晶闸管串级调速双闭环系统2.

1、江西理工大学应用科学学院电力拖动综合课程设计专 业：自动化班 级：学 号：姓 名：设计题目： 交流电动机拖动设计-C设计报告格式25分设计内容45分答辩考勤总 计 得 分封面3页面 布 局5目录格式3图 表 质 量4间行距、字体5页眉 页 脚5设计题目 分析5系统控制方案8设备计 算、选 型7电气原理图调节器参数整定或程 序设计101020主电路5控制电路5总图52012年11月江西理工大学应用科学学院课程设计、八 、，刖言现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这 一系统中可对生产机械进

2、行自动控制。随着近代电力电了技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率地生 产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。 另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业， 应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性， 还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流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

3、种电力变换电路和对这些电路 进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。31一、串级调速系统31.1主电路方案的确定31.2系统静态及动态要求41.3串级调速原理及基本类型41.4电动机供电方案的确定 6二、电动机容量校核 82.1最大转差率82.2转子整流器的最大输出电压 82.3最大直流整流电流 92.4最大直流整流电阻 92.5定子电阻92.6电动机额定转矩102.7折算到转子侧的漏抗 10三、整流二极管的选择 103.1整流二极管电压的选择 103.2整流二极管电流的选择11四、逆变变压器的参数计算114.1概述114.2逆变压器二次侧参数的初步计算 114.3

4、逆变变压器计算 14五、硅整流元件及晶闸管的选择 155.1参数计算155.2调速系统的保护15六、平波电抗器电感量的计算 186.1转子直流回路平波电抗器的作用 186.2电感的计算186.3启动方式的确定19七、双闭环控制系统的参数计算 207.1双闭环系统静态参数计算 207.2双闭环系统的动态参数计算21八、系统总体结构设计238.1供电系统的设计结构238.2调节器的设计结构24设计心得25参考文献26交流电动机拖动设计题目某提升机最大负载功率为PL=48kw，调速范围要求d=4,选用晶闸管串级调速双闭 环系统，整流器才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

5、电机。2. 逆变变压器参数计算。3. 整流电路和逆变电路器件的选型4. 平波电抗器电感的计算晶闸管串级调速的双闭环控制系统一、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转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大， 从而限制了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控 制，此时可以采用绕线转子异步电动机。常见的绕线转子异步电动机用转子回路串电阻 调速，这种调速方法简单、操作方便且价格便宜，但在电阻上将消耗大量的能量，效率 低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑 调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性能较好

6、的绕线转子异步电动机转 差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。 它属于变转 差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率 加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无 级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。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，因而获得了广泛的应用。1.2系统静态及动态要求若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分 利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳

7、态转速 后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时 起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制 的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统 中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现 在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到 达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良 好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm时表现为转速无静差，这时，

8、转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得 到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起 动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负 载扰动，抗电网电压扰动。1.3串级调速原理及基本类型假定异步电动机的外加电源电压 Ul及负载转矩Kl都不变则电动机在调速前后转 子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相 反的附电势Eadd则转子电流为sE - EI 二 sEr - Eadd:.常数（式 1 _ 1）V jR；+（SXr。）2式中：尺：转子回路电阻；SXro :转子旋转时转子绕组每相漏抗；Er

9、0 :转子开路相电势；电动机在正常运行时，转差率 s很小，故Rr SXr0。忽略SXrO有,SEro 一 Eadd 二常数式 1 - 2上式中，Kr0为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势可以改变转差率S,从而实现调速。设当Eadd = o时电动机运行于额定转速，即n二nn , s二Sn ,由（式1-2）可见, 当附加电动势与转子相电势相位相反时 Eadd （前取负号），改变Eadd的大小，可在 额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位 相同时（Eadd前取正号），改变Eadd的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方 式称为超同步串级调速（即S Pd本

10、设计采用内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。该电机定额为连续定额S1,基本防护等级为IP23，基本冷却方法为IC01,基本结构和 安装方式为IBM3o控制电机型号JRNT1512-4最高/最低转速1480/690r/mi n额定功率48kW效率95%定子电压/电流380V/85.9A功率因数0.87转子电压/电流340V/81A控制装置型号JC4-800A/800V表1-1绕线式异步电动机由于调速范围小，且对动、静态性能有一定性能要求，选用晶闸管串级调速双闭环 调速系统比较合适。整流器采用三相桥式全控整流电路。2.1最大转差率、电动机容量校核smaxni - nmin

