大学设计矿井提升机串级调速系统设计

1、毕业设计（论文）矿井提升机串级调速系统设计摘要串级调速是交流异步电动机调速地一种类型 ,串级调速地思想就是将异步电 动机地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 路产生与其相反地直流电势与三相桥式产生地直流电压串联,改变逆变角地大小来改变直流电势地大小 ,达到调速地目地 ,同时还能提高电动机地运行效率和调速 地经济性 .本文依据矿井提升机对电力拖动系统地要求 ,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拖动系统调速性能和节能地要 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地主、辅电路 设计有关地技术问题 .包括系统地组

2、成与工作原理 ,主回路地设计 ,控制回路设计 系统地静、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 asynchronousmotor, Each transfer the thoughts of speed to turn into direct current pigeonhole through three-phase bridge type rectification asynchron

3、ous 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 pigeonholes and contacts, Change, The ones that still can imp

4、rove 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 motor realize the stepless speed regulation to come rapidly to

5、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 each transfer speed systematic main fact, complement circuit d

6、esign 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 system, etc.The keywords:Silicon controlled rectifier, each a

7、djusts speed,rectification,Go against and change目录1. 概述 11.1交流电动机调速地发展概况 11.2矿井提升机对电力拖动系统地要求 31.3 本课题研究地目地和内容 42. 提升机调速系统方案地选择 52.1提升机调速成系统调速方式地选择 52.2双闭环控制系统地选择 52.3 桥式电路地选择 62.4触发电路地选择 73. 矿井提升机串级调速地工作原理 83.1串级调速系统工作原理及工作状态 83.2串级调速系统主电路地工作原理 103.3串级调速控制回路地工作原理 123.4矿井提升机地系统组成与工作原理 124. 主回路电路地设计 1

8、54.1三相桥式不可控整流器地设计 154.2三相桥式逆变器地设计 154.3逆变变压器地设计 164.4平波电抗器LP地设计 164.5晶闸管保护电路地设计 175. 控制回路电路地设计 195.1稳压电源地设计 195.2触发电路地设计 225.3定子控制单元地设计 225.4绝对值单元地设计 245.5速度反馈网络地设计 245.6电流检测反馈网络地设计 255.7控制线路地设计 266. 系统地静、动态特性计算 286.1系统地静态特性计算 286.2系统地动态特性计算 307. 串级调速系统调试 357.1 一般检查以及线路检查 357.2单元器件地调试 357.3系统地调试377.

9、4 操作电路地调试 38主要元器件明细表 39结束语40致谢41参考文献1. 概述1.1交流电动机调速地发展概况纵观电力传动地发展过程，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 动机地电压或者励磁电流就可以实现电动机地无级调速，且电动机地转矩容易控制,具有良好地动态性能随着工业技术地不断发展，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地优 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 恶劣地甚至在有易燃易爆性气体地环境中安全运行 这些与现代调速系统要求地

10、 可靠性、可用性、可维修性相一致.正是由于交流电动机地这种优势，使它在电力 拖动系统中地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地 80% 以上；但同时交流电动机本身是一个非线性、强耦合地多变量系统，其可控性较差.而随着电力电子技术和自动控制技术地迅速发展以及各种高性能地电力电子 器件产品地出现，为交流调速系统地发展创造了有利条件特别是70年代初出现 地矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上相继出现地磁通反馈矢量控制、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地发展这 些新型地交流传动控制技术与高性能地变频器相结合，就有可能使利用交流电动 机构成地交流伺服系统

11、在性能上与高精度地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地场合，交流调速系统已显示出无比地优越性， 电气传动交流化地时代随之而来.根据异步电动机地转速公式：n = no(1 - s) = 60fl (1 - s)式中P 电机极对数f1供电电源频率s电机转差率因此,异步电动机有三种基本地调速方式，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地调速方法.由于电动机地极对数只能成倍变化，因此转速也只能近似成倍变化.变

12、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地电动 机和在同一铁心上设置两个以上极对数地不同绕组地两种类型.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 ,且调速地级数不多 .因此仅适用于不需要平滑调速地场合 .例如某些机床地调速 ,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地要求 .（2）转子串电阻调速这是对绕线式异步电动机进行调速地一种方法 ,即在电机地转子回路中串入 可变电阻来改变电动机机械特性地斜率 ,从而改变了一定负载下电机地转差率达 到调速地目地

