【正文】 有源逆變器的計算與元件的選擇和轉(zhuǎn)子整流器的計算與元件的選擇。 4）控制系統(tǒng)的仿真。 自動調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容比較廣泛，種類比較多，本系統(tǒng)的設(shè)計只選擇了其中的一種，借鑒前人的優(yōu)秀成果，做了比較詳細的介紹。但在設(shè)計中也存在許多不足之處，如控制系統(tǒng)的設(shè)計中的觸發(fā)電路和保護電路，在設(shè)計過程中沒能詳細的介紹計算元器件的過程等等。因此，在閱讀的過程中，希望各位能夠提出寶貴的意見，作進一步的改進。 第二章 系統(tǒng)方案的確定 系統(tǒng)方案的確定 根據(jù)穿孔機對電氣傳動系統(tǒng)的要求，采用晶閘管串級調(diào)速是很合適的。采用串級調(diào)速后，按電動機的臨界轉(zhuǎn)矩值降低為原來的 %計算 [1]，本電動機仍近似具有2倍（ ?? ）的轉(zhuǎn)矩過載能力，能夠滿足工藝 所提出的要求。另外，為了滿足靜、動特性的要求，本系統(tǒng)采用了具有電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的典型雙閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖 21所示的是本系統(tǒng)所采用方案的示意框圖。 圖 21 晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng) 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限 制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉(zhuǎn)速負反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。 本系統(tǒng)主要由主電路和控制電路兩部分組成。其中主電路包括整流、逆變、逆變變壓器和元器件的保護等；控制電路包括調(diào)節(jié)器、觸發(fā)電路、保護電路等。另外，本系統(tǒng)采用兩組逆變器串聯(lián)的連接方式，這樣，雖 然多用一些設(shè)備及元件，但具有下列優(yōu)點 [1]： （１）可采用普通電力變壓器作為逆變變壓器，不必再訂制副邊線圈電壓為特殊規(guī)格的逆變變壓器。根據(jù)轉(zhuǎn)子開路電壓和調(diào)速范圍的要求，本系統(tǒng)之逆變變壓器的副邊線電壓應(yīng)為 727伏（詳見第三章的計算）。若用兩組逆變橋串聯(lián)的方案，則每臺變壓器的副邊線電壓只要為原來值得 1/2，即 。因此，選用兩臺副邊額定線電壓為 400 伏的普通電力變壓器。 （２） 由于每臺逆變變壓器的副邊線電壓降低了一半，因而逆變器中元件的耐壓，也可相應(yīng)降低一半，這樣可以降低元件成本，同時便于選用。 （３）系統(tǒng)在調(diào)速范圍不大的情況下運行時，可以只投入其中一組逆變器，把另一組逆變器切除，以提高系統(tǒng)運行的功率因數(shù)。兩組逆變器可以互為備用，一組有故障時，另一組仍能單獨投入正常運行。 （４）通過將兩逆變器的不同脈沖移相方式進行組合，可以改善串級調(diào)速系統(tǒng)運行的功率因素，減少電網(wǎng)電壓波形的畸變，提高運行的穩(wěn)定和可靠性等。第三章 主電路的設(shè)計 主電路的計算與元件選擇包括有源逆變器的計算、轉(zhuǎn)子整流器的計算和直流電抗器的計算與元件選擇。主電路原理圖見附錄 1。 對于不同的異步電動機轉(zhuǎn)子額定 電壓和不同的調(diào)速范圍，要求有不同的逆變變壓器二次側(cè)電壓；同時也希望有源逆變器與電網(wǎng)隔離。因此，一般需要配置逆變變壓器。這里，主要討論如何確定逆變變壓器的二次電壓，容量和接線方式。 逆變變壓器原副邊的接線方式 如果逆變變壓器二次側(cè)繞組接成星形 [1]，并將其中點與電網(wǎng)的中點相連，則當一次側(cè)加入正弦波電壓時，將由于變壓器磁化曲線的非線性，而使各相激磁電流也為非正弦，其中包含三次諧波分量，該三次諧波電流可以通過中線流回。 如果變壓器中點不與電網(wǎng)中點相連，則三次諧波沒有回路，逆變變壓器的激磁電流中也就沒有三 次諧波分量。不含三次諧波的激磁電流將產(chǎn)生具有平頂波形的磁通，該磁通在變壓器的繞組中產(chǎn)生具有尖頂波形的電壓，從而使電壓為非正弦的。