可控硅交流串级调速系统.docx
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可控硅交流串级调速系统
可控硅交流串级调速系统
上海铁道学院调速及节能技术研究所
一九九四年九月
目录
前言………………………………………………………………………………….…1
一、交流绕线式异步电动机简介…………………………………………………………...2
（1）两极旋转磁场的形成…………………………………………………………..2
（2）转子绕组开路时的运行………………………………………………………..4
（3）转子绕组闭路时的空载运行…………………………………………………..4
（4）异步电动负载运行……………………………………………………………..5
（5）绕线式异步电动机的调阻调速………………………………………………..6
1调阻调速原理………………………………………………………………….6
2调阻调速是能耗调速………………………………………………………….7
3调阻调速机械性能差………………………………………………………….7
二、半导体二极管整流电路…………………………………………………………………7
（1）单相半波电阻负载整流电路…………………………………………………..8
（2）单相半波电容负载整流电路（峰值整流）…………………………………..9
（3）单相桥式电阻负载整流电路………………………………………………….11
（4）三相桥式电阻负载整流电路………………………………………………….12
三、可控硅元件……………………………………………………………………………...14
（1）可控硅元件的工作原理简介………………………………………………….14
（2）伏安特性曲线………………………………………………………………….15
（3）普通可控硅元件的额定电压和额定电流…………………………………….16
四、可控硅串级调速…………………………………………………………………………16
（1）串级调速原理…………………………………………………………………..16
1串级调速物理过程…………………………………………………………….17
2串级调速可大量节电………………………………………………………….17
（2）KJSA—II三相零式可控硅串级调速………………………………………….18
1主回路组成…………………………………………………………………….18
2给定及触发电路……………………………………………………………….19
3操纵电路……………………………………………………………………….19
4其它电路……………………………………………………………………….19
5主回路的三种接零方法……………………………………………………….19
（3）有源逆变串级调速原理………………………………………………………..20
1逆变的同步及附加电势的形成……………………………………………….20
2转速与逆变角β的关系……………………………………………………….23
3可控硅的工作电压…………………………………………………………….24
4可控硅的工作电流的估算…………………………………………………….25
（4）逆变失败………………………………………………………………………..25
1缺相、缺脉冲、相序不对造成逆变失败…………………………………….25
2最小逆变角小于30度造成逆变失败………………………………………..26
五、触发电路………………………………………………………………………………...26
（1）触发脉冲产生电路…………………………………………………………….26
（2）脉冲移相电路………………………………………………………………….27
（3）其它元件的作用……………………………………………………………….29
（4）触发电路的检修……………………………………………………………….30
六、给定电路的工作原理……………………………………………………………………31
（1）主令电压UKM………………………………………………………..…………31
（2）速度负反馈……………………………………………………………………..32
（3）电流截止负反馈………………………………………………………………..32
（4）控制电压………………………………………………………………………..32
（5）给定电路检修…………………………………………………………………..32
七、操纵电路…………………………………………………………………………………33
