晶閘管串級調速雙閉環(huán)系統(tǒng)(共27頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上江西理工大學應用科學學院電力拖動綜合課程設計專 業(yè)： 自動化 班 級： 學 號： 姓 名： 設計題目： 交流電動機拖動設計-C 設計報告格式25分設計內容45分答辯考勤總計得分封面3頁面布局5目錄格式3圖表質量4間行距、字體5頁眉頁腳5設計題目分析5系統(tǒng)控制方案8設備計算、選型7電氣原理圖調節(jié)器參數整定或程序設計101020主電路5控制電路5總圖5 2012年11月前言現代工業(yè)的電力拖動一般都要求局部或全部的自動化，因此必然要與各種控制元件組成的自動控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，而電力拖動則可視為自動化電力拖動系統(tǒng)的簡稱。在這一系統(tǒng)中可對生產機械進行自動控制。隨著近代電力電了技術

2、和計算機技術的發(fā)展以及現代控制理論的應用，自動化電力拖動正向著計算機控制的生產過程自動化的方向邁進。以達到高速、優(yōu)質、高效率地生產。在大多數綜合自動化系統(tǒng)中，自動化的電力拖動系統(tǒng)仍然是不可缺少的組成部分。另外，低成本自動化技術與設備的開發(fā)，越來越引起國內外的注意。特別對于小型企業(yè)，應用適用技術的設備，不僅有益于獲得經濟效益，而且能提高生產率、可靠性與柔性，還有易于應用的優(yōu)點。自動化的電力拖動系統(tǒng)更是低成本自動化系統(tǒng)的重要組成部分。通常把電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術兩個分支。變流技術也稱為電力電子器件的應用技術，它包括用電力電子器件構成各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術

3、，以及由這些電路構成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術。交流電動機拖動設計題目某提升機最大負載功率為，調速范圍要求D=4，選用晶閘管串級調速雙閉環(huán)系統(tǒng)，整流器才用三相橋式整流電路，逆變器采用三相橋式全控電路。要求：1.選擇電機。2.逆變變壓器參數計算。3.整流電路和逆變電路器件的選型4.平波電抗器電感的計算 晶閘管串級調速的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一、串級調速系統(tǒng)1.1主電路方案的確定對于交流異步電動機轉差功率消耗型調速系統(tǒng)，當轉速較低時轉差功率消耗較大，從而限制了調速范圍。如果要設法回收轉差功率，就需要在異步電動機的轉子側施加控制，此時可以采用繞線轉子異步電動機。常見的繞線轉子異步電動機用轉子回路串電阻

4、調速，這種調速方法簡單、操作方便且價格便宜，但在電阻上將消耗大量的能量，效率低，經濟性差，同時由于轉子回路附加電阻的容量大，可調的級數有限，不能實現平滑調速。為了克服上述缺點，必須尋求一種效率較高、性能較好的繞線轉子異步電動機轉差功率同饋型調速方法，串級調速系統(tǒng)就是一個很好的解決方案。串級調速是通過繞線式異步電動機的轉子回路引入附加電勢而產生的。它屬于變轉差率來實現串級調速的。與轉子串電阻的方式不同，串級調速可以將異步電動機的功率加以應用（回饋電網或是轉化為機械能送回到電動機軸上），因此效率高。它能實現無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調速系統(tǒng)，技術難度小，性能比較完

5、善，因而獲得了廣泛的應用。1.2系統(tǒng)靜態(tài)及動態(tài)要求若采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉矩）受到限制的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，只靠轉速

6、負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統(tǒng)表現為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。 1.3串級調速原理及基本類型假定異步電動機的外加電源電壓及負載轉矩都不變則電動機在調速前后轉子電流近似保持不變。若在轉子回路中引入一個頻率與轉子電勢相同，而相位相同或相反的附電勢則轉子電流為 式中： ：轉子

7、回路電阻； ：轉子旋轉時轉子繞組每相漏抗；：轉子開路相電勢 ；電動機在正常運行時，轉差率s很小，故。忽略有,上式中，為取決于電動機的一個常數，所以，改變附加電勢可以改變轉差率S，從而實現調速。設當= 0時電動機運行于額定轉速，即,由（式1-2）可見，當附加電動勢與轉子相電勢相位相反時（前取負號），改變的大小，可在額定轉速以下調速，這種調度方式稱為低同步串級調速，且附加電勢與轉子相電勢相位相同時（前取正號），改變的大小，可在額定轉速以上調速，這種調度方式稱為超同步串級調速（即s <0）。串級調速四種基本狀態(tài)方式下能量傳遞方式如圖1-1所示，圖中不計電動機內部各種損耗，即認定定子輸入功率P即

