2022年毕业设计方案矿井提升机串调速系统设计方案.docx

毕业设计 <论文） 矿井提升机串级调速系统设计摘 要串级调速是沟通异步电动机调速的一种类型 ,串级调速的思想就是将异步电动机的转子电压经过三相桥式整流变为直流电压，再在其直流侧由可控硅逆变电路产生与其相反的直流电势与三相桥式产生的直流电压串联，转变逆变角的大小来转变直流电势的大小，达到调速的目的，同时仍能提高电动机的运行效率和调速的经济性；本文依据矿井提升机对电力拖动系统的要求，采纳可控硅串级调速来掌握其拖动电动机实现无级调速，满意矿井提升机对电力拖动系统调速性能和节能的要求；本文主要争论三相沟通绕线式异步电动机可控硅串级调速系统的主、辅电路设计有关的技术问题；包括系统的组成与工作原理，主回路的设计，掌握回路设计，系统的静、动态工作特性运算分析等；关键词： 可控硅, 串级调速 , 整流, 逆变54 / 48ABSTRACTThe speed of adjusting of each is to exchange a kind of adjusting the speed of asynchronousmotor, Each transfer the thoughts of speed to turn into direct current pigeonhole through three-phase bridge type rectificationasynchronous 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 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 motor realize the stepless speed regulation to come rapidly to adjust, meet mine liftingmachine 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 each transfer speed systematic main fact, complement circuit design relevant technological questions. Includingsystematic compositionand operation principle , main design of return circuit, control design of way of answering, quiet, dynamic performance characteristics computational analysis of the system, etc.The keywords:Silicon controlled rectifier,each adjusts speed,rectification, Go against and change目 录1. 概述11.1 沟通电动机调速的进展简况11.2 矿井提升机对电力拖动系统的要求31.3 本课题争论的目的和内容42. 提升机调速系统方案的挑选52.1 提升机调速成系统调速方式的挑选52.2 双闭环掌握系统的挑选52.3 桥式电路的挑选62.4 触发电路的挑选73. 矿井提升机串级调速的工作原理83.1 串级调速系统工作原理及工作状态83.2 串级调速系统主电路的工作原理103.3 串级调速掌握回路的工作原理123.4 矿井提升机的系统组成与工作原理124. 主回路电路的设计154.1 三相桥式不行控整流器的设计154.2 三相桥式逆变器的设计154.3 逆变变压器的设计164.4 平波电抗器 LP 的设计164.5 晶闸管爱护电路的设计175. 