（电气工程专业论文）发电机电动盘车装置研制.pdf

西安理工大学工程硕士学位论文 s u b jec t ：e 1e c tr ic t ur b i i 3edr i v i n ge q u i p m e n t m a jor ：e 1 ec tr o n ic e n g i n eer a 1 1 t h or ：l isa r l j ie t u t or ：y uj ia r l m i n g z h o n gc he n g w e n e 1 e c t r i ct u r b i n ed r i v i n ge q u i p m e n t s 1 1 m m a r y ： ir lt h is p a p er i t sm a i n l y d iscusse dt hee l ec tr ic t ur b i ne d r i v i n ge q u i p m e r l tr le e de d b y t he40 0m w h y d r a u l i cp o wer ge n e r a t orso ft hel i - j iam o u n t a i nt o carr yo u tt h ea x is m o d i f y i n gw h er li tsc hec k ir t ga r l d re pa ir i n g i t sd e t a i l e di n tr o d i lce dt h e c o m p 0s i n g pr i nc i p les o ft hee 1ec tr ict ur b i l 3 ed r i ver e q u i p m e n t a n dt h ed es i g n i n gi d e a so ft h ee 1e c tr ict ur b i nedr i ver e q u i p m e n to ft h e40 0 m wh y dr a u l ic p o w er ge n e r a t or c o m b i n i n g w i t ht he1 1 1 0 t ora n da u t 0r f la t i cc o n t r 0 1 t heor ies a n dt h edeve l o p e dt hee 1ec tr i ct ur b i n e dr i v er e q u i p m e 1 1 th asbee ns uc cess i ve 1 yuse di nt he l i j iam 0 1 i n t a i n p o w e r p 1 a n t a 1 3 dt h ex ia o - lo _ n g d i p o w er p 1a n t t odr i vet ur b i ne t h es u cc ess f u l d e v e l o p m e n t o ft h is e qu i p i ne n t h ass 0 1 ve d t he pr o b le n ls o ft het ur b i nedr o ve b y h a l 3 dw h er lt he ba t ter ieso fh y d l - a u l i c p o w er g e n er a t o rsi nc h ec k i n g a 1 1 dre pa ir i n ga n d i m p r o ve dt h ee f f ic i e nc yo ft he r e pa ir i ng i th asacer ta i n i ne a n ir l gso ft he p rac t ica 1 ir ls tr uc t i or lsar l d a p p l i c a t i o 1sf ort hec h e c k i l 3 9 a n d r e p a ir i l l g ，i ns t a l l i n g ，1 t i a i n t a i n i n g o ft he ge ner a t or b a t t er ieso ft h ek i n dso f b i g orm e d i u mh y dr a i i l ic 西安理工大学工程硕士学位论文 p o w e rp 1a n t s k e y w or ds ：p o w e rr ec t i f y i n g ，c 0 n t r 0 1 ，e l ec t r ict u r b i l l e dr i vere q u i p m e n t h y dr a u l i cp o w erg e l l er a t 0r 西安理工大学工程硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研制盘车装置的意义 水轮发电机在运行中，由于轴线的倾斜使机组的重 心发生变化，导致机组转动部分的离心力及惯性发生变 化，在推力轴承处产生周期性交化的负载，从而引起机 组不正常震动，造成机组摆度增大使导轴承和推力轴承 承载力发生不正常变化，工作条件恶化，加速围定机构 与转动部分配合面的磨损，严重的还会造成各部轴承瓦 温升高引起烧瓦事故发生。