次同步晶闸管串级调速毕业论文.doc
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1、第1章 绪论1.1 本课题的意义近几年来,迅速发展的科学技术为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础,随着电力电子技术、计算机技术的发展和电力电子器件的更新换代,交流调速技术获得了飞速发展。现代交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低,可靠性更高,交流调速系统已从直流调速的补充手段发展到与直流调速系统相竞争、相媲美、相抗衡,并逐渐取代的地位。特别应该指出的是,交流调速拖动系统在能源方面的作用。在世界能源紧张、能源费用高涨的今天,交流调速技术作为节约能源的一个重要手段,引起了人们的高度重视。究其原因:一方面,交流拖动负荷在各国的总用
2、电量中都占有很大的比重(工业发达国家,大都占一半以上),对这类负荷实现节能,可以获得十分可观的节电效益:另一方面,交流拖动本身又存在着很大的可以挖掘的节电能力。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。串级调速是异步电动机调速方法之一,它可以将异步电动机的功率回馈给电网或是转化为机械能送回到电动机轴上加以利用,因此效率高。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,它能实现无级平滑调速,低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管次同步串级调速系统,技术难度小,性能比较完善,因而获得了广泛的应用。晶闸管串级调速技术除可用于新设备
3、设计外,还可用于对旧设备进行技术改造,这样不仅能改善调速性能,又可以节约能源。总之,交流调速技术具有优良的调速性能,可带来节约能源、减少维修费用、节省占地面积等优点,尤其在大容量或工作于恶劣环境时更为直流电机拖动所不及。所以交流调速技术的应用有着广阔的前景。本课题研究的是使用晶闸管实现节能调速的过程。1.2 国内外发展状况1.2.1 交、直流电机性能对比交流电动机刚刚出现后,虽然结构简单、可靠、造价低廉,但调速性能(调速范围、稳定性或静差度、平滑性等)却无法与直流调速系统相媲美,所以在调速领域中,直流传动一直占据着统治地位。但是,由于直流电动机存在着“换向”这一理论和技术方面的实际困难,使得直
4、流电动机的最高电压只能达到1000多伏,而交流电动机则很容易做成6kV、10kV或更高:另外直流电动机的制造和维护也比交流电动机复杂,特别是随着科学技术的发展,直流电动机的单机容量、电压等级、转速和体积往往不能满足实际需要,而交流同步电动机和异步电动机的单机容量都可以远远高于直流电动机;在转速方面直流电动机的最高转速只能达到3000转分左右,而交流电动机转速则可高达每分钟数万转或更高,这些都是直流传动的薄弱环节。1.2.2国外研究现状为了克服上述缺点,很多国家一直在致力于发展交流传动技木。起初,由于交流调速的发展受其物质基础静止式变流器件以及相应的电子逆变技术的限制,交流调速装置未能得到推广应
5、用,有的甚至未能走出实验室。本世纪六十年代以后,随着电力电子学与电子技术的发展,交流调速发展出现了一个飞跃;尤其是七十年代以来,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,为交流调速的发展进一步创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调速、无换向电动机调速,特别是矢量控制技术的应用,使得交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。原来的交直流拖动分工格局被逐渐打破,在各工业部门用可调速交流拖动取代直流拖动的形式己指日可待。目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,而交流变频调速装置的生产大幅度上升。