掌握回路电路的设计195.1 稳压电源的设计195.2 触发电路的设计225.3 定子掌握单元的设计225.4 确定值单元的设计245.5 速度反馈网络的设计245.6 电流检测反馈网络的设计255.7 掌握线路的设计266. 系统的静、动态特性运算286.1 系统的静态特性运算286.2 系统的动态特性运算307. 串级调速系统调试357.1 一般检查以及线路检查357.2 单元器件的调试357.3 系统的调试377.4 操作电路的调试38主要元器件明细表39终止语40致谢41参考文献1. 概 述1.1 沟通电动机调速的进展简况纵观电力传动的进展过程，交直流两种传动方式共存于各个生产领域之中；在电力电子技术进展之前，直流电动机几乎占垄断位置；对于直流电动机只要转变电动机的电压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩简洁掌握，具有良好的动态性能；随着工业技术的不断进展，它们相互竞争、相互促进；沟通电动机，特殊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；牢靠性和运行效率高；修理工作量小； 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牢靠性、可用性、可修理性相一样；正是由于沟通电动机的这种优势， 使它在电力拖动系统中的应用范畴比直流电动机广泛得多，约占整个电力拖动总容量的 80%以上；但同时沟通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掌握技术的快速进展以及各种高性能的电力电子器件产品的显现，为沟通调速系统的进展制造了有利条件；特殊是 70 岁月初显现的矢量变换掌握技术以及在矢量变换基础上相继显现的磁通反馈矢量掌握、转差型矢量掌握、直接转矩掌握等有用系统，大大推动了沟通传运掌握技术的进展；这些新型的沟通传动掌握技术与高性能的变频器相结合，就有可能使利用沟通电动机构成的沟通伺服系统在性能上与高精度的直流伺服系统相匹配；特殊是在一些大容量、高转速或特殊环境下应用的场合，沟通调速系统已显示出无比的优越性，电气传动沟通化的时代随之而来；依据异步电动机的转速公式： nn0 1s60 f1 1sP式中 P 电机极对数s电机转差率f1供电电源频率因此，异步电动机有三种基本的调速方式，即转变极对数、转变转差率和转变供电电源频率；在转变转差率调速中又可分为转子串电阻调速、串级调 速、调压调速和电磁转差离合器调速四种类型；（ 1） 变极调速变极调速是通过转变绕组极对数达到转变异步电动机同步转速的调速方法；由于电动机的极对数只能成倍变化，因此转速也只能近似成倍变化；变极调速主要用于鼠笼式异步电动机；变极电动机通常有转换单绕组接线转变其极对数的电动机和在同一铁心上设置两个以上极对数的不同绕组的两种类型；这种调速优点：设备简洁，操作便利，机械特性较硬，效率较高，既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；缺点：属于有级调速，且调速的级数不多；因此仅适用于不需要平滑调速的场合；例如某些机床的调速，采纳变极调速与变速箱机械调速协作，就可以较好地满意生产机械对调速的要求；<2）转子串电阻调速这是对绕线式异步电动机进行调速的一种方法，即在电机的转子回路中串入可变电阻来转变电动机机械特性的斜率，从而转变了肯定负载下电机的转差率达到调速的目的；由于转子串入的电阻不能连续变化；因此电机的转速也只能阶跃变化，即有级调速；这种调速的优点：设备简洁、易于实现，初投资不大；缺点：低速时的机械特性变软，其最低转速受生产机械答应静差率的限制，所以调速范畴不大，一般只能达到 23；转子串电阻为分段调剂，属有级调速，调速的平滑性差；只宜带负载调速；空载或轻载时调转子电阻所得到的转子速度变化不 