晶闸管串级调速双闭环系统方案

目录前言与设计主题21.串级调速系统31.1主电路方案确定31.2系统静态和动态要求31.3串级调速原理及基本型式41.4电动机供电方案的确定52.电机容量检查72.1最大滑点72.2转子整流器最大输出电压72.3最大直流整流电流和电阻82.4定子电阻和电机额定转矩85漏抗换算到转子侧9三、整流二极管的选择91整流二极管电压的选择92整流二极管电流的选择94、逆变变压器参数计算104.1概述104.2逆变器二次侧参数初步计算104.3逆变变压器计算12五、硅整流元件和晶闸管的选用135.1参数计算135.2速度控制系统的保护146.平滑电抗器电感的计算166.1转子直流回路平滑电抗器的作用166.2电感的计算176.3启动方式的确定187.双闭环控制系统参数计算187.1双闭环系统静参数187.2双闭环系统19八、系统整体结构设计211供电系统222稳压器的设计结构229.设计经验前言现代工业的电驱动一般要求部分或全部自动化，因此必须与各种控制元件组成的自动控制系统相联动，电驱动可视为自动电驱动系统的简称。在这个系统中，生产机械可以自动控制。随着现代电力技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动电驱动正朝着计算机控制的生产过程自动化方向发展。以实现高速、高质量、高效率的生产。在大多数集成自动化系统中，自动化电力牵引系统仍然是不可或缺的组成部分。此外，低成本自动化技术和设备的发展在国外也越来越受到重视。特别是对于小型企业来说，应用技术适宜的设备，不仅有利于获得经济效益，而且可以提高生产率、可靠性和灵活性，以及易于应用的优点。自动化电动拖动系统是低成本自动化系统的重要组成部分。电力电子技术通常分为两个分支：电力电子器件制造技术和变流器技术。变流器技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路并控制这些电路的技术，以及由这些电路构成电力电子器件和电力电子系统的技术。交流电机拖动设计题目：提升机最大负载功率PL48kwD=3，采用晶闸管串级调速双闭环系统。整流器采用三相桥式整流电路，逆变器采用三相桥式全控电路。要求：1．选择电机。2．逆变变压器参数的计算。3．整流电路和逆变电路器件的选用。平波电抗器电感的计算基于串级调速的双闭环控制系统1串级调速系统1.1主电路方案的确定对于交流异步电动机滑差功耗的调速系统，转速低时滑差功耗大，从而限制了调速范围。如果想尝试恢复转差功率，需要在异步电机的转子侧进行控制，可以使用绕线转子异步电机。普通绕线转子异步电动机使用转子回路串联电阻来调节速度。这种调速方式简单、操作方便、价格便宜，但在阻力上会消耗大量能量，效率低，经济性差。同时，由于转子回路的附加电阻容量大，可调级数有限，无法实现平滑调速。为了克服上述缺点，需要寻求一种效率更高、性能更好的绕线转子异步电动机转差功率共馈的调速方法，而串级调速系统就是一个很好的解决方案。串级调速是通过在绕线异步电动机的转子电路中引入额外的电势来实现的。属于可变滑差率实现串级调速。与转子串联电阻的方式不同，串级调速可以应用异步电机的功率（反馈给电网或将其转化为机械能送回电机轴），因此效率高。可实现无级平稳调速，低速时机械特性较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统技术难度小，性能比较完善，因此得到了广泛的应用。1.2系统静态和动态要求如果采用双闭环调速系统，可以在限制电机最大电流（转矩）的情况下，充分利用电机的内容过载能力，使电驱动系统能够尽可能从最大加速度开始，达到稳态速度。之后，可以迅速降低电流，使转矩立即与负载平衡，从而切换到稳态运行。此时启动电流近似为方波，转速近似线性增加。在转矩受限的情况下，减速系统所能获得的最快启动过程。采用速度和电流双闭环调速系统，在系统中设置两个调节器分别调节速度和电流，两者串联，在运行过程中只能实现电流负反馈。启动过程中，它和速度负反馈没有同时加到调节器的输入端。达到稳态转速后，仅转速负反馈不依赖电流负反馈起主要作用，从而获得良好的静态和动态性能。与电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环速度控制系统的静态特性Idm表明，当负载电流小于差值时，速度没有静态差。获得过流自动保护。显然静态特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在启动和提速过程中表现出快速的动态跟随。在动态抗扰动性能方面，具有较强的抗负载扰动和电网电压扰动能力。1.3串级调速原理及基本型式假设异步电动机的外加电源电压UL和负载转矩KL不变。