闭环三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法毕业论文

摘要本文所讨论的是双闭环三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。对于一般交流电动机的调速，我们都是从电动机的定子侧引入控制变量（改变定子供电电压、频率）来实现的，这对于转子处于短路状态的交流鼠笼型转子异步电动机是唯一途径。但是，对于绕线式异步电动机来说，由于改变其转子绕组控制变量以实现调速，转子侧的控制变量有电流、电动势、电阻等。通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节；而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动势，这也是本文所要讨论的重点之一。在发挥绕线式异步电动机转子的可控性优势的基础上，提高调速性能需要从两方面着手1从节能角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率。2从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等指标的要求。综合所述，利用串级调速系统，就是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办法。用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态性能。把这种用附加电动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。这是本文所必须讨论的，也是本文的核心所在。关键字双闭环、串级、调速ABSTRACTTHISPAPERDISCUSSESTHEMECHANISMSANDIMPLEMENTATIONDETAILSOFCONCATENATIONCONTROLINATHREEPHASEASYNCHRONOUSMOTORWITHDOUBLECLOSEDLOOPTOCONTROLSPEEDSFORATYPICALALTERNATINGCURRENTMOTOR,WEUSUALLYTAKECONTROLVARIABLESTOCHANGEVOLTAGEANDFREQUENCYOFTHESTATORPOWERSUPPLYFROMTHESTATORSIDEINANELECTRICMOTOR,WHICHISALSOTHEONLYWAYFORSQUIRRELCAGEASYNCHRONOUSMOTORWITHROTORINASHORTCIRCUITSTATEHOWEVER,WITHWOUNDROTORSERIES,ASYNCHRONOUSMOTORSCANADJUSTSPEEDSTHROUGHCONTROLVARIABLES,WHICHINCLUDEELECTRICCURRENT,ELECTROMOTIVEFORCEANDRESISTANCE,ETCONTHEROTORSIDETYPICALLY,THEROTORCURRENTISDETERMINEDBYTHELOADANDCANNOTBEADJUSTEDFREELYINCONTRAST,ADJUSTINGROTORSRETURNCIRCUITIMPEDANCETENDSTOCONSUMEMOREPOWERALONGWITHOTHERDISADVANTAGESTHEREFORE,ELECTROMOTIVEFORCESHOULDBETHEONLYCONTROLVARIABLEONTHEROTORSIDE,WHICHISALSOONEOFTHEMAJORPOINTSDISCUSSEDINTHISPAPERINORDERTOINCREASESPEEDCONTROL,WENEEDTOTAKETHEFOLLOWINGTWOMEASURESWHILEFULLYUTILIZINGTHEADJUSTABLENATUREOFROTORSINSERIESWOUNDASYNCHRONOUSMOTOR1INORDERTOSAVEENERGY,POWERWASTEDONROTORSADDITIONALRESISTANCESHOULDBEABSORBEDANDCONVERTEDINTOOTHERFORMSOFUSABLEENERGYORSENTBACKTOELECTRICGRIDTOINCREASETHEEFFICIENCYOFTRANSMISSIONSYSTEMS2CONSIDERINGHIGHCONTROLABILITYANDTHEAPPLIEDCONTROLTHEORY,ITSHOULDBEFORMEDINTOACLOSEDLOOPCONTROLSYSTEMINORDERTOMEETTHEREQUIREMENTSOFSUCHCRITERIAASCONTROLACCURACYANDDYNAMICRESPONSEINSUMMARY,CONCATENATIONCONTROLSYSTEMISONEEFFECTIVEMEANSTOREALIZEHIGHCONTROLABILITYINSERIESWOUNDASYNCHRONOUSMOTORSSPECIFICALLY,ITISUSEDTOREPLACERESISTANCEWITHROTORSELECTROMOTIVEFORCEANDABSORBSLIPPOWERANDTOENHANCETHESTATICANDDYNAMICCAPABILITIESOFTHESYSTEMUSINGDOUBLECLOSEDLOOPWEREFERTOTHISMETHODOFUTILIZINGADDITIONALELECTROMOTIVEFORCETORECYCLESLIPPOWERASCONCATENATIONCONTROLWITHDOUBLECLOSELOOP,WHICHISALSOTHEFOCUSOFTHISPAPERKEYWORDSDOUBLELOOP,CASCADE,GOVERNOR目录引言11串级调速的原理311异步电动机转子附加电动势时的工作情况312串级调速的功率传递关系413串级调速系统及其附加电动势的获得52双闭环串级调速系统硬件设计821串级调速系统设计822双闭环系统设计923实验调试103实验数据分析1231三相异步电动机串级调速开环工作机械特1232三相异步电动机单闭环ASR系统静特性13321有静差13322无静差1533双闭环串级调速系统的静态和动态特性16331双闭环调速系统的静态特性分析16332双闭环调速系统的动态特性分析1734测量直流测速发电机的工作特性204双闭环串级调速系统电路图23毕设总结24参考文献25附录一双闭环串级调速系统的各个模块的工作原理及功能介绍26附录二双闭环串级调速系统的系统整定35附录三元器件的使用清单37引言电力传动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置。它广泛应用在精密设备和精密机构、加工和再加工机器以及运输工具中，也广泛应用在原材料工业以及其他工业部门的传送、预选、一般生产装置和辅助装置等凡是需要动力的场合中。目前，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦，转速从每小时几转到每分钟几十万转，调速范围在无变速机构情况下可达110000。在生产的总电能中，大约有2/3用在电力传动上。电力自动控制系统的特征是，他可以完成能量变换和控制所需要的信息处理。因此，采用自动传动方法，一方面可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，另一方面也可以把人们从信息处理的工作中解脱出来。这样，总的来看，其结果就是改善人们在生产过程中的工作条件，并且大幅度提高全社会生产和再生产的效率，电力传动自动控制系统是提高劳动生产率的合理手段和促使国民经济不断增长的重要因素。因而，正确采用电力传动控制系统并使之进一步向前发展，对我国的国民经济的发展具有十分重要和特别现实的意义。电力传动技术主要有直流和交流两种，由于直流电机存在机械换向问题，其最大供电电压受到限制，机械强度也限制了转速的进一步提高，结构的影响使其不适用于腐蚀性、易暴性和含尘气体的特殊场合。交流电动机一直受到人们的重视。它体积小、重量轻、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、便于维修。只是长期以来由于它的控制比较复杂和调速性能差、装置价格高、效率低，使交流调速未能推广。自从微处理器出现后，国外在绕线异步电动机串级调速、无换向电机调速、鼠笼型异步电动机的矢量控制以及PWM技术方面，都已经获得重大突破与发展，进入工业应用阶段。可以说，交流传动逐步取代直流传动已经成为明显的发展趋势。特别是“节能型”交流传动技术，已经得到很快发展。在过去大量的应用的所谓不变速拖动系统中，有相当一部分是风机、水泵等拖动系统，这类负载约占工业电力拖动的一半。其中有些并不是真的不需要变速，只是由于过去的交流电机都不能调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗了大量的电能。如果能够转换成交流调速系统，则消耗在挡板阀门上的功率就可以节省下来，每台约可节能20以上。总起来的节能效果是很可观的。我国在这方面也有了长足的发展。例如淮北矿业集团临涣煤矿是一所现代化矿井，由于生产相对集中，所需排风量一直不高，实际在70M3/S左右，采用风闸门调节方式。由于风闸门开启程度减小，通风网路阻力增大，克服附加阻力消耗了许多电能，调节方式极不经济，为解决这一问题，该矿也应用串级调速技术对抽风机进行了技术改造，从而大幅度提升了生产效率，也产生了一定的经济效益和社会效应。还有在水厂当中，为了节约能源，降低成本，解决现有水泵扬程过高，加上供水管道口径扩大调整，原水水质恶化，原有的净水设备达不到要求和城市用水大大超过水厂设备的能力，造成出厂水压力大幅度降低，使水泵长期处于低效率的运行状态下，在这种情况下应该对原有的设备进行改进，从而获得更出色的性能以满足需求。调速方法有很多种，惟独串级调速系统机构复杂程度中等，长期低速运行时电效率高，成本中等，对维修技术要求不高，特别是对于需要调节转速的风机、水泵上的应用。节电率可以达到20到40，便于对旧设备进行改造，因此，就我国现在的经济实力，管理水平和工业状况来看可控硅有源逆变串级调速是一种非常合适的方案。如果再加入双闭环技术的话那么性能将会进一步获得提升。因此研究串级调速系统是一个很有意义的课题。如今节约能源、更加合理地、有效地利用能源是一项艰巨、利国利民造福子孙的长期工作，也是我国的一项基本国策。随着我国改革开放不断深入和国民经济、科学技术的飞速发展，国家大量拨款加速建设，现在已经取得了很大的进步，有部分项目已经达到了实用化阶段，相信在不久的将来我国在这方面一定会赶上或进一步缩小与发达国家之间的差距。1串级调速的原理11异步电动机转子附加电动势时的工作情况首先作这样一个设想若在绕线式异步电动机转子回路中串入与转子电动势同频率的附加电动势，通过改变附加电动势的幅值大小和相位，从而实现调速。