课程设计任务书12-异步电动机闭环控制晶闸管调压调速系统设计

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘要电力拖动自动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统等。各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统中最基本的系统。调节电动机转速的方法一般有三种：调节电枢供电电压U；减弱励磁磁通；改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。用半控型器件晶闸管可以构成输出电压大小可变的电源，可作为异步电动机变压调速的可变电源，通过控制触发角，就可以实现变压调速。同时，采用闭环控制的调速系统静特性相对开环系统来说有大大改善，并且使用比例积分

2、调节器可以实现稳态无静差。关键字： 变压调速 闭环控制 比例积分调节器目录摘要01 转速反馈控制调速系统的原理21.1 异步电动机的调压调速的机械特性21.2 转速闭环控制的调压调速系统静特性31.3 异步电动机的调压调速主电路32 异步电动机闭环控制系统设计62.1 晶闸管交流调压器元件的选择62.1.1 晶闸管元件的额定电压62.1.2 元件的额定电流(通态平均电流)62.2晶闸管的保护环节的设计72.2.1过电流保护72.2.2过电压保护82.3控制电路的设计（转速调节器ASR的设计）102.3.1转速调节器结构的选择102.3.1转速调节器的参数计算10小结体会12参考文献121 转速

3、反馈控制调速系统的原理1.1 异步电动机的调压调速的机械特性对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。交流异步电动机机械特性的参数表达式如下： 变压调速是异步电动机调速方法中的一种，由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。采用定子调压调速系统，就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控

4、制器，即改变定子电压调速。如下图画出了定子电压为、 ()时的机械特性。 TLabcU”1cabnmsSmTemaxU1>U1>U1”通风机负载特性 图1-1 异步电动机调压调速的机械特性1.2 转速闭环控制的调压调速系统静特性 图1-2 转速闭环控制调压调速静特性交流异步电动机电机应用调压调速可以获得良好的调速性能，保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。晶闸管交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三

5、相电路中，用相位控制改变输出电压。这个原理同直流电机调压调速类似，只是交流调压调速只能是降压调速。直流电动机调速系统中，要调节电枢电压，调节电枢供电电压首先要解决的是可控电源。可采用可控晶闸管组成整流器的晶闸管-电动机调速系统。过去采用通过调节触发装置的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现控制电枢电压。 采用普通异步电动机降压调速时，调速范围很窄；采用高转子电阻电动机可以增大调速范围，但机械特性又变软，开环控制很难解决这个矛盾。为此，如果要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，往往需要采用带转速反馈的闭环控制系统。异步电动机闭环调压调速系统不同

6、于直流电动机调压调速系统之处为：静特性两边都有极限，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。如右图1所示，图中的UaN和Usmin为系统的开环机械特性，而、Un2*、Un3*为系统的闭环静特性。 由图可以看出，系统的闭环静特性为平行的直线，就实现了稳态无静差的要求。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限的开环特性变化。1.3 异步电动机的调压调速主电路交流电机转速单闭环变压调速是一种典型的转差功率消耗型调速系统。图1-3为交流电机转速单闭环变压调速的电路。图1-3 交流电机转速单闭环变压调速电路变压调速是交流电机调速方法中比较简便的一

7、种。目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。图1-4 Y形连接图1-5 形连接调压电路以晶闸管为开关信号，采用晶闸管交流调压器（TVC）,图1-6为TVC硬件电路，图1-7为TVC的变压控制方式。图1-6 晶闸管交流调压器硬件电路（a）相位控制（b）周期控制电压在零点时同步导通图1-7 TVC的变压控制方式2 异步电动机闭环控制系统设计2.1 晶闸管交流调压器元件的选择 正确地选择晶闸管，能够使变流装置在保证可靠运行的前提下降低成本。主要是合理地选择元件的额定电压和额定电流(通态平均电流)。其元件的选择与以下各因

8、素有关：负载性质(电阻或电感)，整流电压平均值和整流电流平均值，整流电路形式，控制角的大小等。由于实际使用时各因素的差异很大，因此对电流有效值进行精确计算就比较复杂。为了使计算简化，我们均以控制角0选择品闸管的电流定额。也就是说，晶闸管可以按照相同的方法确定它们的额定电压和额定电流。2.1.1 晶闸管元件的额定电压如果元件实际承受到的最大峰值电压为，则应选择元件的额定电压 UTe=（2-3）UTM 式中系数(23)是考虑到元件的发热、环境温度升高、操作过电压等因素的影响而留的安全裕量。2.1.2 元件的额定电流(通态平均电流) 在额定情况下流过元件的电流有效值和额定电流的关系为IT=1.57I

