《电力拖动系统》PPT课件.ppt
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1、,第四章 电力拖动系统(P180)电力拖动系统按电动机供电种类区分,有交流拖动系统和直流拖动系统。直流拖动系统的发电机电动机可控硅励磁系统。可控硅直接供电系统。交流拖动系统有交流双速电动机、交流调压调速系统及变频变压调速系统。直流电动机调速,机械特性好,调速范围大等优点,但直流电动机具有换向器日常维护量大,耗能高的缺点。由于电子元器件的高速发展大功率高反压场效应三极管IGBT的问世,使得变频变压调速系统更加成熟。电梯拖动系统被采用已成为现实。变频变压调速系统用在电梯上有体积小、节能等优点,在调速性能方面可以与直流拖动系统媲美,目前采用变频变压调速的电梯其速度可达6ms。第一节 直流电梯拖动系统
2、直流电动机的调速性能好,调速范围宽,在电梯拖动系统中已被广泛采用,早期的高层建筑中电梯速度可达7ms,天津电视塔电梯5ms。,直流电动机的调速原理:直流电机的转速计算公式如下:n=(U-IR)/K,其中U为电枢端电压,I为电枢电流,R为电枢电路总电阻,为每极磁通量,K为电动机结构参数。可以看出,转速和U、I有关,并且可控量只有这两个,我们可以通过调节这两个量来改变转速。我们知道,I可以通过改变电压进行改变,而我们常提到的PWM控制也就是用来调节电压波形的常用方法,这里我们也就是用PWM控制来进行电机转速调节的。通过单片机输出一定频率的方波,方波的占空比大小绝对平均电压的大小,也决定了电机的转速
3、大小。从以上公式可知直流电动机调速方法有三个:(P181)1.改变供电电压达到调速目的;2.在转子电路中串入可调电阻达到调速目的;3.改变定子磁通达到调速的目的。,直流电梯拖动系统调速方式有两种,可控硅供电系统和可控硅励磁系统。一、可控硅供电系统该供电系统一般用在无齿轮的高速电梯中,如图43所示。三相变压器BO对电网起电隔离作用,同时给可控硅整流装置SCR1与SCR2供电。SCR1为正组可控整流装置,SCR2为反组可控整流装置,两组可控硅反并联。电梯向上运行时正向组工作,反向组处在逆变状态。电梯向下运行时,反向组工作,正向组处在待逆变状态,1L、2L电抗器,M直流电动机转子。图43 主电路,二
4、、可控硅励磁系统在直流快速电梯调速中已得到广泛采用。主要是利用SCR整流桥调节直流发电机磁场电流的大小以改变发电机的转子输出电压Ua,控制直流电动机的转速,达到调速的目的。1三相可控硅励磁系统主电路如图44所示,由6只SCR组成三相半波零式整流线路。电抗器1L与2L是均衡电抗器为限制 环流。OFT是发电机励磁磁场线圈,G发电机转子、M电动机转子、BO是Y接法的三相变压器。图44 三相励磁电路,图45是发电机电动机系统传动示意图。直流发电机G,由三相交流原动机M驱动。发电机磁场绕组OFT由三相或单相可控硅SCR整流装置励磁。测速发电机TG与直流电动机M同轴,测速发电机发出的电压与电动机M的转速成
5、正比。电动机的它激磁场绕组OM由另一直流电源供电,电阻R用以调整励磁电流。在方框图46中。给定部分由直流稳压电源及由方向继电器JSY,JXY及快车继电器JQF,检修继电器JLF组成电压分配器。给一次积分器输入一个可以反向的节跃电压。在一次积分电路中为了加快积分时间,提高速度曲线的线性度,还采用高压附加电源。为了使速度曲线比较理想化在二次积分电路的输入中附加了二极管转换电路及100H的电抗 图45 直流传动示意图器,以便得到起始抛物线,提高电梯启动舒适感。二次积分后得到一个完整的以时间为原则的电梯运行速度曲线。其输出给速度调节器,对电梯速度进行调节。速度调节器由比例放大器及比例积分环节组成。,图