所有这些都会造成发电机的 事故停机，造成巨大的经济损失。因此在水轮发电机安 装或检修后必须进行机组轴线的测量求出各导轴承每 一块瓦的摆度值，并经计算后进行调整，确保发电机的 摆度值在规程规定的范围之内，以使发电机的轴线倾斜 和曲折度符合标准。要解决轴线和摆度测量工作，就必 须采用盘车的方法。发电机盘车通俗的讲，就是通过给 发电机施加外力使发电机匀速稳定的低速旋转。盘车的 目的就是让发电机低速转动，测量出发电机各部轴承的 摆度值，通过计算用图解法绘出摆度曲线，分析盘车数 据的正确性，求拙摆度的大小和分布情况，以判断出轴 线的倾斜和曲折程度。根据摆度超标值进行相应的机件 处理。刮削导轴承瓦面，调整推力头与镜板间的绝缘蚺 和薄铜垫，处理法兰结合面等。直到机组的实际轴线符 合规程的标准要求。 1 2 目前发屯机盘车的现状 目前国内盘车方式有三种人力盘车、机械盘车、电 动盘车。人力盘车就是利用合理的机械褂点采用钢丝 西安理工大学工程硕士学位论文 绳、导链盘车或者直接用人力推，这类盘车适用于小机 组，对大型水轮机来说多采用利用发电厂厂房的大型天 车通过滑轮组和合理的固定点使发电机转动，其缺点是 需要大量的人力和物力，况且发电机转动的匀速性非常 差，测量点不好找准，影响摆度的测量和准确度，盘车 的重复次数也很多，最大的弱点是安全矛盾非常突出， 对人身和设备安全隐患很大，所有这些对企业来说都是 无法接受的，所以目前此种方式以基本趋于淘汰。机械 盘车是利用在发电机大轴上加装齿盘，外加齿轮变速装 置使发电机匀速转动，这种装置在些新投入运行的某 些技f 乜，一得以采用，优点是盘4 i 过程平稳、测疑点h j ：锏， 缺点是需要对裁l 缀转动部件进亿刚加装鼹，埘帆组 j 况 有影响，况口簿台机都讯i 姗装此装靛投资赞朋大u 此装 骨对，枝他 u 厂的桃组汝阿髓刚性，这刈0fj 从。n 笈ll lj 检修和安设的企业来蜕是不实川的。 = i 动髓车装胃鲢利 用电机学原理通过给发电机转子、定r r 施加直流电使发 电机定转子之间产生磁拉力使发电机转动。最早的电动 盘车设备非常简单，就是利用几十台直流电焊机电源并 联，分别给发电机定子和转子施加直流，通过人的操作 经验分别给定予换相。这种盘车的缺点是需用电焊机电 源很多，大型接触器损坏；c 重，人的操作经验决定着盘 车的成功与否并且测量点也不好照准，重复性盥车多， 自动化水平基本没宵。据我 f ：j 了解以前水电四周在安装 的水轮发电机投运j j 多采用这种方式。丛于这种古老的 电动盘车方式近些年自动化程度高、投资小、效率高， 具有可移动性、通用性强的电动盘车装置逐渐产尘，这 种盘车装鼹非常适合流域集中检修，但在技术上要解决 西安理工大学工程硕士学位论文 磁拉力不平衡问题和测量点准确问题。电动盘车装髯目 前国内并无批量生产的产品，掘我们电力行业所掌握的 情况目前电动盘车有两种，一是用多台直流电焊机电源 并联使用进行盘车；二是一些私人电气公司生产的电动 盘车装嚣，但这种装置技术含量一般偏低，操作不便所 以并未形成批量生产。 1 3 论文所要做的主要工作 1 3 1 本盘车装置所要解决的实际问题 此次研制发电机电动盘车装嚣主要任务是根据用 户( 黄河流域发电厂集中检修公司) 所提供的发电机参 数和所需要的盘车功率研制。此盘车装罱主要是解决青 海省李家峡电厂发电机单机容量为4 0 万k w 机组的盘车。 1 3 2 李家峡4 0 万k w 机组的参数概况 发电机型号：s f 4 0 0 4 8 1 2 8 0 0 额定容量：4 4 4 4 4 4 千伏安 额定功率：4 0 0 0 0 0 千瓦 额定电流：1 4 2 65 安培 额定电压：1 8 0 0 0 伏特 定子接线方式：6 y 并联支路数：6 a 每相每级槽数：4 节距：1 一l l 一2 5 转子电压：47 5 安培 转予电流：l7 l2 安培 磁极数：4 8 相数：3 功率因数：0 9 一一一 望墨兰三查堂兰垦翌主堂堡笙查 额定转速：l2 5 转分 转动惯量：8 5 10 0 0 0 吨米平方 推力轴承摩擦系数：0 4 左右 转子直径：1 1 6 8 0 m m 1 3 3 盘车装霞所要达到的技术要求 在盘车装置结构设计、转子柜控制方案、定子柜控 制方案、自动控制和保护系统以及整流器体等方面的设 计和技术，要遵循设计合理、技术先进、性能稳定、使 用可靠、运行安全、维护方便、通用性强，孩盘车装黄 可通用于相同结构，单机容量不小于4 0 万k w i 句机组盘 车。 j 3 。4 盘车装簧的结构布局 哥玎制h 的盘车装咒何二个柜体，分别是 予整流 j = | _ i 、定，整流彬莽 0 ，熬漉兼挎制枷列i 戚。占地嘶犯， k i1 、- 珏浆? j 西安理工大学工程硕士学位论文 第2 章电动盘车装置的基本原理 本技术方案依据有关同步发电机的原理和单机4 0 万k w 机组的技术条件而设计，该项目在盘车装置结构设 计、转子柜控制方案、定子柜控制方案、控制及保护系 统以及整流器件等方面的设计和技术都遵从安全、可靠、 实用、先进的特点。 ， 2 1 电动盘车原理 2 1 1 支持电动盘车的电机学基本原理 同步电动机原理：三相交流电机的转子转速与定子 电流的频率满足方程式。：坐的关系，称为同步电机。 p 其负载改变时，只要电源频率不变，转速就不变。同步 电动机的定子三相对称绕组接到三相对称电源上时，就 会产生三相合成旋转磁通势，称电枢磁通势，用空间向 量f a 表示。其转向为逆时针方向，转速为同步转速，如 图l 。 d黼 ? ( nb k 4 1 fr 圈1 同步电机原理蚓 西安理工大学工程硕士学位论文 考虑起动过程，认为其转子也是逆时针方向以同步 转速旋转着，转子上的励磁绕组里通入直流励磁电流 i f ，产生的磁通势称为励磁磁通势，用空间向量f o 表示。 f o 相对于转子是静止的，相对定子也以同步转速逆时针 方向旋转。所以作用在同步电动机的主磁路上共有两个 磁通势：一为电枢磁通势f a ，一为励磁磁通势f o ，二者 同步旋转，但在空间却不一定位置相同。 认为主磁路是线性磁路，即作用在电机主磁路上的 各个磁通势：可以认为它们在主磁路里单独产生自已的 磁通，当这些磁通与定子相绕组交链刚单独产：生自己的 相f 巳动势。 励磁磁通势f 0 单独在r 氛机主磁路最产生磁通势的 情况：如瀣i 曲! 定两个轴；将转下一个n 极和一个s 极的 - i l 正p 线韵：级l l ，成1 1 牟吐l ；纵烈 牛f e h9 0 筻，f jl i l 期f 筻的 地万称为横剥 ，或称q 轴d 轴q 轴郝随转f | l ：j 蜒 图【中励磁磁通势作用庄纵轴方向，其单独产生的磁通 叫励磁磁通o0 ，经过的磁路是依纵轴剥称的磁路，并且 中0 随着转予起旋转。 考虑电枢磁通势f a 单独在电机主磁路覃产生磁通 势的情况：由于f a 与转予之问无相对运动，把电楸磁通 势分成两个分量：一个分量为纵轴电枢磁通势f a d ，作 用在纵轴方向；一个分量叫横轴电枢磁通势f a q ，作用 在横轴方向，即 分别考虑纵轴电枢磁通势f a d ，横轴电抠磁通势f a q 单独在主磁路罩产生的磁通中a d 和中a 0 ，其结果城等于 考虑了电枢磁通势f a 的作用。而f a d 永远作用在纵轴方 西安理_ t - 大学工程硕士学位论文 向，f a q 永远作用在横轴方向，尽管气隙不均匀，但对 纵轴或横轴来说，都分别为对称磁路，这就给分析带来 了方便。这种处理问题的方法，称为双反应原理。 图2同步电机俯视图 如图2 ，电动盘车原理是当转子线圈和定子任一相 线圈同时通以直流电流时，则定子和转子之间产生相互 作用力，由于同极性相斥，异极性相吸使转子旋转，当 转子磁场转到与定子磁轴一致时，暂时平衡不动，如切 除该相电流使相邻另一相定子绕组通以电流，则转子转 过一定电角度。如此重复使定子绕组按一定次序通以直 流电流并按一定频率换相，可使转子按一定速度和方向 转动。从而达到盘车的目的。 同步电机极对数p = 2 4 ，则转子在定子绕组电流每次 换相时，旋转的空间电角度为3 6 0 。：1 5 。 位置检测器检测到的机械角为0 时，转子实际上转 过的电角度0 ( t ) = p 十0 ( t ) 2 。可知，注入同步伺服 7 西安理工大学工程硕士学位论文 电机定子中的三相电流应为 i a = i sc o s o e ( t ) ( 2 2 ) i b = ：j o o s o ( f ) 一1 2 0 。】 ( 2 3 ) i c = i s c o s o e ( t ) + 1 2 0 0 ( 2 4 ) 根据测量到的转子位置控制定子电流与之同步，可 保证电机不会失步，并使力矩角维持在最佳值9 0 度。 2 1 2 李家峡电厂发电机电动盘车装置原理分析： 图3同步电机结构图 定子 法兰盘 西安理工大学工程硕士学位论文 如图3 所示为同步发电机结构图，在电气盘车设计 中可考虑其外部高度3 0 m ，转子轴外径12 m ，由于轴径大、 轴很长，所以转予轴是由三段形成并有法兰盘连接起来 的。由于转子外径与定子内壁之间间隙只有2 5 m m ，轴心 若不在一条直线上对齐z 转子旋转时将产生摇摆震荡， 如果摆度过大将会造成重大事故。所以在对发电机进行 安装、维修后组装时，需要旋转转子，以调整法兰盘使 轴的各部分的轴心处于一条直线上。 以前所用的盘车装置为机械装置，需要人力拉动转 子旋转，费力而且效率低下。所以设计本电气盘车以代 替机械盘车，提高盘车质量和效率，不仅满足提高盘车 自动化和操作水平必须遵循的基本原则的要求，而且本 电气盘车装置设讨合理、技术先进、性能稳定、使用可 靠、运行安全、维护方便，完全能满足现场的需要。 b 定子分析： 定子线圈均为双层波绕组，共5 7 6 槽，绕组节距l 一11 2 5 ，每相每槽数为4 ，接线方式为6 y ，每相并联 支路数为6 ，节距1 一1 1 2 5 是指绕组的第一节距和第 二节距之和为2 4 ，即y = y 1 + y 2y l = 1 0 ，y 2 = 1 4 ，合成节 距y 为2 4 。