11、ni式中：ni :电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速;nm i n串级调速系统的最低工作转速;D :调速范围D=4d max-3K UV E r 0 1 -2.2转子整流器的最大输出电压型号KitKutKuvKivKilK stKlk二相带中线0.367血0.670.5770.4721.3510.866三相桥0.36742.1.350.8150.8161.0520.5双三相桥串联0.3672.70.8161.5781.0340.36 0.52双三相桥并联0.1841.350.4180.7891.0310.26 0.32表2-1变流器主电量计算系数式中：Er0 :转子开路相电势；Kuv

12、:整流电压计算系数，见表2-1;则4钿二】出曲4*(1-%=344. 252.3最大直流整流电流d max-11 2N十MKV式中： 入M ：电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数2；I2N :转子线电流额定值；Kiv :整流电压计算系数，见表2-1；IdN：转子整流器输出直流电流额定值；ldN= I2N/ Kiv ；1.1：考虑到转子电流畸变等因素的影响而引如的系数；1 d max1.1 汉 2汉 810 813= 219.188A2.4最大直流整流电阻0 .032211E 2n S n一 3400 .0133x3 I 2n、怎 8110.95 380 0.0133屁 85.92.5定子

13、电阻1 = 0.0323定转子绕组的变比kM=05U1nE2n0.95 380340折算到转子侧的定子电阻0.032321.0611 = 0.0287“-20.0323-0.0323 2210 x 2 k313, I1.06(380 、窝 x22.6电动机额定转矩9655冥尸殆竺竺_艸宓5114S02.7折算到转子侧的漏抗三、整流二极管的选择3.1整流二极管电压的选择设每个桥臂上串联的整流二极管数目为 N=3，则每个二极管的反向重复峰值U krm式中:U krm2 33KuTE2n KavNKut :电压计算系数,UT见上表2-1；E2n :转子开路相电势K AV :均压系数,般取0.9。对于

14、元件不要串联时取1 ；D有关,由上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围 调速范围越高，元件承受的电压越高。则:1.5xl.35x340x万溝/ -0.9x33.2整流二极管电流的选择在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。设并联支路数为Np = 3则每个整流二极管的电流计算如下：I1.5 2 K IT I d maxFK AC Np式中：K IT :电流计算系数，见表2-1;I dmax :转子整流器最大直流整流电流；K AC :均流系数。其值可取0.80.9，对于元件不并联的情况下取1 ;0.184219 .188二 14 .937 A0.93四、逆变变

15、压器的参数计算4.1概述对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配；同时也希逐转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级 调速系统中均需配置逆变变压器。4.2逆变压器二次侧参数的初步计算逆变压器二次侧电压根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定:U d maxU t 2-K UV COS 卩 min式中：U：逆变变压器二次侧线电压；Udmax :转子整流器最大输出直流电压；KUV :整流电压计算系数，见表2-1；即,伍小：最小逆变角，一般取30;-344. 2L_一 =593- 31V0.67 x 0.866逆变变压器折算

16、至直流侧电抗,取 uk% 二 5%Xr=UQ = (L21则，折算到直流侧等效电阻t = 0.01= 0.01a/3 I 2n平波电抗器直流电阻3403 81 1二 0.02411厂0卫1穿013 81340 门- 0.024门在串级调速状态运行时的额定转速当S=1时，电动机定子折算到直流侧的等效电阻为1.73i，故电动机额定转矩1 -:mx1M kn 二厂U d0 - J73云 Xm ,I dnI dn1考虑到换相重叠角1 dn_ 9.565 Mkn is。9.565 11.73E2 11.73r1m -3 、J1dn1| dn的影响，并经线性化处理，上式中 Idn为 1.73 12n盧“A

17、W何3筱“。.。缈严钿严宀嘶叶2781N m转矩降低系数为M knM278-0.96291串级调速状态运行时最高转速的确定 直流回路总等效电阻为R=2rM rT rdm mX Xt式中，电动机折算到直流侧的等效电阻，可按功率相等的原则进行折算,23I 2n2r1 =，dn2r1.7312n2rM0.658R - 1.73 0.0287 0.03220.019 0.024 3 0.0931 -最大电流时的电动势系数为:Ud0-1.73r13Xm /| dm1.35 340 - 1.73 0.0287 - 0.441丿 219.188ni15000.306V (r/min)最大转速:nmaxd0保

