次同步晶閘管串級調(diào)速畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 本課題的意義</p><p>　　近幾年來，迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件的更新?lián)Q代，交流調(diào)速技術(shù)獲得了飛速發(fā)展?，F(xiàn)代交流電動機的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電動機的性能一樣，而且成本和維護費用比直流電

2、動機系統(tǒng)更低，可靠性更高，交流調(diào)速系統(tǒng)已從直流調(diào)速的補充手段發(fā)展到與直流調(diào)速系統(tǒng)相競爭、相媲美、相抗衡，并逐漸取代的地位。</p><p>　　特別應(yīng)該指出的是，交流調(diào)速拖動系統(tǒng)在能源方面的作用。在世界能源緊張、能源費用高漲的今天，交流調(diào)速技術(shù)作為節(jié)約能源的一個重要手段，引起了人們的高度重視。究其原因：一方面，交流拖動負荷在各國的總用電量中都占有很大的比重(工業(yè)發(fā)達國家，大都占一半以上)，對這類負荷實現(xiàn)節(jié)能，可以

3、獲得十分可觀的節(jié)電效益：另一方面，交流拖動本身又存在著很大的可以挖掘的節(jié)電能力。因此，研究性能更優(yōu)越、節(jié)能效果更好的調(diào)速系統(tǒng)，有著重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　串級調(diào)速是異步電動機調(diào)速方法之一，它可以將異步電動機的功率回饋給電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機械能送回到電動機軸上加以利用，因此效率高。串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的，它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的，它能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機械

4、特性也比較硬。特別是晶閘管次同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　晶閘管串級調(diào)速技術(shù)除可用于新設(shè)備設(shè)計外，還可用于對舊設(shè)備進行技術(shù)改造，這樣不僅能改善調(diào)速性能，又可以節(jié)約能源。</p><p>　　總之，交流調(diào)速技術(shù)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，可帶來節(jié)約能源、減少維修費用、節(jié)省占地面積等優(yōu)點，尤其在大容量或工作于惡劣環(huán)境時更為直流電機拖動所不及。所

5、以．交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用有著廣闊的前景。本課題研究的是使用晶閘管實現(xiàn)節(jié)能調(diào)速的過程。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況</p><p>　　1.2.1 交、直流電機性能對比</p><p>　　交流電動機剛剛出現(xiàn)后，雖然結(jié)構(gòu)簡單、可靠、造價低廉，但調(diào)速性能(調(diào)速范</p><p>　　圍、穩(wěn)定性或靜差度、平滑性等)卻無法與直流調(diào)速系統(tǒng)

6、相媲美，所以在調(diào)速領(lǐng)域中，直流傳動一直占據(jù)著統(tǒng)治地位。但是，由于直流電動機存在著“換向”這一理論和技術(shù)方面的實際困難，使得直流電動機的最高電壓只能達到1000多伏，而交流電動機則很容易做成6kV、10kV或更高：另外直流電動機的制造和維護也比交流電動機復(fù)雜，特別是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，直流電動機的單機容量、電壓等級、轉(zhuǎn)速和體積往往不能滿足實際需要，而交流同步電動機和異步電動機的單機容量都可以遠遠高于直流電動機；在轉(zhuǎn)速方面直流電動機的最高轉(zhuǎn)

7、速只能達到3000轉(zhuǎn)／分左右，而交流電動機轉(zhuǎn)速則可高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)或更高，這些都是直流傳動的薄弱環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.2.2國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　為了克服上述缺點，很多國家一直在致力于發(fā)展交流傳動技木。起初，由于交流調(diào)速的發(fā)展受其物質(zhì)基礎(chǔ)——靜止式變流器件以及相應(yīng)的電子逆變技術(shù)的限制，交流調(diào)速裝置未能得到推廣應(yīng)用，有的甚至未能走出實驗室。本世紀六十年代以后，隨著電力電

8、子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速發(fā)展出現(xiàn)了一個飛躍；尤其是七十年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流調(diào)速的發(fā)展進一步創(chuàng)造了有利條件。諸如交流電動機的串級調(diào)速、各類型的變頻調(diào)速、無換向電動機調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能。原來的交直流拖動分工格局被逐漸打破，在各工業(yè)部門用可調(diào)速交流拖動取代直流拖動的形式己指

9、日可待。</p><p>　　目前，國外先進的工業(yè)國家生產(chǎn)直流傳動的裝置基本呈下降趨勢，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。</p><p>　　1.2.3國內(nèi)發(fā)展狀況</p><p>　　在我國諸多領(lǐng)域，風(fēng)機和泵類負載是應(yīng)用最廣泛、耗電量最大的一類生產(chǎn)機械，例如冶金、石化、電力、給排水、及礦山等國家重要支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)機和泵類負載的耗電量占到全國工業(yè)用電量的4

10、0％以上，而風(fēng)機、泵用電量的30一40％消耗在調(diào)節(jié)閥門及電網(wǎng)壓降上，缺點是運行效率低，這就造成了巨大的電能浪費，與經(jīng)濟運行標準還相距甚遠，所以這類負載的節(jié)能潛力很大。在能源曰趨緊張的今天，如果能夠?qū)︼L(fēng)機、泵類負載的節(jié)能技術(shù)改造有一個突破性的研究進展，則每年將形成相當可觀的經(jīng)濟效益。在風(fēng)機和泵類負載的節(jié)能措施中調(diào)速運行是最有效的。在高壓大容量系統(tǒng)中，變頻調(diào)速成本很高、體積大，存在諸多問題；在節(jié)電率相同的情況下，電動機的功率越大其節(jié)能效益也

11、就愈大。因此，高壓大功率電動機驅(qū)動的風(fēng)機、泵采用調(diào)速傳動，其節(jié)能效果將更加明顯，雖然大功率風(fēng)機泵類負載采用調(diào)速傳動可節(jié)約大量電能，平均30％左右。但由于國內(nèi)適合風(fēng)機、泵類負載的高壓變頻器還沒有成熟產(chǎn)品，國外高壓變頻器價格十分昂貴，推廣應(yīng)用受到很大限制。特別是大功率的負載，由于缺少簡單、可靠、經(jīng)濟的中壓電動機調(diào)速裝置，使得節(jié)能調(diào)速基本沒有推廣開來。因此，研究性能更優(yōu)越、節(jié)能效果更好</p><p>　　晶閘管次同步

12、串級調(diào)速具有以控制低電壓進而控制高壓電機，以控制小功率進而控制大功率電機且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)電率高的特點，對于大多數(shù)泵、風(fēng)機類需要次同步轉(zhuǎn)速調(diào)速(由額定轉(zhuǎn)速下調(diào))的應(yīng)用特別適合。特別對高壓大容量電機更有技術(shù)實現(xiàn)容易和經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。當然，原使用鼠籠電機的場合，在使用串級調(diào)速時需要更換為繞線式電機。繞線式電機有滑環(huán)、碳刷的維護工作，但相比變頻器的空調(diào)防塵及裝置等的維護量要小的多。如加上更換電機的費用，整個串級調(diào)速系統(tǒng)的費用還要低于變頻器本身

13、的價格(如也更換為變頻電機，則變頻系統(tǒng)價格更高)。一般在有一定調(diào)速深度的場合，投資回收期在l～2年。串級調(diào)速的維修費用比變頻調(diào)速也要低的多，維修容易。加之節(jié)電率比變頻高出2～5個百分點，串級調(diào)速綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，要比變頻有明顯的優(yōu)勢。</p><p>　　1.3 本文主要完成的工作</p><p>　　1.3.1設(shè)計要求：</p><p>　　根據(jù)給定參數(shù),設(shè)計一個

