电气工程及其自动化毕业设计-陡波前冲击电压发生器设计(含外文翻译).doc

1、本科毕业论文（20 届）陡波前冲击电压发生器设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- -I-陡波前冲击电压发生器设计摘 要电力系统中的高压电气设备在投入运行之前需要进行冲击电压试验来检验其在过电压作用下的绝缘性能。随着电力科技的发展，需要进行冲击电压试验的试品种类日益增多，尤其是例如防爆电机一类的大型电机设备。电机作为电能生产的基本设备，对整个电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用，国内外的运行经验和大量资料表明，电机的运行事故中，磁极线圈匝间绝缘损坏所占的比重较大，尤其是大型防爆电机，因此，对高压防爆电机进行

2、全面的技术研究与绝缘试验就显得极其迫切和重要。本课题通过阅读国内外大量文献，提出了一种检测线圈匝间绝缘的耐压冲击试验方法，并对试验设备进行了初步的设计。在进行冲击电压试验时，由于必须用冲击电压发生器产生符合国家标准的雷电波或者-操作波波形，且各种电气设备所呈现出的阻抗性质也不同，所以就造成了每一次试验时都要对所有的试验参数进行新的计算和选择，这自然会影响到发生器的同步特性。甚至有些时候仅仅利用改变调波元件参数的方法已经不能满足输出的要求。这就使得我们在设计及试验时有很大的困难，对冲击电压发生器的输出能力也提出了新的要求。为更充分利用已有的冲击电压发生器，需要针对不同情况采取措施进行改进，以产生

3、符合标准要求的输出波形。本文利用电路仿真软件 orcad 建立发生器模型，进行不同情况下的仿真计算，其目的是为了比较采取措施前后不同的输出波形，从而验证所采取的改进电路法等措施的有效性。该设计方案已用于电机企业的生产，运行结果表明设计是合理的。关键词 防爆电机；绝缘试验；陡波头；冲击电压发生器哈尔滨理工大学学士学位论文- -II-Steep front impulse voltage generator designAbstractHigh-voltage electrical equipment in the power system need to be put into operatio

4、n before the impulse voltage test to test the effect of over-voltage insulation performance. With the development of the power of science and technology, the need for the growing number of trial types of impulse voltage test, especially such as explosion-proof motor of a type of large-scale electric

5、al equipment. Motor as the basic equipment of the production of electricity, safe and stable operation of the entire power system plays a vital role, domestic and international operating experience and the large amounts of data showed that motor run accident in the pole coil interturn insulation dam

6、age to the share of the proportion of , especially large-scale explosion-proof motor, therefore, comprehensive technical study on the high-pressure explosion-proof motor and insulation test is extremely urgent and important.This topic by reading the extensive literature at home and abroad, a detecti

7、on coil interturn insulation pressure impact test method and test equipment for the preliminary design. When the impulse voltage test must meet the national standard lightning wave impulse voltage generator - operating waveforms, and a variety of electrical equipment showing the impedance nature is

8、different, so it causes every test the new calculation and selection of all test parameters, which will naturally affect the synchronization characteristics of the generator. Or sometimes even just change the modulated wave component parameters can no longer meet the output requirements. This allows

9、 us to have great difficulties in the design and test the output of the impulse voltage generator also proposed new 哈尔滨理工大学学士学位论文- -III-requirements. To more fully utilize the existing impulse voltage generator, you need to take measures for different situations to improve and meet the standard requ

10、irements to produce the output waveform.In this paper, the circuit simulation software orcad generator model, the simulation under different circumstances, the purpose is the improved circuit and method effectiveness of measures taken in order more to take measures before and after the output wavefo

11、rm to verify.The design program has been used in the production of the motor business, the results show that the design is reasonable.Key words Explosion-proof motor; insulation test; steep wave head; impulse voltage generator哈尔滨理工大学学士学位论文目 录摘 要 .I第 1 章 绪论 .11.1 课题的研究背景 .11.2 发展趋势 .11.3 研究意义 .41.4 常

12、用陡波产生方法 .51.5 本文主要工作 .5第 2 章 冲击电压发生器的基本原理 .72.1 基本原理 .72.2 陡波冲击电压的形成 .72.3 基本回路分析 .102.3.1 已知回路元件参数求波形参数 Tf 和 Tt.102.3.2 已知波形参数 Tf 和 Tt 求回路参数 .122.3.3 计算方法 .122.3.4 冲击电压发生器的技术特性指标 .122.4 本章小结 .13第 3 章 陡波前冲击电压发生器的设计 .143.1 整体电路的构成及工作原理 .143.2 回路的选择 .153.2.1 充电基本回路 .153.2.2 基本放电回路 .153.3 波头波尾电阻的计算 .16

