雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計說明

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目雙閉環(huán)控制的異步電動 機串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生學(xué)號教學(xué)院系電氣信息學(xué)院專業(yè)年級電氣工程與其自動化09級指導(dǎo)教師職稱單位西南石油大學(xué)輔導(dǎo)教師職 稱單位完成日期2013年6月9日Southwest Petroleum University Graduation ThesisThe Design of Double Closed Loop Control of Asynchronous Motor Cascade Speed Regulation System Grade:2009Name:Speciality:Electrical Engineering and Auto

2、mationInstructor:School of Electrical Engineering and Information2013-633 / 45摘要繞線式異步電動機的串級調(diào)速系統(tǒng)，屬于改變轉(zhuǎn)差功率的調(diào)速系統(tǒng)，在我國交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展中，它是結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一種系統(tǒng)。其基本原理是利用不可控的整流電路將轉(zhuǎn)子交流電動勢轉(zhuǎn)成直流電動勢，在利用工作的在逆變狀態(tài)的三相可控整流電路來獲得一個可調(diào)的直流電壓作為附加電動勢，以改變轉(zhuǎn)差功率，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。串級調(diào)速完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的缺點，它具有高效率、無級平滑調(diào)速、較硬的低速機械特性等優(yōu)點。 本設(shè)計介紹了雙閉環(huán)異步電動機串級調(diào)

3、速方式的設(shè)計，主要設(shè)計方面包括調(diào)速方式的設(shè)計，主接線的設(shè)計，串級調(diào)速主電路的設(shè)計，保護電路的設(shè)計，觸發(fā)器的選擇，直接啟動方式。首先根據(jù)設(shè)計要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構(gòu)型式，主電路和閉環(huán)系統(tǒng)確定下來后，重在對電路各元件參數(shù)的計算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護電路以與電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算，從而達(dá)到設(shè)計要求，其中有繪制完整的雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)圖，主接線圖，控制電路圖，最后采用了MATLAB建模與仿真證明了該系統(tǒng)。關(guān)鍵字：串級調(diào)速；主電路；調(diào)速圍；轉(zhuǎn)差率AbstractThe wound rotor asynchronous motor cascade

4、 speed regulation system, is to use change slip power control speed regulation system. In the development of ac speed regulation technology in China. It is a system of simple structure, rapid development, wider application.Its basic principle is to put the rotor AC electromotive force into DC emfs b

5、y Uncontrolled rectifier circuit.Taking advantage of working in a state of three-phase inverter controlled rectifier circuit for an adjustable DC voltage as additional electromotive force, to change the slip power, in order to realize speed regulation.Cascade speed regulation completely overcomes th

6、e drawback of rotor series resistance speed control, it has high efficiency, stepless smooth speed regulation, a hard low mechanical properties etc.the design of the double closed loop of asynchronous motor cascade speed control mode，It mainly includes the design of speed control mode,main wiring ,t

7、he main circuit, protective circuit , the choice of the trigger and direct startup mode。First of all,according to the design requirements to determine the structure of control scheme and the main circuit.In the determination of the main circuit and the closed loop system. Focus is on the circuit ele

8、ment parameters calculation and device type selection. Including rectifier transformer, rectifier devices, flat wave reactor, protection circuit and the current and speed regulator parameter calculation, so as to achieve the design requirements.Mapped the complete double closed loop control of async

9、hronous motor cascade speed regulation system,the main wiring diagram,control circuit diagram,the modeling and Simulation of MATLAB proved that the system meets the design requirements and complete and has good disturbance rejection properties and tracking performance, small overshoot.Keywords: the

10、main circuit；cascade control；Speed range；slip ratio.目錄摘要IAbstractII1緒論11.1 串級調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r11.2 本次設(shè)計的目的12本系統(tǒng)串級調(diào)速方案的比較和選擇32.1串級調(diào)速原理32.2串級調(diào)速方案論證42.2.1電氣串級調(diào)速42.2.2機械串級調(diào)速42.2.3串級調(diào)速方案選擇53本系統(tǒng)主電路的設(shè)計63.1本系統(tǒng)主電路的組成與工作原理63.2本系統(tǒng)主電路元器件參數(shù)計算與型號選擇63.2.1異步電動機的選擇63.2.2逆變變壓器的參數(shù)計算與選擇93.2.3硅整流元件與晶閘管的選擇103.2.4平波電抗器電感量的計算與選擇11

11、3.3晶閘管保護裝置的參數(shù)計算123.3.1過電壓保護123.3.2過電流保護163.3.3電流上升率的限制173.3.4電壓上升率的限制183.4逆變觸發(fā)器的設(shè)計183.4.1 KJ004和KJ041的引腳圖183.4.2 同步變壓器的設(shè)計193.4.3 控制與偏移電源203.4.4三相橋式逆變電路的觸發(fā)電路203.5電動機的保護213.5.1短路保護213.5.2過載保護213.5.3瞬時停電保護224本系統(tǒng)控制回路的設(shè)計234.1雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理234.2雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計算244.3雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)計算254.3.1電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算254.3.2速度調(diào)節(jié)器的參

