（计算机应用技术专业论文）高压电机内反馈数控串级调速系统设计与实现.pdf

摘要 高压电机内反馈串级凋速系统造价低、调缝效果好，是漓陌6 k v 商脒电机谎速节 能的一种新途径。但原有的系统采用的是模拟式控制，其结构复杂、故障率商、精确 度低、难护困难，夸熊潢足濑列生产麴要求。 本课题就屉对原模拟式内反馈串级调速系统存在的问题进行改进，丌发研制出全 数字他的内反馈串缴调速系统。 经本摔钢系统中，成功的将s i m o r e gk6 r a 2 4 全数字壹滚谣速装嚣应焉内反续 数控串缴调速系统中。将可编程序控制器( p l c ) 应用于内反馈串级调速系统l ，使 系统按照预定攫序完成起动、切换、运； 亍、箨枫与保护等过理，实觋全数字控铡。应 j _ | _ l 。e 高次谐波滤波器与补偿电路，将无功补偿电豁兼作滤波电容，与电感线阉组 成【。c 谐波滤波补偿电路，消除高次谐波对电阀干扰。该系统操作简单、运行町靠， 并具存穰驽蕊带电效鬃。 关键词：肉反馈：全数字：谐波 a b s t r a c t t h ei n t e r n a f e e d b a c kc a s c a d ec o i l t r e ls y s t e mf o rh i g h v o l r a g e 【n ( ) t o rh a s al o wc o s ta n dg o o d 。c a s c a d ec o r l lt e le f f e c t ，w h i c h isan e wa p p r o a c hf o rt h e c a s c a d et o e lf o la n de n e r g y s a v i n go ft h e 6 k g h i g hv o l t a g e m o t o r s ir llh e o i l f ip 1d b u tt h eo k jg ih a ls y s t e m js ( ) 1 1s i m u l a t i o n t y p e c o n t r o lw i t ha c o m p l i c a t e d s tr u c t u r e h i g hr a t eo f f a i l u r e ，lo wa c c u r a c y ，a n d ish a r dt o m a in l a i na n dc a n n o ts a tis f vt i l er e q u jr e m e n t so f t h eo i l f ie l dp r o d u c t i o n t h ep r o i e cli st oi m p r o v ei ，h eo r i g i n a ls i m u a t i o nt y p ei n t e r n a f e e d b a c k c a s c a d ec o n t r o ls y s t e ma n dd e v e l o paf u l1d i g i t a l i n t e r n a f e e d b a c kc a s c s d e ( 。( ) n t r o l s y s t e m t nt h ec o n t r o ls y s t e m t h es i m o r e gk6 r a 2 4f u l ld i g i t a d i t 、e c tc u r r e n t c a s c a d et o n i 1u n i th a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p li e dt ot h ei n t e r n a lf e e d b a c k ， ( t ig i t a l ，c a s c a d ec o n t r o ls y s t e m t h ea p p l i e a t i o no ft h ep i c t ot h ei n t e r n a l f e e d b a c kc a s c a d ec o n t r o ls y s t e mm a k e st h es y s t e mf i n i s hs u c hp r o c e s s e sa sl h e s t a r t i n g ，s w i t c h i n g ，r u n n i n g ，s h u t d o w na n dp r o t e c t i o na sp e r l h es c h e d u l e d p r o c e d u r e s a n dr e a l i z ef u l ld i g it a lc o n t r 0 1 i th a sa d o p t e dl ch i g h e ro r d e r ， h a r m o n i c ，f i1 t r a t i o na n dc o m p e n s a t i n gc i r c u it ，u s e dc o n c u r r e n t l yt h ei d