晶闸管串级调速双闭环系统设计说明

1、摘要随着电力电子技术的发展，近代均采用在转子回路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变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转差能量回馈电网，而且还结构简单，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是交流电动机串级调速系统中的核心部分，它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，今年来串级调速技术在国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个领域，发挥巨大的经济效益。此次设计主要容是让我们应用已掌握的知识，完成晶闸管串级调速系统的设计、参数定额计算、以及系统的建模与仿真，在此基础上，实现理论与实践的结合。这次设计，让我更深刻的理解串级调速的原理知识，而且还能锻炼个人动手能力和设计能力，加强本环节

2、知识的掌握，对个人以后更好工作学习打下基础。预计设计能完成调速系统的设计以及各个环节参数的计算，在此基础上进行建模仿真，得到比较理想的系统工作特性曲线。目录第1章 方案的选择与确定.3设计方案的确定与设计思路3第2章 串级调速原理与主电路设计42.1串级调速原理:4 2.2晶闸管串级调速系统主电路设计62.3异步电动机串级调速系统的转子整流电路72.4异步电动机串级调速系统的逆变电路8第3章 调速系统主电路的参数计算与器件选择103.1电动机基本参数和调速要求103.2逆变变压器的选择133.3硅整流元件及晶闸管的选择133.4平波电抗器的选择143.5主电路保护143.5.1过电流保护143.5.2 过电压保护15第4章 控制电路设计与系统参数计算164.1控制电路组成164.2控制系统的参数计算推导174.2.1电流环的设计及其参数计算推导174.2.2速度环的设计及其参数计算推导184.2.3双闭环系统静态参数计算194.2.4双闭环系统动态参数计算20第5章 串级调速系统的建模235.1串级调速系统的建模235.1.1直流电路传递函数235.1.2电动机的传递函数245.1.3

3、电流环的设计及其传递函数255.1.4速度环的设计及其传递函数265.1.5系统动态结构图285.2调速系统仿真28设计心得30参考文献31 第1章 方案的选择与确定设计方案的确定与设计思路 设计电路，根据不同的要求有不同的设计思路，根据我们现有的水平和设计能力，我们选择了比较简单的设计方案： 绕线异步电动机在转子回路中串接一个与转子电动势同频率的附加电动通过改变值大小和相位可实现调速。这样，电动机在低速运行时，转子中的转差率只有小部分被转子绕组本身电阻所消耗，而其余大部分被附加电动势所吸收，利用产生E的装置可以把这部分转差功率回馈到电网，使电动机在低速运行时仍具有较高的效率。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，串级调速能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬，它完全克服了转子串电阻调速的缺点，具有无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点，是一种经济、高效的调速方法。第2章 串级调速原理与主电路设计2.1串级调速原理:异步电动机运行时其转子相电动势为： （2-1）式中 s-异步电机的转差率；-绕线转子异步

4、电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（2-1）表明，绕线转子异步电机工作时，其转子电动势Er值与转差率s成正比。此外，转子频率也与s成正比，。在转子短路情况下，转子相电流Ir的表达式为： （2-2） 式中-转子绕组每相电阻； -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，此附加电动势与转子电动势有相同的频率，并与同相（或反相）串接，如图2-1所示。此时转子回路的相电流表达式为： （2-3） MIr 图2-1当电机处于电动状态时，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会变，这时，在不同s值下的式（2-2）和式（2-3）应相等。设在未串入附加电动势前电动机原来在某一转差率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随之减少，转子电流也逐渐减少，直至转差率降低到 时，转子电流Ir又恢复到负载所需要的原值，电动机便进入新的更高转速

5、的稳定状态。此时式（2-2）与式（2-3）的平衡关系为： （2-4） 同理可知，若减少+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，在电机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可以调节电机的转速。 设异步电机定子接交流电网，转子短路，且轴上带有反抗性的负载（对应的转子电流为Irn）,此时电机在固有机械特性上一额定转差绿Sn运行。若在转子侧每相加以附加电动势-Eadd,根据式（2-3），转子电流Ir将减少，从而使电机减速，并进入新的稳态工作。此时，转子回路的电势平衡方程式 s1sn （2-5） 如果不断加大值，将使s值不断增大，实现了对电机的调速。由于轴上带有反抗性负载，电机在Te-n坐标系的的第一象限作电动运行，转差率为0s1。对照式（2-5）可知，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后从转子侧馈送会电网，功率流程如图2-2所示。由于电机在低于同步转速下工作，故称为次同步转速的电动运行。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

6、的一种调速方式。1 -n10 n1 s,n CUU 图2-2 串级调速低于同步速度电动状态运行下的能量传递关系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，比较方便的方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电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。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，使问题的分析与工程实现方便多了。当然对这一直流附加电动势要有一定的技术要求。首先，它应该是平滑调节的，以满足对电动机转素平滑调节的要求；其次，从节能的家度考虑，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。把转差功率回馈给交流电网这样才能提高调速系统的效率。根据以上两点要求，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。2.2晶闸管串级调速系统主电路设计图2-3 晶闸管串级调速系统主电路 上图为晶闸管串级调速系统主电路图，M为三相绕线转子异步电动机，其转子相电动势经过三相不可控整流装置整流，

7、输出直流电压。工作在有源逆变状态的三相可控整流装置除提供可调的直流电压外还可将经整流装置整流输出的转差功率逆变，并回馈到交流电网。转子整流器和产生附加直流反电动势的晶闸管有源逆变器，均采用三相桥式电路。逆变器逆变电压即为转子回路中串入的附加直流电动势。直流回路电流Id决定于拖动的负载转矩，当负载一定时，为定植，改变逆变器的逆变角，逆变电压相应改变，便实现调速。逆变变压器起到了电动机转子电压与电网电压匹配的作用，其二次侧电压不但与转子感应电势E2有关，还与调速围有关。调速围越大，要求的值越高。逆变变压器还能起到使电动机转子电路与交流电网之间电隔离的作用，减弱大功率晶闸管装置对电网波形的影响，并限制晶闸管的断态电压临界上升率和通态电流临界上升率。转子回路中接入的电抗器Ld，可以使小负载时电流连续并限制电流脉动分量。在大功率串级调速系统中还能限制逆变颠覆时短路电流上升率。保护电路，交流侧采用阻容吸收和压敏电阻作为过电压保护电路，对于电路中晶闸管和二极管则采用阻容吸收和压敏快速熔断器做过电流保护。2.3异步电动机串级调速系统的转子整流电路转子整流电路采用三相桥式不可控整流电路，如下图所示：图2

8、-4 转子整流电路设电动机在某一转差率s下稳定运行，当个整流器件依次道统时，必有器件见的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠降。换相重叠角为： （26）其中，XD0 s=1时折算到转子侧的电动机钉子和转子每相漏抗。由式（27）可知，换相重叠角随着整流电流Id的增大而增大。当Id较小，在0度到60度之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。当负载电流Id增大到按式（27）计算出来的角大于时，器件在自然换相点处未能结束换流,从而迫使本该在自然换相点换流的器件推迟换流，出现了强迫换流现象，所延迟的角度称为强迫延时换相角。强迫延时换相只说明在Id超过某一值时，整流器件比自然换相点滞后角换流，但从总体上看，6个器件在360度轮流工作，每一对器件的换流过程最多只能是，也就是说，Id再大，只能是=不变。由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路在时转子处于正常的不可控整流工作状态。由于整流电路的不可控整流状态是可控整流状态当控制角为零时的特殊情况，所以可以直接引用可控整流电路的有关分析式来表示串级调速时转子整流电路的电流和电压。整流电流： （27）整流电压：

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