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)速是通過繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實(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 I dm 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)

3、反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動(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)勢調(diào)速的關(guān)鍵是在轉(zhuǎn)子側(cè)用入一個(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，控制此直流附加電動(dòng)勢的幅值，就可調(diào)節(jié) 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。把交流變壓變頻問題轉(zhuǎn)化為直流變壓問題， 分析與實(shí)現(xiàn)都比 較方便。電氣用級(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

4、件的計(jì)算與選擇2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇及方案1.1 .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

5、路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、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，品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。1.2 .2電動(dòng)機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)采用反饋審級(jí)調(diào)速，電機(jī)型號(hào)等已在給定指標(biāo)中說明控制電機(jī)型號(hào)YR250M2-4額定轉(zhuǎn)速1480r/min額定功率40kW效率91.5%調(diào)速圍D=3靜差率S< 0.01定子

6、電壓/電流380V/85A功率因數(shù)0.87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“0.95U1nS/，3 I1n=0.95*380*0.013/ 、3 *85=0.032轉(zhuǎn)子電阻b : r20.032SNE2N0.0133 340V3I2N 、3 81定轉(zhuǎn)子繞組的變比K:K 0.95Uin / E2N0.95 380V / 340V 1.06折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的定子電阻 ' r 1 =r1n/ kM

7、2=0.032/1.062=0.電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 M n=9550P N/n n =9550*40/1480=258N.M折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗Uin 晨32np210 Mn210 3 2580.0322- 20.032/1.060.282）逆變壓器參數(shù)初步計(jì)算變壓器二次額定電壓U2U2=(1-1/D)E 2N/COSmin=(1-1/3)340/cos30 0=261V折算至直流側(cè)的變壓器等效電阻rdrd=0.01U2/、. 3 I2n=0.01*261/ 2 81=0.0186折算至二次側(cè)的變壓器漏抗XsXs =0.05 U2/ .3 I2n=0.05*261/ 3 81=0.平波電抗器直流電阻

8、RlRl=0.01E2n/ . 3 I2n=0.01*340/ . 3 81=0.02423）在審級(jí)調(diào)速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩Mcn審級(jí)調(diào)速運(yùn)行時(shí)直流回路額定電流IdN: IdN J3/1.73 81A 106.7A審級(jí)調(diào)速運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩Mcn :1'3Mcn Ed01.73r1 -X 加 IdN195653-1.35 340 1.73 0.028 0.28 106.7 106.7 289.5N.m1500轉(zhuǎn)矩降低系數(shù) km： kmM CN / M N 289.5/258 1.124）審級(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R 1.73(12)rd RL mx mx sR1

9、.73(0.+0.032)+0.0186+0.0242+3/*0.28+3/ *0.=0.503取系統(tǒng)過載系數(shù)為二2 ,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)勢系數(shù) Ce/IdmCe/Idm=Edo-(1.731+3/X)Idm/no=1.35*340-(1.73*0.+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/I dm=4590.503*213.4/0.261=1348如所則 nmin=1/3*1348=449 r/min轉(zhuǎn)速降低系數(shù) kn =nm

10、ax/nn=1348/1480=0.91功率降低系數(shù) Kp=kn/km=0.91*1.08=0.98 5）電動(dòng)機(jī)校驗(yàn)kpPN=0.86*40=34.4>P l所以，所選電機(jī)容量合適6）換向重疊角的校驗(yàn)arccos 12IdmX2E2narccos 12 213.4A 0.28、 2 340V所以，系統(tǒng)工作在第一工作區(qū)41.3o 60o1.3 逆變變壓器的參數(shù)計(jì)算 1、逆變壓器二次側(cè)電壓Smax=n 0-n min/n 0=(1500449)/1500=0.70U2二SmaxE2N/COS min=0.70*340/cos30 °=274.8V,取 275V 2、逆變壓器二次側(cè)電

11、流12T 12n 81ASt 3U 2Tn I 2T ,3 2788138.58KVA 取 39KVA4、逆變變壓器一次側(cè)電流I 1T39000 A、338059 A5、l=LUU 20.01 3 12nc i 2750.01 .3 810.0196XtUk%U2_3I 2n0.05_275_、3 810.098R=1.73(r1+r2)+rd+RL+3/X+3/ Xs=1.73*(0.+0.032)+0.0196+0.0242+3/*0.28+3/ *0.098=0.509nmaxEd0RIdmCe/Idm1343r / min1.35 345V 0.509213.4A0.261V min/

12、r1.4 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) 72 U2=(23) V2 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1.5 平波電抗器電感量的計(jì)算 1、電動(dòng)機(jī)等效電感10 3X_LM 2 f0.2810 3 一mH500.89 mH2、逆變變壓器的漏感, Xt 103Lt0.0982FlmH 500.312 mH3、按電流連續(xù)要求的電感量L d1 K i 3 id m in2(LL T)即L

13、crl=0.693*(275/、3 )/0.05*106.7-2(0.89+0.312)=18.2mH 4、按限制電流脈動(dòng)要求的電感量32Lml Li0.89 0.312 mH10 Udm/U2 U2m1_2 fd 0.05Id103 8275 / .322300 0.05 106.710.2mH2.5調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)2.5.1 過電壓保護(hù)1）過電壓保護(hù)一阻容保護(hù)交流側(cè)過電壓保護(hù)措施如圖所示：Yd11次側(cè)、阻容保護(hù)參數(shù)計(jì)算：由于逆變變壓器容量 40kVA 5kVA,故變壓器二次側(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C

