毕业设计绕线式三相异步电动机串级调速系统设计.docx
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毕业设计绕线式三相异步电动机串级调速系统设计
齐齐哈尔大学
毕业设计（论文）
题目绕线式三相异步电动机串级调速系统设计
学院计算机与控制工程学院
专业班级
学生姓名
指导教师
成绩
2011年06月21日
摘要
晶闸管串级调速系统作为一种高效、节能的调速方案，具有装置结构简单、维护容易、能实现连续平滑调速等优点，尤其是对风机、泵类等大容量平方转矩负载进行控制时，其节能效果是十分可观的。
根据供水系统的现状，提出了串级调速的节能方案，分析了串级调速的原理，系统的调速特性，确定了微机水压转速双闭环控制的方案。
设计中详细地论述了水泵双闭环串级调速系统的组成与原理。
在系统硬件的设计上，采用驱动电路模块化设计技术和计算机辅助技术对硬件电路进行优化。
阐述了系统的工作原理，给出了以AT89C51单片机为核心组成了全新数字新型串级调速控制系统，针对该方案所要求的控制和触发脉冲，设计新型的数字触发器。
这种数字触发器有精度高、可靠性高等特点。
关键词：
串级调速系统；单片机；数字触发器
Abstract
Crystalsthelevelofmachineryvelocitymodulationcontrolsystemasaneffectiveandenergyefficientofmachineryvelocitymodulation,adevicestructuretosimple,easyandcanachieveasmoothmachineryvelocitymodulationadvantages,especiallyofhairdryer,pumpingbigsquareandrectangularloadcapacitytocontroltheenergytheeffectisverysignificant.
Watersupplysystemsbasedonthestatusquo,,alevelofenergyconservationprogrammeandthelevelofmachineryvelocitymodulation,asystemofmachineryvelocitymodulation,determineitsspeedofmicrocomputerthepressureofthecontrolscheme.Designelaboratedonapairofpumpsandthelevelofthesystemandmechanismofmachineryvelocitymodulation.Systemdesigninhardware,thedrivingcircuitmodulardesigntechnologyandcomputerhardwarecircuitofthenewfiguresofthenewmachineryvelocitymodulationcontrolsystemlevel,theschemeofcontrolandfiringsforthedesignofthenewdigitalpulsesthattrigger.Thesefiguresahighprecision,highreliabilityandquality.
Keywords:
analysisonserialtimingsystemofalternatingcurrent;MCU;numericaltriggerconsistedofsinglepieceunit
第1章绪论
1.1串级调速技术概况
对于一个电力资源十分短缺的国家，节能是一项非常重要的利民政策、技术政策，对国民经济的发展和对国家资源的长久使用都有深远的影响。
风机、水泵广泛的用于国民经济各部门的各个行业，不仅应用的数量众多，分布面极广，并且还十分的耗电。
有关数据显示，全国的风机和水泵的总耗电量占到了整个工业用电量的40%以上，并而风机和水泵在正常情况下要进行负荷调节，而且相应的流量也要跟踪调节。
调节出入口的阀门开度是传统的调节方法，这也使得30%～40%的用电量消耗在调节阀门压降上，这种方法能耗大、经济效益差、维修量较大、设备损坏较快且运行费用较高。
造成电能的巨大浪费。
为了取得较好的节能效果，并提高经济效益，可对风机、水泵进行调速。
且在节电率相同的情况下，电机的功率越大，节能潜力越大，节能效果也就越明显。
所以研究和开发合适的高压大功率异步电动机调速技术始终是国内外竞相研究的热点之一。
高压变频调速和串级调速是目前国内应用于高压大功率电机调速有两种有效方案。
