晶闸管串级调速双闭环系统方案

1、目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc278700250 前言与设计主题2 HYPERLINK l _Toc278700251 1.串级调速系统3 HYPERLINK l _Toc278700252 1.1主电路方案确定 PAGEREF _Toc278700252 h 3 HYPERLINK l _Toc278700253 1.2系统静态和动态要求 PAGEREF _Toc278700253 h 3 HYPERLINK l _Toc278700254 1.3串级调速原理及基本型式 PAGEREF _Toc278700254 h 4 HYPERLINK l _To

2、c278700255 1.4电动机供电方案的确定 PAGEREF _Toc278700255 h 5 HYPERLINK l _Toc278700256 2.电机容量检查 PAGEREF _Toc278700256 h 7 HYPERLINK l _Toc278700257 2.1最大滑点 PAGEREF _Toc278700257 h 7 HYPERLINK l _Toc278700258 2.2转子整流器最大输出电压 PAGEREF _Toc278700258 h 7 HYPERLINK l _Toc278700259 2.3最大直流整流电流和电阻 PAGEREF _Toc27870025

3、9 h 8 HYPERLINK l _Toc278700261 2.4定子电阻和电机额定转矩 PAGEREF _Toc278700261 h 8 HYPERLINK l _Toc278700263 2. 5 漏抗换算到转子侧 PAGEREF _Toc278700263 h 9 HYPERLINK l _Toc278700264 三、整流二极管的选择 PAGEREF _Toc278700264 h 9 HYPERLINK l _Toc278700265 3.1整流二极管电压的选择 PAGEREF _Toc278700265 h 9 HYPERLINK l _Toc278700266 3.2整流二

4、极管电流的选择 PAGEREF _Toc278700266 h 9 HYPERLINK l _Toc278700267 4 、逆变变压器参数计算 PAGEREF _Toc278700267 h 10 HYPERLINK l _Toc278700268 4.1概述 PAGEREF _Toc278700268 h 10 HYPERLINK l _Toc278700269 4.2逆变器二次侧参数初步计算 PAGEREF _Toc278700269 h 10 HYPERLINK l _Toc278700279 4.3逆变变压器计算 PAGEREF _Toc278700279 h 12 HYPERLIN

5、K l _Toc278700280 五、硅整流元件和晶闸管的选用 PAGEREF _Toc278700280 h 13 HYPERLINK l _Toc278700281 5.1参数计算 PAGEREF _Toc278700281 h 13 HYPERLINK l _Toc278700282 5.2速度控制系统的保护 PAGEREF _Toc278700282 h 14 HYPERLINK l _Toc278700286 6.平滑电抗器电感的计算 PAGEREF _Toc278700286 h 16 HYPERLINK l _Toc278700287 6.1转子直流回路平滑电抗器的作用 PAG

6、EREF _Toc278700287 h 17 HYPERLINK l _Toc278700288 6.2电感的计算 PAGEREF _Toc278700288 h 17 HYPERLINK l _Toc278700289 6.3 启动方式的确定 PAGEREF _Toc278700289 h 18 HYPERLINK l _Toc278700290 7.双闭环控制系统参数计算 PAGEREF _Toc278700290 h 18 HYPERLINK l _Toc278700291 7.1双闭环系统静参数 PAGEREF _Toc278700291 h 计算18 HYPERLINK l _To

7、c278700292 7.2双闭环系统 PAGEREF _Toc278700292 h 动态参数计算19 HYPERLINK l _Toc278700295 八、系统整体结构设计 PAGEREF _Toc278700295 h 21 HYPERLINK l _Toc278700296 8.1供电系统 PAGEREF _Toc278700296 h 设计结构21 HYPERLINK l _Toc278700297 8.2稳压器的设计结构 PAGEREF _Toc278700297 h 22 HYPERLINK l _Toc278700299 9.设计经验前言现代工业的电驱动一般要求部分或全部自动

8、化，因此必须与各种控制元件组成的自动控制系统相联动，电驱动可视为自动电驱动系统的简称。在这个系统中，生产机械可以自动控制。随着现代电力技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动电驱动正朝着计算机控制的生产过程自动化方向发展。以实现高速、高质量、高效率的生产。在大多数集成自动化系统中，自动化电力牵引系统仍然是不可或缺的组成部分。此外，低成本自动化技术和设备的发展在国外也越来越受到重视。特别是对于小型企业来说，应用技术适宜的设备，不仅有利于获得经济效益，而且可以提高生产率、可靠性和灵活性，以及易于应用的优点。自动化电动拖动系统是低成本自动化系统的重要组成部分。电力电子技术通常分为两个分支：

