绕线式异步电动机的串级调速.docx
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绕线式异步电动机的串级调速
绕线式异步电动机的串级调速
一课程设计目的
专业课程设计是学生基本完成全部理论课学习之后，综合运用所学知识、结合工程实际的实践教学。
通过设计使学生加深对所学专业课程内容的理解和掌握，了解工程设计的一般方法和步骤，培养理论联系实际、综合考虑问题和解决问题的能力。
二课程设计的内容
从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。
在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有：
绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。
改变同步转速的有：
改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速及无换向电动机调速等。
从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种:
高效调速指转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。
有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中;电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中;液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。
一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
转子电路串电阻调速，能量消耗大，不经济。
转子电路的损耗为sPem称为转差功率。
为使调速时这转差功率大部分能回收利用，可采用串级调速方法。
所谓串级调速，串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入一个与E2频率相同而相位相同或相反的附加电动势Ef，通过改变Ef的大小来实现调速。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
串级调速的效率高，平滑性好，设备比变频调速简单，特别时调速范围较小时更为经济，缺点是功率因数较低。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为:
1）可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高。
2）装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%一90%的生产机械上。
3）调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产;
4）晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大;
本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
三、串级调速原理及基本类型
3.1、原理
假定异步电动机的外加电源电压U1及负载转矩ML都不变．则电动机在调速前后转子电流近似保持不变。
若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势Ef则转子电流为
常数（式—1）
式中：
R2：
转子回路电阻；
sX20：
转子旋转时转子绕组每相漏抗
E20：
转子开路相电势
电动机在正常运行时，转差率s很小，故R2≥sX20。
忽略sX20有
（式—2）
上式中，E20为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势Ef可以改变转差率s，从而实现调速。
设当Ef=0时电动机运行于额定转速，即n=nN,s=sN,由（式—2）可见，当附加电动势与转子相电势相位相反时（Ef前取负号），改变Ef的大小，可在额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（Ef前取正号），改变Ef的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速（即s<0）。
串级调速四种基本状态方式下能量传递方式如下图示，图中不计电动机内部各种损耗，即认定定子输入功率P即为转子输出功率。
图a为低于同步转速电动状态。
此时转子电流与转子电动势趋于一致，而与附加电动势相位相反。
故转子绕组输出转差功率sP被附加电动势装置吸收后回馈电网。
而从电网吸收功率中的（1-s）P输送给负载。
图b为高于同步转速电动状态。
此时转子电流与转子电动势相位相反，而与附加电动势相位一致，故电网通过附加电动势装置向电动机绕组输入|s|P，从而使电动机的转速高于同步转速。
图c为高于同步转速发电制动状态。
此时转子电流与转子电动势相位一致，而与附加电动势相位相反。
故转子绕组输出转差功率|s|P被附加电动势装置吸收后回馈电网。
回馈电网的总功率中的（1+|s|）P来自负载的机械功率。
。
此时电动机在超同步速下产生制动转矩。
图d为低于同步转速发电制动状态。
此时转子电流与转子电动势相位相反，而与附加电动势相位一致，故附加电动势从电网中吸收功率sP给转子绕组，定子向电网回馈功率P，回馈电网功率中的（1-s）P来自负载机械功率。
此时电动机低同步速下产生电气制动转矩。
3.2、分类
对于异步电动机的串级调速，可根据其一些特点进行分类。
第一种分类方法是，根据功率分配的不同，分为“机械串级”和“电气串级”两种调速方法。
第二种分类方法是，按异步电动机转速调节的区域划分，分为低同步申级调速和超同步串级调速两类。
第三种分类方法是，把串级调速分为电机一交流器组串级和整流器一变流器组串级调速。