大；低速时转差率 s 大，转子铜损 Pcu2=sPm 大；效率低，经济性差；由于以上特点，这种方法多适用于起重机一类对调速性能要求不高的恒转矩负载，对通风机型负载也可以适用 ；<3）调压调速调压调速是通过转变电动机定子供电电压的大小来转变电动机在某一负载下转速的一种调速方式；在调速过程中，电动机的转差功率将损耗在转子的电阻上；调压调速的优点：调速平滑，采纳闭环调速系统，其机械特性很硬，调速范 围宽<可达到 10：1）；缺点：由于是变转差率调速，因此低速时转差功率损耗大，效率低，这种调速主要适用于高转子电阻的电动机；<4）电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速的特点是异步电动机与负载之间用电磁转差离合器联接；电动机为一般鼠笼式异步电动机，本身并不调速，而与负载相连的输出轴的转速就可以通过转变电磁转差离合器的励磁电流来调剂；电磁转差离合器调速的优点：掌握简洁，价格廉价，运行牢靠，爱护便利， 能平滑调速，采纳闭环系统时可扩大调速范畴；缺点：低速时损耗较大，效率较低等缺点；这种调速方法广泛用于纺纱、印染、造纸等机械上以具有通风机械负载特性的设备；<5）变频调速变频调速是利用电动机同步转速随频率变化特性，通过转变电动机供电电源频率的方法来实调速；变频调速的优点：调速范畴广 <可达到 10：1），平滑性较高，调速时机械特性较硬，静差率小，变频时U1 按不同规律变化可以实现恒转矩或恒功率调 速；因此可以构成具有高性能的沟通调速系统；缺点：必需有一套变频电源；目前，变频电源的结构仍比较复杂，价格较贵，容量不够大；低速时最大转矩 MM 较小，使电动机的过载才能降低；<6）串级调速绕线式异步电动机转子串电阻调速是以能量损耗为代价来实现调速的，越是速度调得越低，损耗也就越大，效率也就越低，如能在转子回路中串入一个能量吸取装置，将这部分损耗的能量加以吸取并回馈电网，就可以大大提高系统的运行效率，这种转差功率回馈型的调速方法称为串级调速；详细来讲就是在电动机转子回路中串入一个附加电势，通过调剂附加电势的大小来转变电动机肯定负载下的转差率，从而达到调剂电动机转速的目的；串级调速与串电阻调速相比其优点为：机械特性较硬，调速平滑性较好，损耗较小，便于向大容量进展；缺点：功率因数较低<由于有滤波电抗器及可控硅逆变器的存在），设备较复杂；成本较高，低速时转差率s 较大，回收的转差功率 sPm 较大，变流装置的容量也应加大，不太经济，且低速时电动机的过载才能较低；因此，串级调速最适用调速范畴不大<一般为 24）的场合；例如通风机械，提升机械等设备上；1.2 矿井提升机对电力传动系统的要求在现代化的工业生产中，生产机械都在不停地运动着，几乎无处不使用电力传动装置；由于各种不同的生产机械运动规律不一样对电力传动装置性能的要求也不一样；为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调剂与相应的自动掌握，并且对电力传动装置的要求也越来越高；矿井提升机是矿山运输中的主要设备，是井下与地面联系的重要工具，矿井提升机又是矿山最大的固定设备之一，它的耗电量占矿山总耗电量的30% 40%，因此，为了降低矿石的成本，必需经济合理地挑选与设计矿山提升机设备；矿井提升机对电力拖动系统的要求如下：（1） 为了使罐笼能作提升与下放运动，要求提升系统要采纳可逆系统，即拖动电动机既可正转又可反转；（2） 罐笼提升机是采纳三阶段梯形速度图；依据安全规定：升降人员时加、减速度不大于0.75 m/s2 ；（3） 提升矿石、设备或人员时提升机速度不同，因此要求电动机能有较好的调速性能；（4） 为了保证生产和人员的安全要求电气传动系统运行精确安全牢靠； 