交直流调速课程设计

交直流调速系统课程设计说明书系部电气与信息工程学院学生姓名欧阳志东指导教师专业自动化班级自本1001完成时间2012年11月08日目录第一章串级调速原理与主电路设计211串级调速原理212晶闸管串级调速系统主电路设计513异步电动机串级调速系统的转子整流电路614异步电动机串级调速系统的逆变电路7第二章调速系统主电路的参数计算与器件选择821电动机基本参数和调速要求822逆变变压器的选择1123硅整流元件及晶闸管的选择1124平波电抗器的选择1225主电路保护12251过电流保护12252过电压保护13第三章控制电路设计与系统参数计算1531控制电路组成1532控制系统的参数计算推导16321电流环的设计及其参数计算推导16322速度环的设计及其参数计算推导17324双闭环系统动态参数计算19第四章串级调速系统的建模2241直流调速函数的确立22411直流电路传递函数22412电动机的传递函数23413电流环的设计及其传递函数24414速度环的设计及其传递函数25415系统动态结构图2642系统的调速特性分析27第一章串级调速原理与主电路设计11串级调速原理异步电动机运行时其转子相电动势为0RES（11）式中S异步电机的转差率；绕线转子异步电机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，0RE也就是转子额定相电压值。式（11）表明，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2F21FS电流IR的表达式为022RRSEIRX（12）式中转子绕组每相电阻；RRS1时的转子绕组每相漏抗。0X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RERE11所示。此时转子回路的相电流表达式为（13）022RADRSIRX0RESADEMIR图11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。当电动机带有恒定负载转矩TL时，可近似地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（12）和式（13）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S1下稳定运行。当引入同相的附加电动势后，电动机转子回路的合成电动势增大了，转子电流和电磁转矩也相应增大，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ERSER0随之减少，转子电流也逐渐减少，直至转差率降低到时，转子电流IR又恢复到负载所需要的21S原值，电动机便进入新的更高转速的稳定状态。此时式（12）与式（13）的平衡关系为1020222RRADRSESEIRXRX（14）同理可知，若减少EADD或串入反相的附加电动势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，就可以调节电机的转速。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况下的功率关系都可写作1MMPSP（15）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；MP输入或输出转子电路的功率，即转差功率；S电机轴上输出或输入的功率。1由于转子侧串入附加电势的极性和大小的不同，S和PM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。设异步电机定子接交流电网，转子短路，且轴上带有反抗性的负载（对应的转子电流为IRN）,此时电机在固有机械特性上一额定转差绿SN运行。若在转子侧每相加以附加电动势EADD,根据式（13），转子电流IR将减少，从而使电机减速，并进入新的稳态工作。此时，转子回路的电势平衡方程式S1SN1022RADRNRSEIRX（16）如果不断加大值，将使S值不断增大，实现了对电机的调速。ADE由于轴上带有反抗性负载，电机在TEN坐标系的的第一象限作电动运行，转差率为0S1。对照式（15）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会电网，功率流程如图12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。