一般由不可控转子整流器组成的串统调速系统，只能在同步转速以下调速称为低同步串调。
低同步串调不能产生电气制动转矩系统功率固数低。
由全控整流器或采用转子由循环变流器供电组成的串调系统，可以在同步转速以上调速，称之为超同步串级调速。
超同步串调可以产生电气制动转矩，且功率因数得到很大的改善
晶闸管低同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。
晶闸管低同步串级调速系统典型电路图如下示
四、串级调速系统主回路主要设备的参数计算与选择
4.1、异步电动机容量的选择
考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量P计算如下：
式中：
Ki：
串级调速系数，一般取1.2左右。
对于在长期低速运行的串级调速系统，应该取大一点。
PD：
按照常规运算方式计算的电动机容量。
从产品手册中选择的电动机容量
本设计采用YRJ-22/6三相绕线转子异步电动机
YRJ-22/6电动机防护等级为IP23，冷却方式为IC01。
YRJ-22/6电动机绝缘等级为定子/转子：
B/B级。
YRJ-22/6技术数据
型号
YRJ-22/6
功率（kW）
22
定子电压（V）
380
定子电流（A）
45.5
效率（%）
89
功率因数（cosφ）
0.85
额定转矩
2.8
转速（r/min）
955
转子电流（A）
63.1
转子电压（V）
224
转动惯量（kg·m2）
0.637
定子电阻：
r1=0.95*380*0.045/1.732/45.5=0.21
转子电阻：
r2=224*0.045/1.732/63.1=0.09
定子绕组的变比：
Km=0.95*380/224=1.61
折算到转子侧的定子绕组：
r1’=0.21/1.61=0.13
电动机的额定转矩：
Tn=9596*22/955=221N.M
折算到转子侧的漏抗：
XM=
=0.5Ω
电动机的等效电感：
LM=0.5*1000/314=1.6mH
最大转差率
式中：
n1：
电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速。
nmin：
串级调速系统的最低工作转速
D：
调速范围，D=2
转差率s=（1000-955）/1000=0.045
4.2、转子整流器的参数计算与元件选择
4.2.1、转子整流器的最大输出电压
式中：
E20：
转子开路相电势
KUV：
整流电压计算系数，见下表：
符号
KIT
KUT
KUV
KIV
KIL
KST
KL
K
三相带中线
0.367
0.67
0.577
0.472
1.35
1
0.866
三相桥
0.367
1.35
0.8130
0.816
1.05
2
0.5
双三相桥串联
0.367
2.7
0.816
1.578
1.03
4
1.26~
0.52
双三相桥并联
0.184
1.35
0.408
0.789
1.03
1
0.26~
0.52
则Udmax=
=151V
4.2.2、最大直流整流电流
式中：
λm：
电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数3
I2N：
转子线电流额定值
KIV：
整流电压计算系数，见上表
Idr：
转子整流器输出直流电流额定值Idr=I2N/KIV
1.1：
考虑到转子电流畸变等因素的影响而引如的系数
则Idmax=
=256A
4.3、整流二极管的选择
4.3.1）整流二极管电压的选择
设每个桥臂上串联的整流二极管数目为N，则每个二极管的反向重复峰值UKRM为
式中：
KUT：
电压计算系数，见上表
E2n：
转子开路相电势
KAV：
均压系数，一般取0.9。
对于元件不要串联时取1
由上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围D有关，调速范围越高，元件承受的电压越高
则：
URRM≥
=210V
=（2～3）
=420-630,取500V
4.3.2、整流二极管电流的选择
在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。
设并联支路数为Np
则每个整流二极管的电流计算如下：
式中：
KIT：
电流计算系数，见上表
Idmax：
转子整流器最大直流整流电流
KAC：
均流系数。
其值可取0.8~0.9。
对于元件不并联的情况下取1
IF≥
=120A
=（1.5～2）
，取200V
则对于该二极管选择硅整流元件ZP200-5
4.4、逆变器的参数计算与元件选择
对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配；同时也希逐转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。
变压器二次侧线电压：
根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定：
0式中：
UT2：
逆变变压器二次侧线电压
Udmax：
转子整流器最大输出直流电压
KUV：
整流电压计算系数。
见上表。
Βmin：
最小逆变角，一般取30o
则UT2=
=129V
逆变变压器二次侧线电流：
式中：
IT2：
逆变变压器二次侧线电流
KIV：
整流电流计算系数。
见上表
IdN：
转子整流器输出直流电流额定值
则IT2=0.816*63.1=51.5A
变压器一次侧线电流：
式中：
IT1：
逆变变压器一次侧线电流
KIL：
变压器一次侧线电流计算系数。
见上表
KT：
逆变变压器的变比6
则IT1=0.816*63.1/6=8.6A
变压器等值容量：
式中：
KST：
变压器等值容量计算系数，见上表
则ST=
=11.5KW
因为XT=
=0.06Ω
逆变变压器等效电感：
LT=120/314=0.38mH
4.5、晶闸管的参数计算
4.5.1、晶闸管额定电压的选择
在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电压不能满足要求，需要几个晶闸管串联使用。