本系统采纳单罐笼提升，用于副井作为提升矿石和人员用；依据上面所述的要求，提升机的拖动方式有两大类挑选，即沟通拖动<采纳沟通绕线式异步电动机）与直流拖动 <采纳直流他激电动机），由于直流拖动系统的设备投资大， 安装、修理困难与设备占地多等缺点，因此在中小型矿井提升机设备中选用交 流绕线式异步电动机作提升机的拖动电动机；为了使拖动系统具有较好的调速 性能和节约电能采纳可控硅串级调速；采纳转变定子电源电压相序的方法来实 现电动机的可逆运行；1.3 本课题争论的目的和内容为了使矿井提升机具有较好的调速性能和节约电能，提高电动机的运行效率和调速的经济性，减小矿石成本；满意矿井提升机对电力拖动系统的要求；我们采纳转差功率回馈型的可控硅串级调速，将提升机电动机转子电流整流， 再通过有源逆变器回馈电网，躲开了复杂的变频问题，肯定程度上简化了掌握线路；起到减小电动机的转子电流，达到降低转速的目的；本次毕业设计的内容主要是争论三相沟通绕线式异步电动机的可控硅串级调速系统主、辅电路的设计有关技术问题；它包括系统的组成与各部分工作原理，主回路电路的设计，触发电路的设计，电流反馈网络，确定值单元，定子掌握单元和速度反馈网络的设计以及对系统的动、静态特性进行简洁分析和运算；2. 提升机调速系统方案的挑选2.1 提升机调速系统调速方式的挑选2.1.1 动力源为什么要挑选绕线式异步电动机电动机分为沟通电动机和直流电动机两大类；在挑选矿井提升机的动力源上就有两种方案可以供我们选用：直流电动机和沟通电动机；直流电动机的调速范畴大，调速平滑，能够进行精确的位置掌握；应用在拖动系统中过渡过程有特殊要求的较大功率生产机械；如高精度数控机床、龙门创床等；沟通电动机种类繁多，在各个生产领域中应用广泛，有取代昂贵的、效率较低的直流电动机的趋势；沟通电动机大体可以分为异步电动机和同步电动机；同步电动机转速恒定，能改善功率因素、容量大，不行能实现无级调速；在调速性能要求不高的生产机械中优先选用鼠笼式三相异步电动机；在起动、制动比较频繁， 起、制动转矩要求较大，且有调速要求的生产机械，广泛使用绕线式异步电动机；因此本设计的电动机选用绕线式异步电动机作为提升的拖动电动机；它符合矿井提升机的要求：起制动过渡过程平稳、运行稳固、转矩大，而且要求有肯定的调速范畴，起制动频繁、在省季节电方面要求起制动时间短、耗能低、效率高；2.1.2 挑选串级调速系统的理由由前面所述异步电动机的调速类型和各种调速的优、缺点，依据各方面的缘由以及提升机对电气传动系统的要求知道，选用绕线式异步电动机可控硅串级系统的调速方案比较合适本课题的设计要求，经济性也较好，满意了进行设计的目的；系统中使用静止的可控硅逆变装置实现矿井提升机下降超同步调速， 上升用低同步调速，用倒拉反接制动实现停车；2.2 双闭环掌握系统的挑选由于我们本系统挑选的是串级调速，和调压调速系统不同，串级调速系统本身具有类似于它励直流电动机的机械特性；因此，在一些对调速精度要求不高的场合可以采纳开环掌握的调速系统；但如想进一步提高系统的静态精度并获得较好的动态性能，就必需采纳反馈掌握，较好的反馈掌握方法是采纳具有电流和速度反馈的双闭环掌握方法；本系统要选用哪一种掌握方式可从以下两方面考虑：（ 1） 工作环境：矿井提升机起、制动频繁，必需缩短起制动时间以提高工作效率；因此电动机必需以最大起动电流起制动；假如用单闭环调速掌握系统，那么起制动电流可达到额定电流的 35 倍，假如不限制起制动电流，无疑会缩短电机寿命，同时提升机也不答应太大的减速度来停车；特殊是提升机被卡住时，导致电机堵转会烧坏电机，为了防止这类情形的显现，必需加电流截止负反馈以限制最大起动电流、制动电流、堵转电流；加上电流截止负反馈环节的单闭环调速系统只能限制电机的最大电流，并没有令人中意的快速起动和制动性能，这是由于在过渡过程中，电流始终是变化着的，达到最大值后， 