13、.由于转子串入地电阻不能连续变化 .因此电机地转速也只能阶跃变 化 ,即有级调速 .这种调速地优点：设备简单、易于实现，初投资不大.缺点：低速时地机械 特性变软 ,其最低转速受生产机械允许静差率地限制,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，调速地平滑性差.只宜带负 载调速.空载或轻载时调转子电阻所得到地转子速度变化不大 .低速时转差率 s 大转子铜损Pcu2=SP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地恒转矩 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地大小来改变电动机在某一

14、负载下转速地一种调速方式 .在调速过程中 ,电动机地转差功率将损耗在转子地电阻 上.调压调速地优点： 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地电动机 .（4）电磁转差离合器调速 电磁转差离合器调速地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 ,而与负载相连地输出轴地转 速则可以通过改变电磁转差离合器地励磁电流来调节 .电磁转差离合器调速地优点： 控制简单 ,价格便宜 ,运行可靠,维护方便,能平滑 调速,采

15、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地设 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 频率地方法来实调速 .变频调速地优点：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U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地交流调速系统缺点：必须有一套变频电源目前,变频电 源地结构还比较复杂 ,价格较贵,容量不够大 .低速时最大转矩 MM 较小,使电动 机地过载能力降低 .（6）串级调速

16、 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地 ,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,将这部分损耗地能量加以吸收并回馈电网 ,就可以大大提高系统地运行效 率,这种转差功率回馈型地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 ,通过调节附加电势地大小来改变电动机一定负载下地转 差率,从而达到调节电动机转速地目地 .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 器地存在），设备较复杂.

17、成本较高，低速时转差率s较大，回收地转差功率sPm较大, 变流装置地容量也应加大 ,不太经济 ,且低速时电动机地过载能力较低 .因此,串级 调速最适用调速范围不大（一般为 24）地场合.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地要求在现代化地工业生产中 , 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 . 由于各种不同地生产机械运动规律不一样对电力传动装置性能地要求 也不一样 . 为了提高产品质量 , 增加产量 , 提高生产效率 , 越来越多地生产机械要 求能实现转速调节与相应地自动控制 , 并且对电力传动装置地要求也越来越高 .矿井提升机是矿山运输中

18、地主要设备 , 是井下与地面联系地重要工具 , 矿井 提升机又是矿山最大地固定设备之一 , 它地耗电量占矿山总耗电量地 30%40%, 因此, 为了降低矿石地成本 , 必须经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地要求如下：（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 0.75m/s2 .（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地调 速性能 .（4）为了保证生产和人员地安全要求电气传动系统运行

19、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 . 根据上面所述地 要求, 提升机地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） , 由于直流拖动系统地设备投资大 , 安装、 维修困难与设备占地多等缺点 ,因此在中小型矿井提升机设备中选用交流绕线式 异步电动机作提升机地拖动电动机 .为了使拖动系统具有较好地调速性能和节省 电能采用可控硅串级调速； 采用改变定子电源电压相序地方法来实现电动机地可 逆运行 .1.3 本课题研究地目地和内容为了使矿井提升机具有较好地调速性能和节省电能 , 提高电动机地运行效率 和调速地经济

20、性 ,减小矿石成本 . 满足矿井提升机对电力拖动系统地要求 . 我们采 用转差功率回馈型地可控硅串级调速 ,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 ,避开了复杂地变频问题 ,一定程度上简化了控制线路 . 起到减 小电动机地转子电流 , 达到降低转速地目地 .本次毕业设计地内容主要是研究三相交流绕线式异步电动机地可控硅串级 调速系统主、辅电路地设计有关技术问题 . 它包括系统地组成与各部分工作原理 , 主回路电路地设计 , 触发电路地设计 , 电流反馈网络 ,绝对值单元 , 定子控制单元 和速度反馈网络地设计以及对系统地动、静态特性进行简单分析和计算 .2. 提升机调速系统方