6、46 三相励磁系统方框图 测速发电机由电动机带动发电,得到一个与电梯速度成正比的电压信号,其极性与给定电压相反。在调节器输入端给定电压与测速发电机电压串联比较得到一个速度差信号,加到比例积分调节器中进行放大,调节器的输出电压施加到两套触发器,使正向及反向脉冲触发器同时得到两个大小相等、符号相反的控制信号,使两组触发器产生的脉冲同时向两个相反的方向位移,用来控制可控硅整流器输出电压的大小和极性。,如果电梯控制电路定为上方向JSY,JQF给定为(+)电压,与测速机比较后给调节器一个正输入,其有一个负输出,使正向脉冲前移,其对应的135SCR处在整流输出状态。与此同时反向组脉冲后移,其对应的246S
7、CR处在待逆变状态。整流组给发电机定子绕组一个I+方向的励磁电流电梯向上运行,反之电梯向下运行。在系统中的电压软反馈环节由电感L及电阻R组成。取电阻R的电压作为反馈信号,电感L把发电机电压的高次谐波滤掉,电阻R的电压经RC微分后加到调节器的输入端,此电路在电梯开始启动和制动中起稳定作用。2单相可控硅励磁系统三相可控硅励磁系统,电路复杂成本高,为此采用单相可控硅励磁系统也能满足快速电梯的要求。在方框图47中可以看出,调节器是单向输出,用一个单结晶体管脉冲发生器可以同时触发两个可控硅。该系统是不可逆的。只有通过方向继电器JSY,JXY改变励磁电流方向控制电梯的上行与下行。积分器、转换电路与三相励磁
8、系统相同。图47 单相励磁系统方框图,3调节放大器的工作原理因为电力拖动系统中对速度的调节都采用比例积分调节器,在电梯拖动系统中无论交流调速还是直流调速都采用速度调节器,在这里简述其工作原理和在系统中的作用。图48 PI调节器,在电梯拖动系统中,电梯负载的变化,电动机励磁电压的波动,都可以维持电动机恒速。从而使系统具有机械特性硬,调速范围大,电梯舒适感好,平层精度高的优点。4可控硅励磁系统的速度曲线三相励磁系统速度曲线:图49a曲线1是一次积分电容1C的自然充电特性。曲线2是带有附加电源VF的充电特性。图49b是在二次积分电容2C充电电路中串有100H电感及电阻只的充电特性。图49c当快车继电
9、器JQF时,积分电路有一个节跃电压VG为高速给定电压。当JQF时有一低速给定电压VD。由于电容1C、2C、电感L的作用,在图49d的输出电压Usc的输出波形是图49c的速度曲线。电容器1C及2C的作用是形成圆角2和4,电感L的作用是形成圆角1和3。从曲线K点发停车信号由机械抱闸制动形成K斜线。,图49 给定积分电路,电梯的启动是依时间为原则,当JQF在F点开始换速停车也是时间原则。以时间为原则减速的电梯控制系统,乘梯舒适感不易保证。低速爬行平层时间长,电梯效率低,平层精度差的缺点。在单相励磁系统中,电梯在平层停车前,为了保证平层准确度,增加了平快给定,如图410所示。图410 真实的速度曲线,
10、第二节 交流电梯拖动系统 交流电拖动系统:以交流电动机为原动机的电力拖动系统称为交流电力拖动系统。电力拖动系统在电梯使用上的要求:电梯的运作基本就是靠电力拖动控制系统。尤其是乘客电梯在垂直升降运行过程中,其运行区间较短,经常要频繁地进行启动和制动,处于过渡过程运行状态。因此,曳引电动机的工作方式属于断续周期性工作制。此外,乘客电梯的负载经常在空载与满载之间随机变化。考虑到乘坐乘客电梯的舒适性,需要限制最大运行加速度和加速度变化率。总之,乘客电梯的运行对电力拖动系统提出了特殊要求。电力拖动系统的发展:自19世纪直流电动机拖动和交流电动机拖动问世,直至20世纪前半叶,凡是对调速性能要求较高的乘客电
11、梯,都采用直流电动机拖动。仅在对调速性能要求不高的场合,才采用单速或双速交流电动机拖动。直流电动机拖动系统具有调速范围宽、可连续平稳地调速以及控制方便、灵活、快捷、准确等优点。然而,早期的直流电动机拖动系统往往是直流发电机一电动机组调速系统,其体积、重量、能耗和噪声都很大。尽管后来用晶闸管可控整流器取代了直流发电机,可是直,流电动机结构较复杂、价格较贵、可靠性差、维护较为困难。到了80年代,由于电力电子技术及电力电子器件的不断发展和完善,相继出现了交流调压调速系统和交流变压变频调速系统,使交流调速系统的性能得到明显改善;而交流感应电动机的结构简单、运行可靠、价格便宜。因此,高性能的交流调速系统
