异步电机串级调速系统的设计

第一章 串级调速系统 1 1 主电路方案的确定 全面比较单闭环和双闭环调速系统 把握系统要求实现的功能 选择最适 合设计要求的虚拟控制电路 根据系统实际 选择转速 电流双闭环调速系统 对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统 当转速较低时转差功率消 耗较大 从而限制了调速范围 如果要设法回收转差功率 就需要在异步电动 机的转子侧施加控制 此时可以采用绕线转子异步电动机 但在电阻上将消耗 大量的能量 效率低 经济性差 同时由于转子回路附加电阻的容量大 可调 的级数有限 不能实现平滑调速 为了克服上述缺点 必须寻求一种效率较高 性能较好的绕线转子异步电动机转差功率同馈型调速方法 串级调速系统就是 一个很好的解决方案 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应用 因此效率高 1 2 系统静态及动态要求 采用转速电流双闭环调速系统 在系统中设置了两个调节器 分别调节转 速和电流 二者之间实行串级联接 这样就可以实现在起动过程中只有电流负 反馈 而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端 到达稳态转速后 只靠转速负反馈 不靠电流负反馈发挥主要的作用 这样就能够获得良好的静 动态性能 与带电流截止负反馈的单闭环系统相比 双闭环调速系统的静特性在负载 电流小于时表现为转速无静差 这时 转速负反馈起主调作用 系统表现 dm I 为电流无静差 得到过电流的自动保护 显然静特性优于单闭环系统 在动态 性能方面 双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性 在动态 抗扰性能上 表现在具有较强的抗负载扰动 抗电网电压扰动 1 3 串级调速基本思路 在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键是在转子侧串入一个 可变频 变幅的电压 对于次同步电动状态的情况 将转子电压先整流成直流 电压 再引入一个附加的直流电动势 控制此直流附加电动势的幅值 就可调 节异步电动机的转速 把交流变压变频问题转化为直流变压问题 分析与实现 都比较方便 电气串级调速系统原理图 图 1 1 电气串级调速系统原理图 第二章 主电路设备和元件的计算与选择 2 1 电动机的选择及方案 2 1 1 供电方案的选择 变电压调速是直流调速系统用的主要方法 调节电枢供电电压所需的可控 制电源通常有 3 种 旋转电流机组 静止可控整流器 直流斩波器和脉宽调制 变换器 根据本此设计的技术要求和特点选 V M 系统 在 V M 系统中 调节器给定电压 即可移动触发装置 GT 输出脉冲的相位 从 而方便的改变整流器的输出 瞬时电压 Ud 由于要求直流电压脉动较小 故 采用三相整流电路 考虑使电路简单 经济且满足性能要求 选择晶闸管三相 全控桥交流器供电方案 因三相桥式全控整流电压的脉 动频率比三相半波高 因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半 这是三相桥式整流电路的 一大优点 并且晶闸管可控整流装置无噪声 无磨损 响应快 体积小 重量 轻 投资省 而且工作可靠 能耗小 效率高 同时 由于电机的容量较大 又要求电流的脉动小 综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案 在一般情况下 晶闸管变流装置所需的交流电供电压与电网往往不一致 另 外为了减小电网与晶闸管装置的相互干扰 要求能够隔离 所以通常要配用整 流变压器 为了抑制谐波干扰 一般采用接法的整流变压器 2 1 2 电动机的选择 本设计采用内反馈串级调速 电机型号等已在给定指标中说明 控制电机型号 YR250M2 4 额定转速 1480r min 额定功率 40kW 效率 91 5 调速范围 D 3 静差率 S 0 01 定子电压 电流 380V 85A 功率因数 0 87 转子电压 电流 340V 81A 频率 50HZ 表 2 1 绕线式异步电动机 1 电动机参数计算 额定转差率 SN 1500 1480 1500 0 01333 临界转差率 Sm Sn 2 1 2SN 1 1 2 0 082 定子电阻 r1 0 95U1NS I1n 0 95 380 0 013 85 0 03233 转子电阻 2 r 2 2 2 0 0133 340 0 032 33 81 NN N S EV r I 定转子绕组的变比 K 12 0 95 0 95 