串级调速系统本科.doc

串级调速毕业论文摘 要串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以回馈（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。而且它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。尤其是在风机、水泵等电机中应用广泛，节电明显。本文即应用晶闸管进行了串级调速设计，对串级调速原理、方法，及具体的调速数据选择，并与其他调速方法进行了比较分析，更加证明了这一点，然后设计出了较为完整的电路图，并对各个部件的参数进行了计算与选择，最后又对可能出现的一些故障进行了分析，提出了解决办法。关键词：异步电动机 串级调速 原理 基本类型 ABSTRACTBunch_rank speed-control is through the winding type asynchronous motor rotor circuit introduced additional potential and of generation. It belongs to become slip to achieve bunch_rank speed-control. And the rotor string resistance in different ways, bunch_rank speed-control could be (asynchronous motor power grid or into mechanical energy feedback back into motor shaft), so high efficiency. It can realize speed stepless adjusting speed mechanical properties, is also hard. Especially thyristor low synchronization bunch_rank speed-control system, technical difficulties small, performance comparatively perfect gained extensive application. Especially in the fan, such as pump motor, power saving obvious used widely. This article is application thyristor stepless speed regulation of design of bunch_rank speed-control principles, methods, and specific speed data choice, and with other control method are analyzed, more proof of this point, and then design a relatively complete circuit diagram, and the parameters for each component are calculated and choice, finally and to possible some faults are analyzed and some solutions.Keywords: asynchronous motor bunch_rank speed-control principle basic types目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1串级调速技术概况11.2三相异步电动机的调速方法21.2.1转子串电阻调速方法21.2.2液力耦合器调速方法21.2.3改变极对数调速方法21.2.4改变定子电压调速方法31.2.5串级调速方法31.2.6变频调速方法31.3本课题研究的意义和主要完成的工作41.4本课题主要内容及预期目标41.5本章小结5第2章串级调速原理及基本类型62.1串级调速的原理62.1.1串级调速定义62.1.2串级调速的基本原理62.2主电路图的确定102.3 异步电动机容量的选择122.4本章小结13第3章整流二极管的选择143.1整流二极管的介绍143.2 转子整流器的参数计算与元件选择143.2.1最大转差率143.2.2转子整流器的最大输出电压153.2.3最大直流整流电流153.3整流二级管参数计算163.3.1电压的选择163.3.2电流的选择163.4本章小结17第4章逆变器的参数计算与元件选择184.1逆变变压器的介绍184.1.1逆变器的介绍184.1.2逆变器的作用184.1.2逆变器的分类184.1.3数据计算194.2晶闸管的参数计算194.3本章小结20第5章 平波电抗器电感量的计算215.1平波电抗器的介绍215.1.1电抗器概念215.1.2电抗器分类215.1.3电抗器的作用225.2平波电抗器的电感量计算235.2.1保证电流连续所需要的电感量235.2.2限制电流脉动的电感量235.2.3平波电抗器的电感量245.3本章小结24第6章 起动方式的选择256.1直接起动和软起动的比较256.2串联调速的几种起动方式266.2.1利用串调装置直接起动方式276.2.2联防加起动设备的切换起动方式276.2.3串入起动电阻器起动方式27第7 章 常见故障以及防护措施287.1常见故障287.2防护措施29结 论30致谢32参考文献33毕业论文第1章 绪论1.1串级调速技术概况我国是一个电力资源非常短缺的国家，节能作为一项重要的技术政策，对国民经济的发展具有深远的影响。