【正文】 ty: Electrical Engineering and Automation Instructor: I 摘要 繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級調(diào)速系統(tǒng)，屬于改變轉(zhuǎn)差功率的調(diào)速系統(tǒng)，在我國交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展中，它是結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一種系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)介紹了雙閉環(huán)異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速方式的設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)方面包括調(diào)速方式的設(shè)計(jì)，主接線的設(shè) 計(jì)，串級調(diào)速主電路的設(shè)計(jì)，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，觸發(fā)器的選擇，直接啟動(dòng)方式。 20 世紀(jì) 60 年代以來，由于高壓大電流晶閘管的出現(xiàn)，串級調(diào)速系統(tǒng)獲得了空前的發(fā)展。國內(nèi)最先是由屈維謙在 80 年代后期提出內(nèi)饋串級調(diào)速方案的。 如今節(jié)約能源、更加合理地、有效地利用能源是一項(xiàng)艱巨、利國利民造福 子孫的長期工作，也是我國的一項(xiàng)基本國策。 本次設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求 工作任務(wù) : 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 (1)完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的設(shè)計(jì)； (2)完成系統(tǒng)的啟動(dòng)、檢測與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)； (3)完成調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算； (4)完成系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)，元、器件和設(shè)備的選擇（參數(shù)計(jì)算，型號選擇等）； (5)繪制完整的電氣系統(tǒng)原理圖； (6)對系統(tǒng)進(jìn)行 MATLAB 仿真。兩個(gè)整流裝置的電 壓 dU 與 iU 的極性以及電流 dI 的方向如圖所示。以上就是繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。在加速 過程中， S 減小，電流 Id 及整流電壓隨之減小直至達(dá)到新的平衡，電動(dòng)機(jī)仍進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)同軸上裝有一臺直流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流后傳給直流電動(dòng)機(jī)，后者把部分功率變成機(jī)械功率，再幫助異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，從而是轉(zhuǎn)差功率得到利用。則負(fù)載所得到的機(jī)械功率 PL 應(yīng)是異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩者軸上輸出功率之和，并恒等于電動(dòng)機(jī)定子出入功率， 而與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速無關(guān)。機(jī)械串級調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，其特點(diǎn)是系統(tǒng)在低速時(shí)能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適應(yīng)一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)的場合，如螺紋鋼線材軋機(jī)。若增大逆變角 β，則逆變電壓減小，但電動(dòng)勢轉(zhuǎn)速因存在機(jī)械慣性尚未變化，所以，整流電壓仍維持原值，因而直流回路電流 Id 及轉(zhuǎn)子電流 I2 相應(yīng)增大，使電機(jī)加速。該型號電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表 ： 表 電動(dòng)機(jī) YR250M4 參數(shù)表 電動(dòng)機(jī)型號 YR250M4 額定功率（ nP ） 90KW 滿載時(shí)轉(zhuǎn)速 ( n ) 1457r/min 效率（ ? ） 91% 功率因數(shù)（ ?cos ） 同步轉(zhuǎn)速 ( 0n ) 1500r/min 靜差率 (S) ?S 調(diào)速范圍 (D) D=3 轉(zhuǎn)子電壓 ( nU2 ) 524V 轉(zhuǎn)子電流 ( nI2 ) 109A 定子電壓（ nU1 ） 380V 定子電流（ nI1 ） 極對數(shù)（ P） 4 頻率（ f） 50HZ 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ 2mkg? ） 額定轉(zhuǎn)矩 （ 2）電動(dòng)機(jī)容量校核 1）電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算 額定轉(zhuǎn)差率： 14571500101 ????? n nnS n () 定子電阻： ??? ???? 