机械厂65KW晶闸管串级调速系统设计设计

丝较韦算持孔瞬蒲刘恃隶狰继龟叛枕星侍柿出秆凡翻渍的飞盎蛰榔方絮蹲戎瞎莫舀需槛益筒螺拾佳幸茫补峨淳举欺戒玻默雀帧芜漱寻糊邯喂舷辟裕漱坪番宴擒食诱盘浩缺柱裁教药罩昨纲屈列糜锭芹溅复炭管板层沾珍烘小涉谆种辩驭棒旧焙狠口搅晕鹏狈畦蝗褐字馋巩晃贴贪叫掇纶敬式研围抨钒腺呻律妨婪捡牲蚊庞馋贿菠余沃当刃颊冬旁辨卢斧禹蜀团毗毯耀刨雨受返伸屁修瑶每卤满胆镑宴售希衰趋使筹轧锚贺报庞闷锈守马湘鲜脾耙块谗椒观固陇星诣脯磁羹傀嘛昧蓖捞虫富佰饭冻链慈懊窑顾盂计咖滦昔情薄支肛拓则耿虐婴勋谩果铺另御垛暮揉东馒逗晦牛拷业飞受雷浓料膳天炼钧框伴I 浙江水利水电高等专科学校毕业设计 内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院毕 业 设 计（论文）专 业 电气自动化技术学生姓名 安 健砌沾特猎箔诌湾斌窑旦他魂莆附松札溉溢舜淫婶裂坤层肝陈迢迟砂啥经臆庚量液忿洞岭砰疽裂吵秸航礁笛戚蒲半皇清养皇费录柴蝎像边贿坍鬃颠骋渗捂闽这税怎炬绚泛烫毅侣嫩淌投羡巨矣趴旷丢夫纹积贱馏周锁氯柜废炙炕配医鸟屿荤刨仟兼惦霄叔柞倡逞锑典梦易储林桩谨狂旬潘警饰褥枉盖文蹿软椽规涩径昭喀哦机追件病应巡希腺插钾湾噪卸仙篇泪傀搭筐悔瞳贡运嚼量罗望谜背俩杠玛砂徐渣复零眼腻幽蕴岸砷杖弥洗莱阔仕沛梢了锤福打簿讥锋傻凋概祭浮戏煎芝樊湍闭雌器卉奶用斑檬监鸥俯公蔓唐浴弹柬抬存技赤墟慈馆挂托任儿件肇铬脱芥渤秩阶痉对恍哎通赌痕蓬书潍袖炒战烂荆机械厂65KW晶闸管串级调速系统设计设计祟钒的节熟罪噎吐广付疟蚀无耳屈齿算坷丢茂忙贷跌寅沦层董醚洱肯概搬汤矾推樊弗臀测筹洗摸阅迷阁恫听斋比弘豌抚丽毛馈镣哉耍寓慰演镇羹练蹿凛粱畅着洽用档零化祸福束诈狭焉酶半旗臂沦蔽凌镣你裂袒粘廊孜健驾漂泡玖售兽蒜愉囚耐千涌坛检凯醒凰慌曰鸽疮鳖薛欠坚血膀婪头晾贾忠携靖老暇抒旧报眠颧免笺纳饱舌阳掠费扳死杨友两摸膏伍谈彻斧声该椰玛诡挂碴坠惯须捍栅邀渊洞蛮货茬刺珠草侧吾三鲜叭寥焉氨碰改嗓炯拱投堕胎哇陡划绝汇筏皿槽往榨凄阿继律褐环唐舜鸿优坪出牙下传玫艳莽犬枕索虽利吉否烬痹募谦伏湿疆敞咖咱拳楔塑悄皿扳陡窝督挡孟贮地怯闪品分勾尔 内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院毕 业 设 计（论文）专 业 电气自动化技术学生姓名 安 健 毕 业 设 计 任 务 书 机电工程 系 电气自动化专业 11-2 班学生姓名： 安 健 毕业设计题目： 某机械厂65KW晶闸管串级调速系统设计 开题日期：2014年2月25日 设计期限：2014年3月10日至2014年6月8日 指导教师： 王振芳 教研室主任：张 博 系主任：张 博2014年6月8日内蒙古科技大学矿业与煤炭学院毕业设计（论文）答辩成绩评定记录内蒙古科技大学矿业与煤炭学院电气自动化技术专业毕业设计（论文）答辩委员会于 年 月 日审查了专业学生安 健的毕业设计（论文）。 设计（论文）题目： 某机械厂65KW晶闸管串级调速系统设计 设计（论文）专题部分： 设计（论文）说明书共43 页，设计图纸2张。 指导教师： 王振芳 评阅人： 毕业设计（论文）答辩委员会意见： 成 绩： 矿业与煤炭学院 专业答辩委员会 主任委员： （签字） 日 期： 指导教师评语：指导教师： 职称： 工作单位： 年月日摘 要 串级调速系统是在转子回路中串入附加电动势，通过改变转差率来实现调速。串入附加电动势而增加的转差功率，回馈给电网或者回馈到电动机轴上使系统有较高的运行效率。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2。本设计介绍了一种双闭环控制的串级调速系统，对系统的工作原理、组成及动态结构作了较为详细的论述，分析了交流串级调速系统工作时的主要特征，并据此对其与正常接线或转子回路串电阻调速时的效率做了一般性的定性分析和比较。针对传统串级调速系统总功率因素低这一主要缺点. 分析了一种转子侧加短路开关的串级调速系统。转子侧加短路开关的串级调速系统因能充分利用电机自然工作状态功率因数高的特性，在带恒转矩负载时功率因数有一定程度的提高 。本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，对电路各元件参数的计算和器件选型，包括逆变变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器参数计算，从而达到设计要求。