111111111双闭环三相异步电动机调压调速系统设计

1、双闭环三相异步电动机调压调速系统设计引言：异步电动机的转速恒小于旋转磁场的转速 n1,只有这样，转子绕组才能 产生电磁转矩，使电动机旋转。如果 n=n1,转子绕组与定子磁场之间无相对 运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见nU；）时的机械特性。、设计流程1电动机的选型:假设电动机工作于普通机床主轴传动系统中，设定最大转速为 1440r/min，可选出电动机型参数如下：型号：丫132S-4额定功率：5.5KW满载时定子电流：12A满载时转速：1440r/min满载时效率：85.5%满载时功率因数：0.84堵转电流/额定电流：7A堵转转矩/额定转矩：2.2N.m铁芯长度：115mn气隙

2、长度0.4mm定子外径：210mm定子内径：136mm定子线规根数-d : 1-0.9mm每槽线数：47绕组形式：单层交叉节距：19mm定转子槽数Z1/Z2:36/32系统结构确定如图所示2主电路设计:2.1晶闸管的选择晶闸管选择主要根据变流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出 晶闸管的型号规格。在设备使用中，一般选择 KP型普通晶闸管，其主要参数 为额定电压、额定电流。（1）额定电压U的选择考虑系统操作（如开关合闸）以及某些意外原因所导致短路时电压的 值，所以应留有足够的裕量。根据使用经验，通常可以选择考虑23倍的安全 裕量，通常按以下公式计算，UTn= (2U3) Um，则 UTn=

3、760LI 1140V式中Um指的是晶闸管可能承受的最大电压值。此处根据电动机的型号U m =220V。（2）额定电流的计算It（av）根据电动机的型号，It=7A得出-8.917A根据 It（AV）、U Tn 查的晶闸管的型号 是 KP102.2晶闸管的保护环节的设计2.2.1过电流保护过电流是晶闸管电路经常发生的故障，是造成器件损坏的主要原因之 一，因此，过电流应当首先考虑。因为晶闸管承受过电流能力比一般电器差 的多，故必须在极短的时间将电源断开或把电流值降下来。在设计中可采用 快速熔断器保护、电子线路控制的过电流保护以及过电流继电器保护。采用快速熔断器保护是最简单有效的过流保护器件，具有

4、快速熔断的特 性，在通常的发生短路中后，能快速熔断能保证在晶闸管损坏之前熔断自身 而断开故障点，避免过电流烧坏管子。如图所示的接法对交流、直流侧过电流时均起作用，2.2.2过电压保护产生过电压原因晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其正向断态重复峰值电压U一定值时，就会误导通，引起电路故障；当反向电压超过其反向断态重复峰 值电压Udrm 定值时，晶闸管将会立即损坏，因此，必须采取过电压保护。为了抑制晶闸管的过电压，采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方 法，如图所示电阻功率Pr （W为Pr 二 fCU 2m 10-式中，f为电源频率50Hz, C为电容值，根据晶闸管额定电流查表得，电 容为0.1

5、 JF，Um为晶闸管的工作电压峰值 220V。因此Pr=0.968W。2.3主回路熔断器、接触器、热继电器选择由丫系列三相异步电机控制电器选择参考表得：型号为 丫132S-4的异步 电机的熔断器的型号为RLI30，接触器的型号为CJ20-25，热继电器的型号为 JR20-16。2.4主回路导线规格由电机的额定电流查表得：导线尺寸（直径）1.25mm额定电流12.2A熔断电流45A电阻/m,在20C时电阻值为0.014 一米长度的电感是1.41 JH相近的标准线规格（SWG 18相近的美国线规格（AWG 162.5主回路欠电压、漏电流等保护环节设计电气控制线路在事故情况下，应能保证操作人员、电气

6、设备、生产机械的安 全，并能有效地制止事故的扩大。为此，在电气控制电路中应采取一定的保 护措施，为避免因误操作而发生事故。保护环节也是所有自动控制系统不可 缺少的组成部分，常用的保护环节包括短路、过载、过流、过压、失压等保 护环节，如下图为具有欠压、过流、过载、短路保护的控制电路。r-u2FUl控制电路的欠压、过流、过载、短路保护3控制电路设计3.1电流调节器的设计3.1.1电流调节器的设计原理电流环的控制对象又电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置，触 发器，电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。电流环可以校正成 典型1型系统，也可以校正成典型2型系统，校正成哪种系统，取决于具体 系