ETMPS1N1MSP0N1S,NCUU图12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状态的情况来说，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，它应该是平滑调节的，以满足对电动机转素平滑调节的要求；其次，从节能的家度考虑，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。12晶闸管串级调速系统主电路设计图13晶闸管串级调速系统主电路上图为晶闸管串级调速系统主电路图，M为三相绕线转子异步电动机，其转子相电动势经过三相不可控整流装置整流，输出直流电压。工作在有0RSEDU源逆变状态的三相可控整流装置除提供可调的直流电压外还可将经整流装置I整流输出的转差功率逆变，并回馈到交流电网。转子整流器和产生附加直流反电动势的晶闸管有源逆变器，均采用三相桥式电路。逆变器逆变电压即为转子回路中串入的附加直流电动势。直流回路IU电流ID决定于拖动的负载转矩，当负载一定时，为定植，改变逆变器的逆变DI角，逆变电压相应改变，便实现调速。I逆变变压器起到了电动机转子电压与电网电压匹配的作用，其二次侧电压不但与转子感应电势E2有关，还与调速范围有关。调速范围越大，要求2TU的值越高。逆变变压器还能起到使电动机转子电路与交流电网之间电隔离的T作用，减弱大功率晶闸管装置对电网波形的影响，并限制晶闸管的断态电压临界上升率和通态电流临界上升率。/DUT/DIT转子回路中接入的电抗器LD，可以使小负载时电流连续并限制电流脉动分量。在大功率串级调速系统中还能限制逆变颠覆时短路电流上升率。保护电路，交流侧采用阻容吸收和压敏电阻作为过电压保护电路，对于电路中晶闸管和二极管则采用阻容吸收和压敏快速熔断器做过电流保护。13异步电动机串级调速系统的转子整流电路转子整流电路采用三相桥式不可控整流电路，如下图所示图14转子整流电路设电动机在某一转差率S下稳定运行，当个整流器件依次道统时，必有器件见的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠降。换相重叠角为0022ARCOS1ARCOS166DDDDRRXIXIEE（17）其中，XD0S1时折算到转子侧的电动机钉子和转子每相漏抗。由式（17）可知，换相重叠角随着整流电流ID的增大而增大。当ID较小，在0度到60度之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。当负载电流ID增大到按式（17）计算出来的角大于时，器件在自然换相点处未能结束换流,从而迫使本该在自然换相6点换流的器件推迟换流，出现了强迫换流现象，所延迟的角度称为强迫延时换相角。强迫延时换相只说明在ID超过某一值时，整流器件比自然换相点滞P后角换流，但从总体上看，6个器件在360度内轮流工作，每一对器件的换流过程最多只能是，也就是说，ID再大，只能是不变。6060由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路在时0,P，转子处于正常的不可控整流工作状态。由于整流电路的不可控整流状态是可控整流状态当控制角为零时的特殊情况，所以可以直接引用可控整流电路的有关分析式来表示串级调速时转子整流电路的电流和电压。整流电流0066COSSIN226RRPPPDDEEXXI（18）整流电压00COS2342PPRDDDRPDERIXIDU（19）其中，是折算到转子侧的电动机定子和转子的每相等效电阻。,DSRR上两式中，当时表示转子整流电路工作在正常的不可控整流工作状态,为60第一种工作状态；而将时称为第二种工作状态。360P，14异步电动机串级调速系统的逆变电路逆变电路采用工作在逆变状态的三相桥式整流电路，为控制角,为逆变角。逆变时允许采用的最小逆变角。MIN式中，为晶闸管的关断时间折合的电角度；为换相重叠角；为安全裕QT量角。晶闸管的关断时间，大的可达200300US，折算到电角度约。QT45重叠角根据式子计算可知约为。2COSSINDBIXUM120在三相桥式逆变电路中，触发器输出的六个脉冲，它们的相位角间隔不可能完全相等，不对称度一般可达，若不设安全裕量角，偏后的那些脉冲相当于5变小，就可能小于，导致逆变失败。