转子侧加短路开关的串级调速系毕业论文.doc

转子侧加短路开关的串级调速系毕业论文1.绪论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。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。 目前在发达国家中，很多直流调速已经被交流调速所取代，从而避免了直流电动机换向困难、维修不便等缺点。世界上有60左右的发电量是通过电动机消耗的。据统计，我国各类电动机的装机容量已超过4亿kW，其中异步电动机约占90，拖动风机、水泵及压缩机类机械的电动机约1.3亿kW。在目前4亿kW的电动机负载中，约有50的负载是变动的，其中的30可以使用电动机调速。因此，就目前的市场容量考虑，约有6000万kW的调速电机市场。电动机只有在额定负载下运行效率才高，由于安全等方面的考虑，电动机常常处于低效运行状态。因此，电机调速节能一直被广泛关注。风机和泵类采用电动机调速装置来代替阀门和挡板调节流量,有明显节电效果。这是因为由交流电动机驱动的风机和泵类都是平方转矩负载。它们的流量与转速成正比、压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比。即电机转速降低1/2时，所需功率降至原来的1/8，由此可见调速节能的重要意义。 1.1主电路方案的确定采用单闭调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，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。 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，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，因而获得了广泛的应用。1.2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 （11）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, （12）上式中，为取决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。图1-1异步电动机在转子附加电动势的原理图设当= 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1-2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，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1-3 电气串级调速系统原理图UR 三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势整流为直流电压 Ud 。UI 三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：可提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。L平波电抗器TI 逆变变压器图中异步电动机M以转差率s在运行，其转子电动势sEr0经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压Ud。工作在逆变状态的三相可控整流装置UI除提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。两个整流装置的电压Ud与Ui的极性以及电流Id的方向如图所示。整流后转子直流回路的电压平衡方程式:Ud=Ui+IdR （1-3）或 （1-4）对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流 I2 或足够大的整流后直流电流 Id ，为此，转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间应有较大的差值。控制逆变角 b ，使在起动开始的瞬间，Ud与 Ui 的差值能产生足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大 b 角以减小值 Ui ，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。其调节过程为1.3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。14串级调速系统的起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，为了使系统正常工作，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。串级调速系统有间接起动和直接起动两种起动方式。不同的生产机械，其所要求的调速范围可能是不同的。由于转子回路的主要设备如整流器、逆变器、逆变变压器的容量，亦即串级调速装置的容量都是按要求的调速范围确定的，所以对于调速范围较小的设备，通常采用间接起动；而对于要求调速范围较大的生产设备，通常采用直接起动。间接起动是利用电阻器(或频敏变阻器)等起动设备起动电动机，待转速升高到调速范围内最低转速nmin 时，才把串级调速装置投人运行，并切除起动设备。从串电阻器(或频敏变阻器)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问原则自动控制。串级调速系统起动控制方式如图所示。问接起动的操作顺序如下：先合上装置电源总开关S，使逆变器在B 下等待工作。然后接通接触器Kl使起动电阻R接人，再接通接触器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。待电动机起动到所设计的n 即s 时，接触器K2接通，同时接触器K1断开，切断起动电阻，使电动机转子接到串级调速装置，此后电动机便以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。