（1）主令控制器……………………………………………………………………..33
（2）接触器、继电器电路的工作原理……………………………………………..34
1接通电源及4J0吸合…………………………………………………………..34
2转动主令控制器手轮及正、反转接触器1CQZ、1CQF吸合………………34
3手轮转动到异步位置及3CQ吸合……………………………………………35
八、安装与开通………………………………………………………………………………35
（1）主回路的接零的选择…………………………………………………………..35
（2）试车前的检查…………………………………………………………………..35
1检查三相进线电源有无缺相………………………………………………….35
2检查三相进线电源相序是否正确…………………………………………….35
3检查操纵电路的动作是否正确……………………………………………….35
4检查触发脉冲有无丢失……………………………………………………….36
（3）试车……………………………………………………………………………..36
（4）使用与检修……………………………………………………………………..36
1使用须知……………………………………………………………………….36
2日常检修与故障处理………………………………………………………….36
九、起重机串级调速…………………………………………………………………………39
（1）概述……………………………………………………………………………..39
（2）现有起重机交流调速方案比较………………………………………………..39
（3）起重机交流调速系统的线路结构分析………………………………………..39
1高可靠与低成本问题………………………………………………………….39
2起重机位能负载的调速……………………………………………………….42
3提高调速性能的措施………………………………………………………….43
4提高节电性能分析…………………………………………………………….45
前言
可控硅串级调速是一种新颖的交流无级调速系统。
它的调速范围（一般可达1：
10），调速性能好，（具有类似于直流他激电动机调压调速的硬特性），在调速同时，还将转差能量逆变成交流反馈回电网，节电效果显著。
相对于转子串电阻、定子调电压、改变定子磁极对数、滑差离合器等调速方式，串级调速确是一种比较理想的调速方法。
上海铁道学院调速及节能技术研究所自1980年就从事铁路卸车机大车运行机构可控硅串级调速的研究，1981年获得铁道部技术鉴定。
并在全国的卸车机行业获得广泛应用，现产品已定型生产。
随后进一步开发研制了起重串级调速及通用型串级调速，1987年获国家机械委产品鉴定并取得国家专利。
现在，我院研制的串级调素系统已广泛应用在宝钢、首钢、马钢、秦山核电站、上海大众汽车制造厂、三门峡发电厂、大连港务局、广州救捞局及纺织厂、煤建公司、自来水公司、水泥厂等各行各业上，发挥者十分重要的作用。
同时该相技术还参加了在美国纽约召开的国际高新技术博览会，由国家科委选送给联合国工业发展组织，确定为向第三世界国家进行技术援助的项目。
本调速装置经过十多年来的研究应用和发展，产品质量十分可靠，使用维护方便，一般电工稍加培训就可掌握，同时还大大降低了机械设备的维护工作量，提高了工作效率，节约了电能。
为使广大用户对本调速装置能有所了解，进一步满足现场技术人员和维护人员的工作需要，本研究所特编写了次讲义，着重对可控硅串级调速原理、系统的工作方式、结构形式及系统的安装开通，故障排除方法等作了介绍，希望对大家有所帮助。
本讲义由陈宝康高工、任培里高工编著章大章教授审阅
一、交流绕线式异步电动机简介
异步电动机根据转子的结构分为鼠笼式和绕线式两种，中小功率三相绕线式异步电动机都为调速的需要而设计，其结构如图1—1所示，由定子、转子滑环等组成，定子、转子均绕有三相绕组。
当定子绕组接三相正弦交流电时，便产生一个旋转磁场。
此时，转子绕组在旋转磁场作用下，通过电磁感应产生感应电势并在转子绕组回路内产生电流。
而转子回路内的电流在旋转磁场作用下又产生磁场力，从而产生转动力矩带动负荷转动。
绕线式异步电动机的接线示意图1—1
（1）旋转磁场的形成
图1—2为一台两极异步电动机定子与转子切面图。
为了着重考察定子的旋转磁场，所以图中未画出转子三相绕组。
由图可知，定子三相绕组（AX、BY、CZ）在空间上彼此相隔1200
分布，当三相绕组分别接到A、B、C三相交流电源后，绕组中便产生三相电流，各相电流的瞬时表达式分别为：
