电力拖动控制系统设计.doc

中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 题 目 电力拖动控制系统设计 学习中心 重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业 0409 级电气工程及自动化 学生姓名 邱孟侠 学 号 0451480291 指导教师 韩亚军 职 称 讲 师 导师单位 重庆信息工程专修学院 中国石油大学 华东 远程与继续教育学院 论文完成时间 2007 年 12 月 29 日 中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 任务书 发给学员 邱孟侠 1 设计 论文 题目 电力拖动控制系统设计 2 学生完成设计 论文 期限 年 月 日至 年 月 日 3 设计 论文 课题要求 论文主要利用电力拖动控制系统的知识 设计 出可靠安全且容易操作和维修的电器电路 交 交变频起动的特点和出 现问题后的解决办法 论文严格围绕题目述写 逻辑性思维强 内容理 论联系实际 涉及他人观点 对本设计有全面的论证 设计原理 计算 电路和本产品设计独特的优势 4 实验 上机 调研 部分要求内容 在学校规定的时间内 掌握电 力拖动系统控制原理 根据生产工艺的要求 选择一些成熟的典型基本 环节来实现这些基本要求 而后再逐步完善其功能 并适当配 置联锁 和保护等环节 使其组合成一个整体 成为满足控制要求的完整电路 利用所学的电力拖动的知识来设计电路 用电路设计软件去设计图形 5 文献查阅要求 在书上查找有关的知识要点 涉及不懂的知识向老 师请教 并上网查寻与电力拖动控制系统相关的先进的一些资料 确保 题材符合当今的发展趋势 充分利用课余时间到图书馆查阅相关资料 确保所引用到的一些事例真实 不能把别人的成果直接照搬 论文中引 用到他人的观点或者成果要注明出处 6 发 出 日 期 年 月 日 7 学员完成日期 年 月 日 指导教师签名 学 生 签 名 邱孟侠 i 摘要摘要 本论文主要利用电力拖动控制设计出可靠安全且容易操作和维修 主要介绍了机械和工艺对电器控制线路的要求 以及怎么设计出来的控 制线路满足生产的要求 达到简单经济 在设计电力拖动自动控制系统 时 一般包括两部分内容 一是确定拖动方案和选择电动机 前者主要 解决的是采用交流拖动方案还是直流拖动方案 后者主要解决的是选择 电动机容量等问题 后面主要介绍了各中交流电动机的启动 在它们启动时的共同特点 和不足 交 交变频电路的工作原理 输出正弦波电压的调制方法 交 交变频电路出现的问题和解决办法 传统起动方式将逐渐被可控硅软起 动所取代的原因 然而软起动却不能很好解决感应电机的重载起动 因 而给出了一种实用的交 交变频起动方式来解决这个问题 关键词关键词 电力拖动 交 交变频电路 交流电动机 ii 目目 录录 摘要 i 目 录 ii 第 1 章 前言 1 第 2 章 电力拖动电器线路控制设计 2 2 1 机械和工艺对电器控制线路的要求 2 2 2 在满足生产要求的前提下控制线路力求简单经济 2 2 3 保证控制线路工作的可靠和安全 3 2 4 量使操作和维修方便 4 第 3 章 交流电动机的启动 6 3 1 定子回路串电抗器起动 6 3 2 星 三角起动 6 3 3 自耦变压器起动 7 3 4 频敏变阻器起动 8 第 4 章 软起动 10 第 5 章重载起动方式 交 交变频起动 12 5 1 交 交变频工作原理 12 5 2 整流与逆变工作状态 13 5 3 输出正弦波电压的调制方法 13 5 4 三相低频信号的产生原理 13 5 5 同步信号电路 15 5 6 零电流检测电路 15 第 6 章 出现的问题及解决方法 16 第 7 章 结束语 