13、3.4 设备调试 .173.5 发生器的结构 .183.6 冲击电压发生器设计计算举例 .183.6.1 已知回路参数, 求波形参数 .183.6.2 已知波形参数 Tf 和 Tt 求回路参数 .193.7 本章小结 .20第 4 章 OrCAD/PSpice 对电路仿真 .214.1 课题研究的方法和采用的工具 .214.2 orcad 简介 .214.3 优点 .224.4 电路图的生成（Capture） .224.5 电路特性分析及参数设置（Profile ） .23哈尔滨理工大学学士学位论文4.6 运行 Pspice A/D 程序 .244.7 模拟结果的显示与分析（Probe） .2

14、44.7.1 模拟的显示 .244.7.2 结果分析 .254.8 电路参数的修改 .254.9 开发仿真实验的必要性 .264.10 本章小结 .26结论 .27致谢 .28附录 .30哈尔滨理工大学学士学位论文-1-第 1 章 绪论1.1 课题的研究背景随着改革开放的不断深入，高压电机在经济建设中所起的作用越来越重要，对高压电机的需求量越来越多，同时对高压电机的技术水平的要求也越来越高。例如：三峡工程等大型水电工程项目，这些项目的特点是单机容量大、额定电压高，而且总装机容量也非常大，所以，对高压电机进行全面的技术研究与开发就显得极其迫切和重要。在高压电机中绝缘系统占有非常重要的地位。它在很

15、大程度上决定着高压电机的运行寿命和运行可靠性。尤其是一些特种电机，比如与本文所研究相关的防爆电机 1。防爆电机是通常使用在易燃易爆场合的一种特种电机，它通过使用隔爆外壳把可能产生电弧、火花及危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开，最大的优点就是在运行过程中不产生电火花。作为动力设备，其主要应用于煤矿、天然气、石油、化学工业和石油化工等爆炸性危险场所;作为主要的动力设备，常用于风机、驱动泵及其他传动机械。此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用 2。伴随着生产的发展、科技的发展，有爆炸危险的场所也在不断增加，比如一些以易燃易爆气体为原料的企业：食用油生产

16、过去是用传统的压榨法工艺，20 世纪 70 年代以后，我国开始引进国外先进的浸出油工艺，但此工艺中要使用含有己烷的化学溶剂，己烷是易燃易爆物质；因此浸出油车间就成了爆炸危险场所，需要使用防爆电机和其他防爆电气产品。随着公路的迅速发展，一大批燃油加油站的出现，也给防爆电机提供了新的市场 3。1.2 发展趋势我国生产制造防爆电机的企业有近百家（原机械系统归口的企业有 60余家） ，防爆电机产量约为 320 万千瓦。绝大多数企业不仅生产防爆电机，同时还生产其他电机产品。其中，防爆电机生产达到一定规模的有近 20家。2004 年，防爆电机行业 25 个主导企业完成防爆电机产量近 400 万 kW，全行

17、业销售产值近 50 亿元，实现利润 4.5 亿元。目前我国开发、生产的防爆电动机有 130-140 个系列，750 多个品种。生产、使用量较大的防爆电机产品为 YB 系列隔爆型三相异步电动机和 YA 系列增安型三相异步电动哈尔滨理工大学学士学位论文-2-机，YB 系列电机的产量占防爆电动机总产量的 60%以上，YA 系列电机的产量约占防爆电动机总产量的 7%4。尽管我国防爆电机在技术水平、品种等方面基木上可以满足国民经济发展的需求，但是与国外先进发达国家相比，在技术水平和产品品种等方面还是存在着不小的差距。防爆电机产量在国内市场上已经呈现出供过于求的趋势，产品竞争日趋激烈，而防爆电机产品出口量

18、相对较小，且基木上是配套出口，有数据表明 1999 年防爆电机出口创汇仅仅 121 万美元 4。就国外情况而言, 我们掌握的欧美和日本等国的资料较少, 现有的资料多为失效分布和数理统计方面的理论书籍, 具体的试验方法、试验设备和试验原理等方面的资料较少。IEC3418( 1992 年版) 交、直流旋转电机绝缘系统温度评价及分级中规定了普通电机绝缘系统可靠性的试验程序和方法。从中可以看出, 就其方法步骤与前苏联标准大体相同, 整个试验过程分若干个周期, 每个周期由一个热老化子周期和一个诊断子周期组成, 包括温度和机械试验、湿热试验、电压试验及其他诊断试验。由于前苏联在防爆电机可靠性领域方面的研究