风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据统计，全国风机和水泵的耗电量占到整个工业用电量的40%以上，而风机、水泵一般在运行中都要进行负荷调节，相应的流量也要跟踪调节。传统的调节方法是调节入口或出口的阀门开度，使得风机、水泵用电量的30%40%消耗在调节阀门及管网压降上，这是一种效益差、能耗大、设备损坏快、维修量大、运行费用高的落后办法，不仅造成了电能的巨大浪费，而且与经济运行标准也有相当大的差距。如果对风机、水泵进行调速，则可以取得很好的节能效果，提高经济效益，且在节电率相同的情况下，电动机的功率越大其节能潜力也越大，节能效果就更加显著，因此研究和开发合适的高压大功率异步电动机调速技术始终是国内外竞相研究的热点之一。目前国内用于高压大功率电机调速有两种方案高压变频调速和串级调速。对于风机、水泵等调速范围大(一般为50%100%)、系统动态性能要求不高的场合，比较有发展前景的高压大功率调速技术应该是串级调速技术。串级调速理论早在20世纪30年代就已提出，到了6070年代，当可控电力电子器件出现以后，才得到更好的应用。20世纪60年代以来，由于高压大电流晶闸管的出现，串级调速系统获得了空前的发展。60年代中期，W.Shepherd和J.Stanway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，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(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，这就是我们所说的“内馈”串调。随着电力电子技术的发展，近代均采用在转子回路内串联晶闸管功率变换器完成回馈任务，这样就构成了由绕线式异步电动机与晶闸管交流器共同组成的晶闸管串级调速系统。其中低同步的晶闸管串级调速系统，不仅具有良好的调速性能以及能把站差能量回馈电网，而其他还结构简单，可靠性高，技术上已经成熟。性能更优越的超同步晶闸管串级调速也正在发展当中。 晶闸管功率变换装置时交流电动机串级调速系统中的核心部分，他目前存在以下几个问题：装置结构较为复杂，设备初期投资较高， 在一定程度上限制了交流调速的推广；存在谐波，对电网造成一定程度的污染；功率因数还不够高，特别是在低转速时功率因数会更低。 尽管如此，今年串级调速技术在国内外仍然突飞猛进的发展，大量新器件的出现和新技术的发展，使得串级调速性能指标大大提高，有些问题已得到根本的突破。不久的将来，串级调速装置定会进入生产领域，发挥巨大的经济效益。1.2三相异步电动机的调速方法交流电动机比起直流电动机来，省去了换向器，使得结构更简单、结实、紧凑，它具有维修工作量小、运行效率高、转动惯量小、动态响应快的特点。过去由于对它缺少相应的控制手段，实现速度的调节比较困难，所以在20世纪的大部分年代里，交流电动机主要在不调速的场合应用。近年来，由于电力电子和微电子技术的飞速发展，新器件和新的控制系统的不断推出，使交流电气传动也具有与直流电气传动同样优良的调速性能，从而使交流调速得到了迅速发展。三相异步电动机的转速公式为: （1-1）从上式可见，改变供电频率、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。具体来讲，三相异步电动机的调速主要有以下七种方法:1.2.1转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。1.2.2液力耦合器调速方法液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力传输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，做到无级调速，其特点为:功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要。结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低;控制调节方便，容易实现自动控制。本方法适用于风机、水泵的调速。1.2.3改变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子，因为鼠笼式转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线型转子，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数，很不方便。特点如下:具有较硬的机械特性，稳定性良好;无转差损耗，效率高;接线简单、控制方便、价格低;有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。本方法适用于自动化程度要求不高，不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。1.2.4改变定子电压调速方法当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时，在一定的转差率下，电动机的电磁转矩与加在其定子绕组上电压的平方成正比，因此，改变电动机的定子电压就可改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点是:调压调速线路简单，易实现自动控制，调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速系统一般适用于100KW以下的生产机械。目前，已成功地大量使用在电梯扬机械与化纤机械等工业装置中。1.2.5串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为:可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高;装置容量与调速范围成正比，节省投资,调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产;晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机等。