由于负反馈的作用加强和电机转子中的电势增加，电流又被降下来，电动机转矩也随之减小，从而延长了起制动过程；所以单闭环调速系统满意不了本课题的要求；<2）从提升机要求运行稳固、动态性能、快速性来看单闭环掌握调速系统远不及双闭环掌握调速系统好；<3）多闭环掌握调速主要是抑制系统的超速；只有在要求调速运行特别平稳的系统中才用，再一个结构复杂，技术性强，限制了它的使用，同时矿井提升机也不需要达到这么高的要求，不符合工程上对设备的经济性要求；从上面阐述的来看，提升机可控硅串级调速系统设计选用双闭环掌握调速系统，能满意矿井提升机对调速性能的要求；2.3 桥式电路的挑选用晶闸管逆变桥的附加电势Ef 以实现的串级调速的主回路，用的是附加直流电势与转子整流后的直流电压叠加组成串级调速系统；串级调速系统中，转子三相绕组和六个二极管组成整流电路，把转子电压E2E20 s整流成 U d ，它与一般三相桥式电路相像，可以用变流理论分析，但也有不同的地方；（ 1） 整流前的转子电势的频率与幅值是转差率的函数；（ 2）f2sf1所以折算到转子侧的换相漏抗为 s=1 时折算到转子侧的每相漏抗）xDsxDO也是转差率的函数； < xDO（ 3） 由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值很大，换流重叠现象严峻，换向重叠角 加大，引起转子整流电路的特殊工作状态；我们知道 是由于整流电源的漏感和整流电流引起的两相同时导通的现象；而串级调速系统漏感比一般整流器的漏感大，所以随I d 的增大，角比一般整流器工作时大得多，甚至超过 60o，而三相桥式每 60o 换流一次，当600 时，下一次换流将推迟换流，推迟的角度是 p，在稳固工作时，下一次换流在以60o为换流周期中被推迟 p 开头换流，它的换流角只好等于 60o，这样它将使再下一次换流也被推迟 p 角，这样 角被强迫限制在 60o；假如 I d 连续增大，p 也随之增大，当 p达到 30o后， p 将不再增加，而600 ，这时共阳极组和共阴极组将发生重叠换流的现象造成负载短接，不能正常工作；因此串级调速可分为三种工作状态：（1） 第一工作状态：（2） 其次工作状态：00600600 ,00p300（3） 第三工作状态：300 ,600p矿井提升机可控硅串级调速系统主电路中用六只晶闸管组成逆变电路，供应直流反电势 Ef ；假如采纳三相半波逆变桥有如下缺点：（ 1） 变压器利用率低，由于在一个周期内某一相只1/3 的时间内有电流通过；<2） 变压器只有单向脉动电流，其直流重量在磁路中形成直流不平稳磁势,在三相变压器中产生较大的漏磁通，引起附加损耗对晶闸管换流不利；所以采纳三相全控桥式，共阴极组V1 、V3 、V5 触发换流时由低阳极电位的管子换到高阳极电位的管子，所以相电压的波形中，触发时电压上跳，共阳极组V4 、V6 触发换流时，由阴极电位高的管子换到阴极电位低的管子，所以触发时电压下跳；2.4 触发电路的挑选绕线式异步电动机串级调速系统中的晶闸管，用来组成三相逆变桥反馈电能，要求触发脉冲输出的相位精确，触发电路工作牢靠、调试便利；从这些要 求动身选用 KCZ6集成化六脉冲触发组件；它适用于要求较高的三相全控桥式变流器的触发，输出脉冲能牢靠驱动大功率的晶闸管，并且有以下的特点：（1） 同步电压不受电网畸变和换流缺口的干扰；（2） 同步电压范畴宽，且只需三相同步电压；（3） 输出脉冲是列式的双脉冲，脉冲变压器体积小；（4） 能便利的与各种系统相匹配，调试简洁，组装便利；通过上面对提升机电动机的调速方式、掌握方式、触发电路，串级调速主电路的挑选，我们可以得到串级调速系统的方框图，如图2-1 所示：V2 、电网调相电平检测逆变变压器电流反馈定子线圈n给定电压比较运算触发器逆变桥转子线圈转速反馈图 2-1矿井提升机可控硅串级调速系统方框图3. 