380 3401 06 NN KUEVV 折算到转子侧的定子电阻 r1n 2 0 032 1 062 0 028 r 1kM 电动机额定转矩 MN 9550PN nN 9550 40 1480 258N M 折算到转子侧的漏抗 2 2 1 22 11 2 2 22 3 210 380 32 0 0320 032 1 06 210 3 258 0 28 Np N Un XrrK M 2 逆变压器参数初步计算 变压器二次额定电压 U2 U2 1 1 D E2N COSmin 1 1 3 340 cos300 261V 折算至直流侧的变压器等效电阻 rd rd 0 01U2 I2N 0 01 261 81 0 018633 折算至二次侧的变压器漏抗 Xs Xs 0 05 U2 I2N 0 05 261 81 0 09333 平波电抗器直流电阻 RL RL 0 01E2N I2N 0 01 340 81 0 0242 33 3 在串级调速状态运行时的额定转矩 MCN 串级调速运行时直流回路额定电流 dN I3 1 73 81106 7 dN IAA 串级调速运行时的额定转矩 CN M 01 1 13 1 73 9 5653 1 35 3401 73 0 0280 28106 7106 7289 5 1500 CNddNdN MErXII N m 转矩降低系数 m k 289 5 2581 12 mCNN kMM 4 串级调速状态运行时最高转速的确定 直流回路总等效电阻为 XrrrRSd m X m RL 73 1 21 1 73 0 028 0 032 0 0186 0 0242 3 0 28 3 0 093 0 503 R 取系统过载系数为 2 则有直流回路最大电流 Idm为 Idm IdN 2 106 7 213 4A 最大电流时的电动势系数 Ce Idm Ce Idm Ed0 1 73r1 3 X Idm n0 1 35 340 1 73 0 028 3 0 28 213 4 1500 0 261V min r 所以最大电流时对应的最高转速为 nmax Ed0 R Idm Ce Idm 459 0 503 213 4 0 261 1348r min 则 nmin 1 3 1348 449 r min 转速降低系数 kn nmax nn 1348 1480 0 91 功率降低系数 Kp kn km 0 91 1 08 0 98 5 电动机校验 kpPN 0 86 40 34 4 PL 所以 所选电机容量合适 6 换向重叠角的校验 所以 系统工作在第一工作区 2 2 arccos 1 2 2 213 40 28 arccos 1 2340 41 360 dm n oo IX E A V 2 2 逆变变压器的参数计算 1 逆变压器二次侧电压 Smax n0 nmin n0 1500 449 1500 0 70 U2 SmaxE2N COSmin 0 70 340 cos300 274 8V 取 275V 2 逆变压器二次侧电流 81A I InT22 3 逆变变压器容量计算 取 39KVAKVA IUSTTnT 58 388127833 22 4 逆变变压器一次侧电流 AA U S I n T T 59 3803 39000 3 1 1 5 逆变变压器参数计算 0196 0 813 275 01 0 3 2 01 0 2I r n d U 2 2 275 0 050 098 33 81 Tk n U uX I R 1 73 r1 r2 rd RL 3 X 3 Xs 1 73 0 028 0 032 0 0196 0 0242 3 0 28 3 0 098 0 509 0 max 1 35 3450 509213 4 1343 min 0 261min ddm edm ERI n CI VA r Vr 2 3 整流元器件的计算与选择 1 转子整流器的额定电压 UTN 2 3 U2 2 3 275 778 1167 V 取 1200V22 2 额定电流 ITN 1 5 2 Ktb Idm 1 5 2 0 368 213 4 118 157 A 取 200A 选取晶闸管 KP200 12 硅整流器件 ZP200 12 各 6 只 2 4 平波电抗器电感量的计算 1 电动机等效电感 mHmH f X L M M 89 0 502 1028 0 2 10 3 1 3 2 逆变变压器的漏感 mHmH f X L T T 312 0 502 10098 0 2 10 3 1 3 3 按电流连续要求的电感量 2 3 min 2 1L I U KLT d T IdL 即 Lcrl 0 693 275 0 05 106 7 2 0 89 0 