次同步晶闸管串级调速毕业论文.doc

第1章 绪论1.1 本课题的意义近几年来，迅速发展的科学技术为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础，随着电力电子技术、计算机技术的发展和电力电子器件的更新换代，交流调速技术获得了飞速发展。现代交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高，交流调速系统已从直流调速的补充手段发展到与直流调速系统相竞争、相媲美、相抗衡，并逐渐取代的地位。特别应该指出的是，交流调速拖动系统在能源方面的作用。在世界能源紧张、能源费用高涨的今天，交流调速技术作为节约能源的一个重要手段，引起了人们的高度重视。究其原因：一方面，交流拖动负荷在各国的总用电量中都占有很大的比重(工业发达国家，大都占一半以上)，对这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益：另一方面，交流拖动本身又存在着很大的可以挖掘的节电能力。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。串级调速是异步电动机调速方法之一，它可以将异步电动机的功率回馈给电网或是转化为机械能送回到电动机轴上加以利用，因此效率高。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，它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管次同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。晶闸管串级调速技术除可用于新设备设计外，还可用于对旧设备进行技术改造，这样不仅能改善调速性能，又可以节约能源。总之，交流调速技术具有优良的调速性能，可带来节约能源、减少维修费用、节省占地面积等优点，尤其在大容量或工作于恶劣环境时更为直流电机拖动所不及。所以交流调速技术的应用有着广阔的前景。本课题研究的是使用晶闸管实现节能调速的过程。1.2 国内外发展状况1.2.1 交、直流电机性能对比交流电动机刚刚出现后，虽然结构简单、可靠、造价低廉，但调速性能(调速范围、稳定性或静差度、平滑性等)却无法与直流调速系统相媲美，所以在调速领域中，直流传动一直占据着统治地位。但是，由于直流电动机存在着“换向”这一理论和技术方面的实际困难，使得直流电动机的最高电压只能达到1000多伏，而交流电动机则很容易做成6kV、10kV或更高：另外直流电动机的制造和维护也比交流电动机复杂，特别是随着科学技术的发展，直流电动机的单机容量、电压等级、转速和体积往往不能满足实际需要，而交流同步电动机和异步电动机的单机容量都可以远远高于直流电动机；在转速方面直流电动机的最高转速只能达到3000转分左右，而交流电动机转速则可高达每分钟数万转或更高，这些都是直流传动的薄弱环节。1.2.2国外研究现状为了克服上述缺点，很多国家一直在致力于发展交流传动技木。起初，由于交流调速的发展受其物质基础静止式变流器件以及相应的电子逆变技术的限制，交流调速装置未能得到推广应用，有的甚至未能走出实验室。本世纪六十年代以后，随着电力电子学与电子技术的发展，交流调速发展出现了一个飞跃；尤其是七十年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流调速的发展进一步创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调速、无换向电动机调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。原来的交直流拖动分工格局被逐渐打破，在各工业部门用可调速交流拖动取代直流拖动的形式己指日可待。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。1.2.3国内发展状况在我国诸多领域，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，例如冶金、石化、电力、给排水、及矿山等国家重要支柱产业。据统计，风机和泵类负载的耗电量占到全国工业用电量的40以上，而风机、泵用电量的30一40消耗在调节阀门及电网压降上，缺点是运行效率低，这就造成了巨大的电能浪费，与经济运行标准还相距甚远，所以这类负载的节能潜力很大。在能源曰趋紧张的今天，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进展，则每年将形成相当可观的经济效益。在风机和泵类负载的节能措施中调速运行是最有效的。