根据一般中小型可逆拖动的经验，MIN安全裕量角约取。这样，一般取最小逆变角不小于，使前后相晶10MIN30闸管换相时间留有裕度。第二章调速系统主电路的参数计算与器件选择21电动机基本参数和调速要求1型号JRQ型，绕线异步电动机，接法；额定功率；额定转/Y480EPKW速；空载转速；定子电压定子电流590/MINENR06MINNR16UV转子额定线电势转子额定电流；功率因数16IA2738EEV29EIA081；过载倍数23；效率092。要求调速范围D1272电动机参数计算1605917EN额定转差率S19509323ENUI1定子电阻R27801849ENESI转子电阻R125607243EMUK定转子绕组的变比12291574R折算到转子侧定子电阻56806NMNNE9P电动机额定转矩212/306/50912137840EMNUPXK1R折算到转子侧的漏抗22MIN173821COSTEDUV2258050131732493010TTKNTTNUXIURI折算到直流侧等效电抗（取）折算到直流侧等效电阻2738011124093NEID平波电抗器直流电阻R在串级调速状态运行时的额定转距1当S时，电动机定子折算到直流侧的等效电阻为73R，故电动机额定转距为012195633DMDNEDNMUXIWEINKN1M7R78026538956025915（M考虑到换相重叠角的影响，并经线形化处理233409581717NIADNI5980KNM转距降低系数为K2221317MTDMTDNNMMRXRIRIRN串级调速状态运行时最高转速确定直流回路总等效电阻R电动机折算到直流侧的等效电阻，可按功率相等的原则进行折算，即3I21705836942MDNIAM所以所以R若串级调速系统运行时1，则直流回路最大电流0137358205265389614DMDURXINE最大电流时的电势系数C0MAXMAX1112135789036582MIN42INCOSCOS049COS0586DEDDMNUIRNRCRDIXEI最大转速则时，换相重叠角R（）则系统工作在第一工作区。22逆变变压器的选择1MINAXMIN2231260458203COS3403540914760TETNTTNSVIAIKWSAURAX22TNN1逆变变压器二次侧线电压SE7U又因为所以逆变变压器计算容量为逆变变压器一次侧电流I20180032495517330362964578MIN1NTMDMTDMEIXRRXUIRCAX因此修正（）N23硅整流元件及晶闸管的选择215203689424750325631788TAVIDMITAVMNMTIKAUV750850取取（）选择硅整流元件ZP六只；晶闸管KP六只24平波电抗器的选择33133121MININ026084750309847065592633MTTDITDDDNIXMHFFULKLHA电动机等效电感L逆变变压器等效电感按电流连续要求的电感量（三相桥式全控电路）25主电路保护251过电流保护1在直流侧经过直流电流互感器接入过流继电器，可以在发生过流故障时去动作，去跳开串调开关Q，使串级调速系统退出运行，由于过流继电器的动作和自动开关Q的跳闸有一定的滞后时间，故只在短路电流不大的情况下才能起到保护晶闸管和整流管的作用。2快速熔断器，快速熔断器是防止晶闸管和整流管过流损坏的最后一种措施，也是变流器中最主要最广泛应用的过流保护措施。快速熔断器可带有辅助接点，快熔熔断时，辅助接点接通指示灯，发出灯光报警信号。快速熔断器的断流时间在10MS以内。快速熔断器最常见的是与元件串联接法，见图21。快速熔断器的选择计算按图21连接方式与元件串联时，有510RDFIIA式中熔体电流有效值元件额定电流FI根据上式可算出所需快速熔断器电流有效值1250793125RDIA取熔体电流有效值为1050A的快速熔断器。图31用快速熔断器保护晶闸管252过电压保护1用RC阻容保护进行抑制，可将瞬态过电压限制到工作峰值电压的1214倍。RC阻容保护可置于变压器阀侧或网侧，电路接线见下图图32阻容保护电路阻容保护参数可估算得到024091152TICFFU20430159TURI2串入压敏电阻。金属氧化物压敏电阻是用氧化锌、氧化铅等饶结制成的非线性电阻元件，是一种新型的过电压保护元件。