1、太原理工大學 畢業設計（論文） 異步電機串級調速系統設計院 （系）：太原理工大學繼續教育學院專 業： 電氣工程 班 級： 2013屆電氣一班 提交日期： 2015年8月 姓 名： 王建軍（陽煤） 摘 要串級調速是交流異步電動機調速的一種類型,串級調速的思想就是將異步電動機的轉子電壓經過三相橋式整流變為直流電壓，再在其直流側由可控硅逆變電路產生與其相反的直流電勢與三相橋式產生的直流電壓串聯，改變逆變角的大小來改變直流電勢的大小，達到調速的目的，同時還能提高電動機的運行效率和調速的經濟性。本文依據礦井提升機對電力拖動系統的要求，采用可控硅串級調速來控制其拖動電動機實現無級調速，滿足礦井提升機對電力

2、拖動系統調速性能和節能的要求。本文主要研究三相交流繞線式異步電動機可控硅串級調速系統的主、輔電路設計有關的技術問題。包括系統的組成與工作原理，主回路的設計，控制回路設計，系統的靜、動態工作特性計算分析等。關鍵詞： 可控硅, 串級調速, 整流, 逆變 ABSTRACTThe speed of adjusting of each is to exchange a kind of adjusting the speed of asynchronous motor, Each transfer the thoughts of speed to turn into direct current pige

3、onhole through three-phase bridge type rectification asynchronous the rotor voltages of motors, And then in its direct current it inclines to be at silicon controlled rectifier against becoming circuit produce at opposite direct current tendency and three-phase bridge direct current who type produce

4、 pigeonholes and contacts, Change, The ones that still can improve the operational efficiency of the motor and adjust speed at the same time are economic.This text basis mine lifting machine pull systematic request to electricity, adopt silicon controlled rectifier each is it is it control it pull m

5、otor realize the stepless speed regulation to come rapidly to adjust, meet mine lifting machine pull to electricity system transfer speed performance and energy-conserving request. This text main research three phases exchange person who wind the line asynchronous motor silicon controlled rectifier

6、each transfer speed systematic main fact, complement circuit design relevant technological questions. Including systematic composition and operation principle , main design of return circuit, control design of way of answering, quiet, dynamic performance characteristics computational analysis of the

7、 system, etc.keywords: Silicon controlled rectifier, each adjusts speed, rectification, Go against and change目 錄摘要2Abstract31. 概述61.1 交流電動機調速的發展概況61.2 礦井提升機對電力拖動系統的要求81.3 本課題研究的目的和內容92. 提升機調速系統方案的選擇10 2.1 提升機調速成系統調速方式的選擇102.2 雙閉環控制系統的選擇102.3 橋式電路的選擇112.4 觸發電路的選擇123. 礦井提升機串級調速的工作原理13 3.1 串級調速系統工作原理及工

8、作狀態13 3.2 串級調速系統主電路的工作原理15 3.3 串級調速控制回路的工作原理17 3.4 礦井提升機的系統組成與工作原理174. 主回路電路的設計20 4.1 三相橋式不可控整流器的設計20 4.2 三相橋式逆變器的設計20 4.3 逆變變壓器的設計214.4 平波電抗器LP的設計214.5 晶閘管保護電路的設計225. 控制回路電路的設計24 5.1 穩壓電源的設計245.2 觸發電路的設計275.3 定子控制單元的設計275.4 絕對值單元的設計305.5 速度反饋網絡的設計305.6 電流檢測反饋網絡的設計315.7 控制線路的設計326. 系統的靜、動態特性計算34 6.1

9、 系統的靜態特性計算346.2 系統的動態特性計算367. 串級調速系統調試417.1 一般檢查以及線路檢查417.2 單元器件的調試417.3 系統的調試437.4 操作電路的調試44主要元器件明細表45結束語46致謝47參考文獻.48 1. 概 述1.1 交流電動機調速的發展概況縱觀電力傳動的發展過程，交直流兩種傳動方式共存于各個生產領域之中。在電力電子技術發展之前，直流電動機幾乎占壟斷地位。對于直流電動機只要改變電動機的電壓或者勵磁電流就可以實現電動機的無級調速，且電動機的轉矩容易控制，具有良好的動態性能。隨著工業技術的不斷發展，它們相互競爭、相互促進。交流電動機，特別是鼠籠式異步電動機

10、與直流電動機相比具有一些突出的優點：制造成本低；重量輕；慣性小；可靠性和運行效率高；維修工作量小；能在惡劣的甚至在有易燃易爆性氣體的環境中安全運行。這些與現代調速系統要求的可靠性、可用性、可維修性相一致。正是由于交流電動機的這種優勢，使它在電力拖動系統中的應用范圍比直流電動機廣泛得多，約占整個電力拖動總容量的80%以上；但同時交流電動機本身是一個非線性、強耦合的多變量系統，其可控性較差。而隨著電力電子技術和自動控制技術的迅速發展以及各種高性能的電力電子器件產品的出現，為交流調速系統的發展創造了有利條件。特別是70年代初出現的矢量變換控制技術以及在矢量變換基礎上相繼出現的磁通反饋矢量控制、轉差型