9、电力电子器件制造技术和变流器技术。变流器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种电力变换电路并控制这些电路的技术，以及由这些电路构成电力电子器件和电力电子系统的技术。交流电机拖动设计题目：提升机最大负载功率D=3，采用晶闸管串级调速双闭环系统。整流器采用三相桥式整流电路，逆变器采用三相桥式全控电路。要求：选择电机。逆变变压器参数的计算。整流电路和逆变电路器件的选用。4. 平波电抗器电感的计算基于串级调速的双闭环控制系统1 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滑差功耗的调速系统，转速低时滑差功耗大，从而限制了调速范围。如果想尝试恢复转差功率，需要在异步电机

10、的转子侧进行控制，可以使用绕线转子异步电机。普通绕线转子异步电动机使用转子回路串联电阻来调节速度。这种调速方式简单、操作方便、价格便宜，但在阻力上会消耗大量能量，效率低，经济性差。同时，由于转子回路的附加电阻容量大，可调级数有限，无法实现平滑调速。为了克服上述缺点，需要寻求一种效率更高、性能更好的绕线转子异步电动机转差功率共馈的调速方法，而串级调速系统就是一个很好的解决方案。串级调速是通过在绕线异步电动机的转子电路中引入额外的电势来实现的。属于可变滑差率实现串级调速。与转子串联电阻的方式不同，串级调速可以应用异步电机的功率（反馈给电网或将其转化为机械能送回电机轴），因此效率高。可实现无级平稳调

11、速，低速时机械特性较硬。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，因此得到了广泛的应用。1.2 系统静态和动态要求如果采用双闭环调速系统，可以在限制电机最大电流（转矩）的情况下，充分利用电机的内容过载能力，使电驱动系统能够尽可能从最大加速度开始，达到稳态速度。之后，可以迅速降低电流，使转矩立即与负载平衡，从而切换到稳态运行。此时启动电流近似为方波，转速近似线性增加。在转矩受限的情况下，减速系统所能获得的最快启动过程。采用速度和电流双闭环调速系统，在系统中设置两个调节器分别调节速度和电流，两者串联，在运行过程中只能实现电流负反馈。启动过程中，它和速度负反馈没有同时加到调节器的输入端

12、。达到稳态转速后，仅转速负反馈不依赖电流负反馈起主要作用，从而获得良好的静态和动态性能。与电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环速度控制系统的静态特性表明，当负载电流小于差值时，速度没有静态差。获得过流自动保护。显然静态特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在启动和提速过程中表现出快速的动态跟随。在动态抗扰动性能方面，具有较强的抗负载扰动和电网电压扰动能力。1.3串级调速原理及基本型式假设异步电动机的外加电源电压和负载转矩不变。那么电机的转子电流在调速前后基本保持不变。如果在转子电路中引入一个与转子电位频率相同、相位相同或相反的附加电位，则转子电流为其中： ：转子回路电阻；：转子转动时

13、转子绕组各相漏抗；：转子开路相电位；电机正常运行时，转差 s 很小，所以 。忽略那里，在上面的公式中，它是一个取决于电机的常数。因此，改变附加电位可以改变滑移率S，从而实现调速。假设当=0时，电机以额定转速运行，即由（式1-2）可知，当附加电动势与转子相电位相反时（取前面的负号)，变化幅度可以在额定转速以下进行调整。 ，这种调度方式称为低同步串级调速，附加电位与转子相电位同相。同时（前面的正号），改变后的大小可以调整到额定转速以上。这种调度方式称为超同步串级调速（即s0）。串级调速四种基本状态模式下的能量传递方式如图1-1所示。图中，忽略电机部分的各种损耗，确定定子输入功率P为转子输出功率。图