这样，电动机在低速运行时，转子中的转差率只是小部分在转子绕组上消耗掉，而转差功率的大部分被串入的附加电动势所吸收。再利用产生附加电动势的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈入电网，就能使电动机在低速运转时仍具有较高的效率（如图11）。这种在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电动势的高效率调速方法，就是串级调速。图11转子附加电势的装置下面分析异步电动机转子附加电动势时的工作情况。异步电动机运行时其转子相电动势为E2SE20式中S异步电动机的转差率；E20绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称开路电动势，转子额定电压。转子电动机E2值与其转差率S成正比，同时它的频率F2也与S正比，F2SF按1常规接线时，转子相电流的方程式为I2SE20/R2SX202R2为转子绕组每相电阻；X20为S1时转子绕组每相漏抗。现在在转子回路中引入一个可控的交流附加电动势EADD，并与转子电动势E2串联。EADD应与E2有同频率，但与E2同相或反相。I2SE20EADD/R2SX202当电力传动的负载转拒M1为恒定时，可认为转子电流I2也为恒定。设在未串入附加电动势前，电动机原在SS1的转差率下稳定运行。当加入反相的附加电动势后，由于负载转拒恒定，因此电动机的转差率必须加大。这个过程也可描述为，由于反相附加电动势的引入瞬间，转子回路总的电动势减少，转子电流也随之减小，使电动机电磁转拒也减少；由于负载转拒没有变，所以电动机就减速，直至SS2时，转子电流有恢复到原来的数值，电动机进入新的稳态工作。此时关系式为S2E20EADD/R22S2X202I2S1E20/R22S1X202同理，加入同相附加电动势EADD可使电动机转速增加。所以，当绕线转子异步电动机转子侧引入一可控的附加电动势时，即可对电动机实现转速的调节。12串级调速的功率传递关系在一般电动机转子中串入附加电动势而形成的串级调速，从功率关系来看，实质上就是利用附加电动势EADD来控制异步电动机转子中的转差功率而实现调速。串级调速可以实现5种基本运转状态，不同运转状态下的功率传递因素关系（如图12）。五种状态如下第一种是低于同步转速电动机的运转状态。第二种是高于同步转速电动机运行状态。第三种是高于同步速的发电制动运转状态，。第四种是低于同步速的发电制动运转状态。第五种是倒拉反接制动状态。A次同步速电动状态B反转倒拉制动状态C超同步速回馈制动状态D超同步速电动状态E次同步速回馈制动状态图12本毕设主要研究的属第一种，低于同步转速电动机的运转状态。这种状态下转子电流I2与转子绕组感应电动E2相位趋于一致，而I2与串入附加电动势EADD相位相反，故转子绕组E2输出转差功率PSSP被EADD装置所吸收，再借助于EADD装置将吸收的转差功率回馈入电网。13串级调速系统及其附加电动势的获得在电动机转子中引入附加电动势固然可以改变电动机的转速，但由于电动机转子回路感应电动势E2的频率随着转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必须能随电动机转速而变化。这种调速方法就相当于一个在转子侧加入可变频、可变幅电压的调速方法。当然以上只是从原理上来分析，在工程上可有不同的实现方法。实际系统中是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，控制直流附加电动势的幅值，就可以调节电机的转速。这样就把交流可变频率的问题转化为与频率无关的直流问题，使得分析与控制都方便多了。显然可以利用一整流装置把转子交流电动势整流成直流电动势，再利用晶闸管组成的可控整流装置来获得一个可调的直流电压作为转子回路的附加电动势。那么，对这一直流附加电动势有什么技术要求呢首先，它应该是平滑可调的，以满足对电机转速的平滑调节。另外从功率传递的角度来看，希望能吸收从电动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用，譬如把能量回馈电网，而不让它无谓的浪费掉，那就可以大大提高调速的效率。根据上面的叙述，如果选用工作在逆变状态的晶闸管可控整流器作为产生附加直流电动势的电源，是完全能满足上述要求的。异步电动机M以转差率S在运行，其转子电动势SE20经三相可控整流装置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，除提供一可调的直流输出电压UI作为调速所需的附加电动势外，还可将经UR整流后的输出的电动机转差功率逆变器回馈到交流电网。电动势平衡方程式UDUIIDRK1SE20K2U2TCOSIDR式中，K1和K2是UR和UI两个整流装置的电压整流系数，如果它们都采用三相桥式连接，则，K1K2234UI逆变器输出电压U2T逆变器的次级相电压晶闸管逆变角R转子直流回路的电阻下面就分析一下它的工作原理。当电动机拖动恒转矩负载在稳态运行时，可以近似认为ID为恒值。控制使它增大，则逆变电压UI立即减小；但电动机转速因存在着机械惯性尚未变化，所以UD仍然维持原来的数值，根据公式可以得知转子直流回路电流ID增大，相应转子电流I2也增大，电机就加速；在加速过程中转子的转差率变小，因此整流电压随之减少，故又使电流ID减少，直至UD与UI根据公式取得新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小可以使电机在较低的转速下运行。