异步电机串级调速系统的设计

1、第一章 串级调速系统1.1 主电路方案的确定全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速、电流双闭环调速系统。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。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

2、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，因此效率高。1.2 系统静态及动态要求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时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，

3、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 串级调速基本思路 在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键是在转子侧串入一个可变频、变幅的电压。 对于次同步电动状态的情况，将转子电压先整流成直流电压，再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可调节异步电动机的转速。把交流变压变频问题转化为直流变压问题，分析与实现都比较方便。 电气串级调速系统原理图：图1-1电气串级调速系统原理图第二章 主电路设备和元件的计算与选择

4、2.1电动机的选择及方案2.1.1 供电方案的选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。 由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉 动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可

5、控整流装置无噪声、无磨损、响应快、 体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。在一般情况下，晶闸管变流装置所需的交流电供电压与电网往往不一致。另外为了减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常要配用整流变压器。为了抑制谐波干扰，一般采用接法的整流变压器。2.1.2 电动机的选择本设计采用内反馈串级调速，电机型号等已在给定指标中说明控制电机型号YR250M2-4额定转速1480r/min额定功率40kW效率91.5%调速范围D=3静差率S0.01定子电压/电流380V/85A功率因数0.

6、87转子电压/电流340V/81A频率50HZ表2-1 绕线式异步电动机1）电动机参数计算额定转差率 SN =（1500-1480）/1500=0.01333临界转差率 Sm= Sn2/1-2SN(-1)-1/2=0.082定子电阻r1=0.95U1NS/I1n=0.95*380*0.013/*85=0.032转子电阻：定转子绕组的变比K：折算到转子侧的定子电阻=r1n/2=0.032/1.062=0.028电动机额定转矩MN=9550PN/nN=9550*40/1480=258N.M折算到转子侧的漏抗2）逆变压器参数初步计算变压器二次额定电压U2 U2=(1-1/D)E2N/COSmin=(

7、1-1/3)340/cos300=261V折算至直流侧的变压器等效电阻rdrd=0.01U2/I2N=0.01*261/81=0.0186折算至二次侧的变压器漏抗Xs Xs =0.05 U2/I2N=0.05*261/81=0.093平波电抗器直流电阻RL RL=0.01E2N/I2N=0.01*340/81=0.0242 3）在串级调速状态运行时的额定转矩MCN串级调速运行时直流回路额定电流: 串级调速运行时的额定转矩：转矩降低系数：4）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1.73(0.028+0.032)+0.0186+0.0242+3/*0.28+3/*0.093=0.5

8、03取系统过载系数为=2，则有直流回路最大电流Idm为Idm=IdN=2*106.7=213.4A最大电流时的电动势系数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所以最大电流时对应的最高转速为：nmax= Ed0-R Idm/ Ce/Idm=459-0.503*213.4/0.261=1348r/min则nmin=1/3*1348=449 r/min转速降低系数kn=nmax/nn=1348/1480=0.91功率降低系数Kp=kn/km=0.91*1.08

9、=0.985）电动机校验kpPN=0.86*40=34.4PL 所以，所选电机容量合适6）换向重叠角的校验 所以，系统工作在第一工作区2.2逆变变压器的参数计算 1、 逆变压器二次侧电压Smax=n0-nmin/n0=(1500-449)/1500=0.70U2=SmaxE2N/COSmin=0.70*340/cos300=274.8V,取275V2、逆变压器二次侧电流 81A3、逆变变压器容量计算 取39KVA4、逆变变压器一次侧电流5、逆变变压器参数计算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 整流元器件的计算与选择1、转子整流器的额定电压UTN=(23)U2=(23)275=(7781167)V 取1200V2、额定电流 ITN=（1.52）Ktb Idm=(1.52)0.368*213.4=(118157)A 取200A选取晶闸管KP200-12、硅整流器件ZP200-12各6只2.4平波电抗器电感量的计算1、电动机等效电感2、逆变变压器的漏感3 、按电流连续要求的电感量 即 Lcrl=0.693*(275/)/0.05*106.7-2(0.89+0.312)=18.2mH4 、按限制电流脉动要求的电感量2.5调速系统的保护2.5.1过电压保

11、护1）过电压保护阻容保护交流侧过电压保护措施如图所示：阻容保护参数计算：由于逆变变压器容量40kVA5kVA，故变压器一次侧、二次侧均设置阻容保护环节。变压器一次侧阻容吸收装置参数计算：变压器每相伏安数为13.3kVA，阻容保护采用接法，则电容值为实取=4.7。电容的耐压值电阻按下式计算：，取=20。阻容电流：电阻功率：根据上述计算，实选阻容装置为：油浸电容4.7，630V，3支；绕线电阻20，100W，3支。变压器二次阻容吸收装置参数计算如下：阻容装置采用接法，则实取=5.6。的耐压值，电阻按下式计算：取=13。阻容电流：电阻功率：根据上述计算，实选阻容装置为：油浸电容5.6，630V，3支

12、；绕线电阻13，100W，3支。2）直流侧过电压保护直流侧与交流侧过电压保护方法相同。保护线路如右图所示。容阻保护参数计算：电容量计算如下。（式中：，计算系数值。对于三相桥式电路=70000；，折算至变压器二次侧的空载电流（A）= 取。电容器耐压值电阻值,取10。的额定功率（W）：实选油浸电容47，耐压630V，1支；绕线电阻10，100W，1支。式中：的额定功率（W）：，谐波电压（V），对于三相桥式电路8.89V；，谐波频率（Hz），对于三相桥式电路=300Hz。2.5.2 过电流保护1）直流快速自动开关保护。为了防止变流装置逆变失败及直流侧短路，实行过载保护，本系统采用采用了DS-6/8快