12、數(shù)計算265本系統(tǒng)起動方式的設(shè)計285.1串級調(diào)速系統(tǒng)起動方式的確定285.2本系統(tǒng)起動方式的選擇296系統(tǒng)仿真316.1仿真軟件的簡介316.2具體的軟件仿真設(shè)計316.2.1 主電路的仿真設(shè)計316.2.2 控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置336.2.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出與結(jié)果分析337結(jié)論34辭35參考文獻(xiàn)36附錄137附錄238附錄3391緒論1.1 串級調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r串級調(diào)速理論早在20世紀(jì)30年代就已提出，到了6070年代，當(dāng)可控電力電子器件出現(xiàn)以后，才得到更好的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代以來，由于高壓大電流晶閘管的出現(xiàn)，串級調(diào)速系統(tǒng)獲得了空前的發(fā)展。60年代中期，W.Sheph

13、erd和J.Stanw就提出了一種將繞線轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)差功率進行整流，然后經(jīng)過晶閘管逆變器將整流后的轉(zhuǎn)差功率逆變?yōu)殡娋W(wǎng)頻率的交流功率，并將其反饋到電動機的定子輔助繞組中的晶閘管串級方案，稱為“定子反饋”方案，而把通過變壓器（逆變變壓器）將轉(zhuǎn)差功率反饋到電網(wǎng)（常規(guī)的晶閘管串級）稱為“電網(wǎng)反饋”方案。在“定子反饋”方案中，輔助繞組與定子繞組電氣上絕緣，通過磁耦合，即電磁感應(yīng)，將轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過定子繞組反饋到電網(wǎng)，這就是我們所說的“饋”串調(diào)。20世紀(jì)60年代末期，我國的一些單位開始進行晶閘管串級調(diào)速的試驗，70年代后期，整流器廠首先推出了系列產(chǎn)品，以后其他廠家也相繼推出。國最先是由屈維謙在80年代后期提

14、出饋串級調(diào)速方案的。90年代中期以后，有一家公司又推出斬波式饋串調(diào)。隨著電力電子技術(shù)和控制策略的發(fā)展，新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略被不斷提出。到目前為止全國已有四到五家知名的饋串級調(diào)速裝置的生產(chǎn)廠家。如今節(jié)約能源、更加合理地、有效地利用能源是一項艱巨、利國利民造福子的長期工作，也是我國的一項基本國策。隨著我國改革開放不斷深入和國民經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國家大量撥款加速建設(shè)，現(xiàn)在已經(jīng)取得了很大的進步，有部分項目已經(jīng)達(dá)到了實用化階段，相信在不久的將來我國在雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)方面一定會趕上或進一步縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距。1.2 本次設(shè)計的目的本設(shè)計選題的目的：采用雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)不

15、僅具有明顯的節(jié)能效果，還具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。本設(shè)計的目的在于讓學(xué)生通過對雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，學(xué)習(xí)和掌握異步電動機串級調(diào)速的設(shè)計容、設(shè)計步驟和方法，具有初步的工程設(shè)計能力。本次設(shè)計的任務(wù)與要求工作任務(wù):(1)完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的設(shè)計；(2)完成系統(tǒng)的啟動、檢測與保護電路的設(shè)計；(3)完成調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)的計算；(4)完成系統(tǒng)主回路設(shè)計，元、器件和設(shè)備的選擇（參數(shù)計算，型號選擇等）；(5)繪制完整的電氣系統(tǒng)原理圖；(6)對系統(tǒng)進行MATLAB仿真。本次設(shè)計指標(biāo)：(1) 生產(chǎn)機械為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，最大負(fù)載功率PL=72KW；(2) 調(diào)速圍 D=3:1；(3)

16、低速時靜差率 S=0.01；(4) 要求電流超調(diào)量小，轉(zhuǎn)速抗擾性能與跟隨性能好。2本系統(tǒng)串級調(diào)速方案的比較和選擇2.1串級調(diào)速原理圖2.1 串級調(diào)速方式原理圖圖2.1是串級調(diào)速方式原理圖，圖中異步電動機M以轉(zhuǎn)差率s運行，其轉(zhuǎn)子電動勢經(jīng)三相不可控整流裝置UR整流，輸出直流電壓。工作在逆變狀態(tài)的三相可控裝置UR除提供一可調(diào)的直流輸出電壓作為調(diào)速所需的附加電動勢外，還可將經(jīng)UR整流后輸出的電動機轉(zhuǎn)差功率逆變回饋到交流電網(wǎng)中。兩個整流裝置的電壓與的極性以與電流的方向如圖所示。為此可在整流轉(zhuǎn)子的直流回路中寫出以下的電動勢平衡方程式： （2.1） （2.2）式中： -與兩個整流裝置的電壓整流系數(shù)-逆變器輸