矿井提升机串级调速的工作原理3.1 串级调速系统工作原理及工作状态串级调速就是通过吸取电动机转子电路中的一部分转差功率来实现调速的一种方法；有效的吸取方法就是在绕线式异步电动机转子电路中串入与转子电势同频率的附加电势 Ef ，如图 3-1 所示；通过转变附加电势的大小，就可以转变吸取的电动机的转差功率的大小，从而实现对电动机转速的调剂；异步电动机在固有机械特性上运行时，相当于附加电势 E f0 的状态；此时电动机的转速接近额定值；假定电动机的负载为恒转矩负载，转子电流I 2为： 图 3-1 串级调速原理图IsE20222R2sX20 式中 R2 转子绕组每相电阻；X 20 s=1 时转子绕组每相漏抗；E20 转子开路时的相电势当电动机转子电路中串入与感应电势相位相反的附加电势Ef 时，将导致电动机转子电流下降I 2sE20Ef22R2 sX20 就电动机所产生的电磁转矩为： TeCem I 2COS 2式中COSCe 电动机转矩系数m 电动机的主磁通2 电动机转子功率因数转子电流 I 2 值的减小使电动机的输出转矩相应减小，显现电动机输出转矩小于负载转矩的状态，稳固运行状态被破坏，迫使电动转速降低；随着转速的降 低，转差率 s 将增大，转子电流回升，电磁转矩也相应回升；当电动机转速降至某一值时，使得电动机的输出转矩与负载转矩又相等，减速过程终止，电动机将在此转速下稳固运行；这就是向低同步转速方向调速的工作原理；串入的附加电势幅值越大，电动机最终稳固运行的转速就越低；同理，在电动机转子电路中串入与感应势相位相同的附加电势时，能使电动机的转速增加；也就是电动机向高于同步转速方向调速的超同步串级调速的工作原理；串入附加电势的幅值越大，电动机最终稳固运行的转速就越高；图 3-2 四种工作状态时串级调速的功率传递关系a) 低同步电动运行状态 <1>s>0 ） b> 超同步电动运行状态 <s<0 ） c> 超同步发电制动状态<s<0） d）低同步发电制动状态1>s>0>依据转子回路中串入的附加电势Ef 与转子感应电势sE20 之间的大小和相位关系的不同，串级调速有四种基本的工作状态；这四种工作状态的本质都是利用不同的附加电势来转变电动机内部的功率传递关系而实现电动机的调速，因此，串级调速的基本工作状态可以通过功率传递关系来加以争论；图3-2 给出了这四种基本工作状态的功率传递；图中功率关系均不计电动机内部各种损耗；1. 低同步电动运行状态，如下列图3-2a>；此时电动机的转子电流I2 与转子感应电势 E2 的相位一样，而与附加电势 Ef 的相位相反，故转子绕组输出的转差功率 sP 被附加电势吸取后回馈电网；定子从电网反吸取功率P 的一部分 <1- s）P 被输送给负载；2. 超同步电动运行状态，如下列图3-2b>；此时电动机的转子电流I2 与转子感应电势 E2 的相位相反，而与附加电势 Ef 相位相同，故电网通过附加电势向电动机转子绕组输入转差功率sP，并与定子绕组从电网吸取的功率一起输送给 负载，形成定转子的“双馈电状态”，负载所获得的功率为<1+s）P，从而可使电动机的转速超过同步速步；3. 超同步发电制动状态，如下列图3-2c>；此时电动机的转子电流I2 与转子感应电势E2 的相位一样，而与附加电势Ef 的相位相反，故转子绕组输出的转差功率 sP 被附加电势吸取后回馈电网，且电动机的定子绕组也向电网回馈功率 P；回馈的总功率 <1+s）P 来自负载的机械功率，电动机将在超同步速度下产生电气制动转矩；4. 