11、矢量控制、直接轉矩控制等實用系統，大大推進了交流傳運控制技術的發展。這些新型的交流傳動控制技術與高性能的變頻器相結合，就有可能使利用交流電動機構成的交流伺服系統在性能上與高精度的直流伺服系統相匹配。特別是在一些大容量、高轉速或特殊環境下應用的場合，交流調速系統已顯示出無比的優越性，電氣傳動交流化的時代隨之而來。根據異步電動機的轉速公式：式中電機極對數 供電電源頻率電機轉差率因此，異步電動機有三種基本的調速方式，即改變極對數、改變轉差率和改變供電電源頻率。在改變轉差率調速中又可分為轉子串電阻調速、串級調速、調壓調速和電磁轉差離合器調速四種類型。（1） 變極調速變極調速是通過改變繞組極對數達到改變

12、異步電動機同步轉速的調速方法。由于電動機的極對數只能成倍變化，因此轉速也只能近似成倍變化。變極調速主要用于鼠籠式異步電動機。變極電動機通常有轉換單繞組接線改變其極對數的電動機和在同一鐵心上設置兩個以上極對數的不同繞組的兩種類型。這種調速優點：設備簡單，操作方便，機械特性較硬，效率較高，既適用于恒轉矩調速，又適用于恒功率調速。缺點：屬于有級調速，且調速的級數不多。因此僅適用于不需要平滑調速的場合。例如某些機床的調速，采用變極調速與變速箱機械調速配合，就可以較好地滿足生產機械對調速的要求。（2）轉子串電阻調速這是對繞線式異步電動機進行調速的一種方法，即在電機的轉子回路中串入可變電阻來改變電動機機械

13、特性的斜率，從而改變了一定負載下電機的轉差率達到調速的目的。由于轉子串入的電阻不能連續變化。因此電機的轉速也只能階躍變化，即有級調速。這種調速的優點：設備簡單、易于實現，初投資不大。缺點：低速時的機械特性變軟，其最低轉速受生產機械允許靜差率的限制，所以調速范圍不大，一般只能達到23。轉子串電阻為分段調節，屬有級調速，調速的平滑性差。只宜帶負載調速。空載或輕載時調轉子電阻所得到的轉子速度變化不大。低速時轉差率s大，轉子銅損Pcu2=sPm大。效率低，經濟性差。由于以上特點，這種方法多適用于起重機一類對調速性能要求不高的恒轉矩負載，對通風機型負載也可以適用。（3）調壓調速 調壓調速是通過改變電動機

14、定子供電電壓的大小來改變電動機在某一負載下轉速的一種調速方式。在調速過程中，電動機的轉差功率將損耗在轉子的電阻上。 調壓調速的優點：調速平滑，采用閉環調速系統，其機械特性很硬，調速范圍寬（可達到10：1）。缺點：由于是變轉差率調速，因此低速時轉差功率損耗大，效率低，這種調速主要適用于高轉子電阻的電動機。（4）電磁轉差離合器調速電磁轉差離合器調速的特點是異步電動機與負載之間用電磁轉差離合器聯接。電動機為普通鼠籠式異步電動機，本身并不調速，而與負載相連的輸出軸的轉速則可以通過改變電磁轉差離合器的勵磁電流來調節。 電磁轉差離合器調速的優點：控制簡單，價格便宜，運行可靠，維護方便，能平滑調速，采用閉環

15、系統時可擴大調速范圍。缺點：低速時損耗較大，效率較低等缺點。這種調速方法廣泛用于紡紗、印染、造紙等機械上以具有通風機械負載特性的設備。（5）變頻調速變頻調速是利用電動機同步轉速隨頻率變化特性，通過改變電動機供電電源頻率的方法來實調速。變頻調速的優點：調速范圍廣（可達到10：1），平滑性較高，調速時機械特性較硬，靜差率小，變頻時U1按不同規律變化可以實現恒轉矩或恒功率調速。因此可以構成具有高性能的交流調速系統。缺點：必須有一套變頻電源。目前，變頻電源的結構還比較復雜，價格較貴，容量不夠大。低速時最大轉矩MM較小，使電動機的過載能力降低。（6）串級調速繞線式異步電動機轉子串電阻調速是以能量損耗為代

16、價來實現調速的，越是速度調得越低，損耗也就越大，效率也就越低，若能在轉子回路中串入一個能量吸收裝置，將這部分損耗的能量加以吸收并回饋電網，就可以大大提高系統的運行效率，這種轉差功率回饋型的調速方法稱為串級調速。具體來講就是在電動機轉子回路中串入一個附加電勢，通過調節附加電勢的大小來改變電動機一定負載下的轉差率，從而達到調節電動機轉速的目的。串級調速與串電阻調速相比其優點為：機械特性較硬，調速平滑性較好，損耗較小，便于向大容量發展。缺點：功率因數較低（因為有濾波電抗器及可控硅逆變器的存在），設備較復雜。成本較高，低速時轉差率s較大，回收的轉差功率sPm較大，變流裝置的容量也應加大，不太經濟，且低