14、滿足下列技術(shù)要求的繞線式異步電動機的晶閘管串級調(diào)速裝置：</p><p>　　1）繞線式異步電動機，額定功率2.8KW， 定子額定電壓380V ，接法Y, 定子額定電流6.04A， 轉(zhuǎn)子額定電流19.5A， 電源三相， 定子頻率50Hz， 轉(zhuǎn)子開路電壓104V， 額定轉(zhuǎn)速1440r/min ，電動機定額連續(xù)，調(diào)速范圍 1:3；</p><p>　　2) 逆變變壓器的原邊電壓與電網(wǎng)電壓相同,

15、其容量與電動機容量相匹配；</p><p>　　3) 主電路中整流元件的選擇應(yīng)能保證起安全可靠地工作,電路和元件均應(yīng)設(shè)置較完善的保護電路或保護環(huán)節(jié)；</p><p>　　4) 觸發(fā)電路應(yīng)能夠保證有源逆變 器工作的正常進行,不應(yīng)在串級調(diào)速運行中發(fā)生逆變顛覆。</p><p>　　1.3.2畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的工作：</p><p>　　1）設(shè)計出2

16、.8KW繞線式異步電動機的晶閘管串級調(diào)速裝置的主電路原理圖,啟動方法設(shè)計；</p><p>　　2)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：</p><p>　　3）主電路整流元件參數(shù)的計算選擇；</p><p>　　4)進行主電路中有關(guān)保護電路和保護環(huán)節(jié)的設(shè)計,對保護元件進行參數(shù)的計算選擇；</p><p>　　5)完成逆變變壓器的設(shè)計計算；</p>

17、;<p>　　6)完成晶閘管的觸發(fā)電路的設(shè)計計算。</p><p>　　第2章 串級調(diào)速原理分析及啟動方法設(shè)計</p><p>　　2.1 串級調(diào)速原理</p><p>　　串級凋速是十分經(jīng)典的電機調(diào)速方法,它的根本點不是去控制電機的供電電源頻率和電壓，轉(zhuǎn)而控制轉(zhuǎn)子電流，從而改變電機的轉(zhuǎn)差率進行調(diào)速。串級調(diào)速具有以控制低電壓進而控制高壓電機，以控制小

18、功率進而控制大功率電機且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)電率高的特點，對于大多數(shù)泵、風(fēng)機類需要低同步轉(zhuǎn)速調(diào)速(由額定轉(zhuǎn)速下調(diào))的應(yīng)用特別適合。特別對高壓大容量電機更有技術(shù)實現(xiàn)容易和經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。</p><p>　　繞線式異步電動機的結(jié)構(gòu)特點是轉(zhuǎn)子的三相繞組通過滑環(huán)可以引出來。當外接不同的電阻時，電動機有不同的轉(zhuǎn)速，這就是繞線式異步電動機的串電阻調(diào)速。這種調(diào)速方法簡單、方便，但在電阻上消耗大量的能量，效率低、經(jīng)濟性差是這種調(diào)速

19、方法的主要缺點。如果在轉(zhuǎn)子的繞組回路串入附加電勢，當串入的附加電勢=0時，電動機工作在固有機械特性上，若這時拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，電動機在接近額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)子相電流 </p><p>　　式中 ——S=1時轉(zhuǎn)子開路相電動勢、轉(zhuǎn)子額定電壓；</p><p>　　——S=1時轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。</p><p>　　當轉(zhuǎn)子的相位與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的相位相反時，由于反相

20、的接入，立即引起轉(zhuǎn)子電流的減小，此時轉(zhuǎn)子相電流為：由于保證氣息磁通不變，則電動機的電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子電流而減小，使電動機電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，失去穩(wěn)定轉(zhuǎn)速條件，迫使電動機轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率上升，而轉(zhuǎn)子電流此時又回升，直到電動機轉(zhuǎn)速降低至某值，轉(zhuǎn)子電流又回升到使電動機轉(zhuǎn)矩回復(fù)與負載轉(zhuǎn)矩相等時減速過程結(jié)束。</p><p>　　當相位與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的相位相同時，情況正好相反。顯然改變附加電勢的大小，轉(zhuǎn)子電流會發(fā)生變化，

21、如果電動機帶恒轉(zhuǎn)據(jù)負載，則電動機的轉(zhuǎn)速也會變化，因而串附加電勢同樣能調(diào)速。如果在調(diào)速的同時，讓附加電勢裝置吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率并將其回饋電網(wǎng)，那么串附加電勢既能調(diào)速又能節(jié)能。這種調(diào)速方法稱為繞線式異步電動機的串級調(diào)速。</p><p>　　在繞線式感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子回路中串入一個與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢相位相反(或相同)的附加電勢，如圖2.1所示 </p><p>　　圖2.1串級調(diào)速原理圖</p

22、><p>　　當調(diào)節(jié)在電機轉(zhuǎn)子回路中引入可控的交流附加電動勢，雖然可改變電機的轉(zhuǎn)速，但由于電機的轉(zhuǎn)子電動勢的頻率是其轉(zhuǎn)速的函數(shù)，所以附加電動勢的頻率也必須能隨轉(zhuǎn)速而變化且在調(diào)速的動態(tài)過程中，也應(yīng)與電機轉(zhuǎn)子電動勢的頻率保持一致。由此可見，在轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動勢的調(diào)速方法，相當于在轉(zhuǎn)子側(cè)加入可變頻、可變幅值電壓的調(diào)速方法。在工程上實現(xiàn)這樣的可控電源是有相當難度的，人們常用一些間接的方法來完成。工程上最常用的一種方法是

23、，利用直流回路來處理[6]。串級調(diào)速就是基于這種思想,把轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓通過整流器變換為直流電壓,然后用一個直流的附加電勢與之作用,以調(diào)節(jié)感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速。這個附加電勢根據(jù)它的相位的不同，可能對電機的運行情況產(chǎn)生不同的影響。如果附加電勢的相位正好和電流的相位相反，它是吸收功率的，其作用和串電阻相似，增加這個電勢，可以使轉(zhuǎn)差功率增加電機轉(zhuǎn)速下降。如果電勢與轉(zhuǎn)子電流同相，則產(chǎn)生附加電勢的裝置將有功功率輸入電機的轉(zhuǎn)子回路，起到負電阻的作用，可使轉(zhuǎn)

24、子回路中轉(zhuǎn)差功率減少，甚至變?yōu)樨撝?，這時電機轉(zhuǎn)速升高，甚至超過同步轉(zhuǎn)速。所以習(xí)慣上把前面一種調(diào)速方法稱為次同步調(diào)速;而把后一種方法稱為超同步調(diào)速。</p><p>　　由于直流電量不存在頻率與相位的問題，直流電壓又容易獲得，所以可以將電機轉(zhuǎn)子電動勢先整流成直流電壓，然后引入一個直流附加電動勢，而控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速。這樣就把交流變壓變頻的問題，轉(zhuǎn)化為與頻率無關(guān)的直流變壓問題。經(jīng)常采

25、用的一種方案，就是用硅二極管整流橋把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率整流為直流功率輸出，然后把該直流功率輸送給由可控硅整流橋構(gòu)成的相控逆變器，由后者把直流功率又變成交流功率回饋給電網(wǎng)。</p><p>　　目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的串級調(diào)速系統(tǒng)是次同步串級調(diào)速系統(tǒng)[8]。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,目前晶閘管串級調(diào)速已經(jīng)成為主流.</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)串級調(diào)速主回路設(shè)計與分析</p>&

