矿井提升机串级调速系统设计说明_第1页
矿井提升机串级调速系统设计说明_第2页
矿井提升机串级调速系统设计说明_第3页
矿井提升机串级调速系统设计说明_第4页
矿井提升机串级调速系统设计说明_第5页
已阅读5页,还剩42页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

1、毕业设计(论文)矿井提升机梯级调速系统设计摘要串级调速是交流异步电动机调速的一种。串级调速的思想是通过三相桥式整流将异步电动机的转子电压转换成直流电压,然后通过晶闸管将直流侧逆变。该电路与三相桥产生的直流电压串联产生相反的直流电位,通过改变逆变器角度的大小来改变直流电位的大小,达到调速的目的,同时,可以提高电机的运行效率和调速的经济性。性别。针对矿井提升机对电驱动系统的要求,本文采用可控硅串级调速控制其驱动电机实现无级调速,以满足矿井提升机对电驱动系统调速性能和节能的要求。 .本文主要研究三相交流绕线异步电动机晶闸管串级调速系统的主、辅电路设计相关的技术问题。包括系统的组成及工作原理、主回路的

2、设计、控制回路的设计、系统静、动态工作特性的计算与分析等。关键词:晶闸管, 串级调速, 整流器, 逆变器目录一、概述11.1 交流电机调速发展概况11.2 矿井提升机对电驱动系统的要求31.3 本研究的目的和内容42、提升机调速系统方案的选择52.1 卷扬机进系统调速方式的选择52.2 双闭环控制系统的选择52.3 桥式电路的选择62.4 触发电路的选择7提升机梯级调速的工作原理83.1串级调速系统的工作原理及工作状态83.2 串级调速系统主电路工作原理103.3 串级调速环的工作原理123.4 矿井提升机系统组成及工作原理124.主回路电路设计154.1 三相桥式不可控整流器的设计154.2

3、 三相桥式逆变器的设计154.3 逆变变压器的设计164.4 平波电抗器 LP 16的设计4.5 晶闸管保护电路设计175.控制回路电路的设计195.1 稳压电源设计195.2 触发电路设计225.3 定子控制单元的设计225.4 绝对值单元的设计245.5 速度反馈网络的设计245.6 电流感应反馈网络的设计255.7 控制电路设计266. 系统静、动态特性计算286.1 系统静态特性的计算286.2 系统动态特性的计算307、串级调速系统调试357.1 总则检查和线路检查357.2 单元设备调试357.3 系统调试377.4 操作电路的调试38主要部件清单39结论40至41参考概述1.1

4、交流电机调速发展概况纵观电驱动的发展过程,交流和直流传输方式在各个生产领域并存。在电力电子发展之前,直流电机几乎是垄断的。对于直流电动机,只需改变电动机的电压或励磁电流即可实现电动机的无级调速,电动机的转矩易于控制,具有良好的动态性能。随着工业技术的不断发展,它们相互竞争,相互促进。与直流电动机相比,交流电动机,尤其是鼠笼式异步电动机,具有一些突出的优点:制造成本低;轻的;低惯性;高可靠性和运行效率;维护工作量小;在易燃易爆气体环境中安全运行。这些与现代速度控制系统所需的可靠性、可用性和可维护性是一致的。正是由于交流电机的这一优势,其在电驱动系统中的应用比直流电机要广泛得多,占电驱动总容量的8

5、0%以上;但同时,交流电机本身是非线性电机。 ,强耦合多变量系统,其可控性较差。随着电力电子技术和自动控制技术的快速发展以及各种高性能电力电子器件的出现,为交流调速系统的发展创造了有利条件。特别是1970年代初出现的矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上出现的磁通反馈矢量控制、滑差矢量控制、直接转矩控制等实用系统,极大地推动了交流传动控制的发展。技术。开发。将这些新型交流驱动控制技术与高性能变频器相结合,可以使由交流电机组成的交流伺服系统的性能与高精度直流伺服系统相匹配。尤其是在一些大容量、高速或特殊环境下,交流调速系统显示出无可比拟的优越性,电驱动交流时代随之而来。根据异步电动机的速度公式:式

6、中电机极对数电源频率- 电机打滑因此,异步电动机的基本调速方法有三种,即改变极对数、改变转差率和改变电源频率。在改变打滑调速方面,可分为转子串联电阻调速、串级调速、电压调节调速和电磁打滑离合器调速四种。换极调速变极调速是一种通过改变绕组极对数来改变异步电动机同步转速的调速方法。由于电机的极对数只能成倍数变化,所以转速只能近似成倍数变化。变极调速主要用于鼠笼式异步电动机。变极电机通常有两种类型的电机,将单个绕组的接线转换以改变极对数,以及在同一铁芯上具有两个以上极对数的两种不同绕组。这种调速的优点是:设备简单,操作方便,机械特性硬,效率高,既适用于恒转矩调速,也适用于恒功率调速。缺点:属于有级调

7、速,调速阶段不多。因此,它只适用于不需要平滑调速的场合。例如,在一些机床的调速中,采用变极调速和齿轮箱的机械调速,可以更好地满足生产机械对调速的要求。(2)转子串电阻调速这是绕线异步电动机调速的一种方法,即在电动机的转子电路中串接一个可变电阻,以改变电动机机械特性的斜率,从而改变电动机在工作条件下的转差率。达到一定的负载调速目的。因为转子系列的电阻不能连续变化。因此,电机的转速只能是步进式的,即步进式调速。这种调速的优点:设备简单,易于实施,初期投资不大。缺点:低速时机械特性变软,最低转速受限于生产机械内容的静差率,所以调速范围不大,一般只有2-3档。 转子串电阻分阶段调节,是逐级调速,调速平