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、泵采用调速传动，其节能效果将更加明显，虽然大功率风机泵类负载采用调速传动可节约大量电能，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。对于风机和泵类负载的调速，合理的方案应是绕线电机次同步串级调速。电机定子绕组直接接中压电网、无网侧接变压器，转子绕组接低压，较容易与电力电子器件的性能相匹配。在串级调速时，转子电路的功率为转差功率。风机和泵类负载所需的调速范围小，一般为30左右，这样电力电子装置的功率仅为电机功率的30或15。但普通的串级调速系统包括绕线电机、不可控整流器、有源逆变器和逆变变压器等，逆变变压器接电网，造成转差功率在绕线电机、不可控整流器、有源逆变器、逆变变压器和电网中的无谓循环。而且有源逆变器通常采用滞后相控触发，电机转速的改变是通过改变逆变角来实现的。因此，在深调速时系统功率因数低、谐波电流大，这是普通串级调速最主要的缺点。再有系统装备复杂，进而成本高。这些都在不同程度上限制了这类负载节能调速的推广和应用。晶闸管次同步串级调速具有以控制低电压进而控制高压电机，以控制小功率进而控制大功率电机且系统结构简单，节电率高的特点，对于大多数泵、风机类需要次同步转速调速(由额定转速下调)的应用特别适合。特别对高压大容量电机更有技术实现容易和经济性好的优势。当然，原使用鼠笼电机的场合，在使用串级调速时需要更换为绕线式电机。绕线式电机有滑环、碳刷的维护工作，但相比变频器的空调防尘及装置等的维护量要小的多。如加上更换电机的费用，整个串级调速系统的费用还要低于变频器本身的价格(如也更换为变频电机，则变频系统价格更高)。一般在有一定调速深度的场合，投资回收期在l2年。串级调速的维修费用比变频调速也要低的多，维修容易。加之节电率比变频高出25个百分点，串级调速综合技术经济比较，要比变频有明显的优势。1.3 本文主要完成的工作1.3.1设计要求：根据给定参数,设计一个满足下列技术要求的绕线式异步电动机的晶闸管串级调速装置：1）绕线式异步电动机，额定功率2.8KW， 定子额定电压380V ，接法Y, 定子额定电流6.04A， 转子额定电流19.5A， 电源三相， 定子频率50Hz， 转子开路电压104V， 额定转速1440r/min ，电动机定额连续，调速范围 1:3；2) 逆变变压器的原边电压与电网电压相同,其容量与电动机容量相匹配；3) 主电路中整流元件的选择应能保证起安全可靠地工作,电路和元件均应设置较完善的保护电路或保护环节；4) 触发电路应能够保证有源逆变 器工作的正常进行,不应在串级调速运行中发生逆变颠覆。1.3.2毕业设计应完成的工作：1）设计出2.8KW绕线式异步电动机的晶闸管串级调速装置的主电路原理图,启动方法设计；2)采用双闭环控制系统：3）主电路整流元件参数的计算选择；4)进行主电路中有关保护电路和保护环节的设计,对保护元件进行参数的计算选择；5)完成逆变变压器的设计计算；6)完成晶闸管的触发电路的设计计算。第2章 串级调速原理分析及启动方法设计2.1 串级调速原理 串级凋速是十分经典的电机调速方法,它的根本点不是去控制电机的供电电源频率和电压，转而控制转子电流，从而改变电机的转差率进行调速。串级调速具有以控制低电压进而控制高压电机，以控制小功率进而控制大功率电机且系统结构简单，节电率高的特点，对于大多数泵、风机类需要低同步转速调速(由额定转速下调)的应用特别适合。特别对高压大容量电机更有技术实现容易和经济性好的优势。 绕线式异步电动机的结构特点是转子的三相绕组通过滑环可以引出来。当外接不同的电阻时，电动机有不同的转速，这就是绕线式异步电动机的串电阻调速。这种调速方法简单、方便，但在电阻上消耗大量的能量，效率低、经济性差是这种调速方法的主要缺点。如果在转子的绕组回路串入附加电势，当串入的附加电势=0时，电动机工作在固有机械特性上，若这时拖动恒转矩负载，电动机在接近额定转速下稳定运行，转子相电流 式中 S=1时转子开路相电动势、转子额定电压； S=1时转子绕组每相漏抗。 当转子的相位与转子感应电动势的相位相反时，由于反相的接入，立即引起转子电流的减小，此时转子相电流为：由于保证气息磁通不变，则电动机的电磁转矩随着转子电流而减小，使电动机电磁转矩小于负载转矩，失去稳定转速条件，迫使电动机转速降低，转差率上升，而转子电流此时又回升，直到电动机转速降低至某值，转子电流又回升到使电动机转矩回复与负载转矩相等时减速过程结束。当相位与转子感应电动势的相位相同时，情况正好相反。显然改变附加电势的大小，转子电流会发生变化，如果电动机带恒转据负载，则电动机的转速也会变化，因而串附加电势同样能调速。如果在调速的同时，让附加电势装置吸收转子的转差功率并将其回馈电网，那么串附加电势既能调速又能节能。