胎起重机 ( 9 ) 卷扬机 ( 1 0 ) 施工升降机 ( 1 1 ) 液压顶升机 ( 1 2 ) 高空作业机械 ( 1 3 ) 随车起重机 ( 1 4 ) 清障抢救车 武汉理工大学硕士学位论文 以上1 4 类起重机械还可以根据动力源和特殊应用场合等方式划分为更多 小类。如塔式起重机还分为： ( 1 ) 轨道式上回转塔式起重机 ( 2 ) 轨道式上回转自升塔式起重机 ( 3 ) 轨道式下回转塔式起重机 ( 4 ) 轨道式下回转自升塔式起重机 ( 5 ) 快装式塔式起重机 ( 6 ) 汽车塔式起重机 ( 7 ) 轮胎塔式起重机 ( 8 ) 履带塔式起重机 ( 9 ) 组合塔式起重机 在这些种类繁多的起重机械中，它们在起重工作时力矩产生方式大多分为 两种：一种是以发动机带动油泵的液压式起重机械；另一种是以电动机带动减 速机产生起重力矩的起重机械。分析两种形式起重机械的工作原理，前者冠以 执行效率高、速度快等优势在中小型起重机械中应用较为广泛，后者虽然在工 作效率上略逊，但是其工作稳定、节能、维护费用小等优势使其在各种起重机 械中均有应用。 2 1 2 起重机调速方式 如前文所述，起重机的调速驱动方式有多种，包括液压驱动式和电气驱动 式等等种类繁多，本文主要针对电气驱动结构的起重机械种类，现将起重机电 气驱动调速方式进行阐述。 起重机械的电气驱动调速方式以提供动力电能的形式来分，可分为两种： 直流电机拖动调速方式和交流电机拖动调速方式。前者以直流电机拖动减速机 构来完成工作任务，一般在流动式起重机械中应用较为广泛，动力源由直流发 电机供电或交流电经整流器整流后供电，如轮胎式起重机；后者以交流电机拖 动减速机构来完成货物搬运，这类电机驱动方式的起重机一般用于非流动式起 重机械中，起重机直接由交流电网直接供电，取电方便，电能利用效率甜4 1 。 ( 1 ) 直流调速系统 直流调速系统在早期起重机中的应用颇为常见。在电机拖动研究初期，交 流电机调速技术还未成熟，而直流调速系统由于其调速方式简单，调速性能优 6 武汉理工大学硕士学位论文 越得到广泛应用。现如今直流调速系统的方式也有多种，最为常见的是以下两 种：一种是使用可控硅整流的方式进行调节直流电机电枢电压的方式调速，它 被称为晶闸管一电动机调速系统( 简称v m 系统) 。这种方式使用晶闸管组 成的可控整流器，对接入的交流电压源进行整流，通过控制晶闸管的触发角达 到调节整流器输出的直流电势大小来控制直流电机的转速。v m 系统虽然调 速成本较低、使用简便，但由于系统在晶闸管处于较低导通角时功率因素很低， 并产生较大的谐波电流，会引起电网电压波形畸变。这种谐波危害会殃及电网 中其他的用电设备。 另一种方式是使用直流斩波器对直流电机电枢电压进行直接控制。这种方 式也是由于电力电子技术高频化的快速发展，基于i g b t 这种高频器件技术的 成熟，这种斩波器在直流电机调速系统中的应用也越来越多。如以h 桥形式的 斩波电路，即可实现直流电机的四象限运行控制，它比较v m 系统而言，对 电网的谐波危害非常小，功率因素高，快速响应性能好，动态抗干扰能力强。 ( 2 ) 交流调速系统 由于交流异步电机具有维修方便、造价低廉的优点，它在工业应用中备受 欢迎，这给交流调速系统的发展提供了不小的助推力。现如今，交流调速技术 也逐渐成熟，其调速性能已经可以媲美直流调速系统。 交流调速系统的种类很多，常见的有：定子调压调速；绕线式异步电机转 子串电阻调速；绕线式异步电机串级调速；变频调速等等。前两种调速方法属 于转差功率消耗型调速系统，这种调速方式效率低，以牺牲转差功率来换取转 速的调速，导致电能的浪费，优点是结构非常简单。绕线式异步电机串级调速 属于转差功率回馈型调速系统，转差功率使用逆变装置回馈至电机定子端或电 网，效率较高。而变频调速是转差功率不变型，这种调速方法是通过变流装置 改变输入至电机定子侧的电压的大小及频率达到调节转速的目的，效率较高。 