摘 要 I 摘 要 對于不同的水廠來說，電費約占據(jù)供水成本的百分之三十左右。目前，在 許多供水水廠中，大多數(shù)水泵都是采用恒速電機拖動，當水量需要調(diào)節(jié)時采用 閘門節(jié)流的辦法來實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，這樣就會產(chǎn)生非常嚴重的電能資源浪費。 隨著電力半導體的發(fā)展，串級調(diào)速系統(tǒng)漸漸被采用。串級調(diào)速是通過在轉(zhuǎn) 子繞組上加一個附加電勢通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)調(diào)速。串級調(diào)速能實現(xiàn)無級平 滑調(diào)速，低速時機械特性比較硬。特別是晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術難 度小，性能比較完善獲得了廣泛應用。本次設計主要是通過對主回路以及控制 回路進行參數(shù)計算進而選擇相應的元器件實現(xiàn)對水泵電機的串級調(diào)速，最終達 到要求的指標。 關鍵詞：關鍵詞：異步電機，反饋，無功功率 英文摘要 II Abstrsct For different Waterworks , electricity occupy a large part of the cost of water supply about thirty percent or so. At present, many kinds of pump use a constant speed motorin in water supply in waterworks. when water need to adjust the gate we have to take the way to realize the throttling flow control, there are very serious power waste of resources. In the speed regulation systems, cascade control gradually been widely applied,along with the development of the electric power semiconductor. Cascade control is a unique winding type motor speed way, an additional potential is used by cascade control in the rotor winding to adjust the slip to realize the potential of speed. compared with the rotor resistance，the speed of cascade control can turn the motor power to the power grid or poor feedback into mechanical energy senting back to the motor shaft, so it is beneficial to the improvement of efficiency. As to so-called doubly-fed speed regulation，it is to point to will power feedback to wound rotor asynchronous motor stator windings and rotor winding. It Usually make stator winding access to industrial frequency power, will rotor winding flat rate, from amplitude, phase sequence, etc can adjust feedback on electrical signals, so that they can adjust wound rotor asynchronous motor torque, rotational speed and motor stator side of reactive power. Keywords: asynchronous motor,feedback,reactive power 目 錄 III 目 錄 摘 要. ABSTRACT 目 錄. 第一章 概 論.1 1.1 水廠的基本情況及發(fā)展概論.1 1.2 交流電機的調(diào)速發(fā)展概況及優(yōu)缺點.1 1.2.1 交流調(diào)速的類型.1 1.2.2 交流電機串級調(diào)速的優(yōu)缺點.2 1.3 設計內(nèi)容與技術指標.3 第二章 串級調(diào)速系統(tǒng)的設計方案.4 2.1 串級調(diào)速方案論證.4 2.2 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成.4 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計.6 3.1 主回路設計.6 3.2 整流二極管的選擇.7 3.2.1 轉(zhuǎn)子整流器的最大輸出電壓.7 3.2.2 最大直流整流電流.8 3.3 逆變變壓器的選擇.9 3.3.1 逆變變壓器二次側線電壓.9 3.3.2 逆變變壓器二次側線電流.10 3.3.3 逆變變壓器一次側電流.10 3.3.4 逆變變壓器容量.11 3.4 晶閘管的選擇.12 3.5 平波電抗器的選擇.13 3.6 保護裝置的設計.14 3.6.1 電壓保護.14 目 錄 IV 3.6.2 電流保護.17 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計.18 4.1 串級調(diào)速系統(tǒng)各部分數(shù)學模型.18 4.1.1 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路（直流回路）的傳遞函數(shù).18 4.1.2 異步電動機的傳遞函數(shù).19 4.1.3 逆變環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù).19 4.2 電流環(huán)的設計及元器件的選擇.23 4.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設計及元器件的選擇.24 4.4 設計指標校驗.27 結 論.30 參考文獻.31 致 謝.34 附 錄 水泵電機的串級調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖.35 第一章 概 論 - 1 - 第一章 概 論 1.1 水廠的基本情況及發(fā)展概論 在現(xiàn)代化的生活中吧，水廠對于一個國家的發(fā)展是非常重要的。