312 18 2mH3 4 按限制电流脉动要求的电感量 3 22 11 3 10 2 20 05 108275 3 20 890 312 23000 05 106 7 10 2 dm mML dd UUU LLL fI mH mH 2 5 调速系统的保护 2 5 1 过电压保护 1 过电压保护 阻容保护 交流侧过电压保护措施如图所示 TI Yd11 R1 R1 C1 C1 C2 C2R2 R2 图2 2 交流侧过电压保护 阻容保护参数计算 由于逆变变压器容量 40kVA5kVA 故变压器一次侧 二次侧均设置阻容保护环节 变压器一次侧阻容吸收装置参数计算 变压器每相伏安数为 13 3kVA 阻容保护采用接法 则电容值为 1 C 1 2 1 3 2 1 6 3 3 113 3 10 6 5 3220 2 75 t S Ci U F F 实取 4 7 1 CF 电容的耐压值 1 1 51 5 380570 CC UUVV 电阻按下式计算 1 R 取 20 2 1 1 2 3 3 3 2 3 2205 3 2 3 13 3 105 25 k t U U R Si 1 R 阻容电流 C I 6 16 210 2 3 14 504 738010 0 56 CC IfCU SFVV A 电阻功率 1R P 222 11 3 4 4 0 562025 1 RC PIRAW 根据上述计算 实选阻容装置为 油浸电容 4 7 630V 3 支 绕线电阻 20F 100W 3 支 变压器二次阻容吸收装置参数计算如下 阻容装置采用接法 则 2 2 2 3 2 6 13 3 10 6 5 275 5 28 t S Ci U F F 实取 5 6 2 CF 的耐压值 电阻按下式计算 2 C 2 1 51 5 275412 5 CC UUVV 2 R 2 2 2 2 3 2 3 2755 2 3 13 3 105 13 08 k t UU R Si 取 13 2 R 阻容电流 C I 6 16 210 2 3 14 505 627510 0 48 CC IfCU SFVV A 电阻功率 1R P 222 12 3 4 4 0 481312 RC PIRAW 根据上述计算 实选阻容装置为 油浸电容 5 6 630V 3 支 绕线电阻 13F 100W 3 支 2 直流侧过电压保护 直流侧与交流侧过电压保护 方法相同 保护线路如右图所示 容阻保护参数计算 电容量计 d C 算如下 式中 计算系数 cd K 值 对于三相桥式电路 70000 cd K 折算至变压器二次侧的空载电流 A 3 2o I 2 2 o dcd I CK fU 1 6 5 81 100 70000 346 4 50275 A F SV 取 d C 47 F 电容器耐压值1 51 52275583 C UVV Rd Cd 图2 3 直流侧过电压保护 电阻值 取 10 2 2 275 0 139 05 6 5 10081 RdRd o UV Pk IA 的额定功率 W d R Rd P 2 2 2 2 2 6 2 3 1 2 8 8910 2 3 7 10 1 10 2 3 14 300 47 10 d Rd d nd U R P R f C WW 实选油浸电容 47 耐压 630V 1 支 绕线电阻 10 100W 1 支 F 式中 的额定功率 W 谐波电压 V 对于三相桥式电路 d R Rd PU 8 89V 谐波频率 Hz 对于三相桥式电路 300Hz U n f n f 2 5 2 过电流保护 1 直流快速自动开关保护 为了防止变流装置逆变失败及直流侧短路 实 行过载保护 本系统采用采用了 DS 6 8 快速自动开关接在被保护的直流电路内 2 交流侧保护 为了使系统的保护特性协调 满足串级调速运行的起动操 作顺序和停车操作顺序 在逆变变压器及电动机电源侧和变压器二次侧均采用 DW 型自动空气开关实现电路保护 3 快速熔断器保护 快速熔断器作过流保护是半导体变流装置中应用最普 遍的保护措施 本系统采用与晶闸管和硅整流元件串联快熔 以及在逆变变压 器二次侧串接快熔的方法 实现对元器件和系统的过电流保护 右图是快熔与 晶闸管器件串联的保护线路 当线路一旦出现短路故障 能保证在装置损坏之 前 快速切断短路电流 与元器件串联快熔 FU1 的计算 实选 RS3 750V 300A 12 只 AAII TNN 31420057 1 57 1 逆变变压器二次侧快熔的计算 实选 RS3 750V 200A 3 只 AAIIN200 12080 5 2 5 1 5 2 5 1 2 2 6 系统功率因素的改善 补偿电容器 补偿电容器接入系统的示意图如下 改善串级调速装置功率因素的方法有两类 