37kW电机调速控制部分的电气设计.docx

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1、串级调速是一个很经典的理论和方法。国外在上世纪四、五十年头，我国在上世纪七、八十年头，在高压电机调速中最先得到应用，并且有相当规模，在我国的自来水、建材、冶金行业均有相当应用。但因当时的变流技术及限制技术受电力半导体器件和限制技术状况限制，系统性能尚有些缺陷。同时，我国这期间始终处在安排经济和旧的国有企业的运行模式下，用高压大电机的国有大中型企业没有剧烈的节能降耗的动力和意识，所以人们便不够重视其技术发展，甚至在老一代串级调速技术人员逐步退休后，人们都不知道这一技术了。更糟的是，20世纪八、九十年头，随着我国经济改革恰好在小企业和民用产品企业中首先进行，企业在产品生产中对低压小电机的调速和动力

2、需求越来越大，变频调速技术更是得到了空前的青睐，因而变频声名鹊起，一片变频之声，一时沉没了串级调速技术。近年来，加快建设节约型社会已经成为全社会关注的问题。2005年6月21日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，探讨建设节约型社会和发展循环经济问题。同年6月30日，温家宝在召开的全国做好建设节约型社会近期重点工作电视电话会议上强调，加快建设节约型社会，是缓解资源供需冲突的根本出路，是实行科学发展观、走新型工业化道路的必定要求，是保持经济平稳较快发展、全面建设小康社会的迫切须要，是保障经济平安和国家平安的重要举措。事实上，在能源日益惊慌的状况下，我国也自上世纪90年头中后期起先了关于串级调

3、速系统的探讨。串级调速系统是一种节能调速系统，在高压大中型电动机节能调速应用领域以其限制电压低、变流功率小,系统简洁,运行牢靠,节电率高而呈现出光明的应用前景。该产品具有优良的调速性能和高节能率，适合于高压大中型电机调速节能应用。范围包括了3kV、6kV、IokV电压等级，22OkW5400kW电机容量，424极电机极数的高压电机。目前已广泛地应用于电力、水利、水处理、供水、城市供热、冶金矿产、港口机械、石油化工等工业领域中的风机、泵类及其他类负载的节能调速中。在目前变频调速技术市场影响很大的条件下，我们致力于串级调速方面的探讨，这其中自然有我们更深层次的考虑啦。首先一点是，我国异步电机节能调

4、速市场巨大。随着国家节约型社会建设的要求，工业用高压大容量电机调速节能的需求突出出来。这又因为，高压大容量电机耗电占了电力生产量的最大一块。同时，国有企业改革，节能降耗已成为运用高压大电机的国有及其他大中型企业的迫切需求。因而，从事电机调速节能事业具有巨大的社会意义，对国家发展有着重大的主动意义。任何一个中国的企业,为社会供应高效节能产品，是它们对国家和社会的责任。同时，其巨大的市场潜力，又为当前中国企业发展供应了难得的机遇。其次点是，从技术经济层面上讲，串级调速技术与变频调速技术相比较，在不同应用领域各有其优劣。在低压中小容量电机调速应用上，变频技术已特别成熟，很适用，影响也很大，串级调速则

5、不大适用，而在高压大容量电机调速应用领域，串级技术综合因素上比较优于变频技术。这是因为：变频技术从电机的定子侧限制电机供电频率和电压。作为变频这种用电力半导体器件做成的变流装置在高压大电机上应用需承受6kV10kV高电压，困难较大。另外，这种变频变流调速装置需变流高压大电机的全功率，这又是一大困难。因为变流器电压越高，功率越大，越难于做好。所以高电压和全功率变流的变频器就带来牢靠性保证问题、变流自身功耗大问题、变流产生的谐波功率过大问题、变流器限制困难困难问题、装置尺寸过大、运行条件苛刻、运行维护量大、维护难度大、造价及维护费用高等问题。而在高压大电机调速应用上，串级调速恰好避开了变频技术上述