17 致 谢 18 参考文献 19 1 第第 1 1 章章 前言前言 随着科学技术的飞速发展和生产力水平的不断提高 人们对电力拖 动控制系统的自动化程度要求也越来越高 这是因为设计出一个好的电 器控制线路 不仅便于操作 更加重要的是它有利于处理机械设备的一 些突发事件 在设计电力拖动自动控制系统时 一般包括两部分内容 一是确定拖动方案和选择电动机 前者主要解决的是采用交流拖动方案 还是直流拖动方案 后者主要解决的是选择电动机容量等问题 二是设 计电器的控制线路 并根据它来选择电器和设计安装图 一般设计控制 线路的方法是 根据各部分的要求 参考基本线路逐一分设计出局部线 路 然后根据其要求的相互关系 综合成一完整的控制线路 传统起动方式将逐渐被可控硅软起动所取代 然而软起动却不能很 好解决感应电机的重载起动 因而给出了一种实用的交 交变频起动方 式来解决这个问题 由于目前采用交 交变频技术成本相对过高 同时 由于国内的研究开发相对滞后 致使该技术还主要限于大型矿井的关键 设备 但随着这一技术相对成本的不断降低 人们节能意识的不断深入 该技术在矿井中的应用必将迎来一个全新的时期 同时在应用范围上也 将扩大 并有待开发和完善 2 第第 2 2 章章 电力拖动电器线路控制设计电力拖动电器线路控制设计 2 12 1 机械和工艺对电器机械和工艺对电器控制线路的要求控制线路的要求 设计之前首先要调查清楚生产要求 因为控制线路是为整个设备和 工艺过程服务的 也就是说根据实际要求进行设计是每一个设计者必须 首先遵循的原则 一般地 控制线路只要求满足起动 反向和制动 有 些还要求在一定范围内平滑调速 当出现事故时要求有必要的保护及信 号预报 各部分运动要求有一定的配合和连锁关系等 除此之外 还应 了解该控制线路的特点以及操纵者对它们的反应等 这些都是在设计前 应该调查清楚的 2 22 2 在满足生产要求的前提下控制线路力求简单经济在满足生产要求的前提下控制线路力求简单经济 尽量选用标准的 常用的或经过实际考验过的线路和环节 尽量缩 短连接导线的数量和长度 设计控制线路时应考虑到各个元件之间的实际接线 特别要注意 电气柜 操作台和限位开关之间的连接线 如图 2 2 a 所示接线是 不合理的 因为按钮在操作台上 所以一般都是将启动按钮和停止按钮 直接连接 这样就可以减少一次引线 正确接线应如图 2 2 b 所示 图 2 2 电气柜 操作台与限位开关的接线 3 尽量缩减电器数量 采用标准件和尽可能选用相同型号 应减少不必要的触头以简化线路 如图 2 2 中的 a 线路改成 b 线路可减少一个触头 图 2 2 线路简化示意图 控制电路在工作时 除必要的电器必须通电外 其余的尽量不通电 以节约电能 简而言之 减少通电电路 2 32 3 保证控制线路工作的可靠和安全保证控制线路工作的可靠和安全 为了保证控制线路工作可靠 主要的是选用可靠的元件 选用电器 时 量选用机械和电器寿命长 构结实 动作可靠 抗扰性能好的电器 同时在具体线路中还应注意以下几点 1 连结电器触头 一电器的 常开和常闭辅助触头靠的很近 如果分别接在电源的不同相上 如图 2 3 a 所示 位开关 xk 的常开触头和常闭触头 由 图 2 3 同一电器常开和常闭触头的不用接法 于不是等电位 当触头断开产生电弧时很可能在两触头间产生飞弧而造 成电路短路 此外绝缘不好 也会引起电路短路 如果按图 2 3 b 接线 由于两触头间的电位相同 这个问题就解决了 4 正确联接电器的线圈 在交流控制电路中不能串入两个电器的线圈 即使外加电压是两个线圈额定电压之和 两线圈也不允许串联连接 因 为每个线圈上所分配的电压与线圈的阻抗成正比 当一个接触器先动作 后 该线圈的阻抗比尚未动作的接触器线圈阻抗大 这样未动作的接触 