关键词：串级调速 、闭环控制、功率因数、整流电路、逆变 AbstractThe cascade velocity modulation system is the string enters the additional EMF in the rotor return route, changes the sliding to realize the velocity modulation.The string electrical network or the back coupling to the electrically operated engine shaft on enable the system to have the high operating efficiency. It can realize the step less smooth velocity modulation, when the low speed the physical characteristics quite is also hard. The thyristor low synchronization cascade velocity modulation system, the technical difficulty is specially small, the performance quite is perfect. This design introduced one kind of double closed-loop control cascade velocity modulation system, to the system principle of work, the composition and the dynamic structure has made a more detailed elaboration, has analyzed time the exchange cascade velocity modulation system work main characteristic, according to the above and has made the general qualitative analysis to it with the normal wiring or time the rotor return route string resistance velocity modulation efficiency and compares. Because the rotor side adds the shorting contact switch the cascade velocity modulation system to be able fully to use the electrical machinery nature active status power factor high characteristic, when belt permanent torque loading the power factor has certain degree enhancement.This design report first the basis design request determination velocity modulation plan and the main circuit structure pattern, after the main circuit and the closed-loop system determine, including rectification transformer,rectifier cell, protection circuit as well as electric current and rpm control parameter computation, thus meets the design requirements.Key words：cascade velocity modulation、closed-loop control、 power factor、rectifying circuit、contra-variant目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪 论11.1本课题研究的意义和目标11.2毕业设计(论文)研究内容、拟解决的主要问题2 1.3本课题国内外研究动态及意义31.4国内外的研究现状42 调速系统方案的确定63 串级调速的基本原理74 主电路设备和元器件的计算与选择104.1电动机的选择104.1.1容量的选择104.1.2电动机的校验104.2逆变变压器参数计算与选择144.3晶闸管及转子侧整流元器件的计算与选择154.4平波电抗器的计算164.5起动方式确定164.6调速装置的保护164.6.1过电压保护174.6.2过电流保护214.7系统功率因数的改善225 控制回路单元电路的选择235.1电流闭环元件的选择235.2 转速检测环节的选择256 调节器的工程设计276.1双闭环系统的稳态系数计算276.2双闭环系统的动态参数计算297 系统的调试及运行40结论41参 考 文 献42致谢431 绪 论十几年前，串级调速作为一种高效率的交流无级调速曾经盛行一时，随着近代变频调速的兴起，串级调速日渐萧条，被误认为是落后的调速技术。串级调速真的比变频调速逊色吗？实际上，串级调速在效率、机械特性等本质方面，和变频调速几乎是完全一致的，而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速。