17、出電壓-逆變變壓器的次級相電壓-晶閘管逆變角-轉(zhuǎn)子直流回路的電阻當(dāng)電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載穩(wěn)定運行時，可以近似認(rèn)為為恒值?？刂剖顾龃?，則逆變電壓立即減??；但電動機轉(zhuǎn)速因存在著機械慣性尚未變化，所以仍維持原值，根據(jù)式（2.1）、（2.2）就使轉(zhuǎn)子直流回路電流增大，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流也增大，電機就加速；在加速過程中轉(zhuǎn)子整流電壓隨之減小，又使電流減小，直至與依式（2.1）取得新的平衡，電機進入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高的轉(zhuǎn)速運行。同理，減小值可以使電機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。以上就是繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。2.2串級調(diào)速方案論證2.2.1電氣串級調(diào)速圖2.2為電氣串級調(diào)速方式原理圖。當(dāng)電動機在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

18、下穩(wěn)態(tài)運行時，可以認(rèn)為Id近似為恒值。若增大逆變角，則逆變電壓減小，但電動勢轉(zhuǎn)速因存在機械慣性尚未變化，所以，整流電壓仍維持原值，因而直流回路電流Id與轉(zhuǎn)子電流I2相應(yīng)增大，使電機加速。在加速過程中，S減小，電流Id與整流電壓隨之減小直至達(dá)到新的平衡，電動機仍進入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高轉(zhuǎn)速運行。同理，減小值可以使電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)：(1)串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角實現(xiàn)平滑無級調(diào)速；(2)系統(tǒng)能把異步電動機的轉(zhuǎn)差功率饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效的利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。圖2.2電氣串級調(diào)速方式原理圖2.2.2機械串級調(diào)速圖2.3是機械串級調(diào)速

19、原理圖。在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機同軸上裝有一臺直流電動機，異步電動機的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流后傳給直流電動機，后者把部分功率變成機械功率，再幫助異步電動機拖動負(fù)載，從而是轉(zhuǎn)差功率得到利用。這里直流電動機的電動勢就相當(dāng)于直流附加電動勢，通過調(diào)節(jié)直流電動機的勵磁電流If可以改變其電動勢，從而調(diào)節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速。增大If可使電動機減速，反正加速。從功率傳遞角度看，如果忽略調(diào)速系統(tǒng)中所有的電氣與機械損耗，認(rèn)為異步電動機的轉(zhuǎn)差功率全部為直流電動機所接受，并以PMD的形式從軸上輸出給負(fù)載。則負(fù)載所得到的機械功率PL應(yīng)是異步電動機和直流電動機兩者軸上輸出功率之和，并恒等于電動機定子出入功率，而與電動機運行的轉(zhuǎn)速無關(guān)。

20、所以這種機械串級調(diào)速系統(tǒng)屬于恒功率調(diào)速，其特點是系統(tǒng)在低速時能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適用于一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動的場合。根據(jù)設(shè)計要求，電動機轉(zhuǎn)速較高，實現(xiàn)無極調(diào)速，選擇電氣串級調(diào)速能更好的滿足調(diào)速要求。圖2.3 機械串級調(diào)速原理圖2.2.3串級調(diào)速方案選擇綜合上述論述的兩種調(diào)速方式，電氣串級調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，其輸出的機械功率和轉(zhuǎn)速成正比，能夠靠調(diào)節(jié)逆變角實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，節(jié)能方面，電氣串級調(diào)速系統(tǒng)能把異步電動機的轉(zhuǎn)差功率饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效的利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。機械串級調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，其特點是系統(tǒng)在低速時能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適應(yīng)

21、一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動的場合，如螺紋鋼線材軋機。根據(jù)設(shè)計要求，我們在設(shè)計中選擇電氣串級調(diào)速更適合。3本系統(tǒng)主電路的設(shè)計3.1本系統(tǒng)主電路的組成與工作原理本系統(tǒng)主電路如圖2.2所示，系統(tǒng)主電路由三相繞線異步電動機、整流裝置、逆變裝置、逆變變壓器和平波電抗器組成。根據(jù)公式2.1和2.2，當(dāng)電動機在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下穩(wěn)態(tài)運行時，可以認(rèn)為Id近似為恒值。若增大逆變角，則逆變電壓減小，但電動勢轉(zhuǎn)速因存在機械慣性尚未變化，所以，整流電壓仍維持原值，因而直流回路電流Id與轉(zhuǎn)子電流I2相應(yīng)增大，使電機加速。在加速過程中，S減小，電流Id與整流電壓隨之減小直至達(dá)到新的平衡，電動機仍進入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高轉(zhuǎn)速運行。同理