17、速時電動機的過載能力較低。因此，串級調速最適用調速范圍不大（一般為24）的場合。例如通風機械，提升機械等設備上。1.2 礦井提升機對電力傳動系統的要求在現代化的工業生產中，生產機械都在不停地運動著，幾乎無處不使用電力傳動裝置。由于各種不同的生產機械運動規律不一樣對電力傳動裝置性能的要求也不一樣。為了提高產品質量，增加產量，提高生產效率，越來越多的生產機械要求能實現轉速調節與相應的自動控制，并且對電力傳動裝置的要求也越來越高。礦井提升機是礦山運輸中的主要設備，是井下與地面聯系的重要工具，礦井提升機又是礦山最大的固定設備之一，它的耗電量占礦山總耗電量的30%40%，因此，為了降低礦石的成本，必須經

18、濟合理地選擇與設計礦山提升機設備。 礦井提升機對電力拖動系統的要求如下：（1） 為了使罐籠能作提升與下放運動，要求提升系統要采用可逆系統，即拖動電動機既可正轉又可反轉。（2） 罐籠提升機是采用三階段梯形速度圖。根據安全規定：升降人員時加、減速度不大于。（3） 提升礦石、設備或人員時提升機速度不同，因此要求電動機能有較好的調速性能。（4） 為了保證生產和人員的安全要求電氣傳動系統運行準確安全可靠。本系統采用單罐籠提升，用于副井作為提升礦石和人員用。根據上面所述的要求，提升機的拖動方式有兩大類選擇，即交流拖動（采用交流繞線式異步電動機）與直流拖動（采用直流他激電動機），由于直流拖動系統的設備投資大

19、，安裝、維修困難與設備占地多等缺點，因此在中小型礦井提升機設備中選用交流繞線式異步電動機作提升機的拖動電動機。為了使拖動系統具有較好的調速性能和節省電能采用可控硅串級調速；采用改變定子電源電壓相序的方法來實現電動機的可逆運行。1.3本課題研究的目的和內容為了使礦井提升機具有較好的調速性能和節省電能，提高電動機的運行效率和調速的經濟性，減小礦石成本。滿足礦井提升機對電力拖動系統的要求。我們采用轉差功率回饋型的可控硅串級調速，將提升機電動機轉子電流整流，再通過有源逆變器回饋電網，避開了復雜的變頻問題，一定程度上簡化了控制線路。起到減小電動機的轉子電流，達到降低轉速的目的。 本次畢業設計的內容主要是

20、研究三相交流繞線式異步電動機的可控硅串級調速系統主、輔電路的設計有關技術問題。它包括系統的組成與各部分工作原理，主回路電路的設計，觸發電路的設計，電流反饋網絡，絕對值單元，定子控制單元和速度反饋網絡的設計以及對系統的動、靜態特性進行簡單分析和計算。 2.提升機調速系統方案的選擇2.1 提升機調速系統調速方式的選擇2.1.1動力源為什么要選擇繞線式異步電動機 電動機分為交流電動機和直流電動機兩大類。在選擇礦井提升機的動力源上就有兩種方案可以供我們選用：直流電動機和交流電動機。直流電動機的調速范圍大，調速平滑，能夠進行準確的位置控制。應用在拖動系統中過渡過程有特殊要求的較大功率生產機械。如高精度數

21、控機床、龍門創床等。交流電動機種類繁多，在各個生產領域中應用廣泛，有取代昂貴的、效率較低的直流電動機的趨勢。交流電動機大體可以分為異步電動機和同步電動機。同步電動機轉速恒定，能改善功率因素、容量大，不可能實現無級調速。在調速性能要求不高的生產機械中優先選用鼠籠式三相異步電動機；在起動、制動比較頻繁，起、制動轉矩要求較大，且有調速要求的生產機械，廣泛使用繞線式異步電動機。因此本設計的電動機選用繞線式異步電動機作為提升的拖動電動機。它符合礦井提升機的要求：起制動過渡過程平穩、運行穩定、轉矩大，而且要求有一定的調速范圍，起制動頻繁、在省時節電方面要求起制動時間短、耗能低、效率高。2.1.2 選擇串級

22、調速系統的理由 由前面所述異步電動機的調速類型和各種調速的優、缺點，根據各方面的原因以及提升機對電氣傳動系統的要求知道，選用繞線式異步電動機可控硅串級系統的調速方案比較合適本課題的設計要求，經濟性也較好，滿足了進行設計的目的。系統中使用靜止的可控硅逆變裝置實現礦井提升機下降超同步調速，上升用低同步調速，用倒拉反接制動實現停車。2.2 雙閉環控制系統的選擇由于我們本系統選擇的是串級調速，和調壓調速系統不同，串級調速系統本身具有類似于它勵直流電動機的機械特性。因此，在一些對調速精度要求不高的場合可以采用開環控制的調速系統。但若想進一步提高系統的靜態精度并獲得較好的動態性能，就必須采用反饋控制，較好