它具有正反向相同的、很陡的伏安特性，正常时，漏电流很小微安级，故损耗小，遇到过电压时可通过高达数千安的放电电流，因此，抑制过电压能力强。此外，它对过电压反应快，而YI本身体积又小，故它是一种较好的过电压保护元件，可以用来取代硒堆保护。压敏电阻的主要缺点是持续的平均功率太小，如果正常的工作电压超过了它的额定电压，在很短时间内就会烧坏。压敏电阻接于三相时，可以为形，也可以为Y形。压敏电阻的特性参数有漏电流为LMA时的额定电压值；故电流达到规1MAU定值时的电压，其数值由残压比所确定允许的通流容量，即在规YIYU1/YU定波形不允许通过的浪涌峰值电流参数的下限值决定于施加在压敏电阻端A子上的最高向效电压，即当电网电压的波动达最高容许值而参数下降到101MA时，流过压敏电阻的漏电流应保持在LMA以下。当压敏电阻做形连接时1122043520909MABUKV式中电网电压升高系数，一般取105110BK压敏电阻连接端子之间的额定电压有效值。第三章控制电路设计与系统参数计算31控制电路组成从机械特性可知，由于转子整流器的换相压降及直流回路电阻压降的影响，串级调速系统的机械特性比电动机正常接线时要软，调速范围受到了限制，对于风机及泵类负载变化不大的生产机械，由于调速范围不宽，对于调速的精度要求也不高，一般采用开环控制即可满足要求。但是对于调速精度要求和加速特性要求较高，负载波动较大而要求机械特性较硬的生产机械，如轧钢机、矿井提升机等，则应采用与晶闸管支流调速系统相似的双闭环控制的串级调速系统。图41串级调速原理图图41所示，是具有速度外环和电流内环的双闭环串级调速控制系统。系统的组成与双闭环晶闸管直流调速系统相似。图中速度调节器，电流调节器均采用PI调节器。电流反馈信号UFI从电流互感器TA取出，速度反馈信号UFN自测速发电机TG取出。电流调节器输出电压UK为零时，应整定触发脉冲使为最小值，为防止逆变器逆变颠覆，一般取。随着电流调节器输出MIN30电压的增加，方向变化。速度调节器用来控制电动机的转速，电流调角向90节器用以控制主回路电流。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。这两个调节器互相联系、互相制约使系统对于电流、速度都是无差的。利用电流负反馈的作用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，具有较好的加速特性。在电网电压波动时，电流环能及时调节转子电流，以保持所需的电磁转距。由于低同步晶闸管串级调速系统本身不能产生电气制动，故减速只能靠负载阻转矩的作用来降速。32控制系统的参数计算推导321电流环的设计及其参数计算推导由于电流环的时间常数很小，且反应迅速，而与转速成正比的转差电势却变化缓慢，所以可忽略转差电势的影响，经过简化后，按典型型系统校正，令ILNT则电流环的动态结构图如图42所示则有IFIVT电流环开环放大倍数/IIVLNFIK又因12IIT得电流调节器参数2INIVLFTKK0IRIIC004IIT式中、晶闸管逆变器的静态放大倍数和动态滞后时间常数；VKT电流反馈回路滤波时间常数，；FI0FIT电流反馈回路的电流放大系数。FIKGIFUFIDI1IIKSTIIS图42电流环的动态结构图322速度环的设计及其参数计算推导电流环按典型型系统校正后，闭环传递函数为，则速度环的动12FIKTS态结构图如图43所示，为使系统具有较好的抗扰动性能和跟随性能，转速环一般按典型型系统设计。令，当H5时系统的抗扰动性能和跟随性NHT最优，则速度环的开环放大倍数21NNKHTNFI得速度调节器的参数21NJFIJFINTKTH式中速度反馈回路滤波时间常数，；FNT0F速度反馈系数。FKDIFNU、GNFKLIN1NSNS12FIKTS1FIIS1JTSJS图43速度环动态结构图323双闭环系统静态参数计算取速度给定电压10GNUV速度反馈系数MAXIN1085824GFNK取电流给定电压10GI电流反馈系数019642IFIDMUI取电流调节器输出电压最大值5KV晶闸管电压放大倍数2MINCOS2045386423TNVKUK晶闸管逆变器的滞后时间常数017VTSM低速时静差率要求的速度降MIN45876S由于采用了抑制零点漂移的PI调节器，故稳态时的速度降必须满足FIDNKI则01538967FIDNNKI因为取0NR0RK则086NRK若取1,N电流环IIK故053896MIN1FIDNI静差率MIN47S324双闭环系统动态参数计算由前述分析可知，与均为转差率S的函数，故电流环为非定常数系LNKT统，但当时值可按定常系统设计，保证系统具有良好的性能。