以a 相为例，每个节距共占2 4 个铁芯槽， 当a 相通入直流电流时，单向形成每隔2 4 槽均匀分布的 2 4 个头，2 4 个尾，呈顺时针分布于定子3 6 0 度铁芯槽内， 在空间上形成aa aa bb b b c c c ca x a x h x a xb y b yb yb yc z c z c zc z 依次排列。定子铁芯共 57 6 槽，相数为3 ，应而a 相所占槽数为5 7 6 3 = 1 9 2 槽， 又因为并联支路数为6 ，所以在定子上形成19 2 6 = 4 8 个 磁极，2 4 个n 极，2 4 个s 极。由上述分析可见：从一个 西安理工大学工程硕士学位论文 极到下一个极间隔两相，共8 根线棒，即3 6 0 2 4 = 15 电角度。 c 转子分析： 转子为凸极式结构，共4 8 个磁极，磁极线圈由扁铜 线由下向上按逆吖针方向绕制2 6 匝，4 8 个磁极串接在 一起，形成n 极s 极，对称排列，空间间隔15 电角 度。可见转子通入直流后所形成的磁场于定子绕组各相 依次通入直流后所形成的磁场相对应。 当定子某绕组与转子绕组同时加入直流电流时，同 极性相互排斥，不同极性磁极问相互吸引，当形成的合 成磁力大于发电机转子的转动力矩并克服摩擦力矩时， 转子将发生转动。 西安理工大学工程硕士学位论文 第3 章主要技术条件 3 1 结合李家峡电厂4 0 万k w 水轮发电机组实 际考虑的基本设计参数 3 1 1 电气原理及参数计算 从能量守恒观点和z 程应用来看，本论文的参数计 算侧重于现场应用。 空载时所需的电磁转矩： 乙( 电磁转矩) = t o ( 空载转矩) + t 2 ( 输出转矩) ( 3 一1 ) 检修时t ：为零，所以有转矩平衡条件 l = 瓦 空载时转动摩擦力矩： ：芈 ( 3 2 ) g 一转动部分总重量( k g ) 世。一推力瓦轴承摩擦系数，对于猪油润滑条件 下，一般( 0 3 - 0 4 ) 。计算时由于足。是不定 值，所以取k 。= 0 4 作为计算定子电流地取 值。 推力瓦旋转摩擦直径： 见= 妄( d 3 一d s ) “d 2 一d 2 ) ( 3 3 ) j d 一推力瓦外径 d 一推力瓦内径 李家峡水轮发电机基本参数： 有功功率只= 4 0 0 m w额定电流，。= 1 4 2 6 5 a 功率因数c b s m = 0 9额定电压u 。= 1 8 0 0 0 v 西安理工大学工程硕士学位论文 额定频率f = 5 0 h z 转速n = 1 2 5 r m i n 级数2 尸= 4 8 额定励磁电流，= 1 7 1 2 a 转动部分总重量g = 1 4 0 0 0 0 0 推力瓦外径d = 3 9 0 m 推力瓦内径d = 2 6 5 m。 定子直径为1 1 8 m 将有关基本参数带入公式可知： d 。= 3 3 1 4 ( m ) 乙，= 9 2 7 9 2 0 ( n m ) 空载转动功率： = 瓦，q = 1 3 5 9 7 1 2 1 ( w ) ( 3 - 4 ) q ：丝( 这里考虑到发电机在盘车时的转速不能太高和 o u 便于测量，况且导轴瓦有十四块，所以取r l 为1 4 转分 钟) 因为李家峡电厂发电机地励磁电压为4 7 5 v ，励磁电 流为17 l2 a 。考虑到转子绝缘和发热问题并且计算方便。 转子整流柜设计时可取励磁电压为2 0 0 v ，励磁电流为 2 5 0 a 并且忽略铜耗、铁耗气隙磁损。则： 励磁功率： p = 2 5 0 x3 0 0 = 7 5 0 0 0 ( w ) 电枢功率： 只= 只r 一只= 1 3 5 9 7 1 2 1 7 5 0 0 0 = 6 0 9 7 1 2 1 ( w ) ( 3 5 ) 为了定子柜尺寸不易太大，绝缘水平自然要考虑底 况且可控硅耐压值也不易太高以降低造价。在发电机盘 车时由于在发电机内部还要有人工作，所以发电机定予 所加的电压不易超过人体安全电压3 6 v ，因此定子电压 在计算时可考虑3 0 v 。则： 西安理工大学工程硕士学位论文 p d = u l - i l ，= 2 0 3 2 3 7 ( a ) ( 3 6 ) 就是说，发电机从静止到缓慢转动，当转子电压加 2 0 0 v ，转子电流加2 5 0 a 。定子电压加3 0 v ，定子盘车电流 加到2 0 3 0 a 时发电机转子就应该转动。实际盘车中，我 们的实际转子电流加2 咖a ，转予电压加2 0 0 v 。定予电压 加3 0 v ，定子盘车电流加2 0 0 0 2 5 0 0 a 时，发电机就已 经盘动，与计算数值基本相符。但是出于用户考虑到以 往直流电焊机的盘车的经验和盘车装置的富余度，以及 今后检修更大发电机的需要坚持电动盘车装置的设计转 子整流柜输出电流要到8 0 0 a ，定子整流柜输出电流要到 6 0 0 0 a 。 