交流串级调速和变频调速是两种能实现交流异步电机无级调速效率较高的 调速方法，它们在起重机的电气驱动调速系统中应用也是非常广泛。 2 2 交流串级调速系统的原理及分析 2 2 1 串级调速的基本原理 三相绕线式异步电动机通过改变转差率调速时，需要另外附加一些电气装 7 武汉理工大学硕士学位论文 置，其中最常用的是转子附加电阻。由于这种方法所用的附加装置最简单、投 资最少、维护也容易，所以在早期其应用十分广泛。但是，采用转子串电阻调 速是有级调速，同时还把转差功率都消耗在转子的附加电阻上，因此调速的性 能和经济性都很差【5 】。 三相绕线式异步电动机还有另一种通过改变转差率进行调速的方法，即通 过向转子回路引入附加电势来实现调速。这时，改变附加电势的大小就可以改 变电动机的转速，这就是所谓的“异步电动机串级调速”。 对于一部电动机的串级调速，可根据其一些特点进行分类。第一种分类方 法是，根据功率分配的不同，分为“机械串级”和“电气串级”两种调速方法。 “机械串级”即“k r a m e rc a s c a d e ”方式，是利用与异步电动机同轴的直流电动 机，将转子的附加功率传送到异步电动机的轴上并输出；“电气串级”即 “s c h e r b i u s 方式，采用这种方式时，异步电动机转子和电网间的附加功率的 变换，是通过整流器和逆变器实现的7 1 。 第二种分类方法，是按异步电动机转速调节的区域来分类的。按这种分类 方法，可分为低同步转速的一个调节区域的串级调速，和超同步转速及低同步 转速的两个区域的串级调速。 第三种分类方法，是把串级调速分为“电机一变流器组串联”和“整流器 一变流器组串联 。 交流异步绕线式电动机主要是由定子、转子和电刷滑环等组成的，在定子 和转子圆周上分别布有三相绕组。在正常工作中，定子绕组通过供电设备与电 网相联；而转子绕组则通过滑环、电刷短接，或者与控制装置相接。 当定子绕组接入频率为万的三相交流正弦对称电压时，在定、转子之间的 气隙中便产生一个旋转磁场。此磁场的转速为刀o ，可用公式表示如下： ：盥 ( 2 1 )刀n = ol ：z 1 ) ” p 式中：r 定子绕组的极对数。 这个旋转速度为n d 的旋转磁场将同时切割定子绕组和转子绕组，并于两绕 组内分别产生感应电势。当转子静止不转时，在定子和转子的每相绕组中感应 电势的有效值分别为： 巨= 4 4 4 k l 嵋z 九 ( 2 - 2 ) 易d = 4 4 4 k 2 厶九= 4 4 4 岛石九 ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中丸交链定子和转子的磁通最大值 毛、岛定子、转子的绕组系数 弼、暇定子、转子每相绕组的匝数 z 、止定子电压、转子电压的频率( z 为电网频率；当电机转子静止 时，厶= 石) 。 当转子以速率刀旋转时，旋转磁场与转子的转速差为n o n ，转速差的相 对值称为转差率，并用s 表示，即 s ：竺型 ( 2 4 ) 转差率s 是反映异步电动机运行特性的一个重要参量。由式2 4 可知，当 = 0 时，s = l ；当n = n 。时，s = 0 。当s = 0 时，转子绕组与旋转磁场相互之 间已没有相对运动，此时转子绕组中的感应电势e d 和电流厶也将都为零。这 种状态下电机不产生转矩，转速自然会慢下来。因此，在正常电动运行时，一 般都刀 l 时，：将会更大。由此可知，对于大型电动机而言，若在额定电压下直接启动， j r ：，将会很大，可能会超过其额定电流的许多倍，因此大型电动机是不允许直 接启动的，必须使用启动设备。 2 2 2 可控硅串级调速典型电路分析 现如今，在工程应用中最为广泛的是低同步电气串级调速系统，这种串级 调速系统的方案的发展过程中，从旋转式变流机组的电气串级到整流器一可控 硅逆变器的电气串级。