22、，減小值可以使電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。3.2本系統(tǒng)主電路元器件參數(shù)計算與型號選擇3.2.1異步電動機的選擇（1）電動機型號的選定本設(shè)計中，根據(jù)所給數(shù)據(jù)，最大負(fù)載功率，由于一般最大負(fù)載功率為額定功率的75%左右，即因此在查電動機型號時我選擇了YR250M-4電動機，采用接法。該型號電動機參數(shù)如表3.1：表3.1 電動機YR250M-4參數(shù)表電動機型號YR250M-4額定功率（）90KW滿載時轉(zhuǎn)速()1457r/min效率（）91%功率因數(shù)（）0.89同步轉(zhuǎn)速()1500r/min靜差率(S)調(diào)速圍(D)D=3轉(zhuǎn)子電壓()524V轉(zhuǎn)子電流()109A定子電壓（）380V定子電流（）167.9A極

23、對數(shù)（P）4頻率（f）50HZ轉(zhuǎn)動慣量（）1.5額定轉(zhuǎn)矩2.5 （2）電動機容量校核1）電動機參數(shù)計算額定轉(zhuǎn)差率： (3.1) 定子電阻： (3.2) 轉(zhuǎn)子電阻： (3.3) 定子繞阻的變化： (3.4) 折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的定子電阻：電動機額定轉(zhuǎn)矩： (3.5) 折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗： (3.6)2）逆變變壓器參數(shù)初步計算逆變變壓器二次側(cè)線電壓： (3.7) 逆變變壓器折算至直流側(cè)電抗（?。?3.8)折算至直流側(cè)等效電阻： (3.9) 3）平波電抗器直流電阻 (3.10) 4）在串級調(diào)速狀態(tài)運行時的額定轉(zhuǎn)矩：當(dāng)S=1時，電動機定子折算到直流側(cè)的等效電阻為1.73，故電動機額定轉(zhuǎn)矩為： (3.11)考

24、慮到換相重疊角的影響，并經(jīng)過線性處理，上式中為： (3.12) 即(3.13)轉(zhuǎn)矩降低系數(shù) (3.14)5）串級調(diào)速狀態(tài)運行時最高轉(zhuǎn)速的確定：直流回路總等效電阻為 （3.15） 式中電動機折算到直流側(cè)的等效電阻，可按功率相等原則進行折算，即 (3.16) 得 (3.17) (3.18)若串級調(diào)速系統(tǒng)運行時，則直流回路最大電流為 (3.19) 最大電流時電勢系數(shù)為：(3.20)最大轉(zhuǎn)速： (3.21) 則 (3.22) 轉(zhuǎn)速降低系數(shù) (3.23) 功率降低系數(shù) (3.24) 校驗 (3.25)故所選電動機合適。時換相重疊角 (3.26)系統(tǒng)工作在第一工作區(qū)。3.2.2逆變變壓器的參數(shù)計算與選擇在

25、串級調(diào)速系統(tǒng)中，常在晶閘管整流裝置的交流側(cè)設(shè)置逆變變壓器。其目的是：（1） 把可控整流裝置與交流電網(wǎng)隔離，以抑制電網(wǎng)的浪涌對晶閘管的影響；（2）能取得與被控異步電機工作相匹配的逆變電壓并有合理的控制。（3.27）逆變變壓器二次側(cè)線電壓：（3.28） 又因為：逆變變壓器計算容量為：（3.29）逆變變壓器一次側(cè)電流： （3.30） （3.31） 因此修正為：（3.32） （3.33） 符合前面所取的的值。3.2.3硅整流元件與晶閘管的選擇（1）整流裝置如圖3.1為三相不可控整流電路，該裝置的作用是將轉(zhuǎn)子側(cè)的交流電動勢轉(zhuǎn)換為直流電壓。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

26、與調(diào)速圍有關(guān)，這就是整流二極管的工作特點。下面，討論在上述條件下通過計算選擇硅整流二極管的方法。 （3.34） 式中 （三相橋式電路、電感性負(fù)載） （3.35） 取 因為 （3.36） （3.37） 故：根據(jù)以上計算可以選擇整流二極管的型號為：R1800 0.2A/1800V 的6個整流二極管 圖 3.1 整流裝置原理圖 圖3.2 三相全控有源逆變電路（2）逆變裝置如圖3.2是三相全控有源逆變電路，提供一個可調(diào)的直流電壓作為調(diào)速所需的附加電動勢，同時將電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率功率經(jīng)逆變變壓器回饋回電網(wǎng)。 （3.38） 式中（三相橋式電路、電感性負(fù)載） （3.39） 取可以選取型號為KK200A的晶