23、的反饋控制方法是采用具有電流和速度反饋的雙閉環控制方法。本系統要選用哪一種控制方式可從以下兩方面考慮：（1） 工作環境：礦井提升機起、制動頻繁，必須縮短起制動時間以提高工作效率。因此電動機必須以最大起動電流起制動。如果用單閉環調速控制系統，那么起制動電流可達到額定電流的35倍，如果不限制起制動電流，無疑會縮短電機壽命，同時提升機也不允許太大的減速度來停車。特別是提升機被卡住時，導致電機堵轉會燒壞電機，為了防止這類情況的出現，必須加電流截止負反饋以限制最大起動電流、制動電流、堵轉電流。加上電流截止負反饋環節的單閉環調速系統只能限制電機的最大電流，并沒有令人滿意的快速起動和制動性能，這是因為在過渡

24、過程中，電流一直是變化著的，達到最大值后，由于負反饋的作用加強和電機轉子中的電勢增加，電流又被降下來，電動機轉矩也隨之減小，從而延長了起制動過程。所以單閉環調速系統滿足不了本課題的要求。（2）從提升機要求運行穩定、動態性能、快速性來看單閉環控制調速系統遠不及雙閉環控制調速系統好。 （3）多閉環控制調速主要是抑制系統的超速。只有在要求調速運行非常平穩的系統中才用，再一個結構復雜，技術性強，限制了它的使用，同時礦井提升機也不需要達到這么高的要求，不符合工程上對設備的經濟性要求。 從上面闡述的來看，提升機可控硅串級調速系統設計選用雙閉環控制調速系統，能滿足礦井提升機對調速性能的要求。2.3 橋式電路

25、的選擇用晶閘管逆變橋的附加電勢以實現的串級調速的主回路，用的是附加直流電勢與轉子整流后的直流電壓疊加組成串級調速系統。串級調速系統中，轉子三相繞組和六個二極管組成整流電路，把轉子電壓整流成，它與一般三相橋式電路相似，可以用變流理論分析，但也有不同的地方。（1） 整流前的轉子電勢的頻率與幅值是轉差率的函數。（2） 所以折算到轉子側的換相漏抗也是轉差率的函數。（為s=1時折算到轉子側的每相漏抗）（3） 由于異步電動機折算到轉子側的漏抗值很大，換流重疊現象嚴重，換向重疊角加大，引起轉子整流電路的特殊工作狀態。 我們知道是由于整流電源的漏感和整流電流引起的兩相同時導通的現象。而串級調速系統漏感比一般整

26、流器的漏感大，所以隨的增大，角比一般整流器工作時大得多，甚至超過60º，而三相橋式每60º換流一次，當時，下一次換流將推遲換流，推遲的角度是p，在穩定工作時，下一次換流在以60º為換流周期中被推遲開始換流，它的換流角只好等于60º，這樣它將使再下一次換流也被推遲角，這樣角被強迫限制在60º。如果繼續增大，也隨之增大，當p達到30º后，將不再增加，而，這時共陽極組和共陰極組將發生重疊換流的現象造成負載短接，不能正常工作。因此串級調速可分為三種工作狀態：（1） 第一工作狀態： （2） 第二工作狀態：, （3） 第三工作狀態：, 礦井提升機

27、可控硅串級調速系統主電路中用六只晶閘管組成逆變電路，提供直流反電勢。如果采用三相半波逆變橋有如下缺點：（1） 變壓器利用率低，因為在一個周期內某一相只1/3的時間內有電流通過。（2） 變壓器只有單向脈動電流，其直流分量在磁路中形成直流不平衡磁勢,在 三相變壓器中產生較大的漏磁通，引起附加損耗對晶閘管換流不利。 所以采用三相全控橋式，共陰極組、觸發換流時由低陽極電位的管子換到高陽極電位的管子，所以相電壓的波形中，觸發時電壓上跳，共陽極組、觸發換流時，由陰極電位高的管子換到陰極電位低的管子，所以觸發時電壓下跳。2.4 觸發電路的選擇繞線式異步電動機串級調速系統中的晶閘管，用來組成三相逆變橋反饋電能

28、，要求觸發脈沖輸出的相位精確，觸發電路工作可靠、調試方便。從這些要求出發選用KCZ6集成化六脈沖觸發組件。它適用于要求較高的三相全控橋式變流器的觸發，輸出脈沖能可靠驅動大功率的晶閘管，并且有以下的特點：（1） 同步電壓不受電網畸變和換流缺口的干擾。（2） 同步電壓范圍寬，且只需三相同步電壓。（3） 輸出脈沖是列式的雙脈沖，脈沖變壓器體積小。（4） 能方便的與各種系統相匹配，調試簡單，組裝方便。通過上面對提升機電動機的調速方式、控制方式、觸發電路，串級調速主電路的選擇，我們可以得到串級調速系統的方框圖，如圖2-1所示：圖2-1 礦井提升機可控硅串級調速系統方框圖3.礦井提升機串級調速的工作原理3

29、.1 串級調速系統工作原理及工作狀態串級調速就是通過吸收電動機轉子電路中的一部分轉差功率來實現調速的一種方法。有效的吸收方法就是在繞線式異步電動機轉子電路中串入與轉子電勢同頻率的附加電勢，如圖3-1所示。通過改變附加電勢的大小，就可以改變吸收的電動機的轉差功率的大小，從而實現對電動機轉速的調節。 異步電動機在固有機械特性上運行時，相當于附加電勢的狀態。此時電動機的轉速接近額 定值。假定電動機的負載為恒轉矩負載，轉子電流為： 圖3-1 串級調速原理圖 式中轉子繞組每相電阻； s=1時轉子繞組每相漏抗；轉子開路時的相電勢當電動機轉子電路中串入與感應電勢相位相反的附加電勢時，將導致電動機轉子電流下降