3 1 2 供电电源： 电网电压：3 8 0 v 频率： 相数： 电源容量：最大7 0 0 k v a 气象条件：极端温度：一16 9 度，+ 4 3 3 度 地震烈度：v i l 级 雷暴日期：19 4 d 盘车装置额定参数： 转子柜直流额定电压：v d n = 2 0 0 v 转子柜直流额定电流：id n = 8 0 0 a 效率：9 5 ( 包括变 压器组) ，整流器效率9 8 转子柜整流机组数：n = l 转子柜整流机组脉波数：p = 3 西安理工大学工程硕士学位论文 定子柜直流额定电压：v d n = 3 0 v 定子柜直流额定电流：i d n = 6 0 0 0 a 定子柜整流机组数：n = 3 定子柜整流机组脉波数：p = 6 3 2 盘车装置技术条件 3 2 1 整流方案的选择 图4两种整流方案的比较示意图 整流方案如图4 ，整流电源分别供电给a 、b 、c 三 相定子绕组，有两种方案，一种如图4 a ，用一组整流桥， 分别用开关s 1 、s 2 、s 3 切换，每次给一组绕组供电，这 种方案节省了晶闸管用量。若使用机械开关，则体积庞 大、噪声严重，且分断电流达6 0 0 0 a 的开关价格也很昂 贵；若采用电子开关，需要使用分断电流很大的开关s 1 、 s 2 、s 3 ，目前还未有分断能力高达6 0 0 0 a 的晶闸管，即 使采用并联等方式解决，也将带来均流等一系列问题， 经济上不和算。故采用方案2 ，如图4 使用三组整流桥， 在脉冲触发处控制，用一组脉冲发生装置分别给三组整 西安理工大擘工程硕士学位论文 流桥发三组间隔的脉冲，输出间隔的励磁电流给三组定 子绕组，以达到驱动转子旋转的目的。这种方案虽然增 加了整流桥和脉冲发生装置，但是其控制在弱电端实现， 减少了开关器件的总电应力和功率损耗。 3 2 2 整流接线方式 转子盘车整流接线方式：三相全桥晶闸管整流，可 工作于整流及逆变方式。定子盘车整流接线方式：双反 星行晶闸管整流，可工作于整流及逆变方式。 3 2 3 电动盘车装置技术条件 a 结构安装方式： 分为转子盘车整流柜，定子盘车整流柜，定子变压 器柜，定子变压器柜以最短引线方式和定子盘车柜相连， 两柜并排放置。 b 转子盘车整流接线方式： 三相桥式可控硅整流，可工作于整流及逆变方式。 c 定子盘车整流接线方式： 双反星型可控硅整流，可工作于整流及逆变方式。 d 转子盘车整流采用高可靠晶闸管： 型号k p 1 0 0 0 a 25 0 0 v 。定子盘车整流采用高可靠 晶闸管，型号k p 一2 0 0 0 a 2 0 0 v 。 f 选用分断能力l o k v 的p s h 一1 2 0 0 a 15 0 0 v 型快速熔断器。 g 整流柜电流安全裕量k a i 2 5 ，电压安全裕量k a u 3 。 h 负荷等级：i i 级( 10 0 连续可调) 。 i 冷却方式：采用低热阻，高效型材散热器，风冷却。 j 遥控电缆操作盒，可实现近方和远方盘车操作。 k 盘车整流柜输出电压、电流连续可调，控制电路采用最新 集成触发技术保证整流及逆变的可靠性。 西安理工犬学工程硕士学位论文 1 调压方式采用可控硅移相调压，为了减小低压下的纹波保 证盘车稳定，定子变压器输出分两档，调压范围1 0 l o o 。 m 停车和换相时，装置有逆变功能。 n 设有自动连续盘车和手动盘车方式，每种方式操作可以近 控和远控操作。 3 2 4 监控和保护系统： 盘车装置参数的监控与保护设置是否合理、完善、 动作是否可靠将直接影响到整个系统的运行可靠性和使 用寿命。本系统设有完善的监控保护系统( 盘车整流柜内 设置) 。 a 监控回路： 是由电压表、电流表、信号灯、开关、按钮组成。 它们能监视电源工作情况、工作状态、输出大小以及对 盘车装置进行操作。 b 主回路操作过电压保护。 在装置进线处设置高能氧化锌电阻和接入星型连接 的电容进行双重有效保护。 c 晶闸管换相过电压保护。 在最靠近晶闸管处安装容量参数合适的阻容元件， 进行阻容吸收保护。 d 晶闸管故障保护。 采用与晶闸管串联的快速熔断器报警。当一只熔断 时跳闸。 e 过电流、短路保护。 当负载发生短路或电流超过额定值的15 0 时过流 保护动作并发出报警信号。 西安理工大学工程硕士学位论文 f 过热保护。 当散热器温度超过7 5 。c 时。过热保护动作并发出报 警信号。 g 控制回路故障保护。 当控制回路电源出现做障时，发出控制回路故障保 护信号。 h 缺相保护。 当任意相缺相时，发出保护信号。 西安理工大学工程硕士学位论文 第4 章电动盘车方案设计 及原理分析 4 1 电气盘车系厩实现总结构图 图5 电气盘车总结构示意图 如图5 为电气盘车的总结构示意图，继电器板详图 见附图a ，转予整流电路详图见附图b ，定子整流电路图 详图见附图c ，脉冲控制电路详图见附图d 。 继电器电路逻辑时序关系如下： 继电器电路控制脉冲分别向定子三相整流主电路输出， 以分别给同步电机定子三相绕组供电。 s w a 按下，继电器c j a 得电：1 ) 常闭触点c j a 一1 打 开，使b 相不通。2 ) 常开触点c j a 一2 闭合，继电器c j a l 西安理_ y - 大擘工程硕士学位论文 得电，c t a 卜1 闭合，c j a 卜l 一直得电，c j a 卜2 一直闭 合。 s w a 按下，继电器c j a 2 得电：1 ) 常闭触点c j a 2 1 、 3 打开，禁止b 相得电导通。2 ) 常闭触点c j a 2 2 、4 打 开，禁止c 相得电导通。