l ew o r k c ( m p e n s a t i o nc a p a c i t a n c ea sf i l t r a t i o nc a p a c i l a n c e ，a n dc o m p o s e d al ch a r m o n i c f i l t r a t i o nc o m p e n s a t i o nc i r c u j tw i t ht h ei n d u c t a n c ec o i l s ，a n de l i m i n a t e dt h e i n t e r f e r e n c eo ft h eh i g h e ro r d e rh a r m o n i c st ot h ee l e c t r i cn e t w o r k t h es y s t e m ise a s yt oo p e r a t e r e l i a b l et or u na n dh a sv e r yg o o de n e r g y s a v i n ge f f e c t k e yw o r d s ：i n t er n a if e e d b a c k ；f u ii d i g i t a i ：h a r m o n i c 商压电机内反馈数控串级调速系统 0 绪论 0 。1 渫越懿的背景 目前，在辽河油田生产中运行的外输泵及注水泵大部分为6 k v 高服电机，而这魑 泵采用的调解方式基本是靠阀门调解流量，这就经常会出现“大马控小车”的现象， 麸 嚣造藏电戆懿严重渡费，蓑这些凌漕泵魄掇霸注承泵魄掇谲速闯瑟褥舅薅决，每年 节魄所获得静经济效益是褶当可蕊的。 国内的高压大功率电机的调速技术在机械滑差离合器、液力耦合器、电气串级调 速及变频调速等方法中，调速效率与效果方面电气调速均优于机械调速，电气调遮中 以电气串级调速发变频调速为好，瞧6 k v 鬻蹑变频调速造徐昂贵，两零缓调速造价低 予变灏灞速造徐，适台我国圜穗。特剐是0 年戮来，我潜在6 k v 裔毽亳辊疼反馈攀 级调速领域有了突破并得到了郝分应用，假此项技术在油田高压大功攀电机上的应用 尚属空白。电气串级调速又分为内反馈和外反馈，内反馈串级调速技术是在外反馈串 级调速技术基础上发展起来的，其特点是比外反馈串级调速少了升聪变压器、高魇开 关凝及毫压线鼹，系统$ l 瓣麓攀，捷遥镶致占遮覆羲减少。 目前三相异步电动机各种调速方式 b 较见表0 1 。 0 2 国内外串级调速发展动态 0 2 1 串级调速的历史回顾 1 串级调速的含义 所谓“串缀谢速”是指夜绕线转子电动税的转子电路弓l 入附加毫势酷谲节电动梳 的遴度或提高功率因数的一豢调速系统。 2 2 0 遵纪初至年代静辏勘电机事级 1 9 世纪束副2 0 世纪初遮段时间是异步整流子电机蓬勃发展的时髑，为了调节绕 线转子电动机的速度或提高功率因数，各种串级调速系统相继产生，熊中主要的型式 有： ( 1 ) 绕线转予奄动掇与3 携事联整浚予篷动橇嚣审缀。 ( 2 ) 绕线转子电动机与单枢换流机、赢流他励电动梳的串级。 壹垦皇地塑垦堡墼整望塑塑蔓茎堑 表0 1 调速方式比较 t a b l 0 1c o n v e r t e r sm e t h o dc o m p a r e 调建方式定干谓 v v v f 电磁蒿器液力偶合器 内反悄弗级 转子串电阻 毙较硬器爨调邃变鞭调蓬调涟落建 交强诲逮调遮( 绕缓转调逮( 装线转 子电动帆)于电渤机) 疆莲藏嚣粤0 i 0 0 妊5 掰一l 落1 8 嚣l ，喾黯菇! 辩掰 l 砖+ s 8 菸拜一l 秘嚣弱菇l x 调速精度 生2圭o s2士l4 - l士2 毵 1 结构筒革1 调遘范掰1 结构i 苜单i 可元暇调i 可嚣性嵩 2 胃薏袅调炎z 胃笼缓渭蓬2 投多 逮2 容量在域蘧2 在谭建范3 维护筒单 优点3 可。敦起督设备改遗搠左结构簿单墨内教攀高4 功率基数 动。3 可瑶群撩，嵩 4 快蘧性好辩生剖动霹 彝 随转遵下调，垒范田调遵1 适乎小型转遗下渭，教不麓无袅调若诲遮藏匿转速下降，效 下簿激：变器蜜煮毫机宰醛之辱低避犬。则交接嚣辜雕2 瘴侄 簸矗太嚣遘嚣毛效率藏转 苓麓疆譬震窖重太，赞嚣 下降速下调衙降涟 经 睫荐遗用的小霉薰低压 申小容t 、假小容量、低压大、巾窖量、中小容量、蠢大中霉薰、赢l s ，c 咿爰以上 棼量释龟压蔗 赛撩藤辣蕴低压 节貉靛暴嶷健忘差爱倪嶷 转矩脉动，轴要改变基础翼改变电捌连续调速需 攮秘彝超蔫足寸t 鬟渊遘霹集电拜，赛羹承毫阻调 注意搴疆萎淄遂设备端左 时的机植强设备穗蓬设备节装鳘 裳 起重视、泵、 辊遭、泵、懿泵，最枫、挤机睐、矿山、 鼠甘【 成帆、纺织帆压机印染、遗穗金、纺织、 蓬焉藏器械等雉。羹辩毛大爱薰辗援壤撵菜、最溉豢、最蒎簿 寰、必辊荨 线、电缆，豢筹 绕机槭等 2 高压电机内反馈数控串级调速系统 ( 3 ) 绕线聋睾子电动机与凸极有补偿绕缀的整流予彀枫的串级。 每穆睾缀方囊中又有两耱鍪式：一释怒藕韵电辊魏( 2 ) 中酶蠢流能励电动橇与 主电动机转予机械相连，即辅助电动机将主电机的转差功率转换为机械功率又送阐到 主魄机轴上。这种系统称为憾功率串级调遵系统，或称机械串级系统。