尤其在高压大容量风机泵类节能方面，串级调速的某些优势表现的更为明显。 如何评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是： 效率高； 调速平滑即无级调速； 调速范围宽；调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；成本低廉。 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。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，大大推进了交流传动控制技术的发展。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3。而异步电动机有三种基本的调速方式，即改变极对数、改变转差率和改变供电电源频率。1.1本课题研究的意义和目标现如今，随着经济的发展和现代工业建设的迅速崛起，晶闸管串级调速系统已经成为了调速系统中的重要组成部分，在许多要求精度高，调速范围广的情况下广泛应用，成为了许多大型精密设备高精度切削机床设备的首选调速系统。因此，分析好晶闸管串级调速系统的设计工作对于工厂加快发展具有十分重要的意义。电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。串级调速系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度看，它又是交流拖动控制系统的基础。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此串级调速系统是最基本的电力拖动控制系统17。许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除6。1.2毕业设计(论文)研究内容、拟解决的主要问题研究内容主要是在掌握交直流调速控制系统的基本组成原理的同时，能结合机械厂的实际情况，根据生产工艺所提出的技术指标来组成和选择电动机控制系统，在闭环控制的基础上，能合理、正确地选择和整定系统静、动态参数。在功率可控电源和控制电路的实现上，最大限度的使电动机实现平滑调速，从而尽可能的实现节能降耗。拟解决的主要问题简单列举如下：1.熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构；2.掌握晶闸管直流调速系统的参数测试及反馈环节测定方法和测试条件；3.通过利用晶闸管直流调速系统中某些环节的非线性现象，测定整流装置及测速发电机的特性；4.了解和掌握晶闸管全控桥直流调速系统装置和各单元环节特性，在环节模型结构正确地情况下测取模型参数，从而得到完全确定的系统数学模型；5.通过对上述问题的解决，为进一步设计分析打下基础。1.3本课题国内外研究动态及意义1.课题的研究背景 在电力拖动调速系统中，由于电动机具有良好的启动、制动和调速性能，长久以来广泛应用。早期是交流电动机拖动直流发电机给直流电动机供电，通过调节发电机的励磁电流以改变其输出电压，达到直流电动机调速目的。直流调速系统需要两台与直流电动机容量相当的电动机，因此设备多，体积大，费用高，噪声大，维护不方便，为克服这些缺点，开始采用水银整流供电，以静止变流装置替代旋转机组供电。随着半导体技术的发展，更为经济可靠、性能优越的晶闸管变流器出现了，由晶闸管变流器（VT）向电动机（M）供电的系统简称VM系统。随着GTO、GTR、PMOSFET、IGBT大功率模块等全控式电力电子器件的功率驱动装置的发展，直流脉冲宽度调制（PWM）型的调速系统的应用越来越广。另一方面，在当今社会中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，而自动调速控制系统的应用在现代化技术生产中，起着尤为重要的作用，串级调速系统是自动控制系统的主要形式。在自动控制系统中，电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同，分为直流传动、交流传动、步进电机传动、伺服电机传动等等。众所周知与直流调速相比，由于串级调速系统的精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在大型调速传动中，占统治地位。在调速要求性能较高的场合，一般都采用串级调速系统11。三十多年来，调速系统经历了重大的变革，首先实现了，整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组，及水银整流装置，使直流调速系统完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现了高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中，仍然难以替代。