14、1-1串级调速系统基本状态模式晶闸管低同步串级调速系统是利用绕线转子异步电动机转子侧的大功率晶闸管或二极管，将转子转差频率的交流电转换成直流电，再通过晶闸管逆变器将转子电流返回到更换电机的电源。一种调速方式。电气串级调速系统示意图，见图1-2图1-2电气串级调速系统示意图1.4 电动机供电方案的确定变电压调速是直流调速系统中使用的主要方法。调节电枢供电电压通常需要三个可控电源：旋转电流单元、静态可控整流器、直流斩波器和脉宽调制转换器。旋转变流器单元称为GM系统，它使用交流电机和直流发电机组成一个单元，以获得可调节的直流电压。适用于要求低速调节，要求可逆运行，但设备多、体积大、成本高、效率低、维

15、护不便的系统。使用静态可控整流器，例如晶闸管可控整流器，得到可调直流静态可控整流器，也称为VM串联电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，可以改变Ud，从而实现平滑的调速，控制效果快，性能好，动态性能好。系统得到改进。直流斩波器和PWM转换器使用PWM，由恒定直流或不可控整流电源供电，并使用直流斩波器或PWM转换器产生可变平均电压。受设备数量限制，适用于中低功率系统。根据本设计的技术要求和特点，选择VM系统。在VM系统中，当给稳压器一个电压时，可以移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而很容易改变整流器的输出，即瞬时电压Ud。由于要求直流电压纹波小，所以采用三相整流电路。考虑到使

16、电路简单、经济和满足性能要求，选用晶闸管三相全控桥式交流供电方案。由于三相桥式全控整流电压的脉动频率高于三相半波，因此平滑电抗器所需的电感量可降低一半左右，这是三相电抗器的一大优点。桥式整流电路。晶闸管可控整流装置无噪音、无磨损、响应速度快、体积小、重量轻、投资少。并且工作可靠，能耗小，效率高。同时由于电机容量大，要求电流脉动小。综上所述，选用晶闸管三相全控桥式整流电路的供电方案。一般来说，晶闸管变流器所需的交流电源电压往往与电网不一致。此外，为了减少电网与晶闸管器件之间的相互干扰，需要进行隔离，因此通常采用整流变压器。为了抑制谐波干扰，一般采用接法的整流变压器。考虑到异步电动机输出最大转矩的

17、降低、功率因数的降低和转子损耗的增加等因素，对于新设计或改造的机型应重新选择异步电动机的容量。电机容量计算如下：式中， 串级调速系数，一般取1.2左右。对于串级调速系统长期低速运行，宜大些；按常规计算方法计算的电机容量。电机容量选自产品手册本设计采用反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的相关数据。电机等级为连续额定S1，基本防护等级为IP23，基本冷却方式为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。控制电机型号YRz50mz-4最高148 0转/分额定功率40kW效率91.5%定子电压/电流380V/85A功率因数0.87转子电压/电流340V/81A表1-1绕线异步电动机由于调速范围小，对

18、动、静态性能有一定的性能要求，采用晶闸管串级调速双闭环调速系统较为合适。整流器采用三相桥式全控整流电路。2电机容量检查2.1最大滑点式中： ：电机同步转速，约等于电机额定转速；：串级调速系统的最低工作速度；:速度控制圆D=32.2转子整流器最大输出电压模型信息技术库特_紫外线_ _基尔_KL _三相带中性线0.3670.670.5770.4721.3510.866三相桥0.3671.350.8150.8161.0520.5双三相桥串联0.3672.70.8161.5781.0340.360.52双三相桥并联0.1841.350.4180.7891.0310.260.32表2-1变流器主功率计算

19、系数SEQ 表2-1_变流器主电量计算系数 * ARABIC1中：转子开路相电位；：整流电压计算系数，见表2-1 ；但2.3最大直流整流电流式中： M：电机电流过载倍数，约等于2的转矩过载倍数；I2N_ _：转子线电流额定值； _：整流电压计算系数，见表2-1；I dN ：转子整流输出直流额定电流； I dN = I 2N / K IV ;1.1：考虑转子电流畸变等因素影响的系数；但2.4 最大直流整流电阻2.5 定子电阻定转子绕组比=定子电阻转换为转子侧=2.6 电机额定转矩2.7 漏抗换算到转子侧3整流二极管的选择3.1 整流二极管电压的选择假设每个桥臂上串联的整流二极管个数为N=3 ，则