另一种是辅助 电机如( 2 ) 中的誊流他励电动机去拖动一台异步发电枫，辅助电机将主电机的转羞 功豢转换为辊藏功率，又遥逮洚步发毫辊将疆壤璃率转换窀功搴送弱爨亳溺。这耱系 统称为恒转矩串级调速系统，或电气串级系统。 有些系统遥w 以在同步转速的2 5 的范围内调节主电机的速度。 还有一种绕线转子电动机与进相机( 又称相位补偿机) 的电气串级系统。进相机 迄楚一辩整滚予邀瓤，煮毽瓣器叁藏嚣耱。遴穗瓤绘主彀凝转予电魏麴透了一个与转 予电流向量垂赢的附加电势，从而提高主电梳的功率因数。由于自麟谶相视简单，获 得了广泛的应用，一直用到现在。辅助电机串级调速系统不管是恒转矩还是恒功率系 统，都获得了工业应用。其中影响深远的系统有克雷码系统，( k r a m e r ) 和谢尔毕乌 簸系统( s c h e r b i u s ) 。翦纛跫单抠换流枫、直滚她励魄动瓿串级系绞，爱者则题熬 流子电视率缀系统。 3 ，2 0 世纪四、五十年代的水银整流器串级 垂予衷镶黧漆器割造获拳懿进步，奁2 0 毽纪霾、夏年霞绕线转子毫袭极与承 银整流器、壹流他励电动机窜级调速的系统也获得了工渡应用。 4 半导体整流器串级 1 9 6 0 年懿聚，鸯予赢宅溪、大电流静疆整流管帮蘸菇鬻管懿密瑰，率级谖速系统 获得了空前的发展。有如下几种类型： 绕线转子电动机一硅整流一直流他励电动机恒功率串级调速系统，又称克雷码机 械串级，国内鹣文献称为机摭式串级调速惹统。见图0 1a ) 。 绕线转予毫凌穰一硅整濂一壹滚毫瑟橇一舅步发瞧凝遥转矩串缀落遥系统，又豁 克落码电气串级，国内的文献称为电机式串级调速系统。见图0 1b ) 。 绕线转子电动机一硅整流一晶闸管逆变器恒转矩串级调速系统，可简称为晶闸管 审级调速系统，见图o 1c ) 。日本、德嬲、美国及国内的一些文献称这种系统为静 壹瓣尔毕乌蘩系绫，一些著袭夔学者嚣称这枣垂系统为静囊交霉羁系绞，链粕攒凄黪建 谢尔毕鸟斯系统是绕线转予电动机与循环燹流器( 瑟交一交交流器) 酌串缀系统，即 绕线转子电动机双馈调速系统。 复合式串级调速系统，见图o 1d ) 。这种系统是机械式串级和晶闸管串级两者 复金嚣季孛调遮系统。 高压电机内反馈数控串级调速系统 d ) 图0 1 半导体整流器串级 f i g u r e0 1 s e m i c o n d u c t o rr e c t i f i e rc a s c a d e o 2 2 我国串级调速系统的发展和应用特点 1 我国串级调速系统的发展 6 0 年代末期我国的一些单位开始进行晶闸管串级调速的试验，7 0 年代后期西安 整流器厂首先推出了系列产品，以后其它厂家也相继推出了系列产品。1 9 8 4 年当时的 机械工业部发布了串级调速装置的电工专业标准。1 9 9 0 年国家技术监督局批准了半导 体变流串级调速装置的国标( g b l 2 6 6 9 - - 9 0 ) ，规范了这类装置的设计、试验要求。 7 0 年代以来机械式串级及电机式串级调速系统也得到了发展，上海电机厂推出了 机械式和电机式两种串级调速设备的系列产品。 4 高压电机内反馈数控串级调速系统 2 我国串级调速系统应用的特点 根据资料统计，国外晶闸管串级调速主要应用于大容量风机、泵类即平方转矩负 载的节能调速，单台电动机的容量达到2 0 m w 以上。晶闸管串级调速系统在我国应用 比国外更广泛一些。串级调速的应用主要有以下几种类型： ( 1 ) 平方转矩负载调速型 煤矿主井通风机、电动机容量达到1 2 5 0 k w 以上，例如由沈阳低压开关厂提供的 河南永夏矿务局陈四楼矿井1 2 5 0 k w 晶闸管串调设备( 2 套，1 9 9 5 年投入运行) 。 除了大、中容量的风机、水泵应用晶闸管串调外，在我国的许多纺织企业，很多 小风机( 容量均在l o o k w 以下) 也广泛应用串调进行节能调速。 ( 2 ) 恒转矩负载调速型 一些不可逆机械设备例如型钢轧机、铁矿石自磨机、橡胶混炼机、甘蔗压榨机等 也应用了晶闸管串调系统。其中有些电动机的容量达到2 0 0 0 k w ，例如沈阳低压开关厂 提供沈阳线材厂4 5 。高速线材轧机的串调设备( 2 套，单台电动机容量2 0 0 0 k w ，1 9 8 6 年投入运行至今) 。 ( 3 ) 恒转矩位能负载起动调速型 矿山竖井提升机、矿山斜井带式输送机都属于这种恒转矩位能负载。除要求调速 外，还要求起动、制动、加速、减速平稳，一般还带有动力制动功能。要利用晶闸管 串调系统来完成这些任务有许多特殊的问题，沈阳低压开关厂为山东新汶矿务局南冶 矿井，汶南矿井提供的主斜井钢绳牵引带式输送机串调设各较好地解决了这些问题。 单台电动机容量达到6 3 0 k w ，分别于1 9 8 3 年、1 9 8 9 年投入运行至今。 o 2 3 内反馈串级调速的历史回顾 1 国外情况 2 0 世纪6 0 年代中期，w 舍费尔德( w s h e p h e r d ) 和j 司坦威( j s t a n w a y ) 两人就提出了一种将绕线转子电动机的转差功率进行整流，然后经过3 相电网换相晶 闸管逆变器将整流后的转差功率逆变为电网频率的交流功率，并将其反馈到电动机的 定子辅助绕组中的晶闸管串级方案( 见图0 1 ) 。 