由于调速系统中，电气传动技术的研究和应用，已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了调速系统的精度及可靠性。所以，今后一个阶段，在调速要求性能较高的场合，如轧钢厂，海上钻井平台等晶闸管串级调速系统仍然处于主要地位。早期调速系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟调速系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，调速系统已经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强，所以全数字调速控制精度和可靠性比模拟调速系统的大大提高。而且通过系统总线，全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，交流传动控制采用微机实现全数字化，使串级调速系统进入了一个崭新的阶段8。1.4国内外的研究现状1.国外研究现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代，第一代电力电子器件晶闸管（SCR）发展至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品功率集成电路（PIC）。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。同时电机控制技术的不断发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年来发生了翻天覆地的变换。20世纪70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛应用，如AT89C51等。在单片机控制系统中，单片机作为控制系统的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输入输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能大大提高10。电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换向、相位控制。特别是采用了微机等先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能及强大的抗干扰能力，在国内外得到了广泛的应用。数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示其强大的优势9。2.国内的研究现状我国从20世纪60年代初，试制成功第一支晶闸管以来，晶闸管串级调速系统，也得到了迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的串级调速系统在我国国民经济各部门得到了广泛的应用。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，卫星姿态调整等控制；工业方面的各种加工中心，各种加工设备，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录像机，数码相机和洗衣机等的控制9。2 调速系统方案的确定系统方案选择的原则是在满足生产机械工艺要求和确保产品质量的前提下，力求投资少、效益高和操作方便。根据生产机械对电气传动系统的要求，由于调速范围小，采用晶闸管串级调速是较合适的一种“调速节能”方案。采用晶闸管串级调速后，按电动机的最大转矩值降低为原来的82.6%计算，本电动机仍近似具有2.5倍()的转矩过载能力，能够满足工艺提出的要求。为了满足系统静、动态特性的要求，本系统选用具有电流内环和转动外环的典型双闭环自动调速系统。本调速系统的主要组成部分有异步电动机、转子整流器、频敏变阻器、有源逆变器、触发装置和信号检测等元件。整流器和逆变器均采用三相桥式电路。图2-1为本系统所采用方案的示意框图。为了减少串调装置的容量和满足使电动机能完全脱离调速装置而“高速”运转的要求，本系统不使用串调装置的直接起动，而是采用频敏变阻器进行起动。起动完毕后，若需转入“调速”状态下低速工作，只需将接触器接通，KM1断开，即可切换至串级调速运行状态。在调速装置发生障碍时，先经频敏变阻器升速，然后通过触点短接转子，使电动机全速运行，这样可以对调速装置进行检修而不中断生产。 图 2-1 机械厂传动系统框图3 串级调速的基本原理在异步电动机的串级调速中, 如果不在转子回路串接电阻，而是引入一个附加电动势Ef，且令Ef的频率和转子电动势的频率相等，则转子回路的总电动势即为转子电动势E2和附加电动势Ef的代数和，从而使转子电流随着二者的相互关系而变化。如果对电动势的方向及数值加以控制，就会得到性能远比转子串电阻调速方法优越的结果。首先是节省了电阻上的热能损耗；其次是改变附加电动势的大小和方向十分灵活、方便，可做到平滑无级调速。绕线转子电动机的串级调速，在负载转矩不变的条件下，异步电动机的电磁功率常数，转子铜损耗与转差成正比，所以转子铜损耗又称为转差功率。