3 ) 常开触点c j a 2 5 闭合，继 电器c j a 3 得电：c j a 3 i l 闭合，保持c 7 a 3 一直有电； c j a 3 2 闭合，指示灯l a 亮。 s w b 、s w c 开关逻辑次序与s w a 类似。 图6脉冲控制电路结构示意图 4 2 盘车转子整流电源方案设计 盘车转予整流电源的主整流采用三相全桥整流结 构。配备一台整流变压器，整流变压器副侧绕组分为两 档，其原边采用三角形接法，副边采用星形接法。这样， 系统不仅大大减少了对电网谐波的干扰，也使输出整流 电流中的波形更为平稳。整流柜由三相半波可控整流臂 构成，每个整流臂采用大功率低损耗晶闸管 k p l 0 0 0 a 2 5 0 0 v 元件，每只晶闸管元件串联一只高分断 能力的快速熔断器r s h l 2 0 0 a 1 5 0 0 v 。停车时，具有逆变 西安理3 - 大学3 - 程硕士学位论文 功能。本主整流方案系统图见图7 。 v t l v t 3 v t 5d f 一亡一c 么么 j d l b 。曩 巧一f 一f 墨么么 v t 4 v t 6 v t 2d 2 图7三相桥式全控整流电路原理图 由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向 电流；而共阳极组在负半组周导电，流经变压器的是反 向电流。因此变压器绕组中没有直流磁通势，每相绕组 正负半周都有电流流过，提高了变压器绕组的利用率。 影 0 w 。 国 饔 ， 、! ，7 ，j ：函、 ， 弋i i j ：c ，、，、 y 卜一 i i ：i i i 爵公 x ，、 、 ，、 “c ai “c b l “a ci “b c 、 鼹 、 f 龄 。 潍：、 、 、 j 釜j憋? i 、戳 、， 、 ， 、 ， 、一、 ， 、， ， ， ，7 ， 、 ：) 一一 图8 三相桥式全控整流电路带阻感 负载d = 0 。时的波形 2 0 西安理工大学工程硕士学位论文 感性负载时，整流输出电压就是三相半波整流电路的两 倍： u d = 2 3 4 u 2c o s d = 1 3 5 u 2 l c o s c e ( 4 1 ) 乩，为变压器二次绕组的电压有效值。 为了减小谐波分量，整流变压器分为两档，当触发 角在较低范围变化时，使用较低电压档，当触发角变化 到较高范围时，斩波切割波形使其畸变较大，导致谐波 分量变大，则调整到高压档，需达到相同平均电压的触 发角相应变小，即达到了减小谐波的目的。 图9触发角变化时变压器分档示意图 由图9 的波形可以看出，负载电压和负载电流均不 是正弦波，含有大量谐波。以电阻负载为例，对负载电 压进行谐波分析。由于波形正负半波对称，所以不含直 流分量和偶次谐波，可用傅立叶级数表示如下 “。( w f ) = ( a n c o s n w t + b n s i n n w t ) ( 4 - 2 ) n = l ，3 ，5 ， a 1 ：掣( c o s 2 口一1 ) = 一i c z 口一1 ) 2 厅 、 7 址掣 s i n 2 0 r + 2 ( 刀 - - 6 9 ) 2 石 ，j ( 4 - 3 ) ( 4 - 4 ) 西安理工大学工程硕士学位论文 编= 等 熹 c o 咖+ 1 ) 州卜击 c 0 啪叫川 ( 聆= 3 , 5 ，7 ，- - )( 4 5 ) 如= 等矗咖( 川炉击s i n ”，m ( 卯= 3 , 5 ，7 ，- - - )( 4 6 ) 由公式推导可知：整流装罱所含谐波成分由变压器 一次咆擅：阳整流器触发角决定。褶同电压输出的条件f ， 各次谐波幅值增炎，触发角口j 棚厦减小。整流变压器二： 次输f ：f ；电j 1 i 在一次侧分乃两梢，布 湫i 0 1 | j 分梢：要。苗虑 次洲f 乜流较小，分# 1 j 较妫吱现。分档聒输j lj 0 ：# 转，k 时 j 高胍梢，以保证足够f t 9 功率输出；输出功率鞍0 、l i , j 聚用低压档，以保砭较小的触发角。因为住输出功率较 小时，导通波形面积小导致谐波含量增加，变压器若调 ：宵到低压档，就可使整流装置在输出平均电压相同情况 下溅小触发角，达到减小谐波含量的目的。 转予绕组的三相全桥整流方式的谐波分析： 将整流平均电压按傅立叶级数展开得 陆廊知兰 1 + 三c o s 6 w t - 丽2cosl2wt+6 3 5 三3 2 3 c o s 9 w z 玎 。 1 4 3 一- - ，三，c o s 2 4 w t + 】 ( 4 7 气7 弋 1、 7 整流电压的有效值u 为 西安理工大学工程硕士学位论文 u = 艇蓼而勘 ( 4 8 ) 谐坡分量中第n 次谐坡电压的有效值u n 为 u n = 击厨= 击西( 4 - 9 ， 负载上的整流电压的有效值u 为 u = 矾o + 2 ( 4 1o ) vu 、一。7 谐波分量( 也定义为纹波电压) 的有效值u 。为 u r = 厨i = 瓜( 4 - 1 1 ) 定义电压的纹波因数为 i i r = i _ ( 4 12 )“ o ”“7 将上几式代入得 孤 vh 。乙0 0 去十罢。