畢業(yè)設計論文繞線式異步電動機交流調速控制系統設計

1、繞線式異步電動機交流調速控制系統設計摘要 本文主要通過對選擇繞線式異步電機系統來控制造紙機，最終的選擇串級調速控制系統，該系統是由異步電動機、轉子整流器、頻敏變阻器、有源逆變器、觸發(fā)裝置和信號檢測等元件組成。文章的重點就是系統參數的設計。關鍵詞：繞線式異步電動機 調速 控制系統 abstract this paper mainly through to choose wound rotor asynchronous motor system to control the paper machine, the final choice bunch_rank speed-control contr

2、ol system, this system is made asynchronous motor, rotor rectifier, frequency sensitivity rheostat, active inverter, triggering device and signal detection components. the article is to focus on the design of system parameters.keywords: wound rotor asynchronous motor speed control system 前言 由于繞線式異步電

3、動機要求啟動轉矩大，能平滑調速的場合。所以它是工農業(yè)生產及國民經濟各部門中應用最為廣泛而且需要量最大的一種電機。金屬切削機床、軋鋼設備、鼓風機、粉碎機、水泵、油泵、輕工機械、紡織機械、礦山機械等，絕大部分都采用繞線式異步電動機拖動。 繞線式異步電動機的控制方式可以分為3點：啟動，調速與制動。 第一章 系統方案的選擇 1.1 本論文的目的 經過前言部分我們主要講解了繞線式異步電機的使用場合和它的三種控制方式。既然它的應用這么多，下面我來設計一種電動機在造紙機上的使用。 1.2 系統的選擇由于繞線式異步電動機, 相對于籠型異步電動機而言,具有起動電流小,起動轉矩大的特點。一般應用在大功率重載起動的

4、情況下, 或者功率雖然不大, 但要求頻繁起動、制動和反轉的場合。該電機的控制方式一般有兩種:轉子串電阻調速和串級調速。而造紙機的要求是啟動電流要小，啟動轉矩大。還要求頻繁的啟動。所以可以使用繞線式異步電機調速來控制造紙機。至于轉子串電阻和串級調速之間的選擇：串級調速是通過繞線式異步電動機的轉子回路引入附加電勢而產生的。它屬于變轉差率來實現串級調速的。與轉子串電阻的方式不同，串級調速可以將異步電動機的功率加以應用，因此效率高。串級調速能實現無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬，它完全克服了轉子串電阻調速的缺點，具有高效率、無級平滑調速、較硬的低速機械特性等優(yōu)點，是一種經濟、高效的調速方法。因此這

5、里選擇使用繞線式異步電機串級調速來控制造紙機。第2章 系統的組成及工作原理2.1 系統的組成本調速系統的主要組成部分有異步電動機、轉子整流器、頻敏變阻器、有源逆變器、觸發(fā)裝置和信號檢測等元件。整流器和逆變器是應采用三相橋式電路。圖1-1為本系統所采用方案的示意框圖。為了減少串調裝置的容量和滿足使電動機能完全脫離調速裝置而“高速”運轉的要求，本系統不使用串調裝置的直接起動，而是采用頻敏變阻器進行起動。起動完畢后，若需轉入“調速”狀態(tài)下低速工作，只需將接觸器接通，km斷開，即可切換至串級調速運行狀態(tài)。在調速裝置發(fā)生障礙時，先經頻敏變阻器升速，然后通過觸點短接轉子，使電動機全速運行，這樣可以調速裝置

6、進行檢修而不中斷生產。 圖 1-1 造紙機傳動系統框圖2.2串級調速原理在異步電動機的串級調速中, 如果不在轉子回路串接電阻，而是引入一個附加電動勢eab，且令eab的頻率和轉子電動勢的頻率相等，則轉子回路的總電動勢即為轉子電動勢e2s和附加電動勢ef的代數和，從而使轉子電流隨著二者的相互關系而變化。如果對電動勢的方向及數值加以控制，就會得到性能遠比轉子串電阻調速法優(yōu)越的結果。可使改變附加電動勢的大小和方向十分靈活、方便，可做到平滑無級調速。下圖2-1所示是 轉子串eab的串級調速原理圖 圖 2-1 轉子串eab的串級調速原理圖 串級調速的基本原理可分析如下：未串時，轉子電流為： 當轉子串入的