器就可能因线圈电压不够而不能动作或因欠压触头吸不到位从而烧坏触 头 因此若要使两个接触器同时动作 应使其线圈并联连接 使每个线 圈承受额定电压 在线路中应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制 线路 如图 2 3 中 a 和 b 两种线路中的 3j 需要等到 1j 动作继而 2j 后才能动作 若改成 c 的线路 则 1j 动作后 1j 和 2j 可同时动 作 改成 d 的线路 则 1j 2j 3j 可同时动作 图 2 3 控制线路接线图 在频繁操作的可逆电路中 正反向接触器之间不仅要有电器连锁 而且要有机器连锁 应具有完善的保护环节 使在操作过程中不致造成事故 一般均应 有过载 短路 过流 过压 欠压等保护环节 同时还应设有电源指示 电路故障 安全运行等必须的指示信号 2 42 4 量使操作和维修方便量使操作和维修方便 控制机构均应操作简单和便利 应能迅速和方便地由一种控制方式 转换到另一种控制方式 例如由自动控制转换到手动控制 电控设备应 力求维修方便 使用安全 并应有隔离电器 以便带电抢修 5 总之 无论电器控制线路如何复杂 它都是由一些基本环节组合而 成的 我们在设计控制线路时 只要根据生产和工艺的要求 选择一些 适当的基本环节 单元电路 并将它们合理地组合起来 能完成控制 线路的设计 6 第第 3 3 章章 交流电动机的启动交流电动机的启动 3 13 1 定子回路串电抗器起动定子回路串电抗器起动 对于鼠笼式异步电机一般采用定子回路串电抗器分级起动 绕线式 异步电机则采用转子回路串电抗器起动 定子边串电抗器起动 即增加 定子边电抗值 可理解为降低定子实际所加电压 其目的是减少起动电 流 此起动方式属降压起动 缺点是起动转矩随定子电压的降低而成平 方关系下降 外串电阻中有较大的功率损耗 又由于是分级起动 起动 特性不平滑 3 23 2 星星 三角起动三角起动 起动时定子绕组星形连接 起动后三角形连接 在电动机绕组星形 连接时 电动机电流仅为三角形连接的 1 3 遗憾的是电动机的转矩也 同样降低到三角形接线时的 1 3 为了使电动机在额定转速时达到它的 额定转矩 在经历了预先设定的时间后 又从星形接线转换到三角形接 线 在转换过程中会出现二次冲击电流如图 3 2 7 图 3 2 星 三角启动 3 33 3 自耦变压器起动自耦变压器起动 当电动机起动时 电动机的定子通过自耦变压器接到三相电源上 当电机转速升高到一定值时 自耦变压器被切除 电动机定子直接接到 电源上 电动机进入正常运行状态 同直接起动时相比 当电压降到 w2 w1 倍时 起动电流和起动转矩降到 w2 w1 2 倍 w2 w1 为自耦变压 器的变比 这种起动方式的优点是起动时定子电压的大小可调 比起 定子串电抗起动 当限定的起动电流相同时 起动转矩损失较少 要使 变压器的容量和耐压水平提高 将使得变压器的体积增大 成本高 且 不允许频繁起动 同样也不能带重负载起动如图 3 3 图 3 3 自耦变压器起动 8 3 43 4 频敏变阻器起动频敏变阻器起动 频敏变阻器 用于绕线式三相异步电动机的起动 频敏变阻器 接 在三相异步电动机的转子回路 频敏变阻器 是由三相绕组 厚钢板做成的铁芯制成 电机起动时 因转差率高 感抗大 可限制起动电流 随着转速增加 差率下降 感 抗减小 转子电流增加 完成起动过程 频敏变阻器 可长期接在转子回路 也可用接触器 予以短接 对于绕线式异步电机来说 如果仅仅是为了限制起动电流 增大起 动转矩 则一般采用转子回路串频敏变阻器起动方式 但此起动方式在 频繁起动下 易发生温升 且结构复杂 不常用 由此可知上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单 起动转矩 基本固定不可调 