造纸机晶闸管串级调速系统设计.doc

浙江水利水电高等专科学校毕业设计某造纸机晶闸管串级调速系统摘要: 关键词： 目录0 引 言十几年前，串级调速作为一种高效率的交流无级调速曾经盛行一时，随着近代变频调速的兴起，串级调速日渐萧条，被误认为是落后的调速技术。串级调速真的比变频调速逊色吗？实际上，串级调速在效率、机械特性等本质方面，和变频调速几乎是完全一致的，而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速。尤其在高压大容量风机泵类节能方面，串级调速的某些优势表现的更为明显。 如何评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是： 效率高； 调速平滑即无级调速； 调速范围宽；调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；成本低廉。 交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机与直流电动机相比具有一些突出的优点：制造成本低；重量轻；惯性小；可靠性和运行效率高；维修工作量小；能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行。这些与现代调速系统要求的可靠性、可用性、可维修性相一致。但同时交流电动机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。而随着电力电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能的电力电子器件产品的出现，为交流调速系统的发展创造了有利条件。特别是70年代初出现的矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上相继出现的磁通反馈矢量控制、转差型矢量控制、直接转矩控制等实用系统，大大推进了交流传运控制技术的发展。这些新型的交流传动控制技术与高性能的变频器相结合，就有可能使利用交流电动机构成的交流伺服系统在性能上与高精度的直流伺服系统相匹配。特别是在一些大容量、高转速或特殊环境下应用的场合，交流调速系统已显示出无比的优越性，电气传动交流化的时代随之而来。 而异步电动机有三种基本的调速方式，即改变极对数、改变转差率和改变供电电源频率1调速系统方案的确定系统方案选择的原则是在满足生产机械工艺要求和确保产品质量的前提下，力求投资少、效益高和操作方便。根据造纸机对电气传动系统的要求，由于调速范围小，采用晶闸管串级调速是较合适的一种“调速节能”方案。采用晶闸管串级调速后，按电动机的最大转矩值降低为原来的82.6%计算，本电动机仍近似具有2.5倍()的转矩过载能力，能够满足工艺提出的要求。为了满足系统静、动态特性的要求，本系统选用具有电流内环和转动外环的典型双闭环自动调速系统。本调速系统的主要组成部分有异步电动机、转子整流器、频敏变阻器、有源逆变器、触发装置和信号检测等元件。整流器和逆变器均采用三相桥式电路。图1-1为本系统所采用方案的示意框图。为了减少串调装置的容量和满足使电动机能完全脱离调速装置而“高速”运转的要求，本系统不使用串调装置的直接起动，而是采用频敏变阻器进行起动。起动完毕后，若需转入“调速”状态下低速工作，只需将接触器接通，KM断开，即可切换至串级调速运行状态。在调速装置发生障碍时，先经频敏变阻器升速，先经频敏变阻器升速，然后通过触点短接转子，使电动机全速运行，这样可以调速装置进行检修而不中断生产。 图 1-1 造纸机传动系统框图2 串级调速的基本原理在异步电动机的串级调速中, 如果不在转子回路串接电阻，而是引入一个附加电动势Ef，且令Ef的频率和转子电动势的频率相等，则转子回路的总电动势即为转子电动势E2和附加电动势Ef的代数和，从而使转子电流随着二者的相互关系而变化。如果对电动势的方向及数值加以控制，就会得到性能远比转子串电阻调速法优越的结果。首先是节省了电阻上的热能损耗；其次是改变附加电动势的大小和方向十分灵活、方便，可做到平滑无级调速。绕线转子电动机的串级调速，在负载转矩不变的条件下，异步电动机的电磁功率常数，转子铜损耗与转差成正比，所以转子铜损耗又称为转差功率。转子串接电阻调速时，转速调的很低，转差功率很小，效率很低，所以转子串接电阻调速很不经济。如果在转子回路中不串接电阻，而串接一个与转子电动势同频率的附加电动势如图2-1所示，通过改变值的大小和相位，同样也可实现调速。图 2-1 转子串Eab的串级调速原理图 串级调速的基本原理可分析如下：未串时，转子电流为： 当转子串入的与反相位时，电动机的转速下降。因为反相位的串入后，立即引起子电流的减少，即而电动机产生的电磁转矩也随而减小，于是电动机开始减速，转差率S增大。