这种调速方法称为绕线式异步电动机的串级调速。 在绕线式感应电动机的转子回路中串入一个与转子感应电势相位相反(或相同)的附加电势，如图2.1所示 图2.1串级调速原理图 当调节在电机转子回路中引入可控的交流附加电动势，虽然可改变电机的转速，但由于电机的转子电动势的频率是其转速的函数，所以附加电动势的频率也必须能随转速而变化且在调速的动态过程中，也应与电机转子电动势的频率保持一致。由此可见，在转子回路中附加交流电动势的调速方法，相当于在转子侧加入可变频、可变幅值电压的调速方法。在工程上实现这样的可控电源是有相当难度的，人们常用一些间接的方法来完成。工程上最常用的一种方法是，利用直流回路来处理6。串级调速就是基于这种思想,把转子感应电压通过整流器变换为直流电压,然后用一个直流的附加电势与之作用,以调节感应电动机的转速。这个附加电势根据它的相位的不同，可能对电机的运行情况产生不同的影响。如果附加电势的相位正好和电流的相位相反，它是吸收功率的，其作用和串电阻相似，增加这个电势，可以使转差功率增加电机转速下降。如果电势与转子电流同相，则产生附加电势的装置将有功功率输入电机的转子回路，起到负电阻的作用，可使转子回路中转差功率减少，甚至变为负值，这时电机转速升高，甚至超过同步转速。所以习惯上把前面一种调速方法称为次同步调速;而把后一种方法称为超同步调速。 由于直流电量不存在频率与相位的问题，直流电压又容易获得，所以可以将电机转子电动势先整流成直流电压，然后引入一个直流附加电动势，而控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电机的转速。这样就把交流变压变频的问题，转化为与频率无关的直流变压问题。经常采用的一种方案，就是用硅二极管整流桥把转子转差功率整流为直流功率输出，然后把该直流功率输送给由可控硅整流桥构成的相控逆变器，由后者把直流功率又变成交流功率回馈给电网。目前国内外应用较多的串级调速系统是次同步串级调速系统8。随着电力电子技术的飞速发展,目前晶闸管串级调速已经成为主流.2.2 双闭环串级调速主回路设计与分析由图2.1可知，要调速，可改变Ef的大小和相位，且要求Ef的频率必须与E2相同，但由于E2的频率是随着s的变化而变化的，因此要求Ef的频率也应随s的变化而变化，在实际中很难做到，为此设计中采用整流加逆变的方法来解决这一问题。下图为串级调速主电路图，图中UR为不可控的整流器，UI可控的有源逆变器，T1为逆变变压器，图中逆变变压器的作用之一是把可控整流装置与交流电网隔离，以抑制电网的浪涌对晶闸管的影响：作用之二能取得与被控异步电机工作相匹配的逆变电压。L为平波电抗器。转子相电动势经三相不可控整流装置整流，输出直流电压U。工作在逆变状态的三相可控整流装置除提供可调的直流电压以作为调速所需的附加直流电动势外，可将经整流后输出的异步电机转差功率逆变成交流，并回馈到电网。 图2.2 晶闸管串级调速主电路图 不考虑电机转子绕组与逆变变压器漏抗影响，则可列写出直流回路的电动势平衡方程式 U=U+IR KsE=KUcos+IR 式中、是UR和UI两个整流装置的电压整流系数，当都采用三相桥式电路时， R直流回路的电阻当逆变角=90时，逆变电压=0，即附加电动势为零，电机在接近于额定转速的最高速运转。当为最小逆变角时，逆变电压最大，电机在最低速运转。改变逆变器的逆变角，就可改变附加电动势的大小，从而使电机转速得到调节。 当异步电动机的定子上加三相交流电后，转子整流器便产生空载整流电势，其值为2.34EM，方向为上正下负。逆变变压器接入交流电源，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，其值为2.34ET，方向也是上正下负，它与转子空载整流电势反接。如果2.34EM2.34ET时主电路产生电流，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达到新的平衡时，电动机稳定运行。电机的调速是根据调速要求来改变逆变角的大小。角的变化，是通过改变加在触发器上的控制电压来实现的。而控制电压是通过双闭环控制系统中的电流调节器的输出来控制的。 电机定子供给转子的功率(电磁功率)分为两部分：大部分变成机械功率拖动泵里类与风机负载，一小部分成为由于转速差(比同步转速低)而产生的转子回路的转差电功率。通过在转子回路串入串级调速装置加入一个可调反电势来控制转子电流，从而调节电机的转速(改变了机械功率输出)，由于转速差(转子转速与同步转速的差)而产生的转子的转差功率经串级调速装置反馈回电网或内馈电机的定子反馈绕组而回收，从而达到调速和高效节能的目的。传统串级调速是将电机的转子回路通过串级调速控制装置及逆变变压器与电网连接而产生等效反电势。