近年來， 隨著科學技術的發(fā)展我們的城市供水也取得了較快的發(fā)展，供水的能力也得到 了較大的提高。 水廠的大小不一，但其工作流程基本相似，其過程一般是：混凝反應原理、 沉淀處理、過濾處理、濾后消毒處理。地下水等普通的水經(jīng)過水泵的提升后， 首先經(jīng)過混凝工藝處理。將一些藥劑加入到水中均勻混合就會使其產(chǎn)生大顆粒 絮凝體，上述的整個過程稱為混凝過程。 1.2 交流電機的調(diào)速發(fā)展概況及優(yōu)缺點 交流電機在現(xiàn)代化的工業(yè)中扮演者非常重要的作用在電機調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào) 速的主要目的就是實現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。電氣傳動裝置的控制對象主要是轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)速。根據(jù)在調(diào)速系統(tǒng)中電機類型的不同可以分為直流電機調(diào)速和交流電機調(diào) 速，但是在電氣傳動上主要是分為直流和交流兩種類型的傳動。 1.2.1 交流調(diào)速的類型 現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電機、電力電子功率變換器、控制器和檢測器等 四大部分組成。 （1）轉(zhuǎn)差功率消耗型 所謂轉(zhuǎn)差功率消耗型是指對于所有的轉(zhuǎn)差功率不進行回收直接以熱能的形 式浪費掉。在調(diào)速系統(tǒng)中，由于對于轉(zhuǎn)差功率的無謂的浪費使得功率消耗型這 種調(diào)速形式是異步電機調(diào)速系統(tǒng)中效率最低的類型。當要調(diào)節(jié)速度降低時，就 要增加轉(zhuǎn)差功率的浪費，這種結構一般結構較為簡單，所以在小容量的系統(tǒng)中 得到廣泛的應用。 （2）轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速 所謂轉(zhuǎn)差功率回饋型的調(diào)速系統(tǒng)是指其中的一小部分的轉(zhuǎn)差功率以熱能等 第一章 概 論 - 2 - 形式浪費掉，另一大部分能量以電能的形式被回饋到電網(wǎng)中去，串級調(diào)速系統(tǒng) 就屬于這種類型，這種調(diào)速系統(tǒng)的突出優(yōu)點就是效率較高。 （3）轉(zhuǎn)差功率不變型 所謂轉(zhuǎn)差功率不變型是指銅損在轉(zhuǎn)差功率中是無法消除的，但是在轉(zhuǎn)差功 率不變型的調(diào)速系統(tǒng)中不管速度怎么調(diào)節(jié)它的轉(zhuǎn)差功率總是保持不變。因此其 效率還是比較高的。 1.2.2 交流電機串級調(diào)速的優(yōu)缺點 串級調(diào)速的優(yōu)點： （1）雖然串級調(diào)速的調(diào)速范圍廣，但是當轉(zhuǎn)速較大的時候電機的過載能力 將非常低，這嚴重制約了調(diào)速范圍。 （2）由于串級調(diào)速是使用可控晶閘管來調(diào)節(jié)，具體的說是來改變晶閘管導 通角的大小來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，由此可以看出來串級調(diào)速的平滑性非常好。 （3）在電機的串級調(diào)速系統(tǒng)中，通過機械特性圖我們可以看到機械特性較 硬，故調(diào)速的穩(wěn)態(tài)性能較好。 （4）上文中我們提到了串級調(diào)速是只有一小部分的轉(zhuǎn)差率被損耗，很大一 部分的轉(zhuǎn)差率被反饋到電網(wǎng)中，由此我們可以得出串級調(diào)速的另一個優(yōu)點就是 其效率較高。 串級調(diào)速的缺點： （1）在串級調(diào)速系統(tǒng)中，整流逆變電路不能直接與電網(wǎng)相連接，必須通過 逆變變壓器來實現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，但是逆變變壓器一般容量較大，這就會吸收 很多的無功功率，致使其功率因數(shù)降低，另外逆變變壓器價格較貴，這就造成 成本變高。 （2）在整流逆變裝置的逆變裝置中，其主要目的就是講直流逆變成交流， 但是在逆變過程中，會產(chǎn)生諧波，這些諧波會對電網(wǎng)造成污染。 （3）串級調(diào)速的應用范圍非常有限，只能用于異步電機，并且只能是繞線 式異步電機。 第一章 概 論 - 3 - 1.3 設計內(nèi)容與技術指標 繞線式交流電動機參數(shù)：額定功率 110KW ；額定電流 201.3A；額定電壓 380V；額定轉(zhuǎn)速 1458rpm；起動電流倍數(shù) =3；效率 91；功率因數(shù)為 0.89。 技術要求：電網(wǎng)供電電壓為 380V，要求電機轉(zhuǎn)速從 10001458 rpm 連續(xù) 可調(diào)，轉(zhuǎn)差率 s10%。在起動過程中，電流超調(diào)量不大于 5，轉(zhuǎn)速的最大超 調(diào)量不大于 10，控制系統(tǒng)要具有過流保護功能。 第二章 串級調(diào)速系統(tǒng)的設計方案 - 4 - 第二章 串級調(diào)速系統(tǒng)的設計方案 2.1 串級調(diào)速方案論證 變頻調(diào)速具有調(diào)速性能好、恒轉(zhuǎn)矩特性等優(yōu)點，是非常優(yōu)越的一種調(diào)速方 式適合多種電機對于調(diào)速方式方不同要求。但是變頻調(diào)速主要是對于目的電機 的視在功率的調(diào)節(jié)，這就要求電力電子器件承擔較高的電壓，變頻裝置就要非 常昂貴。性價比隨著其容量的增加而降低。因此由于這種調(diào)速方式本身的特點 使得其只適合應用在高性能調(diào)速系統(tǒng)中而不適合應用在以節(jié)電為目的的調(diào)速系 統(tǒng)重。但是內(nèi)反饋的串級調(diào)速系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)一樣同屬于高效的調(diào)速系統(tǒng)， 但是串級調(diào)速系統(tǒng)通過對繞線式異步電機轉(zhuǎn)子繞組的調(diào)節(jié)使得其將高壓調(diào)速問 題轉(zhuǎn)化為低壓調(diào)速的問題，故控制電路的控制功率與變頻調(diào)速相比要小得多約 為繞線式異步電機容量的一半左右。這就使得控制電力電子器件所需要承受的 電壓要小很多，有效的解決了電力電子器件耐壓問題。