早在20世纪30年代串级调速理论就已提出，对于风机、水泵等要求调速范围大，但是对系统动态性能要求又不高，又有发展前景的高压、大功率调速技术应该是串级调速技术。
到了60～70年代，随着电力电子技术的发展，可控电力电子器件的出现，串级调速才得到了更好的应用，又由于高压大电流晶闸管的出现，使得串级调速系统获得了飞速的发展。
到了60年代中期，提出了一种新的方案，被称为“定子反馈”方案，原理是将绕线式转子电动机的转差功率现进行整流，然后再经过晶闸管逆变器整流，并将整流后的转差功率再逆变成电网频率的交流功率，再将其反馈到电动机的定子辅助绕组中的串级方案。
通过逆变变压器将转差功率反馈到电网上，这种反馈被称为“电网反馈”方案。
在“定子反馈”方案中，将辅助绕组和定子绕组在电气上绝缘，通过电磁感应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网，这就是我们所说的“内馈”串调。
随着电力电子技术的发展，近代均采用在转子回路内串联晶闸管功率变换器完成回馈任务，这样就构成了由绕线式异步电动机与晶闸管交流器共同组成的晶闸管串级调速系统。
其中低同步的晶闸管串级调速系统，不仅具有良好的调速性能以及能把站差能量回馈电网，而其他还结构简单，可靠性高，技术上已经成熟。
性能更优越的超同步晶闸管串级调速也正在发展当中。
晶闸管功率变换装置时交流电动机串级调速系统中的核心部分，他目前存在以下几个问题：
装置结构较为复杂，设备初期投资较高，在一定程度上限制了交流调速的推广；存在谐波，对电网造成一定程度的污染；功率因数还不够高，特别是在低转速时功率因数会更低。
尽管如此，今年串级调速技术在国内外仍然突飞猛进的发展，大量新器件的出现和新技术的发展，使得串级调速性能指标大大提高，有些问题已得到根本的突破。
不久的将来，串级调速装置定会进入生产领域，发挥巨大的经济效益。
1.2研究意义及主要工作
众所周知，在风机、水泵的节能措施中最有效的是调速运行。
在低电压小容量电机系统的节能调速中，变频调速装置得到了广泛的应用和发展。
但在高压大容量系统中，存在变频调速成本高、体积大等诸多问题。
并且在节电率相同的情况下，如果电动机的功率越大，那么节能效益也就愈大，所以，高压大功率电动机驱动的风机、水泵采用调速传动，其节能效果将更加明显。
虽然大功率风机和泵类负载采用调速传动后，可以节约大量电能，大概在30%左右。
但是，可用于国内适合风机、泵类负载的高压变频器还没有成熟定型产品，而国外高压变频器价格又十分昂贵，所以推广应用受到很大了限制。
特别是大功率的风机，但是由于缺少简单、可靠、经济的中压电动机调速装置，使得节能调速基本没有推广开来。
因此，研究性能更优越、节能效果更好的调速系统，有着重要的现实意义。
对于水泵调节范围不大，系统动态性能又要求不高的场合，并且有发展前景的高压功率调速技术，应该是串级调速技术。
它是利用电动机转差率的一种经济、高效的调速方法，在高、大、中型电动机节能调速应用方面，以其控制电压低，控制功率小，系统简单运行可靠节电率高，使其具有很好的应用前景。
本设计主要进行以下方面的工作：
1、从普通的串级调速基本原理入手。
2、提出新型三相四线双IGBT串级调速控制方案。
3、以AT89C51单片机为核心，组成一个全数字新型串级调速控制系统。
第2章水泵选取及串级调速方案确定
2.1水泵性能
水泵的基本性能参数表示水泵的基本性能，水泵的基本性能参数有流量、扬程、轴功率、效率、转速、比转速、必须汽蚀余量或允许吸上真空高度等7个。
（1）流量以字母Q（qv、qm）表示，单位为（升）l/s、m3/s、m3/h等。
泵的流量是指单位时间内从泵出口排出并进入管路系统的液体体积。
泵的流量除用上述体积流量qv外，还可用质量流量qm表示。
qm定义为单位时间内从泵出口排出并进入管路的液体质量。
显然qv与qm间的关系为：
（2-1）
（2）扬程水泵的扬程H表示液体经泵后所获得的机械能。
泵的扬程H是指单位重量液体经过泵后所获得的机械能。
水泵扬程的计算式为：
（2-2）
式中：
Z2、p2、v2与Z1、p1、v1分别为泵的出口截面2和进口截面1的位置高度、压力和速度值。
泵的扬程即为泵所产生的总水头，其值等于泵的出口总水头和进口总水头的代数差。
（3）轴功率由原动机或传动装置传到水泵轴上的功率，称为风机的轴功率，用P表示，单位为kW。
（2-3）
式中：
Q---水泵流量（m3/s）；
H---水泵扬程（m,
）；
－传动装置效率；
－风机效率；
－电动机效率。
（4）效率水泵的输出功率（有效功率）Pu与输入功率（轴功率）P之比，称为水泵的效率或全效率，以η表示：
（2-4）
（5）转速水泵的转速指水泵轴旋转的速度，即单位时间内水泵轴的转数，以n表示，单位为rpm（r/min）或s-1（弧度/秒）。