等效电势大小的调节是通过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现，同时，转差功率经逆变器和逆变变压器由电网吸收。当使用逆变变压器将转差功率回馈并吸收至电网时，称为外反馈式串级调速。如在电动机定子绕组嵌槽中同槽嵌放一个反馈绕组，则定子铁芯中的反馈绕组和定子绕组构成并代率芋了逆变变压器，将转差功率通过反馈绕组及定子绕组回馈并吸收至电网，这称为内反馈式串级调速。 内反馈串级调速电动机是近年来出现的一种新型的绕线电动机，内反馈串级调速电机在其基础电，机的定子中增设了一套绕组，用来接受从转子反馈回来的能量，我们称之为调节绕组，而将原来的定子绕组称为主绕组。内反馈电机是利用电机绕组多重化技术，在异步电机的定子铁芯上，增设了一套调节绕组，用以提供附加电源。 本文所给电机无调节绕组，故采用外反馈式串级调速。 根据生产工艺对静、动态调速性能指标要求的不同，串级调速系统可以采用开环控制和闭环控制。对于技术性能指标要求不高的生产机械设备，如只要求一定调速范围，而无其他动、静态指标要求的生产机械，为简单、可靠地运行，通常选择开环控制的串级调速系统；对于技术性能指标要求较高的生产机械设备，应选择闭环串级调速系统。采用比例积分调节器的单闭环串级调速系统，虽然能加快调节，并最终消除静态误差，但由于此系统中只有速度负反馈，没有电流负反馈，所以抗干扰能力较差。因此在电力拖动系统中用得较少，而转速、电流双闭环串级调速系统可以克服上述缺点。双闭环串级调速系统不仅具有较硬的机械特性，而且动态响应速度快，抗扰动能力强，容易实现过流保护，故多采用双闭环控制调速系统。双闭环控制系统是具有电流反馈内环和速度反馈外环的串级调速系统，电流反馈内环采用电流互感器和调节器构成，电流反馈信号从电流互感器取出，送至调节器。速度反馈外环由测速机和调节器构成，速度反馈信号取自测速发电机，送至速度调节器。经比较放大后，信号送至晶闸管的触发电路。为了防止逆变器逆变颠覆，当电流调节器的输出电压为零时，整定触发脉冲初始相位角，使。随着电流调节器的输出改变，角在300900范围内变化。速度调节器用来控制电动机的转速，电流调节器是用来控制直流回路中的电流，由于它们只控制一个物理量，所以被控制的参数很容易调整。这两个调节器相互联系，相互制约，使得系统对于给定的电流、速度都是无静差的。利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用，使系统在升速过程中能实现恒流升速，具有较好的加速性能。在电网电压波动时，电流环能及时调节转子电流，以保持所需要电磁转矩。当负载变化时，速度环具有良好的抗干扰稳速性能。电流环和速度环两个调节器均采用比例积分调节器，均含给定滤波和反馈滤波。故本文次同步晶闸管串级调速系统采用双闭环的控制系统。 典型的低同步串级双闭环调速系统框图如图23所示。它主要有绕线转子异步电动机M、三相桥式二极管整流器UR、三相桥式晶闸管有源逆变器UI、逆变变压器TI、触发装置、电流调节器ACR、速度调节器ASR和信号检测等部分组成。图中以速度调节器的输出作为电流调节器的给定，电流调节器的输出作为逆变器的控制电压，转速反馈信号取自与异步电动机轴上连接的测速发电机TG，电流反馈信号通过交流互感器TA取自逆变器交流侧。通过改变转速给定信号的值可以实现调速。例如，当转速给定信号逐渐增大时，电流调节器ACR的输出电压也逐渐增加，使逆变角逐渐增大，电动机转速n也就随之升高。为防止逆变器逆变颠覆，当电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲使输出相位角为最小值，通常限制为30。为了使系统既能实现转速和电流的无静差调节，又能获得快速的动态响应，两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。 图2.3典型的次同步串级双闭环调速系统主电路原理图速度给定信号与测速发电机反馈信号的比较结果作为速度调节器的输入。速度调节器的输出作为电流调节器的给定，用交流互感器在交流侧取电流反馈信号，两者的比较作为电流调节器的输入。电流调节器的输出作为逆变器的控制电压，控制脉冲触发器。 速度环的给定电压与反馈电压之差，表示给定速度与实际速度的偏差，该偏差速度给定信号与测速发电机反馈信号的比较结果作为速度调节器的输入。速度调节器的输出作为电流调节器的给定，用交流互感器在交流侧取电流反馈信号，两者的比较作为电流调节器的输入。电流调节器的输出作为逆变器的控制电压，控制脉冲触发器。 速度环的给定电压与反馈电压之差，表示给定速度与实际速度的偏差，该偏差电压就是速度调节器的输入。电流调节器的给定电压是速度调节器的输出电压，比较电压是由交流互感器取出的。跟速度偏差信号进行比较，比较的结果就是电流调节器的输入。