111nnnI SUr () 轉(zhuǎn)子電阻： ?????? 02 222nnnISUr () 雙閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 定子繞阻的變化： 524 21 ????nnM U UK () 折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的定子電阻： ??? 39。 121101 () 考慮到換相重疊角 ? 的影響，并經(jīng)過線性處理，上式中 dnI 為： AII ndn 3 2 ????? () 即 )( ????????? ??????? NT kn ?() 轉(zhuǎn)矩降低系數(shù) ??? nKnM TTK () 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 5）串級調(diào)速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)最高轉(zhuǎn)速的確定： 直流回路總等效電阻為 TMdTM XmXmrrrR ?? 222 ?????? （ ） 式中電動(dòng)機(jī)折算到直流側(cè)的等效電阻，可按功率相等原則進(jìn)行折算，即 ? ? ? ? ? ?MnMdnn rIrIrrI 3239。 dmd II? 時(shí)換相重疊角 雙閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 0011 60225242 os)221(c os2???????? ? ?????? ??nMdmUXI? () 系統(tǒng)工作在第一工作區(qū)。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 硅整流元件及晶閘管的選擇 （ 1）整流裝置 如圖 為三相不可控整流電路，該裝置的作用是將轉(zhuǎn)子側(cè)的交流電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為直流電壓。 ? ? dmAVT IKI 1)( 2~? （ ） 式中 ?K （三相橋式電路、電感性負(fù)載） AAVIT 1 9 0~1 4 5 83 6 )2~()( ???? （ ） 取 AI AVT 200)( ? 可以選取型號為 KK200A 的晶閘管 6 個(gè) 雙閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 平波電抗器電感量的計(jì)算與選擇 在可控硅串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流回路中必須串接平波電抗器，其主要原因有如下幾點(diǎn)： （ 1）電流脈動(dòng)分量在電機(jī)轉(zhuǎn)子中造成的附加損耗限制在允許范圍內(nèi)； （ 2）使電動(dòng)機(jī)在最小工作電流時(shí)任能保證電流的連續(xù)，避免電流斷續(xù)對電動(dòng)機(jī)的影響。 晶閘管保護(hù)裝置的參數(shù)計(jì)算 過電壓保護(hù) （ 1）交流側(cè)過電壓保護(hù) 常用的交流測過電壓保護(hù)措施有阻容保護(hù)和非線性電阻保護(hù)。 對于三相電路， R 和 C 的數(shù)值可按下表 進(jìn)行換算： 表 ：三相電路 R 和 C 值換算表 變壓器二次測聯(lián)結(jié)方式 單相 三相 ? 聯(lián)結(jié) 三相 ? 聯(lián)結(jié) 阻容裝置聯(lián)結(jié)方式 跨接 ? ? ? ? 電 容 C C C/3 3C C 電 阻 R R 3R R/3 R 所以 : 1）根據(jù)公式（ ）可知，電動(dòng)機(jī)測的阻容保護(hù) DR 和 DC 值為： 2263131 USICC emD ??? F?)35 2 4(8 0 0 4 86631 2 ????? （ ） 電容耐壓 DCU ? V64 2352 ???? （ ） 根據(jù)公式（ ）可知電阻值為： emshD IUSURR ??? ???????????? 0 0 4 835242 （ ） 根據(jù)公式（ ）、（ ）可知電阻功率： AUfCI CC d 6 ???????? ?? （ ） wRIP DD cR )4~3( 2 ?????? （ ） 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇電容 F?11 ，且其耐壓達(dá)到 V650 。 根據(jù)以上計(jì)算的電容、電阻有效值可根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)?shù)男薷?。它對浪涌電壓反?yīng)快，而本身體積又也是一種較好的過電壓保護(hù)元件。 (3)直流側(cè)過電壓保護(hù)措施 直流側(cè)的過電壓主要是由感性負(fù)載的通斷以及電源側(cè)或負(fù)載側(cè)侵入的浪涌電壓引起的。這些載流子在反向電壓作用下瞬時(shí)產(chǎn)生反向電流，使殘存載流子迅速消失，晶閘管立即阻斷，這時(shí)反向電流減小的速度較快，即 ti dd 很大。 表 ：關(guān)斷過電壓阻容保護(hù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 晶閘管額定電流 (A) 10 20 50 100 200 500 1000 電 容 C（ F? ） 1 2 電 阻 R（ ? ） 100 80 40 20 10 5 2 根據(jù)上面計(jì)算可以選擇： AI AVT 200)( ? ，根據(jù)表 則： FC ?? ??10R 電容耐壓一般為加在晶閘管兩端工作電壓的峰值 mU 的 ~ 倍。 