w 舍费尔德和j 司坦福把这种串级称为“定子反馈”方案。而把通过变压器( 逆 变变压器) 将转差功率反馈到电网的串级( 常规的晶闸管串级) 称为“电网反馈”方 案。在“定子反馈”方案中，辅助绕组与定子绕组电气上绝缘，通过磁耦合，即电磁 感应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网。这就是我们国家所说的“内反馈”串调。 其后在1 9 6 6 年、1 9 6 9 年还有论文介绍这种“定子反馈”串级。 磷压电机内爱镄数拄串级调速系统 2 国内情况 豳0 1 晶阉嚣串级原理 f i g u r e0 1t h y r i s t o rc a s c a d ep r i n c i p l e 疆内最先是交爆维谦提出内发镶方案鹣，游闽是在鞠年戴君期。内爱馈串调爽 正报国矗场鄹是藏京长城祝惫( 集团) 公司缀织上海毫辊厂等单位的专家通过论证试 验才得以实现的。 g o 年代中期以后保定北方调速有限公司又推出斩波溅内反馈串调。到目前为止肖 上海、兰州、硷尔滨等几家毫机厂生产内爱馈串缀调速漱麓枫。估计搿几十套内反馈 宰缀调速设备在运行。 0 2 4 外反馈、内反馈两种方案的比较 按嚣穆方案郄采爱3 握毫瓣揍穗6 辣渖熬阉警逆交嚣。 1 外反馈 优点： ( 1 ) 菠羁遴臻系疑懿滚麓疆，蕤在不菱换毫动辘豹谤援下簿爨营电控设荟送 行改造，以收到调速节能的效聚。 ( 2 ) 可根据要求的调节范围设计相贩配的逆变器殿逆变变压器。例如调速下 限转速为0 。7 n 。时，逆变变压器容量( k v a ) 取3 6 的淑动机容量( k w ) 馨霹。 ( 3 ) 电动机容量较大，例如大于1 2 5 0 k w 时有多种较高功率因数的逆变方案供 选择。 6 高压电机内反馈数控串级调速系统 ( 4 ) 既适合于变转矩负载，又适合恒转矩负载。 ( j ) 调试检修方便。在电动机短接运行的状态下，给逆变变压器送电，可对 逆变器进行调试和检修。 缺点： ( 1 ) 需要逆变变压器及高压开关柜。 ( 2 ) 反馈到电网的5 次、7 次谐波电流较大。 ( 3 ) 设备多、配电间面积大。 2 内反馈 优点： ( 1 ) 系统较简单。 ( 2 ) 设备少，配电间面积可小些。 ( 3 ) 借助定子绕组的分布与短距，使反馈到电网的5 次、7 次谐波电流大体上被抑 制。由于电动机漏抗比变压器大，通过定子反馈到电网的各次谐波电流都受 到不同程度的削弱( 削弱的程度与电动机的漏抗有关) 。 ( 4 ) 可附加滤波与无功补偿设备以提高系统的功率因数并滤去高次谐波。 缺点： ( 1 ) 必需配置专门的内反馈串级调速电动机，这种电机比通用电机贵。 ( 2 ) 对风机、泵类负载调速下限转速至0 7 n 。已经足够，最低到0 6 7 n 。，但内 反馈串级调速电动机如5 r n t 系列，最低转速o 6 n 。，这相应地加大了逆变 器容量。 ( 3 ) 由于是定子反馈，其反馈绕组( 即w 舍费尔德、j 司坦福的定子辅助绕组) 中的谐波电流感应到定子绕组，又可能影响到转子电路，因此附设的滤波器 通常是不可少的，尤其是当电动机负载较重时。 ( 4 ) 内反馈串级调速系统通常只适用于风机、泵类负载，因为j r n t 系列反馈绕组 的额定电流为转子额定电流的8 0 ，而y q t 一2 系列反馈绕组的额定电流仅 为转子额定电流的3 0 。 综上，当电机功率在3 1 5 k w 以上的风机、泵类具有平方转矩负载特性的设备选用 内反馈串级调速设备是合适的。 0 3 高压电机内反馈数控串级调速系统开发研制意义 l _ 现有的内反馈串级调速技术存在的问题 目前我国采用晶闸管整流供电的串调系统已经有了比较多的用户，但大多数其调 节控制保护回路基本上都是模拟形式。这种系统由于受元器件设计和制造水平的限 制，存在着一定的缺陷。突出表现在结构复杂、调试复杂、故障率高、工作稳定性差、 精确度低、维护困难。 高压电机内反馈数控串级调速系统 2 模拟控制与数字控制比较 ( 1 ) 模拟控制特点： 模拟控制是连续实时控制，响应快。 控制规律由硬件电路完成，增加功能就要增加硬件。 由中小规模集成电路和分立电子元器件组成控制系统，因而单元或插件多、电路 中接插点多、可靠性较数字化设备低。 调试周期长，调试人员需要较多的专门知识。 设备的维修相对简单。 ( 2 ) 数字控制特点 数字控制是计算机分时控制，要想得到响应快的动态过程，至少要采用高档1 6 位机或3 2 位机，并且要配置存储容量大的存储器。 控制规律依靠软件实现，系统由若干编程模块组成，结构配置简单方便，工作稳 定，有较好的抗干扰性能，有很高的可靠性。 系统内部实行数字给定、数字反馈、数字调节、数字触发，除有p i d 调节外， 还可引入前馈控制、自适应控制等先进的控制规律。 参数设定方便，并可实现运行参数的在线调整。 对系统实行全面监控，( 包括运行参数的测量与显示) ，有故障自诊断功能，有 报警显示，能存储故障原因。 具有很强的通信功能，为实现生产系统的智能化管理奠定了基础。 数字控制设备看似简单，其实复杂，原则上使用部门免维修，应由生产厂家的专 门人员进行维修。 