交流电动机串级调速系统建模与仿真.doc

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：交流电机串级调速系统建模与仿真 学习中心： 内蒙古学习中心 学 号： 090F31141095 姓 名： 梅雨停 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 王旭东 2016 年 3 月 1 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名： 梅雨停 学号： 090F31141095 专业： 电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目： 交流电机串级调速系统建模与仿真 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）指导教师结论： （合格、不合格）指导教师姓名所在单位指导时间中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名： 梅雨停 学号： 090F31141095 专业： 电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目： 交流电机串级调速系统建模与仿真 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。）毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 评阅结论： （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名所在单位评阅时间论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文交流电机串级调速系统建模与仿真，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）： 梅雨停日期：2016年3月1日3摘 要 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（回馈电网或转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。 所谓双馈调速，是指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组。通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电动机的转矩、转速和电动机定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步和亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。 双馈串级调速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，因而获得了广泛的应用。 关键词： 1、异步电动机 2、串级调速 3、原理 4、基本类型 目 录一、概述. 1（一）交流电动机的发展概况. 1（二）串级调速的优缺点. 2（三）与变频调速方式的比较与应用. 2二、双闭环控制的串级调速系统设计.3（一）双闭环控制串级调速系统的组成. 3（二）串级调速系统的动态数学模型. 4（三）调节器参数的设计. 6（四）串级调速系统的启动方式. 7（五）异步电动机串级调速时的机械特性. 8（六）异步电动机串级调速时的转子整流电路. 9三、串级调速系统主回路主要参数计算与选择12（一）串级调速系统主回路主要参数计算与选择. 12（二）转子整流器的参数计算与元件选择. 12四、电流环和转速环设计21（一）电流环的设计. 21（二）转速环的设计. 23五、交流串级调速系统的仿真. 25（一）MATLAB简要介绍. 25（二）晶闸管串级调速系统的建模与仿真. 261、系统的建模和参数设置. 262、系统的仿真参数设置. 283、系统的仿真，仿真结果的输出及结果分析. 28六、结束语. 30 致谢31参考文献32 34中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）一、概述（一）交流电动机调速的发展概况纵观电力传动的发展过程，交直流两种传动方式共存于各个生产领域之中。在电力电子技术发展之前，直流电动机几乎占垄断地位。对于直流电动机只要改变电动机的电压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。随着工业技术的不断发展，它们相互竞争、相互促进。交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机与直流电动机相比具有一些突出的优点：制造成本低；重量轻；惯性小；可靠性和运行效率高；维修工作量小；能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行。这些与现代调速系统要求的可靠性、可用性、可维修性相一致。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80%以上；但同时交流电动机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。而随着电力电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能的电力电子器件产品的出现，为交流调速系统的发展创造了有利条件。特别是70年代初出现的矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上相继出现的磁通反馈矢量控制、转差型矢量控制、直接转矩控制等实用系统，大大推进了交流传运控制技术的发展。这些新型的交流传动控制技术与高性能的变频器相结合，就有可能使利用交流电动机构成的交流伺服系统在性能上与高精度的直流伺服系统相匹配。