小型提升机电力传动系统设计【优秀机械机电毕业设计论文】【A6092】
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四川信息职业技术学院 毕业设计（论文）任务书 学 生 姓 名 董曦 学号 0616092 班级 数技 06业 数控技术 及应用 设计（或论文）题目 小型提升机 指导教师姓名 职 称 工作单位及所从事专业 联系方式 备 注 杨金鹏 助教 四川信息职业技术学院 13547199676 设计（论文）内容： 本次毕业设计的内容主要是研究三相交流绕线式异步电动机的可控硅串级调速系统主、辅电路的设计有关技术问题。它包括系统的组成与各部分工作原理，主回路电路的设计，触发电路的设计，电流反馈网络， 绝对值单元，定子控制单元和速度反馈网络的设计。 进度安排： 1. 查阅关于小型提升机电路调速设计的资料，学习其相关知识 （ 1 周）； 2. 小型提升机的调速系统，并收集原始库存数据与资料 （ 1 周）； 3. 对其串级调速电路的设计 （ 2 周）； 4. 对其主回路 1 周）； 5. 提出电机调试方案，做综合分析与评价，修改完善毕业设计 (2 周 )； 6. 毕业设计答辩 （ 1 周） 。 主要参考文献、资料 (写清楚参考文献名称、作者、出版单位 )： 1 杨长能主编，电力拖动基础， 重庆：重庆大学出版社， 1994 2 晁勤、傅成华、王军、陈华主编，自动控制原理，重庆：重庆大学出版社， 2001 3 康华光主编，电子技术（模拟部分），北京：高等教育出版社， 1999 4 王毓东主编，电机学（上、下册）， 杭州：浙江大学出版社， 1990 5 杨威、张金栋主编，电力电子技术， 重庆：重庆大学出版社， 1995 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注 ： 任务书由 指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息职业技术学院 毕业设计说明书 (论文 ) 设计 (论文 )题目 : 小 型 提 升 机 专 业 :_ 数 控 技 术 _ 班 级 :_ 数 技 06 _ 姓 名 :_ 董 曦 _ _ 指导教师 :_ 杨 金 鹏 _ 摘 要 串级调速是交流异步电动机调速的一种类型 ,串级调速的思想就是将异步电动机的转子电压经过三相桥式整流变为直流电压，再在其直流侧由可控硅逆变电路产生与其相反的直流电势与三相桥式产生的直流电压串联，改变逆变角的大小来改变直流电势的大小，达到调速的目的，同时还能提高电动机的运行效率和调速的经济性。 本文依据小型提升机对电力拖动系统的要求，采用可控硅串级调速来控制其拖动电动机实现无级调速，满足小型提升机对电力拖动系统调速性能和节能的要求。本文主要研究三相交流绕线式异步电动机可控硅串级调速系统的主、辅电路设计有 关 的 技术问题。包括系统的组成与工作原理，主回路的设计，控制回路设计，系统的静、动态工作特性计算分析等。 关键词 可控硅 ； 串级调速 ； 整流 ； 逆变 四川信息职业技术学院 毕业设计（论文）中期进展情况检查表 2008 年 月 日 课题名称 小型提升机 学生姓名 董曦 学 号 0616092 专 业 数控技术 及应用 指导教师 杨金鹏 职 称 助教 毕业设计进展 完成了 分析研究所得到的设计资料 ， 方案设计 、 比较 ， 工艺分析的说明书 。 尚须完成的任务 论文 ）的 整理及修改 ； 存在的主要问题及解决措施 对 设计的内容安排不够完善，经过 老师的帮助才把它修改完善。 学生对毕业设计的意见与建议 本次毕业设计的内容主要 是研究三相交流绕线式异步电动机的可控硅串级调速系统主、辅电路的设计有关技术问题。它包括系统的组成与各部分工作原理，主回路电路的设计，触发电路的设计，电流反馈网络，绝对值单元，定子控制单元和速度反馈网络的设计。 指导教师审查意见 四川信息职业技术学院 毕业设计（论文）中期检查情况汇总表 年级： 专业： 班级： 注：本表由系部填写，一式两份，系部、教务处各存一份。