26、lt;p>　　由圖2.1可知，要調(diào)速，可改變Ef的大小和相位，且要求Ef的頻率必須與E2相同，但由于E2的頻率是隨著s的變化而變化的，因此要求Ef的頻率也應(yīng)隨s的變化而變化，在實際中很難做到，為此設(shè)計中采用整流加逆變的方法來解決這一問題。</p><p>　　下圖為串級調(diào)速主電路圖，圖中UR為不可控的整流器，UI可控的有源逆變器，T1為逆變變壓器，圖中逆變變壓器的作用之一是把可控整流裝置與交流電網(wǎng)隔離，以抑

27、制電網(wǎng)的浪涌對晶閘管的影響：作用之二能取得與被控異步電機工作相匹配的逆變電壓。L為平波電抗器。轉(zhuǎn)子相電動勢經(jīng)三相不可控整流裝置整流，輸出直流電壓U。工作在逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置除提供可調(diào)的直流電壓以作為調(diào)速所需的附加直流電動勢外，可將經(jīng)整流后輸出的異步電機轉(zhuǎn)差功率逆變成交流，并回饋到電網(wǎng)。</p><p>　　圖2.2 晶閘管串級調(diào)速主電路圖 </p><p>　　不考慮電機轉(zhuǎn)子

28、繞組與逆變變壓器漏抗影響，則可列寫出直流回路的電動勢平衡方程式</p><p><b>　　U=U+IR</b></p><p>　　KsE=KUcos+IR</p><p>　　式中、是UR和UI兩個整流裝置的電壓整流系數(shù)，當都采用三相橋式電路時，，</p><p>　　R——直流回路的電阻</p>&l

29、t;p>　　當逆變角β=90°時，逆變電壓=0，即附加電動勢為零，電機在接近于額定轉(zhuǎn)速的最高速運轉(zhuǎn)。當為最小逆變角時，逆變電壓最大，電機在最低速運轉(zhuǎn)。改變逆變器的逆變角，就可改變附加電動勢的大小，從而使電機轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。</p><p>　　當異步電動機的定子上加三相交流電后，轉(zhuǎn)子整流器便產(chǎn)生空載整流電勢，其值為2.34EM，方向為上正下負。逆變變壓器接入交流電源，由于三相全控橋式電路工作在逆變狀

30、態(tài)而產(chǎn)生空載逆變電勢，其值為2.34ET，方向也是上正下負，它與轉(zhuǎn)子空載整流電勢反接。如果2.34EM<2.34ET(是最小逆變角)，則Id=0，電動機不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，處于靜止狀態(tài)。當增大角，即減小逆變電壓，使2.34EM>2.34ET時主電路產(chǎn)生電流，電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)起來；此后隨轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)差率下降，轉(zhuǎn)子整流電勢降低，至轉(zhuǎn)子整流電壓與逆變電壓達到新的平衡時，電動機穩(wěn)定運行。電機的調(diào)速是根據(jù)調(diào)速要求來改變逆變角的大小。角的變

31、化，是通過改變加在觸發(fā)器上的控制電壓來實現(xiàn)的。而控制電壓是通過雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電流調(diào)節(jié)器的輸出來控制的。</p><p>　　電機定子供給轉(zhuǎn)子的功率(電磁功率)分為兩部分：大部分變成機械功率拖動泵里類與風(fēng)機負載，一小部分成為由于轉(zhuǎn)速差(比同步轉(zhuǎn)速低)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差電功率。通過在轉(zhuǎn)子回路串入串級調(diào)速裝置加入一個可調(diào)反電勢來控制轉(zhuǎn)子電流，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速(改變了機械功率輸出)，由于轉(zhuǎn)速差(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)

32、速的差)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)串級調(diào)速裝置反饋回電網(wǎng)或內(nèi)饋電機的定子反饋繞組而回收，從而達到調(diào)速和高效節(jié)能的目的。</p><p>　　傳統(tǒng)串級調(diào)速是將電機的轉(zhuǎn)子回路通過串級調(diào)速控制裝置及逆變變壓器與電網(wǎng)連接而產(chǎn)生等效反電勢。等效電勢大小的調(diào)節(jié)是通過調(diào)整逆變器的逆變角(移相觸發(fā))來實現(xiàn)，同時，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)逆變器和逆變變壓器由電網(wǎng)吸收。當使用逆變變壓器將轉(zhuǎn)差功率回饋并吸收至電網(wǎng)時，稱為外反饋式串級調(diào)速。如在電動機定

33、子繞組嵌槽中同槽嵌放一個反饋繞組，則定子鐵芯中的反饋繞組和定子繞組構(gòu)成并代率芋了逆變變壓器，將轉(zhuǎn)差功率通過反饋繞組及定子繞組回饋并吸收至電網(wǎng)，這稱為內(nèi)反饋式串級調(diào)速。</p><p>　　內(nèi)反饋串級調(diào)速電動機是近年來出現(xiàn)的一種新型的繞線電動機，內(nèi)反饋串級調(diào)速電機在其基礎(chǔ)電，機的定子中增設(shè)了一套繞組，用來接受從轉(zhuǎn)子反饋回來的能量，我們稱之為調(diào)節(jié)繞組，而將原來的定子繞組稱為主繞組。內(nèi)反饋電機是利用電機繞組多重化技術(shù)，

34、在異步電機的定子鐵芯上，增設(shè)了一套調(diào)節(jié)繞組，用以提供附加電源。</p><p>　　本文所給電機無調(diào)節(jié)繞組，故采用外反饋式串級調(diào)速。</p><p>　　根據(jù)生產(chǎn)工藝對靜、動態(tài)調(diào)速性能指標要求的不同，串級調(diào)速系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制。對于技術(shù)性能指標要求不高的生產(chǎn)機械設(shè)備，如只要求一定調(diào)速范圍，而無其他動、靜態(tài)指標要求的生產(chǎn)機械，為簡單、可靠地運行，通常選擇開環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)；對

35、于技術(shù)性能指標要求較高的生產(chǎn)機械設(shè)備，應(yīng)選擇閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)。采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)，雖然能加快調(diào)節(jié)，并最終消除靜態(tài)誤差，但由于此系統(tǒng)中只有速度負反饋，沒有電流負反饋，所以抗干擾能力較差。因此在電力拖動系統(tǒng)中用得較少，而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)可以克服上述缺點。雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)不僅具有較硬的機械特性，而且動態(tài)響應(yīng)速度快，抗擾動能力強，容易實現(xiàn)過流保護，故多采用雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。</p><p&

36、gt;　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是具有電流反饋內(nèi)環(huán)和速度反饋外環(huán)的串級調(diào)速系統(tǒng)，電流反饋內(nèi)環(huán)采用電流互感器和調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流反饋信號從電流互感器取出，送至調(diào)節(jié)器。速度反饋外環(huán)由測速機和調(diào)節(jié)器構(gòu)成，速度反饋信號取自測速發(fā)電機，送至速度調(diào)節(jié)器。經(jīng)比較放大后，信號送至晶閘管的觸發(fā)電路。為了防止逆變器逆變顛覆，當電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓為零時，整定觸發(fā)脈沖初始相位角，使。隨著電流調(diào)節(jié)器的輸出改變，角在300～900范圍內(nèi)變化。速度調(diào)節(jié)器用來控制電動機的轉(zhuǎn)速