6、最大的困难。这是因为，串级调速是在转子回路串可控反电势的调速。串级调速的变流装置在异步机的转子回路工作。而高压大电机转子回路电压只有几百伏至二千伏左右，在考虑必要的调速下限状况下，调速中转子回路实际电压只有几百伏至一千伏，而不是6千伏，10千伏。所以，半导体器件承压没有问题。其次，转子回路变流的功率，只有转子的转差功率，转差功率的大小据负载性质的不同而不同，而对泵、风机这类大量的须要调速节能的负载而言，转差功率最大只有电机额定功率的14.815%。这就是说，串级调速变流的功率只有变频的14.815%。一个电压低得多，一个变流功率小得多，所以串级调速装置可以做的更牢靠更简洁，自身变流功耗小，也就

7、是效率高，变流产生谐波功率小，尺寸小，运行条件宽松，造价相对低,运行维护简洁，费用低。这就是说，串级调速是通过对电机转子这一低压回路的串反电势限制，通过对转子回路小的转差功率的变流，实现对高压大容量电机的速度限制。同时，经变流的转子转差功率被通过内反馈或外反馈方式回收，从而实现高效节能调速。将串级与变频相比而言，理论和实践上均证明，串级调速是效率最高的调速方法。换句话说，在高压电机应用上，变频技术有点使硬劲，而串级调速在使巧劲。事实上，串级调速无论从技术角度讲，以及可以用现代技术实际实现的各种性能指标上讲，均不亚于变频调速。而在牢靠性、在节电效率、机械特性，装置造价、装置运行维护量和运行维护费

8、用、运行条件、装置占场地面积、谐波影响等诸多方面均有其突出优势。基于以上理由，我们在高压大电机调速方面还是选择从事串级调速的工作。基于此，如今越来越多的科技工作者又重新将目光投向了串级调速方面的探讨。那么串级调速产品目前达到的技术状况是怎样的？首先讲调速范围，目前实现的为40%99.5%额定转速之间平滑、无级调速，调速上下限还可扩展。99.5%额定转速至全速之间平稳互切换。这就是说，可以由额定转速（全速）经几转的跳动，转为99.5%及其以下转速调速运行；调速的精度,也就是某转速下的稳定性，目前在速度开环限制状况下已达99.8%,表计视察到的转速波动为O.lO5转；调速装置功耗小于1%电机额定功

9、率，也就是说调速装置效率大于99%；谐波很小，远小于国家标准要求；功率因数较传统方法有很大提高,且无功、有功电流均随转速下降而下降，不增加线路无功电流损耗；电机振动和电机温度随转速下降而下降；调速系统为硬机械特性，可以满意有较大扰动的负载（如电厂灰渣泵）的应用须要。对于串级调速系统而言，以下的因素使得牢靠性得以保证：一是它的变流装置（串级调速装置）承压低，变流功率小，从技术本征上简洁作的牢靠性高。二是有一套严谨、科学的系统设计方法和计算方法，用这一方法确定的器件选型、组装，都建立在牢靠的、精确的计算数据之上。三是用仿真技术验证设计。当前仿真技术已深化各个科研领域，可以用该技术验证不同的设计方案

10、，以及已设计出的结果。四是用好器件，用足够裕度的器件，用经检测筛选的器件。五是把握生产过程的工艺质量，用质量管理体系限制质量。六是每台设备出厂前要带载试验，以确定系统实际带载工作正常。七是实际投运后的系统全面测试，将测试结果与设计计算结果和仿真计算结果作比较，并使之相吻合。其实，谛视很多串级调速产品的状况，最根本的是把系统搞清晰，搞明白。只要清晰明白了，理论技术设计计算上就保证了基本的牢靠性和性能。另外就是生产质量管理了，很多产品做不好，就是因为深化的理论技术分析探讨不到位。我们完全有理由信任，在不久的将来，串级调速装置在工业市场上必能大行其道，越来越获得用户的信任。第1章串级调速的基本原理、