i 1 1 丝一譬s i n ：三】； l 一十s 1 一_ 一一l 24 石m厅2m 。 研刀 一s i n 一 石聊 ( 4 13 ) m 为相数，相数越多，输出直流电压的交流分量就 越小。m = 6 时，纹波因数一，已很小，只有6 次，l2 次， i8 次等谐波电压。 4 3 定子盘车整流电源方案设计 在本项目中，定子绕组需要低电压大电流的可调直 西安理工大学工程硕士学位论文 流电源，如果采用三相半波电路，则每相要好几个晶闸 管并联，使均流、保护等一系列问题复杂化，还有直流 磁化、加大容量的问题。如果采用三相桥式电路，整流 器件的数量加倍，器件并联数未变，却有两倍的管压降 损耗，降低了效率。为此特采用带平衡电抗器的双反星 形晶闸管整流电路，如图1 0 。配备一台整流变压器，整 流变压器阀侧绕组分为两组，原边分为两档，原理如前 所述。其原边采用三角形接法，副边采用双反星形接法。 变压器二次侧两绕组的极性相反可减小变压器的直流磁 贽，与六相半波整流电路相比，变压器二次绕组的利用 率提高了倍，所以变压嚣的设备容量褶埘较小。波苜 电感鬃足够大的l 的平衡电抗器以保证两组三相i 弘波绉 流 b 蹄能l 司州导f “：，每组承担半负载。两组j 耕i 波 u 路女发5 i ：，够fl l y ：r 作，f 堂g 目0 憋薪i 也f l 波形、j f f 熬 流的波形相h ，整流 uj t , if j 脉动+ 晴况比斗| 二卜波附小的 多。这样，系统大大减少了对电网的谐波1 二扰。 圆10 带平衡电抗器的敏反屎形可控糕流l u 路 西安理工大学工程硕士学位论文 每一整流器件承担负载电流id 的一半，整流器件流 过电流的有效值，电感负载时为0 2 8 9 id ，所以与其他 整流电路相比，提高了整流器件承受负载的能力。 设有三组整流，分别供给a 、b 、c 三相定子绕组。每组 整流由两组三相半波可控整流臂构成，每个整流臂采用 大功率低损耗晶闸管k p 2 0 0 0 a 1 2 0 0 v 元件，每只品闸管 元件串联一只高分断能力的快速熔断器 r s h 3 5 0 0 a 5 0 0 v 。停车时，具有逆变功能。 定子绕组双反星形整流方式的谐波分析： i a 八 、一 ，、吖、l ， ， 、， 、 ，义k i i 掺：、 、 f a t y 。一，会、 1 1，缸 “ j - “i “： “： 西 ? 1 八厂卜 、 ， 、7 ； 、7 苍 ，父，：， 西 ： 、 1 - - _ 、专厶 dat 图1 1 双反星形电路，a = o 。时的两组糙流电压、电流波形 在这种并联电路中，在两个星形的中点矧接有带中 西安理工大学工程硕士学位论文 a b 问抽头的平衡电抗器，因为两个直流电源并联运行时， 只有当两个电源的电压平均值和瞬时值均相等时，硝能 使负载电流平均分配。在双反星形电路中，虽然两组整 流电压的平均值u d l 和u d 2 是相等的，但是它们的脉动 波相差6 0 。，它们的瞬时值是不同的。现在把六个晶闸 管的阴极连接在一起，因而两个星形的中点i 1 1 和n 2 间 的电压便等于u d l 和u d 2 之差。其波形是三倍频的近似 三角形，这个电压加在平衡电抗器l p 上，产生电流ip ， 它通过两纽星形自成固路，不流到负载中占，称为环流 或平衡电流。考虑到i p 后，每组三相半波承担的电流分 剐乃td 2 i f ) 。使i 。p 值足够人，使两纽电流尽町能、p 均分配，以没限制珂：流在其负载额定电流的1 2 以内。 ，“a ，h 矿 雄h r 婵、，救、一) 紊芥了 、 、 。，3 、以 7 h 、 7 i ，。、p 、 ， 、冉趴，a ，7 、 、7 卜，轧 t ，ix l ， 、个、 二、， ：) 埘心：迁# 审 、 0 ：一：2 j 二枉二， ， 、 ( 、 ) l 一一 ll “p t 叫 i 八。八八；烈烈i 一 0vvvvv三 a 圈12 平衡i 也抗器作圳f 输山电压的 波形和平衡电抗器上 毡胝的波形 平衡电抗器两端电压和整流输出电压如下 西安理工大学工程硕士学位论文 u p = 枷2 一u d l( 4 14 ) 扰d = 龇一1 互1坳=1(udl+ud2)up=udl+2(4-1 5 ) 扰。2 龇一 互坳2 如图13 ，由于l p 的平衡作用，使电路每隔6 0 。有一个晶闸 管换相。每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律 而各轮流导电12 0 。这样以平衡电抗器中点作为整流输出 的负端，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压 瞬时值的平均值。 图1 3 平衡电抗器作刷下两个品闸管 同时导电及环流的作用 m 怍等 1 + 丢c o s 3 w t - 2 3 5c o s 6 w t + 4 1 _ o _ _ c o s 9 w t ( 4 圳) 2 4 3 54 0 。、 妣=等1+ks3(wt-60)一如6(wt-60)+去cos9(wt-604 ) _ 2 刀 。、7 3 5 、 4 0 、 。 西安理工大学工程硕士学位论文 =塑卜!cos3wr一妄cos6wr右1cos9wt2re 4 ( 4 ) 。 