在电动机低速稳定运行的状态下增大,输入速度调节器的偏差也增大，使得经过比例积分后，速度调节器的输出增大此时由交流互感器取出的并未改变，比较之后结果增大即电流调节器的输入增大。因此在电流调节器将产生较大的输出电压，使得逆变角向增大的方向移动，逆变电势降低，转子电流增大，转矩增大，转速上升。与此同时，与电机同轴的测速发电机的输出电压也随之增高，增大，当大小等于给定电压时，系统进入新的平衡状态。此时，异步电动机将以较高的转速稳定运行。反之，如果减小给定电压，异步电动机将以较低的转速稳定运行。由于电流环的时间常数非常小，所以它既可以根据速度偏差信号迅速产生相应的电流去补偿转速的偏差，又可以抵消网压波动、参数变化等因素对系统所产生的干扰，提高了系统的抗干扰能力。双闭环的控制系统分别对和n 进行的独立控制，同时其中两个闭环又相互配合，这就使得其性能比其他控制性能好的多。下面定性的说明在突加给定时系统的工作过程：1）双闭环系统在突加给定时的动态过程由于速度调节器的输出是电流调节器的给定，所以速度调节器的限幅值就决定了电流的最大值。根据电动机允许电流确定速度调节器的限幅值，则在突加给定电压时，将因为电动机的惯性较大，转速来不及上升，使速度反馈很弱，从而导致速度调节器很快达到限幅值，也使电流调节器的给定很大，使它的输出电压和电流也都很迅速上升，在此阶段的某一时刻出现，此时出现一个小的峰值，当小于等于起动电流时电动机静止不动；当大于等于起动电流时电动机开始起动，直到电流达到最大电流以前，电动机的转速并不是直线上升的，在此阶段有：= 电流反馈系数当电流达到其最大值时，电动机的转速将在恒转矩下以较高的加速直线上升，速度调节器一直处在饱和的限幅状态，速度反馈不起作用，相当于速度环开路，系统是一个恒调节系统。但是由于转速上升，转子整流电势直线下降，将使电流有减小的趋势，这就相当于在系统中加入了一个电势干扰。电流最大值不变，电流调节器起调节作用，其输出电压也相应地直线上升，逆变器电势也直线下降，电流趋向恒流。当转速达到给定值时，速度调节器的给定电压与反馈电压相平衡，输入为零。由于速度调节器的积分作用，使输出仍很大，电动机仍继续在加速。而电流调节器输出已经下降，电流已经降低，所以电动机转速要振荡一两次才达到稳定值。此阶段电流调节器和速度调节器同时发挥调节作用。在稳定转速下，速度反馈信号与转速之间有如下关系：= 速度反馈系数2）双闭环系统的静特性上述过程稳定后，即为静态或稳态。虽然电流环有使静特性变软的趋势，但是由于速度闭环包在外面，电流反馈对速度来说相当于是一种干扰，因此速度调节器的放大系数要足够的大，使被包在里面的干扰受到抑制。由于这两个调节器是采用比例积分调节器，所以实际上这两个闭环都是可认为是无静差的。2.3 启动方式的选择确定串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种：1)直接起动 直接起动是利用串级调速控制装置本身来直接起动电动机，而不用任何附加起动设备的起动方式。起动时，要先将晶闸管逆变器的逆变角置于，再逐渐增大，使逆变电压逐渐减小，电动机平稳加速，直到所需的转速。这种起动方式主要用于要求调速范围很大的生产机械，或者生产机械对起(制)动的加(减)速度有一定要求的场合。由于转子回路的主要设备如整流器、逆变器、逆变变压器的容量，亦即串级调速装置的容量都是按要求的调速范围确定的。对于调速范围较小的系统，不应该单纯为了直接起动而选择大容量的串级调速装置，而应该采用间接起动方式。2)间接起动间接起动是利用频敏变阻器或电阻器等起动设备起动电动机，待转速升高到调速范围内最低转速n时，才使串级调速装置投人运行，并切除起动设备。这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转子回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。这种方式还有一优点，即一旦串级调连装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行。 为了减少串级调速装置的容量，并同时满足使电动机能完全脱离调速装置而“高速”运转的要求，本系统采用频敏变阻器进行起动。如图2.4所示。 图2.4 串级调速系统的间接起动方式电路图 当转速没达到n以前，接触器KM2的常开触点闭合、接触器KMI的常开触点断开，频敏变阻器接入，电动机便以转子串频敏变阻器的方式起动。待转速达到所设计的n(S)时，接触器KMl接通，同时KM2的常开触点断开，切断起动频敏变阻器，使电动机转子接到串级调速装置，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。注意在电动机未达到设计最低转速以前不允许把电动机转子回路与串级调速装置相接，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏器件。