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n<n1是异步电动机工作的必要条件。由于电动机转速n与旋转磁场转速n1不同步，故称为异步电动机。一、三相异步工作原理 三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场。转速的大小由电动机极数和电源频率而定。旋转磁场的转速n1称为同步转速。它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为：n1=60f1p 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

2、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。 本实验即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”1cabnmsSmTem

3、axU1>U1>U1”通风机负载特性二、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：Y132S-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：115mm 气隙长度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

4、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，=（23），则=7601140V 式中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=220V。（2）额定电流的计算根据电动机的型号，=7A得出 根据、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

5、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。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，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一定值时，就会误导通，引起电路故障；当反向电压超

6、过其反向断态重复峰值电压一定值时，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（W）为式中，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 ，为晶闸管的工作电压峰值220V。因此=0.968W。2.3 主回路熔断器、接触器、热继电器选择由Y系列三相异步电机控制电器选择参考表得：型号为Y132S-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

7、 熔断电流45A电阻/m，在20 C时电阻值为0.014 一米长度的电感是1.41 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。 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-+R3R2R

8、1C1R53.1.1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，取决于具体系统要求。由于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

9、统的两个时间常数比时，典型型系统的恢复时间还是可以接受的，因此，一般按典型型系统设计电流环。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工程近似和等效处理。3.1.2. 电流环的结构的简化电流环的结构如图（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，由于电磁时间常数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，

10、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，可以当作小惯性环节处理，并取 Ti=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：图3.1图3.2 图3.33.1.3电流调节器的结构选择由于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，其传递函数为为了对消控制对象的大时间常数，取 。此时，电流环的结构图就成为典型型系统的形式。如果要求跟随性好，超调量小，

11、可按工程最佳参数KgT=0.5或=0.707选择调节器的参数。电流环开环放大系数 Ki 为 K=令KT=0.5,所以有： K=且截止频率W为： W=K=上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率W与T的关系满足小惯性环节的近似条件W。如果按典型型系统设计电流环， 则需要将控制对象中的大惯性环节近似为积分环节，当T>hT时 ，而电流调节器仍可用 PI 调节规律。但积分时间常数应选得小一些，即= hT。按最小峰值M选择电流环时，如选用工程最佳参数 h=5，则电流环开环放大系数 KI为： K=于是可得 K= W=显然，按工程最佳参数h=5确定的W和T的关系，也可以满足小惯性环节的近似的

12、条件。PI型电流调节器结构图Ui*RdnCdnR5R4-+ConConUn*R0/2R0/2R0/2R0/2RnR3Cn3.2转速调节器ACR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。 如果电流环是按工程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： W（s）=由于： K=, 所以有W（s）=在双闭环调速系统设计中，转速外环的截止频率W总是低于电流环的截止频W，即W<< W.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

13、，即略去WBi(s)中分母的高次项，得简化后的传递函数为： W（s）近似条件为: W<<0.5T。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W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。由于电流环在转速环内，其输入信号Ui。因此，与电流环的近似的小环节应为=，式中时间常数2T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

14、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也应该采用 PI 调节器，其传递函数为 W=K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这样，调速系统的开环传递函数为： W（S）=其中，转速开环增益为 K=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3.5 图3.6 3.2.3转速调节器的参数选择 按跟随性能和抗扰性

15、能最好的原则，取h=5进行计算。 小惯性环节近似处理条件: W3.2.4 电流环设计时，KT=0.5, 所以，<5%。3.3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< 由于积累作用使，即n= 保持不变直到，如图段所示。当转速PR调节器饱和输出为极限值，转速外环的输入量极性不改变，转速的变化对系统不再产

16、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。但由于转速环是外环，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20 时导线截面积2.5mm 管径16mm 40时导线截面积2.5mm 管径16mm 4触发电路设计5系统电路控制图对于开环调速系统，如果

17、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，由于毛坯表面粗糙不平，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

18、速环在外边，作为外环，系统控制原理图如下：双闭环调压调速系统控制原理图总结： 经过两周的课程设计，让我印象深刻，设计一个东西并不容易，而在这两周的课程设计里，我们都付出了努力。在整个设计过程中，我们一起参与了整个过程，从电动机的选择一直到设计结束。电动机的型号的选择，这都是从图书馆书上找到的，经过我们一点一滴的筛选，到最后的确定方案，系统结构图等这些都从书上查的。在设计过程中，我们翻阅了大量的书籍，逐步按照课程任务，一一往下设计。我们是一个大团队，每个人都有参与其中，导线规格是根据电动机的容量确定的，我们在书上查阅的，选择合适的导线是非常重要的，一根导线坏了，就会影响整个电动机的启动，电动机不能好好运行，后续的工作的无法进行，犹如咱们人体里的血管。熔断器、继电器、接触器的选择都是根据电动机选型的表上查阅的，是按一定要求做的