异步电机串级调速系统设计.docx
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异步电机串级调速系统设计
异步电动机的串级调速系统设计
摘要
串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的，它属于变转差率来实现串级调速的。
与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上，因此效率高。
它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。
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，因而获得了广泛的应用。
关键词：
串级调速；转差率；整流电流
CascadeInductionMotorSpeedControlSystemDesign
Abstract
Cascadespeedthroughthewindinginductionmotorrotorcircuitandtheintroductionofadditionalelectricpotentialgenerated.Itbelongstotheslipchangestoachievethecascadespeedcontrol.Stringwiththerotorresistanceindifferentways,cascadeinductionmotorspeedcanbethepowertobe（backpowerintomechanicalenergy,ortosendbacktomotorshaft）,soefficient.Itcanrealizeasmoothsteplessspeedcontrol,lowspeedwhenthemechanicalpropertiesisrelativelyhard.Inparticular,low-synchronouscascadethyristorspeedcontrolsystem,technicaldifficultyofsmall,relativelyperfectperformance,therebygainingawiderangeofapplications.
Keywords:
Cascadespeed;Slip;Rectifiercurrent
目录
1概述1
1.1交流电动机调速的发展概况1
2串级调速原理和基本类型2
2.1串级调速的原理2
2.2串级调速的基本类型4
3串级调速系统主回路主要设计的参数计算与选择6
3.1异步电动机容量的选择6
3.2转子整流器的参数计算与元件选择6
3.2.1最大转差率6
3.2.2转子整流器的最大输出电压7
3.2.3最大直流整流电流8
3.3整流二极管的选择8
3.3.1整流二极管电压的选择8
3.3.2整流二极管电流的选择8
4逆变器的参数计算与元件选择9
4.1逆变变压器的参数计算9
4.1.1逆变压器二次侧线电压：
9
4.1.2逆变变压器二次侧线电流：
9
4.1.3逆变变压器一次侧线电流：
9
4.2晶闸管的参数计算10
4.2.1晶闸管额定电压的选择10
4.2.2晶闸管额定电流的选择10
5平波电抗器电感量的计算11
5.1保证电流连续所需要的电感量11
5.2限制电流脉动的电感量12
5.3平波电抗器的电感量12
6启动方式的选择13
6.1利用串调装置直接启动方式13
6.2并联附加起动设备的切换起动方式13
6.3串联起动电阻器起动方式14
7继电器控制电路设计15
8串级调速系统在矿井提升机中的应用17
8.1提升机调速系统的调速方式17
8.2双闭环控制系统的选择17
8.3桥式电路的选择17
8.4触发电路的选择18
结论19
致谢20
参考文献21
附录22
1概述
1.1交流电动机调速的发展概况
纵观电力传动的发展过程，交直流两种传动方式共存于各个生产领域之中。
在电力电子技术发展之前，直流电动机几乎占垄断地位。
对于直流电动机只要改变电动机的电压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，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。
交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机与直流电动机相比具有一些突出的优点：
制造成本低；重量轻；惯性小；可靠性和运行效率高；维修工作量小；能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行。
这些与现代调速系统要求的可靠性、可用性、可维修性相一致。
正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80%以上；但同时交流电动机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。
而随着电力电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能的电力电子器件产品的出现，为交流调速系统的发展创造了有利条件。
特别是70年代初出现的矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上相继出现的磁通反馈矢量控制、转差型矢量控制、直接转矩控制等实用系统，大大推进了交流传运控制技术的发展。
这些新型的交流传动控制技术与高性能的变频器相结合，就有可能使利用交流电动机构成的交流伺服系统在性能上与高精度的直流伺服系统相匹配。
特别是在一些大容量、高转速或特殊环境下应用的场合，交流调速系统已显示出无比的优越性，电气传动交流化的时代随之而来。
2串级调速原理和基本类型
2.1串级调速的原理
假定异步电动机的外加电源电压U1及负载转矩ML都不变．则电动机在调速前后转子电流近似保持不变。
