毕业设计（论文）-次同步转速下串级调速系统设计与仿真研究.doc

I摘要本文介绍次同步转速下串级调速系统，它是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电动势而产生的，属于转差功率回馈型调速系统，具有结构简单、可靠、经济、维护方便等优点，在工业生产中得到了越来越广泛的应用。串级调速是异步电动机十分经典的调速方法之一，它可以实现无级平滑调速，是结构简单、发展较快、技术难度较小、性能比较完善的一种控制系统。串级调速技术除可用于新设备设计外，还可用于对旧设备进行技术改造。因此，研究和应用串级调速技术具有极大的技术和经济意义。本文着重对异步电动机串级调速系统的工作原理，静、动态基本性能等进行分析研究；进行转速、电流双闭环串级调速系统的动态参数设计；讨论了具有双闭环控制的串级调速系统的工作过程，并用MATLAB软件对系统性能进行了仿真。关键词：异步电动机；串级调速；转差功率回馈型；MATLAB仿真IIAbstractInthispaper,cascadethyristorspeedcontrolintroducesadditionalEmfthroughtherotorloopofthewound-inductionmotor,whichbelongstoslippowerfeedbacksystemandissimpleinstructure,reliable,economicandeasilymaintained,andhaswonincreasinglybroadapplicationsinindustrialproduction.Cascadespeedcontrolisoneoftheveryclassicspeedcontrolmethodinasynchronousmotor,whichcanrealizesteplesssmoothingspeed.Itisasimpleandrapidcontrolsystemwithlowlevelofdifficultyintechniquesandratherperfectperformance.Thyristorcascadespeedcontroltechnologycanbeusedintechnicaltransformationforoldequipmentinadditiontothedesignofnewequipment.Therefore,studyandapplicationofthyristorcascadespeedcontroltechnologyareofgreattechnicalandeconomicsignificance.Inthispaper,theworkingprincipleandthebasicperformanceofcascadespeedcontrolsystemininductionmotorarestudiedemphatically.Thedynamicparametersofcascadespeedcontrolsystemusingbothspeedloopandcurrentlooparedesignedundertheconditionofknownstaticanddynamicperformancerequirements.Theworkingprocessofcascadespeedcontrolsystemwithdouble-closed-loopisdiscussedandthesimulationforthesystemperformancearemadewithMATLABsoftware.Keywords:Asynchronousmotor；CascadeSpeedControl；Slippowerfeedback；MATLABsimulationIII目录1绪论.11.1交流调速系统的发展.11.2交流调速技术现状.11.3课题研究意义.21.4课题分析与研究计划.31.5社会经济效益分析.32串级调速的基本原理.52.1交流调速方式.52.2异步电动机串级调速原理.62.3串级调速的各种基本运行状态及功率传递关系.82.4串级调速系统的基本类型.102.5串级调速系统方案的确定.113串级调速系统的调速特性和机械特性.133.1串级调速系统转子整流电路的工作状态.133.2串级调速系统的调速特性.143.3次同步串级调速系统的机械特性.153.3.1异步电动机在自然接线方式下的最大转矩.163.3.2串级调速异步电动机工作在第一工作区内的机械特性.163.3.3串级调速异步电动机工作在第二工作区内的机械特性.184控制环节单元电路研究.204.1反馈检测装置.204.1.1电流检测装置.204.1.2转速检测环节.204.2电流、速度调节器结构选择.214.2.1电流调节器ACR的结构.214.2.2速度调节器ASR的结构.214.3给定积分器.225次同步串级调速系统的工程设计研究.235.1系统电路及原理图设计.235.2实验调试及数据分析.245.2.1直流测速发电机的工作特性.245.2.2串级调速系统开环工作机械特性.26IV5.2.3串级调速系统单闭环工作机械特性.275.2.4串级调速系统双闭环工作机械特性.305.3串级调速系统的MATLAB仿真研究.335.3.1用MATLAB建立双闭环串级调速系统的仿真模型.335.3.2系统仿真波形及其分析.35结论.39参考文献.40致谢.41附录MATLAB简介.4211绪论1.1交流调速系统的发展直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶，鉴于直流电动机优良的调速性能和转矩控制性能，在高精度可调速的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电动机。然而由于直流电动机本身结构带有电刷和换向器，成为限制自身发展的主要缺陷，导致其生产成本高、制造工艺复杂、运行维护工作量大，不能在粉尘、爆炸危险等恶劣环境下使用。而且由于机械换向限制，其最大供电电压与机械强度均有限，所以直流电动机的单机容量、转速的提高以及使用环境都受到限制，很难向高速和大容量方向发展，从而限制了直流拖动系统的进一步发展。