在电动机未达到设计最低转速以前不允许把电动机转子回路与串级调速装置相接，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。图1-4起动控制方式图停车时，由于没有制动作用，应先断开接触器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。这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转子回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。这种方式还有一优点，即一旦串级调速装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行，这样可对调速装置进行检修而不中断生产。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，这对于部分生产机械是不允许的。2电动机的容量21 电动机的选择 在选择电动机时，首先要选择电动机的容量，在容量选择时，先按常规方法计算出自然接线时电动机的功率，然后根据串级调速的特点加以修正，并选择串级调速系统的电动机功率，最后进行电动机的热校验及过载能力校验。在按常规方法计算出自然接线时电动机功率后，选择电动机容量时，应注意以下几个因素：(1)串级调速时最大转矩比自然接线时降低 17左右； (2)串级调速时，电动机的功率因素降低； (3)低速时，高频转子谐波电流会造成转子铜损增加。 在选择电动机的额定转速时，考虑到串级调速系统的机械特性较软，电动机的额定转速应比生产机械的最高转速高 10左右。22电动机容量校验（一）最大转差率 （2-1）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；型号KITKUTKUVKIVKILKLK 三相带中线0.3670.670.5770.4721.3510.866三相桥0.3671.350.8130.8161.0520.5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（二）转子整流器的最大输出电压 （2-2）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 （2-3）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.串既调速装置的参数计算及器件选择3.1逆变变压器的参数计算 3.1.1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。 3.1.2逆变压器二次侧参数的初步计算 1）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： （3-1）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， 2）逆变变压器折算至直流侧电抗，则，折算到直流侧等效电阻3）平波电抗器直流电阻4）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5）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 （3-2）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 6）最大电流时的电动势系数为：7）最大转速：则 8）转速降低系数9）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。3.1.3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压器一次侧电流符合前面所取的值3.2硅整流元件及晶闸管的选择3.2.1参数计算 （3-3）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。3.2.2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。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。2.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U1MA=（1.8-2.2）UDC=(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表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，选R为20普通金属膜电阻器，RJ-0.5。2）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。3）串级调速装置的保护1、串级调速装置的保护，最主要的是对付瞬时电网电压突然降低甚至停电，在瞬时停电时除了要保证逆变装置正常外、还要在电网复电时保证逆变装置的工作点和复电时电动机的转速相匹配，也就是在复电时不产生过电流冲击而导过电流保护动作或损坏逆变装置的元器件。2、对大容量的装置、应考虑对电动机、逆变变压器、滤波电抗器等的温度保护和监视。3、对有源逆变器，除对付瞬时停电外、主要应考虑逆变器的“颠覆”。要使晶闸管逆变的最小逆变角min是否满足：min+ (换流重叠角，晶闸管元件的反向阻断恢复时间) 。3.3平波电抗器电感量的计算3.3.1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。3.3.2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 （3-4）式中 ， 即， 四、按限制电流脉动要求的电感量（3-5）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。