低同步发电制动状态，如下列图3-2d>；此时电动机的转子电流 I 2 与转子感应电势 E2 的相位相反，而与附加电势Ef 的相位一样，故电网通过附加电势向电动机转子绕组输入转差功率 sP，而电动机的定子绕组就向电网回馈功率P；回馈的功率一部分来自转子绕组，而另一部分就来自负载的机械功率<1-s） P，电动机将在低同步速度下产生电气制动转矩；矿井提升机有三种工作状态：提升机上升、下降、停车；它们分别对应于三种不同的运转状态和功率传递关系：如图 32d>、32a>、32c>所示；图 3 2c>所示是表示矿井提升机在下放重物时的运转状态和功率传递关系；提升机下放重物时，三相电源调相，转子受到的电磁力矩和提升机提升重物时电磁力矩刚好相反；那么电机的转速会越来越快；不过不要担忧会发生飞车事故，由于当转子转速超过同步转速时，转子受的电磁力矩就不是动力力矩了而是阻力矩；当转子的转速大于同步转速时，定子线圈里的磁场就不会是以50Hz 变化的磁场，同时由于转速的增加，转子线圈里产生磁场会大于定子线圈产生的磁场，依据物理学的定理可得到电机气隙里的旋转磁场的方向会转变，那么转子受到的电磁力矩就会 是阻力矩，同时定子线圈感应电动势大于电源电压U ，定子向电网反馈电能，转子当然也向电源反馈电能；因此可以得出图3-2a>所示的动转状态和功率传递关系图；同样掌握反电势 Ef 的大小可以掌握转子里电流的大小，就可以掌握电机气隙里的磁场强度，达到掌握阻力矩的大小，可以得到不同的下降速度，所以矿井提升机下降时是可以调速的，只不过速度大于同步转速；这不是本课题争论的重点所 在；图 3 2a>所示是表示提升机在提升重物上升时的运转状态和功率传递关系；它是本课题争论的重点，很好懂得；3.2 串级调速系统主电路的工作原理采纳晶闸管逆变器构成的串级调速系统是由异步电动机的转子感应电势经过二极管整流器整流后加到三相有源逆变器上，有源逆变器可将直流电压变成三相沟通电压，再经过逆变变压器将异步电动机的转差功率sP 回馈到沟通电网中，从而提高调速系统的运行效率；这里有源逆变器相当于一个附加直流电压，通过转变逆变器晶闸管的逆变角，就能转变附加直流电压 U的大小，从而转变异步电动机的转速；采纳晶闸管逆变器构成的串级调速系统主电路电气原理如图 3-3 所示：下面我们分析一下它的工作过程：起动时，第一将三相异步电动机的定子绕组和逆变变压器同时接入三相沟通电网，此时异步电动机转子绕组将产生空载感应电势，该电势经过二极管整流器整流后得到空载整流电压U do ，方向为上正下负，与此同时，由于三相全控桥式电路工作在逆变状态，会产生逆变电压U，方向也是上正下负；通常在刚接通电源时，让逆变器的逆变角处于最小位置，产生最大逆变电压，该最大逆变电压值要大于空载整流电压，这样在直流回路中就不会有电源 I d 产生，异步电动机转子也没有电流，不产生电磁转矩，电机不动；然后逐步增大逆变角到某肯定值；随着逆变角的增大，逆变电压将减小，使得ABCabcLI d+UUdABCPs P1-sP-图 3-3串级调速系统主电路图整流电压大于逆变电压，在直流回路中产生电流I d ，电动机转子绕组也因有电流流过而产生电磁转矩，使电动机旋转，同时，随着电动机转速的上升，转差率的下降，转子整流电压也将下降，最终使转子整流电压与逆变电压达到一个平稳点，让直流回路中有肯定的电流流过，保证电动机所产生的电磁转矩与负载转矩相平稳，电动机稳固运行；如要增加电动机的转速，可以增大逆变角 的大小；逆变角 增大后，逆变电压将减小，电动机转子回路的电流增大，使电动机所产生的电磁转矩增大，此时由于电动机的输出转矩大于负载转矩，电动机的转速将上升；随着电动机的转速上升，转差率的下降，转子整流电压将减小，使直流回路中的电流又减小，电动机所产生的电磁转矩也减小，最终达到一个新的平稳点，电动机就在较高的转速上稳固运行；同理，要降低电动机的转速，可以减小逆变角 ；逆变角 减小后，逆变电压就将增大，电动机转子回路的电流就减小，电动机所产生的电磁转矩减小，此时由于电动机的输出转矩小于负载转矩，电动机的速度将降低；随着电动机的转速降低，转差率的增大，转子整流电压将增大，使得直流回路中的电流又增大，电动机所产生的电磁转矩也相应增大，最终达到一个新的平稳点， 电动机将在较低的转速下稳守运行；在稳固运行时，如负载突然发生变化，例如负载突然增大，就由于转矩不平稳，将造成电动机转速下降；当电动机转速下降，转差率增加时，转子整流电压也将增大，而此时的逆变电压不变，就造成电动机转子电流增大，电磁转矩增大，最终使电动机的输出转矩与负载转矩重新达到平稳，电动机稳固运 行；在停止转动的时候，可将逆变角调到最小，这时所得到的逆变电压为最 大，并且超过转子整流电压，从而使得转子整流回路中的电流降为零；这样电动机不再产生电磁转矩，并在负载转矩的作用下，使其转速逐步降低直至停止运转；3. 