就將高壓恒速電機改成 低壓調(diào)速電機。采用串級調(diào)速這種調(diào)速方式就可以用比變頻調(diào)速低得多的成本 達到非常好的節(jié)電效果，因此選用串級調(diào)速系統(tǒng)。 在開環(huán)控制中，異步電機無論采用什么形式的調(diào)速方式，其靜差率都會非 常高。故開環(huán)控制的異步調(diào)速系統(tǒng)只適合應用在對于調(diào)速精度不是很高的場合。 不管是雙饋調(diào)速還是串級調(diào)速如果要求應用在調(diào)速精度很高的場合時，就應該 選擇閉環(huán)控制模式的調(diào)速方式。 串級調(diào)速包括轉(zhuǎn)速和電流兩個閉環(huán)環(huán)節(jié)，它與我們提到的雙閉環(huán)直流調(diào)速 具有很大的相似性。但是串級調(diào)速也有其本身的特殊性，實踐證明對于應用了 串級調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速方式，不但有利于其靜態(tài)性能的改善而且也有利 于動態(tài)性能的改善。在矢量控制出現(xiàn)之前，雙饋調(diào)速就已經(jīng)出現(xiàn)，雙饋調(diào)速的 方案比較簡單，但是能有效的發(fā)揮雙反饋調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢。不僅能取得較好的 結果，串級調(diào)速還具有效率高等優(yōu)點。 2.2 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成 雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)與直流閉環(huán)系統(tǒng)相似，其結構如圖 2-1 所示。其工作 第二章 串級調(diào)速系統(tǒng)的設計方案 - 5 - 原理為：電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出電壓為零時，應整定觸發(fā)脈沖，使逆變角為最 小值，以防止逆變顛覆。一般取 30，此時轉(zhuǎn)速最低，隨著 ACR 輸出電壓的增 加， 角增大，減少，轉(zhuǎn)速上升，到 =90,=0,相當于串級調(diào)速系統(tǒng)不起作用。 i U i U 利用電流負反饋作用與速度調(diào)節(jié)器 ASR 輸出電壓的限幅環(huán)節(jié)作用，在加速過程 中，也能實現(xiàn)恒流升速，使系統(tǒng)具有較好的加速特性。需要加速時，增加給定 信號，經(jīng)逆變觸發(fā)器 GT 使 角變大，逆變電壓下降，直流電流增加，電機 * n 加速，由于限幅環(huán)節(jié)作用，在加速過程中電機能維持所設定的最大加速轉(zhuǎn)矩。 隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)速反饋信號增加，最后在與給定信號相對應的較高轉(zhuǎn)速下運 行。 圖 2-1 雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)結構圖 ASR ACR - M TG - - TI TA 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 6 - 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 雙反饋回路主回路的元器件的選擇是非常重要的，本部分主要是對雙反饋 主回路主要的參數(shù)進行計算進而選擇合適的電器元件。 3.1 主回路設計 圖 3-1 為串級調(diào)速系統(tǒng)的主回路電路圖，電機的定子三相繞組接在 380V 的電網(wǎng)中，電機的轉(zhuǎn)子繞組的三相與整流逆變裝置相連接通過晶閘管的開通來 調(diào)節(jié)逆變電路一次側電壓進而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組的電壓，最終實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào) 節(jié)。 當我們需要轉(zhuǎn)速升高時，可以通過調(diào)節(jié)逆變電路的逆變角達到調(diào)節(jié)逆變電 路二次側電壓的目的，最終會影響到繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回路中電流的大小達 到調(diào)節(jié)速度的目的。 M 圖 3-1 主回路電路圖 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 7 - 繞線式異步電機的最高轉(zhuǎn)速為 1458rpm 最低轉(zhuǎn)速為 1000rpm。水泵電機的最大 轉(zhuǎn)差率為： = 12 max 1 n -n s= n 1458-1000 =0.31 1458 3.2 整流二極管的選擇 3.2.1 轉(zhuǎn)子整流器的最大輸出電壓： （3-1） 2maxuv20 1 = 3(1)UK E D 在該要求電機中，E20為轉(zhuǎn)子開路相電勢查電機手冊可得 E20=349v ，查表 3-1 可得 Kuv=1.35。 表 3-1變流器主電量計算系數(shù) 符號KITKUTKUVKIVKILK 三相帶中 線 0.36720.670.5770.4720.866 三相橋0.367 2 1.350.8150.8160.5 雙三相橋 串聯(lián) 0.36722.70.8161.578 0.260.52 雙三相橋 并聯(lián) 0.18431.350.4780.789 0.260.52 代入式（3-1）中可以得到： 2max 1 = 3 1.35 3491-=256.3v 1.458 U （） 3.2.2 最大直流整流電流： （3-2） 2 dmax=1.1 N IV I I K 式中：為啟動電流倍數(shù)=3； 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 8 - I2N為轉(zhuǎn)子電壓計算系數(shù)，查變流器主電量計算系數(shù)表表 3-1 可得 I2N=0.815； Idr為轉(zhuǎn)子整流器輸出支流電流的額定值，其中。 2 dr= N VI I I K 由上面數(shù)據(jù)代入式（3-2）可得最大整流電流是： =793.6A dmax 196 =1.1 3 0.815 I 由此可以計算整流二極管電壓：在整流電路的各個橋臂上有 N=2 個整流二極管 串聯(lián)，這樣就可以求出每個串聯(lián)的二極管的反向重復峰值為： （3-3） 2 1 (2 3) 3(1) UTN KRM AV KE D U KN 式中：為電壓系數(shù)由變流器主電量計算系數(shù)可得：=； UT K UT K2 為轉(zhuǎn)子開路相電勢其中：=349v； 2N E 2N E 為均壓系數(shù)，在一般情況下我們?nèi)。?0.9，。 