8、滑性较差。 只适用于带负载调速。在空载或轻载时,通过调整转子电阻得到的转子转速变化不大。 低速时转差率s大,转子铜损P cu2 =sP m大。效率低,经济性差。由于上述特点,这种方式多适用于起重机等对调速性能要求不高的恒转矩负载,也可应用于风机类负载。(3) 调压调速调压调速是通过改变电机定子供电电压的大小来改变电机在一定负载下的转速的一种调速方法。在调速过程中,电机的转差功率会损失在转子的电阻上。调压调速优点:调速平稳,采用闭环调速系统,其机械特性非常硬,调速幅度宽(可达10:1)。缺点:由于是可变滑差调速,低速时滑差功率损失大,效率低。这种调速主要适用于转子电阻较大的电机。(4)电磁滑差离

9、合器调速电磁滑差离合器调速的特点是电磁滑差离合器用于连接异步电动机和负载。电机为普通鼠笼式异步电机,不调节转速,但可通过改变电磁滑差离合器的励磁电流来调节与负载相连的输出轴的转速。电磁滑差离合器调速的优点:控制简单、价格低廉、运行可靠、维修方便、调速平稳、使用闭环系统可扩大调速范围。缺点:低速损耗大,效率低等缺点。这种调速方式广泛用于纺纱、印染、造纸等机械具有通风和机械负荷特性。(5)变频调速变频调速是利用电机同步转速随频率变化的特性,通过改变电机电源的频率来调节转速。变频调速的优点:调速范围宽(可达10:1),平滑度高,调速时机械特性硬,静态误差率小,变频时可根据不同规则改变U 1达到恒定扭

10、矩或恒功率调速。因此,可以形成高性能的交流调速系统。缺点:必须有一套变频电源。目前变频电源的结构还比较复杂,价格也比较高,容量不够大。 低速时最大转矩 M M小,降低了电机的过载能力。(6)串级调速绕线异步电动机转子串电阻的调速是以能量损失为代价实现的。速度越低,损耗越大,效率越低。如果能在转子电路中串联一个能量吸收装置,可以吸收这部分损失的能量,并反馈回电网,可以大大提高系统的运行效率。这种转差功率反馈式调速方式称为串级调速。具体来说,就是在电机的转子电路中插入一个附加电位,通过调节附加电位的大小来改变电机在一定负载下的转差率,从而达到调节电机转速的目的。 .与串联电阻调速相比,串级调速的优

11、点是:机械性能更硬,调速平顺性更好,损耗小,易于向大容量发展。缺点:功率因数低(由于滤波电抗器和晶闸管逆变器的存在),设备比较复杂。成本高,低速转差率s大,恢复转差功率sP m大,还要增加变流装置的容量,不经济,电机过载能力低在低速。因此,串级调速最适合调速范围不大(一般为2-4级)的场合。如通风机械、起重机械等设备。1.2 矿井提升机电驱动系统要求在现代工业生产中,生产机械不断运动,几乎无处不在使用电力驱动。由于各种生产机械的运动规律不同,对电驱动的性能要求也不同。为了提高产品质量,增加产量,提高生产效率,越来越多的生产机器需要实现调速和相应的自动控制,对电动变速器的要求也越来越高。矿井提升

12、机是矿山运输的主要设备,是连接地下与地面的重要工具。矿井提升机也是矿山最大的固定设备之一。其耗电量占矿井总耗电量的30%-40%。因此,为了降低矿石成本,必须经济合理地选择和设计矿井提升机设备。矿井提升机对电驱动系统的要求如下:为使吊笼可升降,要求升降系统应采用可逆系统,即曳引电机可正反转。提升机采用三段梯形速度图。根据安全规定:加减速度不应大于升降人员时的加速度和减速度。在提升矿石、设备或人员时,提升机的速度不同,因此要求电机具有更好的调速性能。为保障生产和人员安全,要求电驱动系统运行准确、安全、可靠。系统采用单笼提升,用于副井提升矿石和人员。根据上述要求,卷扬机的驱动方式主要有两种,即交流

13、驱动(采用交流绕线异步电动机)和直流驱动(采用直流他励电动机)。设备投资大,安装维护困难,设备占地面积大。因此,在中小型矿井提升机设备中,选用交流绕线异步电动机作为提升机的驱动电机。为使驱动系统具有更好的调速性能,节约电能,采用晶闸管串级调速;采用改变定子电源电压相序的方法,实现电机的可逆运行。1.3 本研究的目的和内容为了使矿井提升机具有更好的调速性能和节约电能,提高电机的运行效率和调速的经济性,降低矿石成本。满足矿井提升机对电驱动系统的要求。我们采用转差功率反馈型晶闸管串级调速,对起升电机的转子电流进行整流,然后通过有源逆变器反馈给电网,避免了复杂的变频问题,在一定程度上简化了控制电路。可

14、以降低电机的转子电流,达到降低转速的目的。本毕业设计的内容主要是研究三相交流绕线异步电动机晶闸管串级调速系统主、辅电路设计相关的技术问题。包括系统的组成及各部分的工作原理、主电路电路的设计、触发电路的设计、电流反馈网络、绝对值单元、定子控制单元和转速的设计。反馈网络以简化系统的动态和静态特性。分析计算。2、提升机调速系统方案的选择2.1 卷扬机调速系统调速方式的选择2.1.1电机分为两大类:交流电机和直流电机。我们选择矿井提升机的电源有两种选择:直流电机和交流电机。直流电机的调速范围大,调速平稳,可以进行精确的位置控制。用于拖曳系统中过渡过程有特殊要求的大功率生产机械。如高精度数控机床、龙门床

15、等。交流电机种类繁多,广泛应用于各个生产领域,并有取代价格昂贵、效率低下的直流电机的趋势。交流电动机大致可分为异步电动机和同步电动机。同步电机转速恒定,可提高功率因数,容量大,无法实现无级调速。在对调速性能要求不高的生产机械中优先选用鼠笼式三相异步电动机;广泛用于需要频繁启动和制动,需要较大的启动和制动扭矩,并有调速要求的生产机械。绕线异步电动机。因此本设计的电机选用绕线异步电机作为起升电机。满足矿井提升机的要求:启动和制动过渡过程平稳,运行平稳,扭矩大,需要一定的调速范围,启动和制动频繁,启动和制动时间短,省时省电,消耗更少活力。低能耗,高效率。2.1.2选择串级调速系统的理由从上面提到的异