3 数控串级调速系统开发研制意义 通过上述模拟控制与数字控制比较，由于数字控制设备的诸多优点，新设计及节 能改造需要调速的机器设备应采用高档数字控制器。 由于模块化数字化逆变器的内反馈串级调速控制装置在造价上远低于变频调速 装置，虽然在功能上微差于变频调速装置，但是调速节能效果仍然显著，因此如该课 题完成并推广应用，其经济效益是相当可观的，是适合油田生产实际的一条有效节能 途径。 高压电机内反馈数控串级调速系统 1 高压电机内反馈数控串级调速系统总体设计 1 1 串级调速的原理 由异步电动机转速的表达式 6 0 f ， n - - r l 。( 1 一s ) 一( 1 - s )p 由此可见，要调节异步电动机的转速，可从改变下列三个参数入手，即： i 改变定子绕组的极对数p ： 2 改变供电电源的频率f ： 3 改变电动机的转差率s 其中变极和变频调速主要用于笼型转子异步电动机，绕线转子异步电动机多数采 用改变转差率的调速方法，有转子电路串接电阻调速和转子与其他电子设备串级联接 的串级调速等。 我们知道，在负载转矩m 。和u 。保持不变的条件下， 调速前后电动机发出的电磁 转矩也应保持不变，使得稳定运行时的m d 。= m 。，达到运动系统的转矩平衡。电动机的 电磁转矩为： m d c = c mm i2 + c o s 中2 在转子功率因数c o s 中。变化不大时，可以近似地认为调速前后转子电流i 。保持 不变。异步电动机的转子电流为： 在正常运行时，r 。 s x 。所以 肚：! 竺 n 2 + ( s x 2 0 ) 2 由此可见，增大转子电阻，而i ：又要保持不变，必然迫使s 增大，即转速下降。 l ，$ e 2 0 i 2 这就是串接电阻调速的原理。 在转子电路串接电阻虽然可以达到调速的目的，但将有一部分电磁功率消耗在转 子电阻上。 电动机经气隙传送到转子的电磁功率为 r 2 p d o = m 2 1 2 2 - - - - - - - - - s 高压电机内反馈数控串级调速系统 其中一部分变成转子的铜损耗： p 0 0 2 = m 2 i2 2 r 2 = s p “ 其余部分才转换成机械功率输出，即： p 2 ：p d c p 。1 1 2 ：m 2 1 2 21 , 2 三二三：( 1 一s ) p d c s 当速度降低而s 增大时，转子的铜损耗增大。因此，从能量观点来看，转子串电 阻调速是将一部分电磁功率消耗在转子电阻上，使实际的输出功率减小，迫使在一定 的负载转矩下，电动机的运行速度下降。 如何设法将一部分消耗在电阻上的电磁功率送回到电网中去，同样达到调速的目 的，又可以提高系统的运行效率。串级调速就是根据这一指导思想而设计的。 如前面所分析： 1 2 t ：墅： 如“+ ( s o ) 2 现在转子回路中引入一个附加电势e ，其频率与转子电势频率相同。在这种情 况下，转子电流为： h ：些些呈。s e 2 0 + e t r 2 2 + ( s x 2 0 i ) 2 r 2 当转子电路中引入附加电势e ，之后，为了保持i 。不变，必然要迫使s 发生变化， 即转速发生变化，从而达到调速的目的。这就是串级调速的基本原理。 由于电动机转子电势的频率是随转速或转差率的变化而变化，所以若获得一个频 率随转速而变化的变频电源是很困难的。工程上通常采用一种中间引入外加电势的方 法来解决这一困难，它将转子电势通过可控硅整流装置变为直流电势u a ，然后再利用 晶闸管有源逆变器提供附加电压u 。，通过改变有源逆变器逆变角8 ，来改变转子电路 的附加电势u 。的大小，进而达到调节异步电动机转速的目的。在该系统中，电动机 从电网吸收的功率为p 1 ，电动机轴上输出的机械功率p 。m p l ( 卜s ) ，扣除一部分附加 损耗后，电动机转子输出的功率约为s p ，这部分功率经变压器回馈到交流电网。因 此这种调速方法不但可达到平滑调速的目的，且调速效率高，是一种具有节能效果的 调速方法，原理见图1 1 。 1 2 内反馈串级调速的特点 在普通串级调速系统中，为了得到合适的调速范围，逆变变压器是必需的，如果 把逆变变压器与电动机结合在一起，即利用电动机的定子绕组作逆变变压器的原边， 在定子绕组上加绕一组三相对称绕组，称之为反馈绕组，作为逆变变压器的副边，将 高压电机内反馈数控串级调速系统 一 墨 c 图l 。1 硅整流一逆变器串级调速系统 f i g u r e1 1c o m m u t a t e t h y r i s t o rc a s c a d ec o n v e r t e r ss y s t e m 使系统比较简单，且省去了普通串级调速系统中所需的逆变变压器及麒网侧控制 设蛰，这就是悫反馈事级璃速系绞魏设计依据。 内反馈串级调速系统除具有普通串级谰速系统的优点外，还其有以下特点： 1 取消了逆变变压器及其网i 赆| | 控制设备。 2 。穰靠反馈绕缰懿矮矩、分布及舞形连接，蒺本土羝瀵了5 次谐波，大太惑弱 了7 次谐波，3 次及3 的倍数次谐波仅在反馈绕缀内部流幼，有效抑制了谐波对电嘲 的污染。 3 为避免有源逆交潞的谐波通过反馈绕组褥感应翻转子电路，反馈绕组在谲速 状态下还外接有补偿及滤波电路，用以补偿反馈绕组内的滞后电流，减小损耗，使系 绕瓣功率瓣数盘器来靛0 4 0 6 ，露提嘉戮0 9 骧上。 