若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势Ef,则转子电流为
（式2—1）
式中：
R2：
转子回路电阻；
sX20：
转子旋转时转子绕组每相漏抗
E20：
转子开路相电势
电动机在正常运行时，转差率s很小，故R2≥sX20。
忽略sX20有
（式2—2）
上式中，E20为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势Ef可以改变转差率s，从而实现调速。
设当Ef=0时电动机运行于额定转速，即n=nN,s=sN,由（式2—2）可见，当附加电动势与转子相电势相位相反时（Ef前取负号），改变Ef的大小，可在额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（Ef前取正号），改变Ef的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速（即s<0）。
串级调速四种基本状态方式下能量传递方式如图2所示，图中不计电动机内部各种损耗，即认定定子输入功率P即为转子输出功率。
（a）低于同步速电动状态（0＜S＜1）（b）高于同步速电动状态（S＜0）
（c）高于同步速发电制动状态（s＜0）（d）低于同步速发电制动状态（0＜S＜0）
图1串级调速四种基本运行状态下的能量传递关系
晶闸管低同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。
晶闸管低同步串级调速系统主回路见图2
图2晶闸管低同步串级调速主回路图
2.2串级调速的基本类型
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
它属于变转差率来实现串级调速的。
与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上，因此效率高。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加电势的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，现多采用晶闸管串级调速，其特点为：
（1）可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；
（2）装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；
（3）调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；
（4）缺点是晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。
3串级调速系统主回路主要设计的参数计算与选择
3.1异步电动机容量的选择
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：
P=Ki*PD
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，应该取大一点。
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
本设计采用的是哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。
该电机定额为连续定额S1，基本防护等级为IP23，基本冷却为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。
表1电机参数
控制电机型号
JRNT1512-4
额定功率
1050KW
额定电流
121.5A
转子电压/电流
1045V/627A
最高/最低转速
1484/690r/min
效率
88.5%
功率因数
0.83
控制装置型号
JC4---800A/800V
3.2转子整流器的参数计算与元件选择
3.2.1最大转差率
（式3-1）
式中：
n1：
电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速。
nmin：
串级调速系统的最低工作转速
D：
调速范围
（式3-2）
转差率s=（1500-1484）/1500=0.01
最大转差率smax=（1484―690）/1484=0.535
D=nmax/nmin=1484/690=2.15。
3.2.2转子整流器的最大输出电压
（式3-3）
式中：
E20：
转子开路相电势
KUV：
整流电压计算系数，见表2
符号
KIT
KGT
KCV
KIV
KIL
KST
KL
K
三相带中线
0.367
1.414
0.67
0.577
0.472
1.35
1
0.866
三相桥
0.367
1.414
1.35
0.815
0.816
1.05
2
0.5
双三相桥串联
0.367
1.414
2.7
0.816
1.578
1.03
4
0.26~0.52
双三相桥并联
0.184
1.414
1.35
0.408
0.889
1.03
1
0.26~0.52
表2变流器主电量计算系数
则Udmax=1.35*1045*（1-1/2.15）=755V
3.2.3最大直流整流电流
（式3-4）
式中λm：
电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数2
I2N：
转子线电流额定值
KIV：
整流电压计算系数，见表2
Idr：
转子整流器输出直流电流额定值Idr=I2N/KIV
1.1：
考虑到转子电流畸变等因素的而引如的系数
则Idmax=1.1*2*627/0.813=1697A
3.3整流二极管的选择
3.3.1整流二极管电压的选择
设每个桥臂上串联的整流二极管数目为N=3，则每个二极管的反向重复峰值UKRM为
（式3-5）
式中：
KUT：
电压计算系数，见表2
E20：
转子开路相电势
KAV：
均压系数，一般取0.9。
对于元件不串联时取1