以上就是电力电子器件组成的绕线式转子异步电动机电气串级调速系统的工作原理。在电路图中，除拖动电机外，其余的元件都是静止的元、器件，所以也称为静止型电气串级调速系统。从这些装置的联接可以看出，他们构成了一个交直交变频器，但由于逆变器通过变压器与交流电网相联，它输出的频率是固定的，所以实际上是一个有源逆变器。从这一点来说，这种调速系统可以看作是电动机定子在恒压恒频供电下的转子变频调速系统。这种串级调速系统由于值可平滑连续调节，使得电机转速也能被平滑地调节。另外，由于电动机的转差功率能通过转子整流变换为直流功率，再通过逆变器变换为交流功率回馈到交流电网，所以就解决了一开始所提出的一般转差能耗调速方法存在的两个问题。因此串级调速方法也称为转差功率回馈型的调速方法。2双闭环串级调速系统硬件设计21串级调速系统设计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转差功率加以应用（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。根据串级调速原理及资料查询，设计出串级调速系统主电路（如图21）图2122双闭环系统设计说到双闭环系统的调速，我们得首先来简要认识一下单闭环系统调速，单闭环调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台直流测速发电机TG，引出与转速成正比的电压UF，与给定电压UGD比较后，得偏差电压U，经过放大器FD，产生触发装置CF的控制电压UK，用以控制电动机的转速。因为这里只有一个环，所以成为单闭环系统。采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了动态稳定性，又能做到无静差，很好地解决了系统中动、静态之间的矛盾。然而系统中只靠电流截止环节来限制启动和升速的冲击电流，其性能仍然不能令人满意。主要问题是，不能在充分利用电机过载能力的条件下获得最快的动态响应，甚至使启动和加速过程拖长。自动控制理论提示，进一步解决问题的唯一途径是对电流这个物理量也实行负反馈控制。同时在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量。这样，系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。这样的系统称为转速、电流双闭环调速系统。为了实现转速负反馈和电流负反馈在系统中分别起作用，又不致互相牵制而影响系统的性能，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流。它们之间实现串级联接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。它的原理框架结构图（如图22）图22在图22反馈的结构来看，电流调节器ACR在里面，是内环；转速调节器在外面，成为外环。这样就组成了双闭环调速系统。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE9MAR2005SHEETOFFILEEPROGRAMFILESDESIGNEXPLORER99SEEXAMPLESMYDESIGN3MYDESIGN3DDBDRAWNBY001122U2ANDR1RES2R2RES2R3RES2R4RES2D1DIODED2DIODER5RESISTORTAPPEDR6RESISTORTAPPEDUSCUSR图23在组成双闭环系统时必须解决另一个问题，就是调节器的限幅的整定问题。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流调节器ACR给定电流的最大值，它完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需要；电流调节器ACR的正限幅则表示对触发器装置的最小移相的限制或对晶闸管装置输出电压最大值的限制。采用运算放大器做调节器的时候，输出限幅可以采用上面图23电路。23实验调试实验之初根据串级系统的主电路图（图21）、双闭环原理框架结构图（图22）和MCL实验台指导书的资料，设计出的初期电路图（如图24）图24实验连线完毕后，系统整定调试完毕，出发脉冲调试完毕，给电运行，发现转子电压低于二极管电压，无法实现整流，后来分别在转子三条回路中串入三个可调电阻，目的为了增大转子侧电压，使转子侧电压大于晶闸管电压。实验初期忽略了对晶闸管的监控，对它的允许最大电流没有考虑，结果导致运行一段时间后晶闸管烧毁，后来为了防止通过晶闸管的电流过大，在晶闸管和电流表之间加入一个可调电阻，对通过晶闸管的电流进行控制使其一直小于1安，之后没再发生烧毁器件的事故发生。实验初期关于变压器的选择也出现了问题，理论上应该选择是638V/138A的且为星型连接但实际运行时发现仪器上要求为角型连接而且导致晶闸管端电压大于转子端的电压，并无法用调节电阻的办法改善情况。最后无奈之下采用56V/15A的，问题才得以解决但转速有所牺牲（考虑到当时的温度、各种损耗和误差应属合理范围）。最后成功的电路图为本文最后的电路图41。3实验数据分析31三相异步电动机串级调速开环工作机械特三相异步电动机串级调速开环工作机械特性是指三相异步电动机串级调速系统中无闭环负反馈作用时电动机的转速N与转矩TEM之间的关系NF（TEM）。三相异步电动机的转速N与转差率S之间存在一定关系，所以三相异步电动1S机的机械特性也往往用TEMF（S）的形式表示。