27、閘管6個3.2.4平波電抗器電感量的計算與選擇在可控硅串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)子整流回路中必須串接平波電抗器，其主要原因有如下幾點：（1）電流脈動分量在電機轉(zhuǎn)子中造成的附加損耗限制在允許圍；（2）使電動機在最小工作電流時任能保證電流的連續(xù)，避免電流斷續(xù)對電動機的影響。（3）限制短路電流的上升率，是快速開關(guān)能與時動作，盡可能避免損壞快速熔斷器。串入電感量計算：電動機的等效電感為： （3.40） 逆變變壓器的等效電感為： (3.41)按電流連續(xù)要求的電感量 (3.42) 式中 (3.43) (3.44) 考慮限制電流連續(xù)時的電感量為： (3.45) (3.46) 式中：-最低次諧波電壓幅值 -最低

28、次諧波頻率，對于三相橋式電路-電流脈動系數(shù)，要求對于三相橋式電路， 。 選取平波電抗器：當(dāng)時的電感量為11mH,時電感量不小于22mH。3.3晶閘管保護裝置的參數(shù)計算3.3.1過電壓保護（1）交流側(cè)過電壓保護常用的交流測過電壓保護措施有阻容保護和非線性電阻保護。阻容保護主要用于吸收操作過電壓，非線性電阻保護主要用于抑制浪涌過電壓。逆變變壓器側(cè)的阻容保護裝置如圖3.3所示。圖3.3 逆變變壓器側(cè)阻容保護裝置圖對于單相電路，阻容參數(shù)的計算公式為： （3.47） 電容的耐壓 （3.48） 電阻功率: （3.49） （3.50） 式中:變壓器容量,；-變壓器二次相電壓有效值；-通過電阻的電流；-變壓器

29、勵磁電流百分?jǐn)?shù)，的變壓器，對應(yīng)的,這里??；-變壓器的短路比，的變壓器，對應(yīng)的，取；-阻容兩端正常工作時的交流電壓峰值。對于三相電路，和的數(shù)值可按下表3.2進行換算：表3.2：三相電路R和C值換算表變壓器二次測聯(lián)結(jié)方式單相三相聯(lián)結(jié)三相聯(lián)結(jié)阻容裝置聯(lián)結(jié)方式跨接電 容CCC/33CC電 阻RR3RR/3R所以:1）根據(jù)公式（3.47）可知，電動機測的阻容保護和值為： （3.51） 電容耐壓 （3.52） 根據(jù)公式（3.48）可知電阻值為： （3.53） 根據(jù)公式（3.49）、（3.50）可知電阻功率： （3.54） （3.55） 根據(jù)上述計算結(jié)果，選擇電容，且其耐壓達(dá)到;選擇電阻，電阻功率為32W。

30、2）根據(jù)公式（3.47）可知逆變變壓器側(cè)的阻容保護和值為： （3.56） 電容耐壓 （3.57） （3.58）電阻功率: （3.59） （3.60） 根據(jù)上述計算結(jié)果，選擇電容，且其耐壓達(dá)到;選擇電阻，功率為23W。根據(jù)以上計算的電容、電阻有效值可根據(jù)實際情況作適當(dāng)?shù)男薷?。如，在整流電路中有其他過電壓保護措施時，選取的電容值可略小于以上的計算值在通常情況下，增大電容量能降低作用于晶閘管上的過電壓和電壓上升率，但若電容量太大，不僅電容器體積很大，而且會增加電阻的損耗，便電阻的體積加大，造成整個阻容裝置體積過大，電容量增大還會增加晶閘管導(dǎo)通時的電流上升率對晶閘管不利。左通常情況下，增大電阻值有利于

31、抑制振蕩；但若電阻值太大，不僅抑制震蕩的作用不大，反而會影響電容抑制過電壓的效果，并使正常工作時電阻損耗增大，因此，一般希望電阻小一些。（2）壓敏電阻保護壓敏電阻是一種非線性電阻元件，它具有正反向一樣且很陡的伏安特性，如圖3.5所示：在未擊穿時，漏電流很小(微安級)，而放電容量很大，可通過數(shù)千安培的沖擊電流。它對浪涌電壓反應(yīng)快，而本身體積又也是一種較好的過電壓保護元件。壓敏電阻保護電路的接法如圖3.4所示，由于壓敏電阻的正反向特性對稱，因此三相電路用三個壓敏電阻，接成三角形。 圖3.4 壓敏電阻保護 圖3.5 壓敏電阻伏安特性 壓敏電阻的參數(shù)計算：1） 標(biāo)稱電壓 ：指漏電流為1mA時，壓敏電阻

32、上的電壓；2） 流通量： 在規(guī)定沖擊電流波形下，允許通過的浪涌峰值電流；3） 殘壓： 壓敏電阻兩端正常工作電壓有效值。標(biāo)稱電壓： （3.61） 流通量：應(yīng)大于實際可能產(chǎn)生的浪涌電流值，一般取5 KA以上；根據(jù)以上計算可以得知壓敏電阻的型號為MYG-32D511K型號。 (3)直流側(cè)過電壓保護措施直流側(cè)的過電壓主要是由感性負(fù)載的通斷以與電源側(cè)或負(fù)載側(cè)侵入的浪涌電壓引起的。為了使其達(dá)到快速性，采用壓敏電阻做過電壓保護，其標(biāo)稱電壓為：（3.62） 取 根據(jù)計算可以選擇壓敏電阻的型號為MYG-32D911K型號。其電路圖如圖所示3.6： 圖3.6 直流側(cè)過電壓保護 圖3.7 晶閘管兩端過電壓保護晶閘管