8、為轉子輸出功率。圖1-1 串級調速系統(tǒng)的基本狀態(tài)方式晶閘管低同步串級調速系統(tǒng)是在繞線轉子異步電動機轉子側用大功率的晶閘管或二極管，將轉子的轉差頻率交流電變?yōu)橹绷麟?，再用晶閘管逆變器將轉子電流返回電源以改變電機轉速的一種調速方式。電氣串級調速系統(tǒng)原理圖，見圖1-2圖1-2 電氣串級調速系統(tǒng)原理圖1.4電動機供電方案的確定變電壓調速是直流調速系統(tǒng)用的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。旋轉變流機組簡稱G-M系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。適用于調速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設備多、體積

9、大、費用高、效率低、維護不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調直流靜止可控整流器又稱V-M系電壓。通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實現平滑調速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調制交換器采用PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調制變換器產生可變的平均電壓。受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據本此設計的技術要求和特點選V-M系統(tǒng)。在V-M系統(tǒng)中，調節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓Ud。 由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電

10、路?？紤]使電路簡單、經濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈 動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、 體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。在一般情況下，晶閘管變流裝置所需的交流電供電壓與電網往往不一致。另外為了減小電網與晶閘管裝置的相互干擾，要求能夠隔離，所以通常要配用整流變壓器。為了抑制諧波干擾，一般采用接法的整流變壓器?？紤]到異步電動機輸出的

11、最大轉矩的降低，功率因數的降低和轉子損耗增大等因素，不論對于新設計的或是改造的都應對異步電動機的容量進行重新選擇的計算，串級調速異步電動機的容量計算如下：式中，串級調速系數，一般取1.2左右。對于在長期低速運行的串級調速系統(tǒng)，該取大一點；按照常規(guī)運算方式計算的電動機容量。從產品手冊中選擇的電動機容量本設計采用內反饋串級調速電機及其控制裝置技術手冊提供的有關數據設計而成。該電機定額為連續(xù)定額S1，基本防護等級為IP23，基本冷卻方法為ICO1，基本結構和安裝方式為IBM3?？刂齐姍C型號JRNT1512-4最高/最低轉速1480/690r/min額定功率48kW效率95%定子電壓/電流380V/8

12、5.9A功率因數0.87轉子電壓/電流340V/81A控制裝置型號JC4-800A/800V表1-1 繞線式異步電動機由于調速范圍小，且對動、靜態(tài)性能有一定性能要求，選用晶閘管串級調速雙閉環(huán)調速系統(tǒng)比較合適。整流器采用三相橋式全控整流電路。二、電動機容量校核2.1最大轉差率式中：電動機的同步轉速，近似等于電動機的額定轉速； ：串級調速系統(tǒng)的最低工作轉速；：調速范圍  D=42.2轉子整流器的最大輸出電壓型號KITKUTKUVKIVKILKLK 三相帶中線0.3670.670.5770.4721.3510.866三相橋0.3671.350.8150.8161.0520.5雙三相橋串聯(lián)0

13、.3672.70.8161.5781.0340.360.52雙三相橋并聯(lián)0.1841.350.4180.7891.0310.260.32表2-1 變流器主電量計算系數 1式中： ：轉子開路相電勢 ；  ：整流電壓計算系數，見表2-1；則  2.3最大直流整流電流式中： M ：電動機的電流過載倍數，近似等于轉矩過載倍數2； I2N ：轉子線電流額定值； KIV ：整流電壓計算系數，見表2-1； IdN：轉子整流器輸出直流電流額定值 ；IdN= I2N/ KIV； 1.1：考慮到轉子電流畸變等因素的影響而引如的系數；則 2.4最