iA=Imsin（ωt=0o）
iB=Imsin（ωt-120o）
iC=Imsin（ωt-240o）
它们的波形图如图1－3。
图1—2两极旋转磁场示意图
图1—3三相电源波形
为了考查三相电流产生合成磁场，我们选择几个特定的瞬间进行分析，并规定：
当电流为正值时，电流从各相线圈的首端（A、B、C）流入，由该相线圈的末端（X、Y、Z）流出；当电流为负值时，电流从各相线圈的末端流入，由该相线圈的首端流出。
现以ωt=0为例，在此瞬间iA为正且达到最大值，根据上面的规定，电流从A端流入（记以⊕），B、C两相电流为负，分别是从B、C端流出（记以⊙），从Y、Z端流入，如图1—2（a）所示。
每相绕组电流所建立的磁场方向，可根据右手螺旋定则确定。
由于ωt=0瞬间，A相电流iA达到正值最大，B、C相电流iB、、iC负值相等，所以合成磁场一定对称于AX绕组，磁通自定子右面流出，穿过转子铁芯，从定子左面流入，形成右面为N极，左面为S极的两磁场。
由于三相电流是随时间连续变化的，所以可按同样方法画出其余两个特定瞬间（ωt=120o、ωt=240o）的合成磁场，分别如图1—2（b）、（c）所示。
从图1—2可以看出，在三相定子绕组接通三相交流电源后，所建立的各个特定瞬间的合成磁场并不是静止不动的，而是旋转的。
在两极磁场的情况下，交流电变化一个周期，磁场也旋转360o。
对于频率为50Hz的工业交流，两极磁场的转速为：
n1=60×50=3000转/分。
只要适当的嵌置绕组可获得四极、六极、八极或P对磁极的旋转磁场，因而异步电动机旋转磁场转速的一般表达式为：
n1=60f/P转/分
（2）转子绕组开路时的运行
三相电流流经定子绕组所产生的旋转磁场，其磁通同时与定子绕组相切割。
在定子和转子绕组内同时感应出电动势，分别为E1和E20（转子开路时）表示。
E1的大小差不多与定子外接电源电压u1相同。
而E20的大小则与转子绕组匝数及旋转磁场的强弱有关，转子与定子的结构不同，E20的大小也不同，E20称为转子开路电势，绕线式异步电动机铭牌上标有这一数值。
当转子绕组开路时，转子电势不产生转子电流，转子不能转动，因而此时的运行状态与变压器的空载运行状态相同。
只是电机磁路具有空气隙，其空载电流I0比变压器大，一般小型电机的I0约占额定值的35-50%，变压器仅占3-10%。
（3）转子绕组闭路时的空载运行
转子绕组闭路后，转子电势将产生转子电流，从而产生转动力矩，带动负荷转动，其工作原理可用简图1—4来描述。
图1—4异步电动机工作原理图
当旋转磁场顺时针转动时，转子绕组切割磁力线产生感应电势E2，其方向可用右手螺旋定则判定。
由于转子绕组已被闭路，所以顺着E2的方向将产生转子电流I2。
此时，位于磁场中的载流导体必将受电磁力的作用，所以转子电流一旦产生，作用在转子绕组上的力F以及由此而产生的转动力矩也就形成了，转子便能带动负荷运转。
转矩的方向与电磁力F相同，可用左手定则来确定。
由图可知，转子的转动方向实际很容易确定，它总是与旋转磁场的方向一致。
对于给定的电机，转矩与转子电流成正比。
旋转磁场的转速与转子的转速之差n1-n称转差，它表征着绕组切割磁力线的速度，转差越大，切割磁力线的速度越高。
因此根据电磁感应定律转子电势与转差成正比，通常有：
E2=（n1-n）E20/n1
当外负荷很轻时，由于所需的转矩（也即所需的I2）很小，考虑到转子回路的电阻不大，因此所需的E2也很小，这就意味着在轻负荷下，电机将以很小的转差运转，转子转速很高，接近于旋转磁场转速。
（4）异步电机负载运行
当异步电机轴上施加机械负荷运行时，电机的运转状态将会不同于空载运转状态。
因外负荷加重以后，必然要求电机增大转动力矩来与其平衡，而要使异步电机增大力矩，由上述讨论可知，只有依靠降低自身的转速，增大转差，才能使转子电势、转子电流和转矩增大。
所以异步电机负载运行以后，其转速将低于空载运转时的转速。
异步电机从空载到负载运行，转子电流从无到有，并随着负荷的加重而加大，这时如图1—5所示，电机主要输出三部分功率，一部分为拖动重物的机械功率，这是有用功率。
另一部分为转差电势功率（转差电势与转子电流的乘积），这部分功率被转子绕组电阻所吸收，转换成为热功率耗散，其余为定子侧的铜耗和铁耗。
负载越重，转差电势及转子电流越大，损耗的转差电势功率也就越大，对于中小型异步电机来说，在额定负载下转子转速下降为空载时转子转速的95%，这时转差电势功率
约为5%的输入功率。
图1—5异步电动机的功率转换示意图
（5）绕线式异步电机的调阻调速
1调阻调速原理