（实用表达式）STMEMAX2将TM和代入即可NNNPT950NTM12TNMSNMN得到机械特性方程式。表31转速NR/MIN640610588555532510晶闸管电流IGA022502270228022903010303晶闸管电压UGV171717171717负载转矩MNM0001002003004005电源电压UV220220220220220220给定电压V333333图31通过上述试验数据可以看出当触发电路导通后，电源电压不变，只改变系统负载的情况下晶闸管电流也随着变化，负载转矩增大，晶闸管电流也随之略有增大。表32图32随着给定电压的变化，触发电路导通，晶闸管和转速也发生变化。给定电压由0V到3V的过程中，转速随之逐渐变大，当给定电压从3V到5V，转速开始降低，同时晶闸管电流下降。32三相异步电动机单闭环ASR系统静特性闭环反馈控制系统是按被调量偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会通过负反馈作用来自动地纠正偏差，以抑制扰动对输出量的影响。321有静差引入转速负反馈只能减少静态转速降落，使转速尽可能维持接近恒定，而不可转速NR/MIN0516605673555532晶闸管电流IGA012902560358046204440389晶闸管电压UGV151515151515负载转矩MNM000000电源电压UV210210210210210210给定电压V012345能完全回复到原来数值即有误差。这种维持被调节量转速近于恒值但又有静差的调节系统，通常称为有差恒值调节系统，简称有静差系统。表33转速NR/MIN668645595565512470晶闸管电流IGA038903900391039203930395晶闸管电压UGV151515151515负载转矩MNM0001002003004005电源U（V）200200200200200200给定电压333333图33通过上述试验数据可以看出当触发电路导通后，当电动机轴上的负载转矩加大时，负载电流增加，电枢主回路的总电阻电压降落IA便增加，因为此时晶闸管整流装置输出的整流电压还没有变化，于是电动机的反电动势EAKEN便减小，电动机转速随之下降。电动机转速下降后，负反馈电压UN也下降到UNL，但这时给定电压UN并没有改变，而UUNUNL，偏差电压便有所增加，它使晶闸管整流装置的控制角减小，整流电压上升，电动机转速就回升了。但是，电动机的转速不能回升到原来的数值。因为假如电动机的转速已经回升到了原值，那么测速发电机的电压也要回升到原来的数值，由于偏差电压UNUNUN，偏差电压又将下降到原来的数值，也就是说偏差电压U没有增加，U不增加，晶闸管整流装置的输出整流电压UDOCOS也不能作相应的增加，以补偿电枢主电路电阻所引起的电压降落，这样，电动机的转速又将重新下降到原来的数值，不能因引入转速负反馈而得到相应的提高了。322无静差有静差调速系统，进行给定信号和反馈信号综合的运算器是比例放大器（称为P调节器），其输出电压就是可控整流电源的控制电压。如果系统没有静差，给定电压和反馈电压相等，放大器就没有输出电压，可控整流电源也就没有输出电压，系统就不能工作，因此可以说系统是依靠误差而运行的。从静特性方程进行的推理可知，由于放大器的放大倍数不可能为无穷大，所以闭环转速降也1KNB不可能为0，在静态时其放大倍数接近无穷大，或静态时其输入电压为0，但仍保持有输出电压。积分运算器的应用，实现了转速控制的无静差要求，但是，由于积分时间的影响，大大减慢了系统自动调节的速度，使系统的动态响应变慢。为此无静差转速控制系统常采用比例积分运算器（称为PI调节器。）表34转速NR/MIN638610590565524498晶闸管电流IGA039103920392039103910392晶闸管电压UGV141414141414负载转矩MNM00102030405电源电压U（V）200200200200200200给定电压333333图34从上述数据可以看出，在单闭环无静差转速控制系统中当负载转矩增大时，晶闸管电流有小幅波动但基本维持恒定不变，晶闸管电压不发生变化，而转速有所下降。通过图形可以看出单闭环无静差转速控制系统要比开环机械特性要硬。33双闭环串级调速系统的静态和动态特性331双闭环调速系统的静态特性分析表35转速NR/MIN635615603570536485晶闸管电流IGA041104120413041204110411晶闸管电压UGV151515151515负载转矩MNM00102030405电源电压U（V）210210210210210210给定电压222222图35从静态特性上看，电流负反馈有使静特性变软的趋势,但有转速反馈环包在外面，电流负反馈对于速度环来说相当于一个扰动作用，只要速度环的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就能受到抑制。何况速度环用的是PI调节器，整个系统是无静差的调速系统也就是说，当速度环不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降被转速调节器的积分作用消除。一旦转速调节器饱和，速度环即失去作用，只剩下电流环起作用。这时，系统表现为恒流调节系统，静特性呈现下降趋势。