6、1.2.3国内发展状况在我国诸多领域,风机和泵类负载是应用最广泛、耗电量最大的一类生产机械,例如冶金、石化、电力、给排水、及矿山等国家重要支柱产业。据统计,风机和泵类负载的耗电量占到全国工业用电量的40以上,而风机、泵用电量的30一40消耗在调节阀门及电网压降上,缺点是运行效率低,这就造成了巨大的电能浪费,与经济运行标准还相距甚远,所以这类负载的节能潜力很大。在能源曰趋紧张的今天,如果能够对风机、泵类负载的节能技术改造有一个突破性的研究进展,则每年将形成相当可观的经济效益。在风机和泵类负载的节能措施中调速运行是最有效的。在高压大容量系统中,变频调速成本很高、体积大,存在诸多问题;在节电率相同的
7、情况下,电动机的功率越大其节能效益也就愈大。因此,高压大功率电动机驱动的风机、泵采用调速传动,其节能效果将更加明显,虽然大功率风机泵类负载采用调速传动可节约大量电能,平均30左右。但由于国内适合风机、泵类负载的高压变频器还没有成熟产品,国外高压变频器价格十分昂贵,推广应用受到很大限制。特别是大功率的负载,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。对于风机和泵类负载的调速,合理的方案应是绕线电机次同步串级调速。电机定子绕组直接接中压电网、无网侧接变压器,转子绕组接低压,较容易与电力电子器件的性能相
8、匹配。在串级调速时,转子电路的功率为转差功率。风机和泵类负载所需的调速范围小,一般为30左右,这样电力电子装置的功率仅为电机功率的30或15。但普通的串级调速系统包括绕线电机、不可控整流器、有源逆变器和逆变变压器等,逆变变压器接电网,造成转差功率在绕线电机、不可控整流器、有源逆变器、逆变变压器和电网中的无谓循环。而且有源逆变器通常采用滞后相控触发,电机转速的改变是通过改变逆变角来实现的。因此,在深调速时系统功率因数低、谐波电流大,这是普通串级调速最主要的缺点。再有系统装备复杂,进而成本高。这些都在不同程度上限制了这类负载节能调速的推广和应用。晶闸管次同步串级调速具有以控制低电压进而控制高压电机
9、,以控制小功率进而控制大功率电机且系统结构简单,节电率高的特点,对于大多数泵、风机类需要次同步转速调速(由额定转速下调)的应用特别适合。特别对高压大容量电机更有技术实现容易和经济性好的优势。当然,原使用鼠笼电机的场合,在使用串级调速时需要更换为绕线式电机。绕线式电机有滑环、碳刷的维护工作,但相比变频器的空调防尘及装置等的维护量要小的多。如加上更换电机的费用,整个串级调速系统的费用还要低于变频器本身的价格(如也更换为变频电机,则变频系统价格更高)。一般在有一定调速深度的场合,投资回收期在l2年。串级调速的维修费用比变频调速也要低的多,维修容易。加之节电率比变频高出25个百分点,串级调速综合技术经
10、济比较,要比变频有明显的优势。1.3 本文主要完成的工作1.3.1设计要求:根据给定参数,设计一个满足下列技术要求的绕线式异步电动机的晶闸管串级调速装置:1)绕线式异步电动机,额定功率2.8KW, 定子额定电压380V ,接法Y, 定子额定电流6.04A, 转子额定电流19.5A, 电源三相, 定子频率50Hz, 转子开路电压104V, 额定转速1440r/min ,电动机定额连续,调速范围 1:3;2) 逆变变压器的原边电压与电网电压相同,其容量与电动机容量相匹配;3) 主电路中整流元件的选择应能保证起安全可靠地工作,电路和元件均应设置较完善的保护电路或保护环节;4) 触发电路应能够保证有源
11、逆变 器工作的正常进行,不应在串级调速运行中发生逆变颠覆。1.3.2毕业设计应完成的工作:1)设计出2.8KW绕线式异步电动机的晶闸管串级调速装置的主电路原理图,启动方法设计;2)采用双闭环控制系统:3)主电路整流元件参数的计算选择;4)进行主电路中有关保护电路和保护环节的设计,对保护元件进行参数的计算选择;5)完成逆变变压器的设计计算;6)完成晶闸管的触发电路的设计计算。第2章 串级调速原理分析及启动方法设计2.1 串级调速原理 串级凋速是十分经典的电机调速方法,它的根本点不是去控制电机的供电电源频率和电压,转而控制转子电流,从而改变电机的转差率进行调速。串级调速具有以控制低电压进而控制高压