30、 則電動機所產生的電磁轉矩為： 式中 電動機轉矩系數 電動機的主磁通 電動機轉子功率因數轉子電流值的減小使電動機的輸出轉矩相應減小，出現電動機輸出轉矩小于負載轉矩的狀態，穩定運行狀態被破壞，迫使電動轉速降低。隨著轉速的降低，轉差率s將增大，轉子電流回升，電磁轉矩也相應回升。當電動機轉速降至某一值時，使得電動機的輸出轉矩與負載轉矩又相等，減速過程結束，電動機將在此轉速下穩定運行。這就是向低同步轉速方向調速的工作原理。串入的附加電勢幅值越大，電動機最終穩定運行的轉速就越低。同理，在電動機轉子電路中串入與感應勢相位相同的附加電勢時，能使電動機的轉速增加。也就是電動機向高于同步轉速方向調速的超同步串級

31、調速的工作原理。串入附加電勢的幅值越大，電動機最終穩定運行的轉速就越高。圖3-2 四種工作狀態時串級調速的功率傳遞關系a) 低同步電動運行狀態（1>s>0） b) 超同步電動運行狀態（s<0）c) 超同步發電制動狀態 （s<0） d）低同步發電制動狀態(1>s>0)根據轉子回路中串入的附加電勢與轉子感應電勢之間的大小和相位關系的不同，串級調速有四種基本的工作狀態。這四種工作狀態的本質都是利用不同的附加電勢來改變電動機內部的功率傳遞關系而實現電動機的調速，因此，串級調速的基本工作狀態可以通過功率傳遞關系來加以討論。圖3-2給出了這四種基本工作狀態的功率傳遞。圖

32、中功率關系均不計電動機內部各種損耗。1. 低同步電動運行狀態，如圖所示3-2a)。此時電動機的轉子電流I2與轉子感應電勢E2的相位一致，而與附加電勢Ef的相位相反，故轉子繞組輸出的轉差功率sP被附加電勢吸收后回饋電網。定子從電網反吸收功率P的一部分（1-s）P被輸送給負載。2. 超同步電動運行狀態，如圖所示3-2b)。此時電動機的轉子電流I2與轉子感應電勢E2的相位相反，而與附加電勢Ef相位相同，故電網通過附加電勢向電動機轉子繞組輸入轉差功率sP，并與定子繞組從電網吸收的功率一起輸送給負載，形成定轉子的“雙饋電狀態”，負載所獲得的功率為（1+s）P，從而可使電動機的轉速超過同步速步。3. 超同

33、步發電制動狀態，如圖所示3-2c)。此時電動機的轉子電流I2與轉子感應電勢E2的相位一致，而與附加電勢的相位相反，故轉子繞組輸出的轉差功率sP被附加電勢吸收后回饋電網，且電動機的定子繞組也向電網回饋功率P。回饋的總功率（1+s）P來自負載的機械功率，電動機將在超同步速度下產生電氣制動轉矩。4. 低同步發電制動狀態，如圖所示3-2d)。此時電動機的轉子電流I2與轉子感應電勢E2的相位相反，而與附加電勢Ef的相位一致，故電網通過附加電勢向電動機轉子繞組輸入轉差功率sP，而電動機的定子繞組則向電網回饋功率P。回饋的功率一部分來自轉子繞組，而另一部分則來自負載的機械功率（1-s）P，電動機將在低同步速

34、度下產生電氣制動轉矩。礦井提升機有三種工作狀態：提升機上升、下降、停車。它們分別對應于三種不同的運轉狀態和功率傳遞關系：如圖32d)、32a)、32c)所示。 圖32c)所示是表示礦井提升機在下放重物時的運轉狀態和功率傳遞關系。提升機下放重物時，三相電源調相，轉子受到的電磁力矩和提升機提升重物時電磁力矩剛好相反。那么電機的轉速會越來越快。不過不要擔心會發生飛車事故，因為當轉子轉速超過同步轉速時，轉子受的電磁力矩就不是動力力矩了而是阻力矩。當轉子的轉速大于同步轉速時，定子線圈里的磁場就不會是以50Hz變化的磁場，同時由于轉速的增加，轉子線圈里產生磁場會大于定子線圈產生的磁場，按照物理學的定理可得

35、到電機氣隙里的旋轉磁場的方向會改變，那么轉子受到的電磁力矩就會是阻力矩，同時定子線圈感應電動勢大于電源電壓，定子向電網反饋電能，轉子當然也向電源反饋電能。因此可以得出圖3-2a)所示的動轉狀態和功率傳遞關系圖。同樣控制反電勢的大小可以控制轉子里電流的大小，就可以控制電機氣隙里的磁場強度，達到控制阻力矩的大小，可以得到不同的下降速度，所以礦井提升機下降時是可以調速的，只不過速度大于同步轉速。這不是本課題研究的重點所在。圖32a)所示是表示提升機在提升重物上升時的運轉狀態和功率傳遞關系。它是本課題討論的重點，很好理解。3.2 串級調速系統主電路的工作原理采用晶閘管逆變器構成的串級調速系統是由異步電