7、與反相位時，電動機的轉速下降。因為反相位的串入后，立即引起子電流的減少，即當轉子串入的與同相位時，電動機的轉速升高。同相位的串入后，立即使增大，即由上面分析可知，當與反相位時，電動機在同步轉速以下調速，稱為低同步串級調速。eab與e2s同相位時，電動機朝著同轉速方向加速，eab幅值越大，電動機的穩(wěn)定轉速越高，當eab幅值足夠大時，電動機的轉速將達到甚至超過同步轉速，這稱為超同步串級調速。2.3晶閘管串級調速系統主電路設計圖2-3 晶閘管串級調速系統主電路上圖為晶閘管串級調速系統主電路圖，m為三相繞線轉子異步電動機，其轉子相電動勢經過三相不可控整流裝置整流，輸出直流電壓。工作在有源逆變狀態(tài)的三相

8、可控整流裝置除提供可調的直流電壓外還可將經整流裝置整流輸出的轉差功率逆變，并回饋到交流電網。轉子整流器和產生附加直流反電動勢的晶閘管有源逆變器，均采用三相橋式電路。逆變器逆變電壓即為轉子回路中串入的附加直流電動勢。直流回路電流id決定于拖動的負載轉矩，當負載一定時，為定植，改變逆變器的逆變角，逆變電壓相應改變，便實現調速。逆變變壓器起到了電動機轉子電壓與電網電壓匹配的作用，其二次側電壓不但與轉子感應電勢e2有關，還與調速范圍有關。調速范圍越大，要求的值越高。逆變變壓器還能起到使電動機轉子電路與交流電網之間電隔離的作用，減弱大功率晶閘管裝置對電網波形的影響，并限制晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率和通態(tài)

9、電流臨界上升率。轉子回路中接入的電抗器ld，可以使小負載時電流連續(xù)并限制電流脈動分量。在大功率串級調速系統中還能限制逆變顛覆時短路電流上升率。保護電路，交流側采用阻容吸收和壓敏電阻作為過電壓保護電路，對于電路中晶閘管和二極管則采用阻容吸收和壓敏快速熔斷器做過電流保護。2.4異步電動機串級調速系統的轉子整流電路轉子整流電路采用三相橋式不可控整流電路，如下圖所示：圖2-4 轉子整流電路設電動機在某一轉差率s下穩(wěn)定運行，當個整流器件依次道統時，必有器件見的換相過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產生換相重疊降。換相重疊角為： （27）其中，xd0 s=1時折算到轉子側的電動機釘子和轉子每相漏

10、抗。由式（27）可知，換相重疊角隨著整流電流id的增大而增大。當id較小，在0度到60度之間時，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。當負載電流id增大到按式（27）計算出來的角大于時，器件在自然換相點處未能結束換流,從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現了強迫換流現象，所延遲的角度稱為強迫延時換相角。強迫延時換相只說明在id超過某一值時，整流器件比自然換相點滯后角換流，但從總體上看，6個器件在360度內輪流工作，每一對器件的換流過程最多只能是，也就是說，id再大，只能是=不變。由此可見，串級調速時的異步電動機轉子整流電路在時轉子處于正常的不可控整流

11、工作狀態(tài)。由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當控制角為零時的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關分析式來表示串級調速時轉子整流電路的電流和電壓。整流電流： （28）整流電壓： （29）其中， 是折算到轉子側的電動機定子和轉子的每相等效電阻。上兩式中，當時表示轉子整流電路工作在正常的不可控整流工作狀態(tài),為第一種工作狀態(tài)；而將時稱為第二種工作狀態(tài)。2.5異步電動機串級調速系統的逆變電路 逆變電路采用工作在逆變狀態(tài)的三相橋式整流電路，為控制角,為逆變角。逆變時允許采用的最小逆變角。式中，為晶閘管的關斷時間折合的電角度；為換相重疊角；為安全裕量角。晶閘管的關斷時間 ，大的可達20030

12、0us，折算到電角度約。重疊角根據式子 計算可知約為。在三相橋式逆變電路中，觸發(fā)器輸出的六個脈沖，它們的相位角間隔不可能完全相等，不對稱度一般可達，若不設安全裕量角，偏后的那些脈沖相當于變小，就可能小于，導致逆變失敗。根據一般中小型可逆拖動的經驗，安全裕量角約取。這樣，一般取最小逆變角不小于，使前后相晶閘管換相時間留有裕度。第3章 系統性能分析第3.1節(jié) 串級調速的機械特性 由上述串級調速的原理可知，串級調速的機械特性如圖3-1所示，當eab與e2s同相位時，機械特性基本上是向右上方移動；當eab與e2s反相位時，機械特性基本上是向左下方移動。因此機械特性的硬度基本不變，但低速時的最大轉矩和過