14、大直流整流電阻2.5定子電阻定轉子繞組的變比=折算到轉子側的定子電阻=2.6電動機額定轉矩2.7折算到轉子側的漏抗三、整流二極管的選擇 3.1整流二極管電壓的選擇 設每個橋臂上串聯(lián)的整流二極管數目為N=3，則每個二極管的反向重復峰值為 式中： ： 電壓計算系數，見上表 2-1； ：轉子開路相電勢 ； ：均壓系數，一般取0.9。對于元件不要串聯(lián)時取1 ；由上式可見，整流二極管所承受的最高電壓與最低電壓與系統(tǒng)的調速范圍D有關，調速范圍越高，元件承受的電壓越高 。則： 3.2整流二極管電流的選擇 在大容量串級調速系統(tǒng)中,需要將幾個整流二極管并聯(lián)使用。設并聯(lián)支路數為Np = 3則每個整流二極管的電流計

15、算如下： 式中： K ：電流計算系數，見表2-1； I：轉子整流器最大直流整流電流； K ：均流系數。其值可取0.80.9，對于元件不并聯(lián)的情況下取1 ；四、逆變變壓器的參數計算 4.1概述對于不同的異步電動機轉子額定電壓和不同的調速范圍、要求有不同的逆變變壓器二次側電壓與其匹配；同時也希逐轉子電路與交流電網之間實行電隔離，因此一般串級調速系統(tǒng)中均需配置逆變變壓器。 4.2逆變壓器二次側參數的初步計算 逆變壓器二次側電壓根據最低轉速時轉子最大整流電壓與逆變器最大電壓相等的原則確定： 式中： U：逆變變壓器二次側線電壓 ； U：轉子整流器最大輸出直流電壓； K ：整流電壓計算系數，見表2-1；

16、：最小逆變角，一般取30°； 即， 逆變變壓器折算至直流側電抗，則，折算到直流側等效電阻平波電抗器直流電阻在串級調速狀態(tài)運行時的額定轉速當S=1時，電動機定子折算到直流側的等效電阻為1.73，故電動機額定轉矩考慮到換相重疊角的影響，并經線性化處理，上式中為則轉矩降低系數為串級調速狀態(tài)運行時最高轉速的確定直流回路總等效電阻為式中，電動機折算到直流側的等效電阻，可按功率相等的原則進行折算，即得 最大電流時的電動勢系數為：最大轉速：則 轉速降低系數電動機校驗或即，所選電動機符合要求。所以，時，換相重疊角為系統(tǒng)工作在第一工作區(qū)。4.3逆變變壓器計算逆變變壓器二次側線電壓又因為 逆變變壓器計算

17、容量為逆變變壓器一次側電流因此修正為 符合前面所取的值五、硅整流元件及晶閘管的選擇5.1參數計算式中 （三相橋式電路、電感性負載）取 因為 取 選擇硅整流元件ZP150-12六只，晶閘管KP150-12六只。5.2調速系統(tǒng)的保護晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。5.2.1過電壓保護不能從根本上消除過電壓的根源，只能設法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內，這是過電壓保護的基思想。抑制過電壓的方法不外乎三種：用非先行元件限制過電壓 的幅度；用電阻消耗產

18、生過電壓的能量；用儲能元件吸收產生過電壓的能量。實用中常視需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時用兩種不同保 護方法。以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。1、交流側過電壓保護本設計采用阻容保護  即在變壓器二次側并聯(lián)電阻R和電容C進行保護。如圖5-1所示：圖5-1 阻容保護電路圖變壓器接法單相三相、二次聯(lián)結三相二次聯(lián)結阻容裝置接法與變壓器二次側并聯(lián)Y聯(lián)結D聯(lián)結Y聯(lián)結D聯(lián)結電容1/3C3CC電阻3R1/3RR表5-1 變壓器連接及阻容選擇對于三相電路，和的值可按表5-1換算。本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=1.9299KVA，

19、          U2=120V                                        

20、60;         變壓器勵磁電流百分數Iem取值：當 S=110KVA時，對應的Iem=41，所以Iem取3。C 6IemS/U22= ×6×3×34×103/1202=14.17µF選取20µF的鋁電解電容器。變壓器短路電壓比選?。?#160; S=110KVA，I=15，所以I取3。 2.3 U22/S =2.3×1202/1.9299×103 =9.37即，選取電阻為ZB1-10的電阻。2、直流側過電壓保護直流側保

21、護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護,如圖(3-2)所示。U1MA=（1.8-2.2）UDC=(1.8-2.2) ×230=414-460V選MY31-440/5型壓敏電阻。允許偏差+10（484V）。晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護查表5-2；晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052圖5-2  壓敏電阻保護的接法抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶

22、閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 的1.11.15倍得 C=0.1µF，R=100。選R為0.2µF的CZJD-2型金屬化紙介質電容器。PR=fCUm2×10-6=50×0.2×10-6×( ×120)2×10-6=0.45×10-6W即，選R為20普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。3、器件兩端的過電壓保護快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。1） 交流側快速熔斷器的選擇 I2=5.37A

23、選取RLS-10快速熔斷器，熔體額定電流6A。2）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇 I=I2=5.37A，IT= 3.11A選取RLS-10快速熔斷器，熔體額定電流4A。3）電壓和電流上升率的限制電壓上升率 ：正相電壓上升率 較大時，會使晶閘管誤導通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應有一定的限制。造成電壓上升率 過大的原因一般有兩點：由電網侵入的過電壓；由于晶閘管換相時相當于線電壓短路，換相結束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過大。限制過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使 降低。電流上升率 ：導通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損

24、壞。因此對晶閘管的電流上升率 必須有所限制。產生過大的原因，一般有：晶閘管導通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側保護電容充電；直流側負載突然短路等等。限制 ，除在阻容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制相同的措施，即在每個橋臂上串聯(lián)一個電感。限制 和 的電感，可采用空心電抗器，要求L（2030）H；也可采用鐵心電抗器，L值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導線繞上一定圈數，或在導線上套上一個或幾個磁環(huán)來代替橋臂電抗器。所以，為了防止每個橋臂上串聯(lián)一個30H的電感。六、平波電抗器電感量的計算6.1轉子直流回路平波電抗器的作用一，使串級挑速在

25、最小工作電流下仍能維持電流的連續(xù)；二，減小電流脈動，把直流回路中的脈動分量在電動機轉子中造成的附加損耗控制在允許的范圍內。6.2電感的計算一、電動機等效電感二、逆變變壓器等效電感三、按電流連續(xù)要求的電感量式中 ， （三相橋式全控電路）即， 四、按限制電流脈動要求的電感量式中， 最低次諧波電壓幅值；逆變變壓器二次側相電壓有效值；最低次諧波頻率，對于三相橋式電路；電流脈動系數，要求=0.05；（三相橋式全控電路）；則，選取平波電抗器，當I=106.7A時電感量為8mH，I=5.35A時電感量不小于20mH 6.3啟動方式的確定用串級調速裝置啟動時，啟動電流由于，則需要在轉子回路中串聯(lián)頻敏變阻器啟動

26、，待S=0.79，即n=315r/min時串級調速裝置再投入運行。七、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數計算7.1雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數計算（1）取速度給定電壓 速度反饋系數（2）取電流給定電壓 電流反饋系數 （3）取電流調節(jié)器輸出電壓最大值；晶閘管電壓放大倍數（4）晶閘管逆變器的滯后時間常數低速時靜差率要求的速度降由于采用了抑止零點漂移的PI調節(jié)器，故穩(wěn)態(tài)時的速度降必須滿足：則因為， 取 若取 電流環(huán) 故 靜差率 7.2雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)參數計算由前述分析可知，與均為轉差率S的函數，故電流環(huán)為非定常系統(tǒng)，但當時的與值可按定常系統(tǒng)設計，保證系統(tǒng)具有良好的性能。電流環(huán)參數計算由公式知，將代入可以推得由于要求電流環(huán)超

27、調量小，故電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設計。取 則令 故， 速度環(huán)參數計算由于系統(tǒng)要求抗擾性能及跟隨性能好，轉速環(huán)按典型型系統(tǒng)設計，且取h=5。取 轉速環(huán)截止頻率又因為滿足及的條件，故電流環(huán)可等效為慣性環(huán)節(jié)。則 若按 兩種計算結果基本一致，取。統(tǒng)飛輪矩按電動飛輪矩的1.5倍考慮，即GD2=1.5×0.1=0.15N·m八、系統(tǒng)總體結構設計8.1供電系統(tǒng)的設計結構三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負載時的情況，對于帶反電動勢阻感負載的情況，只需在阻感負載的基礎上掌握其特點，即可把握其工作情況。 當60o時，Ud波形連續(xù)

28、，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓Ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流Id波形不同，電阻負載時 Id 波形與 Ud 的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖6和圖7分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載=0o和=30o的波形。  圖6中除給出Ud波形和Id波形外，還給出了晶閘管VT1電流 IVT1 的波形，可與圖2帶電阻負載時的情況進行比較。由波形圖可見，在