14、i為1C163it%S（Ui/3）2一一 一 313.3 10322022.75 F實(shí)取 Ci=4.7 F電容的耐壓值 Uc1 1.5Uc 1.5 380V 570V電阻Ri按下式計(jì)算:3 2.3U/S2 Uk%S it %3 2.32220213.3 103,取 R=2025阻容電流Ic :Ic 2 fCUC 10CC12 3.14 50S 10.56A4.7 F 380V 106V電阻功率Pri ：Pr1(34)%很4 0.562A2 2025.1W根據(jù)上述計(jì)算,實(shí)選阻容裝置為:油浸電容4.7 F630V,3支；繞線電阻20100W, 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

15、采用接法，則C265.28it%淄13.3 1032752FC2的耐壓值Uc21.5Uc 1.5 275V 412.5V ,電阻R2按下式計(jì)算：實(shí)取 C2=5.6 Fc U22Uk%R,2.3- kS 'it%27522.3 313.3 10313.08取 R2=13阻容電流Ic :Ic 2 fCUc 10 15.6 F 275V106V2 3.14 50S1 0.48A2電阻功率 %: Pr1(34)IcR2一22-4 0.48 A 1312W根據(jù)上述計(jì)算，實(shí)選阻容裝置為:油浸電容5.6 F ,630V, 3支；繞線電阻13 100W, 3 支。2）直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)與交流側(cè)過電

16、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 Cd計(jì) 算如下。（式中：Kcd ,計(jì)算系數(shù) 值。對(duì)于三相橋式電路T-RdCd :0L圖2-3直流側(cè)過電壓保護(hù)0Kcd =70000 33 ; I02,折算至變壓器二次側(cè)的空載電流（A）6.5KcdI o2fU270000 3 10050S 181A275V46.4 FM Cd 47 F o電容器耐壓值1.5Uc 1.52 275V 583V電阻值PRdkRdU2I o2* 275V 9.05，取 106.5/10081ARd的額定功率PRd （W）:PRd(2 3)U Rd(23)28.89102 3.14 300 47 10 6W

17、1027 10W實(shí)選油浸電容47 F ,耐壓630V, 1支；繞線電阻10 , 100W, 1支。式中：Rd的額定功率PRd（W）：U，諧波電壓（V）,對(duì)于三相橋式電路U 8.89V;fn,諧波頻率（Hz）,對(duì)于三相橋式電路fn=300Hz。2.5.2過電流保護(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)行過載保護(hù)，本系統(tǒng)采用采用了 DS-6/8快速自動(dòng)開關(guān)接在被保護(hù)的直流電路。2)交流側(cè)保護(hù)。為了使系統(tǒng)的保護(hù)特性協(xié)調(diào)，滿足審級(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)。快速熔斷

18、器作過流保護(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)用接快熔的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件和系統(tǒng)的過電流保護(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：IN 1.57ITN 1.57 200A 314A實(shí)選 RS3-750V-300A,12 只。逆變變壓器二次側(cè)快熔的計(jì)算：IN (1.52.5)I2 (1.5 2.5) 80A 120 200A 實(shí)選 RS3-750V-200A , 3 只。2.6系統(tǒng)功率因素的改善一補(bǔ)償電容器補(bǔ)償電容器接入系統(tǒng)的示

19、意圖如下：補(bǔ)償電容器接入系統(tǒng)的示意圖改善審級(jí)調(diào)速裝置功率因素的方法有兩類，一類是改變審級(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，即利用改進(jìn)的審級(jí)調(diào)速裝置；另一類是利用電力電容器來改善功率因素 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、電流檢測裝置三相橋式有源逆變器中，交流測有效電流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，交流電流互感器簡單。因此，本設(shè) 計(jì)采用交流電流互感器做為電流檢測裝置。2、電流調(diào)節(jié)器ASR的機(jī)構(gòu)：為了滿足工藝要求，提

20、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，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， 通過脈沖變壓器使主電 路可靠地工作。控制KC41端子7的邏輯電平，可以很方便地

21、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)，無輸出脈沖。3.2 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)的選擇1、轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電壓隔離器轉(zhuǎn)速檢測裝置的質(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)采用永磁式直流測速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測。選用 ZYS231/110型。為了使測速發(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。轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電壓隔離器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雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)

22、計(jì)算1、取速度給定電壓U gn10 V速度反饋系數(shù)U gnn max n min1010.01112 (r / min)1348 449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)KnKn= Idn/( snnin)=0.*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 nNnN= Idn/ Kn =0.*106.7/ (80*0.01112) =4.2r/min低速時(shí)靜差率 S S= nN/nmin=4.2/449=0.0093<1%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4.2雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算1、電流環(huán)參數(shù)計(jì)算取平均失控時(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*-Lm=1.14, Lm=0.89+0.312=1.2mH,取 Ro=20k , WJ k T iRi=0.5Ki Ro=O.5*1.14*2O=11.4KCi=i/R =0.0243 C.3 =