13、載能力降低，起動轉矩也減小。串級調速的調速性能比較好，但獲得附加電動勢eab的裝置比較復雜，成本較高，且在低速時電動機的過載能力較低。圖3-1 串級調速時的機械特性 由上述說明得知：是由兩部分組成，一部分為轉子未串電動勢eab產生的電流；另一部分為轉子外加電動勢產生的電流，且式中 se2與eab反相時取負值，se2與eab同相時取正值。所以，異步電動機的電磁轉矩為 (式3-1)式中 為異步電流機的電流變比，令，且有 (式3-2)式（2-1）和、值代入式（2-2），整理得 (式3-3)顯然，串級調速方法中，異步電動機的電磁轉矩由兩部分組成：為旋轉磁場與作用產生的轉矩分量。其機械特性與轉子不串外加

14、電動勢eab時的異步電動機的機械特性一樣，如圖3.2 (a)所示。為由旋轉磁場和作用產生的轉矩分量，se2與eab同相時，取正值；se2與eab反相時，取負值，其機械特性如圖3.2(b)所示。繞線式異步電動機轉子串電動勢eab的機械特性由和合成得到，如圖3.2(c)所示。 (a) (b) (c) 圖 3.2 異步電動機串級調速的機械特性由圖3.2(c)知：當eab=0時，機械特性同普通異步電機的固有機械特性；當eab取正值時，機械特性基本上是平行上移。顯然，機械特性的線性段較硬，但低速時，最大轉矩和起動轉矩減小，且過載能力降低。3.串級調速的特點和性能其特點和性能為(1)串級調速的控制設備較復

15、雜，成本較高，控制困難。因為轉子回路串入了一個頻率與轉子電動勢頻率相同的外加電動勢eab，且要隨頻率變化，是相當困難的。因此，在實際應用中，通常是將轉子外加電動勢用整流器整流成可控的直流電動勢來代替交變電動勢；(2)串級調速的機械特性較硬，調速平滑性好，轉差功率損耗小，效率較高；(3)低速時，轉差功率損耗較大，功率因數較低，過載能力較弱；(4)串級調速范圍一般為，適用于大容量的通風機，提升機等泵類負載。第3.2節(jié) 串級調速裝置的電壓和容量 串級調速裝置是指整個串級調速系統中除異步電動機以外，為實現串級調速而附加的所有功率部件。串級調速裝置的容量主要是指轉子整流器、逆變器和逆變變壓器的容量，選擇

16、依據是電流與電壓的定額。電流定額取決于異步電動機轉子額定電流i2n和負載；電壓定額取決于異步電動機轉子額定電壓e20和調速范圍d?，F以逆變變壓器的容量計算來分析 u2t= smaxe20cos 30°1.15e20（1-） wt3.45e20i2t（1-） （式 3-4）式（3-4）表明，系統調速范圍增大時，wt也增大，所以串級調速系統往往被應用于調速范圍不大的場合。第四章 系統參數設計4.1 電動機的選擇4.1.1容量的選擇?？紤]到串調運行的異步電動機由于額定轉矩、額定運行時最高轉速的降低及其他因素的影響，使電動機允許最大輸出功率較自然接線運行時的額定功率降低。取電動機容量系數1.

17、25倍，則選擇電動機額定功率為 根據造紙機轉速及傳動要求，選擇繞線轉子三相異步電動機規(guī)格見下圖4-1電動機的型號yr250m2-4額定功率（)45kw額定轉速()1480r/min額定頻率()50hz定子額定電壓（)380v定子額定電流()85.9a功率因數()0.87額定效率91.50%轉子額定電動勢（)340v轉子額定電流（)81a最大電磁轉矩與額定轉矩比（）3調速范圍（）3額定轉差率：定子電阻：定轉子繞組的變比k： 折算至轉子側的定子電阻r1'： 電動機的額定轉矩mn： 4.1.2逆變變壓器參數初步計算如下：變壓器二次額定電壓： 拆算至支流側的變壓器等效電阻 拆算至二次側的變壓器

