异步电机串级调速系统设计

1、太原理工大学 毕业设计（论文） 异步电机串级调速系统设计院 （系）：太原理工大学继续教育学院专 业： 电气工程 班 级： 2013届电气一班 提交日期： 2015年8月 姓 名： 王建军（阳煤） 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。本文依据矿井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，满足矿井提升机对电力

2、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 ABSTRACTThe speed of adjusting of each is to exchange a kind of adjusting the speed of asynchronous motor, Each transfer the thoughts of speed to turn into direct current pige

3、onhole through three-phase bridge type rectification asynchronous the rotor voltages of motors, And then in its direct current it inclines to be at silicon controlled rectifier against becoming circuit produce at opposite direct current tendency and three-phase bridge direct current who type produce

4、 pigeonholes and contacts, Change, The ones that still can improve the operational efficiency of the motor and adjust speed at the same time are economic.This text basis mine lifting machine pull systematic request to electricity, adopt silicon controlled rectifier each is it is it control it pull m

5、otor realize the stepless speed regulation to come rapidly to adjust, meet mine lifting machine pull to electricity system transfer speed performance and energy-conserving request. This text main research three phases exchange person who wind the line asynchronous motor silicon controlled rectifier

6、each transfer speed systematic main fact, complement circuit design relevant technological questions. Including systematic composition and operation principle , main design of return circuit, control design of way of answering, quiet, dynamic performance characteristics computational analysis of the

7、 system, etc.keywords: Silicon controlled rectifier, each adjusts speed, rectification, Go against and change目 录摘要2Abstract31. 概述61.1 交流电动机调速的发展概况61.2 矿井提升机对电力拖动系统的要求81.3 本课题研究的目的和内容92. 提升机调速系统方案的选择10 2.1 提升机调速成系统调速方式的选择102.2 双闭环控制系统的选择102.3 桥式电路的选择112.4 触发电路的选择123. 矿井提升机串级调速的工作原理13 3.1 串级调速系统工作原理及工

8、作状态13 3.2 串级调速系统主电路的工作原理15 3.3 串级调速控制回路的工作原理17 3.4 矿井提升机的系统组成与工作原理174. 主回路电路的设计20 4.1 三相桥式不可控整流器的设计20 4.2 三相桥式逆变器的设计20 4.3 逆变变压器的设计214.4 平波电抗器LP的设计214.5 晶闸管保护电路的设计225. 控制回路电路的设计24 5.1 稳压电源的设计245.2 触发电路的设计275.3 定子控制单元的设计275.4 绝对值单元的设计305.5 速度反馈网络的设计305.6 电流检测反馈网络的设计315.7 控制线路的设计326. 系统的静、动态特性计算34 6.1

9、 系统的静态特性计算346.2 系统的动态特性计算367. 串级调速系统调试417.1 一般检查以及线路检查417.2 单元器件的调试417.3 系统的调试437.4 操作电路的调试44主要元器件明细表45结束语46致谢47参考文献.48 1. 概 述1.1 交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

10、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

11、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：式中电机极对数 供电电源频率电机转差率因此，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

12、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

13、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23。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Pcu2=sPm大。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

14、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

15、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。（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U1按不同规律变化可以实现恒转矩或恒功率调速。因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MM较小，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

16、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sPm较大，变流装置的容量也应加大，不太经济，且低

17、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24）的场合。例如通风机械，提升机械等设备上。1.2 矿井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。矿井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，矿井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

18、济合理地选择与设计矿山提升机设备。 矿井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

19、，安装、维修困难与设备占地多等缺点，因此在中小型矿井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。1.3本课题研究的目的和内容为了使矿井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。满足矿井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

20、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以及对系统的动、静态特性进行简单分析和计算。 2.提升机调速系统方案的选择2.1 提升机调速系统调速方式的选择2.1.1动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。在选择矿井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

21、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。它符合矿井提升机的要求：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。2.1.2 选择串级

22、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矿井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。2.2 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

23、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。本系统要选用哪一种控制方式可从以下两方面考虑：（1） 工作环境：矿井提升机起、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35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

24、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，同时矿井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，能满足矿井提升机对调速性能的要求。2.3 桥式电路

25、的选择用晶闸管逆变桥的附加电势以实现的串级调速的主回路，用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，它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） 所以折算到转子侧的换相漏抗也是转差率的函数。（为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，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

