异步电机串级调速系统的设计

异步电机串级调速系统的设计院－系：工学院专业：电气工程及其自动化年级：06级学生姓名：董慧梅学号：200603050449导师及职称：段志梅硕士2009年12月摘要交流电动机是应用最广泛的一种电动机。由于交流电动机结构简单、可靠、造价低，很多国家一直致力于发展交流传动技术。近十几年来，随着电力电子技术的迅猛发展，大功率半导体器件、集成电路的研制成功，交流传动技术亦随之飞速发展，并进入到完全可以实用的阶段，而晶闸管串级调速系统具有结构简单、可靠、节能、经济、维护方便的特点，使得这种调速技术首先在风机、泵类机械上得到了广泛的应用。目前在冶金、纺织、化工、煤炭、造纸、建材及城市自来水等工业部门正逐步推广使用。晶闸管串级调速技术除可用于新设备设计外，还可用于对旧设备进行技术改造，这样，不仅能改善调速性能，又可以节约能约，因此，在我国适当推广应用晶闸管串级调速技术具有极大的技术和经济意义。串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。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，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算，从而达到设计要求。关键词：主电路整流变压器逆变器晶闸管整流调速装置平波电抗器任务书设计题目：异步电机串级调速系统的设计一、设计的目的：1、根据设计要求完成双闭环串级调速系统的设计。2、通过设计掌握控制系统的基本设计方法。3、培养学生查阅技术资料的能力，培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力。二、设计的要求：1、给定指标：绕线式转子三相异步电动机：YR250M2-4型，PN＝40KW，nN=1480r/min，U1N=380V，I1N=85A，fN=50Hz，η=91.5%，cosφ=0.87，E2N=340V，I2N=81A，Δ/Υ联结，λm=3，J=2.367kg.m2。2、异步电机的最大负载功率为P=30KW。3、生产工艺要求电机不可逆转，传动系统能实现无级平滑调速，调速范围D=3。4、生产过程中要求传动系统有较高的调速精度，低速时静差率S≤0.01。5、系统动态指标要求电流超调量小，转速抗干扰性及跟随性好。四、设计内容：1、主电路结构选择方法、主电路元器件的选型计算方法。2、保护方式的配置及其整定计算。3、触发电路的设计方法。4、变压器、逆变器、整流器的选型设计5、速度调节器、电流调节器的典型设计方法及绘制系统电路图。五、系统参数计算1、电流调节器ACR中iiRC、计算。2、转速调节器ASR中nnRC、计算。（注：输入电阻均为40KΩ。）3、动态性能指标计算（包括空载起动到额定转速超调量的计算和过渡过程的时间的计算以及空载起动到额定转速所需时间的计算）。六、画出双闭环调速系统电气原理图。七、心得体会八、参考文献目录第一章串级调速系统.................................................51.1主电路方案的确定............................................51.2系统静态及动态要求..........................................51.3串级调速基本思路............................................5第二章主电路设备和元件的计算与选择.................................72.1电动机的选择及方案..........................................72.1.1供电方案的选择........................................72.1.2电动机的选择..........................................72.2逆变变压器的参数计算........................................92.3整流元器件的计算与选择.....................................102.4平波电抗器电感量的计算.....................................102.5调速系统的保护.............................................112.5.1过电压保护...........................................112.5.2过电流保护...........................................142.6系统功率因素的改善—补偿电容器.............................14第三章控制回路单元电路的选择......................................163.1电流环元件的选择...........................................163.2转速检测环节的选择.........................................17第四章调节器的工程设计............................................184.1双闭环系统静态参数计算.....................................184.2双闭环系统的动态参数计算...................................19第五章系统总体结构设计............................................225.1总主电路图.................................................225.2控制电路图.................................................23第六章心得体会....................................................24参考文献...........................................................25第一章串级调速系统1.1主电路方案的确定全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速、电流双闭环调速系统。对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大，从而限制了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控制，此时可以采用绕线转子异步电动机。但在电阻上将消耗大量的能量，效率低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性能较好的绕线转子异步电动机转差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。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，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用，因此效率高。1.2系统静态及动态要求采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dmI时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。1.3串级调速基本思路在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键是在转子侧串入一个可变频、变幅的电压。对于次同步电动状态的情况，将转子电压先整流成直流电压，再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可调节异步电动机的转速。把交流变压变频问题转化为直流变压问题，分析与实现都比较方便。电气串级调速系统原理图：图1-1电气串级调速系统原理图第二章主电路设备和元件的计算与选择2.1电动机的选择及方案2.1.1供电方案的选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。在一般情况下，晶闸管变流装置所需的交流电供电压与电网往往不一致。另外为了减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常要配用整流变压器。为了抑制谐波干扰，一般采用接法的整流变压器。2.1.2电动机的选择本设计采用内反馈串级调速，电机型号等已在给定指标中说明控制电机型号YR250M2-4额定转速1480r/min额定功率40kW效率91.5%调速范围D=3静差率S≤0.01定子电压/电流380V/85A功率因数0.87转子电压/电流340V/81A频率50HZ表2-1绕线式异步电动机1）电动机参数计算额定转差率SN=（1500-1480）/1500=0.01333临界转差率Sm=Sn[2/1-2SN(-1)-1/2]=0.082定子电阻r1=0.95U1NS/3I1n=0.95*380*0.013/3*85=0.032转子电阻2r：2220.01333400.0323381NNNSEVrI定转子绕组的变比K：120.95/0.95380/3401.06NNKUEVV折算到转子侧的定子电阻r'1=r1n/kM2=0.032/1.062=0.028电动机额定转矩MN=9550PN/nN=9550*40/1480=258N.M折算到转子侧的漏抗22122112222/3/210380/320.0320.032/1.0621032580.28NpNUnXrrKM2）逆变压器参数初步计算变压器二次额定电压U2U2=(1-1/D)E2N/COSmin=(1-1/3)340/cos300=261V折算至直流侧的变压器等效电阻rdrd=0.01U2/3I2N=0.01*261/381=0.0186折算至二次侧的变压器漏抗XsXs=0.05U2/3I2N=0.05*261/381=0.093平波电抗器直流电阻RLRL=0.01E2N/3I2N=0.01*340/381=0.02423）在串级调速状态运行时的额定转矩MCN串级调速运行时直流回路额定电流dNI:3/1.7381106.7dNIAA串级调速运行时的额定转矩CNM：'011131.739.56531.353401.730.0280.28106.7106.7289.5.1500CNddNdNMErXIINm