那么电机的转子电流在调速前后基本保持不变。如果在转子电路中引入一个与转子电位频率相同、相位相同或相反的附加电位，Eadd则转子电流为IsEr0Eadd常数（式11）R2sX2rr0其中：R：转子回路电阻；rsX：转子转动时转子绕组各相漏抗；r0E：转子开路相电位；r0电机正常运行时，转差s很小，所以R≥sX。忽略sX那里，rr0r0sEE常数式12r0add在上面的公式中，它Kr0是一个取决于电机的常数。因此，改变附加电位可以改变滑移率S，从而实现调速。假设当Eadd=0时，电机以额定转速运行，即nnN,ssN由（式1-2）可知，当附加电动势与转子相电位相反时Eadd（取前面的负号)，Eadd变化幅度可以在额定转速以下进行调整。，这种调度方式称为低同步串级调速，附加电位与转子相电位同相。同时（Eadd前面的正号），Eadd改变后的大小可以调整到额定转速以上。这种调度方式称为超同步串级调速（即s<0）。串级调速四种基本状态模式下的能量传递方式如图1-1所示。图中，忽略电机部分的各种损耗，确定定子输入功率P为转子输出功率。图1-1串级调速系统基本状态模式晶闸管低同步串级调速系统是利用绕线转子异步电动机转子侧的大功率晶闸管或二极管，将转子转差频率的交流电转换成直流电，再通过晶闸管逆变器将转子电流返回到更换电机的电源。一种调速方式。电气串级调速系统示意图，见图1-2图1-2电气串级调速系统示意图1.4电动机供电方案的确定变电压调速是直流调速系统中使用的主要方法。调节电枢供电电压通常需要三个可控电源：旋转电流单元、静态可控整流器、直流斩波器和脉宽调制转换器。旋转变流器单元称为GM系统，它使用交流电机和直流发电机组成一个单元，以获得可调节的直流电压。适用于要求低速调节，要求可逆运行，但设备多、体积大、成本高、效率低、维护不便的系统。使用静态可控整流器，例如晶闸管可控整流器，得到可调直流静态可控整流器，也称为VM串联电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，可以改变Ud，从而实现平滑的调速，控制效果快，性能好，动态性能好。系统得到改进。直流斩波器和PWM转换器使用PWM，由恒定直流或不可控整流电源供电，并使用直流斩波器或PWM转换器产生可变平均电压。受设备数量限制，适用于中低功率系统。根据本设计的技术要求和特点，选择VM系统。在VM系统中，当给稳压器一个电压时，可以移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而很容易改变整流器的输出，即瞬时电压Ud。由于要求直流电压纹波小，所以采用三相整流电路。考虑到使电路简单、经济和满足性能要求，选用晶闸管三相全控桥式交流供电方案。由于三相桥式全控整流电压的脉动频率高于三相半波，因此平滑电抗器所需的电感量可降低一半左右，这是三相电抗器的一大优点。桥式整流电路。晶闸管可控整流装置无噪音、无磨损、响应速度快、体积小、重量轻、投资少。并且工作可靠，能耗小，效率高。同时由于电机容量大，要求电流脉动小。综上所述，选用晶闸管三相全控桥式整流电路的供电方案。一般来说，晶闸管变流器所需的交流电源电压往往与电网不一致。此外，为了减少电网与晶闸管器件之间的相互干扰，需要进行隔离，因此通常采用整流变压器。为了抑制谐波干扰，一般采用接法的整流变压器。考虑到异步电动机输出最大转矩的降低、功率因数的降低和转子损耗的增加等因素，对于新设计或改造的机型应重新选择异步电动机的容量。电机容PK•Pi D量P计算如下：式中，Ki——串级调速系数，一般取1.2左右。对于串级调速系统长期低速运行，宜大些；PD——按常规计算方法计算的电机容量。电机容量选自产品手册P≥PD本设计采用反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的相关数据。电机等级为连续额定S1，基本防护等级为IP23，基本冷却方式为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。控制电机型号YRz50mz-4最高1480转/分额定功率40kW效率91.5%定子电压/电流380V/85A功率因数0.87转子电压/电流340V/81A表1-1绕线异步电动机由于调速范围小，对动、静态性能有一定的性能要求，采用晶闸管串级调速双闭环调速系统较为合适。整流器采用三相桥式全控整流电路。