26、流器的漏感大，所以随的增大，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角，这样角被强迫限制在60。如果继续增大，也随之增大，当p达到30后，将不再增加，而，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： （2） 第二工作状态：, （3） 第三工作状态：, 矿井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。如果

27、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、触发换流时由低阳极电位的管子换到高阳极电位的管子，所以相电压的波形中，触发时电压上跳，共阳极组、触发换流时，由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。2.4 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

28、选用KCZ6集成化六脉冲触发组件。它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2-1所示：图2-1 矿井提升机可控硅串级调速系统方框图3.矿井提升机串级调速的工作原理3.1 串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

29、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，如图3-1所示。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。 异步电动机在固有机械特性上运行时，相当于附加电势的状态。此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，转子电流为： 图3-1 串级调速原理图 式中转子绕组每相电阻； s=1时转子绕组每相漏抗；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时，将导致电动机转子电流下降 则电动机所产生的电磁转矩为： 式中 电动机转矩系数 电动机的主磁通 电

30、动机转子功率因数转子电流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。

31、图3-2 四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（s0）c) 超同步发电制动状态 （ss0)根据转子回路中串入的附加电势与转子感应电势之间的大小和相位关系的不同，串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3-2给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3-2a)。此时电动机的转子电流I2与转子感应电势E2的相位一致，而与附加电势Ef

32、的相位相反，故转子绕组输出的转差功率sP被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（1-s）P被输送给负载。2. 超同步电动运行状态，如图所示3-2b)。此时电动机的转子电流I2与转子感应电势E2的相位相反，而与附加电势Ef相位相同，故电网通过附加电势向电动机转子绕组输入转差功率sP，并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3-2c)。此时电动机的转子电流I2与转子感应电势E2的相位一致，而与附加电势的相位相反，故转子绕组输出的转差功率sP被附加电势

33、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3-2d)。此时电动机的转子电流I2与转子感应电势E2的相位相反，而与附加电势Ef的相位一致，故电网通过附加电势向电动机转子绕组输入转差功率sP，而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（1-s）P，电动机将在低同步速度下产生电气制动转矩。矿井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32d)、32a)、32c)

34、所示。 图32c)所示是表示矿井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50Hz变化的磁场，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，定子向电网反馈电能，转子当然也向电源反馈电能

35、。因此可以得出图3-2a)所示的动转状态和功率传递关系图。同样控制反电势的大小可以控制转子里电流的大小，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，所以矿井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32a)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。3.2 串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，再经过逆变变压器将异步电动机的转差功率回馈到交流电

36、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的大小，从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3-3所示：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，方向为上正下负，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，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

37、整流电压，这样在直流回路中就不会有电源产生，异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，使得图3-3 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，电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，最终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

38、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，最终达到一个新的平衡点，电动机就在较高的转速上稳定运行。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

39、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。3.3 串级调速控制回路的工作原理根据我们前面的设计知道，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

40、，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PI调节器，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3-4所示：图3-4串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

41、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。3.4 矿井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35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与正、反转接触器与加在三相交流异步电动机的定子绕组上，它的转子绕组经三相桥式整流器、平波电抗器、直流接触器，三相桥式逆变器与逆变变压器返回电网。控制回路为双闭环控制系统，电流调节器LT组成内环，速度调节器ST作为图3-5 矿井提升机可控硅串级调速系统外环。定子控制单元通过电平检测器DJ1和DJ2

42、、正、反继电器Q和H来控制正、反转接触器与，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。三相桥式整流器的整流电压 式中：转子绕组的额定线电压； 的转差率。 三相桥式逆变器的逆变电压 式中：逆变变压器的副方线电压； 逆变器的逆变角 由电力拖动原理可知 式中：逆变器直流侧的电流； 主回路的等值电阻。 由上式可知当忽略时，则即，因此就有： 当改变逆变角的大小，就可以改变转差率s，从而达到调节电动机转速的目的。其调速过程如下： 若给定电压电动机的电磁转矩（电动机的阻转矩）电动机减速回升此过程直到又重新等于为止。此时电动机的转速低于原来的转速。 若电动机的电磁转矩电动机加速此过程

