異步電機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第一章 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)1.1 主電路方案的確定全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計(jì)要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，選擇轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)轉(zhuǎn)差功率消耗較大，從而限制了調(diào)速范圍。如果要設(shè)法回收轉(zhuǎn)差功率，就需要在異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制，此時(shí)可以采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。但在電阻上將消耗大量的能量，效率低，經(jīng)濟(jì)性差，同時(shí)由于轉(zhuǎn)子回路附加電阻的容量大，可調(diào)的級(jí)數(shù)有限，不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。為了克服上述缺點(diǎn)，必須尋求一種效率較高、性能較好的繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率同饋型調(diào)速方法，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)就是一個(gè)很好的解決方

2、案。串級(jí)調(diào)速是通過(guò)繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢(shì)而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來(lái)實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速的。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級(jí)調(diào)速可以將異步電動(dòng)機(jī)的功率加以應(yīng)用，因此效率高。1.2 系統(tǒng)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)要求采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，

3、系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。 1.3 串級(jí)調(diào)速基本思路 在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)可變頻、變幅的電壓。 對(duì)于次同步電動(dòng)狀態(tài)的情況，將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，再引入一個(gè)附加的直流電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，就可調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。把交流變壓變頻問(wèn)題轉(zhuǎn)化為直流變壓?jiǎn)栴}，分析與實(shí)現(xiàn)都比較方便。 電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖：圖1-1電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖第二章 主電路設(shè)備和元件的計(jì)算與選擇

4、2.1電動(dòng)機(jī)的選擇及方案2.1.1 供電方案的選擇變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選V-M系統(tǒng)。在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)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(shí)電壓Ud。 由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可

5、控整流裝置無(wú)噪聲、無(wú)磨損、響應(yīng)快、 體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)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(wǎng)往往不一致。另外為了減小電網(wǎng)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。2.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)采用內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速，電機(jī)型號(hào)等已在給定指標(biāo)中說(shuō)明控制電機(jī)型號(hào)YR250M2-4額定轉(zhuǎn)速1480r/min額定功率40kW效率91.5%調(diào)速范圍D=3靜差率S0.01定子電壓/電流380V/85A功率因數(shù)0.

6、87轉(zhuǎn)子電壓/電流340V/81A頻率50HZ表2-1 繞線式異步電動(dòng)機(jī)1）電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算額定轉(zhuǎn)差率 SN =（1500-1480）/1500=0.01333臨界轉(zhuǎn)差率 Sm= Sn2/1-2SN(-1)-1/2=0.082定子電阻r1=0.95U1NS/I1n=0.95*380*0.013/*85=0.032轉(zhuǎn)子電阻：定轉(zhuǎn)子繞組的變比K：折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的定子電阻=r1n/2=0.032/1.062=0.028電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩MN=9550PN/nN=9550*40/1480=258N.M折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗2）逆變壓器參數(shù)初步計(jì)算變壓器二次額定電壓U2 U2=(1-1/D)E2N/COSmin=(

7、1-1/3)340/cos300=261V折算至直流側(cè)的變壓器等效電阻rdrd=0.01U2/I2N=0.01*261/81=0.0186折算至二次側(cè)的變壓器漏抗Xs Xs =0.05 U2/I2N=0.05*261/81=0.093平波電抗器直流電阻RL RL=0.01E2N/I2N=0.01*340/81=0.0242 3）在串級(jí)調(diào)速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩MCN串級(jí)調(diào)速運(yùn)行時(shí)直流回路額定電流: 串級(jí)調(diào)速運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩降低系數(shù)：4）串級(jí)調(diào)速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)最高轉(zhuǎn)速的確定直流回路總等效電阻為1.73(0.028+0.032)+0.0186+0.0242+3/*0.28+3/*0.093=0.5

8、03取系統(tǒng)過(guò)載系數(shù)為=2，則有直流回路最大電流Idm為Idm=IdN=2*106.7=213.4A最大電流時(shí)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce/IdmCe/Idm=Ed0-(1.73r1+3/X) Idm/n0=1.35*340-(1.73*0.028+3/*0.28)*213.4/1500=0.261V.min/r所以最大電流時(shí)對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速為：nmax= Ed0-R Idm/ Ce/Idm=459-0.503*213.4/0.261=1348r/min則nmin=1/3*1348=449 r/min轉(zhuǎn)速降低系數(shù)kn=nmax/nn=1348/1480=0.91功率降低系數(shù)Kp=kn/km=0.91*1.08

