毕业设计绕线式异步电动机的串级调速系统

1、本科毕业设计说明书 二七年六月题 目：绕线式异步电动机的串级调速系统 主电路与控制电路的设计学生姓名：xx学 院：xx系 别：xx专 业：xx班 级：xx指导教师：xx摘 要绕线式异步电动机的串级调速系统，属于改变转差功率的调速系统，在我国交流调速技术的发展中，它是结构简单、发展较快、应用较广的一种系统。其基本原理是利用不可控的整流电路将转子交流电动势转成直流电动势，在利用工作的在逆变状态的三相可控整流电路来获得一个可调的直流电压作为附加电动势，以改变转差功率，以实现转速的调节。本设计主要是绕线式异步电动机的串级调速系统主电路和控制个电路的设计。其中主电路的设计包括可控整流电路、不可控整流电路

2、和逆变变压器；控制电路的设计主要是电流调节器和转速调节器的双闭环控制系统。考虑到系统运行时可能出现的问题，相应的设计了系统的保护电路。同时，为了所设计的系统具有更好的静、动态性能，对系统进行了MATLAB的仿真。 关键词：绕线式异步电动机；串级调速系统；双闭环控制系统；仿真。AbstractAsynchronous motor cascade speed control system belongs the rotor to slip the power velocity modulation plan. In China AC development, it is a system of s

3、imple structure faster development broader application. Its basic principle are not controllable using distillation rotor circuit to exchange electromotive force electromotive force DC conversion, in the use of the state's three-phase inverter controlled rectifier circuit to obtain an adjustable

4、 DC voltage as additional electromotive force, to change the deteriorating power, to achieve the speed of adjustment. The design includes asynchronous motor speed control system Cascade main circuit and a control circuit design. The design of main circuit includes controllable rectifier circuit, con

5、trolled rectifier and inverter circuit transformer; Control circuit design is mainly Electricity Regulator speed regulator and the double-loop control system. Considered the problem during the operation, accordingly design the protected circuit. Meanwhile, in order to designed a system with better s

6、tatic and dynamic properties, the system MATLAB simulation is proceeded.Keywords : asynchronous motors; Cascade Control System; Double-loop control system; Simulation. 目 录引 言1第一章 串级调速系统的基本原理31.1串级调速系统的工作原理31.2异步电动机串级调速的机械特性41.3设计的技术参数61.4设计任务6第二章 主电路的设计72.1设计思路72.2设计依据72.3主电路参数的设计8第三章 保护电路的设计163.1 过

7、电压保护163.1.1 交流侧过电压保护16直流侧过电压保护措施18晶闸管两端的过电压保护措施：183.2过电流保护203.2.1 晶闸管的过电流保护20电流变换和过流保护环节213.3过载保护213.4串频敏电阻的保护213.5缺相保护23第四章 控制电路的设计原则244.1 设计思路244.2 基本原理244.3 控制系统的动态结构254.4 控制电路的参数计算25第五章 MATLAB仿真325.1 控制系统仿真模型的建立325.2 仿真结果及其分析33结 论36参考文献37附录1-绕线式异步电动机串级调速系统主电路38附录2-串级调速系统控制电路原理图39谢 辞40图表清单图11 绕线式

8、异步电动机串级调速系统原理图3 图12 串级调速的机械特性图5 图21 逆变变压器二次侧波形图8 图31 阻容保护接16表31 和的数值换算表17图32 采用压敏电阻做的电压保护18表32 关断过电压阻容保护的经验数据19图33 晶闸管两端的阻容保护19图34 晶闸管的过电流保护20图35 过电流检测环节21图36 附加频敏变阻器启动22图37 缺相保护23图41 控制系统的动态结构图25图42 结构框图（a）、（b）28图43 电流调节器的硬件电路29图44 转速调节器的硬件电路31图51 控制系统的动态结构图32图52 Simulink仿真模型33图53 给定电压波形34图54 双环的速度