设每个串联桥臂上晶闸管的数目为N，则每个晶闸管反向重复电压由下式确定：
式中：
KUT：
电压计算系数，如上表
KAV：
均压系数，其值可取0.8~0.9。
对于元件不需串联的情况下取1
UT2：
逆变变压器二次侧线电压
则URRM≥
=566V
=（2～3）
=1300V，取1500V
4.5.2、闸管额定电流的选择
设每个桥臂并联元件支路数为Np，则每个晶闸管的额定电流为
式中：
KIT：
电流计算系数，见上表
Idmax：
转子整流器最大直流整流电流
KAC：
均流系数。
其值可取0.8~0.9。
对于元件不并联的情况下取1
则IF≥
=120A
=（1.5～2）
=188A，取200A
则晶闸管的型号是KP200-15G
4.6、平波电抗器电感量的计算
转子直流回路平波电抗器的作用是：
一，使串级挑速在最小工作电流下仍能维持电流的连续；二，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。
平波电抗器的电感量计算如下：
4.6.1、保证电流连续所需要的电感量
式中：
δ1：
正比与直流电压中的交流分量的电感计算系数，从下图中查
UT2：
逆变变压器二次侧线电压
KUV：
系数，见上表
Idmin：
直流回路最小工作电流（A）Idmin=Idmax/λm
LM：
异步电动机折算到转子侧的每相电感量1.6mH
LT：
逆变变压器折算到二次侧的每相电感量0.38mH
K’L、K’’L：
异步电动机和逆变变压器的电感折算系数。
2
则L1=11.09mh
4.6.2、限制电流脉动的电感量
式中：
Kp：
限制电流脉动的电感系数（ms），其值从下表中查
σ：
允许的电流脉动率，一般可取10%左右
则L=6mh
电感量计算系数：
短路电压百分
值的感抗分量
ex=0
ex=6%
ex=12%
ex=18%
三相带中线
1.93
1.83
1.73
1.63
三相桥
0.45
0.4
0.36
0.32
双三相桥
0.11
0.086
0.066
0.048
4.6.3、平波电抗器的电感量
则L=9mh
4.7保护电路设计
过电压保护
原因：
虽然选定整流元件时已考虑了一定的安全系数，但实际线路中还必须考虑到过电压保护，才能确保安全。
原则：
使操作过电压限制在晶闸管额定电压UN以下，是浪涌过电压限制在晶闸管的断态和反向不重复峰值Um和Um以下。
交流侧保护
对于交流侧发生的过电压，大体可采取以下保护措施：
1、击过电压可在变压器初级加接避雷器保护。
2、整流变压器空载且电源电压过零时初级拉闸，此时变压器激磁电流及铁心中磁通最大，它们的突变将在次级中感应出很高的过电压，此时，可以采用阻容保护或整流式阻容保护。
2、于雷击或更高的浪涌电压，如阻容保护还不能吸收或抑制时，还应采用压敏电阻或硒堆等非线性电阻进行保护。
图6
直流侧保护
1、加平波电抗器。
转子直流回路中接入平波电抗器L，是为了维持小负载时电流的连续与限制电流的谐波分量。
2、敏电阻保护
当桥臂上的整流元件进行过电流保护的快速熔断器熔断时，或当直流快速开关或熔断器切断过载电流时，都会产生过电压。
所以在这里，选用了加压敏电阻进行保护。
过电流保护
当变流装置内部某一器件击穿或短路，触发电路发生故障，直流侧短路等，都会引起半导体器件的过电流，由于半导体器件的过载能力差，所以应加装过电流保护设备。
晶闸管交流装置可能采用的过电流保护措施有：
1、交流进线电抗或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗限制短路电流。
2、装置，过流时发出信号。
3、速熔断器
该设计中采用在整流电路中，每相加装两个熔断加以保护。
过电压采用阻容保护C=44.2μfR=1.5Ω
过电流采用快速熔断器I=80
五、启动方式的选择
5.1、利用串调装置直接启动方式
如上图a示，它不用任何附加起动设备，而是由串级调速装置控制直接起动电动机。
这种调速方式适用于串级调速系统的调速范围很大．几乎要求能从零开始调速或者生产机械对起（制）动的加（减）速度有一定要求的场合。
对于调速范围较小的系统，若选用直接起动方式，是不经济的。
另外，对于一个按实际调速范围设计的调速范围较小的串级调速系统，若采用直接起动，则在主回路中会造成较大的冲击电流，且往往超过允许限度。
因此，对于调速范围较小且对起（制）动加（减）速度无特殊要求的串级调速系统，宜采用以下两种起动方式。
5.2、并联防加起动设备的切换起动方式
如上图b示，电动机先用接触器KM1接入附加起动电阻器（或频敏变阻器）起动加速（此时KM2是断开的），当加速到串级调速系统设计的调速范围最低速nmin时，接通KM2，这时逆变控制角β应为最小值βmin，即对应于最高逆变电压Uβmax。
然后断开KM1，逐渐增大β，电动机继续加速，直到所需要的转速．
这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转于回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。
这种方式还有一优点，即一旦串级调连装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行。
本设计使用此种启动方式.
5.3、串联起动电阻器起动方式
如图（c）所示，在起动过程中把限流的起动电阻逐渐短接，这种接线方式虽然逆变变压器的二次侧电压只得按调速范围的大小来选择．但是转子囚路主要设备元件选用的耐压等级仍需按从零开始调速的条件来设计，为克服这一缺点可采用图d的接线方式。
起动时先将KM3接通，当电动机加速到串调装置设计的调速范围员低速时，断开KM3，串调装置自动投入运行。
六、控制电路
为了实现理想的启动过程，本设计采用了转速，电流双闭环调速系统，启动时转速外环饱和，让电流负反馈内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，让电动机的转速跟随转速给定电压变化，电流内环跟随转速调节环节调节电动机电枢电流平衡负荷负载电流。
七、主电路
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