4.双闭环控制系统4.1双闭环控制系统的结构原理及动态品质的改善为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，其原理结构如图所示。在该系统中转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。其中转速反馈与一个调解器构成闭环，称速度环，该调节器称为转速调节器ASR；电流反馈与另一个调节器构成的闭环，置于转速换内，称电流环，该调节器称为电流调节器ACR,从而形成转速，电流双闭环调速系统。图4-1转速、电流双闭环调速结构图ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 GT触发装置、转速给定电压和转速反馈电压、电流给定电压和电流反馈电压为获得良好的静态和动态性能，转速和电流两调节器一般均采用PI调节器，双闭环调速系统原理图和静态结构图如图所示。图4-2双闭环调速系统原理和静态结构图a)双闭环调速系统电路原理图 b)双闭环调速系统稳态结构图在原理图中标出了转速调节器和电流调节器输入输出电压的实际极性，这而极性既要考虑到信号从反向端输入时调节器的倒相作用，又应该使触发器GT的输入得到正极性的控制电压Uct。在静态结构图中，PI调节器的方框内，其特性用阶跃输入下的输出时间特性来表示，两个调节器的输出均设有限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压决定了电流调节器给定电压的最大值，其大小取决于电动机的过载能力。电流调节器ACR的输出限幅值Uctm限制了最小控制角，从而限制了晶闸管整流装置输出电压的最大值。由于转速与电流调节器均采用PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差，即电流调节器ACR的输入偏差，实现电流无静差；转速调节器ASR的输入偏差，实现转速无静差。为使调速系统消除静差，并改善系统的动态品质，在系统中引入PI调节器作为校正环节。由于PI调节器的积分作用，在调速系统停车期间，调节器会可能因输入干扰信号的作用呈现较大的输出信号而使电动机爬行，这是不允许的，因此对天簌系统只能够具有积分的调节器，在没有给出电动机启动指令之前，必须将它的输出锁到零电位上，简称为调节器锁零。系统对调节器锁零电路有如下具体要求:（1） 系统处于停车状态时，调节器必须锁零；（2） 系统接到启动指令或正常运行时，调节器锁零立即清楚并正常工作。根据上述要求，锁零电路只需两个信号来控制调节器“锁零”于“开放”两个状态。停车时：，调节器锁零，无输出信号。启动时： ，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。稳态运行时：，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。制动停车时：，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。必须注意，对于可逆系统，制动且时，调节器不能锁零，以保证调节器对其进行制动停车控制。为使锁零器电路对不可逆和可逆系统都具有通用性，时，要求调节器不能锁零。调节器锁零可以采用场效用管来实现。 图4-3调节器锁零装置当锁零电路使场效应管导通，从而使调节器锁零。4.2双闭环控制系统的参数计算4.2.1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 电流环 故 静差率 4.2.2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=0.15Nm5系统总体结构设计5.1供电系统的设计结构三相桥式全控整流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，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。 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波形会出现负的部分。图8给出了=90o时的波形。若电感L值足够大，Ud中正负面积将基本相等，Ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90o。 图5-1 三相桥全控整流电路带阻感负载时=0的波形图5-2 三相桥全控整流电路带阻感负载时=30的波形 图5-2 三相桥全控整流电路带阻感负载时=90的波形图5-4三相桥式整流电路原理图及波形图5.2系统总设计图双闭环控制系统结构图图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电机，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 b = bmin 。 系统在突加给定起动时的动态过程与直流调速系统一样。起动初期，速度调节器处于饱和输出状态，系统相当于转速开环。随着起动过程的进行，电流调节器的输出增大，使逆变器的逆变角增大，逆变电压 Ui减少，打破了起动开始瞬间逆变电压大于异步电动机转子不动时的整流电压 Ud0的条件，产生直流电流Id ，使异步电动机产生电磁转矩而加速起动。在异步电动机转速未到达给定值以前，调速系统始终由电流环起电流跟踪作用以维持动态电流Id为恒定，并使加速过程中逆变电压与转子整流器输出电压的变化速率相同。直到异步电动机的转速超调，速度调节器退出饱和，转速环才投入工作，以保证最终获得与给定转速相一致的实际转速。本设计主要设计电流调节器和转速调节器，并通过软件来实现模拟电路的功能。先求出各个器件的传递函数，然后得到整个环的传递函数，并对换的稳定性做出正确分析。在图中电流调节器和转速调节器都采用PI调节器。在考虑滤波环节等可直接画出双闭环控制的串级调速系统动态结构图。串级调速系统动态结构图5.3串级调速系统机械特性异步电动机在转子回路串电阻调速时的理想空载转速就是同步转速，且恒定不变。