36、動機的轉子感應電勢經過二極管整流器整流后加到三相有源逆變器上，有源逆變器可將直流電壓變成三相交流電壓，再經過逆變變壓器將異步電動機的轉差功率回饋到交流電網中，從而提高調速系統的運行效率。這里有源逆變器相當于一個附加直流電壓，通過改變逆變器晶閘管的逆變角，就能改變附加直流電壓的大小，從而改變異步電動機的轉速。采用晶閘管逆變器構成的串級調速系統主電路電氣原理如圖3-3所示：下面我們分析一下它的工作過程：起動時，首先將三相異步電動機的定子繞組和逆變變壓器同時接入三相交流電網，此時異步電動機轉子繞組將產生空載感應電勢，該電勢經過二極管整流器整流后得到空載整流電壓，方向為上正下負，與此同時，由于三相全控

37、橋式電路工作在逆變狀態，會產生逆變電壓，方向也是上正下負。通常在剛接通電源時，讓逆變器的逆變角處于最小位置，產生最大逆變電壓，該最大逆變電壓值要大于空載整流電壓，這樣在直流回路中就不會有電源產生，異步電動機轉子也沒有電流，不產生電磁轉矩，電機不動。然后逐漸增大逆變角到某一定值。隨著逆變角的增大，逆變電壓將減小，使得圖3-3 串級調速系統主電路圖整流電壓大于逆變電壓，在直流回路中產生電流，電動機轉子繞組也因有電流流過而產生電磁轉矩，使電動機旋轉，同時，隨著電動機轉速的上升，轉差率的下降，轉子整流電壓也將下降，最終使轉子整流電壓與逆變電壓達到一個平衡點，讓直流回路中有一定的電流流過，保證電動機所產

38、生的電磁轉矩與負載轉矩相平衡，電動機穩定運行。若要增加電動機的轉速，可以增大逆變角的大小。逆變角增大后，逆變電壓將減小，電動機轉子回路的電流增大，使電動機所產生的電磁轉矩增大，此時由于電動機的輸出轉矩大于負載轉矩，電動機的轉速將升高。隨著電動機的轉速上升，轉差率的下降，轉子整流電壓將減小，使直流回路中的電流又減小，電動機所產生的電磁轉矩也減小，最終達到一個新的平衡點，電動機就在較高的轉速上穩定運行。同理，要降低電動機的轉速，可以減小逆變角。逆變角減小后，逆變電壓就將增大，電動機轉子回路的電流則減小，電動機所產生的電磁轉矩減小，此時由于電動機的輸出轉矩小于負載轉矩，電動機的速度將降低。隨著電動機

39、的轉速降低，轉差率的增大，轉子整流電壓將增大，使得直流回路中的電流又增大，電動機所產生的電磁轉矩也相應增大，最終達到一個新的平衡點，電動機將在較低的轉速下穩守運行。在穩定運行時，若負載突然發生變化，例如負載突然增大，則由于轉矩不平衡，將造成電動機轉速下降。當電動機轉速下降，轉差率增加時，轉子整流電壓也將增大，而此時的逆變電壓不變，則造成電動機轉子電流增大，電磁轉矩增大，最終使電動機的輸出轉矩與負載轉矩重新達到平衡，電動機穩定運行。在停止轉動的時候，可將逆變角調到最小，這時所得到的逆變電壓為最大，并且超過轉子整流電壓，從而使得轉子整流回路中的電流降為零。這樣電動機不再產生電磁轉矩，并在負載轉矩的

40、作用下，使其轉速逐漸降低直至停止運轉。3.3 串級調速控制回路的工作原理根據我們前面的設計知道，本系統采用的是雙閉環控制，以及已經得到串級調速系的方框圖，有了串級調速系統直流回路及異步電動機的傳遞函數，并確定電流調節器和速度調節器都為PI調節器，就可畫出具有雙閉環控制的串級調速系統動態結構圖，如圖3-4所示：圖3-4串級調速動態結構圖雙閉環串級調速系統在突加給定時的起動動態過程與直流調速系統一樣。起動初期，速度調節器處于飽和輸出狀態，系統相當于轉速開環。隨著起動過程的進行，電流調節器的輸出增大，使逆變器的逆變角增大，逆變電壓減小，改變了起動開始瞬間逆變電壓大于電動機轉子不動時整流電壓的條件，產

41、生直流電流，使電動機有電磁轉矩而加速起動。在電動機轉速未到達給定值前，調速系統始終由電流環起跟蹤作用以維持動態電流為恒定，并使加速過程中逆變電壓與轉子整流電壓的變化率相同。直到電動機的轉速超調，速度調節器退出飽和，轉速環才投入工作，以保證最終獲得轉速無靜差系統。3.4 礦井提升機的系統組成與工作原理提升機采用三相交流繞線式異步電動機拖動。其電動機又可采用可控硅串級調速，其電氣控制系統原理如圖35所示。由圖可知，提升機拖動系統的主回路為電源經過交流接觸器與正、反轉接觸器與加在三相交流異步電動機的定子繞組上，它的轉子繞組經三相橋式整流器、平波電抗器、直流接觸器，三相橋式逆變器與逆變變壓器返回電網。