9、Ta 由于晶间管的过载能力比一般电磁元件小，为不使元件因过热而损坏，在实际计算中要考虑(1.5-2)倍的安全系数。另外如果通过元件的电流波形不同，其有效值与平均值的比值也不同。若负载电流为，根据热量等效原则可写出 1.57ITa=1.5-2KfIdKb则元件的额定电流 ITa=1.5-2Kf1.57KbIb =(1.5-2)KfdId式中 波形系数； 整流元件的支路数，如单相桥2，三相桥3； 负载电流； 计算系数。 根据本次设计要求，为留有裕量，我们选择晶闸管的额压为1140V，额流为20A。2.2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

10、原因之一，因此，过电流应当首先考虑。由于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，图2-1 过电流保护原理图2.2.2过电压保护晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。它所承受的最大

11、峰值电压与电源电压、电路接线形式有关，它是选择晶闸管额定电压的依据。在工作中，由于各种原因可能出现晶闸管所承受的电压超过最大峰值电压的短时过电压的情况。如正相过电压超过了正相转折电压，将产生误导通。如果反向过电压超过反向重复峰值电压，则晶闸管被击穿，造成永久性的损坏，为使晶闸管元件能正常工作，必须采取适当的保护措施。引起过电压的原因：操作过电压，在晶闸管变流装置拉闸、合闸、快速开关的切断等经常性操作中电磁过程引起的过电压。浪涌过电压，由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置的过电压，其幅值可能比操作过电压高得多。晶闸管关断过电压，晶闸管关断时，在反向阳极电压作用下，电流下降至零，由于内部载流子

12、的复位将形成一个反向电流，并迅速衰减至零，此时很大的di/dt将在线路电感上引起很大的反电动势，作用在晶闸管上可能使晶闸管击穿。过电压保护的原则是：根据过电压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到一定的过电压值时，自动开通附加电路，使过电压通过附加电路形成通路，消耗过电压储存的电磁能量，从而使过电压的能量不会加到主开关元件上，从而达到保护的目的。下面分析常用的保护方式。过电压保护的主要目的是设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内。抑制过电压的方法主要有三种：用非线件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。实用中常根据需要在电路的不同部位选用不同的方法

13、，或者在同一部位同时用两种保护方法。过电压保护的常见方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。原理图如图2-2。图2-2 过电压保护原理图2.3控制电路的设计（转速调节器ASR的设计）2.3.1转速调节器结构的选择根据设计要求n5%，可按典型 I 型系统设计转速调节器，为实现系统无静差，转速调节器 ASR应该采用 PI 调节器，其传递函数为式中K转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数2.3.1转速调节器的参数计算（1）确定时间常数 1）晶闸管调相装置平均滞后时间为Ts=0.01s。 2）转速滤波时间常数Ton=0.01s。 3）转速环小时间常数Tn=Ts+

14、Ton=0.02s。（2）计算调节器参数根据设计要求n5%，查表可得KNTn=0.5,则转速环的开环增益为 KN=0.5Tn=0.50.02=25s-2因为TmTn,所以选择n=Tm=0.58s于是，ASR的比例系数为 Kn=KNnKs=25×0.5838×0.004=95.39（3）校验近似条件转速环截止频率：cn=KNn=25×0.58=14.5s-2 小时间常数近似条件：cn131TsTon 现在 131TsTon=13×10.01×0.01=33.3>n 满足近似条件。（4）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图2-3Ui*Rd

15、nCdnR5R4-+ConConUn*R0/2R0/2R0/2R0/2RnR3Cn图2-3 带给定滤波和反馈滤波的PI调节器取，各电阻和电容值计算如下：Rn=KnR0=95.4×10=954KCn=nRn=0.581000×103×106=0.58FCon=4onR0=4×0.0110×103×106=4F小结体会 这次做电力拖动的课程设计，我感觉自己一开始不够认真，把任务书没看清楚就开始动手做。可能是因为我们上课讲的直流电动机的调压调速比较多，我对于直流电动机的调速也比较熟悉。后来才发现我要做的是交流异步电动机的调压调速。而直流电动机和交流异步电机的结构明显不同，在调速方面，交流异步电机明显要复杂一些。因为交流电机要考虑电压、频率、气隙磁通等方面的问题。而且设计要求的超调量也不能按照典系统来设计调节器，我感觉一下子走进了死胡同，不过我翻看了课本，在只采用调压调速并且基于稳态模型的异步电动机的调速同直流电机的调压调速基本上没设么差别。所以，我按照直流电机的调压调速思想，结合了很多交流电机双闭环的资料来做这个课程设计。虽然不知道结果是不是完全正确，但是至少自己是认认真真地计算参数，自己设计。这次课程设计相当于是对自己的又一个挑战。虽然