332双闭环调速系统的动态特性分析从动态响应过程来看,突加给定信号UGN的瞬时，转速负反馈很小，近似为零，速度调节器很快处于饱和状态，输出恒值限幅电压UGIM,经过电流调节器，使电动机很快地起动，起动后，虽然转速反馈电压UFN增长了，但是由于速度环的积分作用，只要还是UFNUGN,输入偏差电压U变成负值,速度环退出饱和因此,在整个升速过程中,速度环一直处于饱和,这相当于使速度环处于开环状态,系统只在电流环的恒值作用下以最大电流起动直至超调后,速度环才真正发挥作用,使转速渐趋稳定这样,就巧妙地利用了速度调节器的饱和非线性,在一段时间内使它的作用隔断,使系统在起动过程中基本上表现为恒流调节。双闭环调速系统突加给定电压UGN后，由静止状态启动时转速和电流的过渡过程波形如以下的图中所示。由于在启动过程中转速调节器经历了不饱和、饱和、退出饱和三个阶段，因此，整个过度过程也分为三个阶段如图36。图36第一阶段是电流的上升阶段，突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，是UK、UDO、ID都上升。当IDIFZ后，转速N开始增长。由于电动机机电惯性较大，转速和转速反馈增长较慢，因而转速调节器ASR的输入偏差电压UNUGNUFZ数值较大其输出电压很快达到了限幅值，并输送给电流调节器ACR，使其输出UK迅速增大，从而使触发脉冲从90度初始位置快速前移，迅速地使整流电压UDO增大，进而使电流ID迅速增大。当IDIDM时，UFIUGIM,电流调节器的作用使ID不再增长，而保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器ST由不饱和很快达到饱和，而电流调节器LT一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。这些都是设计时予以保证的。第二阶段是恒流升速阶段，即以最大电流给定升速。这一段是电流上升到最大值IDM开始，到转速上升到给定值NED（即静特性上的N0）为止，是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定UGIM作用下的电流调节系统，基本上保持电流ID恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数）。与此同时，在电流环实现恒流调节的过程中，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，反电势E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动。UK和UDO也必须基本上按线性增长，才能保证ID恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压UIUGIMUFI必须维持一定的恒值，也就是说ID应略低于IDM。上述情况表明，电流恒值调节过程同时伴随着对反电动势扰动的调节过程，反电动势扰动对电流的影响被电流调节器的积分作用所补偿。因此，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中，电流调节器是不饱和的，而且要求电流调节器的积分常数和调节对象的时间常数要互相配合，这正是电流调节器在设计的时候需要解决的问题。同时，还要求整流装置的最大电压UDM必须留有余地，即晶闸管装置也不应该出现饱和，以保证提供足够大的整流电压满足调节能力的需要。第三阶段是转速调节阶段。在这个阶段开始时，转速已经达到了给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零（即UGNUFN,UN0）。但其输出却由于转速调节器ASR的积分作用还维持在限幅值上，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，转速调节器ST的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压也就是电流ACR的给定电压UGI立即从限幅值降下来，主电路电流ID也随之迅速减小。但是，由于ID仍大于负载电流IFZ，在一段时间内，转速仍继续上升，直到IDIFZ时，转矩MMFZ，则转速N达到峰值。以后，电动机才开始在负载转矩MFZ的作用下减速。与此相应，电流ID也出现一段小于IFZ的过度过程，直到进入稳态。综合上述可知，在这一段内，转速调节器ASR和电流调节器ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速环在外环，转速调节器处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使得系统稳定；电流调节器的作用则是力图使ID尽快地跟随转速调节器ASR的输出UGI的变化，也就是说，电流内环的调节过程是速度外环支配的，故而形成了一个电流随动系统。综合上述，双闭环调速系统的启动过程具有三个特点1、饱和非线性控制；2、转速超调；3、准时间最优控制。随着转速调节器ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当不饱和时，转速形成闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的系统，这就是饱和非线性控制特征。转速环开环后，转速的动态响应一定有超调。只是在转速超调后，转速调节器ASR退出饱和，才真正发挥线性调节作用。从另一个角度看，在ASR饱和期间，它也并不是没有作用的，而是起着饱和的非线性控制作用。启动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定。