12、得到越来越广泛的应用,而且显示出了用可调速的交流电动机拖动取代直流电动机拖动的趋势。目前,除了少数大容量乘客电梯仍然采用直流电动机拖动系统以外,几乎都采用交流电动机拖动系统。交流感应电动机具有结构简单便于维护的优点。供电电源可以直接取之电网。因此被广泛用于在各个领域。(P189)电梯在运行中,速度变化很大,高、低速度与电动机的转速有直接的关系。从电机学可知交流电动机的转速公式:式中,n电动机的转数,s转差率,f电网频率,p磁极对效。当s1时可以得到电动机的同步转速。从公式分析,改变交流电动机的转速有两个方法,改变极对数P和电动机供电电源的频率,在电机发热允许的条件下,在附加绕组中加直流电压产生
13、能耗制动调速。,一、改变磁极对数以6极24极为例,1000250rmin,本质上是两台电动机的定子线圈共用同一个转子。由图315可知该电动机是单绕组,每一个极相组的线圈都有一个抽头即D4,D5,D6。在24极运行时D1,D2,D3端子接电源。在6极运行时把端子D1,D2,D3用接触器CKF短接在一起,D4、D5、D6端子接电源,形成双星形接线。1电梯启动运行(图316,317)设电梯向上运行CS,CK,电机以转矩Ma启动运行,转速上升,JQS延时,转速升到b点JQS释放,如图411所示,CKF短路电阻RQ,电机从自然特性曲线1过渡到特性曲线2的C点,因为电动机的转速不能跃变,转矩McMH,这时
14、从自然特性曲线2的C点转速继续上升到d点,电梯在M11负载转矩曲线2的d点高速稳定运行。电磁力矩等于负载力矩McMH。图411 启制动过程曲线,当电梯运行到欲往层站发出换速信号时,电机从快速绕组切换成慢速绕组,接触器CKCKYCM。因为电梯系统转动惯性的存在,电机的转数不可能迅速下降。这时慢速绕组产生的是负转矩,从24极绕组的自然特性曲线3的e点开始降速到f点,延时继电器JXS,ICMY切掉,电阻Rz的一段。从曲线3到曲线4的g点。电机从曲线4的g点开始,由于负转矩的存在,电机转速延曲线4下降到A点。当JCS延时释放时2CMY又切掉一段电阻Rz,电机从曲线4到曲线5的i点。当延时继电器JYS延
15、时释放时,电机从曲线5的j点到曲线6的K点。这时电机24极绕组中串联的电阻Rz全部切除。电机转速曲线6继续下降到24极L点稳定运行,直到控制系统发出平层停车信号CM,CS电梯停止运行。2交流双速电梯拖动系统的速度曲线电梯在启动时,一级切电阻RQ。在制动时首先是切换绕组,由6极改为24极,切换时间间隔是三个接触器的动作时间,这时电梯靠惯性行驶,电机转速接近同步转速,当慢速绕组接入后24极绕组希望转子的转数立即变为250rmin,由于系统的转动惯性非常大,冲击电流大,是作不到的。总之慢速绕组对快速转子产生一个电磁制动力矩。采用在慢速绕组中串入电阻并逐级切除电阻获得电梯逐步减速最后停车。在电梯启动和
16、制动停车过程中都是有级的,完全依靠系统的惯性使台阶变的稍加平滑,这种电梯舒适感差。速度曲线如图412所示。,图412 切换电阻时序图 二、交流调压调速拖动系统 调压调速电动机是一种特殊电机,要求启动转矩大,启动电流要小,一般启动转矩是额定转矩的23倍,启动电流是额定电流的225倍。从电机学得知电动机的电磁力矩与定子电压的关系式为:式中:m1电机定子绕组相数 0转子同步机械角速度U1加在定子绕组上的电压,S电机转差率1定子绕组的电阻2折算到定子边的电阻 X1定子绕组的漏抗 X2折算到定子边的转子漏抗 当定子与转子参数一定时,在转差率S定时,电动机的电磁转矩M与加在电动机定子绕组上的电压U1的平方
17、成正比。即:M。由于电机设计时在额定电压下磁路已接近饱和,所以定子电压不易升高,只有在额定电压以下来调节对应于输出转矩下的电动机转速。图413是在定子电压变化时按照MU2的公式计算绘制的MS曲线。从曲线看出,在额定负载下,定子电压从UH降低到08UH时,曲线与负载转矩的交点是A和B及C点。A点与B点之间转速差是An,而C点与A点的转速差很大,但C点是在临介转矩MLi以下,电机工作不稳定。由于电压U1变化,同步转速n0临介转差率SLi不能变。但最临介转矩MLj及起始转速MQ却随U1变化。从工作点C来看当U1波,动U1时,转速耀变化非常大。因而在开环情况下,用改变U1降压调速范围是很小的。电压U1