4 转子的转差功率阐馈到电机内部( 反馈绕组) ，从而大大地改善了串级谢速 系统的性能。 1 3 高压电机内反馈数控串级调速系统的设计 数字调速系统的实现霄多种方法，全饔孳l 迸设备，价格器贵。简部弓l 滋关捷设备， 并以此为核心，设计外围电路，可以用较小的投资，实现高性能数字调节系统。 据谣凌，嚣蘸闰内在控裁理论蕈霎大多数元嚣箨豹生产承乎上，与蓬努汪无差别， 高压电税内反馈数控串级调速系统 主臻差距在核心部件的制造技术。在调节系统的数字化改造中，局部引进关键设备， 麓够麓诧设计i 窭篪，缀短调试愆絮，驿羝系统造徐，握麓褰压电凝内爱馈串级调逮系 统电控系统的可靠性。 高压电机内反馈串级调遮系统由内反馈调速电机( 定子绕组加绕三相反馈绕组) 与内反馈串级调遵装置构成。 援摆内反馈串缓调速装嚣特点，按其务缝藏部分熬功熊将内反馈数控串级调逮系 绞分为五个部分；控翻擎元、转子转子接潮荦元、交流肇元、平滚单元和章 偿滤波攀 元。各部分按系别化、通用化要求设计，从而构成了备个独立的功能单元： ( 1 ) 控制单元：可实现对串调系统的方式选择、倍号显示与保护，对电动机转 予稿反馈绕组与逆变器闻的各种开关进行媳气操作，用以完成系统的馈电、切换、保 护等凌麓。这些撩作瓣完成翅强赣其孛秘霹编程痔控稍器，窀虿鬏餐弱户薅系统的凄 求丽预先编制程序，对整个帛调系统进行月曛序控制，具有高可靠性和强抗干扰能力。 ( 2 ) 转予控制单元：有起动用接触器1 k m 、转子短接接触器2 k m 、串调投入接触 器3 k m 及频敏电阻器，实现融制起动电流殿增大起动转矩的电机平滑起动过程，待起 动绥寐蜃，短接矮熬器2 魏将转子短接运行。 ( 3 ) 交流单元：有在整个系统中起重要作爝的转予熬流器u r 和逆变器u i 两大蕊 要漱置及其保护器件，实现对系统的手动、自动调节控制。转子整流器u r 由5 0 0 a 、 1 2 0 0 v m d c 整流桥臂模块构成三相桥式整流器，有源逆变器u i 采用两门子公司第四 代全数字式调逮装置6 r a 2 4 8 7 ( 鑫阕管模块式) ，它们搜系统静可靠瞧大大提高。冷 帮袋荫低噪声奄税。 ( 4 ) 平波单元：装有转予盥流回路断路器q f f 、平波电抗器l f 及直流过电流保 护继电器k c ，农转子逆变器巍流回路中串接平波电抗器，其作用有以下几点： 把直流脉动分量在电枫转予中造成的孵嬲损耗限制建允许范围内。 经龟囊壤在袋小工终毫滚瓣仍链绦涯魄滚静连续，避免毫滚繇续嚣雩 起貔转遮涎 增现象。 限制短路电流的上升，使过电流保护燃电器k c 能及时动作，尽w 能避免损坏快 速熔断器。 5 ) 电容零 髅芨滤渡单元：叁与反馈绕缀穗联熬蛰缮每滤波装羲缝残，疆鞋漤狳 遂变器谐波对气陈磁场的影响，提高电机的功率因数。补偿装置的总容量为3 0 0 k v a r ， 分为四组，通过1 1 - 1 4 q f 的分合可得到9 级补偿。 高压电机内反馈数控串缀调速系统电路图见图1 2 。 强中主要攀元( 元件) 说鳃 1 k m 、r f 矮频敏交阻器起动 2 k m 短接转子 3 k m 接通串调 u r 转予换流器，由5 0 0 a 、1 2 0 0 vm d c 整滚桥鹫模块构成3 樱桥式整流器。 ( ；籍壹滚瑟路甑爨器 k c直流阐路过电流继电器 l f 直流咧路电抗器 高压电机内反馈数控串级调速系统 u i 有源逆变器，采用西门子公司第四代全数字式调速器6 r a 2 4 8 7 q f 反馈绕组断路器 k m 反馈绕组接触器 q s 补偿及滤波装置开头 l 滤波用串联电抗器 c 补偿及滤波电容 在此系统中，需要解决的技术关键就是用完成变流单元逆变回路的数字化设计， 代替分离件逆变器；完成数控串级调速系统中控制单元的设计；设计出抑制高次谐波 的滤波回路，抑制高次谐波对电网干扰。这三方面的的设计工作在本文的2 、3 、4 章 中分别论述。 高压电机内反馈数控串级调速系统 2 高压电机内反馈数控串级调速系统中逆变回路的设计 高压电机内反馈数控串级调速系统的设计，其中关键部分是整流与逆变，其核心 技术为三相桥式全可控晶闸管逆变回路，其工作的稳定性及可靠性直接影响着整个系 统。 2 1 模拟式逆变回路工作原理及特点 1 逆变概念的建立 交流变直流称为整流( 或称顺变) ，直流变交流则称为逆变了。电力机车在下坡 时，直流电动机处于制动状态发电运行，机车的位能转变成电能并且反送到电网中去， 即为逆变过程。 电力机车直流电动机电动运行： l ：e f - e d & e ， e d 式中： e f直流发电机电动势 e d直流电动机反电动势 r 。主回路总电阻 电动机车直流电动机在上坡及在平地上电动运行时，直流发电机将发出电能转变 为机械能。 电力机车在下坡及在平地上发电( 回馈制动) 运行： i 。：e d - e f e 。 b 此时直流电动机处于发电制动状态，它发出电能回馈到直流发电机中去，直流电 动机的机械能转换成电能。此种运行过程即为逆变过程。 2 产生逆变的必要条件 现代电力机车正在用大功率晶闸管整流电路代替直流发电机。 