20、每个二极管的反向重复峰值为其中： ：电压计算系数，见上表2-1 ；：转子开路相电位；：均压系数，一般取0.9 。元件不串联时取1 ；由上式可知，整流二极管所承受的最高电压和最低电压与系统的调速范围D有关。调速范围越大，元件承受的电压越高。那么： 170.13.2整流二极管电流的选择在大容量级联调速系统中，需要多个整流二极管并联使用。假设并联支路数为Np = 3 ，则每个整流二极管的电流计算如下：式中： K IT ：电流计算系数，见表2-1 ；I dmax ：转子整流器的最大直流整流电流；K AC : 均流系数。其值可以为0.8 0.9 ，元件不并联时为1 ；4逆变变压器参数计算4.1 概述对于

21、不同转子额定电压和不同调速范围的异步电动机，要求逆变变压器二次侧的电压不同来匹配；同时，还希望转子电路与交流电网之间实现电气隔离，所以一般串级调速所有系统都需要配备逆变变压器。4.2逆变器二次侧参数初步计算逆变变压器二次侧电压根据转子的最大整流电压等于变频器在最低转速时的最大电压的原理确定：式中： U T2 ：逆变变压器二次侧线电压；U dmax ：转子整流器的最大输出直流电压；K UV ：整流电压计算系数，见表2-1 ；min ：最小反转角，一般为30 ；也就是说，逆变变压器转换为直流侧电抗，然后，转换为直流侧的等效电阻平滑电抗器直流电阻级联运行时的额定转速当S=1时，电机定子换算到直流侧的

22、等效电阻为1.73 ，所以电机的额定转矩考虑换向重叠角的影响，线性化后，上式为但扭矩减小系数为串级调速运行中最高转速的确定直流电路的总等效电阻为式中，电机换算到直流侧的等效电阻可以根据等功率原理换算，即必须最大电流下的电动势系数为：最大速度：但减速系数电机校准或者即选用的电机符合要求。所以，当，换向重叠角为该系统在第一个工作区工作。4.3逆变变压器计算逆变变压器二次侧线电压也因为逆变变压器的计算容量为逆变变压器原边电流所以更正为匹配上一个值5硅整流元件和晶闸管的选择5.1 参数计算式中（三相桥式电路，感性负载）摘 要因为摘 要选用六只硅整流元件ZP150-12和六只晶闸管KP150-12。5.

23、2 调速系统的保护该晶闸管具有换向方便、无噪音的优点。除了正确选择晶闸管电路的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过压、过流保护措施。正确的保护是晶闸管装置可靠、正常运行的关键。5.2.1过压保护不能从根本上消除过电压的根本原因，但只能将过电压的幅值抑制在安全范围内。这就是过压保护的基本思想。抑制过电压的方法有以下三种：使用无超导元件限制过电压的幅度；使用电阻来耗散产生过电压的能量；利用储能元件吸收产生过电压的能量。在实际应用中，往往需要在电路的不同部分使用不同的方法，或者在同一部分同时使用两种不同的保护方法。按过压保护部位分，有交流侧过压保护、直流侧过压保护和装置两端过压保护三种。1

24、.交流侧过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：图5-1图5-1 阻容保护电路图变压器连接单纯形三相二次 Y 接法三相二次D接法阻容装置连接与变压器二次侧平行Y形接头D-结Y形接头D-结电容CC1/3C3CC反抗RR3R1/3RR表5-1变压器接线及 RC 选型对于三相电路， R和C的值可按表5-1换算。系统采用DY连接。S=1.9299KVA，U2 = 120V变压器励磁电流百分比 I em ：当 S=110KVA 时，对应的Iem =41，故取 Iem 为 3。C 6IemS/U 2 2 = 633410 3 /120 2 =14.17F选择

25、 20F 铝电解电容。变压器短路电压比选择：S=110KVA，I em =15，所以I em取3 。C 2.3 U 2 2 /S =2.3120 2 /1.929910 3 =9.37即选择ZB1-10的电阻。5.2.1直流侧过压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同的保护方式，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但是，使用 RC 保护很容易影响系统的快速性，并会导致增加。因此，一般不采用阻容保护，只采用压敏电阻进行过压保护，如图（3-2）所示。U 1MA = (1.8-2.2) U DC = (1.8-2.2) 230=414-460V选择MY31-440/5压敏电阻。内容偏差+10% (484V)