2电机容量检查2.1最大滑点Smaxnn111min1式中： n ：电机同步转速，约等于电机额定转速；1nmin：串级调速系统的最低工作速度；:速度控制圆D=32.2转子整流器最大输出电压模型信息库特紫外Ⅳ基尔KKLķ技术_线__ST__三相带中性线0.36720.670.5770.4721.3510.866三相桥0.36721.350.8150.8161.0520.5双三相桥串联0.36722.70.8161.5781.0340.36～0.52双三相桥并联0.18421.350.4180.7891.0310.26～0.32表2-1变流器主功率计算系数1U3KE11dmaxUVr0D中Er0：：转子开路相电位；KUV：整流电压计算系数，见表2-1；但U1.35340130613dmax2.3最大直流整流电流I 1.1 I2N1.1Idmax M K M dNIV式中：λ：电机电流过载倍数，约等于2的转矩过载倍数；MI2N_：转子线电流额定值；_Ⅳ ：整流电压计算系数，见表2-1；_I：转子整流输出直流额定电流；I=I/K;dN dN 2N IV1.1：考虑转子电流畸变等因素影响的系数；Idmax1.13810.813328.7822.4最大直流整流电阻ES3400.01330.0322R2nns3I3812n2.5定子电阻r0.95USn0.953800.01330.03231n13I385.91n定转子绕组比k=0.95U1n0.953801.06EM340n定子电阻转换为转子侧r'r0.03230.02871=k11.0622m2.6电机额定转矩2.7漏抗换算到转子侧3整流二极管的选择3.1整流二极管电压的选择假设每个桥臂上串联的整流二极管个数为N=3，则每个二极管的反向重复峰值为KRM2~33KE11UUT2nDNKRMKAV其中： K ：电压计算系数，见上表2-1；UT：转子开路相电位；nKAV：均压系数，一般取0.9。元件不串联时取1；由上式可知，整流二极管所承受的最高电压和最低电压与系统的调速范围D有关。调速范围越大，元件承受的电压越高。1.51.3534011那么：U3170.10.93KRM3.2整流二极管电流的选择在大容量级联调速系统中，需要多个整流二极管并联使用。假设并联支路数为Np=，则每个整流二极管的电流计算如下：I1.5~2KIITdmaxFKNACP式中：K：电流计算系数，见表2-1；IT：转子整流器的最大直流整流电流；dmax:均流系数。其值可以为0.8～0.9，元件不并联时为1；ACI0.184219.18814.937AF0.934逆变变压器参数计算4.1概述对于不同转子额定电压和不同调速范围的异步电动机，要求逆变变压器二次侧的电压不同来匹配；同时，还希望转子电路与交流电网之间实现电气隔离，所以一般串级调速所有系统都需要配备逆变变压器。4.2逆变器二次侧参数初步计算逆变变压器二次侧电压根据转子的最大整流电压等于变频器在最低转速时的最大电压的原理确定：UT2KdmaxcosUVmin式中：U：逆变变压器二次侧线电压；T2转子整流器的最大输出直流电压；dmax：：整流电压计算系数，见表2-1；UVβmin：最小反转角，30°；一般为也就是说，逆变变压器转换为直流侧电抗，取u%5%k然后，转换为直流侧的等效电阻r0.01E2n3TI2n平滑电抗器直流电阻

0.013400.024381r0.01E0.013400.0242nd3I381n级联运行时的额定转速当S=1时，电机定子换算到直流侧的等效电阻为1.73r1'，所以电机的额定转矩M1mXU1.73r'IIknd012Mdndn19.5653n1.73E1.73r'XII2n1dndn1I考虑换向重叠角的影响，线性化后，上式dn为I3I381A106.7Adn1.732n1.73但M9.5651.353401.730.028730.441106.7106.7Nm278.1Nmkn1500扭矩减小系数为KM278.10.96MknM291n串级调速运行中最高转速的确定直流电路的总等效电阻为R2rrrmXmXMTd22T式中，电机换算到直流侧的等效电阻可以根据等功率原理换算，即332I2rr'I22rI2r1.732n21dnM2nM必须1.730.02870.03220.0190.02430.0930.658 最大电流下的电动势系数为：U1.73r3X/I1.353401.730.0287310.441219.1880.306V(r/min)1Cd01Mdm1500en1最大速度：nUIR1.35340219.1880.658r/min1027r/mind0dm0.306maxCe1n342r/minmin3max减速系数Kn10270.69maxnn1480n电机校准p26KL0.69kW37.68kW45kWn或者PK 450.69kW31.05kW26kWp即选用的电机符合要求。所以，IdIdm当，换向重叠角为cos12IX12219.1880.44153.28601dmM12E23402n该系统在第一个工作区工作。