近年来，其发展速度明显滞后于交流调速系统。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、坚固耐用、经济可靠等突出优点，且能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行，因而被广泛应用，几乎所有不调速的拖动场合都采用交流电动机。因此不少国家就致力于交流电动机调速技术的研究，而且交流调速系统的方案也早有多种发明并得到实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。其主要原因是决定电动机转速调节因素的交流电源频率的改变和电动机转矩控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性、可靠性、经济性及效率均不能满足生产要求。近年来，随着新型大功率半导体器件、大规模集成电路、计算机技术的发展和电力电子器件的更新换代，加上交流电动机本身的优越特性，交流调速技术获得飞速发展。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围、较高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率等优异性能，交流传动控制系统逐步取代直流调速已成为明显的发展趋势。1.2交流调速技术现状目前，具有代表性的交流调速系统有：晶闸管调压调速系统、异步电动机串级调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统、矢量变换控制系统等。在交流电动机的控制策略方面，出现了交流电动机的矢量控制技术，这种理论的提出和2成功应用，为高性能交流调速装置奠定了理论基础，使交流电动机的调速技术取得了突破性进展，开创了用交流调速系统代替直流调速系统的时代。20世纪80年代掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步完善和发展，一些新的控制策略和方法相继提出并被采用，例如“直接转矩控制”就是80年代中期提出的又一交流调速控制技术，它采用闭环控制，直接控制电磁转矩和定子磁链，系统更加简单，控制更加直接，受到各国的重视。近几年来，各国学者正致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器。由于无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛的兴趣。随着现代控制理论的发展，交流调速控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络、自适应控制、模糊控制等各种控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速控制技术的发展。可以预计，高性能交流调速系统的发展必将取代直流调速系统成为电力拖动领域的主要力量。1.3课题研究意义在异步电动机的各种调速技术中，变频技术具有调速精度高、特性硬和可靠性高等特点，应用十分广泛。特别是对于低电压等级的交流电动机调速，变频技术已经很好的解决了节能问题并得到了广泛应用，有非常广阔的发展前景。但是当调速电动机功率较大时，采用变频调速变流元件将面临承受高压变流问题，因而困难较多，且装置复杂、庞大，初期投资大，要求使用和维护的技术水平高，成本显著增加，使得企业节能降耗、提高效益的目标不能实现。所以对于大功率交流异步电动机调速问题，特别是高压电动机调速问题，定子回路变频调速难以实现。串级调速是一种简单实用又经济的交流异步电动机调速方法，它是在转子回路中串入附加电动势，通过改变附加电动势的大小，来达到改变转子电流进而改变电磁转矩和转速的目的。串级调速的根本点不是去控制电机的定子侧，而是控制转子侧，通过对电机转子电流的控制改变电机的转差率进行调速。由于串级调速装置承受的是转子回路低得多的电压和较电机额定功率小得多的转差功率，所以高压串级调速的经济性3明显优于变频调速。由于采用晶闸管的串级调速系统在效率、机械特性等本质方面和变频调速几乎是完全一致的，尤其在节能方面，串级调速具有突出的优势，特别是晶闸管次同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而在电机拖动中获得了广泛应用。本文着重对绕线转子交流异步电动机转差功率回馈型调速系统即异步电动机串级调速系统的工作原理和工作特性进行深入分析与研究。在此基础上建立串级调速系统的数学模型，设计次同步晶闸管串级调速系统，用计算机仿真工具MATLAB及其SIMULINK工具箱建立串级调速系统的仿真模型，并且用MATLAB对串级调速系统进行仿真研究，进一步分析交流调速系统的静、动特性，论证仿真模型的正确性以及利用MATLAB/SIMULINK进行系统建模与仿真的有效性和可行性，为今后更深入的研究提供有效手段，具有重要的理论意义和实用价值。1.4课题分析与研究计划本文内容主要分为五部分。第一部分从绕线转子异步电动机习惯使用的转子串电阻调速方法的缺点入手，讨论控制转子变量的另一种调速方法即次同步串级调速系统的工作原理；第二部分为了获得异步电动机在串级调速时机械特性的计算公式，详细分析异步电动机在转子接有整流器时整流电路的工作状态，提出转子整流电路的强迫延迟导通工作的概念；第三部分对转速、电流双闭环串级调速系统主电路主要元器件进行选择；第四部分分析双闭环串级调速系统控制回路各单元电路的组成及工作原理；第五部分对双闭环串级调速系统进行工程设计，用MATLAB软件对系统性能进行仿真研究，并与其它调速系统性能进行比较。1.5社会经济效益分析以造纸行业为例，造纸业是我国基础工业之一，在国民经济中占有重要地位。早期的造纸机及多数对速度调节控制要求较高的工业设备都采用直流调节控制装置，驱动直流电动机进行速度调节控制。我国造纸机传动设备以前采用晶闸管直流调速方式，由于老式纸机很多采用单直流电机传动，且通过机械分配转速的方式进行调速，在生产过程中经常因为机械磨损、皮带打滑等因素造成速度匹配失调，形