（6）比转速水泵的比转速以ny表示，用下式定义：
（2-5）
作为性能参数的比转速是按泵最高效率点对应的基本性能参数计算得出的。
对于几何相似的泵，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。
因此，比转速也是泵分类的一种准则。
（7）泵的必须气蚀余量或泵的允许吸上真空高度
泵的必须气蚀余量是指：
为了防止泵内气蚀，泵运行时在泵进口附近的管路截面上单位重量液体所必须具有的超过汽化压头的富裕压头值，该值通常有泵制造厂规定。
泵的必须气蚀余量用（NPSH）r表示,单位为米（m）。
泵的允许吸上真空高度是指：
为了防止泵内气蚀，泵运行时在泵进口附近的管路截面上所容许达到的最大真空高度值，该值也通常由泵制造厂规定，在不同的大气压力下及不同的液体温度时需要进行换算。
泵的允许吸上真空高度用[Hs]表示，单位为米（m）。
2.2水泵与电动机的选择
考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量P计算如下：
（2-6）
式中，Ki——串级调速系数，一般取1.2左右。
对于在长期低速运行的串级调速系统，该取大一点；
PD——按照常规运算方式计算的电动机容量。
从产品手册中选择的电动机容量P≥PD。
本设计采用水泵与电机型号如下：
循环泵：
64LKXA-20立式斜流泵额定流量：
Qe=19726m3/h（5480l/s）
额定扬程：
He=20m额定转速：
425rps
电动机：
YKSL1600－14/1730-1额定功率；1600kW
额定电压：
6000V额定电流：
203.3A
额定转速：
425rps工频运行电流：
154A
额定效率：
95％功率因数：
0.85
2.3串级调速系统的分类
根据串级调速异步电动机转子回路中直流附加电动势Ef获得的方法不同，可将串级调速系统分为以下三种基本类型：
1.恒转矩电机型串级调速系统
用他励直流电动机旋转时的反电动势作为附加电动势Ef，改变直流电动机的励磁电流大小，即可改变Ef的大小。
直流电动机拖动交流异步电机作发电机运行，从而将转子转差功率回馈入电网。
输出机械功率
（2-7）
即正比于电机转速，故具有恒转矩调速特性。
该系统有效率高，成本较低、维护容易和机组放置灵活等优点，但全套装置较大，主电动机低速运行时，直流电动机和交流发电机的机械损耗显得较大。
2.恒转矩晶闸管串级调速系统
用晶闸管全控整流电路获得直流附加电动势，整流电路长期工作在有源逆变状态，即逆变角β≤90o，改变逆变角β的大小即可改变Ef的大小。
全控整流电路工作在有源逆变状态，故能将直流侧附加电动势Ef吸收的电功率通过变压器变压回馈入交流电网。
具有恒转矩调速特性，系统的优点是效率高、原理与线路比较简单，无旋转机械部分，维护相对较容易，但功率因数低，高次谐波对电网有不利影响，电网波动可能引起逆变失败。
3.恒功率电机型串级调速系统
用他励直流电动机旋转时的反电动势作为附加电动势Ef，改变直流电动机的励磁电流的大小即可改变Ef的大小。
因直流电动机与主电动机同轴硬联接，故吸收的转差功率转变成轴上机械功率再传给机械负载。
不计损耗时负载上得到机械功率总和为:
（2-8）
故有恒功率调速特性，能在低速时产生较大转矩，特别是适于低速需重负载转矩的场合。
该系统的优点是效率最高，投资最小，可靠性高，对电网无任何不利影响。
但因直流电动机在低速时不能产生足够的反电动势Ef，故调速范围不大，通常在2:
1以内，此外主异步电动机必须是双轴伸结构。
2.4串级调速原理
异步电动机的转速可表示为
（2-9）
式中
n1--同步转速（r/min）；
f1--定子电源频率（Hz）；
PN--极对数；
s--转差率。
异步电动机调速可以通过三条途径进行：
改变电源频率、改变极对数以及改变转差率。
异步电动机运行时其转子相电动势为
（2-10）
式中s—异步电动机的转差率；
Er0--绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压值。
式（2-10）表明，绕线转子异步电动机工作时，其转子电动势Er值与转差率s成正比。
此外，转子频率f2也与s成正比，f2=sf1。
在转子短路情况下，转子相对电流Ir的表达式为
（2-11）
式中Rr--转子绕组每相电阻；
Xr0--s=1时的转子绕组每相漏抗。
如在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势Eadd，在附加电动势与转子电动势Er有相同的频率，并与Er同相串接。
此时转子回路的相电流表达式为
（2-12）