由于可控硅比较旋转式变流机组具有一系列优点，可控 硅串级调速已成为交流调速方案中发展较快、使用较成功的方案之一。如图2 2 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 为传统的可控硅低同步船级调速系统的典型电路。 3 ” 3 。 w地 法怼 ： ；)l c 肾 举如生v 0 3 j v d 5v t lv t 3v t s r1 一一 j r 7 1 7ij i l1 l l i i 一_ -_ 【 1r1 】 r 一 一l jlj v t 4 了v t 6 7 i v t 2 “jv d 4v d 6v d 2 图2 - 2 可控硅串级调速典型电路 若转差率为s ，直流电流历，则转子侧整流器的输出电压叻为： u d = 2 3 4 s e 2 0 - i a ( 3 x 万。s + 2 r 。) 一2 u d ( 2 1 0 ) 在式2 - 1 0 中，2 3 4 s e 2 d 为转子空载整流电势( 其中易d 为转子在不转时的 额定相电势) ； 1va ：- o o 。转子整流换相压降； 以，以为折算到转子侧的电动机每相电阻和每相漏抗； 为转子整流器每个桥臂元件的压降。 若逆变角为，则三相桥式有源逆变器的直流电压为 = 2 3 4 瓯。c 。s 吐( 等+ 2 r 口+ 剐一2 ( 2 - 1 1 ) 在式2 - 11 中，2 3 4 s e 2 bc o s , b 为转子空载整流电势( 其中易占为逆变变压器 二次侧的相电势) ； 3 x b si d 为逆变器的换相压降； 武汉理工大学硕士学位论文 r 口，x b 为折算到逆变变压器二次侧的每相电阻和每相漏抗； a u 口为三相桥式有源逆变器每个桥臂元件的压降。 因为= u p ，所以由式2 - 1 0 和式2 1 1 可得 2 3 4 s e 2 。一i d ( 3 x 。s + 2 r 。) 一 万 2 a u d ：2 3 4 s e 2 ac o s f l 一，d ( 堕+ 2 r 口+ ) 一2 a u a ( 2 1 2 ) 7 1 若从式2 1 2 中求出转差率s ，并认为整流二极管元件和可控硅元件的管压 降一致，则 2 3 4 s e 2 bc o s f l + i d ( 3 x b + 2 r b + 2 r 。+ 心) 一4 a u s = 2 3 4 e 2 。一3 x o l a 万 ( 2 1 3 ) 由于s ：1 一旦，将上式代入式2 1 3 中，可得到异步电动机可控硅串级调 刀0 速时的转速表达式为 i2 3 4 s e 2 bc o s f l + i d ( 堕+ 2 r 曰+ 2 r 。+ 岛) 一4 u 舻l 卜i 23 衰4 ei 五一 i ，n 一二l 卫 ( 2 1 4 ) 由于空载时，i d = 0 ，故由式2 - 1 3 和2 - 1 4 可求得理想空载转差率s 加和理 想空载转速刀加分别为： s l o = 甏c o s = 占c o s ( 2 - 1 5 ) 刀加= n o ( 1 一s c o s f l ) ( 2 1 6 ) 注：s = 兰堡 占2 d 由式2 - 1 5 和式2 一1 6 可知，理想空载转差率s ，o 或理想空载转速刀，。将随逆变 角的变化而变化。当负载电流，d 不为零时，转差率s 或转速以都由式2 - 1 3 和 式2 1 4 确定。 ， 需要指出的是，这里所说的理想空载转差率的理想空载转速，是指建立在 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 略去i d 很小时特性曲线s = s ( s d ) 或以= fi d ) 畸变之影响的基础上。 异步电动机可控硅串级调速的原理，也可以以物理概念解释：当异步电动 机的定子上加三相交流电之后，转子整流器便产生空载整流电势，其值为 2 3 4 e d ，方向为上正下负( 见图3 3 ) 。