21、案地选择2.1 提升机调速系统调速方式地选择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 .在选择矿井提升机地动力源上 就有两种方案可以供我们选用：直流电动机和交流电动机 .直流电动机地调速范 围大 ,调速平滑 ,能够进行准确地位置控制 .应用在拖动系统中过渡过程有特殊要 求地较大功率生产机械 .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 ,有取代昂贵地、效率较低地直流电动机地趋势 .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

22、要求不高地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 速要求地生产机械 ,广泛使用绕线式异步电动机 .因此本设计地电动机选用绕线式 异步电动机作为提升地拖动电动机 .它符合矿井提升机地要求：起制动过渡过程 平稳、运行稳定、转矩大 ,而且要求有一定地调速范围 ,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 选择串级调速系统地理由 由前面所述异步电动机地调速类型和各种调速地优、缺点 ,根据各方面地原 因以及提升机对电气传动系统地要求知道 ,选用绕线式异步电动机可控硅串级系 统地调速方案比较合适本课题地设计要求 ,经

23、济性也较好 ,满足了进行设计地目地 系统中使用静止地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 双闭环控制系统地选择由于我们本系统选择地是串级调速 ,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地机械特性 .因此 ,在一些对调速精度要求不高地场合 可以采用开环控制地调速系统 .但若想进一步提高系统地静态精度并获得较好地 动态性能 ,就必须采用反馈控制 ,较好地反馈控制方法是采用具有电流和速度反馈 地双闭环控制方法 .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

24、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地 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地减速度来停车 .特别是提升机被卡住时 ,导致电机 堵转会烧坏电机 ,为了防止这类情况地出现 ,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地单闭环调速系统只能 限制电机地最大电流，并没有令人满意地快速起动和制动性能，这是因为在过渡过 程中，电流一直是变化着地，达到最大值后，由于负反馈地作用加强和电机转子中 地电势增加，电流又被降下来，电动机转矩也随之

25、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地要求.（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地超速.只有在要求调速运行非常平稳 地系统中才用，再一个结构复杂，技术性强，限制了它地使用，同时矿井提升机也 不需要达到这么高地要求，不符合工程上对设备地经济性要求.从上面阐述地来看，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地要求.2.3 桥式电路地选择用晶闸管逆变桥地附加电势 Ef以实现地串级调速地主回路，用地是附加直流电 势与转子整流后地直流电压叠加组成

26、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E2 = E20S整流成Ud,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 地地方.（1） 整流前地转子电势地频率与幅值是转差率地函数.（2）f2二sfi所以折算到转子侧地换相漏抗 Xd =SXdo也是转差率地函数.（Xdo 为s=1时折算到转子侧地每相漏抗）（3）由于异步电动机折算到转子侧地漏抗值很大，换流重叠现象严重，换向重叠 角 加大,引起转子整流电路地特殊工作状态.我们知道 是由于整流电源地漏感和整流电流引起地两相同时导通地现象.而串级调速系统漏感比一般整流器地漏感大，所以随Id地增大，角比一般整

27、流器工作 时大得多，甚至超过60q而三相桥式每60o换流一次，当一60°时，下一次换流将推迟 换流,推迟地角度是a p,在稳定工作时，下一次换流在以60o为换流周期中被推迟 开始换流，它地换流 角只好等于60o,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60o.如果Id继续增大/ p也随之增大，当a p达到30o后/ p将不再 增加，而一 600，这时共阳极组和共阴极组将发生重叠换流地现象造成负载短接，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：0°二Y二60°（2） 第二工作状态：=60°,0° ： :-

28、 p 乞 300（3） 第三工作状态：:30°, 60°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Ef.如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地时间内有电流通过.（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地漏磁通，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y、V3、V5触发换流时由低阳极电位地管子换 到高阳极电位地管子，所以相电压地波形中，触发时电压上跳，共阳极组V2、V4、V6触 发换流时，由阴极电位高地管子换到阴极电位低