18、 340- 219.188 0.658r/minCe0.306二 1027r/minn min1nma= 342 r / min3 i max转速降低系数Kn=n max 二 1027nn-0.691480Pl26电动机校验kW 二 37.68kW : 45kWKn 0.69Pn K4 0.69kW= 31.05kW 26kW即，所选电动机符合要求。所以，I d = I dm时，换相重叠角为2I dm X m1 x 2E2n2 219188.441= 53.260系统工作在第一工作区。4.3逆变变压器计算Smaxni一 nmin锂叫0.77逆变变压器二次侧线电压$ax E 2nU 2Tncos

19、 - min又因为I 2T = I 2n逆变变压器计算容量为n11500.77 34V = 303V cos3081AS厂3U2TnI303 81 103kW 二 42.5A逆变变压器一次侧电流I 1TSt3U 1n42500 A二 64.57 A=0.01 U 2Tn = 0.01亦I 2T303303 - 0.02 11、381X T = 0.0511 二 0.108 11T381因此R修正为R.十 0.664门n maxU do T dm R1.35 340 - 219.188 0.664Ce0.306=1024 r / min符合前面所取的n max值五、硅整流元件及晶闸管的选择5.1

20、参数计算I T (AV )二(1.5 2) K 1 I dm式中 Ki = 0.368 (三相桥式电路、电感性负载)I T(AV- (1.5 2) 0.368 219.188 121 161A l(AV)取 I T( Av) = 150 A因为U m =血U 2Tn =任沢 303V = 428VU t =（2 3）U m 二 856 1284V 取 U t T20CV选择硅整流元件ZP150-12六只，晶闸管KP150-12六只。5.2调速系统的保护晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定 电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的

21、保护是 晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。5.2.1过电压保护不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内， 这是过电压保护的基思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非先行元件限制过电压 的 幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件吸收产生过电压的能量。实用中常视 需要在电路的不同部位选用不同的方法，或者在同一部位同时用两种不同保护方法。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压 保护三种。1、交流侧过电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:2S图5-1阻容保护电路图变压器接法单相

22、三相、二次Y联结三相二次D联结阻容装置接法与变压器二次侧并联丫联结D联结丫联结D联结电容CC1/3C3CC电阻RR3R1/3RR表5-1变压器连接及阻容选择对于三相电路，R和C的值可按表 5-1换算。本系统采用D-Y连接。S=1.9299KVA,U2=120V变压器励磁电流百分数lem取值：当S=110KVA时，对应的lem=41,所以Iem取3232C 6lemS/U2= 6X3X34X103/1202=14.17 F选取20疗的铝电解电容器。变压器短路电压比选取：S=110KVA , lem =15,所以I 取3。C 2.3 U2/S =2.3 1送02/1.9299 103 =9.37

23、Q即，选取电阻为ZB1-10的电阻。2、直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻 保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容 保护，而只用压敏电阻作过电压保护，如图(3-2)所示。Uima= (1.8-2.2) Udc=(1.8-2.2) 230=414-460V选MY31-440/5型压敏电阻。允许偏差+10%( 484V)。晶闸管及整流二极管两端的过电压保护查表5-2;晶闸管额定电流/叭1020501002005001000电容/ pF0.10.150.20.250.512电阻/ Q1008040201052

24、图5-2 压敏电阻保护的接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方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍得 c=0.1 折，R=10(n。选R为0.2疗的CZJD-2型金属化纸介质电容器。2PR=fCUm2X10-6=50 02 X0-6 杀 120)2 X0-6=0.45 10-6W即，选R为20Q普通金属膜电阻器，RJ-0.5。3、器件两端的过电压保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔 断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。1) 交流侧快速熔断器的选择12=5.37A 选取RLS-10快速熔断器，熔体

25、额定电流 6A。2) 晶闸管串连的快速熔断器的选择l=l2=5.37A，It= 3.11A选取RLS-10快速熔断器，熔体额定电流4A。3) 电压和电流上升率的限制电压上升率：正相电压上升率 较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的 正相电压上升率应有一定的限制。造成电压上升率 过大的原因一般有两点：由电网侵入的过电压；由于晶闸管换相 时相当于线电压短路，换相结束后线电压有升高，每一次换相都可能造成过大。限制过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使 降低。电流上升率：导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，造成晶闸管损 坏。因此对晶闸管的电流上升