特别是在一些大容量、高转速或特殊环境下应用的场合，交流调速系统已显示出无比的优越性，电气传动交流化的时代随之而来。根据异步电动机的转速公式：n=601（1-s）PP: 电机极对数1 :供电电源频率s :电机转差率因此，异步电动机有三种基本的调速方式，即改变极对数、改变转差率和改变供电电源频率。由于绕线式异步电动机串级调速具有结构简单，高效节能等优点，在工业中得到了较广泛的应用。串级调速的控制方法多采用电动机电流和转速的双闭环PI控制。其结构与直流电动机双闭环系统类似。但是，交流电动机中的电磁关系远比直流电动机中的电磁关系复杂。而且，串级调速系统中的绕线式大道理转子需接入整流器等非线性元件，使其内部的电磁关系更为复杂。因此，这种双闭环串级调速系统的参数计算，调试比较困难，在设计中往往采用近似法，式凑法，反复调试才能得到较好的结果。 （二）、串级调速的优缺点串级调速的优点主要是：1调速范围较大，但是过载能力随转速降低而减小，限制了调速范围的扩大；另外因转速越低，转差功率越大，所需整流器、逆变装置的容量也越大，这也成了限制调速范围扩大的一个因素。对于鼓风机类负载，负载转矩随转速降低而减小，能够用较小容量的整流器、逆变装置获得较大的调速范围。2调速的平滑性好，晶闸管调速电路很容易通过对导通角的平滑调节改变转速。3调节的稳定性好，因为串级调速时的机械特性的直线部分的硬度较大，甚至较固有机械特性大。4调速的经济性好，由前面内容可知，串级调速回收了大部分转差功率，保证了电动机的效率，减小了电能的浪费。另外，由于整流逆变电路只需要对转差功率进行调节，因此其容量要求低，可以明显节省调速电路成本。串级调速的缺点：1逆变变压器本身体积较大，成本偏高；在向电网馈送有功功率的同时还要从电网吸取无功功率(建立内部磁场)，造成整个调速系统功率因数偏低，如高速满载运行时，其功率因数只有0.6，这是不能达到全国供用电规则相关规定的。2逆变装置将直流逆变成交流时，将附带产生较多谐波分量，会对电网造成污染。3串级调速只能用于绕线式异步电动机。（三）与变频调速方式的比较及应用变频调速是交流电机调速中最优越的调速方式，调速性能好，具有恒转矩调速特性，适合各种类型交流电动机。但由于其控制功率是被控电机的视在功率，受电力半导体器件耐压水平的限制，高压变频调速装置非常昂贵，性能价格比随 电动机电压升高和容量增大而明显下降，甚至需要节电l0余年才可回收设备投资。因此只适合工艺上要求高性能调速的场合，如轧钢等，不适合以节电为主要目的调速运行。内反馈串级调速与变频调速同属高效调速方式，但其通过电动机转子绕组将高压问题转化成低压问题来处理，所以控制功率仅为被控电机容量的50，解决了目前电力半导体器件的耐压问题，是高压恒速电机改成调速电机的最佳方案。采用这种调速方案可以用比变频调速低得多的成本获得非常好的节电效果。二、 双闭环控制的串级调速系统设计由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。（一） 双闭环控制串级调速系统的组成图2.1双闭环控制的串级调速系统 图2.1所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为- min。图2.1所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。图2.2串级调速系统原理图（a）主电路（b）等效电路（二） 串级调速系统的动态数学模型在图2.1所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构框图均与直流调速系统中相同。在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。1 转子直流回路的传递函数根据图2.2的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路的动态电压平衡方程式：sUd0-Ui0=LdIddt+RId （2.1）式中： Ud0:当s=1时转子整流器输出的空载电压,Ud0=2.34Er0cosp (2.2) Ui0:逆变器直流侧的空载电压, Ui0=2.34Er2cos (2.3)L:转子直流回路总电感, CMId-ILGD2375 dndt (2.4) LD: 折算到转子侧的异步电动机每相漏感, LD=XDO1=XDO21 (2.5) LT :折算到二次侧的逆变变压器每相漏感, LT=XT1=XT21 (2.6) LL:平波电抗器电感， R: 转差率为s时转子直流回路等效电阻:R=3XD0S+3XT+2RD+2RT+RL (2.7) 于是式（2.1）可改写成：UD0-nn0Ud0-Ui0=Ldlddt+RId (2.8) 将式（2.8）两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数: IdsUd0-Ud0n0ns-Ui0=KLrTLs+1 (2.9) 式中： TLs:转子直流回路的时间常数， TLs=LR , KLr:转子直流回路的放大系数， KLr=1R , 转子直流回路的动态结构框图如图2.3所示。需要指出，串级调速系统转子直流回路传递函数中的时间常数TLs和放大系数KLr都是转速n的函数，它们是非定常数。2 异步电动机的传递函数异步电动机的电磁 转矩为: Te=10Ud0-3XD0IdId=CMId (2.10) 图2.3转子直流回路动态结构图 电力拖动系统的运动方程式为： Te-TL=GD2375dndt (2.11)或写成：CMId-IL=GD2375dndt (2.12) 式中： TL:负载转矩， IL:所对应的等效直流电路，由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为: nsIds-ILs=R/CEGD2R375CECMs=RCETMs (2.13) 其中TM=GD2R375CECM 为机电时间常数，TM与R、CE、CM、都有关系，所以也不是常数，而是Id和n的函数。3 串级调速系统的动态结构图把图2.1 中的异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再考虑给定滤波环节和反馈滤波环节就可直接画出双闭环控制串级调速系统的动态结构框图，如图2.4所示。