基于串级调速的双闭环控制系统毕业设计

1、辽宁工程技术大学前言现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。随着近代电力电了技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。

2、自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。控制理论广泛用于电力电子技术中，它使用电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电与强电这两者的结合。自动控制理论则是实现这种结合的一条强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。本设计报告首先根据设计要

3、求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算，从而达到设计要求。1 串级调速系统1.1主电路方案的确定全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速，电流双闭环调速系统。对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大，从而限制了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控制，此时可以采用绕线转子异步电动机。常见的绕线转子异步电动机用转子回路串电阻调速，

4、这种调速方法简单、操作方便且价格便宜，但在电阻上将消耗大量的能量，效率低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性能较好的绕线转子异步电动机转差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因

5、而获得了广泛的应用。1.2系统静态及动态要求若采用转速负反馈和pi调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分

6、利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统

7、的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。 1.3串级调速原理及基本类型假定异步电动机的外加电源电压及负载转矩都不变则电动机在调速前后转子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势则转子电流为 式中： ：转子回路电阻； ：转子旋转时转子绕组每相漏抗；：转子开路相电势 ；电动机在正常运行时，转差率s很小，故。忽略有,上式中，为取决

8、于电动机的一个常数，所以，改变附加电势可以改变转差率s，从而实现调速。设当= 0时电动机运行于额定转速，即,由（式1-2）可见，当附加电动势与转子相电势相位相反时（前取负号），改变的大小，可在额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（前取正号），改变的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速（即s 0）。串级调速四种基本状态方式下能量传递方式如图1-1所示，图中不计电动机内部各种损耗，即认定定子输入功率p即为转子输出功率。图1-1 串级调速系统的基本状态方式晶闸管低同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，

9、将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。电气串级调速系统原理图，见图1-2图1-2 电气串级调速系统原理图1.4电动机供电方案的确定变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称g-m系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称v-m系电压。通过调节触

10、发装置gt的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用pwm，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选v-m系统。在v-m系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置gt输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压ud。 由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉 动频率比三相半波高，因而所

11、需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、 体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。在一般情况下，晶闸管变流装置所需的交流电供电压与电网往往不一致。另外为了减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常要配用整流变压器。为了抑制谐波干扰，一般采用接法的整流变压器。考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异

12、步电动机的容量计算如下：式中，串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系统，该取大一点；按照常规运算方式计算的电动机容量。从产品手册中选择的电动机容量本设计采用内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。该电机定额为连续定额s1，基本防护等级为ip23，基本冷却方法为ico1，基本结构和安装方式为ibm3。控制电机型号jrnt1512-4最高/最低转速1480/690r/min额定功率45kw效率95%定子电压/电流380v/85.9a功率因数0.87转子电压/电流340v/81a控制装置型号jc4-800a/800v表1-1 绕线式异步电动机由于调速范围

13、小，且对动、静态性能有一定性能要求，选用晶闸管串级调速双闭环调速系统比较合适。整流器采用三相桥式全控整流电路。2电动机容量校核（一）最大转差率式中：电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速； ：串级调速系统的最低工作转速；：调速范围 转差率 s =（1500-1480）/1500=0.0133；最大转差率 smax= (1480690)/1480=0.5337；调速范围 d= / =1480/690=2.1449；（二）转子整流器的最大输出电压型号kitkutkuvkivkilklk 三相带中线0.3670.670.5770.4721.3510.866三相桥0.3671.350.8150.8

14、161.0520.5双三相桥串联0.3672.70.8161.5781.0340.360.52双三相桥并联0.1841.350.4180.7891.0310.260.32表2-1 变流器主电量计算系数 1式中： ：转子开路相电势； ：整流电压计算系数，见表2-1；则 （三）最大直流整流电流式中： m：电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数2； i2n：转子线电流额定值； kiv：整流电压计算系数，见表2-1； idn：转子整流器输出直流电流额定值；idn= i2n/ kiv； 1.1：考虑到转子电流畸变等因素的影响而引如的系数；则 （五）最大直流整流电阻（六）定子电阻定转子绕组的变比=折算