AV K AV K1.458D 由式（3-3）可計算得到單個二極管的反向重復電壓值為： =223.8V 1 1.532349 (1) 1.458 0.9 2 KRM U 從式(3-3)中可以看到二極管的反向重復電壓值與水泵電機的調(diào)速范圍有很大的 關系，他們之間的關系呈現(xiàn)反比特性。 整流二極管的電流的計算：在串級調(diào)速中，采用了六個二極管并聯(lián)使用， 其并聯(lián)數(shù) NP=3，每個整流二極管的電流可用下式計算而得出： （3-4） dmax (1.5 2) IT F ACP K I I KN 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 9 - 式中：KIT為電流計算系數(shù)，查表 31 可得 KIT=0.367； Idmax為轉(zhuǎn)子整流器的最大整流電流由以上計算可得 Idmax =793.6A； KAC為均流系數(shù)，它的值可取在 0.80.9 之間。 代入式（3-4）可得整流二極管的電流為： =242.7A 2 0.367 793.6 0.8 3 F I 通過上面的計算可以進行二極管的選擇，使選擇的二極管的電壓電流標準 大于上式所計算的數(shù)值，查詢電工手冊可知應選擇 6 個型號為 2CP3 的二極管。 3.3 逆變變壓器的選擇 逆變變壓器在繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)中是非常重要的，逆變變壓 器要根據(jù)異步電機的轉(zhuǎn)子電壓、電流以及電機的調(diào)速范圍來進行選擇，實現(xiàn)逆 變變壓器與繞線式異步電動機的匹配。另外逆變變壓器還起到隔離的作用，避 免了電機與電網(wǎng)直接連接，避免電網(wǎng)的脈動對電機造成傷害。 3.3.1 逆變變壓器二次側線電壓 逆變變壓器二次側線電壓的計算是根據(jù)轉(zhuǎn)子最大整流電壓與逆變變壓器的 最大電壓相等來確定的。 （3-5） dmax 2 min cos T UV U U K 式中：UT2為逆變變壓器二次側線電壓； Udmax為轉(zhuǎn)子整流器的最大整流輸出電壓 Udmax=U2max=256.3V； KUV為整流電壓計算系數(shù) KUV=1.35； 為最小逆變角一般?。?。 min min o 30 代入式（3-5）可得逆變變壓器二次側線電壓為：=219.2V。 2 o 256.3 1.35 cos30 T U 3.3.2 逆變變壓器二次側線電流 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 10 - （3-6） 2dnTIV IK I 式中：IT2為逆變變壓器的二次側線電流； KIV為整流電流計算系數(shù)查表 3-1 可得=0.815； IV K Idn為轉(zhuǎn)子整流器輸出電流額定值。 dndr 196 =240.5 0.815 IIA 代入式（3-6）可得逆變變壓器二次側線電流為。 2=0.815 240.5=195.6T IA 3.3.3 逆變變壓器一次側電流 由逆變變壓器一次側電流為： （3-7） dn 1TIL T I IK K 式中：IT1為逆變變壓器一次側線電流； KIL為逆變變壓器一次側線電流計算系數(shù)查表 3-1 可得 KIL=0.816； 為轉(zhuǎn)子整流器輸出直流電流額定值=240.5A； dn I dn I KT為逆變變壓器的變比。 380 1.73 220 T K 由上式參數(shù)賦值代入上式可得逆變變壓器一次側線電流為； =113.4A 1 240.5 0.816 1.73 T I 3.3.4 逆變變壓器容量 逆變變壓器容量計算為： （3-8） 2dnTSTIVT SKK UI 式中：KST為變壓器等值容量計算系數(shù) KST=1.05； 查表 3-1 可得 KIV=0.815； UT2為逆變變壓器的二次側線電壓 UT2=219.2V。 Idn為轉(zhuǎn)子整流器輸出直流電流額定值，由上面計算得出：Idn =240.5A 代入式（3-8）可得逆變變壓器的容量為： 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 11 - ST=1.050.815219.2240.5=45113W 由以上計算可以進行逆變變壓器的選擇，我們選擇變壓器的標準是根據(jù)所 選擇的變壓器的電壓與電流以及變壓器容量要大于要求的相應的電壓、電流以 及計算得出的變壓器容量值。由此我們通過查詢電機手冊可以選擇出逆變變壓 器的型號為 SL7-50，其具體參數(shù)見表 3-2。 表 3-2 變壓器 SL7-50 的技術參數(shù) 額定容量（KVA）50 空載損耗（KW）0.19 空載電流（）2.6 負載損耗（KW）1.15 3.4 晶閘管的選擇 在 110KW 繞線式異步電機的串級調(diào)速系統(tǒng)中，由于電壓較高單個晶閘管 不能夠承受電路產(chǎn)生的正常電壓，這就要求要幾個晶閘管串聯(lián)使用。在本次設 計中每個橋臂上的串聯(lián)晶閘管的數(shù)目為 N=2，單個晶閘管的反向重復電壓就可 以計算出來，如下： （3-9） 2 (2 3) UTT RRM AV K U U KN 式中：通過查表 3-1 可得電壓計算系數(shù) KUT=；2 KAV為均壓系數(shù)，其值一般可以取 0.80.9 之間； 逆變變壓器二次側線電壓 UT2由上文計算得：UT2 =219.2。 代入式（3-9）可得晶閘管反向重復電壓為： =4.84V 2.52219.2 0.8 2 RRM U 逆變部分的橋臂并聯(lián)元件支路數(shù)為則晶閘管額定電流為:3 P N 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 12 - （3-10） dmax 1.52 IT F ACP I I KN （）K 式中：KIT為電流計算系數(shù)，查表 3-1 可得：KIT =0.367； Idamx為整流器最大直流整流電流，由上文計算可得：Idamx =793.6； KAC為均流系數(shù)，一般可以在 0.80.9 之間取值。 代入式（3-10）可得： =242.7A 2 0.367 793.6 0.8 3 F I 由上面計算可以進行晶閘管的選擇，我們所要選擇的晶閘管的電壓與電流 要大于上式所計算數(shù)值，通過查詢電工手冊可以選用晶閘管型號 KP300,其具體 參數(shù)見表 3-3。 表 3-3 晶閘管 KP300 的主要技術參數(shù) 通態(tài)平均電流（A）300 通態(tài)峰值電壓（V）2.6 維持電流（mA）300 門極正向峰值電壓（V）16 門極正向峰值電流（A）3 3.5 平波電抗器的選擇 整流器的輸出電流是脈動的，為了保證電機的正常運行應該在整流電路中 加入平波電抗器。