7、统要求。因为电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因 而，在突加给定时不希望有超调，或者超调越小越好。从这个观点来说，应 该把电流环校正成典型1型系统。但是，典型1型系统在电磁惯性时间常数 较大时，抗绕性能较差。恢复时间长。考虑到电流环还对电网电压波动又及 时的调节功能，因此，为了提高其抗扰性能，又希望把电流环校正成典型2型系统。在一般情况下，当控制系统的两个时间常数 T1/T i空10比时，典型U 型系统的恢复时间还是可以接受的，因此，一般按典型I型系统设计电流环。此外，为了按典型系统设计电流环，需要对电流环进行必要的项目近似 和等效处理。3.12电流环的结构的简化电流环的

8、结构如图(3.1 )所示。把电流环单独拿出来设计时，首先遇到 的问题是反电势产生的反馈作用。在实际系统中，因为电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm电流调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比电势 E的变 化快得多，反电势对电流环来说，只是一个变化缓慢的扰动，在电流调节器 的快速调节过程中，可以认为 E基本不变，即 E=0=这样，在设计电流环 时，可以不考虑反电势变化的影响，而将电势反馈作用断开，使电流环结构 得以简化。另外，在将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效的置于环内， 使电流环结构变为单位反馈系统。最后，考虑到反馈时间常数Ti和晶闸管变流装置间常数Ts比T1小得多，可以当作小惯性环

9、节处理，并取 TE i=Toi+Ts。经过上述简化和近似处理后，电流环的结构图最终可简化为图(3.2 )所示:諒 j：Sj加S + l图3.10 .Pifa.1 nrkkjRToiS +1丄+1)仏5 + 1)Id(图3.2ARC(匕 S+1)(口+ 1)16 / 15图3.33.1.3 电流调节器的结构选择因为电流环中的控制对象传递函数Wi (s)含有两个惯性环节，因此按典型I系统设计的话，应该选 PI调节器进行串联校正，其传递函数为Wacr (s)二Ki( iS 1)iS为了对消控制对象的大时间常数，取i =Tl。此时，电流环的结构图就成为典型I型系统的形式。如果要求跟随性好，超调量小，可

10、按项目最佳参数KigTy=0.5或=0.707选择调节器的参数。电流环开环放大系数Ki为KiKsiRKi =令KiTj=0.5,所以有:0.5 jRKl=Ks：iT、i且截止频率W为:0.5wn=Ki = T上述关系表明，按项目最佳参数设计电流环时，截止频率W与Ki的关1系满足小惯性环节的近似条件 wn _ o如果按典型丨丨型系统设计电流环，则需要将控制对象中的大惯性环节近似为积分环节iTlS，当TLhT、i时，而电流调节器仍可用PI调节规律。但积分时间常数.i应选得小一些，即.i=hT按最小峰值Mpmin选择电流环时，如选用项目最佳参数h=5，则电流环开环放大系数KI为：a i h 1iRT

11、L =2h2T 习于是可得K =(h +1)RTl =0.6RTl1 = 2hks订工=Ks订耳Wn=h 12hT耳0.6显然，按项目最佳参数h=5确定的W和丁窗的关系，也可以满足小惯性 环节的近似的条件。PI型电流调节器结构图3.2转速调节器ACF的设计3.2.1电流环的等效传递函数电流环是转速环的内环，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处 理，使电流成为一个简单的环节，以便按典型系统设计转速环。如果电流环是按项目最佳参数设计的典型I型系统，则由图(3.4 )可得其闭环传递函数为：Id(s)P s(T$s+1)1WBi(s)= Ug =Ds2 丄 1ss+l) K|K|因为：(s)12T.