9、波形 34引 言直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪的大部分年代里，鉴于直流传动所具有的优越调速性能，一般高性能的可调速传动都采用直流电动机。到本世纪70年代初期，席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高性能的交流调速系统，经过多年努力，到了70年代末，初见成效。此后，交流调速系统得到了广泛的应用。 根据所采用电流制式的不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多。交流电动机分为同步电动机和异步电动机。电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系，即同步电动机；反之，若不保持这种关系即是异步电动机。以交流电动机作为控制

10、对象的电力传动自动控制系统称为交流调速系统，在本设计中采用的就是三相异步电动机的调速系统。交流电动机特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单，制造容易，价格便宜，坚固耐用，转动惯量小，运行可靠，使用环境及结构发展不受限制等优点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机的问题未能得到较好的解决，只有一些调速性能差，低效耗能的调速方法。如：鼠笼式异步电动机的定子调压调速方法及后来的电磁（滑差离合器）调速方法。除了鼠笼异步电动机之外，绕线转子异步电动机在工矿企业也被广泛的应用。由于这类异步电动机在结构上的特点，它的转子绕组能通过继电器与外部设备相连接；所以除了可在其定子侧控制电压，频率

11、等物理量以实现对电机的转速调节外，还可在其转子侧引入控制变量进行调速。以往使用最多的方法是在绕线转子异步电动机的转子回路串入不同数值的可调电阻，从而获得电机不同的机械特性，以实现电气传动的转速调节。这种调速方式的本质是利用改变消耗于转子外串电阻中的转差功率来该改变转差率，从而达到体调速的目的。这种调速方式虽然结构简单，维护方便，但调速是有级的，而且能耗多，效率低，调速性能和经济性能都很差。从调速的技术性能和经济性能来看，这种方式还存在着许多的不足之处，这种方式不能应用于高性能的调速场合。目前，这种体调速方式正在逐渐被淘汰。目前，交流调速的方案很多，根据不同观点对这些方案有不同的分类方法，通常可

12、以分为采用无整流电动机，变频调速电动机和转子转差功率调速电动机这三种方案。随着电力电子技术和控制技术的发展，现代绕线式异步电动机一般都采用串级调速方式。其特点是在调速时可将转差功率回收利用，或者变为机械回馈到电机轴上，或者回馈到电网中，使得调速系统的效率很高。本设计所讨论的绕线式异步电动机的串级调速系统，属于转子转差功率调速方案，在我国交流调速技术的发展过程中，它是机构简单，发展较快，应用较广的一种系统。对于调速精度要求较高的场合，还可以采用闭环系统，这一方案在本设计中也有所体现。第一章 串级调速系统的基本原理1.1串级调速系统的工作原理 在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转

13、子侧串入一个可变频，可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的方法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，使问题得分析与工程实现都方便多了。当然对这一直流附加电动势要有一定的技术要求。首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次从节能的角度看，希望产生附加值流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。例如，把转差功率回馈交流电网，或把它转换成机械功率传送到电气传

14、动装置的轴上等，关键是不要让它在转子回路中无谓的损耗掉，这样才能提高调速系统的效率。根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。按照上述原理组成的绕线式异步电动机调速系统原理图如图11所示： 11 绕线式异步电动机调速系统原理图图中异步电动机M以转差率s运行，其转子电动势经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压。工作在逆变状态的三相可控装置UR除提供一可调的直流输出电压作为调速所需的附加电动势外，还可将经UR整流后输出的电动机转差功率逆变回馈到交流电网中。两个整流装置的电压与的极性以及电流的方向如图所示。为此可在整流转子的直流回路中写

15、出以下的电动势平衡方程式： （1-1） （1-2）式中： -与两个整流装置的电压整流系数 -逆变器输出电压 -逆变变压器的次级相电压 -晶闸管逆变角 -转子直流回路的电阻当电动机拖动恒转矩负载稳定运行时，可以近似认为为恒值。控制使它增大，则逆变电压立即减小；但电动机转速因存在着机械惯性尚未变化，所以仍维持原值，根据式（1-1）就使转子直流回路电流增大，相应转子电流也增大，电机就加速；在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流减小，直至与依式（1-1）取得新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小值可以使电机在较低的转速下运行。以上就是绕线式异步电动机串级调速系统的工作原理。 1