停车时，由于没有制动作用，应先断KMI，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再断开QF，以防止当QF断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。 在调速装置发生故障时，先经频敏变阻器升速，然后通过KM3触点短接转子，使电动机全速运行，这样可对调速装置进行检修而不中断生产。第3章 主回路电机、逆变变压器及电抗器的计算选择3.1 转子回路基本数量关系 由主电路图2.2分析可得转子回路的一些基本数量关系。这些数量关系可作为选择设计串级调速系统主电路参数的依据。有些数量关系比较复杂，在工程设计中可以忽略次要因素的影响，简化计算方法。1）转子电流有效电流I与直流回路电流I关系 当直流回路总电感充分大时，工程计算中，可近似将直流回路瞬时电流视为上底-、下底+，高为I的梯形波。考虑到换相过程影响，转子电流可近似表示为 I=I通常可按换向重叠角=30时计算，则有 I=0.78I2）逆变变压器二次侧电流有效值I与直流回路电流I的关系 因为变压器漏抗很小，换向重叠角也较小，工程计算中可不考虑换相过程影响，认为变压器二次侧电流为120导电型方波，其有效值可近似表示为 I=I=0.816 I 3）转子整流电路输出电压U 在忽略电动机绕组电阻及换相过程影响时，转子整流电路输出电压为 U=2.34sE=1.35sE 式中，E为电动机转子相电压，E为电动机转子线电压。4）逆变器直流侧电压U与变压器二次侧电压U的关系 在忽略电抗器电阻影响时，转子整流器输出电压U就是逆变器直流侧电压。当不计逆变器电阻及换相过程影响时，有如下关系 U=2.34 Ucos=1.35Ucos U为逆变变压器二次侧线电压。 3.2 异步电动机的相关参数计算 本题中所给电机的基本参数为:额定功率2.8KW，定子额定电压380V，接法Y，定子额定电流6.04A，转子额定电流19.5A,电源三相，定子频率50Hz,转子开路电压104V，额定转速1440r/min,电动机定额连续, 取电流过载倍数=2，调速范围为1：3。 异步电动机的参数，在有条件的场合，可以通过实验进行测定，或向厂家索取有关资料，若两者均有困难，则根据电动机的铭牌数据可以计算：1）额定转差率S S=0.03992）临界转差率S S=S=0.0399=0.163 3）定子每相电阻r r=1.384）转子每相电阻r r=0.1235）定子与转子绕组的变比K K=3.476）折算到转子侧的定子每相电阻r r= =0.1157）电动机的额定转矩T T=9550=9550=18.6Nm8）电动机定子总电抗X(X=X+X) X=2.469）定子电抗X及折算到定子侧转子每相电抗X XX0.5X=0.52.46=1.2310）转子侧每相电抗X X=0.10211）折算到转子侧每相总电抗X XX=0.2043.3 逆变变压器参数计算与选择 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；同时为使有源变压器与电网隔离、减少逆变器对电网波形畸变的影响，一般需配置逆变变压器。3.3.1逆变变压器原副边接线方式在三相桥式有源逆变器中，由于晶闸管的非线性开关作用，在变压器副边电路中，将产生高次谐波电流，而且由于变压器原副边绕组的耦合紧密，变压器原边电流中也有丰富的高次谐波存在，以致使供电网压发生畸变。当串级调速系统的容量很大时，可能使网压波形严重畸变，从而影晌其他用户的正常用电。所以，为减少电流中的高次谐波成分，应合理选择逆变变压器的接线方式，一般应尽量选用/Y或Y/,，而不采用Y/Y或。因为当逆变变压器接成Y/Y或时，原副边绕组内的线电流波形是相同的(均为方波电流)，所含的高次谐波分量也是相同的，而且各谐波分量都比较大。当逆变变压器选用的接线方式为/Y或Y时，虽然副边绕组内的线电流波形仍为方波电流，但原边线电流的波形却均为多台阶形，更接近于正弦波，使原边线电流的波形得到改善。本设计选变压器接法为Yll，如图所示。这样可以使励磁电流的三次谐波在三角形绕组中以环流形式存在，从而使二次绕组中的感应电动势是正弦波。 图2.3 逆变变压器绕组D/Y11接法图3.3.2 逆变变压器二次电压的计算 逆变变压器的二次电压，可以根据使最低转速下转子最大整流电动势与逆变器最大逆变电动势相等的原则来确定。调速系统最低转速对应的最大转差率S为 S=1-=1-= 式中，D为调速范围，D= 电动机工作在调速系统最大转差时，转子整流器的输出电压也最高，按三相桥式整流接线时，转子最大整流电压为U=2.34SE=1.35SE。为使串调装置容量尽量小、功率因数尽量高，当电动机工作在调速范围最低速时，逆变器应工作在最小逆变角，通常取=30。