由上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围D有关，调速范围越高，元件承受的电压越高
则：
UKRM≥1.5*1.35*1045*（1-1/2.15）/（0.9*3）=419V
3.3.2整流二极管电流的选择
在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。
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3-6）
式中：
KIT：
电流计算系数，见表2
Idmax：
转子整流器最大直流整流电流
4逆变器的参数计算与元件选择
4.1逆变变压器的参数计算
对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配；同时转子电路与交流电网之间需实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。
4.1.1逆变压器二次侧线电压：
根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定：
（式4-1）
式中：
UT2：
逆变变压器二次侧线电压
Udmax：
转子整流器最大输出直流电压
KUV：
整流电压计算系数。
见表2。
Βmin：
最小逆变角，一般取30o
4.1.2逆变变压器二次侧线电流：
（式4-2）
式中：
IT2：
逆变变压器二次侧线电流
KIV：
整流电流计算系数。
见表2
IdN：
转子整流器输出直流电流额定值
4.1.3逆变变压器一次侧线电流：
（式4-3）
式中：
IT1：
逆变变压器一次侧线电流
KIL：
变压器一次侧线电流计算系数。
见表2
KT：
逆变变压器的变比
逆变变压器等值容量：
（式4-4）
式中：
KST：
变压器等值容量计算系数，见表2
4.2晶闸管的参数计算
4.2.1晶闸管额定电压的选择
在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电压不能满足要求，需要几个晶闸管串联使用。
设每个串联桥臂上晶闸管的数目为N，则每个晶闸管反向重复电压由下式确定：
（式4-5）
式中：
KUT：
电压计算系数，如上表
KAV：
均压系数，其值可取0.8~0.9。
对于元件不需串联的情况下取1
UT2：
逆变变压器二次侧线电压
4.2.2晶闸管额定电流的选择
设每个桥臂并联元件支路数为Np，则每个晶闸管的额定电流为
（式4-6）
式中：
KIT：
电流计算系数，见上表
Idmax：
转子整流器最大直流整流电流
KAC：
均流系数。
其值可取0.8~0.9。
对于元件不并联的情况下取1
5平波电抗器电感量的计算
转子直流回路平波电抗器的作用是：
一使串级调速在最小工作电流下仍能维持电流的连续；二减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。
平波电抗器的电感量计算如下：
5.1保证电流连续所需要的电感量
δ1（p=3）δδ1（p=6.12）
图3不同脉波数时，临界电感计算系数δ1与超前角的关系
δ1正比与直流电压中的交流分量的电感计算系数，从图3中查
（式5-1）
UT2：
逆变变压器二次侧线电压
KUV：
系数，见上表
Idmin：
直流回路最小工作电流（A）
LM：
异步电动机折算到转子侧的每相电感量
LT：
逆变变压器折算到二次侧的每相电感量
5.2限制电流脉动的电感量
（式5-3）式中：
Kp：
限制电流脉动的电感系数（ms），其值从下表中查
σ：
允许的电流脉动率，一般可取10%左右。
表3电感量计算系数KP
短路电压百分值的感抗分量
ei=0
ez=6%
ex=12%
ex=18%
三相带中线
三相桥
双三相桥串联或并联
1.93
0.45
0.11
1.83
0.4
0.086
1.73
0.36
0.066
1.63
0.32
0.048
5.3平波电抗器的电感量
（式5-2）
6启动方式的选择
绕线式异步电动机的启动方式主要有三种：
一利用串调装置直接启动方式；二并联附加启动设备的切换启动方式；三串联启动电阻启动方式。
（a）利用串调装置直接启动方式（b）并联附加启动设备的切换启动方式
（c）串联启动电阻启动方式（d）图（c）方案的改造
图4串级调速各种启动方式
6.1利用串调装置直接启动方式
如图（a）所示，它不用任何附加起动设备，而是由串级调速装置控制直接起动电动机。
这种调速方式适用于串级调速系统的调速范围很大．几乎要求能从零开始调速或者生产机械对起（制）动的加（减）速度有一定要求的场合。
对于调速范围较小的系统，若选用直接起动方式，是不行的。
另外，对于一个按实际调速范围设计的调速范围较小的串级调速系统，若采用直接起动，则在主回路中会造成较大的冲击电流，且往往超过允许限度。
因此，对于调速范围较小且对起（制）动加（减）速度无特殊要求的串级调速系统，宜采用以下两种起动方式。
6.2并联附加起动设备的切换起动方式
如图（b）所示，电动机先用接触器KM1接入附加起动电阻器（或频敏变阻器）起动加速（此时KM2是断开的），当加速到串级调速系统设计的调速范围最低速nmin时，接通KM2，这时逆变控制角β应为最小值βmin，即对应于最高逆变电压Uβmax。
然后断开KM1，逐渐增大β，电动机继续加速，直到所需要的转速．
这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转于回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。
这种方式还有一优点，即一旦串级调连装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行。
6.3串联起动电阻器起动方式
如图（c）所示，在起动过程中把限流的起动电阻逐渐短接，这种接线方式虽然逆变变压器的二次侧电压只得按调速范围的大小来选择．但是转子电路主要设备元件选用的耐压等级仍需按从零开始调速的条件来设计，为克服这一缺点可采用图d的接线方式。