16、.2异步电动机串级调速的机械特性在串级调速系统中，由于电动机的级对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是他的理想空载转速却能够连续平滑地调节。当系统在理想空载状态下运行时（=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成 （1-3）其中，为异步电动机在串级调速时对应于某一角的理想空载转差率。取=，则： （1-4）由此可得相应的理想空载转速为： （1-5）其中，为异步电动机的同步转速。从式以上的式子可知，在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变，越大时，越小，而越高。在系统中，角地调节范围对应于电动机调速范围的上、下限，一般逆变角的调

17、节范围为- 。其下限是为了防止逆变颠覆而设置的最小逆变角，其具体数值也可根据系统的电气参数来设定。在不同的角下，异步电动机的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速时的机械特性。在串级调速工作时，由于在转子回路中接入两组整流装置、平波电抗器、逆变变压器等（这些器件统称为串级调速装置），再加上线路电阻以后，实际上相当于在转子回路中接入了一定能够数值的等效电阻和电抗。所以，这些因素势必会影响电动机串级调速的机械特性。由于转子回路电阻的影响，使一部电动机在串级调速运行时的机械特性要比电机的固有机械特性软，使电机在额定负载时难以达到额定转速。一般异步电动机在固有机械特性上的额定转差率为0

18、.03-0.5，而在串级调速运行时却为0.1左右（时）。另外，由于转回路电抗的影响，再加上转子回路接有整流器，转子绕组漏抗所引起的换向重叠角使转子电流产生畸变，使得电机在串级调速时所能产生的最大转矩比电机固有特性的最大转具有明显的降低。如下图所示：12 串级调速的机械特性1.3设计的技术参数电动机的铭牌参数给定：型 号： JRQ1512-10型； 绕线异步电动机， 接法；额定功率： ； 额定转速： ；空载转速： ； 功率因素： 0.81；定子电压： ； 定子电流： ；转子额定线电压： ； 转子额定电流：；过载倍数： 2.3； 效 率： 0.92； 调速范围： D=1.27。1.4设计任务（1）

19、设计串级调速系统主电路；（2）设计和计算保护电路； （3）选择和设计串级调速系统控制电路； （4）系统参数的计算（5）用Matlab进行仿真。第二章 主电路的设计2.1设计思路基于第一章中对串级电路的分析可知，串级调速相当于在转子侧加入一个可变频，变幅电压的调速方法。在实际系统中，把转子交流电动势整流成直流电动势，然后与一直流附加电动势进行比较，通过控制直流附加电动势的幅值，调节异步电动机的转速。基于以上要求，所设计的串级调速系统的主电路应该包括三相绕线式异步电动机、串级调速装置和逆变变压器。其中，串级调速装置主要包括三相桥式（不可控）整流器、有源逆变整流器和平波电抗器。其主回路的接线图如图1

20、-1所示。2.2设计依据 一.串级调速装置：（1）整流装置：该装置的作用是将转子侧的交流电动势转换为直流电压，为三相不可控。（2）逆变装置：提供一个可调的直流电压作为调速所需的附加电动势，同时将电动机产生的转差功率功率经逆变变压器回馈回电网。（3）平波电抗器：在可控硅串级调速系统中，电动机转子整流回路中必须串接平波电抗器，其主要原因有如下几点：a、电流脉动分量在电机转子中造成的附加损耗限制在允许范围内；b、使电动机在最小工作电流时任能保证电流的连续，避免电流断续对电动机的影响。c、限制短路电流的上升率，是快速开关能及时动作，尽可能避免损坏快速熔断器。二逆变变压器与晶闸管直流电动机调速系统中整流