33、兩端的過電壓保護措施：晶閘管在導(dǎo)通期間，其部充滿載流子。換相時，晶閘管因承受反向電壓而在關(guān)斷的過程中，正向電流下降到零時，晶閘管部仍殘存著載流子。這些載流子在反向電壓作用下瞬時產(chǎn)生反向電流，使殘存載流子迅速消失，晶閘管立即阻斷，這時反向電流減小的速度較快，即很大。因此即使和晶閘管串聯(lián)的線路電感L很小，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也很大，可達(dá)工作電壓峰值的幾倍，如不予抑制，很可能導(dǎo)致器件反向擊穿。晶閘管關(guān)斷過電壓的常用抑制措施是在它的兩端并聯(lián)阻容吸收裝置。阻容的參數(shù)較難計算，一股可按下表所述經(jīng)驗公式選取。表3.3：關(guān)斷過電壓阻容保護的經(jīng)驗數(shù)據(jù)晶閘管額定電流(A) 1020501002005001000電

34、 容C（）0.10.150.20.250.512電 阻R（） 1008040201052根據(jù)上面計算可以選擇：，根據(jù)表3.3 則：電容耐壓一般為加在晶閘管兩端工作電壓的峰值的倍。 即： （3.64） 電容耐壓為 （3.65） 電阻功率為: （3.66） 式中：電源頻率（Hz）；C 與電阻串聯(lián)的電容值()；晶閘管工作電壓峰值(V)。3.3.2過電流保護晶閘管電路發(fā)生過電流的主要原因是：過載、直流側(cè)短路、晶閘管擊穿短路、可逆系統(tǒng)逆變失敗或誤觸發(fā)等。主要有采用快速熔斷器保護?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo的特點：當(dāng)直流側(cè)短路或晶閘管擊穿短路以與可逆系統(tǒng)逆變失敗時，流過晶閘管的過電流可達(dá)其額定電流的10倍以上，此時必

35、須在電漏電壓的半個周期消除過電流。在這種情況下，采用快速熔斷器進行保護。快速熔斷器的斷流時間在10ms以，它是晶閘管電路中使用最普遍的過電流保護裝置。快速熔斷器可以裝設(shè)在交流側(cè)、直流側(cè)，或與晶閘管直接串聯(lián)。裝設(shè)在交流側(cè)對器件短路和直流側(cè)短路都起保護作用，但因正常時流過快速容斷器的電流大于流過晶閘管的電流，故應(yīng)選用額定電流較大的快速熔斷器，這樣在過電流時對晶閘管的保護作用就減弱了，裝設(shè)在直流側(cè)只對負(fù)載短路或過載起保護作用，對器件短路不起保護作用；與晶閘管直接串聯(lián)，則因流過它們的電流一樣，所以對晶閘管的保護作用最好。因此選擇圖3.8的連接方式：圖3.8 過電流保護快速熔斷器選擇應(yīng)注意：（1）快速熔

36、斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。（2）快速熔斷器(或熔體)的額定電流應(yīng)按下式選取，即：為正常運行時晶閘管通過的電流有效值故：選擇快速熔斷器的型號為KSP1-400，額定電壓為690V。3.3.3電流上升率的限制晶閘管從阻斷到導(dǎo)通時，如電流上升率太大，雖然電流值未超過器件的額定通態(tài)平均電流，由于晶閘管部電流還來不與擴大到PN結(jié)的全部面積，可能在門極附近的PN結(jié)發(fā)生過熱而損壞因此，作用于晶閘管的正向電流上升率，應(yīng)小于晶閘管的通態(tài)電流臨界上升率。過大一般是由換相電流和阻容保護裝置中電容的充放電電流產(chǎn)生的。限制的措施如下：（1） 交流側(cè)和直流側(cè)可采用阻容式保護電路，使電容放電電流不流經(jīng)晶

37、閘管。（2） 在每個橋臂上與晶閘管串聯(lián)一個電抗器。電抗器可以是空心電抗器、鐵心電抗器或若干個磁性圓環(huán)。采用空心電抗器時，其電感通常，采用鐵心電抗器時，其電感值可再大一些。這里采用空心電抗器取值為。其電路圖為下圖3.9所示：圖3.9 電壓和電流上升率保護電路3.3.4電壓上升率的限制加到晶閘管兩端的正電壓上升率過大時，會使晶閘管誤導(dǎo)通。因此應(yīng)對進行限制，使其小于晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率。產(chǎn)生過大的原因有如下兩個方面：（1）交流側(cè)產(chǎn)生的由電網(wǎng)侵入的過電壓和電源合閘都是造成過大的原因。對于帶有整流變壓器和交流側(cè)阻容保護晶閘管裝置，由于變壓器的漏感和阻容保護電路的作用，使作用于晶閘管的正向電壓上升率