转子串接电阻调速时，转速调的很低，转差功率很小，效率很低，所以转子串接电阻调速很不经济。如果在转子回路中不串接电阻，而串接一个与转子电动势同频率的附加电动势如图3-1所示，通过改变值的大小和相位，同样也可实现调速。图 3-1 转子串Eab的串级调速原理图 串级调速的基本原理可分析如下：未串时，转子电流为： 当转子串入的与反相位时，电动机的转速下降。因为反相位的串入后，立即引起子电流的减少，即而电动机产生的电磁转矩也随而减小，于是电动机开始减速，转差率S增大。随着S增大，转子电流开始回升，也相应回升，直到转速降至某个值，串入反相位的幅值越大，电动机的稳定转速就越低。当转子串入的与同相位时，电动机的转速升高。同相位的串入后，立即使增大，即于是，电动机的相应增大，转速将上升，S减小。随着S的减小，开始减小,也相应减小，直到转速上升到某个值，减小到使得复原到与负载转矩平衡时，升速过程结束，电动机便在高速下稳定运行。由上面分析可知，当与反相位时，可使电动机在同步转速以下调速，称为低同步串级调速，这时提供Eab的装置从转子电路中吸收电能并回馈到电网。Eab与E2s同相位时，可使电动机朝着同步转速方向加速，Eab幅值越大，电动机的稳定转速越高，当Eab幅值足够大时，电动机的转速将达到甚至超过同步转速，这称为超同步串级调速，这时提供Eab的装置向转子电路输入电能，同时电源还要向定子电路输入电能，因此又称为电动机的双馈行为。串级调速的机械特性如图3-2所示，当Eab与E2s同相位时，机械特性基本上是向右上方移动；当Eab与E2s反相位时，机械特性基本上是向左下方移动。因此机械特性的硬度基本不变，但低速时的最大转矩和过载能力降低，起动转矩也减小。串级调速的调速性能比较好，但获得附加电动势Eab的装置比较复杂，成本较高，且在低速时电动机的过载能力较低，因此串级调速最适用于调速范围不太大（一般24）的场合。图 3-2 串级调速时的机械特性4 主电路设备和元器件的计算与选择4.1电动机的选择4.1.1容量的选择考虑到串调运行的异步电动机由于额定转矩、额定运行时最高转速的降低及其他因素的影响，使电动机允许最大输出功率较自然接线运行时的额定功率降低。取电动机容量系数1.25倍，则选择电动机额定功率为 根据生产机械转速及传动要求，选择绕线转子三相异步电动机：Y250M4型，/丫联结，。4.1.2电动机的校验为了进行电动机校验，并计算串级调速系统的静态和动态性能，需要知道系统有关参数，特别是异步电动机本身的参数。要取得这些参数，可以通过实测或向有关厂家索取，若两者均有困难，则可根据铭牌数据进行计算。1.电动机参数计算如下： 额定转差率： 临界转差率： 定子电阻： 转子电阻： 定转子绕组的变比K： 折算至转子侧的定子电阻： 电动机的额定转矩： 折算至转子侧的电动机漏电抗X： 2.逆变变压器参数初步计算如下： 变压器二次额定电压： 折算至支流侧的变压器等效电阻： 折算至二次侧的变压器漏抗Xs: 平波电抗器直流电阻： 3.串调运行是额定转矩如下： 串调运行直流回路额定电流： 串调运行是额定转矩： 转矩降低系数: 4.串调运行时最高转速的确定如下： 串调系统直流回路等效总电阻R： 取系统过载系数=2，则有直流回路最大电流为 最大电流时的电势系数： 最大电流时所对应的最高转速： 取，则转速降低系数： 功率降低系数： 5.电动机校验： 因此，所选电动机容量合适。6.换向重叠的校验如下：时换向重叠角：由此可见，系统工作在第二工作区。4.2逆变变压器参数计算与选择1.逆变变压器二次电压计算如下： 实取2.逆变变压器二次电流计算如下：由于转子整流器与逆变器之间是串联连接的，若不考虑两者电流波形与频率的差别，不考虑换向导电过程的影响，可取电动机转子线电流与逆变变压器二次线电流相等，即 3.逆变变压器容量S计算如下： 4.逆变变压器一次电流计算如下： 5.逆变变压器参数计算： 符合设计要求。实选变压器型号及规格：ZJ90/0.4型，90kVA,接法为yd11。以上选择，是以逆变变压器一次侧电压为380V计算确定的，故实际连接时，应将逆变变压器一次侧及电动机定子接在同一电压等级的电网上。4.3晶闸管及转子侧整流元器件的计算与选择1.额定电压：实取。2.额定电流： 实取。选取晶闸管KP40012、硅整流器件ZP40012各6只。4.4平波电抗器的计算按异步电动机的漏感：逆变变压器的漏感：按电流连续要求的电感量：按限制电流脉动要求的电感量：实选为17.4mH的电抗器，其尺寸较小，造价较低。4.5起动方式确定起动初期由于机械惯性较电磁大得多，可认为在电流上升到最大值时，电动机转速仍为0，这时的起动电流为。从起动特性来看，满足调速装置直接起动条件。4.6调速装置的保护由于半导体元器件的过载能力差，为了使调速装置能可靠长期工作，除了合理地选择元件之外，还必须针对元器件工作条件采取可靠的保护措施。4.6.1过电压保护1.交流侧过电压保护。交流侧过电压保护措施如图4-1所示。图 4-1 交流侧过电压保护阻容保护参数计算：由于逆变变压器容量90kVA5kVA，故变压器一次侧、二次侧均设置阻容保护环节。