随着S增大，转子电流开始回升，也相应回升，直到转速降至某个值，串入反相位的幅值越大，电动机的稳定转速就越低。当转子串入的与同相位时，电动机的转速升高。同相位的串入后，立即使增大，即于是，电动机的相应增大、转速将上升、s减小。随着s的减小，开始减小,也相应减小，直到转速上升到某个值，减小到使得复原到与负载转矩平衡时，升速过程结束，电动机便在高速下稳定运行。由上面分析可知，当与反相位时，可使电动机在同步转速以下调速，称为低同步串级调速，这时提供Eab的装置从转子电路中吸收电能并回馈到电网。Eab与E2s同相位时，可使电动机朝着同步转速方向加速，Eab幅值越大，电动机的稳定转速越高，当Eab幅值足够大时，电动机的转速将达到甚至超过同步转速，这称为超同步串级调速，这时提供Eab的装置向转子电路输入电能，同时电源还要向定子电路输入电能，因此又称为电动机的双馈行为。串级调速的机械特性如图2-2所示，当Eab与E2s同相位时，机械特性基本上是向右上方移动；当Eab与E2s反相位时，机械特性基本上是向左下方移动。因此机械特性的硬度基本不变，但低速时的最大转矩和过载能力降低，起动转矩也减小。串级调速的调速性能比较好，但获得附加电动势Eab的装置比较复杂，成本较高，且在低速时电动机的过载能力较低，因此串级调速最适用于调速范围不太大（一般24）的场合。图 2-2 串级调速时的机械特性3 主电路设备和元器件的计算与选择3.1电动机的选择3.1.1容量的选择。考虑到串调运行的异步电动机由于额定转矩、额定运行时最高转速的降低及其他因素的影响，使电动机允许最大输出功率较自然接线运行时的额定功率降低。取电动机容量系数1.25倍，则选择电动机额定功率为 根据造纸机转速及传动要求，选择绕线转子三相异步电动机：YR250M24型，/丫联结，。3.1.2电动机的校验。为了进行电动机校验，并计算串级调速系统的静态和动态性能，需要知道系统有关参数，特别是异步电动机本身的参数。要取得这些参数，可以通过实测或向有关厂家索取，若两者均有困难，则可根据铭牌数据进行计算。3.1.2.1 电动机参数计算如下：额定转差率：临界转差率： 定子电阻：转子电阻：定转子绕组的变比K： 折算至转子侧的定子电阻： 电动机的额定转矩： 折算至转子侧的电动机漏电抗X： 3.1.2.2 逆变变压器参数初步计算如下：变压器二次额定电压： 拆算至支流侧的变压器等效电阻 拆算至二次侧的变压器漏抗Xs: 平波电抗器直流电阻： 3.1.2.3 串调运行是额定转矩如下： 串调运行直流回路额定电流： 串调运行是额定转矩： 转矩降低系数: 3.1.2.4 串调运行时最高转速的确定如下：串调系统直流回路等效总电阻R：取系统过载系数+，则有直流回路最大电流为最大电流时的电势系数：最大电流时所对应的最高转速：取，则转速降低系数： 功率降低系数： 3.1.2.5 电动机校验： 因此，所选电动机容量合适。3.1.2.6 换向重叠的校验如下：是换向重叠角：由此可见，系统工作在第一工作区。3.2逆变变压器参数计算与选择3.2.1 逆变变压器二次电压计算如下：择 实取3.2.2逆变变压器二次电流计算如下：由于转子整流器与逆变器之间是串联连接的，若不考虑两者电流波形与频率的差别，不考虑换向导电过程的影响，可取电动机转子线电流与逆变变压器二次线电流相等，即 3.2.3逆变变压器容量S计算如下： 3.2.4逆变变压器一次电流计算如下： 3.2.5逆变变压器参数计算： 符合设计要求。实选变压器型号及规格：ZJ40/0.4型，40kVA,接法为yd11。以上选择，是以逆变变压器一次侧电压为380V计算确定的，故实际连接时，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晶闸管及转子侧整流元器件的计算与选择3.3.1额定电压：实取。3.3.2额定电流：实取。选取晶闸管KP20012、硅整流器件ZP20012各6只。3.4平波电抗器的计算按异步电动机的漏感：逆变变压器的漏感：按电流连续要求的电感量：按限制电流脉动要求的电感量：实选为17.4mH的电抗器，其尺寸较小，造价较低。3.5起动方式确定起动初期由于机械惯性较电磁大得多，可认为在电流上升到最大值时，电动机转速仍为0，这时的起动电流为。从起动特性来看，满足调速装置直接起动条件。3.6调速装置的保护由于半导体元器件的过载能力差，为了使调速装置能可靠长期工作，除了合理地选择元件之外，还必须针对元器件工作条件采取可靠的保护措施。3.6.1过电压保护3.6.1.1交流侧过电压保护。交流侧过电压保护措施如图3-1所示。