4.3逆变变压器计算Snn15003420.77max1nmin15001逆变变压器二次侧线电压SmaxE2n0.77340V303Vcoscos302Tnmin也因为II81A2T2n逆变变压器的计算容量为S3UI330381103kW42.5AT2Tn2T逆变变压器原边电流IS42500A64.57AT1T3U33801nrU3030.020.012Tn0.01Tn3I3812TX0.053030.108T381所以R更正为R0.664nUIR1.35340219.1880.6641024r/mind0dmmaxC0.306e匹配上一个n值max5硅整流元件和晶闸管的选择5.1参数计算I(1.5~2)KIT(AV)Idm式中KI0.368（三相桥式电路，感性负载）I(1.5~2)0.368219.188A121~161AT(AV)摘要IT(Av)150AU2U2303V428V因为m2TnU(2~3)U856~1284VTm摘要U1200VT选用六只硅整流元件ZP150-12和六只晶闸管KP150-12。5.2调速系统的保护该晶闸管具有换向方便、无噪音的优点。除了正确选择晶闸管电路的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过压、过流保护措施。正确的保护是晶闸管装置可靠、正常运行的关键。5.2.1过压保护不能从根本上消除过电压的根本原因，但只能将过电压的幅值抑制在安全范围内。这就是过压保护的基本思想。抑制过电压的方法有以下三种：使用无超导元件限制过电压的幅度；使用电阻来耗散产生过电压的能量；利用储能元件吸收产生过电压的能量。在实际应用中，往往需要在电路的不同部分使用不同的方法，或者在同一部分同时使用两种不同的保护方法。按过压保护部位分，有交流侧过压保护、直流侧过压保护和装置两端过压保护三种。1.交流侧过压保护本设计采用阻容保护，即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。如图5-1所示：图5-1阻容保护电路图变压器连接 单纯形 三相二次Y接法 三相二次D接法与变压器二阻容装置连接 Y形接头D-结Y形接头D-结次侧平行电容 C C 1/3C 3C C反抗 R R 3R 1/3R R表5-1变压器接线及RC选型对于三相电路，R和C的值可按表5-1换算。系统采用DY连接。S=1.9299KVA，U2120V=变压器励磁电流百分比I：当S=1～10KVA时，对应的=4～1，故取Iem为3。emIemC≥6IemS/U2=×6×3×34×103/1202=14.17µF2选择20µF铝电解电容。变压器短路电压比选择：S=1～10KVA，I=1～5，所以I取3。ememC≥2.3U2/S=2.3×1202/1.9299×103=9.37Ω2即选择ZB1-10的电阻。5.2.1直流侧过压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同的保护方式，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但是，使用RC保护很容易影响系统的快速性，并会导致增加。因此，一般不采用阻容保护，只采用压敏电阻进行过压保护，如图（3-2）所示。=(1.8-2.2)U=(1.8-2.2)×230=414-460V1MA DC选择MY31-440/5压敏电阻。内容偏差+10%(484V)。表5-2为晶闸管和整流二极管两端的过压保护；晶闸管额定电流/10 20 50 100 200 500 1000μA电容/μF0.10.150.20.250.512电阻/Ω1008040201052图5-2压敏电阻保护接线方法抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法。可在晶闸管两端峰值工作电压的1.1～1.15倍可选加电容耐压得到C=0.1µF，R=100Ω。选择R为0.2µF的CZJD-2金属化纸介电容器。P=fCU2×10-6=50×0.2×10-6×(×120)2×10-6=0.45×10-6WR m即选择R为20Ω的普通金属膜电阻，RJ-0.5。电流保护快速熔断器分断时间短，保护性能更好，是目前最常用的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧，也可以安装在交流侧，也可以直接与晶闸管串联。1）交流侧快速熔断器的选择I=5.37A2选用RLS-10快速熔断器，熔体额定电流为6A。2）选择与晶闸管串联的快速熔断器I=I=5.37A,I=3.11A2 T选用RLS-10快速熔断器，熔体额定电流为4A。电压和电流上升率的限制电压上升率：当正相电压上升率较大时，晶闸管会误接。