15、到转子侧的定子电阻=（七）电动机额定转矩（八）折算到转子侧的漏抗3整流二极管的选择 3.1整流二极管电压的选择 设每个桥臂上串联的整流二极管数目为n=3，则每个二极管的反向重复峰值为 式中： ： 电压计算系数，见上表 2-1； ：转子开路相电势 ； ：均压系数，一般取0.9。对于元件不要串联时取1 ；由上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围d有关，调速范围越高，元件承受的电压越高 。则： 3.2整流二极管电流的选择 在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。设并联支路数为np = 3则每个整流二极管的电流计算如下： 式中： k ：电流计算系数，见表2-1；

16、i：转子整流器最大直流整流电流； k ：均流系数。其值可取0.80.9，对于元件不并联的情况下取1 ；4逆变变压器的参数计算 4.1概述对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配；同时也希逐转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。 4.2逆变压器二次侧参数的初步计算 （一）逆变压器二次侧电压根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定： 式中： u：逆变变压器二次侧线电压 ； u：转子整流器最大输出直流电压； k ：整流电压计算系数，见表2-1； ：最小逆变角，一般取30； 即， （二）逆变变压

17、器折算至直流侧电抗，则，折算到直流侧等效电阻（三）平波电抗器直流电阻（四）在串级调速状态运行时的额定转速当s=1时，电动机定子折算到直流侧的等效电阻为1.73，故电动机额定转矩考虑到换相重叠角的影响，并经线性化处理，上式中为则转矩降低系数为（五）串级调速状态运行时最高转速的确定直流回路总等效电阻为式中，电动机折算到直流侧的等效电阻，可按功率相等的原则进行折算，即得 （六）最大电流时的电动势系数为：（七）最大转速：则 （八）转速降低系数（九）电动机校验或即，所选电动机符合要求。所以，时，换相重叠角为系统工作在第一工作区。4.3逆变变压器计算逆变变压器二次侧线电压又因为 逆变变压器计算容量为逆变变

18、压器一次侧电流因此修正为 符合前面所取的值5硅整流元件及晶闸管的选择（一）参数计算式中 （三相桥式电路、电感性负载）取 因为 取 选择硅整流元件zp150-12六只，晶闸管kp150-12六只。（二）调速系统的保护晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。（1）过电压保护不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非先行元件限制过电压 的幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用

19、储能元件吸收产生过电压的能量。实用中常视需要在电路的不同部位选用不同的方法，或者在同一部位同时用两种不同保 护方法。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。1、交流侧过电压保护本设计采用阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻r和电容c进行保护。如图5-1所示：图5-1 阻容保护电路图变压器接法单相三相、二次联结三相二次联结阻容装置接法与变压器二次侧并联y联结d联结y联结d联结电容1/3c3cc电阻3r1/3rr表5-1 变压器连接及阻容选择对于三相电路，和的值可按表5-1换算。本系统采用d-y连接。s=1.9299kva， u2=120v 变压器励磁电

20、流百分数iem取值：当 s=110kva时，对应的iem=41，所以iem取3。c 6iems/u22= 6334103/1202=14.17f选取20f的铝电解电容器。变压器短路电压比选取： s=110kva，i=15，所以i取3。 2.3 u22/s =2.31202/1.9299103 =9.37即，选取电阻为zb1-10的电阻。（二）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护,如图(3-2)所示。u1ma=（1.8-2.2）udc=(

21、1.8-2.2) 230=414-460v选my31-440/5型压敏电阻。允许偏差+10（484v）。晶闸管及整流二极管两端的过电压保护查表5-2；晶闸管额定电流/a1020501002005001000电容/f0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052图5-2 压敏电阻保护的接法抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值 的1.11.15倍得 c=0.1f，r=100。选r为0.2f的czjd-2型金属化纸介质电容器。pr=fcum210-6=500.210-6( 120)210-6=0.4510-6w即