37、，電流調(diào)節(jié)器是用來控制直流回路中的電流，由于它們只控制一個物理量，所以被控制的參數(shù)很容易調(diào)整。這兩個調(diào)節(jié)器相互聯(lián)系，相互制約，使得系統(tǒng)對于給定的電流、速度都是無靜差的。利用電流負反饋與速度調(diào)節(jié)器輸出限幅環(huán)節(jié)的作用，使系統(tǒng)在升速過程中能實現(xiàn)恒流升速，具有較好的加速性能。在電網(wǎng)電壓波動時，電流環(huán)能及時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，以保持所需要電磁轉(zhuǎn)矩。當負載變化時，速度環(huán)具有良好的抗干擾穩(wěn)速性能。電流環(huán)和速度環(huán)兩個調(diào)節(jié)器均采用比例積分調(diào)節(jié)器，均含給定濾波和

38、反饋濾波。</p><p>　　故本文次同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)。</p><p>　　典型的低同步串級雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2．3所示。它主要有繞線轉(zhuǎn)子異步電動機M、三相橋式二極管整流器UR、三相橋式晶閘管有源逆變器UI、逆變變壓器TI、觸發(fā)裝置、電流調(diào)節(jié)器ACR、速度調(diào)節(jié)器ASR和信號檢測等部分組成。圖中以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，電流調(diào)節(jié)器的輸出作為逆變

39、器的控制電壓，轉(zhuǎn)速反饋信號取自與異步電動機軸上連接的測速發(fā)電機TG，電流反饋信號通過交流互感器TA取自逆變器交流側(cè)。通過改變轉(zhuǎn)速給定信號的值可以實現(xiàn)調(diào)速。例如，當轉(zhuǎn)速給定信號逐漸增大時，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出電壓也逐漸增加，使逆變角逐漸增大，電動機轉(zhuǎn)速n也就隨之升高。為防止逆變器逆變顛覆，當電流調(diào)節(jié)器ACR輸出電壓為零時，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖使輸出相位角為最小值，通常限制為30。為了使系統(tǒng)既能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得快速的動態(tài)響應(yīng)

40、，兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　圖2.3典型的次同步串級雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖</p><p>　　速度給定信號與測速發(fā)電機反饋信號的比較結(jié)果作為速度調(diào)節(jié)器的輸入。速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，用交流互感器在交流側(cè)取電流反饋信號，兩者的比較作為電流調(diào)節(jié)器的輸入。電流調(diào)節(jié)器的輸出作為逆變器的控制電壓，控制脈沖觸發(fā)器。 </p>

41、<p>　　速度環(huán)的給定電壓與反饋電壓之差，表示給定速度與實際速度的偏差，該偏差速度給定信號與測速發(fā)電機反饋信號的比較結(jié)果作為速度調(diào)節(jié)器的輸入。速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，用交流互感器在交流側(cè)取電流反饋信號，兩者的比較作為電流調(diào)節(jié)器的輸入。電流調(diào)節(jié)器的輸出作為逆變器的控制電壓，控制脈沖觸發(fā)器。 </p><p>　　速度環(huán)的給定電壓與反饋電壓之差，表示給定速度與實際速度的偏差，該偏差電壓就是

42、速度調(diào)節(jié)器的輸入。電流調(diào)節(jié)器的給定電壓是速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓，比較電壓是由交流互感器取出的。跟速度偏差信號進行比較，比較的結(jié)果就是電流調(diào)節(jié)器的輸入。在電動機低速穩(wěn)定運行的狀態(tài)下增大,輸入速度調(diào)節(jié)器的偏差也增大，使得經(jīng)過比例積分后，速度調(diào)節(jié)器的輸出增大此時由交流互感器取出的并未改變，比較之后結(jié)果增大即電流調(diào)節(jié)器的輸入增大。因此在電流調(diào)節(jié)器將產(chǎn)生較大的輸出電壓，使得逆變角向增大的方向移動，逆變電勢降低，轉(zhuǎn)子電流增大，轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速上升。與此

43、同時，與電機同軸的測速發(fā)電機的輸出電壓也隨之增高，增大，當大小等于給定電壓時，系統(tǒng)進入新的平衡狀態(tài)。此時，異步電動機將以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。反之，如果減小給定電壓，異步電動機將以較低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。</p><p>　　由于電流環(huán)的時間常數(shù)非常小，所以它既可以根據(jù)速度偏差信號迅速產(chǎn)生相應(yīng)的電流去補償轉(zhuǎn)速的偏差，又可以抵消網(wǎng)壓波動、參數(shù)變化等因素對系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。</p>&

44、lt;p>　　雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)分別對和n 進行的獨立控制，同時其中兩個閉環(huán)又相互配合，這就使得其性能比其他控制性能好的多。下面定性的說明在突加給定時系統(tǒng)的工作過程：</p><p>　　1）雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定時的動態(tài)過程</p><p>　　由于速度調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定，所以速度調(diào)節(jié)器的限幅值就決定了電流的最大值。根據(jù)電動機允許電流確定速度調(diào)節(jié)器的限幅值，則在突加給定電壓

45、時，將因為電動機的慣性較大，轉(zhuǎn)速來不及上升，使速度反饋很弱，從而導(dǎo)致速度調(diào)節(jié)器很快達到限幅值，也使電流調(diào)節(jié)器的給定很大，使它的輸出電壓和電流也都很迅速上升，在此階段的某一時刻出現(xiàn)，此時出現(xiàn)一個小的峰值，當小于等于起動電流時電動機靜止不動；當大于等于起動電流時電動機開始起動，直到電流達到最大電流以前，電動機的轉(zhuǎn)速并不是直線上升的，在此階段有：</p><p><b>　　=</b></p

46、><p>　　—— 電流反饋系數(shù)</p><p>　　當電流達到其最大值時，電動機的轉(zhuǎn)速將在恒轉(zhuǎn)矩下以較高的加速直線上升，速度調(diào)節(jié)器一直處在飽和的限幅狀態(tài)，速度反饋不起作用，相當于速度環(huán)開路，系統(tǒng)是一個恒調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但是由于轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)子整流電勢直線下降，將使電流有減小的趨勢，這就相當于在系統(tǒng)中加入了一個電勢干擾。電流最大值不變，電流調(diào)節(jié)器起調(diào)節(jié)作用，其輸出電壓也相應(yīng)地直線上升，逆變器電勢也直

47、線下降，電流趨向恒流。</p><p>　　當轉(zhuǎn)速達到給定值時，速度調(diào)節(jié)器的給定電壓與反饋電壓相平衡，輸入為零。由于速度調(diào)節(jié)器的積分作用，使輸出仍很大，電動機仍繼續(xù)在加速。而電流調(diào)節(jié)器輸出已經(jīng)下降，電流已經(jīng)降低，所以電動機轉(zhuǎn)速要振蕩一兩次才達到穩(wěn)定值。此階段電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器同時發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，速度反饋信號與轉(zhuǎn)速之間有如下關(guān)系：</p>

48、<p><b>　　==</b></p><p>　　—— 速度反饋系數(shù)</p><p>　　2）雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　上述過程穩(wěn)定后，即為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。雖然電流環(huán)有使靜特性變軟的趨勢，但是由于速度閉環(huán)包在外面，電流反饋對速度來說相當于是一種干擾，因此速度調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)要足夠的大，使被包在里面的干擾受到抑制。由于這

49、兩個調(diào)節(jié)器是采用比例積分調(diào)節(jié)器，所以實際上這兩個閉環(huán)都是可認為是無靜差的。</p><p>　　2.3 啟動方式的選擇確定</p><p>　　串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種：</p><p><b>　　1)直接起動</b></p><p>　　直接起動是利用串級調(diào)速控制裝置本身來直接起動電動機，而