通過配置一定電感的平波電抗器來保證整流電路的電流的連 續(xù)。 保證整流電路的連續(xù)性，所需要的電感量為： do L （3-11） 2 do1 dmin =mH U LK I 式中：K1為與整流電路形式有關的系數(shù)，見表 3-4 可得：K1 =0.695； U2為整流電路的輸入端電壓，也就是繞線式異步電機轉(zhuǎn)子電壓：U2 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 13 - =349V；Idmin為最小負載電流： Idmin=5Inon=5196=9.8A 代入式（3-11）可 得保持整流電路電流連續(xù)所需要的電感量為：=24.5mH d0 L 表 3-4 整流電流的系數(shù) 輸出端形式系數(shù)單相半波單相全波單相半控橋三相全控橋 K12.71.671.670.655 K25.052.82.80.925 輸出端有換 流二極管 KB6.376.373.183.9 K1_1.670.695 K2_2.81.05 輸出端沒有 換流二極管 KB_3.183.9 電動機電感的計算： 3 e d ee =10 m 2Pn D U LKH I 式中：KD為與電動機的種類有關系的系數(shù)，本次設計所使用的電機是繞線式異 步電動機無補償電機，取 KD=7； Ue為電動機額定電壓 Ue=380V； Ie為繞線式異步電動機的額定電流 Ie=201.3A； P 為電動機磁極對數(shù)，P =4； ne為電動機額定轉(zhuǎn)速，ne =1458rpm。 代入式（3-11）可得電動機的電感為： =1.13mH 3 d 380 =710 24 1458201.3 L 如果使整流電路的電流連續(xù)所需要的平波電抗器的容量是： =24.5-(1.13+3.34)=20mH ddo =L - BD L（L +L ） 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 14 - 由上面的計算參數(shù)，通過查詢電工手冊可得所選的平波電抗器型號是 GB-88。 3.6 保護裝置的設計 雖然晶閘管的使用使得串級調(diào)速系統(tǒng)的控制變的簡單、方便、可靠。但是 由于晶閘管是非常脆弱的，非常容易受到過電壓、過電流的影響而遭到損壞。 因此，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行必須在電路中加裝保護裝置。 3.6.1 電壓保護 為了保護元件免遭受脈沖電壓的沖擊，應在電路中加裝電壓保護裝置。電 壓保護一般為阻容保護和壓敏電阻保護。 （1）阻容保護 串級調(diào)速系統(tǒng)由于逆變電路直接與逆變變壓器相連接，為了防止過電壓的 出現(xiàn)在串級調(diào)速系統(tǒng)中加裝阻容保護裝置來吸收產(chǎn)生的過電壓，為了保護晶閘 管免受因過電壓的產(chǎn)生而受到損壞，應在電路中加裝阻容保護裝置。如圖 3-1 電路中加裝的電容電阻分別為： （3-12） 2 2 6i C U S （3-13） 2 2k 2.3 i UU R S 式中：S 為變壓器單相的容量：=15KW； 3 T S S U2為變壓器二次相電壓：U2 =220V； i為逆變變壓器的磁電流百分數(shù)，可取：i =7； UK為逆變變壓器的短路比，可取 UK=5。 由上面的參數(shù)值，代入式（3-12）和式（3-13）就可以計算得到相應的電容和 電阻值： =13 3 2 6 7 15 10 220 C F 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 15 - =6.3 2 3 2.3 2205 15 107 R 表 3-5 變壓器連接及阻容選擇 變壓器接法單相三相二次 Y 聯(lián)接三相二次 D 聯(lián)接 阻容裝置接 法 與變壓器二 次側并聯(lián) Y 聯(lián)接D 聯(lián)接Y 聯(lián)接D 聯(lián)接 電容CC 1 3 C3CC 電阻RR3R 1 3 RR 查上表 3-5 可知：所求電容： 0 1 4.3 3 CCF 所求電阻： 0 318.9RR 因此，可選擇 20電阻 3 個，型號為 CJ10/11 的電容 3 個。 （2）關斷保護 由于在整流電路中有電抗器等容性元件，當電路突然發(fā)生斷開時會產(chǎn)生很 大的感應電流。為了防止感應電流對晶閘管造成損傷在電路中應該加入關斷保 護裝置如圖 3-1。 所需要的電容值為： （3-14）(2 5) 103 T CI 所需要的電阻值為： （3-15） 1 2 (1 3)() B L R L 將參數(shù)數(shù)值代式（3-14）和（3-15）可得:；R=1.374.2CF1.37R 因此可以選擇 2 電阻 6 個，型號為 CJ10/11 的電容 6 個。 （3）壓敏電阻保護 在串級調(diào)速系統(tǒng)中，為了防止浪涌電壓對整流逆變電路造成損壞，應該在 繞線式異步電機的轉(zhuǎn)子側加裝壓敏電阻。壓敏電阻的額定工作電壓為，則 e U 第三章 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路設計 - 16 - （3-16） em 89 UU 式中 Um為壓敏電阻承受的額定電壓峰值，Um =349V，代入式（3-16）得 Ue101V，故可選 3 個壓敏電阻的型號為 MYG10K471。 e 101UV 3.6.2 電流保護 當系統(tǒng)過載運行時，會使得整流電路中的電流增加，過電流會對晶閘管等 元件造成損壞，由上文我們知道在整流電路中流過晶閘管的電流的有效值為 242 因此可選擇快速熔斷器的型號是 NGCT1，通過晶閘管的平均值為 200A 因 此可選用 RED-RW11-10。 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 17 - 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 在進行電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設計時，必須應該先進行其他環(huán)節(jié)的建模，其相 應環(huán)節(jié)的數(shù)學模型如下。 