起动中都存在二次冲击电流 对负载机械有冲击转矩 且受电网电压波动的影响 一旦出现电网电压下降 会造成电机堵转 起动困难 且上述几种起动方法 在停机时都是瞬间停机 遇到负载较 重时会造成剧烈的机械冲击 9 第第 4 4 章章 软起动软起动 目前 我国大部分电动机通常采用直接起动 y 控制起动和自 耦变压器起动 这些传统起动器价格低廉 通过降低电动机的起动电压 来降低起动电流 起动方式采用分步跳跃上升的恒压起动 因此 起动 过程中存在二次冲击电流和冲击转矩 而且接触器故障多 电动机冲击 电流大 冲击转矩大 冲击力矩大 效率低 但现在的 y 起动器已 经具有电动机保护和监控功能 技术水平和外观与以前相比已有很大的 改观 可以满足中小容量无特殊要求的空载或轻载起动的控制要求 所谓软起动是指装置输出电压按一定规律上升 使被控电动机的电 压由零升到全电压 转速相应的由零平滑加速到额定转速的过程 它是 电力电子技术与自动化控制技术的综合 是将强电和弱电结合起来的控 制技术 在软起动器中三相电源与被控电机之间串入三相反并联晶闸管 采用反并联接线的晶闸管接在电动机的每相 利用晶闸管移相控制原理 控制其内部晶闸管的导通角 电动机起动时 用调节 6 个晶闸管的不完 全导通来控制电动机的供电电源 换言之 起动时只有三相正弦波形的 一部分向电动机供电 现代软起动器主要有变频调速及晶闸管调压软起动器 2 种软起动器 方案 其中 变频器调速软起动器价格昂贵 常用于控制要求起动转矩 较大的中压电动机 晶闸管调压软起动器的价格略高于自耦变压器起动 器和 y 起动器 系统工作时对电网无过大冲击 可大大降低系统的 配电容量 机械传动系统振动小 起动 停车平滑稳定 可提高电动机 的使用寿命和经济效益 晶闸管调压软起动器采用大功率可控硅作主回路开关元件 通过改 变可控硅的导通角来实现电动机电压的平稳升降和无触点通断 起动电 流可根据负载和工况任意设定 起动器还能自动监视电动机的功率因数 和负载情况 经过计算来决定电动机的运行电压 以便提高电动机功率 因数 使其以最小电流运行 降低损耗 提高效率 它是实现电动机精 10 确控制 替代传统起动器的理想选择 采用变频器控制的电动机具有良好的动态 静态性能 在低速时也 可以任意调节电动机转矩 起动转矩高达 150 的额定转矩 它可以恒 转矩起动电动机 起动电流可限制在 150 的额定电流以内 可以实现 自由停车 软停车 泵停机 直流制动 满足有特殊要求的电动机控制 软起动的优点是起动特性曲线好 使晶闸管的导通角从零度开始 逐渐前移 电机的端电压从零开始逐渐上升 直至达到额定电压 起动 电流从零线性上升至设定值 从而满足起动转矩的要求 保证起成功 11 第第 5 5 章重载起动方式章重载起动方式 交交 交变频起动交变频起动 5 15 1 交交 交变频工作原理交变频工作原理 尽管软起动具有起动平滑 起动时间等参数可调的特性 具有传统 起动方法无法比拟的优越性 是传统降压起动器的理想换代产品 但可 控硅调压方式的软起动器控制感应电动机 在减小电压的同时 供电频 率仍为工频 使得其功率因数低 无功功率增加 这决定了其只能应用 于轻载场合 对于重载起动就勉为其难了 然而在很多场合下 不能保 证负载为轻载起动 如球磨机 破碎机 空气压缩机 风机等 这就使 得我们想在降低电压的同时 能够减小供电电压频率 即保持 v f 不变 保证恒力矩起动 因而变频器变频起动无疑是最好的起动设备 但如果 把变频器仅作起动 不调速 资金浪费很大 特别是高压大容量的通用 变频器价格就更为昂贵 且感应电动机的重载起动只是短时间的过程 故寻求一种感应电机的重载安全起动方法是很有必要的 纵上述几种起 动方式可得出采用交 交变频器来实现重载起动 因为交 交变频没有中 间直流环节 仅用一次变换就实现了变频 