在忽略直流回路电阻及换相过程影响时，变压器二次侧最大线电压为 U=161V实选U=180V 选择逆变变压器一次侧电压和电动机定子额定电压相同为380V，故实际连线时，应将逆变变压器一次侧及电动机定子接在同一电压等级的电网上。3.3.3逆变变压器容量和参数的计算1) 逆变变压器容量的计算 逆变变压器可以按计算要求设计专用变压器，也可以选用参数和计算要求相近的标准变压器，变压器容量可根据下式确定 S=UI（kVA)逆变变压器二次侧电流可由电动机转子额定电流I确定，其有效值可近似表示为 I=1.05I=1.0519.5=21A所以，逆变变压器容量为 S=UI=6.5（kVA)实选8kVA。因此所选变压器的技术参数为：额定容量：8kVA原边线电压：380V副边线电压：180V 副边线电流：21A2）逆变变压器参数的计算折算至直流侧的变压器等效电阻R R=0.01=0.049折算至二次侧的变压器漏抗X X=0.053.4 直流回路电抗器的计算 在串级调速电动机的转子直流回路中，必须设置足够大的电抗器，以保证电流连续和减小电流脉动。1）保证电流连续所需的电感值L L=0.639=mH 式中，U为逆变变压器二次侧相电压，其中 I=A2) 限制电流脉动所需的电感值L L=mH式中，为最低次谐波频率。对三相全控桥，=300Hz,=。3) 异步电动机折算到转子侧的每相漏感L L=mH4) 逆变变压器折算到二次侧的每相漏感L L=mH5) 平波电抗器电感值L按电流连续要求，实际应串入的平波电抗器电感量为 L= L-2(L+ L)=53.2-2(0.65+0.79)=50.32mH按限制电流脉动要求，实际应串入的电感量为 L=L-2(L+ L)=20.3-2(0.65+0.79)=17.42mH取两者中较大的，所以选用直流回路电抗器的电感为50.32mH时，电流脉动和连续要求都能满足。平波电抗器直流电阻R为R=0.01=0.010.031第章 整流装置及逆变装置的设计计算4.1 三相桥式二极管整流装置的选择计算转子整流器用的硅整流二极管，是在低频率、大电流下工作，所承受的电压与调速范围有关，这就是转子整流二极管的特点。1) 额定电压U 转子整流器为三相不可控整流电路，元件承受的最高反向电压为 U=V故元件额定电压可取为 U=（23) U（23)98.04=（196.08294.12）V实取U=400V。2) 额定电流I 转子整流元件的电流定额应按最严重负载条件确定，当取电动机电流过载倍数=2时，允许通过的最大直流整流电流为 I=1.05I=1.05=52.42A I=（1.52）KI=（1.52）0.552.42=(39.452.5)A实取 I=60A选取整流二极管型号为ZP100-4，共6只4.2逆变器的晶闸管元器件的计算与选择1) 额定电压U 逆变电路为三相全控桥式电路，元件承受的最高反向电压为 U=U=255V则晶闸管元件的电压定额为 U=（23)U=（23)255=(510765)V实取U=800V2) 额定电流I 晶闸管元件的电流定额也应按最严重负载条件确定，当取电动机电流过载倍数=2时，允许通过的最大直流整流电流为 I=1.05=1.05224.96=52.5A I=(1.52)KI=(1.52)0.552.5=(39.452.5)A实取 I=60A选取晶闸管型号ZP100-80，共6只第5章 触发环节、检测及调节环节的设计5.1 触发环节设计选择晶闸管的触发电路很多，其优缺点和使用范围各不相同。集成触发电路具有性能稳定可靠、线性度好、功耗低、体积小、使用方便等优点，被广泛应用于各种晶闸管装置中。本系统采用TC787构成三相六脉冲触发电路。TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。它是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此，TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。图5.1为TC787芯片的内部结构原理框图，其内部集成有3个过零和极性检测单元，3个锯齿波形成单元，3个比较器，1个脉冲发生器，1个抗干扰锁定电路、1个脉冲形成电路，1个脉冲分配及驱动电路。他们的工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部3个恒流源的控制信号，3个恒流源输出的恒值电流给3个等值电容Ca，Cb，Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波，锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出，该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。