如果逆变变压器同时也接入交流电源， 则将由于三相全控桥式电路工作在逆变状态而产生空载逆变电势，其值 2 - 3 4 e 2 dc o s ，方向也是上正下负，它与转子空载整流电势反向相接。如果 2 3 4 e 2 d 2 3 4 e 2 rc o s 时， 主回路产生电流，d ，电动机产生转矩，旋转起来；此后随转速上升，转差率下 降，转子整流电势降低，至转子整流电压与逆变电压到达新的平衡时，电动机 稳定运行。 当变化使2 3 4 e ，d 刀d 时，电动机产生的电磁转矩与转子转动方向相反，成为制动转矩，使电 动机的转速降低，这种工作状态称为回馈制动。由于回馈制动时，电动机已转 武汉理工大学硕士学位论文 变为发电机状态，向电网倒送电，所以称为回馈制动，或又称再生发电制动。 回馈制动发生的外部原因是由于起重机械受位能负载作用，在下降时自动 产生；而内部原因是在电动机变频或变极调速中，当电动机由高速向低速变换 时，也会自动产生过渡性的回馈制动工作状态。回馈制动的原理是，正常运行 的异步电动机，由于上述原因出现7 t t t d 的情况时，异步电动机转子绕组切割磁 力线的方向、转子绕组中的感应电流方向及电磁转矩的方向都自动发生变换， 使电磁转矩成为制动转矩，从而阻止了电动机转速的升高。 通过以上对于不同电气制动方式的描述可知，在如今大多数机械设备中的 交流调速系统，采用的电气制动方式都是成本较低、效果较好的能耗制动。但 是，就如前文所述，本课题的目的就在于提高机械设备的节能减排能力，这也 是以后机械设备特别是起重机机械的研究方向，所以能够提出使用效果较好、 并且具有较高经济性的交流回馈制动方案是起重机的节能改造的关键所在。 在交流调速系统中，交流变频调速回馈制动方法是在原有变频器系统中增 加母线回馈装置，将变频器母线侧的电能通过逆变器转换为交流电能输送至电 网。这种方式固然是能够实现交流电机的回馈制动，但由于其实施方案成本较 高，对于大部分用户经济上难以承受1 2 】0 3 。 而对于串级调速也有自己的一套制动方式，那就是串级调速的动力制动。 异步电动机在外力或惯性力的作用下，当电动机转子旋转时就断开定子的交流 电流，而后立即在定子绕组中通入直流电流。此时，转子绕组切割定子直流电 流所产生的静止磁通，并在转子三相绕组内产生感应电势和电流。静止的定子 磁通与转子电流相互作用，便产生制动转矩。这就是异步电动机的动力制动。 当定子直流电流恒定时，动力制动转矩的大小与转子电流有关，因此，欲 改变制动转矩，就需要改变转子电流。在转子回路中串入可变的附加电阻，或 者接入可调的附加电势都可以改变转子电流。通过在转子回路中接入附加电阻 进行动力制动，是“转子电阻动力制动”，这种方式也是属于能耗制动的制动 方式；通过在转子回路接入串级调速装置进行动力制动，则是“串级调速动力 制动”。异步电动机在上述两种动力制动状态下运行时，就异步电动机本身而 言，都可看作是一台隐极同步发电机，其定子直流电流可视为激磁电流，而转 子为电枢。对于转子电阻动力制动来说，该发电机所发出的( 转差) 能量，全 部消耗在转子的附加电阻上，将机械能变成的电能都消耗了，因此转子电阻动 力制动也称为“能耗制动”；对于串级调速动力制动来说，则是利用有源逆变器 把转差能量回收到电网上去，这种制动方式不仅具有串级调速的优点，而且还 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 可以使电动机在任意转速下都能运行在最大转矩点上，具有最佳运行方式。其 工作原理图如图2 - 5 。 图2 5 斩波式串级调速回馈制动原理图 如图2 5 ，左图为斩波式串级调速系统工作在电动状态时的原理图，当电机 要从电动状态过渡到回馈制动状态时，断开电网连接到电动机的定子三相电源， 然后往定子侧三相中两相中通以直流电流( 这个直流电流会决定电机工作在回 馈制动状态时的最大制动