所以效率较高 而且大功率 交流电机调速系统所用的变频器也主要是交 交变频来完成的 交 交变频的工作原理是让两组交流电路按一定频率交替工作 就 可以给负载输出该频率的交流电 改变两组变流电路的切换频率 就可 以改变输出频率 改变变流电路工作时的控制角 就可以改变交流输 出电压的幅值 如果让 角不是固定值 在半个周期内让正组变流电路 p 的 角 按正弦规律从 900 逐渐减小到 00 然后在逐渐增大到 900 那么 正组 整流电路在每个控制间隔内的平均输出电压按正弦规律从零逐渐增至最 大 在逐渐减小到零 在另外半个周期内 对负组变流器 n 进行同样的 控制 就可以得到接近正弦波的输出电压 和可控硅整流电路 软起动 一样 交 交变频电路也属于电网换相 12 5 25 2 整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态 假设负载的功率因数角为 即输出电流滞后输出电压 角 另 外两组交流电路在工作时无环流工作方式 即一组交流电路工作时 将 另一组变流电路的脉冲封锁 下图给出了一个周期内负载电压 电流波 形 从图 3 中可以看出 那组变流电路工作是由输出电流的方向决定的 与输出电压极性无关 变流电路是工作在整流状态还是逆变状态 则是 由输出电压方向和输出电流方向的异同决定的 5 35 3 输出正弦波电压的调制方法输出正弦波电压的调制方法 使交 交变频电路的输出电压波形为正弦波的调制方法有多种 这 里介绍广泛采用的余弦交点法 晶闸管变流电路的输出电压为 1 式中 ud0 为 0 时的理想空载整流电压 对交 交变频电路 来说 每次控制时 角是不同的 式 1 中的 u0 表示每次控制间隔内 输出电压的平均值 2 设要得到的正弦波输出电压为 则比较式 1 和式 2 可得 3 3 式中 称为输出电压比 因此上式就是用余弦交点法求变流电 路 角的基本公式 式 4 可以用模拟电路来实现 但线路复杂 且不易实现准确的控 制 所以采用微机来实现上述运算 可把事先计算好的数据存入存储器 中 运行时按照所存的数据进行实时控制 为了用计算机实现实时控制 必须具备三相低频信号 同步信号 零电流检测三个基本条件 5 45 4 三相低频信号的产生原理三相低频信号的产生原理 13 用计算机产生三相低频信号 必须首先将要产生的低频信号进行数 字化 这不仅在幅值上数字化 在时间上也要数字化 在时间上 以一 度为单位 分辨率已经足够 将低频信号的一个周期分成 360 等份 根 据需要的频率求出低频信号一度的时间 以次作为定时时间 这样每隔 一度 便输出一次低频信号的对应值 每 360 循环一次 构成低频的周 期 其它两相输出和上面一样 只是输出的对应数值不一样 正好相差 120 240 度 这样就构成了互差 1200 的低频信号 由于准梯形波具有 较高的基波幅值 因此这里采用它作为低频参考信号 它是限幅的正弦 波 当等于 600 时就已经到达了最大值 其目的是提高直流电压的利用 率 下面以准梯形波为例来说明三相低频信号实现的具体方法 a 建立一个准梯形波波形的表格 表格的大小为 360 个数据 这些 数据分别以 1 度为间隔的准梯形波波形数据 表格存放在表首地址为 table 的内存中 第一个数据为 1 度时对应的波形数据 最后一个为 360 度对应的波形数据 表格的数据是按比例得到的 b 设一计数指针 coun 初始化时 使 coun 0 并起动定时器 在 定时时间到达之后 计数指针 coun 增 1 同时取出表中的数据 对应内 存地址为 table coun 输出 当计数指针 coun 360 时 使 coun 复位为 0 便完成了本周期的数据输出 为下一周期做准备 这样周而复始不 断的取数输出 就产生了低频数字信号 c 其它两相低频信号分别滞后 