19、工作了解的比较多, 其中, 前苏联国家一级研究员、工学博士瓦涅耶夫编著的防爆与矿用电气设备的可靠性一书对我们开展研究工作有很强的针对性。为此, 课题组成员曾专程赴乌克兰( 原全苏) 矿用与防爆电气科学研究院进行考察访问, 并与瓦涅耶夫本人进行了技术交流, 收集了大量有价值的资料。通过对前苏联在该领域的研究工作进行了较全面的了解后得知, 他们花费了大量的人力、物力、财力和时间对防爆电机的可靠性进行了全面的研究, 其中包括可靠性理论、数学模型、可靠性试验装置的设计、制造以及试验方法和试验标准的编制等。但随着苏联的解体, 他们的理论研究被迫中断, 试验设备也因资金问题得不到及时更新, 比较陈旧, 基

20、本上停留在七、八十年代的水平上 5。在国内, 上海电器科学研究所自七十年代开始由国家投入了相当大的人力、物力, 对普通 Y 系列电机进行了可靠性试验研究工作, 八十年代末又对普通 Y 系列电机的绝缘结构的可靠性进行了摸底试验 , 并提出了一整套可靠性指标的评定办法, 基本上摸清了新型聚脂类绝缘结构的可靠性指标、性能和特点, 对我国 Y 系列及派生系列电机的质量提高起到了推动作用。此外, 佳木斯防爆电机研究所自 1992 年开始开展该领域的研究工作, 主要针对吊车电机的可靠性进行研究, 并建立了试验室。南阳防爆电气研究所在八十年代末、九十年代初对防爆电机可靠性研究进行了大量的前期准备工作之后,

21、于 1995 年开始进入实质性的研究阶段, 先后起草了防爆电机可靠性评定试验方法和有关试验细则, 并于 1996年起斥资 180 万元筹建防爆电机可靠性试验室。1999 年防爆电机可靠性试验室在我所正式建成投入运行后, 首先对南阳防爆电机厂的 8 台YB160 4P 防爆电机进行了可靠性摸底试验。经过 13 个周期共 300 多小哈尔滨理工大学学士学位论文-3-时的试验, 其中有两台早期 ( 第 1、2 周期) 出现故障( 设备原因) , 其余 6 台直到第 13 周期时 1 台损坏, 全部达到了 20 000h 运行寿命试验要求6。与此同时,也成功地对试验设备的性能和可靠性进行了摸底, 针对

22、设备出现的问题及时进行了分析研究, 并进行了整改, 使设备的性能和可靠性进一步提高,在最后的评审验收中得到了有关专家的一致认可。在掌握了国内外可靠性试验装置及有关标准资料和我所摸底试验结果的基础上, 经过多方论证、探讨、研究后, 与佳木斯防爆电机研究所一起共同制订了隔爆型三相异步电动机可靠性指标评定方法( 试验室法) 及实施细则, 和隔爆型三相异步电动机隔爆组件可靠性指标评定方法( 试验室法) 及实施细则。两项标准于 1999 年批准,标 准号 分别 为: JB/ T 50136. 1 1999, JB/ T50136. 2 1999。这些标准和实施细则是在参考了前苏联、欧美及国内有关资料的基

23、础上, 结合我国实际情况制订出来的, 对如何加速考核防爆电机的绝缘可靠性和隔爆组件的防爆可靠性提出了明确要求, 对抽样、失效判据、失效分布、可靠度、可靠寿命及加速寿命试验方式等进行了规定, 明确提出了对试验设备的要求, A、B 系数的确定等。实施细则还明确规定了试验装置的技术要求和考核评定方法, 使标准的可操作性更充分明了 7。防爆电机的分类：1.按电机原理分可分为防爆异步电机、防爆同步电机及防爆直流电机等。2.按使用场所分可分为煤矿井下用防爆电机及工厂用防爆电机。 3.按防爆原理分可分为隔爆型电机、增安型电机、正压型电机、无火花型电机及粉尘防爆电机等。4.按配套的主机分可分为煤矿运输机用防爆