29、地管子，所以触发时电压下跳.2.4 触发电路地选择绕线式异步电动机串级调速系统中地晶闸管，用来组成三相逆变桥反馈电能， 要求触发脉冲输出地相位精确，触发电路工作可靠、调试方便.从这些要求出发选 用KCZ6集成化六脉冲触发组件.它适用于要求较高地三相全控桥式变流器地触 发,输出脉冲能可靠驱动大功率地晶闸管，并且有以下地特点：（1）同步电压不受电网畸变和换流缺口地干扰.（2）同步电压范围宽，且只需三相同步电压.（3） 输出脉冲是列式地双脉冲，脉冲变压器体积小.（4）能方便地与各种系统相匹配,调试简单,组装方便.通过上面对提升机电动机地调速方式、控制方式、触发电路，串级调速主电路地选择,我们可以得到

30、串级调速系统地方框图，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地工作原理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地一部分转差功率来实现调速地种方法有效地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地附加电势Ef,如图3-1所示.通过改变附加电 势地大小，就可以改变吸收地电动机地转差功率地大 小，从而实现对电动机转速地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Ef =0地状态.此时电动机地转速接近额定值假定电动机地负载为恒转矩负载，转子电流J为： 图3-1串级调速原理图SE20.R22(SX20

31、)2式中甩一转子绕组每相电阻；X20 s=1时转子绕组每相漏抗;E20 转子开路时地相电势当电动机转子电路中串入与感应电势相位相反地附加电势Ef时，将导致电动机转子电流下降.HSE20 - Ef1 2.R22(SX20)2则电动机所产生地电磁转矩为：Te二Ce : JmI2COS 2式中Ce 电动机转矩系数Gm电动机地主磁通C O S2 电动机转子功率因数转子电流12值地减小使电动机地输出转矩相应减小，出现电动机输出转矩小于负 载转矩地状态，稳定运行状态被破坏，迫使电动转速降低.随着转速地降低，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 动机地输出转矩

32、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地工作原理.串入地附加电势幅值越大，电动机最终 稳定运行地转速就越低.同理，在电动机转子电路中串入与感应势相位相同地附加电势时，能使电动机地转速增加.也就是电动机向高于同步转速方向调速地超同步串级调速地工作原理串入附加电势地幅值越大，电动机最终稳定运行地转速就越高图3-2四种工作状态时串级调速地功率传递关系a）低同步电动运行状态（1>s>0） b）超同步电动运行状态（s<0）c）超同步发电制动状态（s<0）d）低同步发电制动状态（1>s>0）根据转子回路中串入地附加电势E

33、f与转子感应电势sE2o之间地大小和相位关系地不同，串级调速有四种基本地工作状态这四种工作状态地本质都是利用不 同地附加电势来改变电动机内部地功率传递关系而实现电动机地调速，因此，串级调速地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 本工作状态地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）.此时电动机地转子电流12与转子感 应电势E2地相位一致，而与附加电势Ef地相位相反，故转子绕组输出地转差功率 sP被附加电势吸收后回馈电网定子从电网反吸收功率P地一部分（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）

34、.此时电动机地转子电流12与转子感 应电势E2地相位相反，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地功率一起输送给负载，形成 定转子地“双馈电状态”，负载所获得地功率为（1+s）P从而可使电动机地转速 超过同步速步.3. 超同步发电制动状态，如图所示3-2c）.此时电动机地转子电流12与转子感应电势E2地相位一致，而与附加电势Ef地相位相反，故转子绕组输出地转差功率 sP被附加电势吸收后回馈电网，且电动机地定子绕组也向电网回馈功率P回馈地总功率（1+s）P来自负载地机械功率，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

35、动状态,如图所示3-2d）.此时电动机地转子电流12与转子感应电 势E2地相位相反，而与附加电势Ef地相位一致，故电网通过附加电势向电动机转子绕 组输入转差功率sP而电动机地定子绕组则向电网回馈功率P回馈地功率一部分来自转子绕组，而另一部分则来自负载地机械功率（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 同地运转状态和功率传递关系：如图3 2d）、3 2a）、3 2c）所示.图32c）所示是表示矿井提升机在下放重物时地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，转子受到地电磁力矩和提升机提升重物时电

36、磁力矩 刚好相反.那么电机地转速会越来越快.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，转子受地电磁力矩就不是动力力矩了而是阻力矩.当转子地转速 大于同步转速时，定子线圈里地磁场就不会是以50Hz变化地磁场，同时由于转速地增 加,转子线圈里产生磁场会大于定子线圈产生地磁场，按照物理学地定理可得到电机气隙里地旋转磁场地方向会改变，那么转子受到地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3-2a）所示地动转状态和功率传递关系图.同样控制反电势Ef地大小 可以控制转子里电流地大小，就可以控制电机气隙里地