9、=0.985）電動(dòng)機(jī)校驗(yàn)kpPN=0.86*40=34.4PL 所以，所選電機(jī)容量合適6）換向重疊角的校驗(yàn) 所以，系統(tǒng)工作在第一工作區(qū)2.2逆變變壓器的參數(shù)計(jì)算 1、 逆變壓器二次側(cè)電壓Smax=n0-nmin/n0=(1500-449)/1500=0.70U2=SmaxE2N/COSmin=0.70*340/cos300=274.8V,取275V2、逆變壓器二次側(cè)電流 81A3、逆變變壓器容量計(jì)算 取39KVA4、逆變變壓器一次側(cè)電流5、逆變變壓器參數(shù)計(jì)算R=1.73(r1+r2)+rd+RL+3/X+3/Xs=1.73*(0.028+0.032)+0.0196+0.0242+3/*0.28

10、+3/*0.098=0.5092.3 整流元器件的計(jì)算與選擇1、轉(zhuǎn)子整流器的額定電壓UTN=(23)U2=(23)275=(7781167)V 取1200V2、額定電流 ITN=（1.52）Ktb Idm=(1.52)0.368*213.4=(118157)A 取200A選取晶閘管KP200-12、硅整流器件ZP200-12各6只2.4平波電抗器電感量的計(jì)算1、電動(dòng)機(jī)等效電感2、逆變變壓器的漏感3 、按電流連續(xù)要求的電感量 即 Lcrl=0.693*(275/)/0.05*106.7-2(0.89+0.312)=18.2mH4 、按限制電流脈動(dòng)要求的電感量2.5調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)2.5.1過(guò)電壓保

11、護(hù)1）過(guò)電壓保護(hù)阻容保護(hù)交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施如圖所示：阻容保護(hù)參數(shù)計(jì)算：由于逆變變壓器容量40kVA5kVA，故變壓器一次側(cè)、二次側(cè)均設(shè)置阻容保護(hù)環(huán)節(jié)。變壓器一次側(cè)阻容吸收裝置參數(shù)計(jì)算：變壓器每相伏安數(shù)為13.3kVA，阻容保護(hù)采用接法，則電容值為實(shí)取=4.7。電容的耐壓值電阻按下式計(jì)算：，取=20。阻容電流：電阻功率：根據(jù)上述計(jì)算，實(shí)選阻容裝置為：油浸電容4.7，630V，3支；繞線電阻20，100W，3支。變壓器二次阻容吸收裝置參數(shù)計(jì)算如下：阻容裝置采用接法，則實(shí)取=5.6。的耐壓值，電阻按下式計(jì)算：取=13。阻容電流：電阻功率：根據(jù)上述計(jì)算，實(shí)選阻容裝置為：油浸電容5.6，630V，3支

12、；繞線電阻13，100W，3支。2）直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)直流側(cè)與交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)方法相同。保護(hù)線路如右圖所示。容阻保護(hù)參數(shù)計(jì)算：電容量計(jì)算如下。（式中：，計(jì)算系數(shù)值。對(duì)于三相橋式電路=70000；，折算至變壓器二次側(cè)的空載電流（A）= 取。電容器耐壓值電阻值,取10。的額定功率（W）：實(shí)選油浸電容47，耐壓630V，1支；繞線電阻10，100W，1支。式中：的額定功率（W）：，諧波電壓（V），對(duì)于三相橋式電路8.89V；，諧波頻率（Hz），對(duì)于三相橋式電路=300Hz。2.5.2 過(guò)電流保護(hù)1）直流快速自動(dòng)開關(guān)保護(hù)。為了防止變流裝置逆變失敗及直流側(cè)短路，實(shí)行過(guò)載保護(hù)，本系統(tǒng)采用采用了DS-6/8快

13、速自動(dòng)開關(guān)接在被保護(hù)的直流電路內(nèi)。2）交流側(cè)保護(hù)。為了使系統(tǒng)的保護(hù)特性協(xié)調(diào)，滿足串級(jí)調(diào)速運(yùn)行的起動(dòng)操作順序和停車操作順序，在逆變變壓器及電動(dòng)機(jī)電源側(cè)和變壓器二次側(cè)均采用DW型自動(dòng)空氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)。3）快速熔斷器保護(hù)?？焖偃蹟嗥髯鬟^(guò)流保護(hù)是半導(dǎo)體變流裝置中應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。本系統(tǒng)采用與晶閘管和硅整流元件串聯(lián)快熔，以及在逆變變壓器二次側(cè)串接快熔的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件和系統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)。右圖是快熔與晶閘管器件串聯(lián)的保護(hù)線路。當(dāng)線路一旦出現(xiàn)短路故障，能保證在裝置損壞之前，快速切斷短路電流。與元器件串聯(lián)快熔FU1的計(jì)算： 實(shí)選RS3-750V-300A,12只。逆變變壓器二次側(cè)快熔的計(jì)算： 實(shí)選R