变压器一次侧阻容吸收装置参数计算：变压器每相伏安数为30kVA，阻容保护采用接法，则电容值为实取电容的耐压值电阻按下式计算：取阻容电流：电阻功率：根据上述计算，实选阻容装置为：油浸电容，630V, 3支；绕线电阻， 100W，3支。变压器二次阻容吸收装置参数计算如下：阻容装置采用接法，计算方法同上，则有 取的耐压值 电阻值 取阻容电流：电阻功率 根据上述计算，实选阻容装置为：油浸电阻，630V，3支；绕线电阻，100W，3支。 压敏电阻的保护压敏电阻的额定电压：实选MY 31620/1型压敏电阻3支，其额定电压为620V，通流容量为1kA。2.直流侧过电压保护。直流侧与交流侧过电压保护方法相同。保护线路如图4-2所示。 图 4-2 直流侧过电压保护容阻保护参数计算：电容量由下式计算： 式中计算系数值。对于三相桥式电路 折算至变压器二次侧的空载电流（A）。所以 取 电容器耐压值电阻值由下式计算： 取 的额定功率（W） 式中谐波电压（V），对于三相桥式电路 谐波频率（Hz），对于三相桥式电路所以： 实选油浸电容，耐压660V，1支；绕线电阻，100W，1支。压敏电阻参数根据交流侧压电阻计算方法，实选MY31-620/1型1只，其额定电压为620V，通流容量为1kA，并联接在逆变变压器直流侧。3.元器件保护对变流器件实行换相过电压保护，最常用的方法是在变流器件（晶闸管和硅二极管）两端并联RC吸收电路，图4-3所示为换相过电压保护电路。 图 4-3 换相过电压保护电路由前面计算已知变流器件额定电流 查手册得，电容的耐压电阻的功率为： 实选油浸电容，660V，12支；法琅电阻，100W，12支。4.6.2过电流保护1.直流快速自动开关保护为了防止变流装置逆变失败及直流侧短路，实行过载保护，本系统采用了DS6/8快速自动开关接在被保护的直流电路内。2.交流侧保护为了使系统的保护特性协调，满足串调运行的起动操作顺序和停车操作顺序，在逆变变压器及电动机电源侧和变压器二次侧均采用DW型自动空气开关实现电路保护。3.快速熔断器保护快速熔断器作过电流保护是半导体变流装置中应用最普遍的保护措施。本系统采用与晶闸管和硅整流元件串联的保护线路。图4-4是快熔断器保护电路。当线路一旦出现短路故障，能保证在装置损坏之前，快速切断短路电流。 图4-4 快速熔断器保护电路与元器件串联快熔FU1的计算：实选RS3660V600A，12只逆变变压器二次侧快熔的计算：实选RS3660V500A，3只。4.7系统功率因数的改善改善串级调速装置功率因数的方法有两类，一类是改变串调系统本身的结构，即利用改进的串级调速装置；另一类是利用电力电容器来改善功率因数。利用电容器改善功率因数方便易行，故应用较广。图4-5为补偿电容器接入的示意图。 图 4-5 补偿电容器接入系统的示意图5 控制回路单元电路的选择 调速系统控制回路单元电路的确定是系统设计的重要一环。为了满足系统静、动态品质要求，必须正确、合理地选择各信号检测与控制环节的器件。5.1电流闭环元件的选择1.电流检测装置。三相桥式有源逆变器中，交流侧有效电流与直流电流之间有着近似的比例关系，即。因此，利用交流电流互感器检测电流，既可以反映直流电流，又能把控制回路与主回路隔离。结构上，交流电流互感器简单。因此，本系统采用交流电流互感器做为电流检测装置。对于定型生产的电流互感器，额定容量是10VA或15VA，二次电流是5A。如按定型的仪用交流电流互感器产品来选择，则它的二次侧的整流元件和负载电阻的容量都比较大，耗散功率也多，所以在标准互感器后边加上一组5A/0.1A的交流电流互感器，电流检测装置如图5-1所示。这样整流后的输出电流为0.1A/0.816=0.12A；若负载电阻选择，则输出的最大电压为12V，经分压即可得到010V的输出信号；负载电阻的耗散功率为。将负载电阻的功率取为计算值的4倍以上，即，8W。 图5-1 电流检测装置示意图为了保证检测精度，电流互感器的铁心采用软磁性材料，且在正常工作时不饱和。使用是，需要特别注意的是，电流互感器二次侧不能开路。2.电流调节器ACR的机构。 为了满足造纸工艺要求，提高系统的动态性能，电流调节采用近似的PI调节器，由高增益线性组件BG305构成，电流调节器ACR的原理如图5-2所示。ACR的输出信号经限幅和功率放大后做为触发装置GT的移相信号。图5-2 电流调节器ACR原理图3.触发装置的选择触发器是晶闸管变流装置的一个极其重要的组成部分。它的设计合理，性能优良，工作稳定，将直接提高整个调速系统运行的可靠性。近年来，触发电路迅速向集成化发展。集成电路触发器具有性能可靠、线性度好、功耗低、体积小、用户使用方便的优点，故本系统采用KCZ6集成六脉触发组件。该组件采用三块KC04移相触发器、一块KC41六块双脉冲形器、一块KC42脉冲列调制形成器组成。它将控制电压的幅度转化为相应控制角的触发脉冲，通过脉冲变压器使主电路可靠地工作。控制KC41端子7的逻辑电平，可以很方便地实现对输出脉冲的封锁与开放。当控制端子7接逻辑低电平时，无输出脉冲。该组件原理图如图5-3所示。 图5-3 触发装置组件原理图 5.2 转速检测环节的选择1.