12、电机,以控制小功率进而控制大功率电机且系统结构简单,节电率高的特点,对于大多数泵、风机类需要低同步转速调速(由额定转速下调)的应用特别适合。特别对高压大容量电机更有技术实现容易和经济性好的优势。 绕线式异步电动机的结构特点是转子的三相绕组通过滑环可以引出来。当外接不同的电阻时,电动机有不同的转速,这就是绕线式异步电动机的串电阻调速。这种调速方法简单、方便,但在电阻上消耗大量的能量,效率低、经济性差是这种调速方法的主要缺点。如果在转子的绕组回路串入附加电势,当串入的附加电势=0时,电动机工作在固有机械特性上,若这时拖动恒转矩负载,电动机在接近额定转速下稳定运行,转子相电流 式中 S=1时转子开路
13、相电动势、转子额定电压; S=1时转子绕组每相漏抗。 当转子的相位与转子感应电动势的相位相反时,由于反相的接入,立即引起转子电流的减小,此时转子相电流为:由于保证气息磁通不变,则电动机的电磁转矩随着转子电流而减小,使电动机电磁转矩小于负载转矩,失去稳定转速条件,迫使电动机转速降低,转差率上升,而转子电流此时又回升,直到电动机转速降低至某值,转子电流又回升到使电动机转矩回复与负载转矩相等时减速过程结束。当相位与转子感应电动势的相位相同时,情况正好相反。显然改变附加电势的大小,转子电流会发生变化,如果电动机带恒转据负载,则电动机的转速也会变化,因而串附加电势同样能调速。如果在调速的同时,让附加电势
14、装置吸收转子的转差功率并将其回馈电网,那么串附加电势既能调速又能节能。这种调速方法称为绕线式异步电动机的串级调速。 在绕线式感应电动机的转子回路中串入一个与转子感应电势相位相反(或相同)的附加电势,如图2.1所示 图2.1串级调速原理图 当调节在电机转子回路中引入可控的交流附加电动势,虽然可改变电机的转速,但由于电机的转子电动势的频率是其转速的函数,所以附加电动势的频率也必须能随转速而变化且在调速的动态过程中,也应与电机转子电动势的频率保持一致。由此可见,在转子回路中附加交流电动势的调速方法,相当于在转子侧加入可变频、可变幅值电压的调速方法。在工程上实现这样的可控电源是有相当难度的,人们常用一
15、些间接的方法来完成。工程上最常用的一种方法是,利用直流回路来处理6。串级调速就是基于这种思想,把转子感应电压通过整流器变换为直流电压,然后用一个直流的附加电势与之作用,以调节感应电动机的转速。这个附加电势根据它的相位的不同,可能对电机的运行情况产生不同的影响。如果附加电势的相位正好和电流的相位相反,它是吸收功率的,其作用和串电阻相似,增加这个电势,可以使转差功率增加电机转速下降。如果电势与转子电流同相,则产生附加电势的装置将有功功率输入电机的转子回路,起到负电阻的作用,可使转子回路中转差功率减少,甚至变为负值,这时电机转速升高,甚至超过同步转速。所以习惯上把前面一种调速方法称为次同步调速;而把
16、后一种方法称为超同步调速。 由于直流电量不存在频率与相位的问题,直流电压又容易获得,所以可以将电机转子电动势先整流成直流电压,然后引入一个直流附加电动势,而控制此直流附加电动势的幅值,就可以调节异步电机的转速。这样就把交流变压变频的问题,转化为与频率无关的直流变压问题。经常采用的一种方案,就是用硅二极管整流桥把转子转差功率整流为直流功率输出,然后把该直流功率输送给由可控硅整流桥构成的相控逆变器,由后者把直流功率又变成交流功率回馈给电网。目前国内外应用较多的串级调速系统是次同步串级调速系统8。随着电力电子技术的飞速发展,目前晶闸管串级调速已经成为主流.2.2 双闭环串级调速主回路设计与分析由图2
17、.1可知,要调速,可改变Ef的大小和相位,且要求Ef的频率必须与E2相同,但由于E2的频率是随着s的变化而变化的,因此要求Ef的频率也应随s的变化而变化,在实际中很难做到,为此设计中采用整流加逆变的方法来解决这一问题。下图为串级调速主电路图,图中UR为不可控的整流器,UI可控的有源逆变器,T1为逆变变压器,图中逆变变压器的作用之一是把可控整流装置与交流电网隔离,以抑制电网的浪涌对晶闸管的影响:作用之二能取得与被控异步电机工作相匹配的逆变电压。L为平波电抗器。转子相电动势经三相不可控整流装置整流,输出直流电压U。工作在逆变状态的三相可控整流装置除提供可调的直流电压以作为调速所需的附加直流电动势外