图2.4双闭环控制串级调速系统动态结构图（三）调节器参数的设计双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主要按抗扰性能考虑，即应使系统在负载扰动时有良好的动态响应。在采用工程设计方法进行动态设计时，可以像直流调速系统那样，电流环按典型I型系统设计，转速环按典型型系统设计。但是串级调速系统中转子直流回路的时间常数TLs及放大系数KLr都是转速的函数，而异步电动机的机电时间常数TM又是转速和电流的函数，这就给调节器的设计带来一定的困难。具体设计时，可以先在确定的转速n和负载电流Id的前提下，求出各传递函数中的参数。例如，按照要求的最大转差率Smax或平均转差率1/2Smax来确定转速，按额定负载或常用的实际负载来选定电流，然后按定常系统进行设计。如果用模拟控制系统实现，则当实际转速或电流改变时，系统的动态性能就要变坏。如果采用微机数字控制，可以按照不同的转速和电流事先计算好参数的变化，用表格的方式存入微机，实时控制时可根据检测得到的转速和电流查表调用，就可以得到满意的动态特性。(四)串级调速系统的启动方式串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先于电机接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，而使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。 串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。1间接启动大部分采用串级调速的设备是不需要从零速到额定转速作全范围调速的，特别对于风机、泵、压缩机等机械，其调速范围本来就不大，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投人运行。由于这类机械不经常起动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。从串电阻起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用时间原则自动控制。图2.5所示是间接起动控制原理图。起动操作顺序如下：先合上装置电源总开关S，使逆变器在minb下等待工作。然后依次接通接触器K1，接人起动电阻R，再接通K0，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。待起动到所设计的nmin(smax)时接通K2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开K1，切断起 动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。 图2.5串接调速系统间接启动控制原理图不允许在未达到设计最低转速以前就把电动机转子回路与串级调速装置联通，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏器件，所以转速检测或起动时间计算必须准确。停车时，由于没有制动作用，应先断开K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再断开K0，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。如果生产机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动机在串电阻方式下起动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要求调节到所需要的转速运行。这种起动方式可以保证整流器与逆变器不致受到超过定额的电压，工作安全。但电动机要先升到最高转速，再通过减速达到工作转速，对于有些生产机械是不允许的。2 直接启动直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。在图2.5中，接触器的工作顺序为 SK0K2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于 逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。待发出给定信号后，随着夕的增大，逆变电压降低,产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。（五）异步电动机串级调速时的机械特性在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量、分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。1.异步电动机串级调速机械特性的特征(1)理想空载转速在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。在串级调速系统中，电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它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（Id=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成 : K1s0Er0=K2U2Tcos (2.14)S0: 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，并取K1=K2,则： s0=U2TEr0cos (2.15)由此可得相应的理想空载转速n0为：n0=nsyn1-s0=nsyn1-U2TcosEr0 (2.16)式中nsyn:异步电动机的同步转速。（2）特性分析：从式（2.15）和式（2.16）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。