21、变压器的作用相似，串级调速系统的晶闸管逆变器侧一般也有逆变变压器。其作用是：a、把可控硅整流装置与交流电网隔离，以抑制电网的浪涌对晶闸管的影响。b、取得能与被控电动机工作相匹配的逆变电压。2.3主电路参数的设计（一）逆变变压器的选择：对于不同的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，同时也希望有源逆变与电网隔离。因此需要配置逆变变压器。因此需要确定逆变变压器的二次电压、容量、接线方式。a.逆变变压器原副边的接线方式 如果逆变变压器二次侧绕组接成星形，并将其中点与电网的中点相连，则当一次侧加入正弦波电压时，将由于变压器磁化曲线的非线性，而使备相激阳电流也为非正

22、弦的 ，其中包含三次谐波分量，该三次谐波电流可以通过中线流回。如图所示：21 逆变变压器二次侧波形图 如果变压器中点不与电网中点相连，则三次谐波没有回路，逆变变压器的激磁电磁中也就没有三次谐波分量。不含三次谐波的激磁电流特产生具有平顶波形的磁通，该磁通在变压器的绕组中产生具有尖顶波形的电压，从而使电压为非正弦的。具有尖顶波形的电压之幅值可以达到正常值的50%-60%，这对逆变变压器的绝缘是不利的。为了避免出现这种现象，逆变变压器的一次绕组一般应接成三角形，以使激阳电流的三次谐波在三角形中以环流形式存在，从而使二次绕组的感应电势是正弦的。 如果一次绕组接成星形，则根据同样的道理，二次绕组应接成三

23、角形，或者再附加一个三角形绕组。这样，在三角形绕组中便流有三次谐波电流，从而使每相绕组中的电压是正弦的。因此，选择逆变变压器的一次测采用三角形接法，二次侧采用星形接法。b.逆变变压器二次电压的计算 逆变变压器的二次电压，可以根据使最低转速下转于最大整流电势与逆变器最大逆变电势相等的原则来确定。设串级调速系统最大理想空载转差率为，它对应着理想空载最低转速，则按三相桥式整流接线时，转子最大整流电势为 （2-1）由于 式中: 调速范围 最大调速范围则有： 三相桥式逆变器的最小逆变角取；则最大逆变电压为： 且 则逆变变压器二次侧的线电压为： （2-2）根据串级调速系统的能量关系粗略地估算逆变变压器的容

24、量，为了便于估算，可在忽赂各种损耗的情况下，格逆变变压器的容量可以近似为： （千伏安）（2-3）逆变变压器参数的计算：变压器的短路电压为6%，所以折算到二次侧的每相漏抗为：（欧/相） （2-4）按欧/相进行计算；折算到二次侧的每相电阻为0.06欧/相。根据以上计算和现场实际情况，选用现有变压器作为逆变变压器，其技术据如下： 额定容量：160千伏安； 原边线电压：380伏； 副边线电压：183伏； 副边线电流：505安； 折算成丫接的每相漏抗为0.02欧，每相电阻约为0.006欧。(二)转子整流器的计算与元件选择转子整流器用的硅整流二极管，是在低频率、大电流下工作，所承受的电压与调速范围有关，这

25、就是整流二极管的工作特点。下面，讨论在上述条件下通过计算选择硅整流二极管的方法。 硅整流整流二极管的反相重复峰值电压为： （2-5）有公式可以算出转子整流桥每条臂上的串联元件数，取；式中：每个桥臂上并联的整流元件数； 考虑网压升高而引入的系数，其值可取1.1；均压系数，一般取值为；电压储备系数，取值为3；电机转子额定线电压。则： （2-6） 由以上结果可以选取 转子侧整流电流可表示为：则：， （2-7）取式中：每个桥臂上并联的整流元件数，取=1；低频系数，取=之间；电流储备系数。取=2；三相桥式线路系数，=0.367；均流系数，其值可取=1；转于回路的最大直流电流，其值应取与系统中可能出现的最