43、一直到=为止。此时电动机的稳定转速高于原来的值。 若为负，则的输出为正，的输出为负，导通，工作，反转继电器得电，使反转交流接触器得电，电动机反转。 若为正，则的输出为负，的输出为正，导通，工作，正转继电器得电，使正转交流接触器得电，电动机正转。4.主回路电路设计由我们的设计资料：已知提升机电动机为JRQ14108高压电机，其额定数据如下：额定功率:=280KW 额定定子电压:=6000V额定转速:=740r/min 额定效率:=0.916额定转子电压:=495V 额定转子电流:=375A转子飞轮力矩：=180Kg-M 转子电阻:=0.01125/额定转差：=1.4 定子漏抗：=0.5/定子电阻

44、：=2.07/ 转子漏抗：=0.599/最大过负荷系数：=2.1根据式 =0.0035/ = =0.01494.1三相桥式不可控整流器的设计 由于整流在系统电源反接的瞬间和在电机由额定转速正转，突然制动时所转子受到的电压最高，其相电压为： 桥式整流电路二极管受到的反相电压为，留二倍裕量，所以：（1）整流二极管额定电压：（2）整流二极管额定电流在三相桥式整流电路中，直流电流： 则元件的额定电流（当三相桥式取时）为： 因此选用的整流二极管4.2三相桥式逆变器的设计 逆变器的初始定相为，即当时，此时电动机处于起动状态，则此时三相桥式不可控整流平均电压，当时最大，三相桥式逆变电压，由电力拖动基础可知:

45、式中：逆变器直流电流; 主回路等值电阻当忽略时，所以。则此时逆变变压器的副方线电压为：可控硅元件参数额定根据变流技术公式可得：（1） 可控硅元件的额定电压：（2） 可控硅元件的额定电流： 所以选用的可控硅4.3逆变变压器的设计逆变变压器采用最普通的接法（便于同步变压器的设计）。由上述设计可知，逆变变压器原方额定电压为6000V，副方额定电压为990V，因此 逆变变压器的变比： ；逆变变压器副方额定电流: 逆变变压器原方额定电流: 逆变变压器的额定功率: ,应该说反馈回去的电能肯定要小于电机所损耗的电能，为什么变压器的容量反而大于电机的容量。是因为，变压器工作效率低。如果采用间接起动，变压器容量

46、可适当减小。如果从降低变压器的容量着手我们可以考虑使用频敏变阻起动。4.4 平波电抗器的设计从限制电流脉动的角度出发设计，必须加平波电抗器，用以保持小负载时电流连续和限制电流谐波分量，也可以限制电流的上升率，从限制电流的脉动角度出发设计，取电流脉动系数，则限制电流脉动所需的电感量为： 对于三相桥式整流电路中：， ，将各参数代入上式可得： （1）逆变变压器的副方每相绕组漏感： 对于三相桥式电路中：=3.9，变压器阻抗电压=5， ，=437.5 将各参数值代入上式可得：（2）电动机转子绕组每相漏抗： 其中： 即有： 则平波电抗器电感量：所以取5mH电抗器，额定电流为500A。4.5 晶闸管保护电路

47、的设计晶闸管是比较脆弱的电子元件，短时间的过电流和过电压都有会使元件损坏，因此需要完整的保护装置。 图4-1 晶闸管的保护电路（1）电流上升率的保护可以省略。因为交流进线有电流互感器，直流则有平波电抗器，这样交流电流的上升率都不会太快。过流保护用串接在桥臂上进行保护如图41所示。它的额定电压，额定电流，如下：（线路工作时的电压） 所以选用：（2）交流侧过电压保护：采用接法的阻容吸收装置，吸收因变压器拉闸，电网电压波动时产生的过电压，如图41所示： 所以选用 所以选用（3）晶闸管过电压保护：一般在晶闸管两端并接阻容吸收装置如图41所示， 按经验取1F按经验取5所以C选用： R选用：5.控制回路电

48、路的设计5.1 稳压电源的设计直流控制电源（）它由W7800系列和W7900系列三端固定式集成稳压器组成，作为本装置所有控制单元的直流电源。稳压电源电气原理图如图5-1所示，图中，电容和可改善瞬态状态，电容和可抑制长线纹波，二极管和可防止因输出端短路而引起内部电路的的损坏，为电压表测量转换开关，为电压通断开关，为电压表，与及均装在面板的位置上，便于观察的操作。 图5-1 稳压电源原理图5.1.1 变压器的设计由于变压器容量不太大，对电源的影响小，可以和同步变压器共用，。初步估计，经过稳压后输出的电流为1.5A。这里留有一点裕量，所以： 变压器变比： 原方电流： 变压器容量： （此时选取50W）