一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快，这个阶段电流受到限制条件下的最短时间控制，或者称“时间最优控制”，但整个启动过程与理想快速启动过程还是有差别的，主要表现为第二，第三阶段的电流不是突变。不过这两段的时间只占全部启动时间的很小的一部分，已经无关大局，所以双闭环调速系统的启动过程可以称为“准时间最优控制”过程。34测量直流测速发电机的工作特性1实验原理方案实验利用日光灯工作频率为50HZ这个特性，通过调节转速，透过铝槽观测纸条移动数。当我们看到纸条不移动时，此时的转速N0（10060/所贴纸条数）R/MIN。如看到纸条向前移动，转速N1（N0一分钟向前移动的纸条数/所贴纸条数）R/MIN。如看到纸条向后移动，转速N2（N0一分钟向后移动的纸条数/所贴纸条数）R/MIN。2实验设备和仪表直流电动机（一台），直流发电机（一台），直流测速发电机（一台），万用表（一台），铝槽（一个）3实验接线4实验步骤（1）检查已连接好的装备电路，找出测量测速发电机的电压接线端。（2）开启电源，打开直流调速开关，使电机正常运转。（3）把铝槽放到有4条白条纹的轴承上，调节电机调速旋钮到可以透过铝槽看到条纹相对静止或缓慢移动为止，并记录一分钟可见白条纹移动过去条纹数，用万用表测量此时直流测速发电机的输出电压，记录下来。（4）把铝槽分别放到有6，8，10条白条纹的轴承上，再重复步骤3的操作，并记录此时的数据。5实验结果与数据处理实验记录数据如下条纹数超前条纹数（分钟）最高电压（V）最低电压（V）转速换算（R/MIN）6726616641012864496498758根据数据画出直线如下6分析从绘画出的直线可知，直流测速发电机的转速正比于电压，它们成线性关系，直线函数拟合后为N152699U。测速机输出电压UN和转速NE之间是完全的线性关系，但测速机在长期运行过程中，由于磁场的变化，其比例发生变化，而在控制系统设计过程中，通常是作为线性元件看待的。4双闭环串级调速系统电路图电路图图41毕设总结毕业设计是大学中最后一个教学环节了，是对自己在大学中所学知识的一个综合的运用与总结，使自己所学的知识在实际中获得应用，我所制作的是双闭环三相异步电动机串级调速系统，我主要负责的是转速调节器电路板的制作，以实现双闭环串级调速的功能。单就一个转速调节器来讲，它的电路并不是很复杂，通过对转速反馈电压以及给定电压的比较和放大，来达到转速调节的作用，但是如果要构成双闭环三相异步电机串级调速系统，则需要很多外围模块电路共同构成，如电流调节器，零速封锁器，给定电压电路，晶闸管有源逆变电路，绕线式电动机，测功机，直流发电机等等，而且各个模块的调节参数也必须互相匹配，如果不太匹配，那么这个系统的性能就会大打折扣。我在调试当中也同样碰到了这些问题，电路明明是接对的，但是电动机就是转不起来，一开始还以为是电压不稳定或者电压不够，但是我进行了适当的升压和稳压后还是不行，我之后查看了很多的资料才知道是各个模块的参数没有整定好，最后在杜老师的帮助下，问题的严重性已经大大降低了，且性能相对于以前来讲已经有了很大的提高。因此从这次的毕业设计课题中可以得出，要使电路成功的实现某个功能，光看电路的连线是否正确是远远不够的，还要对电路进行适当的调试与整定，往往有些时候在理论中行的通的东西，在实际的操作中就无法实现，因为理论是假定在理想状态下进行的，而实际的情况则受到不同因素的影响的，所以也就会出现需要调试与整定。这次的毕业设计特别是在杜老师的指导下，使我学到了很多很多的东西，这些很实用的技巧都为以后更好地在企业中运用提供了借鉴作用。不仅如此，这次的毕业设计也使我对以前的知识进行了一次全面的复习，如模拟电子技术，电路基础，电力电子技术等等课程进行了一次大的整理，使我能够把所学的知识融会贯通起来。从而为以后更好的在社会中竞争打下了坚实的基础。参考文献1模拟电子技术高等教育出版社（第三版）胡宴如主编2电路基本分析高等教育出版社（第二版）石生主编3电动机控制清华大学出版社（第四版）黄立培主编4电力电子技术机械工业出版社（第三版）王兆安主编附录一双闭环串级调速系统的各个模块的工作原理及功能介绍本课题是以转速调节器和电流调节器两个调节器来实现双闭环串级调速的功能的。课设主要是在MCL电机电力电子及电气传动教学实验台上实现的。在这之中需要以下几个实验模块（1）MCL33触发电路，组晶闸管，组晶闸管，平波电抗器，RC阻容吸收,二极管三相整流桥（2）MCL18速度变换器，转速调节器，电流调节器，电流互感器，电压互感器,过流保护，给定，电流反馈（3）三相绕线式异步电动机测功机测速发电机组（4）MEL02三相芯式变压器（5）MEL03挂箱可调电阻器1、基本挂箱MCL33介绍MCL33由脉冲控制及移相，双脉冲观察孔，一组可控硅，二组可控硅及二极管，RC吸收回路，平波电抗器L组成。本实验台提供相位差为60O，经过调制的“双窄”脉冲（调制频率大约为310KHZ），触发脉冲分别由两路功放进行放大，分别由UBLR和UBLF进行控制。当UBLF接地时，第一组脉冲放大电路进行放大。当UBLR接地时，第二组脉冲放大电路进行工作。脉冲移相由UCT端的输入电压进行控制，当UCT端输入正信号时，脉冲前移，UCT端输入负信号时，脉冲后移，移相范围为1001600。偏移电压调节电位器RP调节脉冲的初始相位，不同的实验初始相位要求不一样。双脉冲观察孔输出相位差为60O的双脉冲，同步电压观察孔，输出相电压为30V左右的同步电压，用双踪示波器分别观察同步电压和双脉冲，可比较双脉冲的相位。使用注意事项单双脉冲及同步电压观察孔在面板上俱为小孔，仅能接示器，不能输入任何信号。1脉冲控制。