26、大转矩所对应的电流值。故根据以上计算可以选择整流二极管的型号为：的整流二极管，全桥共用6只元件。（三）可控硅元件的选择与计算可控硅的反向重复峰值电压 “”与串联数目的确定： 可控硅反向重复峰值电压，是指在触发极断路的情况下，可施加的重复频率为50赫兹、持续时间不大于10毫秒的反向最大脉冲电压，其值规定为反向不重复电压的80%，一般约等于可控硅的阻断重复峰值电压。 由于可能出现操作过电压和系统中可能出现事故过电压等：所以可控硅的反相重复峰值电压，应选为比线路正常电压的峰值高23倍，即： （2-8）式中，是线路正常时的反相峰值电压，对变压器来说，通常为则有： 选取的反相峰值电压可控硅元件的额定电流

27、为： 式中：每个桥臂上并联的可控硅元件数，取=1；电流储备系数。取=2；三相桥式线路系数，=0.367；均流系数，其值可取=1；则有： （2-9）选择=500 A故根据以上计算选择可控硅的型号为的6只元件管子。（四）电动机参数的计算额定转差率： （2-10） 临界转差率： （2-11） 额定相电压与额定转子折算相电流之间相位差角正切为 （2-12）额定理想空载电流的标幺值为： （2-13） 定子与转子的电压变比为： （2-14） 修正系数为: 电动机的短路漏抗为： （2-15） 定子的每项电阻为： （2-16） 折算到定子侧的转子每相电组为： （2-17） 定子每相漏抗和折算到定子侧的转子每相

28、漏抗为： （欧姆/相） 因此：折算到转子侧的电动机每相漏抗和每相电阻为： （欧姆/相） （欧姆/相）（五）等效直流电路总阻抗和总电感的计算 逆变变压器折算到直流侧的电抗和电阻为： （2-18） （2-19） 平波电抗器的直流电阻为： （2-20）所以总电阻为： （2-21） 电动机的等效电感为： （2-22） 逆变变压器的等效电感为： （2-23）所以实际串入电抗器的电感量为：a.考虑限制电流连续式的电感量为： （2-24）其中 （等效直流回路中电流）b.考虑限制电流连续式的电感量为： （2-25） 其中：-最低次谐波电压幅值 -最低次谐波频率，对于三相桥式电路 -电流脉动系数，要求 （三相桥

29、式电路） 所以实际串入电抗器的电感量为： ，取 所以 （2-26）（六） 定子侧变压器的选择 忽略漏磁通和绕组电阻所造成的压降，则依次绕组的感应电动势即一次侧电压即为电网电压，而二次绕组的感应电动势为，则有：式中：K定子侧变压器的变比；变压器原绕组的额定电压；、定子侧的额定电压；如果忽略变压器的损耗，其输入功率与输出功率相等。即：式中：、变压器原边和电动机定子侧的额定电流；且变压器原边电流为：忽略各种损耗，变压器的容量为：取变压器的容量为：；变压器的型号选取为：S7-1200/10，铁芯直径为245mm，芯柱面积为,芯柱中心矩为435mm。第三章 保护电路的设计3.1 过电压保护 交流侧过电压

30、保护常用的交流测过电压保护措施有阻容保护和非线性电阻保护。阻容保护主要用于吸收操作过电压，非线性电阻保护主要用于抑制浪涌过电压。本设计中主要采取阻容保护，其中包括两组阻容保护装置：一组是电动机测的阻容保护装置，另一组是逆变变压器测的阻容保护装置。其具体接法如下图所示： 3-1 阻容保护接对于单相电路，阻容参数的计算公式为： （3-1）电容的耐压 （3-2）电阻功率 （3-3） （3-4）式中:变压器容量； -变压器二次相电压有效值； -通过电阻的电流； -变压器励磁电流百分数，的变压器，对应的 -变压器的短路比，的变压器，对应的； -阻容两端正常工作时的交流电压峰值。对于三相电路，和的数值可按

31、下表进行换算：表31 和的数值换算表变压器二次测联结方式单相三相联结三相联结阻容装置联结方式跨接电 容CCC/33CC电 阻RR3RR/3R所以a. 根据公式（3-1）、（3-2）电动机测的阻容保护和值为：=电容耐压 =根据公式（3-3）、（3-4）可知电阻功率：根据上述计算结果，选择电容，且其耐压达到;选择电阻b. 根据公式（3-1）、（3-2）逆变变压器测的阻容保护和值为： =电容耐压= =根据公式（3-3）、（3-4）可知根据上述计算结果，选择电容，且其耐压达到;选择电阻直流侧过电压保护措施直流侧的过电压主要是由感性负载的通断以及电源侧或负载侧侵入的浪涌电压引起的。为了使其达到快速性，采