整流状态： 高压电机内反馈数控串级调速系统 冗 o u a 产生逆变的必要条件 ( 1 ) 外部条件：一定要有一个与双半波晶闸管电路相对应的直流电势源，在逆 交辩要求这个蠢滚毫势源瓣稷牲霖磊瘸管懿导透方彝一致，其毫势数篷稍大于递交器 直流侧电雁平均值，使电流能通过直流回路回馈交流电网。 ( 2 ) 内部条件：要求双半波晶闻管电路的控制角 诺 旺 u c ，所以tl 导通，t 5 因反向电压而关断。 此时，电流通过t 1 与t 6 ，i d 自e d + 极t 6b 相a 相t le d 一极，电能从直流 电源流向交流电源，直流侧输出电压u a b 。w t lw t 2 期间内，u a u ct 2 导通而t b 因反向电压而关断 电流通过t 1 与t 2 ，i d 自e d + 极一t 2 一c 相一a 相一t 1 一ed 一极，直流侧输出电压 表2 1 晶闸管导通规律 t a b l e2 it h y r i s t o rw o r kr u l e 晶晶闸管触发顺序、导通角及换相节律 闸 管 6 0 06 0 06 0 06 0 06 0 06 0 0 t 1 ； l t 6 u a c ，w t 2w t 3 期间内u c u au a c o ，依然由于e d 的作用，及电抗器的续流作用， 而使t 1 与t 2 继续导通。 到w t 3 时，再触发t 3 ，使t 2 与t 3 导通，输出电压u b c o ；w t 4 再触发t 4 ，使t 3 与t 4 导通：w t 5 再触发t 5 ，使t 4 与t 5 导通，到w t 6 再触发t 6 ，使t 5 与t 6 导通， 再回到w t l ，触发t l 使t 6 与t l 导通。如此循环，周而复始，实现了有源逆变。 高压电机内反馈数控串级调速系统 0 u a b 图2 i 晶闸管导通物理过程 f i g u r e2 it h y r i s t o rw o r kp h y s i c sc o u r s e 1 9 高压电机内反馈数控串级调速系统 这种系统由于采用的是分离元件，受元器件设计和制造水平的限制，存在着一定 的缺陷。突出表现在以下几个方面： ( 1 ) 结构复杂：电控系统的模拟调节部分，大多是1 9 8 1 年全国直流可控硅调速系 统统一设计方案演变而来，由其组成的双闭环调节系统插件非常多，使得整个系统电 路非常庞大。 ( 2 ) 调试复杂：模拟系统的各个插件必须单独调整，然后总体联调。这样，需要 多次重复进行，才能使系统达到较理想的状态，调试周期长，工作量大。 ( 3 ) 故障率高：模拟系统插件中的任何一块的任意一点出现故障，都可能引起整 个电控系统不能正常工作。例如，由于系统参数的变化。引起电流限幅值变化，经常 出现在起动和减速过程中，由于电流超限，引起安全回路动作，造成紧急停车。 ( 4 ) 工作稳定性差：由于采用了大量分立电子元件，工作稳定性差，易受环境温 度、湿度及可调电阻参数变化等的影响。引起系统特性的变化，出现振荡，维修人员 需要经常根据现场情况进行调试修正。若调试不当，还会严重影响安全生产。 ( 5 ) 精确度低：模拟器件本身的特性决定了调速系统的精确度低。有时出现由于 速度控制精度不高而产生的超速现象。 ( 6 ) 维护困难：当出现故障时，需要有较高理论基础和实践经验的人员才能找出问 题所在，因而系统维护困难、维修时间长。 2 2 数字式逆变回路的设计与实现 从目前的可控硅技术发展来看，根据不同的用途已日趋数字化、模块化。数字式 逆变器产品已很多。所谓数字式逆变器，又称全数字晶闸管变流器，是指晶间管变流 器中。包括整流器、变额器( 交一交、交一直一交) 等的控制和调节，全部用数字计算 机来处理。 全数字控制装置与模拟控制装置相比，不仅体积小、功耗少、容量大、调试简捷、 调度性能好，而且还有完善的自诊断功能。 因此，在本课题中要完成对原有模拟式逆变回路的数字化改进，数字式逆变器选 型非常重要，通过查阅资料及进行大量的对比，我们选用了西门子的s i m o r e g k6 r a 2 4 系列( 以下简称6 r a 2 4 ) 全数字直流调速装置作为逆变器，其特点是体积小、结构极 为紧凑，采用模块式结构，便于维护。装置本身带有参数设定单元，不需要任何附加 的没备便可完成参数设定。所有的控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现a 该装置的核心电子组件、可装主电子板、可能用到的附加板都能方便地打开和取 出。外部信号的连接( 开关量输入输出脉冲信号等) 通过相互隔离的组合式端子排实 现，主电子板和段端子排之间的信号交换通过两行扁平电缆完成，装置软件存放于百 括式e p r o m 中，更换方便。 数字式逆变器的控制核心选择了高效能l6 位微处理器，实现了全数字化。 它是一个全可编程系统，用软件实现检测功能、故障诊断、pi 调节、换桥逻辑、 脉冲触发，并可进行在线监测、参数与控制结构的修改、自适应控制、运行状态显示 等多种功能，与过去的模拟控制系统相比，要先进得多了，它具有调试方便，操作简 高压电机内反馈数控串级调速系统 单、运行稳定可靠等特点。同时，该数字系统还向外提供总线和标准接口，能实现和 p c 机的通讯，通过总线与上位机联网，给操作者带来方便，数字电路模块原理见图 2 2 。 