38、不會過大。在無整流變壓器的情況下，應(yīng)在電源進線端串聯(lián)進線電抗器，以限制作用于晶閘管的。（2）晶閘管換相對產(chǎn)生的 晶閘管整流電路在換相重疊角期間，兩相晶閘管同時導(dǎo)通，相當(dāng)于線電壓短路，使電源電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生很大的。防止造成誤導(dǎo)通的方法是在每個橋臂上串接一個電抗器L。利用R、C、L串聯(lián)電路的濾波特性，使晶閘管上的電壓缺口變平，從而把降低到晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率以下。3.4逆變觸發(fā)器的設(shè)計3.4.1 KJ004和KJ041的引腳圖（1）KJ041觸發(fā)器KJ041芯片，又稱為六路雙脈沖形成器。將它和三個KJ004連接到一起就可以達(dá)到六路雙脈沖觸發(fā)電路，這樣三相橋式全控整流電路的各個晶閘管就可以按

39、條件穩(wěn)定的進行觸發(fā)，使電路可以正常的運行。KJ041芯片是三相全控橋式觸發(fā)線路中經(jīng)常使用的芯片，具有取脈沖形成和電子開關(guān)控制封鎖雙脈沖形成功能 。它可以同時發(fā)出六路脈沖觸發(fā)。其管腳圖如下：圖3.10 KJ041的管腳排列 這種集成觸發(fā)電路主要用于單相、三相全控橋變流裝置，用作雙路(相位差180度)脈沖移相觸發(fā)，具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好且圍寬、對同步電壓要求低等特點。（2）KJ004芯片KJ004芯片，又叫做晶閘管移相觸發(fā)集成電路。它是雙列式直插式集成電路，由于它可以輸出兩路相位互差180°的移相脈沖，正負(fù)半周脈沖相位比較均衡，并且輸出負(fù)載能力大，移相性能好，而且它對同步電壓要求

40、低，目前廣泛應(yīng)用于單相、三相全控橋式晶閘管的雙脈沖觸發(fā)。它的管腳圖如下，為16腳芯片。圖3.11 KJ004的管腳排列3.4.2 同步變壓器的設(shè)計同步變壓器，為觸發(fā)脈沖信號提供電壓幅值Us。在KJ004芯片中，表中列出引腳8的作用為同步電源信號輸入端，使用時要接同步變壓器的二次側(cè)，KJ004芯片所接的電壓要求為30V，所以我們可求得同步變壓器匝數(shù)比K的計算公式如下： （3.67） 同步變壓器的電路圖如下所示：圖3.12 同步變壓器電路圖3.4.3 控制與偏移電源電路如圖3.13所示：圖3.13 偏移控制電源電路圖控制電源，包括給定電壓，負(fù)偏移電壓。而給定電壓和負(fù)偏移電壓可以由給定電源來產(chǎn)生。上

41、面電路圖3.13中的+Uco就是給定電壓，由固態(tài)三端穩(wěn)壓器7815產(chǎn)生。而Up就被稱作負(fù)偏移電壓，由固態(tài)三端穩(wěn)壓器7915產(chǎn)生。BR1和BR2橋式電路起整流的作用。C5為整流前濾波，C7為整流后濾波。這個電路成對稱結(jié)構(gòu)。3.4.4三相橋式逆變電路的觸發(fā)電路觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)圖（見附錄1）。該電路模塊輸出的為6路雙脈沖，雙脈沖電路比較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可以少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大，繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管串聯(lián)適用不利。雖可用去磁繞組改善這種情況，但又使觸發(fā)電路復(fù)雜化。因此，常用的是雙脈沖觸發(fā)。3.5電動

42、機的保護3.5.1短路保護電動機短路時，短路電流很大，熱繼電器還來不與動作，電動機可能已損壞。因此，短路保護由熔斷器來完成。熔斷器直接受熱而熔斷。在發(fā)生短路故障時，熔斷器在很短時間就熔斷，起到短路保護作用。由于存在熱慣性，當(dāng)發(fā)生短路事故時，熱繼電器不能立即斷開，因此它不能用作短路保護。正是由于熱繼電器的熱慣性，才使得它在電動機起動或短時過載時不會動作，從而避免了電動機的不必要的停車。一般選用熔斷器保護時，其熔絲的熔斷電流按電動機額定電流的1.52.5倍選擇，這里是繞線異步電動機，因此在這的電流熔斷倍數(shù)選2，計算熔斷電流為：。選擇額定電流為355A、額定電壓為3.5kv的熔斷器，其型號XRNM1