3 串级调速掌握回路的工作原理依据我们前面的设计知道，本系统采纳的是双闭环掌握，以及已经得到串 级调速系的方框图，有了串级调速系统直流回路及异步电动机的传递函数，并 确定电流调剂器和速度调剂器都为PI 调剂器，就可画出具有双闭环掌握的串级调速系统动态结构图，如图 3-4 所示：转 差 电压 扰 动Ed0 n0Ung 速 度 给 定速 度 给 定滤 波 器1+1+t 0n s-速 度 调 节 器Kns+1n s+1电 流 给 定滤 波 器1+1+t 0i s-电 流 调 节 器Kii s+1i s+1晶 闸 管逆 变 器Ks 1+Ts sE-+串 调直 流主 回路KLnI d1+TLnsI L-电 动 机1nTms电流 负 反 馈电 流 反 馈滤 波 器1+t 0i sEd0转 速 反 馈滤 波 器转 速 负 反 馈1+t0ns图 3-4 串级调速动态结构图双闭环串级调速系统在突加给定时的起动动态过程与直流调速系统一样；起动初期，速度调剂器处于饱和输出状态，系统相当于转速开环；随着起动过程的进行，电流调剂器的输出增大，使逆变器的逆变角增大，逆变电压减小， 转变了起动开头瞬时逆变电压大于电动机转子不动时整流电压的条件，产生直流电流，使电动机有电磁转矩而加速起动；在电动机转速未到达给定值前，调速系统始终由电流环起跟踪作用以爱护动态电流为恒定，并使加速过程中逆变电压与转子整流电压的变化率相同；直到电动机的转速超调，速度调剂器退出饱和，转速环才投入工作，以保证最终获得转速无静差系统；3.4矿井提升机的系统组成与工作原理提升机采纳三相沟通绕线式异步电动机拖动；其电动机又可采纳可控硅串级调速，其电气掌握系统原理如图 35 所示；由图可知，提升机拖动系统的主回路为电源经过沟通接触器KM 1 与正、反转接触器 KM 3 与 KM 4 加在三相沟通异步电动机M 的定子绕组上，它的转子绕组经三相桥式整流器 SR、平波电抗器SCR与逆变变压器 T 返回电网；LP 、直流接触器KM 2 ，三相桥式逆变器掌握回路为双闭环掌握系统，电流调剂器LT 组成内环，速度调剂器 ST 作为同步电源±UgUg-±-+图 3-5 矿井提升机可控硅串级调速系统外环；定子掌握单元通过电平检测器DJ1 和 DJ2、正、反继电器 Q 和 H 来掌握正、反转接触器 KM 3 与 KM 4 ，从而转变加在定子绕组上的电源电压的相序来实现电动机的正转与反转运行；三相桥式整流器 SR 的整流电压U d1.35sU 2e式中： U 2e M 转子绕组的额定线电压；s M 的转差率；三相桥式逆变器 SCR 的逆变电压U1.35U 2 COS式中： U 2逆变变压器的副方线电压；逆变器的逆变角由电力拖动原理可知 U dUI d R式中： I d 逆变器直流侧的电流；R主回路的等值电阻；由上式可知当忽视 R时，就 Ud有：U即1.35sU2e1.35U 2COS，因此就sU 2COSU 2e当转变逆变角的大小，就可以转变转差率s，从而达到调剂电动机转速的目的；其调速过程如下：如给定电压U g UI d 电动机的电磁转矩M M < M c <电动机的阻转矩）电动机减速s U d I d 回升 M 此过程直到 M 又重新等于 M c 为止；此时电动机的转速低于原先的转速；如U g U I d 电动机的电磁转矩M M