触发脉冲电路模块用来产生控制电源( + 2 4 v ，士1 5 v ，o v ) 和同步信号r 、s 、t 。完 成晶闸管门极触发脉冲的分配以及电流反馈和转速反馈信号的传送。转速反馈信号可 以来自测速发电机或逆变直流电压环节。并对相序进行检测和识别，触发脉冲电路模 块原理见图2 3 。 通过原模拟式内反馈串级调速系统逆变回路的分析，根据6 8 0 k w 内反馈电机样本 参数，反馈绕组额定电压为3 9 4 v ，最大工作电流5 2 5 a ，考虑适当的余量，在高压电机 内反馈数控串级调速系统( 6 8 0 k w 电机) 中，采用西门子公司第四代全数字式调速器 s i m o r e gk6 r a 2 4 8 7 ( 额定电压为4 8 5 v ，最大工作电流5 2 5 a8 5 0 a ，晶闸管模块式) 作为本系统中的逆变器。 电路设计见图2 4 。 图中，5 s a 、6 s a 为转换开关，1 w 、2 w 为转速调节电位器。 对6 r a 2 4 8 7 的关键参数的设定如下： p 0 7 0“2 ”：选用4 0 0 v 整流器用触发板。 p 0 7 1“4 0 0 ”：逆变器电源电压4 0 0 v 。 p 0 7 2“6 3 0 ” ：逆变器直流侧额定电流6 3 0 a 。 p 0 7 4“0 0 1 ”：单象限工作。 p 0 8 2“0 0 0 ”：不用励磁。 p 0 8 30：不用速度反馈。 p 0 8 4“2 ”：选用电流闭环控制。 p 1 0 90 ：与速度有关的电流限幅被禁止。 p 1 5 0“9 0 ”：q6 ( 即0m a x ) = 9 0 p 1 5 1“1 5 0 ”：o 。= 1 5 0 ，即b m i n ：3 0 。 p 1 5 30 ：电枢前馈控制被禁止。 p 1 5 4“l l ”：电流调节器为p 、i 、调节器。 p 1 5 5“0 1 ”：电流调节器比例系数为0 1 。 p 1 5 6“0 0 5 0 ”：电流调节器积分时间常数为5 0 m s 。 p 3 0 3“2 0 0 ”：斜坡上升时间为2 o o s ，。 p 8 5 0 1 1 = 4 2：禁止f 0 4 2 ，即测速机故障被禁止。( 需完善) 由于在直流调速器6 r a 2 4 内部提供了一系列可以自由选用的软件模块，它们可以 通过参数设定插入到软件的任一个软开关中，这就为我们实现电流逆变功能提供了极 大的方便。 经过实际应用证明，用全数字直流调速器6 r a 2 4 作数字式逆变器，完全能够满足本 系统中电流逆变要求。6 r a 2 4 调速器控制精度高，运行稳定可靠，使电机的电流，转 矩，速度控制达到了较高的精度， 高压电机内反馈数控串级调迷系统 图2 2 数字电路模块 f i g u r e2 2d i g i t a lc i r c u i tm d u l e 高压电辊内爱馕数控率疑谣速系统 图2 3 触发脉冲电路模块 f i g u r e2 。3 b u r s ti m p u l s ec i r c u i tm d u l e 高压电机内反馈数控串级调速系统 2 4 高压电机内反馈箍控串级诵逮系统 3 高压电枫肉反馈数控睾级调速系统中控制系统的设计 3 。1 模拟式串缀调速系缆巾控刘系统特点 在模拟式串级调速系统中的控制系统，主要由常舰的继电保护元件实现系统的控 制，其电器元件多，接线繁杂，控制回路如有变动均需改动硬件，功能上也受到了很 大的限制，很赡实现复杂的控制任务，因此，原模拟式串级调速系统中的控制系统， 哭麓突藏一些壤辩重要熬控铡工终，其它蘩由天工按搡终痰翟完或，这羲遣藏霆i 蠢麓 审级调速系统控制操作程序复杂，不利予它的推广使用。 3 2 可编程序控制器的定义及特点 1 可编程序控制嚣的定义 国际电工婺员会( i e c ) 在1 9 8 7 年2 月通过了对它的定义：可编程控制器是一种数 字运冀操彳乍匏旗子系统，专为在工韭环境威爝两设计的。它采角一类攀绽程豹存镄嚣， 瘸子萁内部存储程序，撬孬逻辑运算，| 蘸序控隶l ，定辩，诗数与算术搽作等面氪髓户 的指令，并通过数字或模拟试输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编襁控 制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的 原则设计。 2 可编程序控制器的主要特点 ( 1 ) 高可靠性 爨有熬i 0 缓嚣电路均袋建光电隔离，搜工韭现场戆辨电路与p l c 跨霞电路之阕 奄气上隔离。 各输入端均采用r - c 滤波器，其滤波时间常数一般为i 0 “2 0 m s 。 各模块均浆用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用性能傍怒豹开关毫滋。 对采爱貔器传进雩亍严格戆筛选。 庭好的自诊断功能，一盥电源或其他软，硬件发嫩异常情况，c p u 立即采用裔效 措施，以防止故障扩大。 大型p l c 述可以采用由双c p u 构成冗余系统或有三c p u 构成表次系统，使可嚣性 爨遴一多提毫。 ( 2 ) 丰富的i 0 接口模软 p l c 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；