当电动机处于电动状态时，其转子电流Ir与负载大小有直接关系。
当电动机带有恒定负载转矩TL时，可近似地认为，不论转速高低，转子电流都不变，这时在不同s值下的式（2-11）与式（2-12）应相等。
设在未串入附加电动势前，电动机原在某一转差率s1下稳定运行。
当引入同相的附加电动势后，电动机转子回路的合成电动势增大了，转子电流和电磁转矩也相应增大，由于负载转矩未变，电动机必然加速，因而s降低，转子电动势Er=sEr0随之减小，转子电流也逐渐减小，直至转差率降低到s2时，转子电流Ir又恢复到负载所需的原值，电动机便进入新的更高转速的稳定状态。
此时式（2-11）与（2-12）的平衡关系为
（2-13）
同理可知，若减小+Eadd或串入反相的附加电动势-Eadd，则可使电动机的转速降低。
所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。
如上所述，在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。
对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此电动势的幅值，就可以调节电动机的转速。
这样就把交流变压变频这一复杂问题转化为与频率无关的直流变压问题了。
对于这一直流附加电动势要有一定的技术要求。
首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。
根据以上要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。
按照上述原理组成的异步电动机在低同步转速下作电动状态运行的调速系统称之为电气串级调速系统。
如图2-1所示。
图2-1串级调速系统原理图
图中M为三相绕线转子异步电动机，其转子相电动势经三相不可控整流装置UR整流后，输出为直流电压Ud。
工作在有源逆变状态的三相可控整流装置UI提供了可调的直流电压Ui，作为电动机调速所需的附加直流电动势，同时将经UR整流输出的转差功率逆变后回馈到交流电网。
BT为逆变变压器，L为平波电抗器。
整流后的转子直流回路电压平衡方程式为：
（2-14）
其中
（2-15）
β为晶闸管逆变角，控制β的大小可以调节逆变电压Ui，使得电动机转速能平滑连续调节。
当电动机稳定运行时，可以认为Id为恒定，当β增大时，Ui立即减小，但电动机转速因存在着机械惯性不会突变，所以Ud也不会突变。
则转子直流回路电流Id增大，相应转子电流Ir也增大，电机的电磁转矩随之增大，电机加速；在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流Id减小，直到电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。
同理，减小β值可以是电机在较低的转速下运行。
这就是串级调速系统的工作原理。
2.5新型三相四线制串级调速方案
图2-2是新型三相四线制串级调速系统原理图。
这种方案中，电机转子绕组经整流器、电抗器、逆变器、逆变变压器连接电网。
新型三相四线串级调速系统中的逆变器增加了两个串联的IGBT，再并联由六个晶闸管组成的逆变桥，两个IGBT的中点与逆变变压器二次侧的中线连接。
RCD网络并联于IGBT两端，起到限制IGBT峰值电压的作用。
这种方案基本思想是在逆变器直流侧并联了两个辅助开关元件IGBT，按照一定的控制方式，将逆变角β固定在一个较小角度，通过控制2个IGBT元件和晶闸管逆变桥的通断改变逆变电压，从而调节电动机的转速，同时提高系统的功率因数。
图2-2三相四线制双IGBT方案原理图
图2-2画出了新型三相四线串级调速方案中IGBT的控制脉冲及逆变桥晶闸管的触发脉冲。
图中，IGBT的控制脉冲周期为2л/3，从自然换相点处开始，VT7和VT8两管交替导通，脉冲宽度（即导通控制角）的变化范围为0~2л/3。
晶闸管（1,3,5）的触发脉冲起始点定在VT8控制脉冲的下降沿处，结束点为VT7控制脉冲的开始时刻。
晶闸管（4，6，2）的触发脉冲起始点定在VT7控制脉冲的下降沿处，结束点为VT8控制脉冲的开始时刻。
当IGBT导通时，输出的逆变电压为相应的相电压；当IGBT关断后，输出的逆变电压为相应的线电压。
输出逆变电压的大小由IGBT控制角δ决定。
这样电流便滞后于电压180°以上，因此转子回路不再从电网中吸收无功功率，而是向电网提供无功功率。
以逆变桥中1号晶闸管（VT1）与5号晶闸管（VT5）的换相为例分析该方案中IGBT器件的控制方法。
图2-4示出了逆变桥中IGBT与晶闸管的控制脉冲顺序，其中，逆变角β固定在零处，IGBT导通角δ变化范围为0°~120°。