26、。表5-2为晶闸管和整流二极管两端的过压保护；晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052图5-2压敏电阻保护接线方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的方法。可在晶闸管两端峰值工作电压的1.11.15倍可选加电容耐压得到 C=0.1F，R=100。选择R为0.2F的CZJD-2金属化纸介电容器。P R =fCU m 2 10-6=500.210-6(120)210-6=0.4510-6W即选择R为20的普通金属膜电阻，RJ-0.5。电流保护快速熔断器分断时间短，保护性能更好，是目前

27、最常用的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧，也可以安装在交流侧，也可以直接与晶闸管串联。1）交流侧快速熔断器的选择I 2 =5.37A选用RLS-10快速熔断器，熔体额定电流为6A。2）选择与晶闸管串联的快速熔断器 I=I 2 =5.37A, I T = 3.11A选用RLS-10快速熔断器，熔体额定电流为4A。3) 电压和电流上升率的限制电压上升率：当正相电压上升率较大时，晶闸管会误接。因此，应限制作用在晶闸管上的正相电压的上升速度。电压上升率过大一般有两个原因：电网侵入的过电压；由于晶闸管换相相当于线电压短路，换相后线电压会升高，每次换相都可能造成电压过高。 .若限值过大，可在电源输入端

28、串联电感，将电感串联在晶闸管各桥臂上，利用电感的滤波特性降低价值。电流上升率：当电流上升率过大时，可能导致栅极附近过热，造成晶闸管损坏。因此，必须限制晶闸管的电流上升率。增加过大的原因一般是：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然对晶闸管放电；交流电源通过晶闸管给直流侧保护电容充电；直流侧负载突然短路等。限制，RC保护中除了选择合适的电阻外，还可以采用与限制相同的措施，即在每个桥臂上串联一个电感。为限制总和的电感，可采用空心电抗器，要求L(20-30) H；也可以使用铁心电抗器，L值可以更大。在容量较小的系统中，与晶闸管相连的导线也可以绕一定圈数，或者在导线上放置一个或几个磁环来代替

29、桥臂电抗器。因此，为了防止每个桥臂串联一个30H的电感。6平波电抗器电感的计算6.1 转子直流回路平滑电抗器的作用一是串级速度在最小工作电流下仍能保持电流的连续性；二是降低电流脉动，将电机转子中直流电路中脉动分量引起的附加损耗控制在内容范围内。6.2 电感计算1、电机等效电感2、逆变变压器的等效电感3. 持续电流所需的电感在公式，（三相桥全控电路）也就是说，四、根据限制电流纹波所需的电感式中， 最低谐波电压幅值；逆变变压器二次侧相电压有效值；- 三相桥式电路的最低谐波频率；- 电流纹波系数，要求= 0.05 ；（三相桥全控电路）；但，选择平波电抗器，当 I d = 106.7A时，电感为 8m

30、H，当 I d = 5.35A 时，电感不小于 20mH6.3 启动方式的确定串级调速器启动时，启动电流因为，需要在转子电路中串联频敏变阻器才能启动，当S=0.79，即n=315r/min时，串级调速装置投入运行。7 双闭环控制系统参数计算7.1 双闭环系统静参数计算(1)取速度给定电压速度反馈系数(2)取当前给定电压电流反馈系数(3) 取电流调节器的最大输出电压；晶闸管电压放大(4) 晶闸管逆变器滞后时间常数低速静态差速所需的降速由于使用了抑制零漂的 PI 调节器，稳态下的速度下降必须满足：但因为，摘 要如果你拿电流环所以静态差率7.2 双闭环系统动态参数计算由以上分析可知，和都是滑差率S的

31、函数，所以电流环是一个非稳态系统，但可以根据稳态系统设计电流和值，以保证系统具有良好的性能。8.2.1电流回路参数的计算由公式可知，代入即可推导出由于要求电流环的过冲小，所以电流环是按照典型的I型系统设计的。摘 要但制作所以，速度环参数计算由于系统要求具有良好的抗扰动性能和随动性能，速度环按典型的型系统设计，h=5。摘 要速度环截止频率也因为满足 i 的条件，则电流环可以等效为惯性环节。但如果按两次计算结果基本一致，取.常规飞轮扭矩被认为是电动飞轮扭矩的1.5倍，即GD 2 =1.50.1=0.15Nm8 系统整体结构设计8.1 供电系统设计结构三相桥式全控整流电路大多用于给阻性负载和反电动势阻性负载供电（即为直流电机驱动），下面主要分