串级调速系统的仿真与设计(可编辑修改word版)

湖南科技大学

信息与电气工程学院

《课程设计报告》

题目：串级调速系统的仿真与设计

专业：电气工程及其自动化

班级：电气三班

姓名：

学号：

指导教师：吴新开

一、串级调速原理

绕线转子异步电动机用转子串接电阻、分段切换可进行调速，此法调速性能与节能性能都很差。采用转子回路引入附加电动势，从而实现电动机调速的方法称为串级调速。晶闸管串级调速是异步电动机节能控制广泛采用的一项技术，目前国内外许多著名电气公司均生产串级调速系列产品。串级调速的工作原理是利用三相整流将电动机转子电动势变换为直流，经滤波通过有源逆变电路再变换为三相工频交流返送回电网。

为引入转子电路的反电动势，串级调速主电路如图 1-1 所示，逆变电压 U

β

是转子整流后改变逆变角β即可以改变反电动势大小，达到改变转速的目的。U

d

的直流电压，其值为。当电动机转速稳定，忽略直流回路电阻时，与逆变电压 Uβ大小相等方向相反。当逆变变压器 T1 二次线电压则整流电压 U

d

时，则

为U

2l

所以

上式说明，改变逆变角β的大小即可以改变电动机的转差率，实现调速。

通常电动机转速越低返回电网的能量越大，节能越显著，但调速范围过大将使装置的功率因数变差，逆变变压器和交流装置的容量增大，一次投资增高，过串级调速比宜定在 2:1 以下。

图1-1 串级调速主电路

二、调速过程

1. 起动

接通 KM1、KM2，利用频敏变电阻器起动电动机。当电动机起动后，断开 KM2 接通 KM3，电动机转入串级调速。

2. 调速

电动机稳定运行在某转速此时 U

d = U

β

，如β角增大则 U

β

减少，使转子电流

瞬时增大，致使电动机转矩增大转速提高、使转差率 s 减少，当 U

d 减少到 U

β

相等

时，电动机稳定运行在较高的转速上；反之减少β的值则电动机的转速下降。3. 停车

先断开 KM1，延时断开 KM3，电动机停车。

三、参数计算

1. 电机选择

本设计选取三相异步电动机，调速范围为D= 20。三相异步电动机主要技术数据如下：

额定输出功率7.5KW；定子绕组额定线电压380V；

定子绕组额定相电流12A; 定子绕组每相电阻0.5 欧姆；

定子绕组接线形式Y；转子额定转速980rpm;

转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:3 欧姆；

转子折算后额定电流30A；额定功率因数：0.75；

电机机电时间常数2S; 电枢允许过载系数1.5；

电网额定电压:380/220V; 电网电压波动10%;

环境温度:-40~+40 摄氏度;环境相对湿度:10~90%.

转差率：3%；调速范围：D＝20；

电流超调量小于等 5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于 30%;

稳速精度：0.03.

2. 逆变变压器参数计算

逆变变压器二次线电压：

逆变变压器容量：

因为I T2N = I2N，所以：

3. 整流电路和逆变电路器件选择

直流回路的额定电流：

因为整流电路和逆变电路器件的电压和电流基本相同，所以：

选取I T = 100 A 的器件。

上式中，对于三相桥式电路，电感性负载K I = 0.368；I dm为直流回路的电流最大值，I dm = 1.8I dN = 121.8A 。

逆变变压器二次电压峰值：

因而:

选取U T = 900 V 的器件。

选取六只型号为ZP100－9 的功率二极管为整流器件，六只型号为KP100－9 的晶闸管为逆变器件。

4. 电动机参数计算

由电机学得：

额定转差率：

定子相电阻（星形联接）

电动机额定转矩

折算到定子侧的总电抗

则折算到转子侧的总电抗，而

对应的等效电感：

转子相电阻

所以折算到转子侧的电动机相电阻

5.平波电抗器电阻和电感计算

按电流连续要求的电感量：其中

=0.693。

按限制电流脉冲要求的电感：

。

综合上述两个方面，平波电抗器电感

其中三相桥式

6. 其他参数确定

当 s = 1 时主回路等效电阻：

回路总电感：

最高转速：

最低转速：

K z = 1.15

四、晶闸管的保护

1. 晶闸管关断过电压及其保护

过电压是指超过晶闸管在正常工作时应承受的最大峰值电压，即 U

T ＞U

Tm

。

其主要有两种类型，一是器件及电路的开关过程引起的冲击过电压(也称为操作过电压)，二是雷击或其他外来冲击与干扰引起的浪涌过电压。过电压保护的主要任务就是采取有效措施将频繁发生的操作过电压和偶然发生的浪涌过电压抑制在安全范围之内，以确保晶闸管不受过电压损坏。

1)关断过电压的产生

晶闸管在承受反压而关断的过程中，管子内部的残存载流子在反向电压作用下形成瞬时反向电流。由于反向电流的消散速度极快，即很大，于是在线路电感中产生很大的感应电动势，该电动势与电源电压串联，并通过导通的晶闸管加在刚关断的晶闸管两端，使刚关断的晶闸管出现瞬时过电压，其过电压峰值可达正常工作电压峰值的 5—6 倍。

2)保护措施

关断过电压保护的最简单、最常用的方法是在晶闸管两端并联电容 c，利用电容两端电压不能突变的特性来吸收尖峰过电压。实用时，为了阻尼 LC 振荡并限制晶闸管的开通损耗和电流上升率，还应在电容支路中串接电阻，如图 4-1，称为阻容吸收电路。阻容吸收电路应尽量靠近晶闸管，且引线要尽量短。

图4-1 晶闸管保护电路

2. 交流侧过电压及其保护

1)交流侧过电压的产生

交流侧过电压通常发生在以下几种情况：

(1)由高压电源供电或变比很大的变压器供电，在一次侧合闸瞬间，由于一、

二次绕组间存在分布电容，一次侧高压通过分布电容稠合到二次侧，使二次侧出现瞬时过电压。

(2)与整流装置并联的其他负载切断时，由于电源提供的总电流突然减小，

会在变压器漏电感中产生感应电动势，使变压器二次侧出现瞬时过电压。(3)在整流变压器空载且电源电压过零时一次侧拉闸，由于变压器激磁电流

突变导致二次侧感应出很高的瞬时过电压。

(4)由于雷击或从电网侵入的高电压干扰而产生的浪捅过电压。

2)保护措施

(1)阻容吸收保护

抑制交流侧操作过电压的最常用、最有效的方法就是并联阻容吸收电路，接法如图4-2 所示。阻容吸收保护应用广泛、性能可靠，但体积较大，且在正常运行时电阻要消耗能量，特别是不能完全抑制能量较大的浪涌过电