假设系统未发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12，11，10，9，8，7输出全为低电平。 图5.1 TC787内部结构原理图TC787各引脚名称及功能介绍： 1）同步电压输入端：引脚1、2、18分别为C相、B相、A相三相同步电压连接端，三相同步电压经滤波后接入这三个输入端。 2）脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8、10、12分别为三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7、9、11分别为与三相同步电压负半周对应的反相处罚脉冲输出端。应用时这些输出端均接至脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动的开关管的控制极。 3）控制端：引脚5输出脉冲禁止端该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用时接保护电路的输出。引脚14、15、16分别为三相同步锯齿波电容连接端。该端连接的电容决定了锯齿波的斜率和幅值，应用时应分别连接一个相同容量的电容接地。引脚6为工作方式设置端，高电平时为双脉冲输出方式，低电平时为单脉冲输出方式。引脚4为移相控制电压输入端，其输入电压的大小决定移相的范围。引脚13为输出脉冲宽度控制端，该端连接的电容容量越大，输出的脉冲宽度越宽。 4）电源端：TC787既可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时，引脚3接地，而引脚7接正电源，允许施加的电压为-49V。双电源工作时，引脚3接负电源，施加电压为-49V，引脚7仍接正电源，电压范围+49V。 图5.2 用TC787构成的三相六脉冲触发电路图5.2给出了TC787单电源工作时的典型应用接线图，380V三相交流电经过同步变压器变压为30V的同步信号a，b，c后，经过电位器RP，RP，RP及T型阻容移相网络接入到TC787的同步电压输入端，通过调节RP，RP，RP三个电位器可实现O60的移相，以保证同步信号与主电路的匹配。调节RP可以使输入4脚的电压在0一12V之间连续变化，从而使输出脉冲在0-180之间变化，712脚的输出端有大于20mA的输出能力，采用6只驱动管扩展电流，经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸管的控制极(g)和阴极(k)之间，以触发晶闸管。 触发电路实现同步方法采用主电路电源经同步变压器降压，再经阻容移相来获得符合相位要求的同步电压。尽管利用同步变压器可以获得适当相位同步电压，但为了滤除电网电压中的干扰信号，提高抗干扰能力，同步变压器输出端应设有阻容滞后移相滤波电路。由于同步变压器二次侧的同步电压有公共端，所以同步变压器二次侧只能选用星形连接，便于和各单元触发电路相连。本设计选用Y-11接法。5.2 检测装置及反馈调节环节的选择设计5.2.1 电流检测装置设计在晶闸管控制系统中，需要检测主回路的电流，并把它转换成电压，作为电流反馈信号。电流检测可分为直流检测和交流检测两类。在变流电路直流侧检测电流大小，一般常用直流电流互感器或者用霍尔电流变换器直接测量主回路电流。在晶闸管有源逆变器中，交流侧有效值电流I与直流电流I之间有着近似的比例关系，例如三相桥式有源逆变器，有I=0.816I。因此通过测量交流电流便可间接反映直流侧逆变电流的大小，交流检测常采用交流互感器。由于交流电流检测简便、可靠、能耗小，还能把控制回路与主电路隔离，以保证设备和人身安全，因而在实际系统中得到了广泛应用。本系统采用交流电流互感器作为电流检测装置，电路如图5.2所示。 图5.2 TA电流检测装置电路图5.2.2 速度检测装置设计 在闭环调速系统中，速度反馈是利用速度检测装置实现的，最常用的速度检测装置是测速发电机。测速发电机的质量和安装精度直接影响系统的动态品质。本设计选用永磁式测速发电机，另外，安装时测速发电机的轴中心应与电动机的轴中心重合，以保证安装质量。 图5.3 转速检测环节电路设计5.2.3 电流调节器设计电流调节器采用近似的PI调节器，图54所示是电流调节器的结构图。电流调节器ACR输出为零时，应整定最小逆变角，以保证最低速起动(即以起动)。为防止逆变失败，为此取=30，电流调节器须设置输出限幅电路。ACR的输出信号经限幅和功率放大后作为触发装置GT的移相信号U。随ACR输出的增加，向90方向变化，时，=0，相当于转子没有附加电动势，电动机工作于固有特性。调节器中运算放大器所选型号为MT-047运算放大器，其他所