16、步电动机的调速类型和各种调速的优缺点,根据各种原因和卷扬机对电气驱动系统的要求,绕组异步电动机晶闸管串级系统的选择是众所周知的。调速方案比较适合本课题的设计要求,经济性也不错,满足了设计的目的。系统中采用静态晶闸管逆变装置实现矿井提升机的超同步调速,上行采用低速同步调速,通过反向牵引和反向制动实现停车。2.2 双闭环控制系统的选择由于我们的系统选用串级调速,不同于调压调速系统,串级调速系统本身具有与直流电机相似的机械特性。因此,开环控制速度控制系统可以用于一些速度控制精度不高的场合。但是,如果要进一步提高系统的静态精度,获得更好的动态性能,就必须使用反馈控制。更好的反馈控制方法是使用电流和速度

17、反馈的双闭环控制方法。该系统应该选择哪种控制方式,可以从以下两个方面考虑:工作环境:矿井提升机启动和制动频繁,因此必须缩短启动和制动时间,以提高工作效率。因此,电机必须以最大启动电流制动。如果采用单闭环调速系统,启动制动电流可达额定电流的3-5倍。如果不限制启动制动电流,无疑会缩短电机的寿命,并且卷扬机不内容过大的减速。停車處。尤其是卷扬机卡死时,会造成电机堵转,烧毁电机。为了防止这种情况发生,必须加负反馈切断电流,以限制最大启动电流、制动电流和闭锁电流。具有电流截止负反馈环节的单闭环调速系统只能限制电机的最大电流,并没有令人满意的快速启动和制动性能,因为在过渡过程中,电流一直在变化,达到最大

18、值后,由于负反馈的加强和电机转子内电位的增加,电流再次降低,电机转矩也降低,从而延长了制动过程。因此,单一的闭环速度控制系统无法满足本课题的要求。(2)从提升机运行平稳、动态性能和快速性的要求来看,单闭环控制速度控制系统远不如双闭环控制速度控制系统。(3) 多闭环控制调速主要是抑制系统的超速。仅用于需要非常稳定的调速运行的系统中。另一个复杂的结构和强大的技术性限制了它的使用。同时矿井提升机不需要满足这么高的要求,不符合设备的经济性。要求。综上所述,提升机晶闸管串级调速系统设计采用双闭环控制调速系统,可以满足矿井提升机对调速性能的要求。2.3桥式电路的选择的附加电位,利用附加直流电位与转子整流后

19、的直流电压叠加,形成串级调速系统。在串级调速系统中,转子三相绕组和六个二极管组成整流电路,对转子电压进行整流。整流前转子电位的频率和幅度是转差的函数。因此,转换到转子侧的换向漏抗也是转差的函数。 (是s=1时各相换算到转子侧的漏抗)由于转入转子侧的异步电机漏抗较大,换向重叠现象严重,换向重叠角增大,造成转子整流电路工作状态特殊。我们知道是由于整流电源的漏感和整流电流同时导通的现象。串级调速系统的漏感比一般整流器大,所以随着增大,转角比一般整流器大很多,甚至超过60 ,而三相桥式每60换向一次,当 时,下一次换相将延迟换相,延迟角为p。稳定运行时,在60的换相周期中,下一次换相会延迟开始换相,其

20、换相角必须等于60,所以会导致下一次换相也延迟,从而强制换相。限制在 60。如果它继续增加,它也会增加。当 p 达到 30 时,它将不再增加。此时,共阳极组和共阴极组会出现重叠换流现象,导致负载短路,无法正常工作。因此,串级调速可分为三种工作状态:第一种工作状态:第二种工作状态: ,第三种工作状态: ,在矿井提升机晶闸管串级调速系统的主电路中,采用六个晶闸管组成逆变电路,提供直流反电动势。如果采用三相半波逆变桥,则存在以下缺点:变压器利用率很低,因为电流在一个周期中流过一个相位的时间只有 1/3。(2)变压器只有单向脉动电流,其直流分量在磁路中形成直流不平衡磁势,使三相变压器产生较大的漏磁通,

21、造成附加损耗,不利于晶闸管换相.因此,采用三相全控桥式,在触发换相时将共阴极组、低阳极电位管切换到高阳极电位管。因此,在相电压波形中,触发时电压跳变,而共阳极组, , ,触发换相时,阴极电位高的管子切换到阴极电位低的管子,所以电压向下跳变触发时。2.4 触发电路的选择采用绕线异步电动机级联调速系统中的晶闸管构成三相逆变桥回馈电能。基于这些要求,选用了KCZ6一体化六脉冲触发元件。适用于要求较高的三相全控桥式变流器的触发,输出脉冲能可靠驱动大功率晶闸管,具有以下特点:同步电压不受电网畸变和换向间隙的干扰。同步电压范围宽,只需要三个同步电压。输出脉冲为列式双脉冲,脉冲变压器体积小。可轻松与各种系统

22、匹配,易于调试,易于组装。通过以上对提升电机的调速方式、控制方式、触发电路和串级调速主电路的选择,可以得到串级调速系统的框图,如图2-1所示:图2-1 矿井提升机晶闸管串级调速系统框图三、矿井提升机串级调速工作原理3.1串级调速系统的工作原理及工作状态串级调速是通过吸收电机转子回路中的部分转差功率来实现调速的方法。有效的吸收方法是在绕线异步电动机的转子电路中串联插入与转子电位相同频率的附加电位,如图3-1所示。通过改变附加电位的大小,可以改变电机吸收转差功率的大小,从而实现对电机转速的调节。当异步电动机在固有的机械特性上运行时,它相当于附加电位的状态。此时电机的转速接近额定值。假设电机负载为恒