43、-3.5/350A 3.5.2過載保護過載是指電動機在大于其額定電流的情況下運行，但過載電流超過額定電流的倍數(shù)要小些。通常在額定電流的1.5倍以。引起電動機過載的原因很多，如負(fù)載的突然增加，缺相運行以與電網(wǎng)電壓降低等。若電動機長期過載運行，其繞組的溫升將超過允許值而使絕緣材料變脆、老化、壽命縮短，嚴(yán)重時會使電動機損壞。 過載保護裝置要求具有反時限特性，且不會受電動機短時過載沖擊電流或短路電流的影響而瞬時動作，所以通常用熱繼電器作過載保護。當(dāng)有6倍以上額定電流通過熱繼電器時，需經(jīng)5秒后才動作，這樣在熱繼電器未動作前，可能使熱繼電器的發(fā)熱元件先燒壞，所以在使用熱繼電器作過載保護時，還必須裝有熔斷器

44、或抵壓斷路器的短路保護裝置。由于過載保護特性與過電流保護不同，故不能用過電流保護方法來進行過載保護。這里我們選用一個熱繼電器進行保護，其額定電流為，選擇型號為TK-N12S-C的熱繼電器。3.5.3瞬時停電保護當(dāng)發(fā)生電壓瞬時增大幅度降低時，串級調(diào)速裝置不能正常運行，其原因是：（1） 晶閘管逆變側(cè)失電，元件換流失??；（2） 因失電導(dǎo)致繼電器和接觸器等釋放，一次側(cè)回路的斷路器跳閘；（3） 電壓恢復(fù)時，電動機轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生過電壓。 為了防止串級調(diào)速裝置發(fā)生故障，需要采取瞬時停電保護，主要措施有：（1） 在電壓瞬時降低時，借助電壓降低檢測電路，使逆變角減至最小，并 設(shè)法強迫關(guān)斷逆變器中晶閘管。電流過零后，

45、封鎖觸發(fā)脈沖。（2） 用電容器維持控制電源，使控制單元延時失電，防止繼電器、接觸器釋放；（3） 電壓恢復(fù)時，用過壓吸收回路吸收電動機轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的過電壓。4本系統(tǒng)控制回路的設(shè)計4.1雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理圖4.1是雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)圖，該串級調(diào)速系統(tǒng)是具有電流環(huán)和速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)。途中速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。電流反饋信號從電流互感器TA取出，速度反饋信號取自測速發(fā)電機TG。為防止逆變器逆變顛覆，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓為零時，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖初始相位角，使。隨著電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，角向方向變化。速度調(diào)節(jié)器用來控制電動機的轉(zhuǎn)速，電流調(diào)節(jié)器用以控

46、制直流回路電流，由于他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)器互相聯(lián)系，互相制約，使系統(tǒng)對于給定的電流、速度都是無靜差的。利用電流負(fù)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)在升速過程中實現(xiàn)恒流升速，具有較好的加速特性。在電網(wǎng)電壓波動時，電流環(huán)與時調(diào)整轉(zhuǎn)子電流，以保持所需要的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩變化是，速度環(huán)還有良好的抗干擾穩(wěn)速性能。由于此同步晶閘管串級調(diào)速不能產(chǎn)生電氣制動轉(zhuǎn)矩，故減速過程只能靠負(fù)載轉(zhuǎn)矩自由降速，與晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)相似。圖4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成圖圖4.2 雙閉環(huán)控制的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.2雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖如圖4.1所示，動

47、態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示，取速度給定電壓。速度反饋系數(shù)： （4.1） 取電流給定電壓 ： 電流反饋系數(shù)： （4.2） 取電流調(diào)節(jié)器輸出電壓最大值：晶閘管放大倍數(shù)： （4.3） 晶閘管逆變器的滯后時間常數(shù)：低速時靜差率要求的速度降： （4.4） 由于采用了抑制零點漂移的PI調(diào)節(jié)器，故穩(wěn)態(tài)時的速度降必須滿足，則： （4.5） 因為 （4.6） 取 若取 電流環(huán)： （4.7） 靜差率： 由前述分析可知，均為轉(zhuǎn)差率S的函數(shù)，故電流環(huán)為非定常系數(shù)，但當(dāng)時的值可按定常系統(tǒng)設(shè)計，保證系統(tǒng)具有良好的性能。 4.3雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)計算4.3.1電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 由公式中，將帶入可以推得 （4.9） （4.10） 由于電流環(huán)超調(diào)量小，故電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。?。簞t： （4.11） （4.12） 令： （4.13） （4.14） （4.15） （4.16） 圖4.3 ACR調(diào)節(jié)器圖 圖4.4 ASR調(diào)節(jié)器4.3.2速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算由于系統(tǒng)要求抗擾性能與跟隨性好，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計，且取。