32、用压敏电阻做过电压保护，其标称电压为：（3-5）则取：其具体接法如下图所示：33 采用压敏电阻做的电压保护晶闸管两端的过电压保护措施：晶闸管在导通期间，其内部充满载流子。换相时，晶闸管因承受反向电压而在关断的过程中，正向电流下降到零时，晶闸管内部仍残存着载流子。这些载流子在反向电压作用下瞬时产生反向电流，使残存裁流子迅速消失，晶闸管立即阻断，这时反向电流减小的速度校快，即didt很大。因此即使和晶闸管串联的线路电感L很小，它所产生的感应电动势L didt也很大，可达工作电压峰值的几倍，如不予抑制，很可能导致器件反向击穿。晶闸管关断过电压的常用抑制措施是在它的两端并联阻容吸收装置，如图所示。阻容

33、的参数较难计算，一股可按下表所述经验公式选取。表32 关断过电压阻容保护的经验数据表晶闸管额定电流(A) 1020501002005001000电 容C（）0.10.150.20.250.512电 阻R（） 1008040201052根据经验值可以选择：,则取：电容耐压一般为加在晶闸管两端工作电压的峰值的倍。 即： （3-6） 电容耐压为 （3-7）电阻功率为： （3-8） 其中：电源频率（Hz）；C与电阻串联的电容值()；晶闸管工作电压峰值(V)。其具体接法如下图所示：35 晶闸管两端的阻容保护3.2过电流保护3.2.1 晶闸管的过电流保护 晶闸管电路发生过电流的主要原因是：过载、直流侧短路

34、、晶闸管击穿短路、可逆系统逆变失败或误触发等。主要有采用快速熔断器保护。快速熔断器保护的特点：当直流侧短路或晶闸管击穿短路以及可逆系统逆变失败时，流过晶闸管的过电流可达其额定电流的10倍以上，此时必须在电漏电压的半个周期内消除过电流。在这种情况下，采用快速熔断器进行保护。快速熔断器的断流时间在10ms以内，它是晶闸管电路中使用最普遍的过电流保护装置。快速熔断器可以装设在交流侧、直流侧，或与晶闸管直接串联。装设在交流侧对器件短路和直流侧短路都起保护作用，但因正常时流过快速容断器的电流大于流过将闸管的电流，故应选用额定电流较大的快速熔断器，这样在过电流时对晶闸管的保护作用就减弱了，装设在直流侧只对

35、负载短路或过载起保护作用，对器件短路不起保护作用；与晶闹管直接串联，则因流过它们的电流相同，所以对晶闸管的保护作用最好。因此选择下图的连接方式：3-6 晶闸管的过电流保护1.快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。2.快速熔断器(或熔体)的额定电流应按下式选取，即 （3-9）为正常运行时晶闸管通过的电流有效值故：选择快速熔断器的型号为RLS600系列。电流变换和过流保护环节对于功率较大的调速系统，为使控制电流与主电路在电气上隔离，减小取样电阻所造成的附加电压降的损耗。常用交直流互感器或霍尔元件进行过电流检测，在这里我们主要采用的是交流互感器，具体接线方式如图： 37 电流变换和过流

36、保护环节 一般电流互感器二次绕组的额丁点流都规定为，在本设计中，逆变输出的电流值与电动机的转子电流相同均为。所以在选择较流互感器时，选择额定电流为的型的电流互感器。3.3过载保护在交流异步电动机的调速系统中，为了防止电动机由于过载而损坏，常采用热继电器进行保护。热继电器的选择主要是根据电动机额定电流来确定热继电器的型号及热元件的电流等级。在本设计中，热继电器主要是加在电动机的定子侧，其额定电流为61.5A。所以可以选择型号为JR-150/3D的热继电器，并且该继电器还具有断相保护功能。3.4串频敏电阻的保护 在设计串级调速系统时转于整流器的硅二极管和逆变器的晶闸管的耐压是按最低转速下转子电压确