18、,可将经整流后输出的异步电机转差功率逆变成交流,并回馈到电网。 图2.2 晶闸管串级调速主电路图 不考虑电机转子绕组与逆变变压器漏抗影响,则可列写出直流回路的电动势平衡方程式 U=U+IR KsE=KUcos+IR 式中、是UR和UI两个整流装置的电压整流系数,当都采用三相桥式电路时, R直流回路的电阻当逆变角=90时,逆变电压=0,即附加电动势为零,电机在接近于额定转速的最高速运转。当为最小逆变角时,逆变电压最大,电机在最低速运转。改变逆变器的逆变角,就可改变附加电动势的大小,从而使电机转速得到调节。 当异步电动机的定子上加三相交流电后,转子整流器便产生空载整流电势,其值为2.34EM,方向
19、为上正下负。逆变变压器接入交流电源,由于三相全控桥式电路工作在逆变状态而产生空载逆变电势,其值为2.34ET,方向也是上正下负,它与转子空载整流电势反接。如果2.34EM2.34ET时主电路产生电流,电动机产生转矩,旋转起来;此后随转速上升,转差率下降,转子整流电势降低,至转子整流电压与逆变电压达到新的平衡时,电动机稳定运行。电机的调速是根据调速要求来改变逆变角的大小。角的变化,是通过改变加在触发器上的控制电压来实现的。而控制电压是通过双闭环控制系统中的电流调节器的输出来控制的。 电机定子供给转子的功率(电磁功率)分为两部分:大部分变成机械功率拖动泵里类与风机负载,一小部分成为由于转速差(比同
20、步转速低)而产生的转子回路的转差电功率。通过在转子回路串入串级调速装置加入一个可调反电势来控制转子电流,从而调节电机的转速(改变了机械功率输出),由于转速差(转子转速与同步转速的差)而产生的转子的转差功率经串级调速装置反馈回电网或内馈电机的定子反馈绕组而回收,从而达到调速和高效节能的目的。传统串级调速是将电机的转子回路通过串级调速控制装置及逆变变压器与电网连接而产生等效反电势。等效电势大小的调节是通过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现,同时,转差功率经逆变器和逆变变压器由电网吸收。当使用逆变变压器将转差功率回馈并吸收至电网时,称为外反馈式串级调速。如在电动机定子绕组嵌槽中同槽嵌放一个反馈绕组
21、,则定子铁芯中的反馈绕组和定子绕组构成并代率芋了逆变变压器,将转差功率通过反馈绕组及定子绕组回馈并吸收至电网,这称为内反馈式串级调速。 内反馈串级调速电动机是近年来出现的一种新型的绕线电动机,内反馈串级调速电机在其基础电,机的定子中增设了一套绕组,用来接受从转子反馈回来的能量,我们称之为调节绕组,而将原来的定子绕组称为主绕组。内反馈电机是利用电机绕组多重化技术,在异步电机的定子铁芯上,增设了一套调节绕组,用以提供附加电源。 本文所给电机无调节绕组,故采用外反馈式串级调速。 根据生产工艺对静、动态调速性能指标要求的不同,串级调速系统可以采用开环控制和闭环控制。对于技术性能指标要求不高的生产机械设
22、备,如只要求一定调速范围,而无其他动、静态指标要求的生产机械,为简单、可靠地运行,通常选择开环控制的串级调速系统;对于技术性能指标要求较高的生产机械设备,应选择闭环串级调速系统。采用比例积分调节器的单闭环串级调速系统,虽然能加快调节,并最终消除静态误差,但由于此系统中只有速度负反馈,没有电流负反馈,所以抗干扰能力较差。因此在电力拖动系统中用得较少,而转速、电流双闭环串级调速系统可以克服上述缺点。双闭环串级调速系统不仅具有较硬的机械特性,而且动态响应速度快,抗扰动能力强,容易实现过流保护,故多采用双闭环控制调速系统。双闭环控制系统是具有电流反馈内环和速度反馈外环的串级调速系统,电流反馈内环采用电
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