37、磁场强度，达到控制阻力矩地 大小，可以得到不同地下降速度，所以矿井提升机下降时是可以调速地，只不过速度大 于同步转速.这不是本课题研究地重点所在.图32a）所示是表示提升机在提升重物上升时地运转状态和功率传递关系.它是本课题讨论地重点，很好理解.3.2串级调速系统主电路地工作原理采用晶闸管逆变器构成地串级调速系统是由异步电动机地转子感应电势经 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地转差功率sP回馈到交流电网中，从而提高调速系统地运行效率.这里有源逆变器相当于一个附加直流电压，通过 改变逆变器晶闸管地逆变角,就能改变附加

38、直流电压U i地大小，从而改变异步 电动机地转速.采用晶闸管逆变器构成地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地工作过程：起动时，首先将三相异步电动机地定子绕 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Udo,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U ：,方向也是上正下负.通常在刚接通电源时，让逆变器地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Id产生，异步电动机转子也没有电流，不产生电磁转矩，电

39、机不动然后逐渐增 大逆变角1到某一定值随着逆变角地增大，逆变电压将减小，使得ABCA B C5Z y y 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J ,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,随着电动机转速地上升，转差率地下 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地电流流过，保证电动机所产生地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地转速，可以增大逆变角1地大小.逆变角1增大后，逆变 电压将减小，电动机转子回路地电流增大，使电动机所产生地电磁转矩增大，此时 由于电动机地输出转

40、矩大于负载转矩，电动机地转速将升高随着电动机地转速 上升,转差率地下降，转子整流电压将减小，使直流回路中地电流又减小，电动机 所产生地电磁转矩也减小，最终达到一个新地平衡点，电动机就在较高地转速上 稳定运行同理,要降低电动机地转速，可以减小逆变角1 逆变角1减小后,逆变电压 就将增大，电动机转子回路地电流则减小，电动机所产生地电磁转矩减小，此时由 于电动机地输出转矩小于负载转矩，电动机地速度将降低随着电动机地转速降 低,转差率地增大，转子整流电压将增大，使得直流回路中地电流又增大，电动机 所产生地电磁转矩也相应增大，最终达到一个新地平衡点，电动机将在较低地转 速下稳守运行在稳定运行时，若负载突

41、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，而此时地逆变电压不变，则造成电动机转子电流增大，电磁转矩增大，最终使 电动机地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地时候，可将逆变角调到最小，这时所得到地逆变电压为最大，并 且超过转子整流电压，从而使得转子整流回路中地电流降为零 .这样电动机不再 产生电磁转矩，并在负载转矩地作用下，使其转速逐渐降低直至停止运转.3.3串级调速控制回路地工作原理根据我们前面地设计知道，本系统采用地是双闭环控制，以及已经得到串级调 速系地方框图，有了串级调速系统直流回路及

42、异步电动机地传递函数，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地串级调速系统动 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地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.随着起动过程地进 行，电流调节器地输出增大，使逆变器地逆变角增大，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地条件，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地变 化率相

43、同.直到电动机地转速超调，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 矿井提升机地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，提升机拖动系统地主回路为电源经过交流接触器 KM1与正、反转 接触器KM 3与KM 4加在三相交流异步电动机 M地定子绕组上，它地转子绕组经 三相桥式整流器SR、平波电抗器LP、直流接触器KM 2,三相桥式逆变器SCR与 逆变变压器T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作为外环定子控制单元通过电平检测器 DJi

44、和D垃、正、反继电器Q和H来控制正、 反转接触器KM3与KM4,从而改变加在定子绕组上地电源电压地相序来实现电 动机地正转与反转运行.三相桥式整流器SR地整流电压U d =1.35sU2e式中：U2e M转子绕组地额定线电压；s M地转差率.三相桥式逆变器SCR地逆变电压U ： =1.35U2 COS：式中：U2 -：一逆变变压器地副方线电压；B 逆变器地逆变角由电力拖动原理可知Ud二UldRy式中：Id 逆变器直流侧地电流；Rv 主回路地等值电阻.由上式可知当忽略 & 时,则Ud =U 即1.35sU21.35U2 ：COS ,因此就有：S=(U%2e)如当改变逆变角一：地大小，就可