由式（2.14）还可看出，在不同的b角下，异步电动机串级调速时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的机械特性。2. 机械特性的斜率与最大转矩串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。3 转子回路电阻的影响当电机在最高速的特性上（=900）带额定负载，也难以达到其额定转速。整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。这样，串级调速时的机械特性便如图2.6所示。图2.6异步电动机串级调速时的机械特性 a)大电机 b）小电机（六） 异步电动机串级调速时的转子整流电路从图2.1中可以看出，异步电动机相当于转子整流器的供电电源。如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。但是，两者之间还存在着一些显著的差异，主要是：整流电路的不同点:（1）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化；（2）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关；（3）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。1转子整流电路：（如图2.7）2. 电路分析：假设条件（1）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏电流均可忽略；（2）转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷大，直流电流波形平直；（3）忽略电动机励磁阻抗的影响。 换相重叠现象：设电动机在某一转差率下稳定运行，转子三相的感应电动势为Era、Erb、Erc。当各整流器件依次导通时，必有器件间的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠压降，如图2.8所示。根据电力电子技术中介绍的理论，换相重叠角为:=arccos1-2sXD0Id6sE0=arccos1-2XD0Id6E0 (2.17)其中；XD0:s=1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。由式2.7可知，换相重叠角随着整流电流Id的增大而增加。当Id较小，在00 600之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。当电流Id增大到角大于600时，器件在自然换相点处未能结束换流，从而迫使本该在自然换相点换流的器件推迟换流，出现了强迫延迟换相现象，所延迟的角度称作强迫延时换相角p。由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路有两种正常工作状态。 转子整流电路的工作状态第一种工作状态的特征是； 00600，p=0 (2.18)此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。第二种工作状态的特征是: =600，00p300 （2.19）这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态，p角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。当p=300时，整流电路中会出现4个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，此后p保持为300，而角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状态。三、串级调速系统主回路主要参数计算与选择（一）异步电动机容量的选择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，串级调速异步电动机的容量P计算如下： P=KiPD (3.1)Ki: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，应该取大一点。 PD: 按照常规运算方式计算的电动机容量。PPD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（二）转子整流器的参数计算与元件选择1 最大转差率:Smax=n1-nminn11-1D (3.2)式中： n1: 电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速。 nmin: 串级调速系统的最低工作转速 D=nmaxnmin=n1nmin (3.3)转差率：s=(1500-1425)/1500=0.05 （3.4）最大转差率：smax=(1484-690)/1484=0.535 (3.5)调速范围：D=nmax/nmin=1425/690=2.07 (3.6)2 转子整流器的最大输出电压: U2max=3KUVE20(1-1D) (3.7)式中： E20：转子开路相电势 KUV:整流电压计算系数，见表1：Udmax=1.3510451.1/2.15=755V (3.8)3 最大直流整流电流： Idmax=1.1LMI2NKIV=1.1LMIdr (3.9)式中： LM: 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3.2 Idr: 转子整流器输出直流电流额定值 Idr=I2N/KVI ,考虑到转子电流畸变等因素的影响而引如的系则:Idmax=1.12627/0.813=1697A (3.10)4 整流二极管的选择：（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 UKRM为： UKRM233KUTE2n1-1DKAVN (3.11)式中： KUT:电压计算系数，见表3.2， E2n:转子开路相电势， KAV: 均压系数，一般取0.9,对于元件不需要串联时取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：UKRM1.51.3510451-1/2.15/0.93=419V （3.12）（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: IF1.52KITIdmaxKACNp (3.13)式中： KIT:电流计算系数，见表3.2， Idmax:转子整流器最大直流整流电流， KAC: 均流系数。