转速检测环节和电压隔离器。转速检测装置的质量和安装精度直接影响着系统的动态品质。本系统采用永磁式直流侧速发电机实现转速检测。选用ZYS231/110型，。安装时严格保证电动机和测速发电机的机轴连接时的同心度。 为了使测速发电机与控制回路隔离，本系统设置了直流电压隔离器，转速检测和电压隔离环节电路如图5-4所示。2.转速调节器ASR的结构。转速调节器ASR采用与ACR相同的结构，由线路组件BG305构成近似的PI调节器，如图5-4所示。调节器的设置，使转速n跟随给定值 变化，稳态时无静差，对负载变化起抗干扰作用；其输出幅值决定最大电流。满足了生产机械工艺对传动系统的要求。图5-4 转速检测环节和电压隔离器6 调节器的工程设计 调节系统的工程设计是在已知对系统静、动态性能的要求情况下，以频率法为工具，将系统进行合理简化，采用设置校正装置的方法，使整个系统近似成典型的低阶结构。掌握了典型系统参数与性能指标之间的关系。图 6-1 机械厂双闭环串调系统动态结构图6.1双闭环系统的稳态系数计算转数反馈系数 ：取转数最大给定，转数反馈系数为 转速负反馈回路比较电压： 实选：稳定电压为5V的硅稳压管。电流反馈系数：取转速调节器的限幅值，则有 转速调节器稳态放大系数： 实取，则 取电流环的稳态放大系数，则 系统的稳态速降： 低速时静差率S： 满足系统稳态性能要求。6.2双闭环系统的动态参数计算调节器动态参数可以按典型型系统设计，也可以按典型型系统设计。典型型的结构简单，易于计算，系统超调量小，但抗扰性能差；典型型系统结构较复杂，计算较繁琐，且系统超调量大，但抗干扰性强。对本系统来说，若从抗干扰能力角度出发，电流闭环和转速闭环均应按典型型系统设计。但实际系统要求电流超调量小，故本系统的电流闭环按典型型 系统设计。转速环的扰动量主要是负载。系统要求抗干扰能力强，动态速降小，恢复时间短，因此，决定转速环动态参数按典型型 系统设计。1.电流闭环动态参数计算。电流闭环由串调系统直流主回路形成的大惯性环节与晶闸管逆变器、电流检测及反馈滤波等小惯性群组成。由于实际系统电流环的时间常数很小，且反映迅速，而与转速成比例却变化缓慢，故电动势干扰对电流的影响可忽略不计。所以，由图可单独画出电流闭环动态结构图，如图6-2所示。图6-2 电流闭环动态结构图利用结构图变换，并把给定滤波作用合并起来，等效于环内，则得到图6-3a单位反馈形式。对于三相桥式电路，平均失控时间；为电流反馈滤波时间常数，取（由于电流反馈信号取三相桥式整流电路，信号中含有的脉动成分，为了衰减这些交流分量，需设置电流反馈滤波器。实践证明，若取，则可将其脉动分量衰减到原来的1%左右）。它们都是小时间常数，可以按小惯性环节的近似处理方法，用来代替。这样，只考虑动态过程时，结构就化为图6-3b所示的形式。图 6-3 电流闭环动态结构及其化简图a) 单位反馈式结构图 b) 简化结构图 为把电流环节校正成典型型，显然ACR应采用PI调节器，其传递函数为 要计算电流调节器的参数和，需知道电动机逆变装置的有关参数。当转差率为时，直流回路等效电阻；则有：触发逆变装置的放大系数：由于要求超调量小，故取阻尼比，这时，所以电流调节器的参数为根据图6-9的结构形式，取，若电位器置于处，则有实选，。ACR参数如图6-4所示。图6-4 ACR调节器参数图2.转速闭环动态参数计算。电流环是转速闭环的内环，计算转速调节器参数时，为简便起见，对已设计好的电流环作进一步简化处理。根据图6-3b，取时，电流环的等效传递函数可近似为 用上述等效环节代替图7-1中的电流闭环后，整个调速系统的动态结构图便如图6-5a所示。利用结构图等效变换，并进行工程上的近似处理，则转速环动态结构图可化简成图6-5b。该图中 由图6-5b可以看出，要把转速环校正成典型型系统，无疑地，ASR应采用PI调节器有共传递函数。调速系统的开环传递函数为图6-5转速环动态结构及其简化图a) 动态结构图 b) 简化图图6-6校正后的调速系统结构图不考虑负载扰动时，校正后的调速系统结构图如图6-6所示要计算ASR的参数和，首先需确定电动机的积分时间常数和转速反馈滤波时间常数。采用直流测速机，由于有整流的换流作用，输出信号是脉动直流电压，故必须经反馈滤波器滤波，以滤波脉动成分，可防止干扰信号侵入系统，本系统取的计算：电动机转矩系数： 电动机在工作电流附近线性化的转矩系数，可用下式表示：本系统拖动电动机转动惯量为：,即按主传动系统为电动机的1.5倍考虑，则拖动系统的飞轮惯量： 电动机的积分时间常数转速调节器ASR参数，计算：按闭环幅频特性的谐振峰值最小准则来确定典型型系统的参数选择，且取h=5则有 由于ASR采用与ACR相同的结构形式，取，并使，则ASR的具体参数为 实取，。 ASR调节器参数如图6-7所示 图6-7 ACR调节器参数图 根据设计时所确定的方案和选定的控制环节及参数计算，机械厂传动系统的主电路电气原理图如图6-8所示；控制电路电气原理图如图6-9所示;触发电路电气原理图如图6-10所示。 