120 240 度的同样波形 可以完全 使用同样的表格 d 为了得到复值可变的低频信号 在低频数字信号输出之前 应乘 以调制系数 调制系数的范围是 0 1 e 1 度对应的时间是由所需输出频率决定的 将其转换为定时时间 常数后 存放于 time 的单元中 它就是控制交 交变频器输出频率的变 量 14 5 55 5 同步信号电路同步信号电路 采用微机定时方式进行交 交变频的移相控制时 需要给微机提供 各晶闸管控制角起时定时时刻的方波信号 使移相控制装置向晶闸管发 出的触发脉冲信号在电源电压的每个周期内均能重复出现 因此 这一 方波信号的频率应与电源频率相同 所以 一般将此方波信号称为同步 信号 此外 同步信号的另一作用是微机利用它的状态来进行判相定管 决定是某相的上管或下管工作与否 取 a 相电压经同步变压器降压后 进入 rc 移相电路形成滞后 30 度 的正弦电压 由三级管将正弦波形成方波 再经光电隔离 反相及输出 电路 在输出端得到同步脉冲信号 5 65 6 零电流检测电路零电流检测电路 不论是电压型还是电流型控制的无环流交 交变频器 正反组变流 器的换向都必须处于零电流状态 此时两组变流器的触发脉冲都被封锁 因此 实际的零电流一定要准确可靠的检测出来 这关系到换相的死区 长短 以及换相的可靠性 检测方法 检测负载电流的方法常用的有两种 lem 电流传感器和 检测和晶闸管端电压法 用 lem 电流传感器检测负载电流 可将主电路 与控制电路完全隔离 且检测电路结构简单 但由于换相等原因 负载 电流含有丰富的电流谐波 给电流检测 尤其是过零点检测带来了一定 困难 lem 传感器输出信号经滤波 整形后 会产生伪过零点 使控制 系统出现误动作 由于晶闸管导通时其端电压为管压降 近似等于零 而阻断时端电压等于其所接交流电压 电网线电压或相电压 同时检测 变频器主电路中每一相上的六个晶闸管 如有一管导通说明此相有电流 如六管全关断则说明此相无电流 也就是电流过零点 这种方法直接检 测零电流 不需要对电流波形进行整形 其输出信号完全对应着电流波 形中的零电流 使检测电路更加准确 可靠 15 第第 6 6 章章 出现的问题及解决方法出现的问题及解决方法 交 交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的 当输 出频率升高时 输出电压一个周期内电网电压的段数就减少 所含谐波 分量就要增加 这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因 数之一 所以最高输出频率不高于电网频率的 1 3 1 2 但由于我们主 要用于起动 一旦速度达到了 1 3 全速 可以控制相应的晶闸管 使 它们切换到软起动 软起动方式仍由本装置实现 在软起动的作用下完 成起动结束 因为此时电压相对较小 切换的过程中不会有很大的冲击 电流 由于采用无环流控制方式 有换流死区 所以输出波有一点畸变 可以采用快速的 比较好的零电流检测方法来减小死区时间 16 第第 7 7 章章 结结 论论 在设计电力拖动电器线路时 电器控制线路如何复杂 它都是由一 些基本环节组合而成的 我们在设计控制线路时 只要根据生产和工艺 的要求 选择一些适当的基本环节 单元电路 并将它们合理地组合 起来 能完成控制线路的设计 通过定子回路串电抗器起动 星 三角启动 自耦变压器启动 频 敏变阻器启动 上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单 起动转 矩基本固定不可调 起动中都存在二次冲击电流 对负载机械有冲击转 矩 且受电网电压波动的影响 一旦出现电网电压下降 会造成电机堵 转 起动困难 且上述几种起动方法 在停机时都是瞬间停机 遇到负 载较