42、控制回路為雙閉環控制系統，電流調節器LT組成內環，速度調節器ST作為圖3-5 礦井提升機可控硅串級調速系統外環。定子控制單元通過電平檢測器DJ1和DJ2、正、反繼電器Q和H來控制正、反轉接觸器與，從而改變加在定子繞組上的電源電壓的相序來實現電動機的正轉與反轉運行。三相橋式整流器的整流電壓 式中：轉子繞組的額定線電壓； 的轉差率。 三相橋式逆變器的逆變電壓 式中：逆變變壓器的副方線電壓； 逆變器的逆變角 由電力拖動原理可知 式中：逆變器直流側的電流； 主回路的等值電阻。 由上式可知當忽略時，則即，因此就有： 當改變逆變角的大小，就可以改變轉差率s，從而達到調節電動機轉速的目的。其調速過程如下：

43、若給定電壓電動機的電磁轉矩<（電動機的阻轉矩）電動機減速回升此過程直到又重新等于為止。此時電動機的轉速低于原來的轉速。 若電動機的電磁轉矩電動機加速此過程一直到=為止。此時電動機的穩定轉速高于原來的值。 若為負，則的輸出為正，的輸出為負，導通，工作，反轉繼電器得電，使反轉交流接觸器得電，電動機反轉。 若為正，則的輸出為負，的輸出為正，導通，工作，正轉繼電器得電，使正轉交流接觸器得電，電動機正轉。4.主回路電路設計由我們的設計資料：已知提升機電動機為JRQ14108高壓電機，其額定數據如下：額定功率:=280KW 額定定子電壓:=6000V額定轉速:=740r/min 額定效率:=0.91

44、6額定轉子電壓:=495V 額定轉子電流:=375A轉子飛輪力矩：=180Kg-M² 轉子電阻:=0.01125/額定轉差：=1.4 定子漏抗：=0.5/定子電阻：=2.07/ 轉子漏抗：=0.599/最大過負荷系數：=2.1根據式 =0.0035/ = =0.01494.1三相橋式不可控整流器的設計 由于整流在系統電源反接的瞬間和在電機由額定轉速正轉，突然制動時所轉子受到的電壓最高，其相電壓為： 橋式整流電路二極管受到的反相電壓為，留二倍裕量，所以：（1）整流二極管額定電壓：（2）整流二極管額定電流在三相橋式整流電路中，直流電流： 則元件的額定電流（當三相橋式取時）為： 因此選用的

45、整流二極管4.2三相橋式逆變器的設計 逆變器的初始定相為，即當時，此時電動機處于起動狀態，則此時三相橋式不可控整流平均電壓，當時最大，三相橋式逆變電壓，由電力拖動基礎可知:式中：逆變器直流電流; 主回路等值電阻當忽略時，所以。則此時逆變變壓器的副方線電壓為：可控硅元件參數額定根據變流技術公式可得：（1） 可控硅元件的額定電壓：（2） 可控硅元件的額定電流： 所以選用的可控硅4.3逆變變壓器的設計逆變變壓器采用最普通的接法（便于同步變壓器的設計）。由上述設計可知，逆變變壓器原方額定電壓為6000V，副方額定電壓為990V，因此 逆變變壓器的變比： ；逆變變壓器副方額定電流: 逆變變壓器原方額定電

46、流: 逆變變壓器的額定功率: ,應該說反饋回去的電能肯定要小于電機所損耗的電能，為什么變壓器的容量反而大于電機的容量。是因為，變壓器工作效率低。如果采用間接起動，變壓器容量可適當減小。如果從降低變壓器的容量著手我們可以考慮使用頻敏變阻起動。4.4 平波電抗器的設計從限制電流脈動的角度出發設計，必須加平波電抗器，用以保持小負載時電流連續和限制電流諧波分量，也可以限制電流的上升率，從限制電流的脈動角度出發設計，取電流脈動系數，則限制電流脈動所需的電感量為： 對于三相橋式整流電路中：， ，將各參數代入上式可得： （1）逆變變壓器的副方每相繞組漏感： 對于三相橋式電路中：=3.9，變壓器阻抗電壓=5，

47、 ，=437.5 將各參數值代入上式可得：（2）電動機轉子繞組每相漏抗： 其中： 即有： 則平波電抗器電感量：所以取5mH電抗器，額定電流為500A。4.5 晶閘管保護電路的設計晶閘管是比較脆弱的電子元件，短時間的過電流和過電壓都有會使元件損壞，因此需要完整的保護裝置。 圖4-1 晶閘管的保護電路（1）  電流上升率的保護可以省略。因為交流進線有電流互感器，直流則有平波電抗器，這樣交流電流的上升率都不會太快。過流保護用串接在橋臂上進行保護如圖41所示。它的額定電壓，額定電流，如下：（線路工作時的電壓） 所以選用：（2）交流側過電壓保護：采用接法的阻容吸收裝置，吸收因變壓器拉