11、类型和特点三相异步电动机转速公式为：=607p(l-S)。从该式可知，变更供电频率3电动机的极对数P及转差率S均可太到变更转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是变更沟通电动机的同步转速或不变更同步转两种。在生产机械中广泛运用不变更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。变更同步转速的有变更定子极对数的多速电动机，变更定子电压、频率的变频调速有能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：高效调速指时转差率不变，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

12、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，假如调速范围不大，能量损耗是很小的。本课题选择了串级调速这种方法来实现电机的调速，由于能源紧缺所带来的危机，有关串级调速的探讨正在越来越广泛地受到关注，探讨串级调速有肯定的社会意义。1.1基本原理所谓串级调速，即在转子回路中引入与转子电动势同频率的附加电动势必，通过变更附加电动势邑的幅值大小及相位，从而变更转子电流大小而达到变更转矩的目的。其图如图1-1所示。QQ

13、Q图1-1绕线转子异步电动机串级调速原理图这种调速方法的特点是，在绕线转子异步电动机的转子绕组电路串入附加电动势，并使三个附加电动势的极性相反。在反极性附加电动势的作用下，转自电动势必定减小，以致带不动负载而使电动机的转速减慢。当电动机的转速降到肯定的值时，转子绕组的感应电动势加大，并补偿了附加电动势的减弱作用，从而使电动机的转子电流保持在带动负载所须要的值。此时，电动机已被调整受到低速运行了。很明显，转子电路串入的外部附加电动势变大，电动机的转速将越低。变更附加电动势的大小，同样可以调整绕线转子异步电动机的转速。在电动机转子电路中串入附加电动势的调速方法，能量消耗小。当电动机转速较小时，有电

14、动机定子电流输入的电能，只有一小部分变为转子轴上的机械能,用来带动负载，而大部分能量被送到转子电路。这部分能量可以通过电动机转子电路端连接的逆变器，回馈到沟通电网中。这种在绕线转子异步电动机转子回路中串入附加电动势Ea的高效率调速方法，一般称作串级调速。下面简要定性分析转子附加电动势时的工作状况。异步电动机运行时其转子感应电动势为E1=E20(1-1)上式说明，转子感应电动势E2与转差率S成正比。当转子在正常接线时，转子电流的方程式为j2I2=Pq弓+(SX20)式中2一转子绕组每相电阻(C)；一转子静止时转子绕组每相漏电抗(。)。现在设想转子回路中引入一个可控的沟通附加电动势瓦1,并与转子感

15、应电动势占串联，纥应与G有相同的频率，但可与当同相或反相。当纥与马的相位相反时，转子电流为(1-3)j_5七20_Ea-yjr2+(SX2q)2(1-4)从电机学可知，三线异步电动机的电磁转矩T为T=CmI2COSW2式中C7一与电动机结构参数有关的常数；中,“一电动机主磁通(皿)，当电动机恒定时，中常数；CoSQ一转自功率因数，当电动机在机械特性稳定工作区域工作时，因转差率S变更不大，COS02也基本上不变。故TocI2(1-5)由于心与七反相位，电动机可自额定值向下调速。因为串入了耳，马上引起A值的减小，电动机电磁转矩7亦相应减小，假定电动机拖动的负载转矩。不变，由于r,稳定运行条件被破坏

16、，电动机转速必定下降，转差率增大，使转子电流增大，电磁转矩T亦随之增大。直到电动机转速降到某值，右增大使电磁转矩T重新与负载转矩乙相等时，减速过程结束，电动机就在此转速下稳定运行。着就是电动机向低于同步速方向调速的原理。Ea的幅值越大，电动机的稳定转速就越低。串级调速还可以向高于电动机同步速方向调速，只要使Ea的相位相同即可。此时转子电流为277()2串入了同相位的纥，马上使值增大，电动机转矩亦相应增大，电动机转矩值大于负载转矩值时，迫使电动机加速，转差率减小，2亦随之减小。当心值足够大时，电动机必定要加速超过同步速，使s0,E2=0,G反相，上式中的分子项变成E2一ISE20I,才能使A减小，复原到使电动机转矩重新与负载转矩相等时，加速过程结束，带年冬季处于高于同步速的某值下稳定运转。此时虽然