中期检查结束后（第 12 周内）将其中一份交教务处。 学号 学生姓名 检查情况记录 （论文初稿是否完成、论文中存在的主要问题、学生中期检查出勤情况） 检查人 机电工程系 2009 届毕业设计 (论文 )课题申报表 2008 年 月 日 设计 (论文 )题目 小型提升机 课题简介 为了使小型提升机具有较好的调速性能和节省电能，提高电动机的运行效率和调速的经济性，减小矿石成本。满足小型提升机对电力拖动系统的要求。我们采用转差功率回馈型的可控硅串级调速，将提升机电动机转子电流整流，再通过有源逆变器回馈电网，避开了复杂的变频问题，一定程度上简化了控制线 路。起到减小电动机的转子电流，达到降低转速的目的。 主要任务 1. 查阅关于小型提升机电路调速设计的资料，学习其相关知识 2. 小型提升机的调速系统，并收集原始库存数据与资料 3. 对其串级调速电路的设计 4. 对其主回路 5. 提出电机调试方案，做综合分析与评价，修改完善毕业设计 其它要求 指导教师 姓名 杨金鹏 职称 助教 教研室 数 控 教研室 电话 13547199676 教研室 审查意见 教研室主任： 年 月 日 系部 审查意见 主管系主任： 年 月 日 - I - 目 录 第 1 章 绪论 . 1 流电动机调速的发展概况 . 1 小型提升机对电力传动系统的要求 . 3 . 4 第 2 章 提升机调速系统方案的选择 . 5 升机调速系统调速方式的选择 . 5 . 5 择串级调速系统的理由 . 5 双闭环控制系统的选择 . 5 桥式电路的选择 . 6 触发电路的选择 . 7 第 3 章 小型提升机串级调速的工作原理 . 9 级调速系统工作原理及工作状态 . 9 级调速系统主电路的工作原理 . 11 级调速控制回路的工作原理 . 13 小型提升机的系统组成与工作原理 . 14 第 4 章 主回路电路设计 . 16 . 16 . 17 . 17 波电抗器 设计 . 18 闸管保护电路的设计 . 19 第 5 章 控制回路电路的设计 . 21 压电源的设计 . 21 压器的设计 . 21 流桥的设计 . 22 . 22 . 22 - 压器 . 22 对 . 24 热片 . 24 发电路的设计 . 24 子控制单元的设计 . 25 对值单元的设计 . 27 度反馈网络的设计 . 27 制线路的设计 . 28 第 6 章 串级调速系统的调试 . 31 一般检查以及线路检查 . 31 般检查 . 31 在线检查 . 31 元器件的调试 . 31 检查触发器各部分的波形 . 31 定触发脉冲的相序 . 32 相 . 32 节器的调试（调零） . 33 作电路调试 . 33 结束语 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 1 页 第 1 章 绪论 流电动机调速的发展概况 纵观电力传动的发展过程，交直流两种传动方式共存于各个生产领域之中。在电力电子技术发展之前，直流电动机几乎占垄断地位。对于直流电动机只要改变电动机的电 压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。随着工业技术的不断发展，它们相互竞争、相互促进。 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。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机广泛得多，约占整个电力拖动总容量的 80%以上；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。 根据异步电动机的转速公式： )1(60)1( 10 sP 式中 P 电机极对数 1f 供电电源频率 s 电机转差率 因此，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。在改变转差率调速中又可分为转子串电阻调速、串级调速、调压调速和电磁转差离合器调速四种 类型。 （ 1） 变极调速 变极调速是通过改变绕组极对数达到改变异步电动机同步转速的调速方法。由于电动机的极对数只能成倍变化，因此转速也只能近似成倍变化。变极调速主要用于鼠笼式异步电动四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 2 页 机 。 变极电动机通常有转换单绕组接线改变其极对数的电动机和在同一铁心上设置两个以上极对数的不同绕组的两种类型。 这种调速优点：设备简单，操作方便，机械特性较硬，效率较高，既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速。缺点：属于有级调速，且调速的级数不多。 因此仅适用于不需要平滑调速的场合。例如某些机床的调速，采用变极调速与变速箱机械调速配合，就 可以较好地满足生产机械对调速的要求。 （ 2） 转子串电阻调速 这是对绕线式异步电动机进行调速的一种方法，即在电机的转子回路中串入可变电阻来改变电动机机械特性的斜率，从而改变了一定负载下电机的转差率达到调速的目的。由于转子串入的电阻不能连续变化。因此电机的转速也只能阶跃变化，即有级调速。 这种调速的优点：设备简单、易于实现，初投资不大。缺点： 低速时的机械特性变软，其最低转速受生产机械允许静差率的限制，所以调速范围不大，一般只能达到 2 3。转子串电阻为分段调节，属有级调速，调速的平滑性差。只宜带负载调速。空载或轻 载时调转子电阻所得到的转子速度变化不大。低速时转差率 s 大，转子铜损 。效率低，经济性差。 由于以上特点，这种方法多适用于起重机一类对调速性能要求不高的恒转 矩负载，对通风机型负载也可以适用 。 （ 3）调压调速 调压调速是通过改变电动机定子供电电压的大小来改变电动机在某一负载下转速的一种调速方式。在调速过程中，电动机的转差功率将损耗在转子的电阻上。 调压调速的优点：调速平滑，采用闭环调速系统，其机械特性很硬，调速范围宽（可达到 10： 1）。缺点：由于是变转差率调速，因此低速时转差功 率损耗大，效率低，这种调速主要适用于高转子电阻的电动机。 （ 4）电磁转差离合器调速 电磁转差离合器调速的特点是异步电动机与负载之间用电磁转差离合器联接。电动机为普通鼠笼式异步电动机，本身并不调速，而与负载相连的输出轴的转速则可以通过改变电磁转差离合器的励磁电流来调节。 电磁转差离合器调速的优点：控制简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，能平滑调速，采用闭环系统时可扩大调速范围。缺点：低速时损耗较大，效率较低等缺点。这种调速方法广泛用于纺纱、印染、造纸等机械上以具有通风机械负载特性的设备。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 3 页 （ 5）变频调 速 变频调速是利用电动机同步转速随频率变化特性，通过改变电动机供电电源频率的方法来实调速。 变频调速的优点：调速范围广（可达到 10： 1），平滑性较高，调速时机械特性较硬，静差率小，变频时 此可以构成具有高性能的交流调速系统。 缺点：必须有一套变频电源。目前，变频电源的结构还比较复杂，价格较贵，容量不够大。低速时最大转矩 小，使电动机的过载能力降低。 （ 6）串级调速 绕线式异步电动机转子串电阻调速是以能量损耗为代价来实现调速的，越是速度调得越低，损耗也就越大 ，效率也就越低，若能在转子回路中串入一个能量吸收装置，将这部分损耗的能量加以吸收并回馈电网，就可以大大提高系统的运行效率，这种转差功率回馈型的调速方法称为串级调速。具体来讲就是在电动机转子回路中串入一个附加电势，通过调节附加电势的大小来改变电动机一定负载下的转差率，从而达到调节电动机转速的目的。 串级调速与串电阻调速相比其优点为：机械特性较硬，调速平滑性较好，损耗较小，便于向大容量发展。 缺点：功率因数较低（因为有滤波电抗器及可控硅逆变器的存在），设备较复杂。