50、不用任何附加起動設(shè)備的起動方式。起動時，要先將晶閘管逆變器的逆變角置于，再逐漸增大，使逆變電壓逐漸減小，電動機平穩(wěn)加速，直到所需的轉(zhuǎn)速。這種起動方式主要用于要求調(diào)速范圍很大的生產(chǎn)機械，或者生產(chǎn)機械對起(制)動的加(減)速度有一定要求的場合。由于轉(zhuǎn)子回路的主要設(shè)備如整流器、逆變器、逆變變壓器的容量，亦即串級調(diào)速裝置的容量都是按要求的調(diào)速范圍確定的。對于調(diào)速范圍較小的系統(tǒng)，不應(yīng)該單純?yōu)榱酥苯悠饎佣x擇大容量的串級調(diào)速裝置，而應(yīng)該采用間接起動

51、方式。</p><p><b>　　2)間接起動</b></p><p>　　間接起動是利用頻敏變阻器或電阻器等起動設(shè)備起動電動機，待轉(zhuǎn)速升高到調(diào)速范圍內(nèi)最低轉(zhuǎn)速n時，才使串級調(diào)速裝置投人運行，并切除起動設(shè)備。這種起動方式雖然增加了一套附加起動設(shè)備，但轉(zhuǎn)子回路主要設(shè)備的耐壓和容量只需按調(diào)運范圍的要求來選擇，從設(shè)備的總投資上來看是經(jīng)濟合理的。這種方式還有一優(yōu)點，即一旦串

52、級調(diào)連裝置發(fā)生意外故障，異步電動機可以脫離串調(diào)狀態(tài)，而用附加起動設(shè)備正常起動到高速運行。</p><p>　　為了減少串級調(diào)速裝置的容量，并同時滿足使電動機能完全脫離調(diào)速裝置而“高速”運轉(zhuǎn)的要求，本系統(tǒng)采用頻敏變阻器進行起動。如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 串級調(diào)速系統(tǒng)的間接起動方式電路圖</p><p>　　當轉(zhuǎn)速沒達到n以前，接觸器KM2的常開觸

53、點閉合、接觸器KMI的常開觸點斷開，頻敏變阻器接入，電動機便以轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器的方式起動。待轉(zhuǎn)速達到所設(shè)計的n(S)時，接觸器KMl接通，同時KM2的常開觸點斷開，切斷起動頻敏變阻器，使電動機轉(zhuǎn)子接到串級調(diào)速裝置，此后電動機就可以串級調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運行。注意在電動機未達到設(shè)計最低轉(zhuǎn)速以前不允許把電動機轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置相接，否則轉(zhuǎn)子電壓會超過整流器件的電壓定額而損壞器件。停車時，由于沒有制動作用，應(yīng)先斷KMI，使電動

54、機轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置脫離，再斷開QF，以防止當QF斷開時在轉(zhuǎn)子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。</p><p>　　在調(diào)速裝置發(fā)生故障時，先經(jīng)頻敏變阻器升速，然后通過KM3觸點短接轉(zhuǎn)子，使電動機全速運行，這樣可對調(diào)速裝置進行檢修而不中斷生產(chǎn)。</p><p>　　第3章 主回路電機、逆變變壓器及電抗器的計算選擇</p><p>　　3.1 轉(zhuǎn)子回路基本數(shù)量

55、關(guān)系 </p><p>　　由主電路圖2.2分析可得轉(zhuǎn)子回路的一些基本數(shù)量關(guān)系。這些數(shù)量關(guān)系可作為選擇設(shè)計串級調(diào)速系統(tǒng)主電路參數(shù)的依據(jù)。有些數(shù)量關(guān)系比較復(fù)雜，在工程設(shè)計中可以忽略次要因素的影響，簡化計算方法。</p><p>　　1）轉(zhuǎn)子電流有效電流I與直流回路電流I關(guān)系</p><p>　　當直流回路總電感充分大時，工程計算中，可近似將直流回路瞬時電流視為

56、上底-、下底+，高為I的梯形波?？紤]到換相過程影響，轉(zhuǎn)子電流可近似表示為</p><p><b>　　I=I</b></p><p>　　通?？砂磽Q向重疊角=30時計算，則有</p><p><b>　　I=0.78I</b></p><p>　　2）逆變變壓器二次側(cè)電流有效值I與直流回路電流I的關(guān)

57、系</p><p>　　因為變壓器漏抗很小，換向重疊角也較小，工程計算中可不考慮換相過程影響，</p><p>　　認為變壓器二次側(cè)電流為120導(dǎo)電型方波，其有效值可近似表示為 </p><p>　　I=I=0.816 I </p><p>　　3）轉(zhuǎn)子整流電路輸出電壓U</p><p>　　在忽略電動機繞組電阻及

58、換相過程影響時，轉(zhuǎn)子整流電路輸出電壓為</p><p>　　U=2.34sE=1.35sE</p><p>　　式中，E為電動機轉(zhuǎn)子相電壓，E為電動機轉(zhuǎn)子線電壓。</p><p>　　4）逆變器直流側(cè)電壓U與變壓器二次側(cè)電壓U的關(guān)系</p><p>　　在忽略電抗器電阻影響時，轉(zhuǎn)子整流器輸出電壓U就是逆變器直流側(cè)電壓。當不計逆變器電阻及換相過

59、程影響時，有如下關(guān)系</p><p>　　U=2.34 Ucos=1.35Ucos</p><p>　　U為逆變變壓器二次側(cè)線電壓。</p><p>　　3.2 異步電動機的相關(guān)參數(shù)計算 </p><p>　　本題中所給電機的基本參數(shù)為:額定功率2.8KW，定子額定電壓380V，接法Y，定子額定電流6.04A，轉(zhuǎn)子額定電流19.5A,電源三

60、相，定子頻率50Hz,轉(zhuǎn)子開路電壓104V，額定轉(zhuǎn)速1440r/min,電動機定額連續(xù), 取電流過載倍數(shù)=2，調(diào)速范圍為1：3。 </p><p>　　異步電動機的參數(shù)，在有條件的場合，可以通過實驗進行測定，或向廠家索取有關(guān)資料，若兩者均有困難，則根據(jù)電動機的銘牌數(shù)據(jù)可以計算：</p><p&g

61、t;<b>　　1）額定轉(zhuǎn)差率S</b></p><p>　　S===0.0399</p><p><b>　　2）臨界轉(zhuǎn)差率S</b></p><p>　　S=S=0.0399=0.163 </p><p><b>　　3）定子每相電阻r</b></p><

62、;p><b>　　r===1.38</b></p><p><b>　　4）轉(zhuǎn)子每相電阻r</b></p><p><b>　　r===0.123</b></p><p>　　5）定子與轉(zhuǎn)子繞組的變比K</p><p><b>　　K===3.47</b&

63、gt;</p><p>　　6）折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的定子每相電阻r</p><p>　　r= ==0.115</p><p>　　7）電動機的額定轉(zhuǎn)矩T</p><p>　　T=9550=9550=18.6Nm</p><p>　　8）電動機定子總電抗X(X=X+X)</p><p><b>

64、;　　X===2.46</b></p><p>　　9）定子電抗X及折算到定子側(cè)轉(zhuǎn)子每相電抗X</p><p>　　XX0.5X=0.52.46=1.23</p><p>　　10）轉(zhuǎn)子側(cè)每相電抗X</p><p><b>　　X===0.102</b></p><p>　　11）折算