23、转矩负载,转子电流为:图3-1 串级调速示意图式中转子绕组各相电阻; 当s=1时,转子绕组各相漏抗;转子开路时的相电位当电机转子电路中串联一个与感应电位相反的附加电位时,会导致电机转子电流下降。那么电机产生的电磁转矩为:式中电机转矩系数电机主磁通- 电机转子功率因数转子电流值相应降低电机输出转矩,电机输出转矩小于负载转矩,破坏稳定运行状态,迫使电机转速下降。随着转速的降低,转差 s 会增加,转子电流会上升,电磁转矩也会相应上升。当电机转速下降到一定值时,电机输出转矩与负载转矩相等,减速过程结束,电机在该转速下稳定运行。这就是低同步速度方向的速度调节的工作原理。串联增加的附加电势幅度越大,电机最

24、终稳定运行速度越低。同理,将与感应电位同相的附加电位串联在电动机的转子电路中,可以提高电动机的转速。即超同步串级调速的工作原理,将电机转速调到高于同步转速的方向。串联附加电位的幅度越大,电机最终稳定运行的速度就越高。图 3-2 四种工作状态下串级调速的功率传递关系低同步电机运行状态(1s0) b)超同步电机运行状态(s0)c) 超同步电机制动状态(ss0)与转子感应电位在幅值和相位关系上的不同,串级调速有四种基本工作状态。这四种工作状态的本质是利用不同的附加电位改变电机部分的动力传递关系,实现电机的调速。因此,可以通过功率传递关系来讨论串级调速的基本工作状态。图 3-2 显示了这四种基本操作状

25、态的功率传输。图中的功率关系没有考虑电机部分的各种损耗。1、低同步电机运行状态,如图3 -2a)。此时电机的转子电流I 2与转子感应电势E 2的相位一致,而与附加电势E f的相位相反,因此转子绕组输出的转差功率sP 被吸收。通过额外的电位并反馈到电网。定子从电网反向吸收的功率 P 的一部分 (1-s) P 被传送到负载。2、超级同步电机运行状态,如图3-2b)。此时电机的转子电流I 2与转子感应电势E 2的相位相反,与附加电势E f的相位相同,因此电网将转差功率sP 输入到转子上。电机转子绕组通过附加电位,定子绕组从电网吸收转差功率。功率一起输送给负载,形成定转子的“双馈状态”,负载得到的功率

26、为(1+s)P,使电机转速可以超过同步转速步。3、超同步发电机制动状态,如图3 -2c)。此时电机的转子电流I 2 与转子感应电势E 2的相位一致,而与附加电势的相位相反,因此转子绕组输出的转差功率sP 被转子绕组吸收。附加电位并反馈给电网,电机的定子绕组也反馈给电网。电网反馈功率P。反馈的总功率(1+s)P来自负载的机械功率,电机在超同步转速下会产生电制动力矩。4、低同步发电机制动状态,如图3-2d)。此时电机的转子电流I 2 与转子感应电势E 2的相位相反,但与附加电势E f的相位一致,因此电网向转子输入转差功率sP电机绕组通过附加电位,而电机的定子绕组被引导到电网反馈功率P。反馈功率的一

27、部分来自转子绕组,另一部分来自机械功率(1-s)P负载时,电机将在低同步速度下产生电气制动转矩。矿井提升机具有提升机上升、下降和停止三种工作状态。它们对应于三种不同的运行状态和功率传输关系:如图 3-2d)、3- 2a) 和 3- 2c)。图 3- 2c) 显示了矿井提升机下降重物时的运行状态和动力传递关系。当提升机下降重物时,调整三相电源的相位,转子接收的电磁转矩与提升机提升重物时的电磁转矩正好相反。那么电机的转速就会越来越快。但不要担心超速事故,因为当转子转速超过同步转速时,转子上的电磁转矩不是功率转矩而是阻转矩。当转子转速大于同步转速时,定子线圈中的磁场在50Hz时不会发生变化。同时,由

28、于转速的提高,转子线圈产生的磁场会大于定子线圈产生的磁场。根据物理定律,我们可以得到电机气隙中旋转磁场的方向会发生变化,那么转子收到的电磁转矩就是阻转矩,定子线圈的感应电动势大于电源电压时,定子向电网回馈电能,当然转子也向电源回馈电能。因此,可以得到图3)所示的动态与功率传递的关系图。-2a同理,控制反电动势的大小可以控制转子中电流的大小,可以控制电机气隙中的磁场强度来控制阻力矩的大小,可以得到不同的下降速度,因此矿井提升机的速度可以在下降时进行调整。 ,但速度大于同步速度。这不是本研究的重点。图 3- 2a) 显示了提升机在提升重物时的运行状态和动力传递关系。它是这个话题讨论的焦点,很好理解

29、。3.2 串级调速系统主电路工作原理晶闸管逆变器构成的串级调速系统是异步电动机转子的感应电位经二极管整流器整流后加到三相有源逆变器上。有源逆变器可以将直流电压转换成三相交流电。然后,异步电机的转差功率通过逆变变压器反馈到交流电网,从而提高调速系统的运行效率。这里,有源逆变器相当于一个额外的直流电压。通过改变逆变晶闸管的逆变角,可以改变附加直流电压的大小,从而改变异步电动机的转速。晶闸管逆变器构成的串级调速系统主电路电气原理如图3-3所示:我们来分析一下它的工作过程:启动时,首先将三相异步电动机的定子绕组和逆变变压器同时接入三相交流电网。此时异步电机转子绕组会产生空载感应电势,通过二极管。经整流

30、器整流后得到空载整流电压,方向为正负。通常刚接通电源时,逆变器的逆变角处于最小位置,从而产生最大的逆变电压。逆变器最大电压值大于空载整流电压,使直流电路不发电。 , 异步电动机转子中没有电流,不产生电磁转矩,电动机不动。然后逐渐增大反演角到一定值。随着逆变器角度的增加,逆变器电压将降低,因此图 3-3 串级调速系统主电路图整流后的电压大于逆变电压,在直流电路中产生电流。电机的转子绕组也因电流的流动而产生电磁转矩,使电机转动。同时,随着电机转速的增加和转差的减少,转子整流电压也会下降,最终转子整流电压和逆变电压达到一个平衡点,流过一定的电流在直流电路中,保证电机产生的电磁转矩与负载转矩平衡,电机