图 3-1 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，则电容值为实取电容的耐压值电阻按下式计算：取阻容电流：电阻功率：根据上述计算，实选阻容装置为：油浸电容，3支；绕线电阻，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，计算方法同上，则有取的耐压值电阴值取阻容电流：电阻功率根据上述计算，实选阻容装置为：油浸电阻，630V，3支；绕线电阻，100W，3支。压敏电阻的保护压敏电阻的保护接线如图3-1所示。压敏电阻的额定电压：实选MY 31560/1型压敏电阻3支，其额定电压为560V，通流容量为1kA。3.6.1.2直流侧过电压保护。直流侧与交流侧过电压保护方法相同。保护线路如图3-2所示。图 3-2 直流侧过电压保护容阻保护参数计算：电容量由下式计算： 式中计算系数值。对于三相桥式电路折算至变压器二次侧的空载电流（A）。所以取电容器乃压值电阻值由下式计算： 取的额定功率（W） 式中谐波电压（V），对于三相桥式电路谐波频率（Hz），对于三相桥式电路所以： 实选油浸电容，耐压630V，1支；绕线电阻，100W，1支。压敏电阻参数根据交流侧压电阻计算方法，实选MY31-560/1型1只，并联接在逆变变压器直流侧。3.6.1.3元器件保护对变流器件实行换相过电压保护，最常用的方法是在变流器件（晶闸管和硅二极管）两端并联RC吸收电路，图3-3所示为换相过电压保护电路。图 3-3 换相过电压保护电路由前面计算已知变流器件额定电流查手册得，电容的耐压电阻的功率为： 实选油浸电容，630V，12支；法琅电阻，25W，12支。3.6.2过电流保护3.6.2.1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，本系统采用了DS6/8快速自动开关接在被保护的直流电路内。3.6.2.2交流侧保护。为了使系统的保护特性协调，满足串调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。3.6.2.3快速熔断器保护。快速熔断器作过电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的保护线路。图3-4是快熔断器保护电路。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。图3-4 快速熔断器保护电路与元器件串联快熔FU1的计算：实选RS3750V200V，3只逆变变压器二次侧快熔的计算：实选RS3750V200A，3只。3.7系统功率因数的改善 改善串级调速装置功率因数的方法有两类，一类是改变串调系统本身的结构，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数。 利用电容器改善功率因数方便易行，故应用较广。图3-5为补偿电容器接入的示意图。图 3-5 补偿电容器接入系统的示意图4 控制回路单元电路的选择调速系统控制回路单元电路的确定是系统设计的重要一环。为了满足系统静、动态品质要求，必须正确、合理地选择各信号检测与控制环节的器件。4.1电流闭环元件的选择4.1.1电流检测装置。三相桥式有源逆变器中，交流侧有效电流与直流电流之间有着近似的比例关系，即。因此，利用交流电流互感器检测电流，既可以反映直流电流，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，本系统采用交流电流互感做为电流检测装置。对与定型生产的电流互感器，额定容量是10VA或15VA，二次电流是5A。如按定型的仪用交流电流互感器产品来选择，则它的二次侧的整流元件和负载电阻的容量都比较大，耗散功率也多，所以在标准互感器后边加上一组5A/0.1A的交流电流互感器，电流检测装置如图4-1所示。这样整流后的输出电流为0.1A/0.816=0.12A；若负载电阻选择，则输出的最大电压为12V，经分压即可得到010V的输出信号；负载电阻的耗散功率为。将负载电阻的功率取为计算值的4倍以上，即，8W。 图4-1 电流检测装置示意图为了保证检测精度，电流互感器的铁心采用软磁性材料，且在正常工作时不饱和。使用是，需要特别注意的是，电流互感器二次侧不能开路。4.1.2 电流调节器ACR的机构。为了满足造纸工艺要求，提高系统的动态性能，电流调节采用近似的PI调节器，由高增益线性组件BG305构成，电流调节器ACR的原理如图4-2所示。ACR的输出信号经限幅和功率放大后做为触发装置GT的移相信号。图4-2 电流调节器ACR原理图4.1.3 触发装置的选择触发器是晶闸管变流装置的一个极其重要的组成部分。它的设计合理，性能优良，工作稳定，将直接提高整个调速系统运行的可靠性。