65、到轉(zhuǎn)子側(cè)每相總電抗X</p><p>　　XX===0.204</p><p>　　3.3 逆變變壓器參數(shù)計算與選擇</p><p>　　對于不同的異步電動機轉(zhuǎn)子額定電壓和不同的調(diào)速范圍，要求有不同的逆變變壓器二次側(cè)電壓；同時為使有源變壓器與電網(wǎng)隔離、減少逆變器對電網(wǎng)波形畸變的影響，一般需配置逆變變壓器。</p><p>　　3.3.1逆變變

66、壓器原副邊接線方式</p><p>　　在三相橋式有源逆變器中，由于晶閘管的非線性開關(guān)作用，在變壓器副邊電路中，將產(chǎn)生高次諧波電流，而且由于變壓器原副邊繞組的耦合緊密，變壓器原邊電流中也有豐富的高次諧波存在，以致使供電網(wǎng)壓發(fā)生畸變。當串級調(diào)速系統(tǒng)的容量很大時，可能使網(wǎng)壓波形嚴重畸變，從而影晌其他用戶的正常用電。所以，為減少電流中的高次諧波成分，應(yīng)合理選擇逆變變壓器的接線方式，一般應(yīng)盡量選用△/Y或Y/△,，而不采

67、用Y/Y或△／△。因為當逆變變壓器接成Y/Y或△／△時，原副邊繞組內(nèi)的線電流波形是相同的(均為方波電流)，所含的高次諧波分量也是相同的，而且各諧波分量都比較大。當逆變變壓器選用的接線方式為△/Y或Y／△時，雖然副邊繞組內(nèi)的線電流波形仍為方波電流，但原邊線電流的波形卻均為多臺階形，更接近于正弦波，使原邊線電流的波形得到改善。本設(shè)計選變壓器接法為△／Yll，如圖所示。這樣可以使勵磁電流的三次諧波在三角形繞組中以環(huán)流形式存在，從而使二次繞組中

68、的感應(yīng)電動勢是正弦波。</p><p>　　圖2.3 逆變變壓器繞組D/Y11接法圖</p><p>　　3.3.2 逆變變壓器二次電壓的計算</p><p>　　逆變變壓器的二次電壓，可以根據(jù)使最低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子最大整流電動勢與逆變器最大逆變電動勢相等的原則來確定。調(diào)速系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)差率S為</p><p><b>　　S=

69、1-=1-=</b></p><p>　　式中，D為調(diào)速范圍，D=</p><p>　　電動機工作在調(diào)速系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)差時，轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓也最高，按三相橋式整流接線時，轉(zhuǎn)子最大整流電壓為U=2.34SE=1.35SE。為使串調(diào)裝置容量盡量小、功率因數(shù)盡量高，當電動機工作在調(diào)速范圍最低速時，逆變器應(yīng)工作在最小逆變角，通常取=30。在忽略直流回路電阻及換相過程影響時，變壓器二次側(cè)

70、最大線電壓為</p><p><b>　　U===161V</b></p><p><b>　　實選U=180V</b></p><p>　　選擇逆變變壓器一次側(cè)電壓和電動機定子額定電壓相同為380V，故實際連線時，應(yīng)將逆變變壓器一次側(cè)及電動機定子接在同一電壓等級的電網(wǎng)上。</p><p>　　3.

71、3.3逆變變壓器容量和參數(shù)的計算</p><p>　　1) 逆變變壓器容量的計算</p><p>　　逆變變壓器可以按計算要求設(shè)計專用變壓器，也可以選用參數(shù)和計算要求相近的標準變壓器，變壓器容量可根據(jù)下式確定</p><p><b>　　S=UI（kVA)</b></p><p>　　逆變變壓器二次側(cè)電流可由電動機轉(zhuǎn)子額

72、定電流I確定，其有效值可近似表示為</p><p>　　I=1.05I=1.0519.5=21A</p><p>　　所以，逆變變壓器容量為</p><p>　　S=UI==6.5（kVA)</p><p>　　實選8kVA。因此所選變壓器的技術(shù)參數(shù)為：</p><p><b>　　額定容量：8kVA<

73、/b></p><p>　　原邊線電壓：380V</p><p>　　副邊線電壓：180V ．</p><p><b>　　副邊線電流：21A</b></p><p>　　2）逆變變壓器參數(shù)的計算</p><p>　　折算至直流側(cè)的變壓器等效電阻R</p><p>　

74、　R=0.01=0.049Ω</p><p>　　折算至二次側(cè)的變壓器漏抗X</p><p><b>　　X=0.05</b></p><p>　　3.4 直流回路電抗器的計算</p><p>　　在串級調(diào)速電動機的轉(zhuǎn)子直流回路中，必須設(shè)置足夠大的電抗器，以保證電流連續(xù)和減小電流脈動。</p><p&

75、gt;　　1）保證電流連續(xù)所需的電感值L</p><p>　　L=0.639===mH </p><p>　　式中，U為逆變變壓器二次側(cè)相電壓，其中</p><p><b>　　I===A</b></p><p>　　2) 限制電流脈動所需的電感值L</p><p><b>　　L==m

76、H</b></p><p>　　式中，為最低次諧波頻率。對三相全控橋，=300Hz,=。</p><p>　　3) 異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏感L</p><p><b>　　L==mH</b></p><p>　　4) 逆變變壓器折算到二次側(cè)的每相漏感L</p><p><

77、b>　　L==mH</b></p><p>　　5) 平波電抗器電感值L</p><p>　　按電流連續(xù)要求，實際應(yīng)串入的平波電抗器電感量為</p><p>　　L= L-2(L+ L)=53.2-2(0.65+0.79)=50.32mH</p><p>　　按限制電流脈動要求，實際應(yīng)串入的電感量為</p>&

78、lt;p>　　L=L-2(L+ L)=20.3-2(0.65+0.79)=17.42mH</p><p>　　取兩者中較大的，所以選用直流回路電抗器的電感為50.32mH時，電流脈動和連續(xù)要求都能滿足。</p><p>　　平波電抗器直流電阻R為</p><p>　　R=0.01=0.010.031</p><p>　　第４章 整流裝

79、置及逆變裝置的設(shè)計計算</p><p>　　4.1 三相橋式二極管整流裝置的選擇計算</p><p>　　轉(zhuǎn)子整流器用的硅整流二極管，是在低頻率、大電流下工作，所承受的電壓與調(diào)速范圍有關(guān)，這就是轉(zhuǎn)子整流二極管的特點。</p><p><b>　　1) 額定電壓U</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子整流器為三相不可控整流電路

80、，元件承受的最高反向電壓為</p><p><b>　　U===V</b></p><p>　　故元件額定電壓可取為</p><p>　　U=（2～3) U＝（2～3)98.04=（196.08～294.12）V</p><p><b>　　實取U=400V。</b></p><

81、p><b>　　2) 額定電流I</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子整流元件的電流定額應(yīng)按最嚴重負載條件確定，當取電動機電流過載倍數(shù)=2時，允許通過的最大直流整流電流為</p><p>　　I=1.05I=1.05=52.42A </p><p>　　I=（1.5～2）KI=（1.5～2）0.552.42=(39.4～52.5)A&

82、lt;/p><p><b>　　實取 I=60A</b></p><p>　　選取整流二極管型號為ZP100--4，共6只</p><p>　　4.2逆變器的晶閘管元器件的計算與選擇</p><p><b>　　1) 額定電壓U</b></p><p>　　逆變電路為三相全控橋式