成本较高，低速时转差率 s 较大，回收的转差功率 大，变流装置的容量也应加大，不太经济，且低速时电动机的过载能力较低。因此，串级调速最适用调速范围不大（一般为 2 4）的场合。例如通风机械，提升机械等设备上。 小型提升机 对电力传动系统的要求 在现代化的工业生产中，生产机械都在不停地运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样对电力传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动控制，并且对电力传动装置的要求也越来越高。 小型提升机 是矿山运输中的主要设 备，是井下与地面联系的重要工具， 小型提升机 又是矿山最大的固定设备之一，它的耗电量占矿山总耗电量的 30% 40%，因此，为了降低矿石的成本，必须经济合理地选择与设计矿山提升机设备。 小型提升机 对电力拖动系统的要求如下： （ 1） 为了使罐笼能作提升与下放运动，要求提升系统要采用可逆系统，即拖动电动机既可四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 4 页 正转又可反转。 （ 2） 罐笼提升机是采用三阶段梯形速度图。根据安全规定：升降人员时加、减速度不大于/ （ 3） 提升矿石、设备或人员时提升机速度不同，因此要求电动机能有较好的调速性能。 （ 4） 为了保证生产和人员的安全要求电气传动系统运行准确安全可靠。 本系统采用单罐笼提升，用于副井作为提升矿石和人员用。根据上面所述的要求，提升机的拖动方式有两大类选择，即交流拖动（采用交流绕线式异步电动机）与直流拖动（采用直流他激电动机），由于直流拖动系统的设备投资大，安装、维修困难与设备占地多等缺点，因此在中小型 小型提升机 设备中选用交流绕线式异步电动机作提升机的拖动电动机。为了使拖动系统具有较好的调速性能和节省电能采用可控硅串级调速；采用改变定子电源电压相序的方法来实现电动机的可逆运行。 课题研究的目 的和内容 为了使 小型提升机 具有较好的调速性能和节省电能，提高电动机的运行效率和调速的经济性，减小矿石成本。满足 小型提升机 对电力拖动系统的要求。我们采用转差功率回馈型的可控硅串级调速，将提升机电动机转子电流整流，再通过有源逆变器回馈电网，避开了复杂的变频问题，一定程度上简化了控制线路。起到减小电动机的转子电流，达到降低转速的目的。 本次毕业设计的内容主要是研究三相交流绕线式异步电动机的可控硅串级调速系统主、辅电路的设计有关技术问题。它包括系统的组成与各部分工作原理，主回路电路的设计，触发电路的设计，电流反馈网 络，绝对值单元，定子控制单元和速度反馈网络的设计。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 5 页 第 2 章 提升机调速系统方案的选择 升机调速系统调速方式的选择 力源为什么要选择绕线式异步电动机 电动机分为交流电动机和直流电动机两大类。在选择 小型提升机 的动力源上就有两种方案可以供我们选用：直流电动机和交流电动机。直流电动机的调速范围大，调速平滑，能够进行准确的位置控制。应用在拖动系统中过渡过程有特殊要求的较大功率生产机械。如高精度数控机床、龙门创床等。交流电动机种类繁多，在各个生产领域中应用广泛，有取代昂贵的、效率较低的直流电 动机的趋势。交流电动机大体可以分为异步电动机和同步电动机。同步电动机转速恒定，能改善功率因素、容量大，不可能实现无级调速。在调速性能要求不高的生产机械中优先选用鼠笼式三相异步电动机；在起动、制动比较频繁，起、制动转矩要求较大，且有调速要求的生产机械，广泛使用绕线式异步电动机。因此本设计的电动机选用绕线式异步电动机作为提升的拖动电动机。它符合 小型提升机 的要求：起制动过渡过程平稳、运行稳定、转矩大，而且要求有一定的调速范围，起制动频繁、在省时节电方面要求起制动时间短、耗能低、效率高。 择串级调速系 统的理由 由前面所述异步电动机的调速类型和各种调速的优、缺点，根据各方面的原因以及提升机对电气传动系统的要求知道，选用绕线式异步电动机可控硅串级系统的调速方案比较合适本课题的设计要求，经济性也较好，满足了进行设计的目的。