31、运行稳定。要提高电机的速度,可以增加逆变器角度的大小。逆变角增大后,逆变电压下降,电机转子电路电流增大,电机产生的电磁转矩增大。此时,由于电机的输出转矩大于负载转矩,电机转速会上升。随着电机转速的增加和转差率的降低,转子的整流电压会降低,直流电路中的电流会减小,电机产生的电磁转矩也会减小,最终会出现一个新的平衡点。达到。只需在更高的转速下稳定运行。同理,要降低电机转速,可以减小逆变器角度。逆变角减小后,逆变电压升高,电机转子电路电流减小,电机产生的电磁转矩减小。此时,由于电机的输出转矩小于负载转矩,电机的转速会降低。随着电机转速的降低和转差的增加,转子的整流电压会增加,从而使直流电路中的电流再

32、次增加,电机产生的电磁转矩也相应增加,最终达到一个新的平衡点,电机将以较低的速度稳定运行。在稳定运行过程中,如果负载突然变化,例如负载突然增加,由于转矩不平衡,电机转速会下降。当电机转速降低,转差率增加时,转子整流电压也会增加,但此时逆变电压保持不变,会导致电机转子电流增加,电磁转矩增加,最后电机的输出扭矩。再次与负载转矩平衡,电机运行稳定。停止转动时,可将逆变器角度调到最小,此时得到的逆变器电压最大,超过转子整流电压,使转子整流电路中的电流降为零。这样,电机不再产生电磁转矩,在负载转矩的作用下,其转速逐渐降低,直至停止运行。3.3串级调速环的工作原理根据我们之前的设计,系统采用双闭环控制,得

33、到了串级调速系统的框图,得到了串级调速系统的直流电路和异步电机的传递函数,确定电流调节器和异步电动机。调速器均为PI调节器,可画出双闭环控制的串级调速系统动态结构图,如图3-4所示:图3-4 串级调速动态结构图双闭环串级调速系统突加时的启动动态过程与直流调速系统相同。启动初期,调速器处于饱和输出状态,系统相当于一个开环速度。随着起动过程的进行,电流调节器的输出增大,使逆变器的逆变角增大,逆变电压降低,改变了起动瞬间逆变电压大于整流电压的情况。电机转子不动。 ,产生直流电流,使电机有电磁转矩加速启动。在电机速度达到给定值之前,速度控制系统始终使用电流环来跟踪动态电流,以保持动态电流恒定,并使逆变

34、器电压和转子整流电压在运行过程中的变化率相同。加速过程。直到电机速度过冲,调速器脱离饱和,速度环投入工作,以保证无静差系统的最终速度。3.4 矿井提升机系统组成及工作原理卷扬机由三相交流绕线异步电动机驱动。其电动机也可采用晶闸管串级调速,其电气控制系统原理如图3-5所示。从图中可以看出,卷扬机驱动系统的主电路是电源通过交流接触器和正反转接触器施加到三相交流异步电动机的定子绕组上。波电抗器、直流接触器、三相桥式逆变器和逆变变压器返回电网。控制回路为双闭环控制系统,电流调节器LT构成回路,速度调节器ST作为图 3-5 矿井提升机晶闸管串级调速系统外环。定子控制单元控制正反转接触器,并通过电平检测器

35、DJ 1 、DJ 2和正反转继电器Q、H ,改变加在定子绕组上的电源电压相序,实现电机正转,反转。三相桥式整流器的整流电压式中: 转子绕组额定线电压; 滑倒。三相桥式逆变器的逆变电压式中: 逆变变压器的二次线电压; 逆变器的逆变器角度从电拖的原理可以知道式中: 逆变器直流侧的电流; - 主电路的等效电阻。由上式可知,当忽略 时,即,则有:当改变逆变器角度的大小时,可以改变滑差率s,从而达到调节电机转速的目的。其调速过程如下:如果给定电压 电机的电磁转矩 (电机的阻力矩)电机减速 回升 .这个过程就是再次等于。此时电机转速低于原转速。如果 电机的电磁转矩 电机加速 . 这个过程一直到= 。此时电

36、机的稳定转速高于原值。若为负,则输出为正,输出为负,则导通,工作,反向继电器得电,反向交流接触器得电,电机反转。若为正,则输出为负,输出为正,则导通,工作,正转继电器得电,使正转交流接触器得电,电动机正转。4、主电路电路设计从我们的设计数据来看:已知的起升电机为JRQ1410-8高压电机,其额定数据如下:额定功率: =280KW 额定定子电压: =6000V额定转速: =740r/min 额定效率: =0.916额定转子电压: =495V 额定转子电流: =375A转子飞轮扭矩: =180Kg-M 转子电阻: =0.01125/额定转差: =1.4% 定子漏抗: = 0.5/定子电阻: =2.

37、07/ 转子漏抗: =0.599/最大过载系数: =2.1根据公式=0.0035 / = 0.01494.1 三相桥式不控整流器的设计由于系统电源接反和电机从额定转速正转时的整流,在急刹车时转子承受的电压最高,其相电压为:桥式整流电路的二极管接收到的反向电压是余量的2倍,所以:(1)整流二极管额定电压:(2)整流二极管的额定电流在三相桥式整流电路中,直流电流:那么元件的额定电流(取三相桥时)为:因此,选用的整流二极管4.2 三相桥式逆变器设计逆变器的初始相位为,即此时 , ,当电机处于启动状态时,此时三相桥式不可控整流器的平均电压最大,三相桥式逆变器电压由电力驱动。基础知识:其中: 逆变器直流