4.1 串級調(diào)速系統(tǒng)各部分數(shù)學模型 4.1.1 串級調(diào)速系統(tǒng)主回路（直流回路）的傳遞函數(shù) 直流回路的輸入量是轉(zhuǎn)子空載整流電視 s和逆變器空載逆變電視之差， d0 U i U 輸出量是，它們之間的關系可以用直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式便是為 d I （忽略管壓降） S=+ （4-1） d0 U i U d t d d I L d R I 上式中，為逆變器輸出的空載電壓，=2.34;為轉(zhuǎn)子直流回路總 i U i U r cos T U L 電感，=L+2+2;為折算到轉(zhuǎn)子側的電動機每相漏感；為折算到L 0D L T L 0D L T L 二次側的你變變壓器每相漏感；L 為平波電抗器電感；為轉(zhuǎn)差率為 s 時的轉(zhuǎn)R 子直流回路等效電阻， = （4-2）R 33 s+ DB DBDK XX RRR 代入上式可得： （4-3） d d0d0id s dn =+ ndt I UUULR I 將上式兩邊同時去拉氏變換，可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)為： （4-4） dsn d0 n d0i s = s+1 nss n L L IK U T U （） （）U （） 轉(zhuǎn)子直流回路相應的結構 nnn 1 =;= LLL L TKK RR 為轉(zhuǎn)子直流回路的放大倍數(shù)，。 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 18 - 圖如圖 4-1 所示。由于該環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和放大倍數(shù)都是轉(zhuǎn)速 n 的函數(shù)， nL T nL K 所以它是非定常環(huán)節(jié) 4.1.2 異步電動機的傳遞函數(shù) 由于串級調(diào)速系統(tǒng)一般運行于第一工作區(qū)，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為： （4-5） eirddd s 13 = DT TC I （2. 34EX I ）I 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為： （4-6） 2 ei dn 375 dt L GD TT 或 （4-7） 2 d dn () 375 dt TL GD CII 式中，為負載轉(zhuǎn)矩所對應的等效負載電流。 L I L T 這樣就可以得到相應的繞線式異步電機在串級調(diào)速中的傳遞函數(shù) （4-8） 2 d ns11 s = 1sss .s 375 D LD T W GDIT C （） （） （）I（） 在這個式子中，,由于系數(shù)是電流的函數(shù)，因此也是電流 2 1 . 375 D T GD T C T C d I D T 的函數(shù)，因此也是電流的函數(shù)，而不是常數(shù)。 d I D T d I 4.1.3 逆變環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 觸發(fā)逆變環(huán)節(jié)的輸入是觸發(fā)器的控制電壓，輸出是空載逆變電勢， k U i U 這是個純滯后環(huán)節(jié)，由晶閘管電路知識可知，其傳遞函數(shù)為： 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 19 - （4-9） s s s s = s+1 K W T （） 式中，、分別為晶閘管逆變器的放大倍數(shù)和時間常數(shù)；是轉(zhuǎn)子整流電 s K s K s K 壓最大值和逆變器控制電壓最大值的比值；=0.0017s，其動態(tài)結構 i0 U maxK U s T 圖見圖 4-1。 本次設計的水泵電機為 YR280S-4，該繞線式異步電機的轉(zhuǎn)速時 1458rpm， 控制環(huán)節(jié)的電壓要求不大于 60V，因此選用的測速發(fā)電機為 ZCFY-12TH，其具 體參數(shù)見表 4-1。 表 4-1 測速發(fā)電機 ZCFY-12TH 電壓（V）55V 轉(zhuǎn)速（r/min）1900 電流（A）0.08 由于繞線式異步電機的轉(zhuǎn)子空載電壓為 349V，在控制電路中的電流過大會 對控制回路造成損壞，為了保護控制回路中的小整流環(huán)節(jié)的二極管免受損壞， 選用的電流互感器為 LMW-100/1。 本次設計所采用的穩(wěn)壓電源型號為 SCWY-30，其具體參數(shù)見表 4-2。 表 4-2 SCWY-30 穩(wěn)壓電源技術參數(shù) 輸出電壓（V）030 輸出電流（A）05 頻率計測頻靈敏度小于 100mV 交流互感器不能與控制電路直接向連接，需要一個整流電路將交流變?yōu)橹?流，如圖 4-2 所示，所選擇的二極管的型號為 IN4007。 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 20 - - n+ dL I - - - + n U - + * n U i U n ns+1 L L K T d0 1 n U oi ons+1 K T it ois+1 K T 1 s D T on 1 s+1T ASR oi 1 s+1T ACR s ss+1 K T 圖 4-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)負反饋串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 21 - 本次設計所采用的穩(wěn)壓電源型號為 SCWY-30，其具體參數(shù)見表 4-2。 表 4-2 SCWY-30 穩(wěn)壓電源技術參數(shù) 輸出電壓（V）0-30 輸出電流（A）0-5 頻率計測頻靈敏度小于 100mV 交流互感器不能與控制電路直接向連接，需要一個整流電路將交流變?yōu)橹?流，如圖 4-2 所示，所選擇的二極管型號為 IN4007。 電位器的選擇：為了使測速發(fā)電機的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒 有顯著影響，取測速發(fā)電機的最高電壓時，其電流約為額定值的 20那么： e p d n0.042 1458 512 0.20.2 0.6 N N C R I 因此，選用 520 的滑動電位器作為測速發(fā)電機的輸出環(huán)節(jié)。 觸發(fā)器選擇的型號為 KJ004，其具體參數(shù)為：正電壓源電壓=15V，負電壓 源電壓=15V，正電源電流=15mA，負電源電流=10mA，移相范圍為 170 度。 圖 4-2 整流電路 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 22 - 4.2 電流環(huán)的設計及元器件選擇 忽略反電動式的動態(tài)結構框圖如圖 4-3 由表 4-3 可得到整流裝置的之后時間常數(shù)：=1.67ms s T s T0.0017s 表 4-3 各種整流電路的失控時間 整流電路形式最大失控時間 smax/ms T平均失控時間 s/ms T 單相半波2010 單相橋式全波105 三相半波6.673.33 三相橋式、六相半波3.331.67 為三相橋式電路中每個波頭的時間，為了達到濾平波頭的目的，應3.3ms 該有，故可取。