系统中使用静止的可控硅逆变装置实现 小型提升机 下降超同步调速，上升用低同步调速，用倒拉反接制动实现停车。 双闭环控制系统的选择 由于我们本系统选择的是串级调速，和调压调速系统不同，串级调速系统本身具有类似于它励直流电动机的机械特性。因此，在一些对调速精度要求不高的场合可以采用开环 控制的调速系统。但若想进一步提高系统的静态精度并获得较好的动态性能，就必须采用反馈控制，较好的反馈控制方法是采用具有电流和速度反馈的双闭环控制方法。本系统要选用哪一四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 6 页 种控制方式可从以下两方面考虑： （ 1） 工作环境： 小型提升机 起、制动频繁，必须缩短起制动时间以提高工作效率。因此电动机必须以最大起动电流起制动。如果用单闭环调速控制系统，那么起制动电流可达到额定电流的 3 5 倍，如果不限制起制动电流，无疑会缩短电机寿命，同时提升机也不允许太大的减速度来停车。特别是提升机被卡住时，导致电机堵转会烧坏电机，为了防止这类情况的出现，必须加电流截止负反馈以限制最大起动电流、制动电流、堵转电流。加上电流截止负反馈环节的单闭环调速系统只能限制电机的最大电流，并没有令人满意的快速起动和制动性能，这是因为在过渡过程中，电流一直是变化着的，达到最大值后，由于负反馈的作用加强和电机转子中的电势增加，电流又被降下来，电动机转矩也随之减小，从而延长了起制动过程。所以单闭环调速系统满足不了本课题的要求。 （ 2）从提升机要求运行稳定、动态性能、快速性来看单闭环控制调速系统远不及双闭环控制调速系统好。 （ 3）多闭环控制调速主要是抑制系统的超速。只有 在要求调速运行非常平稳的系统中才用，再一个结构复杂，技术性强，限制了它的使用，同时 小型提升机 也不需要达到这么高的要求，不符合工程上对设备的经济性要求。 从上面阐述的来看，提升机可控硅串级调速系统设计选用双闭环控制调速系统，能满足小型提升机 对调速性能的要求。 桥式电路的选择 用晶闸管逆变 器 的附加电势的是附加直流电势与转子整流后的直流电压叠加组成串级调速系统。 串级调速系统中，转子三相绕组和六个二极管组成整流电路，把转子 电压 整流成与一般三相桥式电路相似，可以用变流理论分析，但也有不同的地方。 （ 1） 整流前的转子电势的频率与幅值是转差率的函数。 （ 2） 12 所以折算到转子侧的换相漏抗也是转差率的函数。（s=1 时折算到转子侧的每相漏抗） （ 3） 由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值很大，换流重叠现象严重，换向重叠角 加大，四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 7 页 引起转子整流电路的特殊工作状态。 我们知道 是由于整流电源的漏感和整流电流引起的两相同时导通的现象。而串级调速系统漏感比一般整流器的漏感大，所以随 角比一般整流器工作时大得多，甚至超过 60，而三相桥式每 60换流一次，当 060 时，下一次换流将推迟换流，推迟的角度是 p，在稳定工作时， 下一次换流在以 60为换流周期中被推迟p开始换流，它的换流 角只好等于 60，这样它将使再下一次换流也被推迟p角，这样 角被强迫限制在 60。如果p也随之增大，当 p 达到 30后，p将不再增加 ，而 060 ，这时共阳极组和共阴极组将发生重叠换流的现象造成负载短接，不能正常工作。 因此串级调速可分为三种工作状态 ； （ 1） 第一工作状态： 00 600 （ 2） 第二工作状态： 060 , 00 300 p（ 3） 第三工作状态： 030p, 060 小型提升机 可控硅串级调速系统主电路中用六只晶闸管组成逆变电路， 提供直流反电势果采用三相半波逆变桥有如下缺点： （ 1） 变压器利用率低，因为在一个周期内某一相只 1/3 的时间内有电流通过。 （ 2） 变压器只有单向脉动电流，其直流分量在磁路中形成直流不平衡磁势 ,在三相变压器中产生较大的漏磁通，引起附加损耗对晶闸管换流不利。 所以采用三相全控桥式，共阴极组 1V 、3V、5位的管子，所以相电压的波形中，触发时电压上跳，共阳极组 2V 、 4V 、6阴极电位高的管子换到阴极电位低的管子，所以触发时电压下跳。 触发电路的选择 绕线式异步电动机串级调速系统中的晶闸管，用来组成三相逆变桥反馈电能，要求触发脉冲输出的相位精确，触发电路工作可靠、调试方便。从这些要求出发选用 适用于要求较高的三相全控桥式变流器的触发 ，输出脉冲能可靠驱动大功率四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 8 页 的晶闸管，并且有以下的特点： （ 1） 同步电压不受电网畸变和换流缺口的干扰。 （ 2） 同步电压范围宽，且只需三相同步电压。 （ 3） 输出脉冲是列式的双脉冲，脉冲变压器体积小。 （ 4） 能方便的与各种系统相匹配，调试简单，组装方便。 通过上面对提升机电动机的调速方式、控制方式、触发电路，串级调速主电路的选择，我们可以得到串级调速系统的方框图，如图 2 图 2小型提升机 可控硅串级调速系统方框图 n 转速反馈给定电压 比较计算 触发器 逆变桥 转子线圈定子线圈电流反馈电平检测逆变变压器调相网电四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 9 页 第 3 章 小型提升机 串级调速的工作原理 级调速系统工作原理及 工作状态 串级调速就是通过吸收电动机转子电路中的一部分转差功率来实现调速的一种方法。有效的吸收方法就是在绕线式异步电动机转子电路中串入与转子电势同频率的附加电势图 3示。通过改变附加电势的大小，就可以改变吸收的电动机的转差功率的大小，从而实现对电动机转速的调节。 图 3步电动机在固有机械特性上运行时，相当于附加电势 0时电动机的转速接近额 定值。假定电动机的负载为恒转矩负载，转子电流 2I 为： 串级调速原理图 22022202)( 式中 2R 转子绕组每相电阻； 20X s=1 时转子绕组每相漏抗； 20E 转子开路时的相电势 当电动机转子电路中串入与感应电势相位相反的附加电势导致电动机转子电流下降 22022202 )( f 则电动机所产生的电磁转矩为：22 式中 电动机转矩系数 m 电动机的主 磁通 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 10 页 2 电动机转子功率因数 转子电流 2I 值的减小使电动机的输出转矩相应减小，出现电动机输出转矩小于负载转矩的状态，稳定运行状态被破坏，迫使电动转速降低。随着转速的降低，转差率 s 将增大，转子电流回升，电磁转矩也相应回升。当电动机转速降至某一值时，使得电动机的输出转矩与负载转矩又相等，减速过程结束，电动机将在此转速下稳定运行。这就是向低同步转速方向调速的工作原理。串入的附加电势幅值越大，电动机最终稳定运行的转速就 越低。 同理，在电动机转子电路中串入与感应势相位相同的附加电势时，能使电动机的转速增加。也就是电动机向高于同步转速方向调速的超同步串级调速的工作原理。串入附加电势的幅值越大，电动机最终稳定运行的转速就越高。 图 3种工作状态时串级调速的功率传递关系 a) 低同步电动运行状态（ 1s0） b) 超同步电动运行状态（ ) 根据转子回路中串入的附加电势级调速有四种基本的工作状态。这四种工作状态的本质都是利用不同的附加电势来改变电动机内部的功率传递关系而实现电动机的调速，因此，串级调速的基本工作状态可以通过功率传递关系来加以讨论。图 3出了这四种基本工作状态的功率传递。图中功率关系均不计电动机内部各种损耗。 1. 低同步电动运行状态，如图所示 3此时电动机的转子电流 转子感应电势 与附加电势 相位相反 ，故转子绕组输出的转差功率 附加电势吸收后回馈电网。定子从电网反吸收功率 P 的一部分（ 1P 被输送给负载。 