38、电流; 主电路等效电阻当被忽略时,所以。那么逆变变压器的二次线电压为:晶闸管元件的参数额定值可根据变流器技术公式得出:晶闸管元件的额定电压:晶闸管元件的额定电流:因此,选用晶闸管4.3逆变变压器的设计逆变变压器采用最常见的接线方式(便于同步变压器的设计)。从上面的设计可以看出,逆变变压器一次侧额定电压为6000V,二次侧额定电压为990V,所以逆变变压器变比: ;逆变变压器二次侧额定电流:逆变变压器初级侧额定电流:逆变变压器额定功率:, 应该说回馈的电能一定小于电机损失的电能,为什么变压器的容量比电机的大。这是因为变压器工作效率低下。若采用间接启动,可适当降低变压器容量。如果从降低变压器容量入

39、手,可以考虑使用频敏压敏电阻启动。4.4 平波电抗器设计从限制电流脉动的角度设计,必须增加一个平滑电抗器,以保持电流的连续性,限制小负载下的电流谐波分量,还可以限制电流上升的速度。从限制电流脉动的角度,取电流脉动。系数,限制电流纹波所需的电感为:对于三相桥式整流电路: , , , , 将参数代入上式可得:(1)逆变变压器二次侧各相绕组的漏感:对于三相桥式电路: =3.9,变压器阻抗电压=5, , =437.5将参数值代入上式可得:(2)电机转子绕组各相漏抗:其中:那是:那么平滑电抗器的电感为:所以取5mH电抗器,额定电流为500A。4.5 晶闸管保护电路设计晶闸管是比较脆弱的电子元器件,短时间

40、的过流过压会损坏元器件,所以需要完善的保护装置。图 4-1 晶闸管保护电路(一)电流上升率保护可以省略。因为交流进线有电流互感器,直流有平波电抗器,所以交流电流的上升速度不会太快。过流保护串联在桥臂上起到保护作用,如图4-1所示。其额定电压和额定电流如下:(线路工作时的电压)所以选择:( 2)交流侧过电压保护:采用连接方式的阻容吸收装置,用于吸收变压器开路引起电网电压波动时产生的过电压,如图4-1所示:所以选择所以选择( 3)晶闸管过压保护:一般在晶闸管两端接一个阻容吸收装置,如图4-1所示。取 1 F根据经验取5所以C选择:R选项:5.控制回路电路设计5.1 稳压电源设计直流控制电源( )由

41、W7800系列和W7900系列三端固定式集成稳压器组成,作为本装置所有控制单元的直流电源。稳压电源的电气原理图如图 5-1 所示。图中电容和可以改善暂态,电容和可以抑制长线纹波,二极管和可以防止输出端短路对外电路的损坏。电压表测量转换开关为电压通断开关,电压表、电压表安装在面板位置,便于观察操作。图 5-1稳压电源示意图5.1.1变压器设计由于变压器容量不太大,对供电影响不大,可与同步变压器共用。初步估算,稳压后的输出电流为1.5A。这里有一点余量,所以:变比:初级电流: _变压器容量:(此时选择50W)由于低压直流电源需要供给双闭环控制系统的运算放大器,直接关系到调速精度,所以给定电压值、触

42、发块、定子控制单元用电.因此,对低压直流的脉动系数和纹波的要求极为严格,应采用稳压电路。5.1.2整流桥的设计为了消除稳压源对同步电源的影响,采用两组桥式整流器。整流二极管的额定电压为,额定电流为:(这里我们选择1.5倍的余量)取A,因为整个稳压电源的输出电流I =1.5A所以选择:2CZ55C整流二极管5.1.3 保险丝选择易于更换的玻璃封装保险丝。其额定电流为工作电流的1.5倍,工作电压无需计算,但保险丝的耐压能力应在30V以上,因此选用的保险额定电流为:所以选择5.1.4 过滤网络由于稳压电源采用三相桥式整流,脉动系数本来就小,所需滤波电容容量也小。根据经验,采用铝电解电容器。由于大电解

43、电容极板的集肤效应,高频响应较差。为了避免自激振荡,增加了高频滤波电容、尺寸和经验值。其30V的耐压能力可以满足要求。所以,选择:,选择:CD11 1000/255.1.5 稳定剂实现电压调节的方式有很多,例如开关式和串联式分立元件电路形式。本专题选用通用三端稳压集成块及其引脚功能:W7800系列,1脚输入,2脚输出,3脚公共W7900系列,1脚为公共端,2脚为输出端,3脚为输入端W7815稳压器最大输入电压可达35V,输出电压为+15V,加散热片后输出电流为1.5A.W7915稳压器最大输入电压可达-35V,输出电压为-15V,输出电流为1.5A.W7815输出,输入为正极电源,W7915输

44、入,输出为正极电源,其工作原理如下:整流变压器接通电源后,6000V高压通过变压器降为24V交流电,再经过桥式整流滤波后送入W7815和W7915进行稳压,进一步消除纹波,和高频滤波以消除自激振荡。若闭合,指示灯亮,表示稳压电源正常给负载供电。 ,起到短路保护的作用。负载短路时,、两端电压由15V上升到30V 。如果二极管的反向耐压能力为20V,则它被击穿。将电压调节器歧管短路,以防止过电流烧毁歧管。如果电流过大,它会熔断并保护整个电路。并且也是二极管的短路保护,防止感性负载产生高压损坏稳压器集成块和击穿保护,防止短路传输高压损坏后面的负载。用两只电压表监测稳压电路是否正常工作,两只电压表的量

45、程应为20V。,用于消除长线纹波,提高瞬态响应速度。越大越好,经验值: = =1000 ( F ),用作高频滤波器以获得经验值:,最高反向击穿电压为20V,击穿电流应达到2A,所以选择:2CZ55B和的最大反向击穿电压为20V,击穿电流比较小,所以选择:2CZ82A指标选择:额定电流, 。那么限流电阻应该是:所以选择:RX212K/25.1.6 校对W7815和W7915输入电压,取电网电压波动10%,则整流电压为:(符合要求)5.1.7 散热器W7815和W7915在输入电流达到时必须加散热片1.5AP(功耗) =而集成块的正常工作温度为,根据其温升不超过,散热器的热阻应满足:所以选用SR2