从以上所讨论的异步电机工作原理知，由于转子绕组回路具有一定直流电阻，所以异步电机在负荷运行时，要获得相应的转动力矩，必须要有一定的转差电势才能产生相应的转子电流，从而产生力矩。
这就是说，转子绕组的电阻是异步电机在负荷运行时产生速度下降的主要原因，如图1—6所示，只要在转子绕组里人为的外接电阻和改变其数值，便能获得调速。
调阻调速的物理过程简述如下：
图1—6调阻调速原理图
设R变化以前，电机以某一转速n′匀速转动，当改变外界电阻R的阻值进行调速时，由于电机转子具有惯性，在R阻值改变的瞬间，转速和转差电势不会立即发生变化，仍为原来的数值，因此R阻值的突然改变，以增加为例，将使转子电流I2突然减小，破坏了转矩平衡，因为I2是减小的，所以次瞬时是转矩小于负荷力矩，电机转子将减速。
电机一旦开始减速，则又有如下过程发生：
随着转速的逐渐下降，转差和转差电势增加，转子电流和转矩随着不断上升。
这一过程“自动”地进着，一直持续到转矩回升到与原负载力矩相等，达到新的平衡为止。
调阻调速过程可示意表达如下：
R↑→I2↓→M↓→（M〈MF2）→产生负角加速度→n↓→E2↑
I2↑→M↑→（MF2）→达到新的平衡。
由此可见，当负载一定时，转子回路串接的电阻越大，电机的转速降得越低。
2调阻调速是能耗调速
从能量关系来看，对于衡力矩负荷（例如提升重物，卸车机行走等）上述调阻调速的最后结果是转速下降，而转子电流并未变化，转速下降意味着输出功率降低、转差电势功率（E2与I2的积）增加，由于转子电流不变，定子电流也不变，既输入功率没有变化，所以调阻调速实际是以改变转差电势功率的损耗来实现调速的，是能耗调速系统。
利用电阻调速会耗去很多电能，电效率极低。
3调阻调速的机械特性差
异步电机采用转子回路串接电阻调速时，其典型的机械特性如图1―7所示，由图可知，调阻调速的机械特性软，负载波动引起的转速波动很大，特别是低速运行时的稳定性较差，因此调速范围不宽，限制了它的应用范围。
图1－7调阻调速机械特性
调阻调速机械特性差的原因是因为转子回路串接电阻，通过它耗能来实现调速的。
当外负载加重时，转子电流增大，不仅机械功率输出要增加，而且消耗载调速电阻上的转差电势功率也要增加，这就意味着电机转速要下降更多。
由于被调回路的电流比较大，串接转子回路的调速电阻只能分级调节，而且调节级数不能太多，即调节电阻不能连续平滑的改变，因而这种调速只能是有级调速。
二、半导体二极管整流电路
各种形式的半导体二极管整流电路在串级调速系统中都有应用，因此本节将介绍有关的二极管整流电路。
半导体二极管是一种单向导通的电子元件，其电路符号如图2－1所示。
图2－1半导体二极管电路符号
左端称为“＋”端（又称阳极），右端称为“－”端（又称阴极），与图中标定方向一致的电压和电流称为正向导通电压和电流，与标定方向不一致的电压和电流称为反向电压和电流。
半导体二极管的电压－电流特性如图2－2所示。
图2－2二极管的伏安特性
硅整流二极管的门限电压约为0.6伏，当加正向电压超过门限电压时便明显导通，表现出很小的电阻，电流随电压的增加上升很快，如图2－2中第一象限所表明的Id与Ud的关系曲线，当反向时，如图2－2中第三象限所表明的电压－电流关系曲线,即使电压加得很大,也不导通，表现出很大的电阻（几千欧姆）,但当电压超过一定值Uz（称为反向击穿电压）时,管子突然导通，反向电流可增到很大，这称为击穿导通。
然而，对整流二极管来说，这种情况是不允许出现的，因为这时很容易造成二极管永久性击穿，使二极管失效。
二极管整流电路的形式很多，用处也各不相同，下面我们就串极调速系统中所遇到的整流电路加以讨论，介绍它们的基本工作原理。
（1）单相半波电阻负载整流电路
电路组成如图2－3所示。
图中变压器是将电网电压变为所要求的电压，通过二极管整流，输出到负载电阻RL。
电路各处的工作电压及电流波形如图2—4。
图2－3单相半波电阻负载整流电路
当变压器次级电压U2为正半波时，二极管D导通，降落在二极管上的电压UD很小（近乎于门限电压0.6V）负载电阻RL获得电压U0与输入电压U2正半波波形差不多相同。
负载电流为I0＝U0/RL。
当输入电压为负半波时，二极管D不导通（称为截止）。
回路中没有电流流过，输入电压全部降落在二极管的反向，UD为负值，其波形与输入电压的负半波相同。
最大反向工作电压等于输入电压的峰值。
图2－4单相半波电阻负载整流电路的电压电流波形图
为这种整流电路选择二极管时，其反向击穿电压应为反向工作电压的1.5－2倍，其额定工作电流应大于负载电流I0的平均值。
电阻负载半波整流电路的电流平均值I0为：
I0=I0m/π=U2m/（πRL）
单相半波电容负载整流电路（又称峰值整流电路）