一类是改变串级调速系统本身 的结构 即利用改进的串级调速装置 另一类是利用电力电容器来改善功率因 素 利用电容器改善功率因素方便易行 故应用较广 M 3 TI LT C C C 33 3 图2 4 补偿电容器接入系统的示意图 第三章 控制回路单元电路的选择 3 1 电流环元件的选择 1 电流检测装置 三相桥式有源逆变器中 交流测有效电流 I2 与直流侧电流 Id 间有着近似的 比列关系 即 I2 0 816Id 因此 利用交流电流互感器检测电流 即可以反映直 流电流 又能把控制回路与主回路隔离 结构上 交流电流互感器简单 因此 本设计采用交流电流互感器做为电流检测装置 2 电流调节器 ASR 的机构 为了满足工艺要求 提高系统的动态性能 电流调节器采用近似的 PI 调节 器 由高增益线性组件 BG305 构成 电流调节器 ASR 的输出信号和功率放大 后做为触发装置 GT 的移相信号 Uct 10k 10k 10k 10k 10k 10k oi C oi C oi C i U i U 3 9k 1k 1k 30k 30k 100 100 i R i R C 2 V 15V 15V 2 VD VD1 VD3 VT1 VT2 ci U R RP1 封封锁锁 信信号号 过过电电 流流保保 护护 电电流流 反反馈馈 电电流流 给给定定 图3 1 电流调节器ACR原理图 3 触发装置的选择 触发器是晶闸管交流装置的一个极其重要组成部分 进年来 触发电路迅速 向集成化发展 集成电路触发器具有性能可靠 线性度好 功耗低 体积小 使用方便的优点 故本设计采用 KCZ6 集成六脉冲触发组件 该组件采用三块 KC04 移相触发器 一块 KC41 六路双脉冲形成器 一块 KC42 脉冲列调制形成 器组成 它将控制电压 Uct 的幅度转化为相应控制角的触发脉冲 通过脉冲变 压器使主电路可靠地工作 控制 KC41 端子 7 的逻辑电平 可以很方便地实现 对输出脉冲的封锁与开放 当控制端子 7 接逻辑电平时 无输出脉冲 3 2 转速检测环节的选择 1 转速检测环节和电压隔离器 转速检测装置的质量和安装精度直接影响着系统的动态品质 本系统采用 永磁式直流测速发电机实现转速检测 选用 ZYS231 110 型 为了使测速发电 机与控制回路隔离 本系统设置了直流电压隔离器 2 转速调节器 ASR 的结构 转速调节器 ASR 采用与 ASR 相同的结构 由线路组件 BG305 构成近似的 PI 调节器 调节器的设置 使转速 n 跟随给定值 Un 变化 稳态时无静差 对 负载变化起抗干扰作用 其输出限幅值决定最大电流 电电压压隔隔离离器器 RP1 2k 160V 160V 1 F 1 F 1 F 1 F 160V160V 220 2W 2202W 1 C 2 C 3 C 4 C R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 FU V TM U FU PV 图3 2 转速检测环节和电压隔离器 第四章 调节器的工程设计 4 1 双闭环系统静态参数计算 1 取速度给定电压 VUgn10 速度反馈系数 1 minmax min 01112 0 4491348 10 r nn Ugn 转速负反馈回路比较电压 ucom anmin 0 01112 449 5V 实选 稳定电压为 5V 的硅稳压管 2 取电流给定电压 Uim 7 5 电流反馈系数 Uim Idm 7 5 213 4 0 035V A 转速调节器稳压放大系数 Kn Kn Idn snnin 0 035 106 7 0 01112 0 01 449 74 8 取 Kn 80 Rn KnR0 80 20K 1 6M 系统的稳态速降 Idn Kn 0 035 106 7 80 0 01112 4 2r minNn Nn 低速时静差率 S S nmin 4 2 449 0 0093 1 Nn 满足系统稳态性能要求 3 双闭环稳态结构图 Ks 1 Ce U n Uc Id E n Ud0 Un ASR U i R ACR Ui UPE 图 4 1 双闭环稳态结构图 4 2 双闭环系统的动态参数计算 ASRACR 1 1 sTon1 1 sToi 1 sT k s s 1 1 sT R lsT R m eC 1 1 sTon 1 sToi Un s Ufn Ui s Ufi Uc s Ud0 s E s Idl s Id 图 4 2 双闭环动态结构图 1 电流环参数计算 Uis Id s ACR 1 1 lI Ks R TST S 图 4 3 电流环动态结构图 取平均失控时间 Ts 1 7ms Toi 2ms 4 3 0 707 所以电流调节器的参数为 T