48、閘，電網電壓波動時產生的過電壓，如圖41所示： 所以選用 所以選用（3）       晶閘管過電壓保護：一般在晶閘管兩端并接阻容吸收裝置如圖41所示， 按經驗取1F按經驗取5所以C選用： R選用：5.控制回路電路的設計5.1 穩壓電源的設計直流控制電源（）它由W7800系列和W7900系列三端固定式集成穩壓器組成，作為本裝置所有控制單元的直流電源。穩壓電源電氣原理圖如圖5-1所示，圖中，電容和可改善瞬態狀態，電容和可抑制長線紋波，二極管和可防止因輸出端短路而引起內部電路的的損壞，為電壓表測量轉換開關，為電壓通斷開關，為電壓表

49、，與及均裝在面板的位置上，便于觀察的操作。 圖5-1 穩壓電源原理圖5.1.1 變壓器的設計由于變壓器容量不太大，對電源的影響小，可以和同步變壓器共用，。初步估計，經過穩壓后輸出的電流為1.5A。這里留有一點裕量，所以： 變壓器變比： 原方電流： 變壓器容量： （此時選取50W）由于低壓直流電源要提供給雙閉環控制系統的運放用電和直接關系到調速精度給定電壓值、觸發塊，定子控制單元用電。因此對低壓直流電的脈動系數、紋波，要求極嚴格，所以要采用穩壓電路。5.1.2 整流橋的設計為了消除穩壓電壓源對同步電源的影響采用兩組橋式整流，整流二極管工作的額定電壓為，額定電流：（這里我們選取1.5倍的裕量）取A

50、，因整個穩壓電源輸出電流I=1.5A 所以選用：2CZ55C整流二極管5.1.3   熔斷器選用替換方便的玻璃封裝保險管。其額定電流取工作電流的1.5倍，工作電壓不用計算，只是保險座的耐壓能力應在30V以上，所以選用的保險額定電流為：所以選用5.1.4    濾波網絡由于穩壓電源采用三相橋式整流，脈動系數本來較小，要求的濾波電容容量小，根據經驗取，采用鋁電解電容。由于大電解電容極板的集膚效應，高頻響應差，為了避免產生自激振蕩，所以加上高頻濾波電容、大小，取經驗值，它們的耐壓能力取30V能滿足要求。所以、選用：、選用：CD11 1000/255.

51、1.5    穩壓器穩壓實現方法較多，有開關式,串聯式的分立元件電路形式。本課題選用通用的三端穩壓集成塊和，它們的引腳功能：W7800系列，1腳為輸入端，2腳為輸出端，3腳為公共端W7900系列，1腳為公共端，2腳為輸出端，3腳為輸入端W7815穩壓器最大輸入電壓可達35V，輸出電壓為+15V，加散熱器后輸出電流為1.5A. W7915穩壓器最大輸入電壓可達-35V,輸出電壓為-15V, 加散熱器后輸出電流為1.5A.W7815輸出，輸入為正極性電源，W7915輸入，輸出為正極性電源，其工作原理如下：當整流變壓器接上電源，6000V高壓經變壓器降至24V交流電，經

52、橋式整流濾波，送入W7815和W7915經穩壓再經、進一步消除紋波，、高頻濾波消除自激振蕩。如果閉合，則指示燈亮，表明穩壓電源向負載正常供電。，起短路保護的作用，當負載發生短路時，、兩端的電壓由15V上升到30V。如果二極管的反向耐壓能力為20V，那么，被擊穿。把穩壓集成塊短路，從而防止過電流燒壞集成塊。如果電流過大，、熔斷，起到保護整個電路的作用。和也是二極管的短路保護，防止感性負載產生高電壓損壞穩壓集成塊和擊穿保護，防止短路把高壓傳輸過來損壞后面的負載。兩個電壓表用來監測穩壓電路是否工作正常，兩塊電壓表的量程應為20V。、用來消除長線紋波和增加瞬態響應速度。應該越大越好，取經驗值： =10

53、00(F) 、是用來作為高頻濾波取經驗值： 、的最高反向擊穿電壓為20V，擊穿電流應達2A，所以選用：2CZ55B和的最高反向擊穿電壓為20V，擊穿電流比較小，所以選用： 2CZ82A指示燈選用： 額定電流，。則限流電阻應為：所以選用：RX212K/25.1.6   校對W7815和W7915輸入電壓,取電網電壓波動10%，那么整流后的電壓為： （符合要求）5.1.7    散熱片W7815和W7915當輸入電流達1.5A必須加散熱片 P（功耗）= 又集成塊正常工作溫度為,按其溫度上升不超過計，則散熱片的熱阻應滿足： 故選用SR2Z型散熱器，熱阻，功耗18W5.2 觸發電路的設計觸發器采用KCZ6集成化六脈沖觸發組件，電氣原理如圖5-2所示：在同步電壓過零點的瞬間，電容迅速放電，使4腳電位為0，過零后，集成塊內部的恒流源對充電，和外部電部也對它充電，使4腳上形成鋸齒波電壓，據有關資料介紹充電電流，同步電壓來自同步變壓器。為了消除三次諧波的影響，同步變壓器接成，它的副方電壓為35V。它們分別接在A相、B相、C相同步端。移相的控制電壓（來自電流