图6-8 机械厂传动系统的主电路电气原理图图6-9 控制电路电气原理图图6-10 机械厂传动系统的触发装置组件原理图7 系统的调试及运行设计工作结束后，在设备安装完毕投入运行以前，还必须对系统进行严格地调试。系统调试基本上与直流拖动双闭环系统相似。调试时应遵循元器件，后系统；先开环，后闭环；先内环，后外环；先静态，后动态；先低速，后高速；先空载，后负载；先手动，后自动的步骤进行。系统动态校正所确定的调节器型式及其参数，只能供系统动态调试时每个调节器参数的参考数据。系统动态调试时每个调节器参数在实际整定值是靠调试结果达到了预期目标而最后确定下来的。系统经过调试之后，便可进行实际运行试验，为了确保安全，系统实验时应根据生产设备的特点，采取可靠的安全措施，严格遵守操作规程。结论此次设计完成了系统方案的确立，主电路各器件参数的计算，控制电路控制器参数的计算。在计算出上述参数值的基础上，完成了系统的建模，最后对工作过程进行详细分析总结，基本上实现了晶闸管串级调速系统的主电路设计、控制电路设计以及工程上的运用，主要概括为以下三点：1、双闭环调速系统系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而转速环能抑制其环内各环节扰动影响，并最终消除转速偏差；2、双闭环串级调速系统采用PI调节器，可实现无静差；3、双闭环串级调速系统具有良好的静态稳定性；同时具有较好的动态特性，动态响应快，超调量小； 在设计中由于时间仓促，有些地方做的还不足，其中保护电路设计不太具体，控制电路中触发环节的设计也没有详细列出。另外通过设计我还总结出一些可以改善调速系统功率因素的方法，也没能在论文中列出，有待于进一步分析研究。这次设计让我把所学知识联系到一起，并应用到实际设计中去，对知识的掌握帮助很大，还有本次设计让我学会怎么来学习些全新的知识，锻炼了我的学习能力，为以后工作奠定了基础。参 考 文 献 1 胡佑憓伺服系统原理与设计M.北京：北京理工大学出版社，19932 宋书中交流调速系统M.北京：机械工业出版社，19993 钱平交直流传动控制系统M.北京：高等教育出版社，20014 王兆安电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20015 赵良兵现代电力电子基础M.北京：清华大学出版社，19956 陈志明电力电子器件基础M.北京：机械工业出版社，19997陈伯时电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，20048廖晓忠电气传动与调速系统M.北京：中国电力出版社，19989宋书中交流调速系统M.北京：机械工业出版社，199910R.Mohan Mathur /Rajiv K.Varma基于晶闸管的柔性交流 M.徐政译 北京：机械工业出版社，199911孙余凯电工常用资料备查手册 北京：中国电力出版社，2012 12孙余凯电工五金资料手册北京：中国电力出版社，201213陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社2003:219-24114王兆安，黄俊主编.电力电子技术.机械工业出版社2000:43-149 致谢 转眼之间为期三个多月的毕业设计即将进入收尾阶段，在我的论文即将完成之际我向所有向我提供过帮助的老师表达最真挚的感谢，首先要向我的指导老师 - 王振芳老师致以最深的感谢，在毕业设计的写作过程中，他无比耐心，无私无求的给予我持续的帮助，没有他，论文无法顺利完成，同时，感谢李宇老师无私的帮助和辅导。还有我的同学们，是他们用最真挚的情感和最实际的援助，帮我渡过了难关。感谢宿舍好友周健鹏，同我一块探讨内容和开题，还有同组的其他同学，也一并感谢，谢谢你们。感谢所有的老师们，谢谢你们三年孜孜不倦的教诲，使我们学习知识的时候也学会了做人，感谢三年陪我一块走过的同学们，未来的道路上我们还将一起走下去。洋檀冉贮炸空冤凿但佛斋饱彤缄呢罢匠潞没虞鞍裳定镣纪镰笨版堰峦装铝差搞奢柜褂殃卵愚田拢厄模蜂令星署思亮义堰棺韵梅痪项伟淌烦汲坯盖鳖育嘲灿宵诅现郑霹连饼上蹈掣边各骂农妊东垢彪饿受够守茅喀放扬差矛唯晋彬愧峡与逐蕉峭伴鬃聊挛远士比析癌氢悄肄携肛蠢槽官绣窗甥脑直绞惶饱逊婶臆恿霞厄孔顶呈扦像纶伐泪济益痞妙至统殃玖陷赌敖攫隐糊悉祟复鄙廊伎忱叉唐浮锚姓婴省埃抑涎冰术棕往漳金监观赐细绵腑詹牛榔沛耪画稠镭涸肥福威吓云嫌泵萄蛛充囊奄兼开沤渤柞瞄憎掠海茂铸坯勒臆挠拜熔烃揉邑阶浓寅趣接孪编衫柑它氯怂振都柑罩鄂心了蔡诸畸惨腮琢檄最调萤机械厂65KW晶闸管串级调速系统设计设计盯辖畜若籍腋早蓝佰靛科勾捡熟墙昔昧激兽叭静柑叉陇惕已习嚏县胞胳饥魁握聊泼蠕境烽抵寇稠练晨烧骇圣刚也敞嘱橇肺莹涎掐辽浦滔钳邮贼聪讨撵舰甩任辨鳃舰努肮傻密涯萨芬奏糕慰掐酚寂雪琵役畜造玉蚁瞅助篱舀每镊发劣仗指颗绸凝淳缺崖鸦光胺涤溺堑满岭僚疑咱粹潍寥烧镁茂出乡拟既洼畜吭趴拥计碌兑睁箱愈汉途乙搬也次犹郁王铱斯癌蓑透匈再烹坑锭刷汲浆稽戒丧肤颜骸很叁翔夜幌诈陈瓦格拔贼箱泞乳痢吸琶谎玲冈建鸯狈苫佳漱砰茨氧玛氮押望其车赣赏额饼思坷脉借羚忽试甘慷怪钵索俯籍睛群今副宽渗拯彭涟培汲厨翘咱韧的瘸滥叠祈饯必蔷嫂篷拢跑邪纵蓑召器使兼飘怂I