有些场合要求负载上获得较好的直流，常常采用电容滤波，如图2－5所示。
这时整流电路的负载成了容性，电路的工作状态与电阻负载比较明显的不同了。
图2－5单相半波电容负载整流电路
电路各处的工作波形如图2－6所示，当输入电压U2为正半波时，二极管D导通，滤波电容开始充电，两端电压也即负载两端电压U0很快增高。
而当U2为负半波时，二极管截止，流过二极管的电流为0，电容则由充电转为向负载电阻RL放电，输出电压按指数曲线下降，如果滤波电容足够大的话，如图2－6（b），则U0下降很少，因而，在电容负载下，只要负载电阻RL较大，即负载电流较小，而滤波电容又足够大的话，整流输出电压就主要是直流，交流成分很小。
并且输出电压输出电压差不多等于输入电压的峰值。
由图2-6（c）可知，在电容负载下，二极管截止后，反向承受的反向工作电压约为输入电压U2峰值电压的2倍。
因而在选用二极管时，必须选择击穿电压更高的二极管。
此外，从图2－6（d）看到，滤波电容充电的时间很短，充电电流很大，这一电流称为浪涌电流，其峰值大小取决于变压器次级绕组和二极管正向导通电阻的大小，通常约为输出电流ID的10倍。
图2－6电容负载半波整流电压、电流波形
（2）单相桥式电阻负载整流电路
这种电路如图2－7（a）所示，担任整流任务的二极管有四个。
当输入电压U2正半波时如图2－7（b）所示。
D1和D2导通，电流从二次绕组的上端流出，经过D1和负载电阻RL，然后在经过D4，最后流回到二次绕组的上端。
图2－7单相桥式电阻负载整流电路
因此，在桥式整流方式中，对应于输入电压的正半波和负半波，负载电阻上得到方向相同，幅值近于U2m的脉冲电压U0，输出电压波形见图2－8。
图2－8单相桥式电阻负载输出电压波形
由图可知，其直流成分与半波整流相比，有了明显地提高。
由于二极管地正向压降很小，所以对于导通的二极管来说，可以看成为开关接通，反之，当二极管截止时，可以看成开关断开，因此在桥式整流电路中，二极管的反向工作电压与输入电压U2相同，最大值等于输入电压的幅值。
加电容滤波的工作情况与前述半波整流电路相同，所不同的是电容的冲放电周期缩短了一倍，电容器的容量可以减小。
（3）三相桥式电阻负载整流电路
三相桥式电路如图2－9所示。
图2－9三相桥式电阻负载整流电路
输入三相交流电压，经六个二极管将交流转换成直流，其工作原理如下：
为叙述方便我们把六个二极管分为两组，上部Ta、Tb、Tc为一组，下部三个T-a、T-b、T-c为一组，由于上部一组的阴极同时接向负载的“I”端，称为共阴极组。
而下部一组阳极同时接向负载的“2”端，称为共阳极组。
对于共阳极组来说，a、b、c三点中那一点的电位最高，相应的二极管就导通，反之，对于共阴极组来二极管来说，a、b、c三点中那一点的电位最低，相应的二极管就导通。
因此我们只要根据Ua、Ub、Uc三相电压波形，便能容易地判断出各个二极管的工作情况。
三相桥式整流电路负载电压波形如图2－10所示。
图2－10三相桥式电阻负载电压波形
分析步骤如下：
首先将三相相电压波形分为如图所示的六个区（①－⑥），然后分别观察每一区中三个相电压的瞬时值，判断出该区内哪两个二极管导通，便可得到输出电压波形。
例如区①中，Ua相电压最高，Ub相电压最低，即a点电位（相对于三相零）最高，b点电位最低，因此，这时共阴极组的Ta和共阳极组的T-b两个二极管导通，其余都截止。
由于二极管正向压降很小，所以一旦Ta导通，负载电阻“I”端的电位与“a”点同。
同理，T-b导通，负载电阻“2”端的电位与“b”点同。
负载便获得电压Uab（即线电压）的波头。
按照同样的原理，不难分析出其余五个区中应导通的二极管和输出电压波形，都应为线电压的波头。
由图可知，输出电压U0为六波头脉动电压，其直流成分略低于线电压峰值，根据计算
ū0＝3/π∫2π/3Uabmsinωt·dωt＝3/πUabm[－cosωt]|2π/3
1.35π/3π/3
＝3Uabm（1/2+1/2）/π
＝3Uabm/π
ū0＝3√2/π
＝1.35Uab
例如380V工业交流电经三相桥式整流的直流电压为
U0＝1.35×380＝513V
图2－10中还绘出了二极管Ta两端的工作电压波形，由图可知，其反向承受的电压为线电压的一部分，最高反向工作的电压为线电压峰值。
三、可控硅元件
（1）可控硅元件的工作原理简介
可控硅元件是可控硅串极调速系统的主要元件，又称晶闸管，其结构示意图及元件符号如图3－1。
图3－1可控硅元件的结构及电路符号
晶闸管由四
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