其值可取0.80.9。对于元件不并联的情况下取15 逆变器的参数计算与元件选择（1）逆变变压器的参数计算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3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。逆变压器二次侧线电压：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： UT2=UdmaxKUVcosbmin (3.14)式中： UT2：逆变变压器二次侧线电压， Udmax：转子整流器最大输出直流电压， KUV：整流电压计算系数。见上表， bmin：最小逆变角，一般取300，逆变变压器二次侧线电流： IT2=KIVIdN (3.15)式中：IT2：逆变变压器二次侧线电流， KIV：整流电流计算系数。见上表， IdN：转子整流器输出直流电流额定值，逆变变压器一次侧线电流 IT1=KILIdNKT (3.16)式中：IT1：逆变变压器一次侧线电流， KIL：变压器一次侧线电流计算系数。见上表， KT：逆变变压器的变比逆变变压器等值容量 ST=KSTKIVUT2IdN (3.17)式中：KST：变压器等值容量计算系数，见上表，（2）晶闸管的参数计算 晶闸管额定电压的选择在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电压不能满足要求，需要几个晶闸管串联使用。设每个串联桥臂上晶闸管的数目为N ，则每个晶闸管反向重复电压由下式确定： URRM23KUTUT2KAVNA (3.18)式中：KUT：电压计算系数，如上表 KAV：均压系数，其值可取9.08.0。对于元件不需串联的情况下取1, UT2：逆变变压器二次侧线电压，晶闸管额定电流的选择设每个桥臂并联元件支路数为NP，则每个晶闸管的额定电流为:IF1.52KITIdmaxKACNp (3.19)式中：KIT：电流计算系数，见上表， Idmax：转子整流器最大直流整流电流， KAC：均流系数。其值可取9.08.0。对于元件不并联的情况下取1.平波电抗器电感量的计算转子直流回路平波电抗器的作用是：使串级挑速在最小工作电流下仍能维持电流的连续。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。平波电抗器的电感量计算如下：保证电流连续所需要的电感量:L1=d13KUVUT2Idmin103-KLLMLr (3.20)式中：1：正比与直流电压中的交流分量的电感计算系数，从下图中查, UT2：逆变变压器二次侧线电压, KUV：系数，见上表, Idmin：直流回路最小工作电流 （A）, LM：异步电动机折算到转子侧的每相电感量, LT：逆变变压器折算到二次侧的每相电感量.限制电流脉动的电感量:L2=KPKUVUT2sIdN-KLLM-KLLT (3.21) KP: 限制电流脉动的电感系数（ms），其值从表2中查, S: 允许的电流脉动率，一般可取10%左右。平波电抗器的电感量的选择及计算在使用晶闸管装置时,为了提高它对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性,常在直流侧使用带有空气隙的铁芯电抗器,本节着重于电抗器的计算,电抗器的主要参数是:流过电抗器的电流和电抗器的电感量。使输出电流连续所需的电感量当晶闸管的控制角较大,负载电流小到一定程度时,会出现输出电流不连续的现象,为保证电流连续,电枢回路中应有的电感量:L1=K1U2/Idmin=0.693122/5%12=140.91mH (3.22)Idmin：要求连续的最小负载电流平均值为5%Inom,K1=0.693平波电抗器电感的计算LD：电动机的电枢电感LD=KDUe2PneIe103=6220/22150017.2103=12.8mH (3.23)式中P:极对数(P=2) KD=812（无补偿的电机） KD=56（有补偿的电机）LB:变压器二次测每相的漏电感LB=KBUK%U2/100Ie=3.95122/10012=1.98mH ( 3.24)UK%变压器的短路比,对于100KVA以下的变压器:UK%=5% KB=3.9LP：平波电抗器的电感LP=L1-LD+2LB=140.91-17.80+21.98=119.15mH (3.25)闸管的保护装置及其计算晶闸管虽然具备多种优点，但是它承受过电流和过电压的能力较差。为了使器件能长期的运行，必须采用适当的保护装置。过电压保护凡超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压Um的都算过电压，其中一种为操作过电压是由晶闸管装置的拉闸合闸和器件关断等电磁过程引起的过电压，这些操作过程经常发生是不可避免的，另一种过电压是由于雷击等原因为从电网侵入的偶然性浪涌电压，它可能比操作过电压更高，采取过电压保护措施后，应使经常发生的操作过电压限制在额定电压UTN以下，而希望使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压Udsm和Ursm以下。交流侧过电压保护a.阻容保护在变压器二次并联电阻和电容，构成阻容保护电路。