45、以改变转差率s,从而达到调节电动机转速地 目地.其调速过程如下： 若给定电压U g- U |. Id电动机地电磁转矩 MM < M c (电动机地阻转矩)f电动机减速f s ff Ud ff Id回升f M f此过程直到M又重新等于Mc为止.此时电动机地转速低于原来地转速. 若U g Jf - ff U |：, Jf Id ff电动机地电磁转矩 M ff M > M c f 电动机加速f s Jf Ud Jf Id Jf M J此过程一直到 M =Mc为止.此时电 动机地稳定转速高于原来地值. 若Ug为负，则ST地输出为正,K地输出为负，V2导通，DJ2工作,反转继 电器H得电，使

46、反转交流接触器KM 4得电，电动机反转. 若Ug为正,则ST地输出为负,K地输出为正，乂导通,DJ1工作,正转继 电器Q得电，使正转交流接触器KM3得电，电动机正转.4. 主回路电路设计由我们地设计资料：已知提升机电动机为JRQ141 8高压电机,其额定数据如下：额定功率：Fe=280KW额定转速：ne=740r/min 额定转子电压：U2e=495V转子飞轮力矩：GD2 =180Kg- M2 额定转差：Sn =1.4 % 定子电阻：R=2.07 Q /最大过负荷系数：'=2.1根据式 K =U空495-U,U, 6000R = K2R=0.0149额定定子电压：Ue =6000V额定

47、效率：e =0.916额定转子电流：l2e=375A转子电阻:R2 =0.01125 Q /定子漏抗：X1=0.5 Q /转子漏抗：X2 =0.599 Q /咅=K2x1 =0.0035 Q / 4.1二相桥式不可控整流器地设计由于整流在系统电源反接地瞬间和在电机由额定转速正转，突然制动时所转子受到地电压最高，其相电压为U2 :U2n-in2n,U 2e 3750 740750 495 3= 568(7)桥式整流电路二极管受到地反相电压为.6U2,留二倍裕量，所以：(1) 整流二极管额定电压Uke :Uke =2Um =2 6U2 =2,6 568=2783(7)(2) 整流二极管额定电流It

48、在三相桥式整流电路中，直流电流Id :1 1Id l2e 357 = 437.5(A)0.8160.816则元件地额定电流(当三相桥式取Km二0.368时)为ItIt =2K(d =2 0.368 437.5 = 322(A)因此选用2CZ 400 / 3000地整流二极管4.2三相桥式逆变器地设计逆变器地初始定相为600,即当Uk =0时-60°,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 Ud =1.35U2e =1.35 495 = 668(V),当s = 1 时Ud最大,三相桥式逆变电压 -1.35U2eCOS ,由电力拖动基础可知：Ud p-IdRz式中：I

49、d 逆变器直流电流;主回路等值电阻当忽略R、.时，5 U -.,所以U2-：C0Sl二sSe.则此时逆变变压器地副方线电压为U2 ：U2 - =1.35COS6006681.35 COS600= 990(V)可控硅元件参数额定根据变流技术公式可得：(1) 可控硅元件地额定电压Uke :Uke =2 2U2：.=2、2 990=2792(V)(2) 可控硅元件地额定电流It :It =2Krbld =2 0.368 437.5 = 322(A)所以选用KP400 -3000地可控硅4.3逆变变压器地设计逆变变压器采用最普通地接法 丫0 Y -12 (便于同步变压器地设计).由上述 设计可知，逆变

50、变压器原方额定电压为6000V,副方额定电压为990V,因此逆变变压器地变比K :k二山 二6000 =6.06 ；U 2e 990 逆变变压器副方额定电流l2e: l2e =0.816ld =0.816 437.5 = 357(A)11逆变变压器原方额定电流he：丨1厂丄l2e1357 =59(A)K6.06逆变变压器地额定功率 Se:Se 二、- 3U2el 2e = 3 990 357 二 612(MVA)Se < 2Pe ,应该说反馈回去地电能肯定要小于电机所损耗地电能，为什么变压器地容量反而大于电机地容量.是因为30-：' < 900,变压器工作效率低.如果采用间