13、速自动开关接在被保护的直流电路内。2）交流侧保护。为了使系统的保护特性协调，满足串级调速运行的起动操作顺序和停车操作顺序，在逆变变压器及电动机电源侧和变压器二次侧均采用DW型自动空气开关实现电路保护。3）快速熔断器保护。快速熔断器作过流保护是半导体变流装置中应用最普遍的保护措施。本系统采用与晶闸管和硅整流元件串联快熔，以及在逆变变压器二次侧串接快熔的方法，实现对元器件和系统的过电流保护。右图是快熔与晶闸管器件串联的保护线路。当线路一旦出现短路故障，能保证在装置损坏之前，快速切断短路电流。与元器件串联快熔FU1的计算： 实选RS3-750V-300A,12只。逆变变压器二次侧快熔的计算： 实选R

14、S3-750V-200A，3只。2.6系统功率因素的改善补偿电容器 补偿电容器接入系统的示意图如下： 改善串级调速装置功率因素的方法有两类，一类是改变串级调速系统本身的结构，即利用改进的串级调速装置；另一类是利用电力电容器来改善功率因素。利用电容器改善功率因素方便易行，故应用较广。第三章 控制回路单元电路的选择3.1电流环元件的选择1、电流检测装置三相桥式有源逆变器中，交流测有效电流I2与直流侧电流Id间有着近似的比列关系，即I2=0.816Id,因此，利用交流电流互感器检测电流，即可以反映直流电流，又能把控制回路与主回路隔离。结构上，交流电流互感器简单。因此，本设计采用交流电流互感器做为电流

15、检测装置。2、电流调节器ASR的机构：为了满足工艺要求，提高系统的动态性能，电流调节器采用近似的PI调节器，由高增益线性组件BG305构成，电流调节器ASR的输出信号和功率放大后做为触发装置GT的移相信号Uct。3、触发装置的选择触发器是晶闸管交流装置的一个极其重要组成部分。进年来，触发电路迅速向集成化发展。集成电路触发器具有性能可靠、线性度好、功耗低、体积小、使用方便的优点。故本设计采用KCZ6集成六脉冲触发组件。该组件采用三块KC04移相触发器、一块KC41六路双脉冲形成器、一块KC42脉冲列调制形成器组成。它将控制电压Uct的幅度转化为相应控制角的触发脉冲，通过脉冲变压器使主电路可靠地工

16、作。控制KC41端子7的逻辑电平，可以很方便地实现对输出脉冲的封锁与开放。当控制端子7接逻辑电平时，无输出脉冲。3.2 转速检测环节的选择1、转速检测环节和电压隔离器转速检测装置的质量和安装精度直接影响着系统的动态品质。本系统采用永磁式直流测速发电机实现转速检测。选用ZYS231/110型。为了使测速发电机与控制回路隔离，本系统设置了直流电压隔离器。2、转速调节器ASR的结构转速调节器ASR采用与ASR相同的结构，由线路组件BG305构成近似的PI调节器，调节器的设置，使转速n跟随给定值Un*变化，稳态时无静差，对负载变化起抗干扰作用；其输出限幅值决定最大电流。第四章 调节器的工程设计4.1双

17、闭环系统静态参数计算1、取速度给定电压 速度反馈系数转速负反馈回路比较电压ucom=anmin=0.01112*449=5V实选：稳定电压为5V的硅稳压管2、取电流给定电压 Uim*=7.5电流反馈系数 = Uim* /Idm=7.5/213.4=0.035V/A转速调节器稳压放大系数Kn Kn=Idn/(snnin)=0.035*106.7/(0.01112*0.01*449)=74.8 取Kn=80Rn=KnR0=80*20K=1.6M系统的稳态速降 =Idn/ Kn=0.035*106.7/（80*0.01112）=4.2r/min低速时静差率S S=/nmin=4.2/449=0.00

18、931%满足系统稳态性能要求。3、双闭环稳态结构图图4-1双闭环稳态结构图4.2 双闭环系统的动态参数计算图4-2双闭环动态结构图1、电流环参数计算图4-3电流环动态结构图取平均失控时间Ts=1.7ms, Toi=2ms, =4.3%, =0.707所以电流调节器的参数为=Ti=0.0243sKi=0.5*=1.14，Lm=0.89+0.312=1.2mH, 取R0=20k, 则Ri=0.5Ki R0=0.5*1.14*20=11.4KCi=i/R =2.1Coi=4*0.002/=0.4选R=470, RP1=4700,R1=12000,C1=2.2 图4-4ACR调节器2、转速环参数计算图4-5转速环动态结构图由于系统要求抗扰性能及跟随性能好，转速环按典型型系统设计，取 h=5, Ton=10ms, R0=20， =3.7ms= Ton+=0.0174s本系统拖动电动机转动惯量为J=2.367，即GD2=4*9.81J=4*9.81*2.49*=97.87按主传动系统GD2为电动机GD2的1.5倍考虑，则拖动系统飞轮惯量GD2 GD2=1.5 GD2=147 N