计算单相变压器交流侧过电压保护电容C和电阻R的公式：C6i0%SU22 (3.26)R2.3U22SUK%i0% (3.27)其中： S:变压器每相平均计算容量, U2:变压器二次相电压有效值, i0%:变压器激磁电流百分数,100KVA以下i0%=7 (3.28)UK%:变压器的短路比,100KVA以下UK%=5 (3.29)由以上的公式可得: C673584.02/=10.10F (3.30)R2.3122257123584.02=0.87 (3.31)变压器二次侧阻容装置参数计算：则根据上表得到:电容=C/3=3.37F 电阻=3R=24.21压敏电阻保护护装置只能把操作过电压一直在允许的范围内，因此在采用阻容保护的同时，可以设置非线性电阻。它们接近于稳压管的伏安特性，能把浪涌电压一直在允许范围之内。压敏电阻可按下式选取它的额定电压Ue: Ue/89(压敏电阻承受的额定电压峰值)晶闸管关断过电压保护晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于晶管的结电容、导通时间和关断时间等等差别。为了使开关过程中的电压分配均匀，应对晶闸管并联电容C。为了防止晶闸管导通瞬间，电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容支路中串联电阻R。这样就采用RC回路来进行抑制。电容值:C=2510-3IT=410-311.92=4.24F (3.32)电阻值： R=13LB/C1/2=21.98/0.062/1=1.37 (3.33)式中： IT：器件的额定电流，LB：变压器每相的漏感。过电流保护由于过载短路，晶闸管正向误导通和反向击穿，以及在逆变时换流失败等原因，都会产生过电流。过电流的保护措施有数种，我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管过电流的损坏。其原理图如下：四、电流环和转速环设计（一）电流环的设计电流环的动态结构图如图4.1所示：电流环设计及参数计算：1. 时间常数的确定（按表4.1）（1）整流装置滞后时间常数T:三相桥式电路的平均失控时间TS=0.0017s（2）电流滤波时间常数Toi: 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms因此取Toi=2ms=0.002s（3）电流环小时间常数Ti按小时间常数近似处理，取 Ti=Ts+Toi=0.0037s (4.1) Ts:整流装置滞后时间常数, Toi:电流滤波时间常数。（4）选择电流调节器结构I5% 而且：TITi=0.03/0.0037=8.1110 (4.2)因此可按典型I型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函为： WACRs=Kiis+1is (4.3)3电流调节器参数的计算ACR超前时间常数：i=TI=0.03s电流环开环增益，要求i5%时，应取KITi=0.5,因此:KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1I/s (4.4)于是，ACR的比例系数为:Ki=KIiR/KS=135.10.030.5/0.0540=1.013 (4.5)4.调节器中的电阻及电容计算所用运算放大器取R0=40K，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiR0=1.01340K (4.6)取40KCo=i/Ri=0.03106/40103=0.75F (4.7)取0.75FCoi=4Toi/R0=40.2106/40103=0.2F (4.8)取0.2F电流调节器的原理图如图4.3所示:(二) 转速环的设计转速环的动态结构图如图4.3所示：转速环设计及参数计算：1时间常数的确定（1）电流环等效时间常数为:2Ti=0.0074s，（2）转速滤波时间常数为:Ton,根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s（3）转速环小时间常数为:Tn=2Ti+Ton=0.0174s2.选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为:WASRs=Knns+1ns (4.9)3. 转速调节器参数的计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5, ASR超前时间常数：n=hTn=50.0174=0.087s (4.10)转速环开环增益：KN=h+1/2h2Tn2=5+1/2250.001742=369.4-2 (4.11)因此ASR的比例系数为：Kn=h+12h2Tn2=62250.174221/s2=11.7 (4.12) 所用运算放大器取R0=40K，各电阻和电容值计算如下:Rn=KnR0=11.740K=468K (4.13) 取470KCn=nRn=0.08706470103=0.185F (4.14) 取0.2FCon=4TonR0=40.011064103=1F (4.15) 取1F转速调节器的原理图如图4.4所示：五、交流串级调速系统的仿真（一）MATLAB简要介绍MATLAB是一种科学计算软件。MATLAB是MatrixLaboratory（矩阵试验室）的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入快捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。MATLAB由美国Mathworks公司于1984年开始推出，历经升级，到2001年已经有了6.0版，现在MATLAB6.1、6.5、7.0版都已相继面世。MATLAB比较易学，它只有一种数据类型（即64位双精度二进制），一种标准的输入输出语句，它用解释方式工作，不需要编译。1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算，尤其是不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的便利。在SIMULINK平台上，拖拉和连接典型的模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在SIMULINK平台上，仿真模