51、接起动，变压器容量可适当减小.如果从降低变压器地容量着手我们可以 考虑使用频敏变阻起动.4.4平波电抗器LP地设计从限制电流脉动地角度出发设计，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，也可以限制电流地上升率，从限制电流地脉动角度 出发设计,取电流脉动系数S =0.05,则限制电流脉动所需地电感量为Lm :Lm = (U dm 10 U 2) / 2 fd(U S Id)对于三相桥式整流电路中：fd = 300Hz ,竝=0.8 ,匕二495U 2V 3Id =437.5,将各参数代入上式可得Lm :Lm=5.6(mH)(1)逆变变压器地副方每相绕组漏感Lb :Lb =心

52、对于三相Uk%=5,U"3)桥式电路ld =437.5Uk% U2( u)(mH )100 Id中：Kb =3.9,变压器阻抗电压将各参数值代入上式可得:9903 =0.26(mH), cc 5 LB =3.9 -100437.5(2)电动机转子绕组每相漏抗LD :xLd ='min750 - 740 50 2二：47500.669 门彳LD0.147(mH )4其中：'in即有:则平波电抗器电感量LP :Lp = Lm '2Lb '2Ld=5.6-2 0.26-2 0.147二 4.5(mH)所以Lp取5mH电抗器,额定电流为500A.4.5晶闸管保

53、护电路地设计晶闸管是比较脆弱地电子元件，短时间地过电流和过电压都有会使元件损 坏，因此需要完整地保护装置.00 口FU1 7 FU6R04R106nnTTnTT_ u 一二hHITo PLnIT_ 一二JR|01R|03壬C101 J C103Go4C106图4-1晶闸管地保护电路（1）电流上升率地保护可以省略.因为交流进线有电流互感器，直流则有平波 电抗器,这样交流电流地上升率都不会太快.过流保护用F U1 FU6串接在桥臂 上进行保护如图4 1所示.它地额定电压Ue,额定电流Ie,如下：Ue 990 （线路工作时地电压）1 .571 tn e 丨 T1.57 322 Ie 357505 .

54、 Ie 357所以 F Ui F5选用：RL93-600(2)交流侧过电压保护：采用 上接法地阻容吸收装置，吸收因变压器拉闸，电网 电压波动时产生地过电压，如图41所示：610 450C101 C10320.28(.LF)9902所以选用 MY 32.50.25PRlO1RlO3= 3Ic2R=118()Roi R103 = 100=3 2二 50 0.28 990 10»2 118=11376(W)所以选用MY32.5(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,C104 Cn0按经验取1卩FR104 R110 按经验取5QUc10110 "5U

55、m =1.52 990 = 2250(V)P"二 fcUm2 仗=50 1 (.2 990)2 10:100(W)所以C选用：MY100-1R选用：RY -55. 控制回路电路地设计5.1稳压电源地设计-15V直流控制电源(Wy)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地直流电源.-15V稳压电源电气原理图如图 5-1所示,图中,电容C3和C4可改善瞬态 状态，电容G和C2可抑制长线纹波，二极管V和V2可防止因输出端短路而引起 内部电路地地损坏,K1为电压表测量转换开关，心为-15V电压通断开关,V为 电压表，S与S2及V均装在面板地Wy

56、位置上，便于观察地操作.V2图5-1_15V稳压电源原理图变压器地设计由于变压器容量不太大，对电源地影响小，可以和同步变压器共 用，U2e =24V .初步估计，经过稳压后输出地电流为1.5A.这里留有一点裕量Je 二 2A,所以：变压器变比K : k二业二'6000二250U224原方电流 I1e:I1e 112e -0.008(A)1e1e K 2e250变压器容量Se：Se =0.0086000 = 48(W)(此时选取50W由于低压直流电源要提供给双闭环控制系统地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.因此对低压直流电地脉动系数、纹 波，要求极严格,所以要采用稳压电路.整流桥地设计为了消除稳压电压源对同步电源地影响采用两组桥式整流，整流二极管工作地额定电压为UDe,额定电流It :(这里我们选取1.5倍地裕量)UD