18、越低,机械特性越软。图413 不同电压时的电机自然特性 因为电梯由高速运行到低速平层,电机转速变化很大,我们希望在C点能够稳定运行,满足电梯在启动、制动、慢速爬行平层的全过程中电机转速平滑调节。所以在交流调压调速系统中必须加入速度负反馈进行闭环控制。图414中,1是速度给定发生器。2是反应运行速度的测速发电机,它与电动机同轴联接,其信号极性与1相反。3是给定1与测速发电机2的比较电路,其输出是比较的结果,送到控制输出电压大小的,脉冲发生器4,5是可控硅调速装置。该系统的控制过程:电动机稳定运行时,1与2的差值为“0”,3的输出信号为恒定值。给定1不变,电机DY稳定运行。如果负载转矩变大,电机转
19、数相应下降,2的输出下降,1与2比较为正值时4使5输出增加,电压提高,DY转速升高 图414 方框图,测速发电机2转速也升高,1与2比较值减小,经反复调节当电机DY转速重新恢复到稳定值时,1与2的差值为“0”。当负载转矩减小时,在给定电压1不变的情况下,DY转速变快比较后差值为负,经调节后维持电机转速不变。电梯的拖动调速系统要求恒转矩调速,因为电梯是恒转矩负载。现以双速电动机4极绕组为电动组,图417,16极绕组为制动组图416。4极绕组中每相都串联两个反并联的可控硅即SCR16。16极中串有单相半控桥式整流电路,其中有两只可控硅SCR7,SCR8,结合图415分析电梯满载上与下的起动加速,高
20、速运行、制动减速、低速平层的工作过程。,图415 制动过渡过程 图416 制动电路 满载上行时,电梯轿厢比平衡器侧重。在电梯启动瞬间,制动器刚打开,电梯企图向下溜车,因为电梯还没有启动,电动机转速是零。为了不溜车,制动阻绕组起作用产生电磁制动力矩。图417 启动电路,电梯开始启动并加速时,制动绕组失电,电动绕组起作用。在n0时负载力矩MH小于MB电磁力矩,电机正转电梯开始启动向上运行,沿曲线2上升到点C,由于给定电压逐步升高,4极绕组电压升高电磁力矩逐渐加大,沿曲线点CDEFG变化最后稳定在G点,给定电压不升高为止。4极绕组产生的电磁力矩等于负载力矩MH电梯高速稳定运行在G点。当电梯开始制动减
21、速时给定电压下降,电动绕组和制动绕组同时得电,交替工作。刚开始减速时制动绕组在P点产生的制动力矩再加上负载力矩大于电动绕组产生的电磁力矩,电机从G点开始减速给定电压逐步下降,随着电机转速下降,电动与制动绕组的电压也随给定电压逐步下降,经过电动机在与象限不断的变化电动与制动的工作状态交替变化。当给定电压不再下降时,电机的电磁力矩等于负载力矩,电机稳定运行在A点,制动绕组失电,电梯进入低速平层状态。在制动停车时,电动绕组失电,制动绕组得电,电机从象限到象限的A进行能耗制动最后停车,电机转速为零。满载下行时,负载力矩变成了电动力矩,在电梯刚启动时,制动绕组起作用,以防电梯溜车,在加速过程中,电动绕组
22、起作用,制动组失电,这时使电机加速的力矩是小的电磁力矩加上负载力矩,使电梯按着给定曲线向下加速。在高速运行过程中电动与制动绕同时得电交替工作。在减速过程中电动绕组失电,制动绕组得电,制动力矩强迫减速。按给定电压进入到平层状态。在停车时电动绕组失电,制动绕组得电,加强制动,电梯停止运行。,1交流调压调速系统方框图为了获得较硬的机械特性,扩大系统的调速范围,采用速度负反馈组成单闭环调整系统。测速发电机同轴联接,当电动机转动时,测速发电机的输出电压Uf直接反映电动机的转速变化,与系统中给定电压UG组成比较电路,图419所示比较后的差值电压U送到PI调节器,其输出电压Uk,控制电动单元与制动单元的触发
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