图2-3IGBT控制脉冲及晶闸管触发脉冲
在a，c两相自然换相点（t1时刻）前t0时刻，控制触发VT7导通。
VT7管的导通给VT5管加上一个反向电压，IGBT是全控器件，控制脉冲的宽度决定了晶闸管导通时间，VT7导通适当的角度δ，则会给VT5施加足够时间的反压，保证VT5在t1时刻前可靠关断，这样在t1时刻触发VT1管时，就不会出现同组2个晶闸管同时导通的现象，避免了逆变失败。
当VT1导通一定角度（120°-δ）后，再次控制VT7导通，可靠关断VT1管，在下一个自然换相点处触发VT3导通，依次循环下去，从而实现了有源逆变。
VT8管对VT2，VT4，VT6管的换相控制同上。
IGBT不仅实现了辅助换相作用，还具有调节逆变电压的作用。
逆变角β固定不变，当增加IGBT导通时间后，晶闸管关断时间提前，导通时间变短，从而降低了逆变电压。
因此，通过改变IGBT脉冲控制角δ的大小，可以改变逆变电压，进而调节电动机转速[3]。
2.6串级调速系统的起动方式
串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势工作的，为使系统能正常工作，对串级系统的起动与停车控制须有合理的措施。
在串级调速起动时必须使逆变器先接上电网，然后电动机再接入电网，停车时则是电动机先脱离电网，然后再逆变器脱离电网。
从而防止逆变器交流侧断电，导致晶闸管不能关断，而造成逆变器短路事故。
串级调速系统通常有间接起动和直接起动两种方式。
1.间接起动方式大部分采用串级调速的设备的调速范围是不需要从零到额定转速的，特别对于水泵、风机、压缩机等机械，其调速范围不大。
为使串级调速系统装置不受过压损坏，起动方式须采用间接起动方式，将电动机转子先接入电阻或变阻器起动，等到转速升高达到串级调速系统所设计的最低转速时，才把串级调速装置接入运行。
由于水泵、风机等机械不经常起动，所用的起动电阻可按短时工作制选用，体积和容量都较小。
可以根据对电动机转速的测量或利用时间原则自动控制串电阻起动转换到串级调速。
图2-4所示是间接起动控制原理图。
图2-4串级调速系统间接起动控制原理图
起动操作顺序如下：
先合上装置电源总开关Q，使逆变器在βmin下等待工作。
然后依次接通待触发器KM1，接入附加起动电阻R，使电动机起动加速，再接通KM0，使电动机定子回路与电网接通，于是电动机便以转子串电阻的方式起动。
待起动达到所设计的nmin（smax）时接通KM2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开KM1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。
不允许在未达到设计最低转速以前就把电动机转子回路与串级调速装置接通，否则转子电压会超过整流器件的额定电压而损坏器件，所有转速检测或起动时间计算必须准确。
采用这种起动方式，虽然增加了一套附加起动设备，但对于调速范围较小的串级调速系统，其主要设备的容量和耐压可显著降低，从设备总投资来看，仍然是经济的。
停车时，由于没有制动作用，应先断开KM2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，在断开KM0，以防止当KM0断开时在转子侧感生分闸过电压而损坏整流器与逆变器。
2.直接起动直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。
在起动控制时，让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。
在图3-4中，接触器的工作顺序为Q-KM0-KM2，此时不需要起动电阻。
当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。
待发出给定信号后，随着β角的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。
综上所述，本设计的起动方式采用间接起动。
第3章数字触发器的硬件设计
3.1全数字串级调速系统组成
图3-1中电流反馈信号取自逆变器交流侧，由霍尔电流传感器检测后经ADC0809转换后输入AT89C51单片机；转速反馈信号取自测速发电机，经ADC0809转换后送入AT89C51单片机，在单片机内与反馈量进行比较计算后，由单片机输出信号，控制晶闸管与IGBT导通与关断，进而控制电动机调速。
图3-1全数字串级调速系统结构框图
3.2主控制器设计
3.2
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