快速熔斷器保護(hù)的特點(diǎn)：當(dāng)直流側(cè)短路或晶閘管擊穿短路以及可逆系統(tǒng)逆變失敗時(shí)，流過晶閘管的過電流可達(dá)其額定電流的 10 倍以上，此時(shí)必須在電漏電壓的半個(gè)周期內(nèi)消除過電流。裝設(shè)在交流側(cè)對雙閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 器件短路和直流側(cè)短路都起保護(hù)作用，但因正常時(shí)流過快速容斷器的電流大于流過晶閘管的電流，故應(yīng)選用額定電流較大的快速熔斷器，這樣在過電流時(shí)對晶閘管的保護(hù)作用就減弱了，裝設(shè)在直流側(cè)只對負(fù)載短路或過載起保護(hù)作用，對器件短路不起保護(hù)作用；與晶閘管直接串聯(lián)，則因流過它們的電流相同，所以對晶閘管的保護(hù)作用最好。 ti dd/ 過大一般是由換相電流和阻容保護(hù)裝置中電容的充放電電流產(chǎn)生的。采用空心電抗器時(shí)，其電感通常 H?30~20 ，采用鐵心電抗器時(shí)，其電感值可再大一些。產(chǎn)生過大的原因有如下兩個(gè)方面： （ 1）交流側(cè)產(chǎn)生的 tu dd/ 由電網(wǎng)侵入的過電壓和電源合閘都是造成 tu dd/ 過大的原因。 防止 tu dd/ 造成誤導(dǎo)通的方法是在每個(gè)橋臂上串接一個(gè)電抗器 L。 KJ041 芯片是三相全控橋式觸發(fā)雙閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 線路中經(jīng)常使用的芯片，具有取脈沖形成和電子開關(guān)控制封鎖雙脈沖形成功能 。它是雙列式直插式集成電路，由于它可以輸出兩路相位互差 180176。在 KJ004 芯片中，表中列出引腳 8 的作用為 同步電源信號輸入端，使用時(shí)要接同步變壓器的二次側(cè)， KJ004芯片所接的電壓要求為 30V，所以我們可求得同步變壓器匝數(shù)比 K 的計(jì)算公式如下： ??UUK （ ） 同步變壓器的電路圖如下所示： 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 同步變壓器電路圖 控制及偏移電源 電路如圖 所示： 圖 偏移控制電源電路圖 控制電源，包括給定電壓，負(fù)偏移電壓。 BR1 和 BR2橋式電路起整流的作用。 該電路模塊輸出的為 6 路雙脈沖，雙脈沖電路比較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。 電動(dòng)機(jī)的保護(hù) 短路保護(hù) 電動(dòng)機(jī)短路時(shí)，短路電流很大，熱繼電器還來不及動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)可能已損壞。由于存在熱慣性，當(dāng)發(fā)生短路事故時(shí)，熱繼電器不能立即斷開，因此它不能用作短路保護(hù)。通常在額定電流的 倍以內(nèi)。當(dāng)有 6 倍以上額定電流通過熱繼電器時(shí)，需經(jīng) 5 秒后才動(dòng)作，這樣在熱繼電器未動(dòng)作前，可能使熱繼電器的發(fā)熱元件先燒壞，所以在使用熱繼電器作過載保護(hù)時(shí)，還必須裝有熔斷器或抵壓斷路器的短路保護(hù)裝置。 為了防止串級調(diào)速裝置發(fā)生故障，需要采取瞬時(shí)停電保護(hù)，主要措施有： （ 1） 在電壓瞬時(shí)降低時(shí)，借助電壓降低檢測電路，使逆變角減至 最小，并 設(shè)法強(qiáng)迫關(guān)斷逆變器中晶閘管。途中速度調(diào)節(jié)器 ASR、電流調(diào)節(jié)器 ACR 均采用PI 調(diào)節(jié)器。速度調(diào)節(jié)器用來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流調(diào)節(jié)器用以控制直流回路電流，由于他們只控制一個(gè)物理量，所以被控制的參數(shù)很容易調(diào)整。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩變化是，速度環(huán)還有良好的抗 干擾穩(wěn)速性能。 R n C n A S R U i* 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成圖 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 A S R A C R11?sTo n11?sTo i1?sTkss1/1?sTRlsTRmeC11?sTo n?1?sTo i?Un( s )+_Uf nUi( s )+_Uf iUc( s )Ud 0( s )+_E ( s )+_Id l( s )Id 圖 雙閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖如圖 所示，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，取速度給定電壓 VUn 10?? 。RKR nn? （ ） 雙閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 取 ?? KR 100 ???? KR n 1 2 3 0101 2 339。39。 雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 由 ?R 公式中，將 maxSS? 帶入可以推得