26、率 必须有所限制。产生过大的原因，一般有：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然 向晶闸管放电；交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电； 直流侧负载突然短路等等。 限制，除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制相同的措施，即在每个桥 臂上串联一个电感。限制 和 的电感，可采用空心电抗器，要求 L（2030）旷I;也可采用铁心电抗器，L 值可偏大些。在容量较小系统中，也可把接晶闸管的导线绕上一定圈数，或在导线上套 上一个或几个磁环来代替桥臂电抗器。所以，为了防止每个桥臂上串联一个 30田的电感。六、平波电抗器电感量的计算6.1转子直流回路平波电抗器的作用一，使串级挑速在最小工作电

27、流下仍能维持电流的连续；二，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制 在允许的范围内。6.2电感的计算、电动机等效电感|_M一 Xm 132 fl4gmH4mH250、逆变变压器等效电感一 Xt 132二仁三、按电流连续要求的电感量|_ d 1K | 学2 - 2(L Lt)3| d min式中，| d m in5 % | dn = 5.35 AK 0.693 （三相桥式全控电路）即,303L d =0.693-2(1.40.34) =19.24mH13 0.05 106.7四、按限制电流脉动要求的电感量(U dm /U 2)210 3 U 2 Tn /、32 (

28、_ m _ t )S i I dn式中,U dm最低次谐波电压幅值;U 2逆变变压器二次侧相电压有效值;d最低次谐波频率，对于三相桥式电路;Si 电流脉动系数，要求S i =0.05;U dm =0.8U 2（三相桥式全控电路）；则,d18_10303 八32(1.4 0.34) = 7.7mH23000.05 106.7选取平波电抗器，当I d=106.7A时电感量为8mH , I d=5.35A时电感量不小于20mH6.3启动方式的确定用串级调速装置启动时，启动电流I STU d0 _U 2TnC0S minR=1.35 340 -303 cos 30-0.664= 296A219.188

29、An=315r/m in由于I ST Idm，则需要在转子回路中串联频敏变阻器启动，待S=0.79,时串级调速装置再投入运行。七、双闭环控制系统的参数计算7.1双闭环系统静态参数计算(1)取速度给定电压U gn10V速度反馈系数KfnUgnnmax-nmin10 二 0.0146V (r/min)， 1027-342(2)取电流给定电压Ugi10V电流反馈系数K fnU gi10I dm219.188046 V/A(3)取电流调节器输出电压最大值Ukm = 5V ；晶闸管电压放大倍数Kv =U2TnCOs：min303 cos30U km52.48 52(4)晶闸管逆变器的滞后时间常数Tv 二

30、 0.0017s= 1.7ms低速时静差率要求的速度降nmin0.01342 二 3.42r/min由于采用了抑止零点漂移的pi调节器，故稳态时的速度降必须满足:fnK fi I dn0.0463.42因为,Kn R010 k199 10 - 990k若取KnRn - 1 1 0B1电流环Kn = 110Ri= 1 1 0 0静差率K ft I dnKnKfn0146 106.7 = 3.08r/min110 0.046s3.080.0090 ： 0.01Hmin3427.2双闭环系统的动态参数计算由前述分析可知，KLn与TLn均为转差率s的函数，故电流环为非定常系统，但当Smax时的KLn与

31、T Ln值可按定常系统设计，保证系统具有良好的性能。电流环参数计算 由E公式知，将S = Smax代入可以推得m m仃3*2 Xm Smax仃3Td 石 Xt二 1.9310 2 1.4 0.34 1 1.93 二 26ms由于要求电流环超调量小，故电流环按典型 I型系统设计。Coi 二 1uf10 1ms= 2.5ms4T厂 T0i Tv = 25 1.7= 4.2ms25.9ms故,K2KvKfiRi13.482 52 0.146 4.2二 0.23K j = 2.3 1二 4.05FR速度环参数计算由于系统要求抗扰性能及跟随性能好，转速环按典型u型系统设计，且取h=5oTo2T。厂 5m

32、s4 T 0nR2uFTn - T0n2丁口 - 134ms67 ms转速环截止频率= 45s4又因为119二厂168 s1 1满足2 T v及2 T U的条件，故电流环可等效为惯性环节Kn则若按h 12 22T0i T n5 12 22 50.01341 = 6 7 i028.3T u二 668 s两种计算结果基本一致，取 心二670s 。统飞轮矩按电动飞轮矩的1.5倍考虑，即GD2=1.5X 0.1=0.15N - m八、系统总体结构设计8.1供电系统的设计结构三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需 在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。当a 6时，Ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的 通断情况、输出整流电压 Ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不 同时，同样的整流输出电压加到负载上， 得到的负载电流Id