37、定的因此串级调运装置的容量成本似调速范围之间有密切关系。如果器件耐压是按转子额定电压选取(当然要考虑一定的容量)、那就可以直接利用串级调速装置起动电动机，而不需另设起动设备，不过这时串级调速装置容量差不多与电动机容量相等，设备费用比较高，这种起动方法只适于要求调速范围很大，需要从零开始调速的场合。如果负载要求的调速范围较小，但为了直接利用串级装置起动电动机，也按来选取元件的耐压及逆变变压器容量等，显然是不合理的；如果按此时要求的调速范围来选择逆变变压器二次绕组电压一般会显著小于电动机转子电动势，则采用串调装置直接起动电动机就会出现很大的起动冲击电流，冲击电流值往往超过允许的限度，为此可采用下图

38、所示用频敏变阻器启动。如图所示，电动机先通过接触器KMl接入附加起动频敏变阻器，而起动加速，当起动加速到串级调速装置设计考虑的调速范围的最低速时，才将KM2接通，这时投入串级调速装置的逆变角应为最小逆变用。即产生最高的逆变反电压，然后把KM1断开，逐渐增加角，使电动机继续加速到所需转速。采用这种起动方式，虽然增加了一套附加起动设备，但对于调运范围较小的串级调速系统。其主要设备的容量和耐压可显著降低，从设备总投资来看，仍然是经济的。 采用并联附加起动设备的切换起动方式还有一个好处，就是旦串级调速装置发生意外故障时，异步电动机仍可利用附加起动设备正常起动到高速运行。其中所用的接触器的型号为CJ2-

39、1000系列； 38 附加频敏变阻器启动3.5缺相保护 所谓的缺相就是指三相供电电源中缺少一相（如三根火线中任何一根断开），或者是三相绕组中缺少一相。对于绕组为星型接法的电动机来说，如果电源一线断开，就会使其他两项绕组串联，并街于电网中，此时电动机为单相运行；如果绕组一相断开，则另两相接于三相电源上，有两相交流电供电，此时称为两相运行。无论单相运行还是两相运行，电机绕组中的电流均将超过正常值。因此，在电路中设缺相保护装置是很必要的。 本设计中的缺项保护设在逆变变压器的一次侧，具体电路图如下所示：39 缺相保护第四章 控制电路的设计原则4.1 设计思路 我们从串级调速系统机械特性的分析可以看出，

40、由于受转子整流器的换相压降和直流回路电阻压降的影响，串级调速系统的机械特性要比电动机正常接线时软，使得调速范围受到了很大的限制，而且其机械特性的静差率也较大。所以，利用开环控制系统具有一定的局限性，这种方案只适用于调速精度要求不高的场合，例如在风机及泵类等生产机械中。对于调速精度、加速特性要求较高，负载波动较大而且要求机械特性较硬的生产机械，则应采用于晶闸管直流调速系统相似的双闭环控制的串级调速系统系统，例如轧钢机、矿井提升机等。所以，为了提高静态调速精度以获得较好的动态特性，在本设计中我们也采用了双闭环反馈的控制方式。4.2 基本原理双闭环串级调速系统与直流闭环系统相似，当电流调节器输出电压

41、为零时，应整定触发脉冲，使为最小值，以防止逆变颠覆。一般取，此时转速最低；随着输出电压的增加，角增大，减小，转速上升，到时，相当于串级调速不起作用。 同时，由于电流负反馈作用和速度调节器限幅环节的作用。在加速的过程中，也可以实现恒流升速，使系统具有较好的加速特性。当需要加速时，增加给定信号，在经过逆变触发起使角变大，同时逆变电压下降，直流电流（即电动机电流）增加，电机加速。由于限幅环节的作用，电动机在加速过程中能维持所设定的最大加速转矩。随着转速的升高，转速反馈信号增加，最后在与给定信号相对应的最高转速下稳定运行。4.3 控制系统的动态结构-n41 控制系统的动态结构图4.4 控制电路的参数计