12、,s 11=2 22T0 .5K| =,所以有WBiI寸 WBi( s)qs22jS 1在双闭环调速系统设计中，转速外环的截止频率n总是低于电流环的截止频 w，即wtn wn.因此，设计转速环时可以把电流环看成是外环中的 一个小时常数环节，并加以简化处理，即略去 WBi(s)中分母的高次项，得简 化后的传递函数为：近似条件为：Wen v0.5T、i电流环的这种近似处理产生的效果可以用对数幅频特性来表示。电流环未作处理时阻尼比 =0.707，自然振荡频率为的二阶振荡环节，当转速环截止频率较 WCn低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有些区别。因为电流环在转速环内，其输入信号

13、Ui。因此，与电Id(s) WBi(s)1P 流环的近似的小环节应为=-=，式中时间常数2T门Ui(s) Q2T$s + 1-的大小随调节器参数选择方法不同而异。-3.2.2转速调节器结构的选择为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图(3.5 )可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态 无差考虑需要II型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后， 调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型II型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型II系统进行设计。由图(3.6 )可以明显地看出，要把转速环校正成典型II型系统，转速调节器ASR也应该

14、采用PI调节器，其传递函数为nS 1WASR=KnnS式中Kn 转速调节器的比例系数;转速调节器的超前时间常数这样，调速系统的开环传递函数为:nR( iS 1)Kn( nS 1)Wn(S)=iC/TmS2(TmS 1)= s2(T3s 1)其中，转速开环增益为nRKN = c Tn n e m不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构示于下图（3.6 ）图3.4图3.5KgS+l)n(Sl图3.63.2.3转速调节器的参数选择按跟随性能和抗扰性能最好的原则，取h=5进行计算小惯性环节近似处理条件1 1叫八 3 1 2T.Ton3.2.4电流环设计时，KiT j =0.5,所以，二i 5%3.3

15、调速系统静态参数分析分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握转速调节器PI的稳态特征，它一般存在两种状况。饱和输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出， 除非有反向的输入信号使转速调节器退出饱和，这时转速环相当于开环。不饱和输出未达到限幅值，转速调节器使输入偏差电压AU n在稳态时总是零。当转速PI调节器线性调节输出未达到限幅值，则IdIdm因为积累作用使 ：U0，即n=Un* / -保持不变直到I d=ldm，如图no-A段所示。当转速PR调节器饱和输出为极限值Um*，转速外环的输入量极性不改变，转速的变化对系统不再产生影响，转速PI调节器相当于开环运行，这样双闭环变为单闭环电流负反馈系统，系统

16、由恒转速调节变为恒电流调节从而 获得极好的下垂特性，如图中 A-B段所示。由上面分析可见，转速环要求电流迅速响应转速 n的变化，而电流环则要求 维持电流不变。这不利于电流对转速的变化的响应，有使静特性变软的趋 势。但因为转速环是外环，电流环的作用相当转速环内部的一种扰动作用而 已，不起主导作用。只要转速环的开环放大倍数足够大，最后仍然能靠转速 调节器的作用消除转速的偏差。3.4控制回路导线规格20C时导线截面积2.5mm管径16mm40C时导线截面积2.5mm管径16mm4触发电路设计5系统电路控制图对于开环调速系统，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，开环 系统可以实现一定范围的无级

17、调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对 静差率有一定的要求。例如龙门刨床，因为毛坯表面粗糙不平，加工时负载 大小常有波动，所以为了保证工件的加工精度和加工后表面光洁度，加工过JrOfl血wo程的速度就必须保持基本稳定，也就是说静差率不能太大，这就需要采用闭环控制。闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；闭环系统的静差率要比开环系统小得多；如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。对于单闭环控制系统，若要求快速起制动，突加负载动态速降 小等等，单闭环就不能满足需要，所以本设计采用转速电流双闭环调速系统。电流环在里边，作为内环；转速环在外边，作为外环，系统控制原理图 如下：双闭

18、环调压调速系统控制原理图参考文献：1 电动机基础与技能实训教程孙余凯吴鸣山等编著 . 北京：电子工业出版 社， 2007.62 电气传动控制系统设计指导李荣生主编北京：机械工业出版社， 2004.63 电动机控制电路选用与 258 实例袁任光张伟武等编著北京：机械工业出版 社， 2004.74 异步电动机使用与维修方大千等编著北京：人民邮电出版社， 2008.95 电机与电气控制刘明伟马宏革主编北京：科学出版社， 20076 交流电机的使用、维护和修理王占元王宁编著北京：机械工业出版社，2010.97 电力拖动基本控制线路李敬梅主编北京：中国劳动社会保障出版社， 20068 黄师傅教你学电机控制电路黄海平编著北京：科学出版