再串级调速系统中，由于异步电动机的旋转磁场转速不变，所以其同步转速也恒定。但是他的理想空载转速确实可以调节的。由式Ud=Ui+IdR可以写出系统在理想空载运行时的转子直流回路电动势平衡方程式： （5-1）或 （5-2）式中：SO为理想空载转差率从式（7-54）可知，改变角时，SO也相应改变。 越大，SO 越小，即异步电动机的理想空载转速越高。一般逆变角的调节范围为30度 90度 ，其下限 30度 时为防止逆变颠覆的最小逆变角min ，也可以根据系统的电气参数计算设定。 角的调节范围对应于电动机的调速上、下限。由式（7-18）可以看出，在不同的 角下，异步电动机串级调速时的 曲线是近似平行的，类似于直流电动机调压调速的机械特性。在串级调速系统工作时，异步电动机转子绕组虽不串接电阻，但由于在转子回路中接入了两套整流装置，平波电抗器，逆变变压器等（这些部件统称为串级调速装置），再计及线路电阻后，实际上相当于在转子回路中接入了一定数值的等效电阻和电抗，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，异步电动机在串级调速时，其机械特性比其固定特性软，使异步电动机在额定负载时难以达到其额定转速。由于转子回路电抗的影响，再计及转子回路接入整流器后，转子绕组漏抗所引起的换相重叠角使转子电流产生畸变，异步电动机在串级调速时所能产生的最大转矩将比其固有特性的最大转矩有明显的减少。异步电动机串级调速时的机械特性a)大电机 b)小电机5.4.串级调速装置有源逆变失败的原因及预防当系统调速运行时,假如出现换相失败，使整流桥的输出平均电压和直流电势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很 小，形成很大的短路电流。这就称为逆变失败 ，或称逆变颠覆 ，给系统和电网造成非常大的损失和破坏 。5.4.1逆变失败的原因:触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等,致使晶闸管不能正常换相,使整流桥的输出平均电压和直流电势变成顺向串联,形成很大的短路电流;晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通,器件不能导通;交流电源缺相或突然消失;换相的裕量角不足，引起换相失败. 5.4.2预防措施(1)控制电源与逆变变压器高压侧相位 、相序必须一致。(2)输人控制电源相序保证正确 ，按 A、B、C、 N 顺序接人 。在检修时，不能将电源相序随意变 动。检修完成后，应检查一下相序 、触发脉冲， 并检 min角和max 角。(3)工作电源检查整定，保证正负电压规定值调节电位器使继电器吸合 ，严防触发器失去工作电源 ，造成逆变失败 。(4) min、max的整定 ，必须符合技术要求 ，按调试规定步骤调节，使min =30。，max 略小于90。，调节过程中注意锁紧电位器。(5)检查主回路母线联结处，不应有松动现象。 检查开关、接触器、继 电器的接点接触情况，接 点不应有烧损 、氧化现象。因为在逆变工作时 ，假如交流电源发生缺相或突然消失 ，由于直流电势 Ed存在，晶闸管仍可触发导通，此时变流器的 交流侧失去了同直流电势极性相反的交流电压,直流电势将经过晶闸管电路而被短路,造成逆变失败。(6)为保证逆变电路的正常工作 ，选用的触发 器元件必须可靠 。(7)正确选择晶闸管的参数 ，减小电路中 dudt 和 didt的影响，以免发生误导通 。(8)选用合格快速熔断器和快速开关 ，做好系 统的后备保护，以防事故扩大。5.5串级调速系统经济技术指标和提高方案5.5.1.串级调速系统经济技术指标在串级调速系统中，由电网供给感应电动机的输出功率为P1,这个功率一部分是定子绕组铜耗Pcu1和电机的铁耗Pfe 。扣除这些损耗之后剩下的功率便是气息中的旋转磁场，利用电磁感应作用传递到转子的电磁功率Pem。Pem的一部分转化成机械功率，在扣除机械损耗后得到电动机轴上输出的机械功率P2,Pem的另一部分是转差功率Ps=sPem.在串级调速系统中Ps并未完全消耗掉，而是扣出了转子回路中的损耗后，通过整流器与逆变器返回给电网。这部分称为回馈功率Pf，Pf=Ps-PCU2-ps, (PCU2为转子铜耗, ps为串调装置中所有器件的损耗)。如果把回馈功率也作为电动机定子输入的一部分，则对整个串级调速系统来说 ，它从电网吸收的净有功功率应为Pin=P1-Pf综合上面的能 量关系，可以绘出如图 所示的串级调速电机能流图和串级调速系统功率走向图。如果转子外加电压 U0 =0，则串级调速电机就恢复为普通的感应电动机。串级调速电机能流图这样 ，串级调速系统的总效率 即为电动机轴上的输出功率 P2与从电网输入调速系统的净有功功率Pin 在进行定性分析时，由于 Pmec、Pcu1、Pfe 与pcu2：相对Pem 来说都较小 ，可以忽略不计，则从上式可以看出，串级调速系统的总效率是较高的，而且随着转速的降低即 s增大时，的减少并不多。而绕线式感应电动机转子回路串电阻调速时的效率 几乎是随转速的降低而成比例地降低的，可用下式的推导来说明这一点。在上述的推导中，同样考虑到Pcu1 、PFe ,与 Pem 相对Pem来说较小，因而可以忽略.综上所述，采用串级调速方法可以实现感应电机的平滑无级调数。由于串级调速系统中把转差功率加以回收利用，使系统的实际损耗减少，于是它就由原来的低效调速方法转变成了高效调速方法.串级调速方法可以实现绕线转子异步电动机无级调速的目的，而且具有高的效率。但需增加一些 装置，其容量与电机的调速范围有关。传统的串级调速系统的主要的缺点是整个调速系统的总功率因数低 ，对于调速范围为 2：1的系统高速运行时总功率因数为060左右。低速时仅为04左右造成功率因数低的原因是：串调系统的逆变变压器需要从电网吸收感性无功功率；电流波形畸变造 成无功的畸变功率；转予整流电路的换流重迭现象引起电动机转子电流落后于转子电压2度( 为换流重迭角)而造成无功功率。由此可见，传统的串调系统总功率因数较电动机工作于自然工作状态时的功率因数低得多。以上原因中，逆变变压器需要由电网提供与电机定子所需的相同性质的感性