近年来，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、用户使用方便的优点，故本系统采用KCZ6集成六脉触发组件。该组件采用三块KC04移相触发器、一块KC41六块双脉冲形器、一块KC42脉冲列调制形成器组成。它将控制电压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接逻辑低电平时，无输出脉冲。该组件原理图如图4-3所示。图4-3 触发装置组件原理图 4.2 转速检测环节的选择4.2.1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侧速发电机实现转速检测。选用ZYS231/110型，。安装时严格保证电动机和测速发电机的机轴连接时的同心度。 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，转速检测和电压隔离环节电路如图6-28所示。4.2.2转速调节器ASR的结构。转速调节器ARS采用与ACR相同的结构，有线路组件BG305构成近似的PI调节器，如图4-4所示。调节器的设置，使转速n跟随给定值 变化，稳态时无静差，对负载变化起抗干扰作用；其输出幅值决定最大电流。满足了造纸机械工艺对传动系统的要求。图4-4 转速检测环节和电压隔离器5 调节器的工程设计调节系统的工程设计是在已知对系统静、动态性能的要求情况下，以频率法为工具，将系统进行合理简化，采用设置校正装置的方法，使整个系统近似成典型的低阶结构。掌握了典型系统参数与性能指标之间的关系。5.1双闭环系统的稳态系数计算转数反馈系数 ：取转数最大给定，转数反馈系数为 转速负反馈回路比较电压： 实选：稳定电压为5V的硅稳压管。电流反馈系数：取转速调节器的限幅值，则有 转速调节器稳态放大系数： 实取，则 取电流环的稳态放大系数，则 系统的稳态速降： 低速时静差率S： 满足系统稳态性能要求。5.2双闭环系统的动态参数计算调节器动态参数可以按典型型系统设计，也可以按典型型系统设计。典型型的结构简单，易于计算，系统超调量小，但抗扰性能差；典型型系统结构较复杂，计算较繁琐，且系统超调量大，但抗干扰性强。对本系统来说，若从抗干扰能力角度出发，电流闭环和转速闭环均应按典型型系统设计。但实际系统要求电流超调量小，故本系统的电流闭环按典型型 系统设计。转速环的扰动量主要是负载。系统要求抗干扰能力强，动态速降小，恢复时间短，因此，决定转速环动态参数按典型型 系统设计。5.2.1电流闭环动态参数计算。电流闭环由串调系统直流主回路形成的大惯性环节与晶闸管变器、电流检测及反馈滤波等小惯性群组成。由于实际系统电流环的时间常数很小，且反映迅速，而与转速成比例却变化缓慢，故电动势干扰对电流的影响可忽略不计。所以，由图+可单独画出电流闭环动态结构图，如图5-2所示。图5-2 电流闭环动态结构图 利用结构图变换，并把给定滤波作用合并起来，等效于环内，则得到图5-3a单位反馈形式。 对于三相桥式电路，平均失控时间；为电流反馈滤波时间常数，取（由于电流反馈信号取三相桥式整流电路，信号中含有的脉动成分，为了衰减这些交流分量，需设置电流反馈滤波器。实践证明，若取，则可将其脉动分量衰减到原来的1%左右）。它们都是小时间常数，可以按小惯性环节的近似处理方法，用来代替。这样，只考虑动态过程时，结构就化为图5-3b所示的形式。图 5-3 电流闭环动态结构及其化简图a) 单位反馈式结构图 b) 简化结构图 为把电流环节校正成典型型，显然ACR应采用PI调节器，其传递函数为要计算电流调节器的参数和，需知道电动机逆变装置的有关参数。当转差率为时，直流回路等效电阻；则有：触发逆变装置的放大系数：由于要求超调量小，故取阻尼比，这时，所以电流调节器的参数为根据图6-9的结构形式，取，若电位器置于处，则有实选，。ACR参数如图5-4所示。图5-4 ACR调节器参数图5.2.2（转速闭环动态参数计算。电流环是转速闭环的内环，计算转速调节器参数时，为简便起见，对已设计好的电流环作进一步简化处理。根据图5-3b，取时，电流环的等效传递函数可近似为用上述等效环节代替图5-1中的电流闭环后，整个调速系统的动态结构图便如图5-5a所示。利用结构图等效变换，并进行工程上的近似处理，则转速环动态结构图可化简成图5-5b。该图中 由图5-5b可以看出，要把转速环校正成典型型系统，无疑地，ASR应采用PI调节器有共传递函数。调速系统的开环传递函数为图5-5转速环动态结构及其简化图a) 动态结构图 b) 简化图图5-6校正后的调速系统结构图不考虑负载扰动是，校正后的调速系统结构图如图5-6所示要计算ASR的参数和，首先需确定电动机的积分时间常数和转速反馈滤波时间常数。 采用直流测速机，由于有整流的换流作用，输出信号是脉动直流电压，故必须经反馈滤波器滤波，以滤波脉动成分，