1.2.6变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。如PWM交-直-交变压变频器，它仍是一个交-直-交变压变频装置，只是整流器UR是不可控的，它的输出电压经电容滤波(可附加小电感限流)后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件采用全控式器件，按一定规律控制其导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。在这里，通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。其特点是:效率高，调速过程中没有附加损耗;应用范围广，可用于笼型异步电动机;调速范围大，特性硬，精度高;技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好的场合。从调速范围、平滑性以及调速过程中电动机的性能等方面来看，变频调速很优越，可以和直流电动机调速相媲美。但要使频率和端电压同时可调，需要一套专门的变频装置，使投入的设备增多，成本增大。1.3本课题研究的意义和主要完成的工作在我国电力、石化、矿山、冶金及给排水等领域，风机和泵类负载是应用最广泛、耗电量最大的一类生产机械。据统计，泵和风机的耗电量占到整个工业用电量的40%以上，而风机、水泵用电量的30%一40%消耗在调节阀门及电网压降上，使用中存在运行效率低的缺点，这样就造成了电能的巨大浪费，与经济运行标准还有相当大的差距，所以这类负载的节能潜力相当大。在能源日趋紧张的今天，如果能够对风机、泵类负载的节能技术改造有一个突破性的研究，则每年将形成数亿元的经济效益。众所周知，在风机、水泵的节能措施中调速运行是最有效的。在低电压小容量电机系统的节能调速中变频调速装置得到了广泛的应用和认同，而在高压大容量系统中，变频调速成本很高、体积大，存在诸多问题，在节电率相同的情况下，电动机的功率越大其节能效益也就愈大。因此，高压大功率电动机驱动的风机、水泵采用调速传动，其节能效果将更加明显。尽管大功率风机和泵类负载采用调速传动后可节约大量电能，平均30%左右。但由于国内适合风机、泵类负载的高压变频器还没有成熟定型产品，国外高压变频器价格十分昂贵，推广应用受到很大限制。特别是大功率的风机和类负载，由于缺少简单、可靠、经济的中压电动机调速装置，使得节能调速基本没有推广开来。因此，研究性能更优越、节能效果更好的调速系统，有着重要的现实意义。传统的交流电机是三相的，对于大功率电机来说，要么有大的额定电流，要么有高的额定电压对于变频器来说，要么需要很好解决电力电子元件的并联技术，要么需要很好解决电力电子元件的串联技术。并联需要很好解决静、动态均流问题。串联需要很好解决静、动态均压问题。为了避开串并联的困难和减少转矩脉振，发展大型电机的多相技术是十分有利的，不仅有利于电机，同时也有利于抑制电网的谐波污染。基于上述事实，本课题采用了串级调速系统。调速范围可达2:1，调速效率高，由于调节绕组的存在而在调速系统中取消了系统中的逆变变压器，使系统的体积缩小，造价更低，而且如果系统对调节绕组采取了补偿，可使得系统在调速时的功率因数更高。由于整个变流系统均在转子侧，对于6kV，10kV高压系统，电机转子侧电压大约在1000V左右。因此，对于高压大容量的场合，该调速方式具有突出的优越性。但目前该系统只适用于拖动具有递减转矩的风机、水泵类负载。1.4本课题主要内容及预期目标此次设计主要内容是让我们应用已掌握的知识，完成晶闸管串级调速系统的设计、参数定额计算、以及系统的建模与仿真，在此基础上，实现理论与实践的结合，这次设计，让我更深刻的理解串级调速的原理知识，而且还能锻炼个人动手能力和设计能力，加强本环节的掌握，对个人以后更好工作学习打下基础。预计设计能弯沉个调速系统的设计以及各个环节参数的计算，在此基础上尽心关键模仿仿真，比较理想的系统工作特性曲线。1.5本章小结在能源日趋紧张的今天，节能作为一项重要的技术政策，对国民经济的发展具有深远的影响。因此本文就是处于建设节能型社会的大背景之下，在客观分析国内外相关调速技术现状并紧密结合中国实际国情的基础之上，认为高压大功率风机、水泵调速节能技术性价比较高的是串级调速技术。本章从高压大容量异步电动机的节能调速谈起，阐述了交流电动机的发展现状，给出了常用调速方法的分类;对几种调速技术性能作了比较最后阐明了本课题的研究意义和设计特点，简要介绍了本课题完成的主要工作。 第2章 串级调速原理及基本类型2.1串级调速的原理2.1.1串级调速定义串级调速源于英语“cascade control”，意为“级联控制”，就是指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。2.1.2串级调速的基本原理异步电动机运行时其转子相电动势为： （2-1）式中 s-异步电动机的转差率 -绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势 绕线转子异步电机工作时，其转子电动势Er值与转差率s成正比。此外，转子频率也与s成正比，。在转子短路情况下，转子相电流的表达式为 （2-2）式中-转子绕组每相电阻-s=1时的转子绕组每相漏抗如在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势，此附加电动势与转子电动势有相同的频率，并与同相（或反相）串接，如图2-1所示。此时转子回路的相电流表达是为： （2-3）图2-1 转子回路当电机处于电动状态时，其转子电流Ir与负载大小有直接关系。当电动机带恒定负载转矩TL时，可近似的认为不论转速高低转子电流都不会变，这时，在不同s值下的式（2-2）和式（2-3）应相等。