46、 Z型散热片,热阻,功耗18W5.2 触发电路设计触发器采用KCZ6一体化六脉冲触发器组件。电气原理如图5-2所示:在同步电压过零的瞬间,电容迅速放电,使4脚电位为0。过零后,集成块恒流源极充电,外电部也给它充电,这样在4号管脚上形成一个锯齿波电压。根据相关资料,充电电流,同步电压来自同步变压器。为了消除三次谐波的影响,连接了一台同步变压器,其二次电压为35V。它们分别连接到 A 相、B 相和 C 相端子。相移控制电压(来自电流调节器的输出)被施加到端子。控制电压的大小为,保证移相范围为,当 , ;如果什么时候, ;当, , 因此,极限值为端子 分别 连接到 晶闸管 元件 的 触发 脉冲 变压

47、器 .5.3定子控制单元的设计为了实现安全运行,必须使用低压电气设备来控制高压电气设备。提升机的电机必须正反转,必须拉回和反转才能制动。这需要通过反向连接定子绕组对电源进行相位调制。定子控制单元的作用是根据给定信号的极性控制定子的相位调制。其电气原理如图3-3所示:图 5-3 定子控制单元电路从图中我们可以看出,定子控制单元电路由F007运算放大器组成的比例放大器K(其比例系数为2) 、电平检测器(第一电平检测器和第二电平检测器组成)和正和负继电器(H 和 Q 分量)。它的工作原理是:当它的输入为负时, ST的输出为正, K的输出为负。限流后送到基极,使之导通、关断,基极电位上升关断、导通,H

48、得电,使图5-2 KCZ6一体式六脉冲触发器总成原理接线图电机反转。为正时, ST的输出为负, K的输出为正。经过同样的分析,可以得到导通,基极电位升高,关断, Q通电,电机正转。由于绝对值是变化的,为了保证后续电平检测电路的正常工作,要求K工作在饱和状态,使K的输出值始终相同。这需要适当设置 K 放大倍率。从控制系统的设计中可以得到,为了使输出饱和,输出电压占空比低至12V,必要时取4倍,以保证K的输入电阻为足够大,5.4绝对值单元的设计调速器ST输出电压变化,整流后得到电流反馈信号,极性不变。为了使电流反馈在任何情况下都为负反馈,增加了绝对值单位,其电气原理如图5-4所示。图中,运算放大器

49、与电阻等组成1:1反相器。输入为正时,二极管截止再导通,输出为负;当输入为负时,二极管截止再导通,输出也为负。帮助形成绝对值放大器。由于二极管采用锗二极管,可以将死区压缩到0.3V左右。绝对值单位需要放大1倍。图5-4 绝对值放大器示意图在正常工作条件下,只有很小的漂移,就可以保证参数的准确传输。运算放大器采用高阻抗运算放大器,其输入阻抗对信号源影响很小。如果要准确跟随,选用精密金属膜电阻, , ,和为输入保护二极管,使运算放大器不受过高的影响 差模电压选用开关二极管;并实现了绝对值函数。由于绝对值单元只对信号起绝对值的作用,没有放大作用,对双闭环控制的电路计算没有影响,所以在调速器的计算中可

50、以忽略。5.5 速度反馈网络的设计速度反馈网络采用永磁直流测速发电机串联电阻;速度反馈信号取自电阻,具体电路如图3-5虚线框所示:转速计反馈网络由永磁直流测速发电机和调节反馈强度的电位器组成。测速发电机采用45CK5A永磁直流测速发电机,无电压相位输出,灵敏度高,输出为零时有残压。其电气参数如下:励磁电压励磁电流输出斜率线性误差速度测量110V0.11A3:0V.min/kr其工作原理与直流发电机相同,其输出电压与转速的关系为: 其输出特性如图 5-5 所示:从图中我们可以看出,要想和I有线性关系,不能太高,I不能太大。 origin 5CK的参数5A可见:(1) 理想空载曲线(2) 负载曲线

51、(3) 负载恒定且n较高时的曲线图5-5 测速发电机工作曲线考虑到测速发电机的最大输出电压,当其电流为额定值的20%左右时,测速发电机的压降对检测信号的线性度影响不大,因此:它消耗的功率是:为了使温度变化对电阻值的影响小,电阻选择如下:5.6电流检测反馈网络设计电流反馈网络的电气原理如图 5-4 所示。逆变变压器二次电流(即电流互感器一次电流),当电机转子电流达到额定值时,逆变变压器二次电流达到额定电流,即电流互感器二次电流电流互感器。电流反馈网络由电流互感器、三相桥式整流器和调节反馈电压的电位器组成。因此,电流互感器初级匝数为1匝,次级匝数为1000匝。桥式整流后为:桥式整流后的电流交流成分

52、较多,脉动系数较大。如果将反馈电阻的值设置为较小的值,虽然有一定的优势,但波动比较大,直接影响控制电压的稳定性。因此,应将其设置为较大的值。反馈电压的只有10 所以选择SR 1 : 2CZ8ZE图5-6 电流检测环节5.7 控制电路设计从前面矿井提升机梯级调速系统图(图3-6)上的控制电路图可以得出,控制电路的整个电路工作如下:当电路需要启动时,按下控制按钮(使用双触点按钮,可靠启动也是如此)。接触器线圈通电,接触器常开触点闭合,主电路接同步变压器(也是低压电源的供电电源)。变压器),逆变变压器供电,指示灯亮,表示电路处于准备启动状态,然后打开低压电源开关,使定子控制单元和控制电路双闭环调速系