起动时先将KM3接通，当电动机加速到串调装置设计的调速范围员低速时，断开KM3，串调装置自动投入运行。
7继电器控制电路设计
继电器控制电路设计是否合理，关系到串调装置能否按正确的顺序起动、切换、运行、停车，还关系到装置的安全及元件的使用寿命。
在设计中要注意以下几点：
1．必须有严格的起动和切换顺序。
由于串调装置中硅元件的耐压等级是按照调速范围最低转速时所承受的电压来选择的，故继电操作电路必须保证电动机转速在达到规定的最低转速以上时才允许切换至串调运行状态。
起动顺序是：
给控制回路送电，接通逆变器主电源转子接入频敏变阻器，接通定子电源，电动机开始起动，电动机加速至规定转速时切换至串调运行，此后立即切断频敏变阻器。
2．必须有正确的停车顺序。
一般绕线式异步电动机空载励磁电流较大，为电动机额定电流的25％左右，这意味着电动机有较大的磁场能量。
因此在电动机分闸时不允许转子开路．否则转子侧将产生严重过电压，甚至击穿电动机绝缘。
停车时也不允许切除所有电源，应保证逆变器比整流器迟脱离电网。
停车顺序为：
使串调装置脱离电动机转子同时接入频敏变阻器，切断电动机定子电源，切断逆变器电源，切断控制回路电源。
3．用户通常要求串调装置能选择“串调运行”及“异步高速运行”两种工作方式，并能相互切换，在切换过程中必须注意，逆变器应比整流器早接入电网，在整流器合闸的情况下，不得断开逆变器电源，否则易造成逆变器颠覆。
在切换过程中还应避免转子开路。
串调装置发生故障时应将转子电路短接，整流器和逆变器电路断开。
图5继电器控制电路
在图5中，只画出常用电源合闸控制及备用电源合闸控制电路。
常用电源合闸控制继电器的线圈K1A与备用电源合闸控制继电器的常闭触点K2D串接在一起，这样当P1.1出现高电平、P1.3出现低电平时，继电器线圈K1A通电，其常开触点K1C闭合，常闭触点K1D断开，接通交流220V的常用电源闸刀控制线路，同时断开备用电源合闸控制继电器线圈K2A的电源，两个继电器接成互锁的形式，以保证任何时刻只有一路电源被合闸接通，确保供电系统安全运行。
8串级调速系统在矿井提升机中的应用
8.1提升机调速系统的调速方式
矿井提升机要求起制动过度过程平稳、运行稳定、转矩大,而且有一定的调速范围,至于频繁起制动，在省事节电方面要求起制动时间短、耗能低、效率高.根据异步电动机的调速类型和各种提调速的优缺点,以及提升机对电气传动系统的要求,选用绕线式异步电动机可控硅串级系统的调速方案比较合适.系统中使用静止的可控硅里边装置实现矿井提升机下降超同步调速,上升低同步调速,用倒拉反接制动实现停车.
8.2双闭环控制系统的选择
开环控制.若想进一步提高系统的静态精度并获得较好的动态性能,必须采用反馈控制.较好的反馈控制方法是才同具有电流和速度反馈的双闭环控制方法.可从以下两方面考虑:
⑴矿井提升机起、制动频繁,必须缩短起、制动时间以提高工作效率.
⑵提升机要求运行稳定、动态性能、快速性好,单闭环控制调速远不及双闭环控制调速系统好.
本文介绍提升机可控硅串级调速系统设计选用双闭环控制调速系统,能满足矿井提升机对调速性能的要求.
8.3桥式电路的选择
根据三相交流电的频率每一周期变化为上半周2相，下半周1相的规律，三相桥式整流是将交流电每一个变化周期内的上半周2只二极管（正向）导通，下半周1只二极管（正向）导通来获得一个频率周期内上、下波形都能导通的全波（6只二极管）整流输出直流电的。
图6桥式电路
8.4触发电路的选择
单相通用型可控硅触发板是通过调整可控硅的导通角来实现电气设备的电压电流功率调整的一种移相型的电力控制器，其核心部件采用国外生产的高性能、高可靠性的军品级可控硅触发专用集成电路。
输出触发脉冲具有极高的对称性及稳定性，且不随环境温度变化，使用中不需要对脉冲对称度及限位进行调整。
现场调试一般不需要示波器即可完成。
它（GBC2M-1系列与zkd6三相全数控系列）可广泛的应用于工业各领域的电压电流调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器一次侧及各种整流装置等。
图7触发电路
结论
本课题主要对异步电机串级调速系统进行设计.本文依据异步电动机对电力拖动系统的要求，采用串级调速来控制其拖动电动机实现无级调速，满足异步电机对电力拖动系统调速系能和节能的要求。
系统介绍了串级调速的方式，特点以及其应用。
所做的工作主要包括以下几个方面：
首先介绍了交流电机的发展概况，随后介绍了串级调速的原理和类型，串级调速系统主回路设计的参数计算与选择，逆变器的参数计算，继电器控制电路的设计，还简单设计了串级调速系统在矿井提升机中的应用等。
串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的，它属于变转差率来实现串级调速的。
与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上，因此效率高。
它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。
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，因而获得了广泛的应用。
致谢
毕业论文暂告收尾，这也意味着我在宜宾职业技术学院的三年学习生活既将结束。
回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。
在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。
这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的
本文是在张怀宇老师的精心指导下完成的。
在此，向她表示衷心的感谢。
论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。
老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及
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