设在未串入附加电动势前电动机原来在某一转差率下稳定运行。当引入同相的附加电动势后，电动机转子回流的合成电动势增大了，转子电流和电磁转矩也响应增大，由于负载转矩未变，电动机必然加速，因而S降低，转子电动势Er=sEr0随之减小，转子电流也逐渐减小，直到转差率减低到时，转子电流有恢复到负载所需要的原值，电动机便进入新的更高转速的稳定状态。此时式（2-2）与式（2-3）的平衡关系为： （2-4）同理可知，若减小+Edd或串入反向的附加电动势-Eadd，则可使电动机的转速降低。所以，在电机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可以调节电动的转速。如上所述，在绕线转子异步电动机转子侧引入一个可控的附加电动势并改变其数值，就可以实现对电机转速的调节。这个调节过程必然在转子侧成功率的传送，可以是把转子侧的转差功率传输到与之相连的交流电网或外电路中去，也可以是从外面吸收功率到电机转子中来。从功率传送的角度看，可以认为是用控制异步电动机转子中转差率的大小与流向来实现对电动机的调节。忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电动机在任何工作的功率关系都可写 （2-5）式中 -从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率-输出或输入转子电路的功率，即转差功率 (1-s)Pm-电机轴上输出或输入的功率由于转子侧串入附加电势的极性和大小的不同，s和都是可正可负的，因而可以有五种不同的工作情况。这里仅研究电机在次同步转速下作电动运行状态。设异步电机转子接交流电网，转子短路，且轴上带有反抗性的恒值额定负载（对应的转子电流为），此时电机在固有机械特性上以固定的额定转差率Sn运行。若在转子侧每相加电动势-Eadd，根据式（2-3），转子电流Ir将减小，从而使电机减速，并进入新的稳定工作。此时，转子回路的电势平衡方程式为 （2-6）如果不断加大|-Eadd|值，将使s值不断增大，实现了对电机的调速。由于轴上带有反抗性负载，电机在Te-n坐标系的第一象限作电动运行，转差率为。对照式（2-5）可知，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后从转子侧馈送回电网，功率流程如图2-2所示。由于电机在低于同步转速下工作，故称为次同步转速的电动运行。晶闸管的同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，间接的交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。图2-2 串级调速低于同步速度电动状态运行下的能量传递关系在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。对于只用于次同步电动转子的情况来说，比较方便的方法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，使问题的分析与工程实现方便多了。当然对这一直流附加电动势要有一定的技术要求。首先，他应该是平滑调节的，以满足对电动机转速平滑的要求；其次，从节能的角度考虑，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用，把转差功率回馈给交流电网这样才能提高调速系统的效率。根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。串级调速是十分经典的电机调速方法，即转子侧附加反电动势调速，其主要原理是在转子回路中串入附加反电动势，通过改变附加反电动势的大小，来达到改变转子电流进而改变电磁转矩和转速的目的。它的根本点不是去控制电机的定子侧，而是控制转子侧，通过对电机转子电流的控制改变电机的转差率进行调速为了高效，电势源应可吸收因转差增大而产生的较大的转子转差功率。串级调速的原理如图 图2-3 串级调速的附加电势原理图2-4 串级调速的等效附加电势原理图2-5 串级调速电机等效原理图图2-5 串级调速流程图2.2主电路图的确定 假定异步电动机的外加电源电压U1及负载转矩ML都不变则电动机在调速前后转子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势Ef则转子电流为 （2-7）式中：转子回路电阻：转子旋转时转子绕组每相漏抗：转子开路相电势 （2-8）式中，为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势Ef可以改变转差率s，从而实现调速 设当= 0时电动机运行于额定转速，即n = nN， s = sN ，由（ 式2 ）可见，当附加电动势与转子相电势相位相反时（前取负号），改变 的大小，可在额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（前取正号），改变Ef 的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速（即s 0）。 串级调速四种基本状态方式下能量传递方式如下图示，图中不计电动机内各种损耗，即认定定子输入功率P即为转子输出功率。图2-6 串级调速的四种基本运行状态晶闸管低同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。图中的TI为逆变变压器，L为平波电抗器。两个整流装置电压Ud和Ui的极性以及直流电路电流Id的方向如图中所示。显然，系统在稳定工作时，必有。