53、统通电,此时可启动电机。如果电机需要正转,在提升货物时将开关拨到正转位置,定子控制单元检测到正转信号,使中间继电器得电,常开触点闭合,线圈通电。因此,线圈的常闭触点断开,常开触点闭合,使电机定子按正转相序供电,同时锁定,防止误动作。电机采用双闭环控制。调速只需调节电位器即可。一段时间后,当货物被提升到预定位置,需要停止时,只需打到停止位置即可。此时为0,不是0。双闭环控制系统将使电机运行在内容的最大加减速;定子检测单元保持高电平以保持线圈通电,电机电压供应继续像往常一样使电机减速。当电机减速到调速范围的最低转速时,大约1秒,由于它仍然存在,定子控制单元仍然可以检测到信号,但是极性改变,线圈断电

54、,线圈通电,然后线圈断电,接点状态反转,使电气、常闭接点断开,常开接点闭合,电机定子供电相位调整反转制动,锁定在同时。制动完成后,电机转速为0。零。定子控制单元的输入信号为0,此时线圈失电,线圈失电,触点恢复原状,电机断电。如果电机要反转,将其转到反转位置,定子检测电路将自动实现功率相位调整,使电机反转。调速,只要调整大小足够,如果需要停止整个电路的工作,打开它,稳压电源不供电,然后按下常闭点动按钮开关,线圈失电,断开逆变电路,再按下常闭点动按钮开关时,线圈失电,触点恢复原状,整个电路的电源被切断,指示灯熄灭.由上可知,触点需要3对主触点和1对辅助触点。触点的电流分断能力50A为6000V。切

55、断功率260KW,运行频率高达每小时一次,动作时间尽可能短2A。需要两对主触头,分断电压为1000V,电流为500A(由逆变桥决定)。操作不频繁,不需要接触动作时间。由于电机在运行时已停止运转,因此不需要灭弧罩。选择交流接触器。要求相同,但动作不频繁,接点切断功率小得多,选用的型号相同。与2对触点的按钮开关相比,其触点电流大于0.26A220V,工作电压为220V。选择:LA101P-QF33-1全金属保护型普通限位按钮开关,选红色,选黄色。选择LA-1,有一个控制按钮,带有一对常开常闭触点,工作电压AC 300V,电流1A满足要求。选用E14/25-2红色信号灯,耐压220V,功率5W。6、

56、系统静、动态特性计算6.1 系统静态特性计算6.1.1系统静态结构图卷扬机晶闸管串级调速系统采用双闭环串级调速系统,系统静态结构如图6-1所示:图6-1 系统静态结构图电流反馈系数的计算设定:(1)调速器的极限值; (2)电机的启动和制动电流为,即714A电流调节器的最大给定电压为调速器的极限值,对应的最大电流为在跑),那么电流反馈系数为:速度反馈系数的计算设定:(1)电动大给定电压为10V,电机以额定转速运行(2)由于系统采用双闭环串级调速,所以。为系统的最大速度,则电流调节器的反馈系数为:主电路等效直流电阻的计算从我们设计材料上的数据可以得出以下结论:(这里忽略平滑电抗器电阻)电机主电路等

57、效电路如图6-2所示:图中, -电机电枢电阻; - 平滑电抗器的电阻;等值电阻是由于电压降与换向重叠而产生的电压降。一般管道压降很小,计算时可以忽略,所以由于三相桥式整流,计算时忽略换相次数。图2 主电路等效电路略和。因此,直流主电路的等效电阻为:可以得出结论:4、电机电位系数:假设电机在运行过程中磁通保持不变,则电机的电位系数为:式中,是电机的电枢电阻,已知= 0.6 可控整流器放大系数的计算为防止逆变器故障,将逆变器的最小转角限制为,对应电流调节器在限制值时,将LT的限制值设置为4V,当LT为限制值时,整流器的输出电压当前设备。所以整流器的放大系数为:次6、调速器的放大系数和电流调节器的放

58、大系数:该系统应该是一个没有静差的系统,所以速度调节器和电流调节器都应该使用PI调节器。在进行动态校正前,初步确定:次;次6.1.2系统的静态特性由系统的静态结构图可以得到系统的静态特性方程如下:(6-1)在哪里:将上述数据代入式(6-1),可得静态特性为:由于给定值,静态速度下降: ,因此,对应的速度是: ;相应系统的静差为: ;因此,该系统可以满足提升机的静态指标。速度调节器采用PI调节器时,由于积分的作用,可以实现无静态误差。6.2 系统动态特性计算双闭环串级系统的一般设计方法是:从环路开始,逐渐向外环扩展,一个接一个地设计。本系统的回路为电流回路,外回路为速度回路。因此,从电流入手,先

59、设计电流环,再把电流作为调速的一个环节,再设计速度环。6.2.1电流环中电流调节器的设计电流调节器采用PI调节器。由于电流检测信号中含有交流分量,因此必须对其进行滤波。同时,为了补偿反馈通道中的这种惯性效应,在给定通道上增加了一条时间常数相同的惯性链,称为“给定”。因此,电流调节器的原理如图6-3所示:设为调节器的比例系数;为积分时间常数,为给定的滤波时间常数。由于电流调节器使用 PI 调节器,因此取,则(6-2)图 6-3 带有给定滤波器和反馈滤波器的 PI 型电流调节器由于电流调节过程远快于转速和反电动势的变化过程,因此在设计电流调节器时,可以忽略反电动势变化的影响,即考虑电位变化量成为。

60、因此,电流回路结构图如图6-4所示,图 6-4 电流调节回路的动态结构及其简化在结构图中,和是整流器件的放大系数和时间常数。对于三相桥式可控整流电路,整流器件的滞后时间常数为。电流滤波时间常数。由静态计算可知,它是电枢电路的电磁时间常数,一般远小于比值。将其视为一个小常数,电流环的小时间常数取为:那么电流回路可以简化为如图 6-4 所示:从静态的角度来看,希望电流回路没有静态误差,因此将电流回路修正为I型系统。从动态的角度看,希望在启动过程中减少电流的过冲,同时要求电流回路在I型系统中。设计。当电流回路按I型系统设计时,要求: (6-3)使调节器的零点消除调节对象的大时间常数的极点,因此,修正

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论