計算電流環(huán)小時間常數(shù)： oi 12=3.33ms（）T oi=2ms=0.002s T i T 由小時間常數(shù)近似處理可得：=0.0037s i T soi +TT 式中：為三相橋式電路的平均失控時間=； s T s T0.0017s 為電流濾波時間常數(shù)：=。 oi T oi T0.002s + ois+1 T l 1 s+1 R T s ss+1 K T ACR oi 1 s+1T * i sU（） - c sU（）d0 sU（） d sI（） 圖 4-3 電流環(huán)動態(tài)結構圖 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 23 - 電流調(diào)節(jié)器結構的選擇：根據(jù)任務書的要求，電流環(huán)的超調(diào)量，故 i 5 可以按 I 型進行設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，可以選用 型的電流調(diào)節(jié)器，根據(jù)上文敘述我們可以寫出電流環(huán)的傳遞函數(shù)：PI i i i s+1 ( ) s ACR WSK 電流環(huán)的超調(diào)量由表 4-4 可得：=0.5 i 5 iI K T 整理上式可得： =135 i 0.50.5 = 0.0037 I K T 水泵電機型號為 YR280S-4 電機的電樞回路電磁時間常數(shù)為，為了使 l=0.042s T 得調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消選擇。 il = =0.042sT 因此電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)是：=1.32 i i= I S K I R K K 可以取得運算放大器的電阻：電流調(diào)節(jié)器見圖 4-4，則以下的電阻與 0=50 RK 電容值分別為：；=0.16。 ii0 =66RK RK i i i =0.6CF R oi oi 0 4 = T C R F 4.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設計及元器件的選擇 類似于電流環(huán)中，我們可以對其結構圖進行相應的變換，可將轉(zhuǎn)速給定濾 波和反饋濾波移動到環(huán)內(nèi)。如圖 4-5，近似形成一個時間常數(shù)，慣性環(huán)節(jié)可以 寫成： non 1 = I TT K 確定時間常數(shù)：電流環(huán)等效時間常數(shù)，由表 4-2 可知：； i=0.5I K T 則電流環(huán)等效時間常數(shù)； i 1 2=2 0.0037=0.0074s I T K 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 24 - 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)為 onon 1 =0.0174s I TT K 表 4-4 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系 參數(shù)關系 KT 0.250.390.500.691.0 阻尼比1.00.80.7070.60.5 超調(diào)量01.54.39.516.3 上升時間 r t6.6T4.7T3.3T2.4T 峰值時間 p t 8.3T6.2T4.7T3.6T 相角穩(wěn)定裕 度 76.369.965.559.251.8 截止頻率 c 0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T 調(diào)節(jié)器結構的選擇：如圖 4-6，由于速度環(huán)節(jié)要求跟隨性能較好，查表 4- 5 得取。h=5 i C i R d - I oi C 0 2 R 0 2 R oi C * i U 0 2 R 0 2 R 圖 4-4 電流調(diào)節(jié)器 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 25 - 表 4-5 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標 h345678910 52.643.637.633.229.827.225.023.3 r t /T 2.402.562.853.03.13.23.33.35 s t /T 12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20 k32211111 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)的超前時間常數(shù)為： nn =h=0.087sT 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)的比例系數(shù)為： em n n n+16 0.042 0.18 0.18 =13.4 2n2 5 0.007 0.5 0.0174 T K RT （）C 取放大器的電阻則： 0=50 RK d s L I（） ns（） - + d sI（） * i sU（） - + * n sU（） ons+ T ems R C T 1 1 s+1 I K ASR on 1 s+1T 圖 4-5 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結構框圖 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 26 - ；。 nn0 =670RK RK n n 3 n 0.087 =0.148 585 10 CFF R on on 0 4 =0.8 T CF R 4.4 設計指標校驗 1、電流環(huán)的校驗： 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件為： 滿足近似條件 -1-1 ci s 11 =196.1s=135.1s 33 0.0017 I K T 忽略反電動式變化對電流環(huán)動態(tài)影像的條件為： 符合要求 ci ml 11 3=3=10.915 0.18 0.042T T 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為： 符合要求 ci soi 1111 =180.8 330.0017 0.002TT * n U n C n R bal R - n on C on C 0 2 R 0 2 R 0 2 R 0 2 R * n U 圖 4-6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 第四章 串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路設計 - 27 - 由查表 4-2 可得：。