3 54 0 。0 4 “ b p ：3 4 6 u 2 一：1c o s 3 埘一一c 。s 9 倒一 一：2 石一i c 0 8 3 埘一面。0 8 9 倒一 谢：3 4 6 v 2 卜c o s 6 w t r 2 玎 3 5 负载电压u d 中的谐波分量比直流分量小得多，而且 最低次谐波为六次谐波。其直流分量就是浚式中的常数 项，即直流甲均j 乜压u d = 3 6 u 2 2 z r = i i 7 u 2 电抗器两端电压u p 包含交流分量，且主要是三次谐波。 电压u p 的波形如图i2 b 所示。其幅值办可从圈j2 “。 i 求 出，即当z ；e t = “2 时u l j 的峰值减古- bi _ l w 在3 0 “刚的l t i 压 瞬时值： 哳= 何2 一扭2 s i n3 0 。= = 半u 2 2 0 ) 因为最大的环流为i d 2 ，而环流实际上就是，卜衡fc ：i 抗器的励磁电流，因此平衡电抗器的电感量亦可从规定 麴最小负载电流i d m in 估算出( 只考虑三次谐波) ，即 x p _ 3 、v l p ：# ：警 m 2 1 ) 三i d m 。 n ”“7 l。型晏；忑=j_编=。，2s朋(。一。93wt32 7 r3 0 0 6 0 )l p = i j l ，、啪hfd 一。，1 i d n l l nx x “。 4 4 控制方式 整流系统直流电压的输出和调节依据盘车的要求 趵 ” 1 o h -_l 西安理工大学工程硕士学位论文 通过晶闸管移相调压调节输出。粗调依据内部换挡，细 调依据移相调节器控制。正常情况下，任何网压和负载 的波动，在调节范围内都能获得精确的闭环控制。 4 4 1 总输出电流正超出情况 主控系统设有自动下调功能，直至电流进入稳流范 围之内。 4 4 2 总输出电流出现欠流情况 对应控制单元将发出信号，由系统自动控制使电流 达到设定值。 4 5 整流装置结构设计特点 为了彻底避免大电流产生的空间磁场在周围铁磁材 料制成的外壳和框架中造成的发热现象。采取了如下措 施，其技术特点如下： 4 5 1 以高强度绝缘框架为基座，整流臂交、直流母线合 理布局，自身构成一体，结构紧凑。在避免框架外壳发 热损失、减小体积等方面显示了很高的优越性。 4 5 2 采用了电力电子研究所生产的大功率低损耗晶闸 管，元件通态平均电流i f ( a v ) = 2 0 0 0 a ( t c = 8 5 ) ，及 1 0 0 0 h ，正反向重复峰值电压v r r m = 1 2 0 0 v 及2 5 0 0 v ( t i m = 15 0 ) ，电流安全裕量为达3 倍，电压安全裕量 为3 倍。 4 5 3 为了保证整流元件有足够的压力和良好的冷却效 果，元件排采用特制的高强度的一次冷拉型材，加大冷 却截面并改善冷却效果。为了保证一定的压力，采用具 西安理工大学工程硕士学位论文 有自恢复特性弹簧钢板压接方式。由于电流大，考虑到 涡流及冷却效果的影响，散热器的设计充分兼顾了热学 和电磁学的原理，进行了优化设计，确保元件有良好的 冷却效果。 4 5 4 本装置中的快速熔断器采用高分断能力( 分断能力 l o k a ) 低等效电阻h 型结构的r s h 3 5 0 0 a 5 0 0 v 熔断 器，不仅损耗低，冷却效果好，而且决不会因为故障时 快速熔断器分不断丽引起爆炸事故。 4 5 5 兼顾机械强度、电动力、降低士i 毡路磁场阻抗损耗、 爬电距离以及整流兀竹盎运_ 亍过程中压力的一致- 随和安 装、维护方便等凶素，矧棚逆并联储的蠢装聚取了特殊 的，r 构，使；码僻尽键诼近两种之| 1 | j 刚绝缘扳隔川。 4 5 6 为了吊装和运输方便，采用了特殊的可拆装结构g g d 机壳，充分保证了装聂在吊装和运输过程中的安全性。 4 6 采用的标准及规范 本盘车装置的设计和制造采用了国际电工标准i e c 1 4 6 1 、2 、3 和g b l3 5 3 9 1 9 2 、g b t 3 8 5 9 1 一l9 93 及其它标准，包括g b 4 9 4 0 ，g b t1 3 4 2 2 ，g b 4 2 0 8 9 3 ， g b t1 4 5 4 9 9 3 ，g b tl5 2 9 1 9 4 西安理工大学工程硕士学位论文 第5 章整流电源元件的选取及保护 方案的确定 5 1 晶闸管的选取 本装胃所用晶闸管元件原始硅单晶片全部从丹麦 t o p i s i l 公司进口，均在电力电子研究所技术和设备先 进的生产线生产，在制造过程中，对硅单品片的电阻率、 硅片研磨厚度、杂质扩散深度和浓度、基区少子寿命、 通态峰值压降等参数进行严格控制，确保了器件批量生 产时参数的一致性和稳定性。 5 1 i 转子整流柜晶闸管： 2 卫一 昕( “r ) = 二3 ，、6 u 2 s i n w t d w t = 2 3 4 u 2 = 4 6 8 v ( 5 1 ) 仃 。3 地驴去fi m s i n w t d w t = 1 3 m ( 5 - 2 ) ，=再 鼢：! ：1 7 3 i d i m 3 ( 5 - 3 ) (