面板上部的6档直键开关控制接到可控硅的脉冲，1、2、3、4、5、6分别控制可控硅VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的触发脉冲，当直键开关按下时，脉冲断开，弹出时脉冲接通。2一桥可控硅由六只5A800V组成。3二桥可控硅由六只5A800V构成，另有六只5A800V二极管。4RC吸收回路可消除整流引起的振荡。当做调速实验时需接在整流桥输出端。平波电抗器可作为电感性负载电感使用，电感分别为50MH、100MH、200MH、700MH,在1A范围内基本保持线性。使用注意事项外加触发脉冲时，必须切断内部触发脉冲。2、基本挂箱MCL18介绍MCL18由G（给定），零速封锁器（DZS），速度变换器（FBS），转速调节器（ASR），电流调节器（ACR），过流过压保护等部份组成。1G（给定）原理图如图11。它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号（1）0V突跳到正电压，正电压突跳到0V；（2）0V突跳到负电压，负电压突跳到0V；（3）正电压突跳到负电压，负电压突跳到正电压。正负电压可分别由RP1、RP2两多圈电位器调节大小（调节范围为013V左右）。数值由面板右边的数显窗读出。只要依次扳动S1、S2的不同位置即能达到上述要求。（1）若S1放在“正给定”位，扳动S2由“零”位到“给定”位即能获得0V突跳到RP125V给定S给定图给定原理图正给定负给定V2正电压的信号，再由“给定”位扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳；（2）若S1放在“负给定”位，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳；（3）S2放在“给定”位，扳动S1，能得到正电压到负电压及负电压到正电压的突跳。使用注意事项给定输出有电压时，不能长时间短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。2FBCFAFT（电流变送器与过流过压保护）此单元有三种功能一是检测电流反馈信号，二是发出过流信号，三是发出过压信号。电路图为12。（1）电流变送器电流变送器适用于可控硅直流调速装置中，与电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过电流逻辑信号等。电流互感器的输出接至输入TA1，TA2，TA3，反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至9R1、9R2、VD7及RP1、9R3、9R20组成的各支路上，其中A9R2与VD7并联后再与9R1串联，在其中点取零电流检测信号。B将RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1进行调节。C将可动触点RP2与过流保护电路相联，输出过流信号，可调节过流动作电流的大小。（2）过流保护（FA）当主电路电流超过某一数值后2A左右，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE6OCT2002SHEETOFFILEDUSERMCLMCL01MCL01DDBDRAWNBY151515R29R28R27VT13DG130BVSTVD12VD11123DA40118910DC4011121311DD4011VD9R25R23R20R19VD2VD1R16R8R12R4R3R11R15R732184A1ALF353SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。12电流变送器与过流保护原理图3零速封锁器（DZS）零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输出使电机爬行的不正常现象。原理电路如图13所示。1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JUN2002SHEETOFFILEDUSERMCLMCL01FBCDDBDRAWNBYK19R1715RP1SAL19V14D5Q1CLK3Q2R4S6DAVD89R69R5RP29R4567A1BVD79R29R19R39R209R89R139R159R169R149R99R219R1032184A1A9R11RP39R129R79V13D9Q13CLK11Q12R10S8DB9V15L2S2159R18K29C19C2IFIOTA3TA2TA1TV1TV2图13零速封锁器它的总输入输出关系是（1）当1端和2端的输入电压的绝对值都小于007V左右时，则3端的输出电压应为0V；（2）当1端和2端的输入电压绝对值或者其中之一或者二者都大于02V时，其3端的输出电压应为15V；（3）当3端的输出电压已为15V，后因1端和2端的电压绝对值都小于007V，使3端电压由15V变为0V时，需要有100毫秒的延时。3端为OV时输入到各调节器反馈网络中的场效应管，使其导通，调节器反馈网络短路而被封锁，3端为15V时输入到上述场效应管使其夹断，而解除封锁。具体原理如下它是由两个山形电平检测器和开关延时电路组成。（1）DZS前半部分别由线性集成电路A1A和A1B组成二个山形电平检测器，山形电平极测器的输入输出特性如图14所示，输入电压是指1或2端送入的电压（S3放在封锁位），输出电压是指在4或5上得到的电压。调整参数到输