晶闸管低同步串级调速系统主回路见下图图2-7 串级调速主回路的设计图2.3 异步电动机容量的选择考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量P 计算如下： （2-9）式中： ： 串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串调速系统，应该取大一点： 按照常规运算方式计算的电动机容量从产品手册中选择的电动机容量P 本设计采用的是哈尔滨九洲电气股份有限公司的内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。该电机定额为连续定额S1，基本防护等级为IP23，基本冷却为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。控制电机型号JRNT1512-4额定功率1050KW额定功率121.5A转子电压/电流1045V / 627A最高/最低转速1484 / 690 r/min效率88.5%功率因数0.83控制装置型号JC4-800A/800V表1 控制电机的相关系数2.4本章小结本章开始对串级调速的原理进行了简单的介绍。然后又对电路中各个组成电路图进了相应的设计和比较，从而得出了设计的主电路图，接着有对串级调速电路中电机主要参数进行了选择和计算，最后通过查阅相关手册和对选取电机的进行比较，最终得到了合适的电机。第3章 整流二极管的选择3.1整流二极管的介绍整流二极管电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两端。P区的载流子是空穴，N区的载流子是电子。外加使P区相对N区为正的电压时，能通过大电流，具有低的电压降（典型值0.7V），称为正向导通状态。若加相反的电压，则反向电流很小（反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。 整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高一般在几十KHz以下。 整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的P-N结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于P-N 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑制作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，P-N结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。3.2 转子整流器的参数计算与元件选择3.2.1最大转差率转差率计算公式 （3-1）式中： ：电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速nmin ：串级调速系统的最低工作转速D ：调速范围 （3-2）转差率 （3-3）最大转差率 （3-4） （3-5）3.2.2转子整流器的最大输出电压输出电压计算公式 （3-6）式中：E20：转子开路相电势 KUV ：整流电压计算系数，见下表：符号三相带中线0.3670.670.5770.4721.3510.866三相桥0.3671.350.8150.8161.0520.5双三相桥串联0.3672.70.8161.5781.0340.26-0.52双三相桥并联0.1841.350.4080.8891.0310.26-0.52表1 变流器主电量计算系数最大输出电压为 （3-7）3.2.3最大直流整流电流 （3-8）式中：m ：电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数2倍 I2N ：转子线电流额定值 KIV ：整流电压计算系数，见上表Idr ：转子整流器输出直流电流额定值 （3-9）考虑到转子电流畸变等因素而引其的系数则 （3-10）3.3整流二级管参数计算3.3.1电压的选择设每个桥臂上串联的整流二极管数目为N=3，则每个二极管的反向重复UKRM为 （3-11）式中：KUT ： 电压计算系数，见上表E2n：转子开路相电势KAV ：均压系数，一般取0.9,对于元件不要串联时取1由上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围D有关，调速范围越高，元件承受的电压越高则：3.3.2电流的选择在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。设并联支路数为= 3则每个整流二极管的电流计算如下： （3-12）式中：KIT ：电流计算系数，见上表Idmax：转子整流器最大直流整流电流KAC：均流系数。其值可取0.8-0.9。对于元件不并联的情况下取上值3.4本章小结 本章对整流电路的主要参数进行了以下分析，有对二极管的原理进行了介绍，最终通过计算和比较得到了相应的参数，最终通过查阅相关的手册，进行了较为细致的比较，得到了课题所要选择的二极管。需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。第4章 逆变器的参数计算与元件选择4.1逆变变压器的介绍4.1.1逆变器的介绍逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。4.1.2逆变器的作用简单地说，逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。4.1.2逆变器的分类主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40%60，不能带感性负载（详细解释见下条）。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。逆变器根据发电源的不同，分为煤电逆变器，太阳能逆变器，风能逆变器，核能逆变器。