2. 超同步电动运行状态，如图所示 3此时电动机的转子电流 转子感应电势 与附加电势 位相同，故电网通过附加电势向电动机转子绕组输入转差功率 与定子绕组从电网吸收的功率一起输送给负载，形成定转子的“双馈电状态”，负四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 11 页 载所获得的功率为（ 1+s） P，从而可使电动机的转速超过同步速步。 3. 超同步发电制动状态，如图所示 3此时电动机的转子电流 转子感应 电势 与附加电势转子绕组输出的转差功率 附加电势吸收后回馈电网，且电动机的定子绕组也向电网回馈功率 P。回馈的总功率（ 1+s） P 来自负载的机械功率，电动机将在超同步速度下产生电气制动转矩。 4. 低同步发电制动状态，如图所示 3此时电动机的转子电流 转子感应电势 相位相反，而与附加电势 相位一致，故电网通过附加电势向电动机转子绕组输入转差功率电动机的定子绕组则向电网回馈功率 P。回馈的功率一部分来自转子绕 组，而另一部分则来自负载的机械功率（ 1P，电动机将在低同步速度下产生电气制动转矩。 小型提升机 有三种工作状态：提升机上升、下降、停车。它们分别对应于三种不同的运转状态和功率传递关系：如图 3 2d)、 3 2a)、 3 2c)所示。 图 3 2c)所示是表示 小型提升机 在下放重物时的运转状态和功率传递关系。提升机下放重物时，三相电源调相，转子受到的电磁力矩和提升机提升重物时电磁力矩刚好相反。那么电机的转速会越来越快。不过不要担心会发生飞车事故，因为当转子转速超过同步转速时，转子受的电磁力矩就不是动力力矩了而是 阻力矩。当转子的转速大于同步转速时，定子线圈里的磁场就不会是以 50化的磁场，同时由于转速的增加，转子线圈里产生磁场会大于定子线圈产生的磁场，按照物理学的定理可得到电机气隙里的旋转磁场的方向会改变，那么转子受到的电磁力矩就会是阻力矩，同时定子线圈感应电动势大于电源电压 U ，定子向电网反馈电能，转子当然也向电源反馈电能。因此可以得出图 3示的动转状态和功率传递关系图。同样控制反电势就可以控制电机气隙里的磁场强度，达到控制阻力矩的大小，可以得到不同的下降速度，所以 小型提升机 下降时是可以调速的，只不过速度大于同步转速。这不是本课题研究的重点所在。 图 3 2a)所示是表示提升机在提升重物上升时的运转状态和功率传递关系。它是本课题讨论的重点，很好理解。 级调速系统主电路的工作原理 采用晶闸管逆变器构成的串级调速系统是由异步电动机的转子感应电势经过二极管整流器整流后加到三相有源逆变器上，有源逆变器可将直流电压变成三相交流电压，再经过逆变四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 12 页 变压器将异步电动机的转差功率 馈到交流电网中，从而提高调速系统的运行效率。这里有源逆变器相当于一个附加直流电压，通过改变逆变器晶闸管的逆变角 ，就能改变附加直流电压而改变异步电动机的转速。采用晶闸管逆变器构成的串级调速系统主电路电气原理如图 3 下面我们分析一下它的工作过程：起动时，首先将三相异步电动机的定子绕组和逆变变压器同时接入三相交流电网，此时异步电动机转子绕组将产生空载感应电势，该电势经过二极 管整流器整流后得到空载整流电压向为上正下负，与此同时，由于三相全控桥式电路工作在逆变状态，会产生逆变电压U，方向也是上正下负。通常在刚接通电源时，让逆变器的逆变角处于最小位置，产生最大逆变电压，该最大逆变电压值要大于空载整流电压，这样在直流回路中就不会有电源步电动机转子也没有电流，不产生电磁转矩，电机不动。然后逐渐增大逆变角 到某一定值。随着逆变角的增大，逆变电压将减小，使得 P( 1 - s )b a 串级调速系统主电路图 整流电压大于逆变电压，在直流回路中产生电流动机转子绕组也因有电流流过而产生电磁转矩，使电动机旋转，同时，随着电动机转速的上升，转差率的下降，转子整流电压也将下降，使转子整流电压与逆变电压达到一个平衡点，让直流回路中有一定的电流流过，保证电动机所产生的电磁转矩与负载转矩相平衡，电动机稳定运行。 