因此，应限制作用在晶闸管上的正相电压的上升速度。电压上升率过大一般有两个原因：电网侵入的过电压；由于晶闸管换相相当于线电压短路，换相后线电压会升高，每次换相都可能造成电压过高。.若限值过大，可在电源输入端串联电感，将电感串联在晶闸管各桥臂上，利用电感的滤波特性降低价值。电流上升率：当电流上升率过大时，可能导致栅极附近过热，造成晶闸管损坏。因此，必须限制晶闸管的电流上升率。增加过大的原因一般是：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然对晶闸管放电；交流电源通过晶闸管给直流侧保护电容充电；直流侧负载突然短路等。限制，RC保护中除了选择合适的电阻外，还可以采用与限制相同的措施，即在每个桥臂上串联一个电感。为限制总和的电感，可采用空心电抗器，要求L≥(20-30)μH；也可以使用铁心电抗器，L值可以更大。在容量较小的系统中，与晶闸管相连的导线也可以绕一定圈数，或者在导线上放置一个或几个磁环来代替桥臂电抗器。因此，为了防止每个桥臂串联一个30μH的电感。6平波电抗器电感的计算6.1转子直流回路平滑电抗器的作用一是串级速度在最小工作电流下仍能保持电流的连续性；二是降低电流脉动，将电机转子中直流电路中脉动分量引起的附加损耗控制在内容范围内。6.2电感计算1、电机等效电感LXM1030.441103mH1.4mHM2f25012、逆变变压器的等效电感LXT1030.108103mH0.34mHT2f2501持续电流所需的电感LKUT22(LL)3d1IIT在公式，I5%Idmindn5.35Admin0.693（三相桥全控电路）I也就是说，L0.6933032(1.40.34)19.24mHd130.05106.7四、根据限制电流纹波所需的电感L(U/U)2103U/32(LL)dm222Tnd2fSIMTdidn式中，Udm——最低谐波电压幅值；2——逆变变压器二次侧相电压有效值；fd-三相桥式电路的最低谐波频率；SUU

dm2

0.8——（三相桥全控电路）；但，L0.82103303/323002(1.40.34)7.7mHd0.05106.71选择平波电抗器，当I=106.7A时，电感为8mH，当I=5.35A时，电感不小于2d d0mH6.3启动方式的确定串级调速器启动时，启动电流IUd0U2Tncosmin1.35340303cos30296A219.188ASTR0.664因为ISTIdm，需要在转子电路中串联频敏变阻器才能启动，当S=0.79，即n=315r/min时，串级调速装置投入运行。7双闭环控制系统参数计算7.1双闭环系统静参数计算U 10V(1)取速度给定电压 gnKU10gn0.0146V(r/min)1fnnn1027342maxminU10V(2)取当前给定电压gi电流反馈系数KU100.046V/AIgifn219.188取电流调节器的最大输出电压Ukm5V；晶闸管电压放大dmU2Tncosmin303cos3052.4852U5Vkm(4)晶闸管逆变器滞后时间常数TV0.0017s1.7ms低速静态差速所需的降速nSn0.013423.42r/minnmin由于使用了抑制零漂的PI调节器，稳态下的速度下降必须满足：KInK'fiKdnnfn但KnKI0.146106.7Knfi'dnRK'fnR因为，nn010k要0R9910990kn如果你拿K'110R'1100knn电流环K'K'110R'1100kini所以nKI0.146106.73.08r/minftdnKK1100.046nfn静态差率Snn3.080.00900.01nn342min7.2双闭环系统动态参数计算由以上分析可知，KLn和TLn都是滑差率S的函数，所以电流环是一个非稳态系统，但可以根据稳态系统设计电流 SSmaxKLn和TLn值，以保证系统具有良好的性能。8.2.1电流回路参数的计算由公式ESS可知max，代入即可推导出K1mX1.73rrrmXLn1.73r'2S1Mmax2Td2T1.93T L •K1021.40.341.9326msLn Ln由于要求电流环的过冲小，所以电流环是按照典型的I型系统设计的。1uf要0i但R0C0i101ms2.5ms440iTT2.51.74.2msi0iV制作T25.9msiLnKiL13.480.23所以，VfiRiKR2.3ii0CiR4.05Fii速度环参数计算由于系统要求具有良好的抗扰动性能和随动性能，速度环按典型的Ⅱ型系统设计，h=5。T 2T 5ms摘要00i4TC0n2uFR0n0T T 2T13.4msn 0n i hT 67msn n速度环截止频率h1h1145s1c2121也因为1119s12T1168s12Ti112T2T满足cω<的条