MAXS与（1）电流环参数计算由公式中，将代入可以推得RAX1MAX21737323056041080186LNMTDTKMRXSRNLNTKMS由于要求电流环超调量小，故电流环按典型型系统设计。取OICF则01254OIOIRTMS74IOIV令128ILNTMS则1475033502IVFIK0IIRK12856IICF（2）速度环参数计算由于系统要求抗扰动性及跟随性好，转速环按典型型系统设计，且取H5取25ONITMS4210ONCFR5413NOITS67NHMS转速环截止频率11452ENS又因为19,68IISTT满足的条件，故电流环可等效为惯性环节。12II及则2221516834NNHKST若按22270831良种计算结果基本一致，取670NKS系统飞轮矩按电动机飞轮矩的15倍考虑，即2154987GDM电动机的转矩在工作电流附近经线形化处理得到的转矩系数为0119563273380526589614MDMDNGURXIN所以有279142835JMGDTC从而得到6709670188NJNFINFK081NRK67NNCF第4章串级调速系统的建模41直流调速函数的确立411直流电路传递函数直流主电路是以转子空载整流电压与逆变器电压之差为输0DU0DU入，以主电路直流电流为输出，并考虑了电势干扰的环节。列出串级调速主DI电路的动态电压平衡方程式0DSDILRIST（51）式中直流电路总电感，L2MTDL（52）转差率S为某值时主电路等效电阻，SR032MTSMTDXRR将式（51）两边取拉氏变换，可得串级调速系统直流电路的等效传递函数011DLNDISKUTSN（53）（34）；LNSTR1LNSKR（54）由式（53）和式（54）可知，串级调速系统直流主电路传递函数的时间常数和放大系数是转速N的函数，所以它是非定常的，该环节的动态结构LNTLNK图如图51所示01DUNNU图51直流主电路动态结构图412电动机的传递函数电动机是以主电路直流电流与负载电流之差为输入，转速N为输出的DILI环节。在串级调速系统的第一工作区内，电动机转矩与主电路直流电流有如下关系DI0013MDDXUI（55）由式（55）可知，串级调速系统电动机转矩是的二次函数，具有非线形特DI性，需要作近似线形化处理。应用小偏差线形化的方法，取M对的二次导数得DI2016DXI因为值通常很小，所以，故可以将式（55）在某工作电流06MX2DI值附近的临域内作泰勒级数展开，忽略二阶无穷小项及余项，仅取一次近似式得0MDCI（56）1LNKTSDI0D0LMLCI（57）式中，负载转矩和对应的负载电流值。LMI经过线形处理后的转矩常数0016MMDDXCUI（58）将式（58）和式（57）代入系统的运动方程式得2375LGDDNT式中电动机及负载的飞轮惯量（飞轮矩）2GD由上式得2375MDLGDDNCIT（59）对式（59）取拉氏变换后，可得电动机的传递函数为21375DLJMNSGDITSC（510）式中2375JMTGDC根据式（511）和式（53）可以绘出主电路及电动机的动态结构图如图52所示0DULI1LNKSLN1JST01DUNNDI图52串级调速主电路及电动机的动态结构图413电流环的设计及其传递函数由于电流环的时间常数很小，且反应迅速，而与转速成正比的转差电势却变化缓慢，所以可忽略转差电势的影响，经过简化后，按典型型系统校正，令ILNT则电流环的动态结构图如图53所示则有IFIVT（511）电流环开环放大倍数/IIVLNFIK（512）又因12IIKT得电流调节器参数2INIVLFTK（513）0IR（514）IICR（515）004IIT（516）式中、晶闸管逆变器的静态放大倍数和动态滞后时间常数；VKT电流反馈回路滤波时间常数，；FI0FIT电流反馈回路的电流放大系数。FIGIFUKFIDI1IIKSTIIS图53电流环的动态结构图414速度环的设计及其传递函数电流环按典型型系统校正后，闭环传递函数为，则速度环的动12FIKTS态结构图如图54所示，为使系统具有较好的抗扰动性能和跟随性能，转速环一般按典型型系统设计。令，当H5时系统的抗扰动性能和跟随性NHT最优，则速度环的开环放大倍数2