若要增加电 动机的转速，可以增大逆变角 的大小。逆变角 增大后，逆变电压将减小，电动机转子回路的电流增大，使电动机所产生的电磁转矩增大，此时由于电动机的输出转矩大于负载转矩，电动机的转速将升高。随着电动机的转速上升，转差率的下降，转子整流电压将减小，使直流回路中的电流又减小，电动机所产生的电磁转矩也减小，达到一个新的平衡点，电动机就在较高的转速上稳定运行。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 13 页 同理，要降低电动机的转速，可以减小逆变角 。逆变角 减小后，逆变电压就将增大，电动机转子回路的电流则减小，电动机所产生的电磁转矩减小，此时由于电动机的输出转矩小于负载转矩，电动机的速度将降低。随着电动机的转速降低，转差率的增大，转子整流电压将增大，使得直流回路中的电流又增大，电动机所产生的电磁转矩也相应增大，最终达到一个新的平衡点，电动机将在较低的转速下稳守运行。 在稳定运行时，若负载突然发生变化，例如负载突然增大，则由于转矩不平衡，将造成电动机转速下降。当电动机转速下降，转差率增加时，转子整流 电压也将增大，而此时的逆变电压不变，则造成电动机转子电流增大，电磁转矩增大，最终使电动机的输出转矩与负载转矩重新达到平衡，电动机稳定运行。 在停止转动的时候，可将逆变角调到最小，这时所得到的逆变电压为最大，并且超过转子整流电压，从而使得转子整流回路中的电流降为零。这样电动机不再产生电磁转矩，并在负载转矩的作用下，使其转速逐渐降低直至停止运转。 级调速控制回路的工作原理 本系统采用的是双闭环控制，以及已经得到串级调速系的方框图，有了串级调速系统直流回路及异步电动机的传递函数，并确定电流调节器和速度调 节器都为 节器，就可画出具有双闭环控制的串级调速系统动态结构图，如图 3示： 图 3级调速动态结构图 双闭环串级调速系统在突加给定时的起动动态过程与直流调速系统一样。起动初期，速度调节器处于饱和输出状态，系统相当于转速开环。随着起动过程的进行，电流调节器的输)(s+1 s+1)s1+)(s1+给器度波速滤器节调度速定给器流波电滤 器节调流电四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 14 页 出增大，使逆变器的逆变角增大，逆变电压减小，改变了起动开始瞬间逆变电压大于电动机转子不动时整流电压的条件，产生直流电流，使电动机有电磁转矩而加速起动。在电动机转速未到达给定值前，调速系统始终由电流环起跟踪作用以维持动态电流 为恒定，并使加速过程中逆变电压与转子整流电压的变化率相同。直到电动机的转速超调，速度调节器退出饱和，转速环才投入工作，以保证最终获得转速无静差系统。 小型提升机 的系统组成与工作原理 提升机采用三相交流绕线式异步电动机拖动。其电动机又可采用可控硅串级调速，其电气控制系统原理如图 3 5所示。 由图可知，提升机拖动系统的主回路为电源经过交流接触器 1正、反转接触器3在 三相交流异步电动机 M 的定子绕组上，它的转子绕组经三相桥式整流器 平波电抗器 直流接触器 2三相桥式逆变器 逆变变压器 T 返回电网。 -+-+同步电源图 3小型提升机 可控 硅串级调速系统 控制回路为双闭环控制系统，电流调节器 成内环，速度调节器 为 外环。定子四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 15 页 控制单元通过电平检测器 、反继电器 来控制正、反转接触器3从而改变加在定子绕组上的电源电压的相序来实现电动机的正转与反转运行。 三相桥式整流器 整流电压 ed 中：M 转子绕组的额定线电压； s M 的转差率。 三相桥式逆变器 逆变电压 式中：2U 逆变变压器的副方线电压； 逆变器的逆变
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