49、由于低压直流电源要提供给双闭环控制系统的运放用电和直接关系到调速精度给定电压值、触发块，定子控制单元用电。因此对低压直流电的脉动系数、纹波，要求极严格，所以要采用稳压电路。5.1.2 整流桥的设计为了消除稳压电压源对同步电源的影响采用两组桥式整流，整流二极管工作的额定电压为，额定电流：（这里我们选取1.5倍的裕量）取A，因整个稳压电源输出电流I=1.5A 所以选用：2CZ55C整流二极管5.1.3 熔断器选用替换方便的玻璃封装保险管。其额定电流取工作电流的1.5倍，工作电压不用计算，只是保险座的耐压能力应在30V以上，所以选用的保险额定电流为：所以选用5.1.4 滤波网络由于稳压电源采用三相桥

50、式整流，脉动系数本来较小，要求的滤波电容容量小，根据经验取，采用铝电解电容。由于大电解电容极板的集肤效应，高频响应差，为了避免产生自激振荡，所以加上高频滤波电容、大小，取经验值，它们的耐压能力取30V能满足要求。所以、选用：、选用：CD11 1000/255.1.5 稳压器稳压实现方法较多，有开关式,串联式的分立元件电路形式。本课题选用通用的三端稳压集成块和，它们的引脚功能：W7800系列，1脚为输入端，2脚为输出端，3脚为公共端W7900系列，1脚为公共端，2脚为输出端，3脚为输入端W7815稳压器最大输入电压可达35V，输出电压为+15V，加散热器后输出电流为1.5A. W7915稳压器最

51、大输入电压可达-35V,输出电压为-15V, 加散热器后输出电流为1.5A.W7815输出，输入为正极性电源，W7915输入，输出为正极性电源，其工作原理如下：当整流变压器接上电源，6000V高压经变压器降至24V交流电，经桥式整流滤波，送入W7815和W7915经稳压再经、进一步消除纹波，、高频滤波消除自激振荡。如果闭合，则指示灯亮，表明稳压电源向负载正常供电。，起短路保护的作用，当负载发生短路时，、两端的电压由15V上升到30V。如果二极管的反向耐压能力为20V，那么，被击穿。把稳压集成块短路，从而防止过电流烧坏集成块。如果电流过大，、熔断，起到保护整个电路的作用。和也是二极管的短路保护，

52、防止感性负载产生高电压损坏稳压集成块和击穿保护，防止短路把高压传输过来损坏后面的负载。两个电压表用来监测稳压电路是否工作正常，两块电压表的量程应为20V。、用来消除长线纹波和增加瞬态响应速度。应该越大越好，取经验值： =1000(F) 、是用来作为高频滤波取经验值： 、的最高反向击穿电压为20V，击穿电流应达2A，所以选用：2CZ55B和的最高反向击穿电压为20V，击穿电流比较小，所以选用： 2CZ82A指示灯选用： 额定电流，。则限流电阻应为：所以选用：RX212K/25.1.6 校对W7815和W7915输入电压,取电网电压波动10%，那么整流后的电压为： （符合要求）5.1.7 散热片W

53、7815和W7915当输入电流达1.5A必须加散热片 P（功耗）= 又集成块正常工作温度为,按其温度上升不超过计，则散热片的热阻应满足： 故选用SR2Z型散热器，热阻，功耗18W5.2 触发电路的设计触发器采用KCZ6集成化六脉冲触发组件，电气原理如图5-2所示：在同步电压过零点的瞬间，电容迅速放电，使4脚电位为0，过零后，集成块内部的恒流源对充电，和外部电部也对它充电，使4脚上形成锯齿波电压，据有关资料介绍充电电流，同步电压来自同步变压器。为了消除三次谐波的影响，同步变压器接成，它的副方电压为35V。它们分别接在A相、B相、C相同步端。移相的控制电压（来自电流调节器的输出）加在端子上。控制电压的大小为，