具有尖頂波形的電壓之幅值可以達到正常值的 50%— 60%，這對逆變變壓器絕緣是不利的。為了避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，逆變變壓器的一次繞組一般應(yīng)接成三角形，以使激磁電流的三次諧波在三角形中以環(huán)流形式存在，從而使二次繞組的感應(yīng)電勢是正弦的。 如果一次繞組接成星形，則根據(jù)同樣的道理，二次繞組應(yīng)接成三角形，或者再附加一個三角形繞組。這樣，在三角形繞組中便有三次諧波電流，從而使每相繞組中的電壓是正弦的 。所以在穿孔軋機自動調(diào)速系統(tǒng)中可選擇△ /Y11 型接線方式。 逆變變壓器二次電壓的計算 逆變變壓器的二次電壓，可以根據(jù)使最低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子最大整流電勢與逆變器最大逆變電勢相等的原則來確定。 設(shè)串級調(diào)速系統(tǒng) [4]最大理想空載轉(zhuǎn)差率為 Sl max0，它對應(yīng)著理想空載最低轉(zhuǎn)速，則按三相橋式整流接時，轉(zhuǎn)子最大整流電勢為 ESEDld 2m a a x ? （ 31） 由于 DnnnS l 110 m in00m a x ???? （ 32） 式中 D—— 調(diào)速范圍； Smax—— 最大轉(zhuǎn)差率（或稱最大調(diào)速深度）。 將式 32代入 31，得 DEDdE a x ???????? ?? （ 33） 三相橋式逆變器的最大逆變電 壓為 m in2m in c o ?? BEE ? （ 34） 式中 min? —— 最小逆變角 令 maxmax ?EEd ? ，則可由式 為 m in22 cos11?DBEDE ?????? ?? （ 35） 若用 BE 和 DE 分別表示變壓器二次側(cè)最大線電勢和電動機轉(zhuǎn)子額定（開路）線電壓，則式 35也可寫成如下形式 mincos11?DBEDE ?????? ?? （ 36） 由式 36 可知，逆變變壓器二次電勢除與電動機轉(zhuǎn)子額定電勢有關(guān)外，還與調(diào)速范圍 D 和逆變角 min? 有關(guān)。穿孔軋機的調(diào)速范圍不大，在這次的設(shè)計中要求的調(diào)速范圍是 D= 3 : 1,所以這類設(shè)備所用的逆變變壓器的二次電壓比較低。 關(guān)于最小逆變角的確定，對于只運行在電動狀態(tài)的串級調(diào)速系統(tǒng)，一般取 ??30min? （ 37） 因此，每一臺逆變變壓器的二次線電勢便可由上式 36得到： 3 6 28 6 9 4 0311c o s11m in?? ?????? ???????? ?? ? DBEDE （伏） 逆變變壓器容量的計算 逆變變壓器的容量，可有兩種近似的計算方法，一 種是根據(jù)已選定的電動機容量，來近似確定逆變變壓器的容量；另一種是根據(jù)逆變變壓器二次側(cè)等效線電流 BI（但對具有平方轉(zhuǎn)矩的泵類設(shè)備，則應(yīng)按最高轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的最大電流進行計算）和二次最高線電勢 BE 來確定。 變壓器的二次等效電流，可以根據(jù)等效直流電流來計算，即 dxB II ? （ 38） 而逆變變壓器的二次線電勢為 mincos?DB EE ? （ 39） 式中 min? 為最小逆變角。 因此，逆變變壓器的容量可根據(jù)下式確定 3103 ??? BBB IEP （千伏安） （ 310） 根據(jù)已知條件可得： 7861012553623103 33 ??????? ??BBB IEP （千伏安） 根據(jù)以上計算，選用兩臺標準的三相電力變壓器，其主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 型號： SJ1000千伏安； 電 壓： ； 電流： ； 接線方式：△ /Y11。 安，安伏，伏 1 2 5 5I1 4 4 4I362400 2eB 2 e ?????BE 均有一定的裕量。 有源逆變晶閘管元件的計算與選擇 晶閘管的反向重復(fù)峰值電壓 RRMV 與串聯(lián)數(shù)目的確定 晶閘管反向重復(fù)峰值電壓 [15] RRMV ，是指在觸發(fā)極斷路的情況下，可施加重復(fù)頻率為 50 赫、持續(xù)時間不大于 10毫秒的反向最大脈沖電壓，其值規(guī)定為反向不重復(fù)電壓的 80%，一般約等于晶閘管的阻斷 重復(fù)峰值電壓。 