因此，符合本次設計 0i0=0.42I K T1.54.35 要求指標。 2、轉(zhuǎn)速環(huán)的校驗： 作為轉(zhuǎn)速的超調(diào)量其中，其基準值而應該是查表 4-4 可得 n * n （4-10） maxbmax n * nn n =2()( -z) n N m T CCn CnCnT （） 通過以上計算以及查的電機手冊可得上式中的參數(shù)：啟動電流倍數(shù)為，轉(zhuǎn)=3 子回路的電阻為，轉(zhuǎn)子整流器輸出直流電流額定值為，繞0.5R d 240 N IA 線式異步電動機的額定轉(zhuǎn)速為=1458rpm，=0.132Vmin/r，上式計算得出nN e C ，當由表 4-6 可得： m=0.18s T n=0.0174s Th=5 81.2 b max C C 代入式（4-10）可得： n 240.5 0.5 0.174 0.132 =2 81.21.5=0.0694 14580.18 由此可得，滿足本次設計的要求。 n=6.94 10 表 4-6 系統(tǒng)動態(tài)抗性指標與參數(shù)的關系 h345678910 max b C C 72.277.581.284.086.388.189.690.8 m t /T2.452.702.853.003.153.253.303.40 v t /T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85 結 論 - 28 - 結 論 本文對水泵電機串級調(diào)速系統(tǒng)做了細致的研究，在本次的設計中，通過對 水廠的參觀調(diào)研，首先對供水的流程有了一個大致的了解，然后分析了主回路 和控制回路結構。在設計過程中，參閱了大量資料并進行了多方案的選擇比較， 交流電機調(diào)速分為串級調(diào)速、變頻調(diào)速和變電壓調(diào)速。由于變電壓調(diào)速的調(diào)速 范圍很窄，因此不予選用，本文主要是對變頻調(diào)速和串級調(diào)速做了比較，最終 確定選用的交流調(diào)速方式為串級調(diào)速。 在對串級調(diào)速系統(tǒng)設計過程中，首先對主回路的設計，其中為了系統(tǒng)的運 行安全，本文增加了保護裝置的設計，主要包括電壓保護和電流保護。其中電 壓保護包括壓敏電阻保護、阻容保護和關斷保護。在對控制回路設計時，首先 對各部分進行了數(shù)學模型的建立，其次對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進行設計。最終對串 級調(diào)速系統(tǒng)進行校正。 參考文獻 - 29 - 參考文獻 1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2003 2 姜泓，趙洪.電力拖動交流調(diào)速系統(tǒng).武漢：華中科技大學出版社，1996 3 張少軍，杜金城.交流調(diào)速原理及應用.北京：中國電力出版社，2003 4 楊振銘.串級調(diào)速系統(tǒng)的諧波和抑制.電氣傳動，1989 5 陳伯時,陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng).北京:械工業(yè)出版社,2005 6 宋家成，張東亮，張春雷，段俊龍.交流調(diào)速系統(tǒng)應用與維修.中國電力出版社，2008 7 王君艷.交流調(diào)速.高等教育出版社，2003 8 白晶，李志民.交流調(diào)速控制系統(tǒng).電子工業(yè)出版社，2003 9 李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng).電子工業(yè)出版社，2003 10 A.Lavi and R.J.Polge. Induction motor speed control with static inverter in the rotor.IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems,January 1966,Vol85:7684 11 E.Akpinar and P.Pillay.Modeling and performance of slip energy recovery induction motor drives using a linearization technique.IEEE Trans.On Energy Conversion,March 1993 致 謝 - 30 - 致 謝 在這次畢業(yè)設計中，首先應該感謝我的指導老師：李素玲老師，李老師在 在畢業(yè)設計之初為我聯(lián)系了單位進行參觀，使我對于自己所做的課題有個大體 的了解，在做畢業(yè)設計中李老師在百忙之中抽出時間為我們解答問題。李老師 對我們嚴格要求使我們學到了許多新的知識，也使我們懂得怎么靈活的應用我 們自己所學到的知識。其次也要感謝我的同學，他們總是在我遇到困難時候?qū)?我提出幫助，為我解答疑惑，在老師和同學的幫助下我才能順利完成本次的畢 業(yè)設計。 附錄 - 31 - 附錄 水泵電機的串級調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:5-Jun-2012 Sheet of File:D:件件ExamplesMyDesign5.ddbDrawn By: SL7-50 116 20A R0 x3 20 4.3uFx3 116 A 116 A KP300 x6 NGCT1x6 116 A 116 A 116 R6 x6A 116 A 116 A 116 R6x6A 2 5uFx6 20mH 2CP3x6 RED-RW11-10 YR280S-4 A - + ZCFY-12TH Rp IN407x6 Coi 116 A 116 A 116 66kA 0.6uF 25Kx4 0.16uFx2 R7 Ui 25kx4 Con 67k 0.15uF 116 A 116 A 0.8uF 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 A 16 B 15 C 14 D 13 E 12 F 11 G 10 H 9 J? CONNECTOR EDGE44 CXW-380/40 VT1 2N1136 R1 4.7K VT2 2N1008 R3 220 VD2 3Z10 VD2 MZ82 R4 2K 10uF R2 1K R5 2.2 Rex6