83、電路，元件承受的最高反向電壓為</p><p><b>　　U=U==255V</b></p><p>　　則晶閘管元件的電壓定額為</p><p>　　U=（2～3)U=（2～3)255=(510～765)V</p><p><b>　　實取U=800V</b></p><p&

84、gt;<b>　　2) 額定電流I</b></p><p>　　晶閘管元件的電流定額也應(yīng)按最嚴重負載條件確定，當取電動機電流過載倍數(shù)=2時，允許通過的最大直流整流電流為</p><p>　　I=1.05=1.05224.96=52.5A</p><p>　　I=(1.5～2)KI=(1.5～2)0.552.5=(39.4～52.5)A</

85、p><p><b>　　實取 I=60A</b></p><p>　　選取晶閘管型號ZP100--80，共6只</p><p>　　第5章 觸發(fā)環(huán)節(jié)、檢測及調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的設(shè)計</p><p>　　5.1 觸發(fā)環(huán)節(jié)設(shè)計選擇</p><p>　　晶閘管的觸發(fā)電路很多，其優(yōu)缺點和使用范圍各不相同。集成觸發(fā)電路

86、具有性能穩(wěn)定可靠、線性度好、功耗低、體積小、使用方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。本系統(tǒng)采用TC787構(gòu)成三相六脈沖觸發(fā)電路。TC787是采用獨有的先進IC工藝技術(shù)，并參照國外最新集成移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計的單片集成電路。它可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。它是目前國內(nèi)市場上廣泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品，與

87、TCA785及KJ(或KC)系列集成電路相比，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點，而且裝調(diào)簡便、使用可靠，只需一個這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與1只KJ041、1只KJ042或5KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件組合才能具有的三相移相功能。因此，TC787可廣泛應(yīng)用于三相半控、三相全控、三相過零等電力電子、機電一體化產(chǎn)品的移相觸發(fā)系統(tǒng)，從而取代TC

88、A785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等</p><p>　　圖5.1為TC787芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖，其內(nèi)部集成有3個過零和極性檢測單元，3個鋸齒波形成單元，3個比較器，1個脈沖發(fā)生器，1個抗干擾鎖定電路、1個脈沖形成電路，1個脈沖分配及驅(qū)動電路。他們的工作原理可簡述為：經(jīng)濾波后的三相同步電壓通過過零和極性檢測單元檢測出零點和極性后，作為內(nèi)部3個恒流源的控制信號，3個恒流源輸出的恒值電流給3

89、個等值電容Ca，Cb，Cc恒流充電，形成良好的等斜率鋸齒波，鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與移相控制電壓Vr比較后取得交相點，該交相點經(jīng)集成電路內(nèi)部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證交相唯一而穩(wěn)定，使交相點以后的鋸齒波或移相電壓的波動不影響輸出，該交相信號與脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號經(jīng)脈沖形成電路處理后變?yōu)榕c三相輸入同步信號相位對應(yīng)且與移相電壓大小適應(yīng)的脈沖信號送到脈沖分配及驅(qū)動電路。假設(shè)系統(tǒng)未發(fā)生過電流、過電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止端的信號

90、無效，此時脈沖分配電路根據(jù)用戶在引腳6設(shè)定的狀態(tài)完成雙脈沖（引腳6為高電平）或單脈沖（引腳6為低電平）的分配功能，并經(jīng)輸出驅(qū)動電路功率放大后輸出，一旦系統(tǒng)發(fā)生過電流、過電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止信號有效，脈沖分配和驅(qū)</p><p>　　圖5.1 TC787內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　TC787各引腳名稱及功能介紹：</p><p>　　1）同步電

91、壓輸入端：引腳1、2、18分別為C相、B相、A相三相同步電壓連接端，三相同步電壓經(jīng)濾波后接入這三個輸入端。</p><p>　　2）脈沖輸出端：在半控單脈沖工作模式下，引腳8、10、12分別為三相同步電壓正半周對應(yīng)的同相觸發(fā)脈沖輸出端，而引腳7、9、11分別為與三相同步電壓負半周對應(yīng)的反相處罰脈沖輸出端。應(yīng)用時這些輸出端均接至脈沖功率放大環(huán)節(jié)的輸入或脈沖變壓器所驅(qū)動的開關(guān)管的控制極。</p><

92、;p>　　3）控制端：引腳5輸出脈沖禁止端該端用來進行故障狀態(tài)下封鎖TC787的輸出，高電平有效，應(yīng)用時接保護電路的輸出。引腳14、15、16分別為三相同步鋸齒波電容連接端。該端連接的電容決定了鋸齒波的斜率和幅值，應(yīng)用時應(yīng)分別連接一個相同容量的電容接地。引腳6為工作方式設(shè)置端，高電平時為雙脈沖輸出方式，低電平時為單脈沖輸出方式。引腳4為移相控制電壓輸入端，其輸入電壓的大小決定移相的范圍。引腳13為輸出脈沖寬度控制端，該端連接的電容

93、容量越大，輸出的脈沖寬度越寬。</p><p>　　4）電源端：TC787既可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時，引腳3接地，而引腳7接正電源，允許施加的電壓為-4～9V。雙電源工作時，引腳3接負電源，施加電壓為-4～9V，引腳7仍接正電源，電壓范圍+4～9V。</p><p>　　圖5.2 用TC787構(gòu)成的三相六脈沖觸發(fā)電路</p><p>　　圖5.2給

94、出了TC787單電源工作時的典型應(yīng)用接線圖，380V三相交流電經(jīng)過同步變壓器變壓為30V的同步信號a，b，c后，經(jīng)過電位器RP，RP，RP及T型阻容移相網(wǎng)絡(luò)接入到TC787的同步電壓輸入端，通過調(diào)節(jié)RP，RP，RP三個電位器可實現(xiàn)O～60的移相，以保證同步信號與主電路的匹配。調(diào)節(jié)RP可以使輸入4腳的電壓在0一12V之間連續(xù)變化，從而使輸出脈沖在0-180之間變化，7～12腳的輸出端有大于20mA的輸出能力，采用6只驅(qū)動管擴展電流，經(jīng)脈沖

95、變壓器隔離后將脈沖接到晶閘管的控制極(g)和陰極(k)之間，以觸發(fā)晶閘管。</p><p>　　觸發(fā)電路實現(xiàn)同步方法采用主電路電源經(jīng)同步變壓器降壓，再經(jīng)阻容移相來獲得符合相位要求的同步電壓。盡管利用同步變壓器可以獲得適當相位同步電壓，但為了濾除電網(wǎng)電壓中的干擾信號，提高抗干擾能力，同步變壓器輸出端應(yīng)設(shè)有阻容滯后移相濾波電路。由于同步變壓器二次側(cè)的同步電壓有公共端，所以同步變壓器二次側(cè)只能選用星形連接，便于和各單元

96、觸發(fā)電路相連。本設(shè)計選用△／Y-11接法。</p><p>　　5.2 檢測裝置及反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的選擇設(shè)計</p><p>　　5.2.1 電流檢測裝置設(shè)計</p><p>　　在晶閘管控制系統(tǒng)中，需要檢測主回路的電流，并把它轉(zhuǎn)換成電壓，作為電流反饋信號。電流檢測可分為直流檢測和交流檢測兩類。在變流電路直流側(cè)檢測電流大小，一般常用直流電流互感器或者用霍爾電流變換器直