根据用途不同，分为独立控制逆变器，并网逆变器。方波逆变器目前国内市场逆变器的效率问题。纯正弦波逆变器如同上文所述，逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。逆变器的效率即是逆变器输出功率与输入功率之比。如一台逆变器输入了100瓦的直流电，输出了90瓦的交流电，那么,它的效率就是90。目前世界上太阳能逆变器，欧美效率较高，欧洲标准是97.2%，但价格较为昂贵，国内其他的逆变器效率都在90%以下，但价格比进口要便宜很多。除了功率，波形以外，选择逆变器的效率也非常重要，效率越高则在逆变器身上浪费的电能就少，用于电器的电能就更多，特别是你是小功率系统时这点的重要性更正确。4.1.3数据计算对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配；同时也希望转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。（1）逆变压器二次侧线电压：根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定： （4-1）式中：UT2：逆变变压器二次侧线电压Udmax ： 转子整流器最大输出直流电压KUV： 整流电压计算系数。见上表min： 最小逆变角，一般取30o（2）逆变变压器二次侧线电流： （4-2）式中：IT2 ：逆变变压器二次侧线电流KIV ：整流电流计算系数。见上表IdN： 转子整流器输出直流电流额定值（3）逆变变压器一次侧线电流： （4-3）式中：IT1 ：逆变变压器一次侧线电流KIL：变压器一次侧线电流计算系数。见上表KT： 逆变变压器的变比（4）逆变变压器等值容量： （4-4）式中：KST ：变压器等值容量计算系数，见上表4.2晶闸管的参数计算（1）晶闸管额定电压的选择在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电压不能满足要求，需要几个晶闸管串联使用。设每个串联桥臂上晶闸管的数目为N ，则每个晶闸管反向重复电压由式确定： （4-5）式中： ： 电压计算系数，如上表： 均压系数，其值可取0.80.9。对于元件不需串联的情况下取1UT2：逆变变压器二次侧线电压（2）晶闸管额定电流的选择设每个桥臂并联元件支路数为Np ，则每个晶闸管的额定电流为 （4-6）式中：KIT ：电流计算系数，见上表Idmax：转子整流器最大直流整流电流KAC：均流系数。其值可取0.80.9。对于元件不并联的情况下取14.3本章小结本章通过严格的分析计算，查阅相关手册，我们可以选择出合适的晶闸管，做成满足课题要求的逆变电路，由于晶闸管在电路中处于不断地通断状态，因此也要考虑到晶闸管的过电流，过电压保护等问题，这里就不再一一描述。第5章 平波电抗器电感量的计算5.1平波电抗器的介绍5.1.1电抗器概念 电抗器也叫电感器，一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。然而通电长直导体的电感较小，所产生的磁场不强，因此实际的电抗器是由导线绕成的螺线管形式，称空心电抗器；有时为了让这只螺线管具有更大的电感，便在螺线管中插入铁心，称铁心电抗器。电抗分为感抗和容抗，比较科学的归类是感抗器（电感器）和容抗器（电容器）统称为电抗器，然而由于过去先有了电感器，并且被称谓为电抗器，所以现在人们所说的电容器就是容抗器，而电抗器专指电感器。5.1.2电抗器分类 按结构及冷却介质、按接法、按功能、按用途进行分类（1）按结构及冷却介质：分为空心式、铁心式、干式、油浸式等，例如干式空心电抗器、干式铁心电抗器、油浸铁心电抗器、油浸空心电抗器、夹持式干式空心电抗器、绕包式干式空心电抗器、水泥电抗器等。（2）按接法：分为并联电抗器和串联电抗器。（3）按功能：分为限流和补偿。（4）按用途：按具体用途细分，例如限流电抗器、滤波电抗器、平波电抗器、功率因数补偿电抗器、串联电抗器、平衡电抗器、接地电抗器、消弧线圈、进线电抗器、出线电抗器、饱和电抗器、自饱和电抗器、可变电抗器（可调电抗器、可控电抗器）、轭流电抗器、串联谐振电抗器、并联谐振电抗器等。电抗器作为无功补偿手段，在电力系统中是不可缺少的。各电抗器具体介绍如下 并联电抗器：发电机满负载试验用的电抗器是并联电抗器的雏型。铁心式电抗器由于分段铁心饼之间存在着交变磁场的吸引力，因此噪音一般要比同容量变压器高出10dB左右。 限流电抗器：限流电抗器一般用于配电线路。从同一母线引出的分支馈线上往往串有限流电抗器，以限制馈线的短路电流，并维持母线电压，不致因馈线短路而致过低。 阻尼电抗器(通常也称串联电抗器)与电容器组或密集型电容器相串联，用以限制电容器的合闸涌流。这一点，作用与限流电抗器相类似，滤波电抗器与滤波电容器串联组成谐振滤波器，一般用于3次至17次的谐振滤波或更高次的高次滤波。直流输电线路的换流站、相控型静止补偿装置、中大型整流装置、电气化铁道，以至于所有大功率晶闸管控制的电力电子电路都是谐波电流源，必须加以滤除，不让其进入系统。电力部门对于电力系统中的谐波有具体规定。 消弧线圈：消弧线圈广泛用于6kV-10kV级的谐振接地系统。由于变电所的无油化倾向，因此35kV以下的消弧线圈现很多是干式浇注型。 平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。 直流控制的饱和电抗器：串在电路中的扼流式或自饱和饱和电抗器，在电压正弦波的周期内，饱和 电抗器在饱和前吸收了一定的伏-秒，达到饱和，以后就呈全开放状态。因此其输出电压是非正弦的， 这种饱和电抗器的作用与晶闸管相似。 电气回路的主要组成部分有电阻、电容和电感。电感具有抑制电流变化的作用，并能使交流电移相。把具有电感作用的绕线式的静止感应装置称为电抗器。 5.1.3电抗器的作用电力系统中所采取的电抗器 常见的有串联电抗器和并联电抗器。串联电抗器主要用来限制短路电流，也有在滤波器中与电容器串