22、，选r为20普通金属膜电阻器，rj-0.5。二、电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。1） 交流侧快速熔断器的选择 i2=5.37a 选取rls-10快速熔断器，熔体额定电流6a。2）晶闸管串连的快速熔断器的选择 i=i2=5.37a，it= 3.11a选取rls-10快速熔断器，熔体额定电流4a。3）电压和电流上升率的限制电压上升率 ：正相电压上升率 较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的正相电压上升率应有一定的限制。造成电压上升率 过大的原因一般有两点：由电网侵入的过电压；由于晶闸管换相时相当于

23、线电压短路，换相结束后线电压有升高，每一次换相都可能造成过大。限制过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使 降低。电流上升率 ：导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，造成晶闸管损坏。因此对晶闸管的电流上升率 必须有所限制。产生过大的原因，一般有：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电；交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电；直流侧负载突然短路等等。限制 ，除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制相同的措施，即在每个桥臂上串联一个电感。限制 和 的电感，可采用空心电抗器，要求l（2030）h；也可采用铁心电抗器，l值可偏大

24、些。在容量较小系统中，也可把接晶闸管的导线绕上一定圈数，或在导线上套上一个或几个磁环来代替桥臂电抗器。所以，为了防止每个桥臂上串联一个30h的电感。6平波电抗器电感量的计算6.1转子直流回路平波电抗器的作用一，使串级挑速在最小工作电流下仍能维持电流的连续；二，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。6.2电感的计算一、电动机等效电感二、逆变变压器等效电感三、按电流连续要求的电感量式中 ， （三相桥式全控电路）即， 四、按限制电流脉动要求的电感量式中， 最低次谐波电压幅值；逆变变压器二次侧相电压有效值；最低次谐波频率，对于三相桥式电路；电流脉动系数，要

25、求=0.05；（三相桥式全控电路）；则，选取平波电抗器，当i=106.7a时电感量为8mh，i=5.35a时电感量不小于20mh。7启动方式的确定用串级调速装置启动时，启动电流由于，则需要在转子回路中串联频敏变阻器启动，待s=0.79，即n=315r/min时串级调速装置再投入运行。8双闭环控制系统的参数计算一、双闭环系统静态参数计算（1）取速度给定电压 速度反馈系数（2）取电流给定电压 电流反馈系数 （3）取电流调节器输出电压最大值；晶闸管电压放大倍数（4）晶闸管逆变器的滞后时间常数低速时静差率要求的速度降由于采用了抑止零点漂移的pi调节器，故稳态时的速度降必须满足：则因为， 取 若取 电流

26、环 故 静差率 （二）双闭环系统的动态参数计算由前述分析可知，与均为转差率s的函数，故电流环为非定常系统，但当时的与值可按定常系统设计，保证系统具有良好的性能。（1）电流环参数计算由公式知，将代入可以推得由于要求电流环超调量小，故电流环按典型i型系统设计。取 则令 故， （2）速度环参数计算由于系统要求抗扰性能及跟随性能好，转速环按典型型系统设计，且取h=5。取 转速环截止频率又因为满足及的条件，故电流环可等效为惯性环节。则 若按 两种计算结果基本一致，取。统飞轮矩按电动飞轮矩的1.5倍考虑，即gd2=1.50.1=0.15nm9系统总体结构设计9.1供电系统的设计结构图9-1三相桥式全控整流

27、电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。 当60o时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与ud的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图6和图7分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0o和=30o的波形。 图6中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管vt1电流ivt1的波形，可与图2带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管vt1导通段，ivt1波形由负载电流id波形决定，和ud波形不同。 图7中除给出ud波形和id波形外，还给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，可与图3带电阻负载时的情况进行比较。 当60o时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感l的作用，ud波形会出现负的