14、S3-750V-200A，3只。2.6系統(tǒng)功率因素的改善補(bǔ)償電容器 補(bǔ)償電容器接入系統(tǒng)的示意圖如下： 改善串級(jí)調(diào)速裝置功率因素的方法有兩類，一類是改變串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，即利用改進(jìn)的串級(jí)調(diào)速裝置；另一類是利用電力電容器來(lái)改善功率因素。利用電容器改善功率因素方便易行，故應(yīng)用較廣。第三章 控制回路單元電路的選擇3.1電流環(huán)元件的選擇1、電流檢測(cè)裝置三相橋式有源逆變器中，交流測(cè)有效電流I2與直流側(cè)電流Id間有著近似的比列關(guān)系，即I2=0.816Id,因此，利用交流電流互感器檢測(cè)電流，即可以反映直流電流，又能把控制回路與主回路隔離。結(jié)構(gòu)上，交流電流互感器簡(jiǎn)單。因此，本設(shè)計(jì)采用交流電流互感器做為電流

15、檢測(cè)裝置。2、電流調(diào)節(jié)器ASR的機(jī)構(gòu)：為了滿足工藝要求，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，電流調(diào)節(jié)器采用近似的PI調(diào)節(jié)器，由高增益線性組件BG305構(gòu)成，電流調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號(hào)和功率放大后做為觸發(fā)裝置GT的移相信號(hào)Uct。3、觸發(fā)裝置的選擇觸發(fā)器是晶閘管交流裝置的一個(gè)極其重要組成部分。進(jìn)年來(lái)，觸發(fā)電路迅速向集成化發(fā)展。集成電路觸發(fā)器具有性能可靠、線性度好、功耗低、體積小、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。故本設(shè)計(jì)采用KCZ6集成六脈沖觸發(fā)組件。該組件采用三塊KC04移相觸發(fā)器、一塊KC41六路雙脈沖形成器、一塊KC42脈沖列調(diào)制形成器組成。它將控制電壓Uct的幅度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)控制角的觸發(fā)脈沖，通過(guò)脈沖變壓器使主電路可靠地工

16、作?？刂芀C41端子7的邏輯電平，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的封鎖與開放。當(dāng)控制端子7接邏輯電平時(shí)，無(wú)輸出脈沖。3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)的選擇1、轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電壓隔離器轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置的質(zhì)量和安裝精度直接影響著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。本系統(tǒng)采用永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)。選用ZYS231/110型。為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)與控制回路隔離，本系統(tǒng)設(shè)置了直流電壓隔離器。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用與ASR相同的結(jié)構(gòu)，由線路組件BG305構(gòu)成近似的PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的設(shè)置，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定值Un*變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗干擾作用；其輸出限幅值決定最大電流。第四章 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)4.1雙

17、閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計(jì)算1、取速度給定電壓 速度反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋回路比較電壓ucom=anmin=0.01112*449=5V實(shí)選：穩(wěn)定電壓為5V的硅穩(wěn)壓管2、取電流給定電壓 Uim*=7.5電流反饋系數(shù) = Uim* /Idm=7.5/213.4=0.035V/A轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓放大系數(shù)Kn Kn=Idn/(snnin)=0.035*106.7/(0.01112*0.01*449)=74.8 取Kn=80Rn=KnR0=80*20K=1.6M系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降 =Idn/ Kn=0.035*106.7/（80*0.01112）=4.2r/min低速時(shí)靜差率S S=/nmin=4.2/449=0.00

18、931%滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能要求。3、雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖4-1雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算圖4-2雙閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1、電流環(huán)參數(shù)計(jì)算圖4-3電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖取平均失控時(shí)間Ts=1.7ms, Toi=2ms, =4.3%, =0.707所以電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為=Ti=0.0243sKi=0.5*=1.14，Lm=0.89+0.312=1.2mH, 取R0=20k, 則Ri=0.5Ki R0=0.5*1.14*20=11.4KCi=i/R =2.1Coi=4*0.002/=0.4選R=470, RP1=4700,R1=12000,C1=2.2 圖4-4ACR調(diào)節(jié)器2、轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計(jì)算圖4-5轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于系統(tǒng)要求抗擾性能及跟隨性能好，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取 h=5, Ton=10ms, R0=20， =3.7ms= Ton+=0.0174s本系統(tǒng)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=2.367，即GD2=4*9.81J=4*9.81*2.49*=97.87按主傳動(dòng)系統(tǒng)GD2為電動(dòng)機(jī)GD2的1.5倍考慮，則拖動(dòng)系統(tǒng)飛輪慣量GD2 GD2=1.5 GD2=147 N