97、接測量主回路電流。在晶閘管有源逆變器中，交流側(cè)有效值電流I與直流電流I之間有著近似的比例關(guān)系，例如三相橋式有源逆變器，有I=0.816I。因此通過測量交流電流便可間接反映直流側(cè)逆變電流的大小，交流檢測常采用交流互感器。由于交流電流檢測簡便、可靠、能耗小，還能把控制回路與主電路隔離，以保證設(shè)備和人身安全，因而在實際系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用交流電流互感器作為電流檢測裝置，電路如圖5.2所示。</p><p>

98、　　圖5.2 TA電流檢測裝置電路圖</p><p>　　5.2.2 速度檢測裝置設(shè)計</p><p>　　在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度反饋是利用速度檢測裝置實現(xiàn)的，最常用的速度檢測裝置是測速發(fā)電機。測速發(fā)電機的質(zhì)量和安裝精度直接影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。本設(shè)計選用永磁式測速發(fā)電機，另外，安裝時測速發(fā)電機的軸中心應(yīng)與電動機的軸中心重合，以保證安裝質(zhì)量。</p><p>　　圖

99、5.3 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)電路設(shè)計</p><p>　　5.2.3 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器采用近似的PI調(diào)節(jié)器，圖5．4所示是電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。電流調(diào)節(jié)器ACR輸出為零時，應(yīng)整定最小逆變角，以保證最低速起動(即以起動)。為防止逆變失敗，為此取=30，電流調(diào)節(jié)器須設(shè)置輸出限幅電路。ACR的輸出信號經(jīng)限幅和功率放大后作為觸發(fā)裝置GT的移相信號U。隨ACR輸出的增加，向90方

100、向變化，時，=0，相當于轉(zhuǎn)子沒有附加電動勢，電動機工作于固有特性。調(diào)節(jié)器中運算放大器所選型號為MT-047運算放大器，其他所用電阻電容參數(shù)均以電氣手冊為準，在此不做詳細介紹。</p><p>　　圖5.4 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電路圖</p><p>　　5.2.4 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用與電流調(diào)節(jié)器ACR相同的結(jié)構(gòu)，也采用近似的PI調(diào)節(jié)

101、器，圖5．5所示是速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。為了保證設(shè)備的安全，速度調(diào)節(jié)器設(shè)置輸出限幅電路，以限制電動機的最大電流。同時利用電流負反饋和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的限幅作用，使系統(tǒng)具有較好的恒流加速特性。ASR的輸出信號經(jīng)限幅后作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入給定信號。</p><p>　　調(diào)節(jié)器中所用元件參數(shù)同上電流調(diào)節(jié)器。</p><p>　　圖5.5 速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電路圖</p><p&

102、gt;　　5.2.5 給定積分器設(shè)計</p><p>　　在晶閘管調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定信號可以采用階躍信號，使速度調(diào)節(jié)器在起動過程中處于飽和限幅輸出狀態(tài)，從而使電流達到最大允許值，在負載一定的條件下，電動機在最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩下以最大的等加速度起動，使系統(tǒng)得到最快的動態(tài)響應(yīng)。而有些生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)工藝條件并不要求在電流約束條件下的最快速起動，而是對起動加速度有嚴格限制，要求起動過渡過程平緩。同時起動時，電流平緩，可避

103、免對電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)的安全運行。此時系統(tǒng)的給定信號不能再采用階躍給定形式，可以采用給定積分器作為系統(tǒng)的給定的給定裝置。給定積分器在階躍輸入時，它的輸出為一定斜率的斜坡信號。斜坡信號的斜率是可調(diào)的。這個斜坡信號作為速度閉環(huán)的速度給定，使電動機在起動制動過程中速度均勻變化。</p><p>　　典型的給定積分器線路如圖5．6所示，由運算放大器N、N和N組成。放大器N處于開環(huán)狀態(tài)接收輸入信號，其作用是使輸出電壓的斜

104、率與輸入信號大小無關(guān)。放大器N為積分調(diào)節(jié)器，用以將輸入信號變換為斜坡信號。放大器N為反相器，用以滿足負反饋的極性要求，并使積分器的輸出穩(wěn)態(tài)值與階躍輸入幅值成l：1的關(guān)系。當為負階躍信號時，N輸出立即達到正限幅值，經(jīng)電位器RP分壓后送入放大器N的反向輸入端進行積分，其輸出形成負的線性漸增輸出，N的輸出經(jīng)過N反相，反饋到放大器N的反向輸入端形成負反饋。當?shù)扔诮o定信號時，負反饋的結(jié)果使放大器N的輸出降到零。這時，由于電容C的保持作用，使保持等

105、于不變。調(diào)節(jié)電位器RP滑動端可以改變輸出斜坡信號的斜率。積分器中選用MT-033型電壓反饋性運算放大器，其他所用電阻電容參數(shù)均以電氣手冊為準，在此不做詳細介紹。</p><p>　　圖5.6 給定積分器結(jié)構(gòu)電路圖</p><p>　　第6章 各環(huán)節(jié)的保護電路的設(shè)計</p><p>　　晶閘管元件有許多優(yōu)點，但與其它電氣設(shè)備相比，過載能力很差，往往由于短時的過電壓或過

106、電流，都會導(dǎo)致元件的永久損壞，使設(shè)備不能正常運行。因此，為了使調(diào)速裝置能可靠長期工作，除對元件正確計算和合理選擇外，還必須針對元器件工作條件配置必要的保護裝置。圖6.1為本文所采用的主要保護措施。</p><p>　　圖6.1 主電路的保護方案圖</p><p><b>　　6.1 過電流保護</b></p><p>　　過電流是晶閘管電路經(jīng)常

107、發(fā)生的故障，是造成元件損壞的主要原因之一，因此，過電流保護應(yīng)當首先考慮。由于晶閘管承受過電流能力比一般電氣元件差得多，故必須在極短的時間內(nèi)把電源斷開或把電流值降下來。</p><p>　　造成晶閘管過電流的主要因素有：電網(wǎng)電壓波動太大，電動機軸上負載超過允許值，電路中管子誤導(dǎo)通以及管子擊穿短路等。本設(shè)計選用的過電流保護方案有：</p><p>　　6.1.1 快速熔斷器保護</p&g

108、t;<p>　　快速熔斷器是最簡單有效的過流保護器件，也是應(yīng)用最普遍的保護器件。它與普通熔斷器相比，熔斷時間小于20ms，具有快速熔斷的特性。當線路一旦出現(xiàn)短路故障，能保證在裝置損壞之前，快速切斷短路電流。本系統(tǒng)采用與晶閘管和整流元件串聯(lián)快熔(圖6.1所示)的方法，實現(xiàn)對元器件和系統(tǒng)的過流保護。</p><p>　　1）與元件串聯(lián)快熔FU的計算</p><p>　　由于晶閘管

109、額定電流在選擇時已考慮大安全裕量為1.5～2，因此通常按下式選配，即</p><p><b>　　I＝I＝A</b></p><p>　　實選RS3—750V一100A快速熔斷器，12只。</p><p>　　2）逆變變壓器二次側(cè)串接快熔的計算</p><p>　　I=(1.5～2.5)I=(1.5～2.5)×

110、19.5=29.5A～49A</p><p>　　實選RS3—750V一60A快速熔斷器，3只。</p><p>　　6.1.2 電子線路控制的過電流保護</p><p>　　電子線路控制的過電流保護電路形式很多，圖6.2所示電路能夠在過流時實現(xiàn)對觸發(fā)脈沖移相控制，使，降低直流回路總電壓，減小電流值。另外，也可以切斷主回路電源，達到保護的目的。</p>