24、电机、煤矿绞车用防爆电机、装岩机用防爆电机、煤矿局部扇风机用防爆电机、阀门用防爆电机、风机用防爆电机、船用防爆电机、起重冶金用防爆电机及加氢装置配套用增安型无刷励磁同步电机等。此外，还可以按额定电压、效率等技术指标来分，如高压防爆电机、高效防爆电机、高转差率防爆电机及高起动转矩防爆电机等。目前防爆电机产品存在着防爆电机通用基木系列多、专用特殊型防爆电机少、产品可靠性较差、产品标准化水平低等问题，今后的大致发展趋势和努力方向为:(l)大力开发专用、特种防爆电机(2)实现防爆电机机电一体化(3) 设计开发环保和高效节能产品(4) 努力提高防爆电机的制造工艺水平(5)提高产品整体可靠性。防爆电机产业

25、发展的重点在于: 优先研发一批市场容量大、能体现防爆电机行业的实力和水平、能够参与国际市场竞争的新型系列防爆电机，认真做好产品结构调整工作，要求可靠性高、节能节材、高效，各项能力指标均能接近或达到国际市场的要求，同时，要符合DIN426.3 或 IEC 标准。我国防爆电机产品要想在国际机电市场中占取一定的比例份额，就不得不研发“绿色电机” 新系列节能产品，以创立中国防爆电机的高品质形象。另外，企业要围绕重点产品进行技术结构的调整。对那些严重供大于哈尔滨理工大学学士学位论文-4-求的产品要压缩过剩的生产能力，坚决淘汰资源消费严重、技术性能落后的产品，淘汰落后的设备及工艺工装，引进和添置必需的先进

26、设备，通过资源重新配置和对企业进行技术改造，缩小我国防爆电机制造水平同国外先进工业国家之问的差距。1.3 研究意义在当今市场竞争激烈、国际贸易日益全球化的情况下, 产品质量的好坏是能否占领市场的关键因素, 而产品的可靠性又是衡量产品质量优劣的关键指标。可以肯定, 产品的可靠性在今后的国际贸易中将成为竞争的焦点。我国自 1982 年与 GAT T (关税和贸易总协定) 进行多边贸易谈判以来, 深深感到国内产品的可靠性指标偏低, 有些产品甚至还没有可靠性指标的评定方法, 这极大地阻碍了我国产品进入国际市场的进程。因此, 国家有关部门陆续下发了有关加强产品可靠性工作的文件, 其中包括国家质量技术监督

27、局 1994 年以技监管 1994 365 号文件发出的“关于加强产品可靠性工作的若干意见”, 原机械工业部又以机科行1994 142 号文“关于印发机械工业今明两年可靠性工作要点的通知”, 指导全国机械工业可靠性工作。后者明确指出, 提高产品质量可靠性是振兴我国机械工业“三大战役”中产品质量翻身仗的关键所在, 希望在近几年内, 机械行业各部门逐步完善标准、设计、制造和检测等方面的工作, 使我国机械行业产品质量上一个新台阶, 以适应我国加入 WTO 后的严峻挑战。防爆电气技术主要运用于煤炭、石油、天然气开采、纺织、交通、粮油加工、化工、石油精炼等行业中有爆炸性气体或爆炸性粉尘混合物的环境中,

28、是关系到国家财产和人民生命安全的一项重要技术, 其中对防爆电气产品的制造和检验, 国家均颁布了强制性标准。防爆电气产品包括防爆电机、防爆灯具、防爆仪表、防爆电气控制装置等, 其中防爆电机是量大面广的产品, 其电气、防爆性能的可靠性直接影响到以上所述的工业部门安全生产和发展, 尤其是石油、化工行业。因为这些工业部门生产的特点是大规模连续运行作业, 设备的安全运行是事关重大的, 一旦设备出现故障、发生事故, 就会造成不可估量的经济损失。在此之前,我国在防爆电机可靠性领域的研究基本上处于空白状态, 因此在我国开展防爆电机可靠性研究工作不仅是必要的, 而且是迫切的。我国对防爆电机可靠性的试验研究工作起步较晚, 随着改革开放和市场经济的深入发展, 我们了解到开展防爆电机可靠性研究工作的重要性,和我国在该领域与国际上发达国家存在着很大差距。国际上发达国家, 如欧美国家、日本和前苏联从二十世纪五、六十年代就已经开始了防爆电机可靠性的研究工作, 他们无论在理论上, 还是在试验设备、检测手段以及管理等方面均达到了很高水平, 并培养出一大批素质很高的资深专家队伍,发表了许多专著和研究论文, 制订了一整