绕线式异步电动机交流调速控制系统设计

苏州大学本科生毕业设计（论文）1绕线式异步电动机交流调速控制系统设计摘要本文主要通过对选择绕线式异步电机系统来控制造纸机，最终的选择串级调速控制系统，该系统是由异步电动机、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组成。文章的重点就是系统参数的设计。关键词：绕线式异步电动机调速控制系统ABSTRACTThispapermainlythroughtochoosewoundrotorasynchronousmotorsystemtocontrolthepapermachine,thefinalchoicebunch_rankspeed-controlcontrolsystem,thissystemismadeasynchronousmotor,rotorrectifier,frequencysensitivityrheostat,activeinverter,triggeringdeviceandsignaldetectioncomponents.Thearticleistofocusonthedesignofsystemparameters.Keywords:WoundrotorasynchronousmotorSpeedControlsystem前言由于绕线式异步电动机要求启动转矩大，能平滑调速的场合。所以它是工农业生产及国民经济各部门中应用最为广泛而且需要量最大的一种电机。金属切削机床、轧钢设备、鼓风机、粉碎机、水泵、油泵、轻工机械、纺织机械、矿山机械等，绝大部分都采用绕线式异步电动机拖动。绕线式异步电动机的控制方式可以分为3点：启动，调速与制动。第1章系统方案的选择1.1本论文的目的经过前言部分我们主要讲解了绕线式异步电机的使用场合和它的三种控制方式。既然它的应用这么多，下面我来设计一种电动机在造纸机上的使用。1.2系统的选择由于绕线式异步电动机,相对于笼型异步电动机而言,具有起动电流小,起动转矩大的特点。一般应用在大功率重载起动的情况下,或者功率虽然不大,但要求频繁起动、制动和反转的场合。该电机的控制方式一般有两种:转子串电阻调速和串级调速。而造纸机的要求是启动电流要小，启动转矩大。还要求频繁的启动。所以可以使用绕线式异步电机调速来控制造纸机。至于转子串电阻和串级调速之间的选择：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。它是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。串级调速能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬，它已经是克服了转子串电阻调速的缺点，具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。所以这里选择使用绕线式异步电机串级调速来控制造纸机。苏州大学本科生毕业设计（论文）2第2章系统的组成与工作原理2.1系统的组成在选择电机在满足工艺要求和保证生产质量的前提下我们要力求投资小，效益高，操作简单。根据造纸机对电气传动系统的要求，由于调速范围小，所以采用晶闸管串级调速是较合理的方案。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。整流器和逆变器是应采用三相桥式电路。图1-1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2KM接通，KM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，先经频敏变阻器升速，然后通过1KM触点短接转子，使电动机全速运行，这样可以调速装置进行检修而不中断生产。补偿电容图1-1造纸机传动系统框图2.2串级调速原理绕线式异步电动机的串级调速系统是引入一个附加电动势Eab，且令Eab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E2s和附加电动势Eab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。所以串接一个与转子电动势Eab同频率的附加电动势abE如图2-1所示，通过改变abE值的大小和相位，同样也可实现调速。苏州大学本科生毕业设计（论文）3产生附加电动势装置图2-1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abE时，转子电流为：222222sxrsEI当转子串入的abE与22sEEs反相位时，电动机的转速下降。因为反相位的abE串入后，立即引起子电流2I的减少，即22222222222)(xsrsEEsxrEsEIabab当转子串入的abE与sE2同相位时，电动机的转速升高。同相位的abE串入后，立即使2I增大，即222222sxrEsEIab由上面分析可知，当abE与sE2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。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。苏州大学本科生毕业设计（论文）42.3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0rsE经过三相不可控整流装置整流，输出直流电压dU。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iU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iU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，dI为定植，改变逆变器的逆变角，逆变电压iU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2tU不但与转子感应电势E2有关，还与调速范围有关。调速范围越大，要求2T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/dudt和通态电流临界上升率/didt。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。2.4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：苏州大学本科生毕业设计（论文）5图2-4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：000022arccos[1]arccos[1]66DdDdrrsXIXIsEE（2—7）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（2—7）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（2—7）计算出来的角大于60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p。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p角换流，但从总体上看，6个器件在360度内轮流工作，每一对器件的换流过程最多只能是60，也就是说，Id再大，只能是=60不变。由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路在0,p060，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：000066[coscos()]sin()226rrpppDDEEXXDI（2—8）整流电压：苏州大学本科生毕业设计（论文）6000coscos()2.342232.34cos2pprDdDrpdDdsERIsXsEIRIdU（2—9）其中，',DsrRsRR是折算到转子侧的电动机定子和转子的每相等效电阻。上两式中，当60时表示转子整流电路工作在正常的不可控整流工作状态,为第一种工作状态；而将360p00，时称为第二种工作状态。2.5异步电动机串级调速系统的逆变电路逆变电路采用工作在逆变状态的三相桥式整流电路，为控制角,为逆变角。逆变时允许采用的最小逆变角'min。式中，为晶闸管的关断时间qt折合的电角度；为换相重叠角；'为安全裕量角。晶闸管的关断时间qt，大的可达200~300us，折算到电角度约4~5。重叠角根据式子2coscos()2sindBIXUm计算可知约为15~20。在三相桥式逆变电路中，触发器输出的六个脉冲，它们的相位角间隔不可能完全相等，不对称度一般可达5，若不设安全裕量角，偏后的那些脉冲相当于变小，就可能小于min，导致逆变失败。根据一般中小型可逆拖动的经验，安全裕量角'约取10。这样，一般取最小逆变角min不小于30，使前后相晶闸管换相时间留有裕度。第二章系统性能分析第3.1节串级调速的机械特性由上述串级调速的原理可知，串级调速的机械特性如图3-1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2~4）的场合。苏州大学本科生毕业设计（论文）7图3-1串级调速时的机械特性由上述说明得知：是由两部分组成，一部分为转子未串电动势Eab产生的电流222222sxrEsEIad；另一部分为转子外加电动势产生的电流222222)(sxrEsEIab，且式中sE2与Eab反相时取负值，sE2与Eab同相时取正值。所以，异步电动机的电磁转矩为(式3-1)式中为异步电流机的电流变比，令，且有(式3-2)式（2-1）和、值代入式（2-2），整理得苏州大学本科生毕业设计（论文）8(式3-3)显然，串级调速方法中，异步电动机的电磁转矩由两部分组成：为旋转磁场与作用产生的转矩分量。其机械特性与转子不串外加电动势Eab时的异步电动机的机械特性一样，如图3.2(a)所示。为由旋转磁场和作用产生的转矩分量，sE2与Eab同相时，取正值；sE2与Eab反相时，取负值，其机械特性如图3.2(b)所示。绕线式异步电动机转子串电动势Eab的机械特性由和合成得到，如图3.2(c)所示。(a)(b)(c)图3.2异步电动机串级调速的机械特性由图3.2(c)知：当Eab=0时，机械特性同普通异步电机的固有机械特性；当Eab取正值时，机械特性基本上是平行上移。显然，机械特性的线性段较硬，但低速时，最大转矩和起动转矩减小，且过载能力降低。3.串级调速的特点和性能其特点和性能为(1)串级调速的控制设备较复杂，成本较高，控制困难。因为转子回路串入了一个频率与转子电动势频率相同的外加电动势Eab，且要随频率变化，是相当困难的。因此，在实际应用中，通常是将转子外加电动势用整流器整流成可控的直流电动势来代替交变电动势；(2)串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损耗小，效率