42、算（一） 静态参数计算 设给定电压、转速调节器和电流调节器的输出限幅电压均为10V。（1） 速度反馈系数 （4-1）（2） 电流反馈系数 （4-2）其中：（等效直流回路中最大电流）（3） 晶闸管的电压放大倍数： （4-3）其中（转子回路最大空载直流电压）根据经验晶闸管逆变器的滞后时间常数：（4） 串级调速直流主回路的时间常数为： （4-4）（5） 串级调速直流主回路的放大系数为： （4-5）（6） 取电流反馈滤波器的时间常数为：取转速反馈滤波器的时间常数为：（7） 系数是非常定的，通常选用与实际运行点电流值相对应的值，然后再按定常系统进行设计。现在额定运行工作点电流值计算值 （4-6）式中：为

43、串级调速系统等效转矩系数，当单位是时，有 式中：为同步机械角速度，且有式中：为电机的磁极对数：其中： 所以： 所以：（二）电流环设计与调节器参数选则（1）选择电流调节器结构 忽略转差电压的扰动影响，电流环的调节对象由两个小惯性环节和一个大惯性环节组成。由于时间常数和放大系数是非定常的，因此电流环的设计可按下述方法进行。如果，得值较大，且满足（为中频宽），那么只要选取，就可以按典型型系统设计电流环，如的条件不满足时，就按典型型系统进行设计。这里，当取。可见，不满足的条件，所以电流环按典型型系统设计，电流调节器为调节器，其传递函数为： （4-7）为使电流超调较小，取 （4-8）（2）电流环效验近似

44、条件 电流环截至频率： （4-9）a. 晶闸管装置传递函数近似条件为。 （4-10）现在，满足近似条件。b. 忽略转差电压扰动对电流环影响的条件推倒如下： 为了简单起效，假定为理想空载，即，再将串级调速系统动态结构图中反馈引出点移到电流环内，得结构图如下图（a），利用反馈连接变换，可得下图（b）n+_(a)（b） 42 结构框图（a）、（b）当时，图（b）中第一个方框内的传递函数可近似为所以近似条件可转化为： （4-11）现在，满足近似条件。c. 小时间常数近似处理条件为， （4-12）现在，满足近似条件。（3）选择电流调节器参数 取调节器输入电阻 则： 取 （4-13） 取 （4-14） 取

45、 （4-15）（4）电流调节器的硬件电路如下： 43 电流调节器的硬件电路（三） 转速环的设计与调节器参数的选择 （1）选择电流调节器的结构电流内环按型系统设计后的等效闭环传递函数为： （4-16） 转速环的调节对象有两个小惯性环节和一个积分环节组成，为获得良好的抗扰性能，转速环可按典型型系统进行设计，需选转速调节器为调节器，其传递函数为 （4-17）选中频宽 ，则转速环开环增益： （4-18）因为 所以 （4-19）（2）转速环效验近似条件转速环截止频率为 （4-20）a.电流环传递函数简化条件为：现在，满足简化条件。b.小时间常数近似处理条件为： 现在，满足近似条件。（3）转速调节器参数选

46、择 取调节器输入电阻 取 （4-21） 取 （4-22） 取 （4-23）（4）转速调节器的硬件电路如下：44 转速调节器的硬件电路第五章 MATLAB仿真5.1 控制系统仿真模型的建立a.建模原理根据绕线式异步电动机串级调速的电气结构原理图，可以画出绕线式异步电动机串级调速双闭环系统动态结构图，见下图：-n 51 控制系统的动态结构图图中有些参数已经在第二章中计算过了，这里就不再重复了。其中 （5-1）b.模型建立根据上述动态结构图，代入具体参数在simulink中进行仿真，具体模型如下图： 52 Simulink仿真模型其中取为电流的最小值。5.2 仿真结果及其分析a. 仿真结果根据上述模型仿真结果如下两图：图53 给定电压波形54 双环的速度波