由于可能出現(xiàn)操作過電壓和系統(tǒng)中可能出現(xiàn)事故過電壓等，所以晶閘管的反向重復(fù)峰值電壓，應(yīng)選為比線路正常電壓的峰值高 2~3倍，即 RMRRM VV )3~2(? （ 311） 式中， RMV 是線路正常時的反向峰值電壓，對變壓器來說，通常為 BE2 。 BE =362（伏） 則 ????? RMR R M VV （伏） 在大型晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中，常需要幾個晶閘管串聯(lián)，此時，若所選晶閘管的反向重復(fù)峰值電壓為 RRMV ，則三相橋式有源逆變器中每個橋臂上串聯(lián)元件的數(shù)目 sn ，可根據(jù)下式求出 RRMJYBUWs VK EKKn 2? （ 312） 式中 WK —— 考慮網(wǎng)壓升高而引入的系數(shù)，其值可取為 ； JYK —— 均壓系數(shù)，一般取為 ； UK —— 電壓儲備系數(shù)，取為 2~3； BE2 —— 逆變變壓器二次線電壓的峰值。 根據(jù)上面的給定的系數(shù)可得 ???? ?????R R MJYBUWs VK EKKn 即可在逆變器的橋臂上串聯(lián)一個晶閘管器件。 晶閘管額定電流與并聯(lián)支路數(shù)的確定 標定的晶閘管額定電流 [4]，是指正弦半波（導(dǎo)通角為 ?180 ）電流的平均值，而表征元件發(fā)熱的應(yīng)該是電流的有效值，正弦半波電流的平均值為 ???? ? mmF IttdII ?? ? s in21 0 （ 313） 有效值 ? ? 2s i n21 20 mm ItdtII ?? ? ??? ? （ 314） 由式 313 和 314 得 FII ? （ 315） 對于三相橋式電路， dI 是額定整流電流，與 FI 的關(guān)系如下 ddF III 1 ?? （ 316） 轉(zhuǎn)子的額定線電流為 1255 安，所以 2 5 ???FI 安，所以選擇標定的晶閘管額定電流應(yīng)大于 安。 在大容量串級調(diào)速系統(tǒng)中，常需要幾個晶閘管元件并聯(lián)。此時，若選用每個元件的額定平均電流為 FI ，則每個橋臂上并聯(lián)的支路數(shù) Pn 為 FJLdiIP IK IKKn m ax? （ 317） 式中 IK —— 電流儲備系數(shù)，其值可取為 2~3； iK —— 三相橋式線路系數(shù)，取 ； JLK —— 均流系數(shù)，其值可取 ； maxdI —— 轉(zhuǎn)子回路的最大直流電流，其值 應(yīng)取與系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的電流值。 a x ?? ?????FJLdiIP IK IKKn 因此，每個橋臂上并聯(lián)的支路數(shù)為 4。 需要指出，由于串級調(diào)速系統(tǒng)中晶閘管一直工作在逆變狀態(tài)，所以在選擇晶閘管時應(yīng)該使各主要參數(shù)比較接近，最好選關(guān)斷時間較短的元件。 晶閘管元件的確定如下： KP500 安 /1400 伏型水冷、平板式元件；每個橋臂上的元件一串四并；兩個逆變橋共用 48 只晶閘管元件。 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，所承受的電壓與調(diào)速范圍有關(guān)。在上述 條件下通過計算選擇硅整流二極管的方法。 每個橋臂上串聯(lián)的硅整流元件數(shù) sn ，也可以根據(jù)式 312確定為 R R MJYDUWR R MJYDUWsVKEDKKVKESKKn 2112m a x ?????? ??? （ 318） 式中 UK —— 電壓儲備系數(shù)，其值一般取 ~2左右； DE2 —— 轉(zhuǎn)子線電壓峰值； maxS —— 最大轉(zhuǎn)差率（即調(diào)速深度）； RRMV —— 二極管反向重復(fù)峰值電壓； WK —— 考慮網(wǎng)壓升高而引入的系數(shù)，其值可取為 ； JYK —— 均壓系數(shù)，一般取為 ； ??????????????? ??R R MJYDUWs VKEDKKn 即每個橋臂上串聯(lián)的硅整流元件數(shù)為 1個。 綜上所述，硅整流二極管承受的最高電壓和串聯(lián)元件數(shù)目與調(diào)速范圍有關(guān)，且調(diào)速范圍越