18、漏抗xs: 平波電抗器直流電阻： 4.1.3 串調運行是額定轉矩如下： 串調運行直流回路額定電流： 串調運行是額定轉矩： 轉矩降低系數: 4.1.4 串調運行時最高轉速的確定如下：串調系統直流回路等效總電阻r：取系統過載系數，則有直流回路最大電流為最大電流時的電勢系數：最大電流時所對應的最高轉速：取，則轉速降低系數： 功率降低系數： 4.1.5 電動機校驗： 因此，所選電動機容量合適。4.1.6 換向重疊的校驗如下：是換向重疊角：由此可見，系統工作在第一工作區(qū)。4.3晶閘管及轉子側整流元器件的計算與選擇4.3.1額定電壓：實取。3.3.2額定電流：實取。選取晶閘管kp20012、硅整流器件zp

19、20012各6只。4.8 控制回路單元電路的選擇4.8.1電流閉環(huán)元件的選擇4.8.1.1電流檢測裝置。三相橋式有源逆變器中，交流側有效電流與直流電流之間有著近似的比例關系，即。因此，利用交流電流互感器檢測電流，既可以反映直流電流，又能把控制回路與主回路隔離。結構上，交流電流互感器簡單。因此，本系統采用交流電流互感做為電流檢測裝置。對與定型生產的電流互感器，額定容量是10va或15va，二次電流是5a。如按定型的儀用交流電流互感器產品來選擇，則它的二次側的整流元件和負載電阻的容量都比較大，耗散功率也多，所以在標準互感器后邊加上一組5a/0.1a的交流電流互感器，電流檢測裝置如圖4-1所示。這樣

20、整流后的輸出電流為0.1a/0.816=0.12a；若負載電阻選擇，則輸出的最大電壓為12v，經分壓即可得到010v的輸出信號；負載電阻的耗散功率為。將負載電阻的功率取為計算值的4倍以上，即，8w。 圖4-6 電流檢測裝置示意圖為了保證檢測精度，電流互感器的鐵心采用軟磁性材料，且在正常工作時不飽和。使用是，需要特別注意的是，電流互感器二次側不能開路。4.8.1.2 電流調節(jié)器acr的機構。為了滿足造紙工藝要求，提高系統的動態(tài)性能，電流調節(jié)采用近似的pi調節(jié)器，由高增益線性組件bg305構成，電流調節(jié)器acr的原理如圖4-2所示。acr的輸出信號經限幅和功率放大后做為觸發(fā)裝置gt的移相信號。圖4

21、-7 電流調節(jié)器acr原理圖4.8.1.3觸發(fā)裝置的選擇觸發(fā)器是晶閘管變流裝置的一個極其重要的組成部分。它的設計合理，性能優(yōu)良，工作穩(wěn)定，將直接提高整個調速系統運行的可靠性。近年來，觸發(fā)電路迅速向集成化發(fā)展。集成電路觸發(fā)器具有性能可靠、線性度好、功耗低、體積小、用戶使用方便的優(yōu)點，故本系統采用kcz6集成六脈觸發(fā)組件。該組件采用三塊kc04移相觸發(fā)器、一塊kc41六塊雙脈沖形器、一塊kc42脈沖列調制形成器組成。它將控制電壓的幅度轉化為相應控制角的觸發(fā)脈沖，通過脈沖變壓器使主電路可靠地工作?？刂苉c41端子7的邏輯電平，可以很方便地實現對輸出脈沖的封鎖與開放。當控制端子7接邏輯低電平時，無輸出

22、脈沖。該組件原理圖如圖4-8所示。圖4-8 觸發(fā)裝置組件原理圖 4.9 轉速檢測環(huán)節(jié)的選擇4.9.1轉速檢測環(huán)節(jié)和電壓隔離器。轉速檢測裝置的質量和安裝精度直接影響著系統的動態(tài)品質。本系統采用永磁式直流側速發(fā)電機實現轉速檢測。選用zys231/110型，。安裝時嚴格保證電動機和測速發(fā)電機的機軸連接時的同心度。 為了使測速發(fā)電機與控制回路隔離，本系統設置了直流電壓隔離器，轉速檢測和電壓隔離環(huán)節(jié)電路如圖6-28所示。4.2.2轉速調節(jié)器asr的結構。轉速調節(jié)器ars采用與acr相同的結構，有線路組件bg305構成近似的pi調節(jié)器，如圖4-4所示。調節(jié)器的設置，使轉速n跟隨給定值 變化，穩(wěn)態(tài)時無靜差，

23、對負載變化起抗干擾作用；其輸出幅值決定最大電流。滿足了造紙機械工藝對傳動系統的要求。圖4-9轉速檢測環(huán)節(jié)和電壓隔離器4.10 調節(jié)器的工程設計調節(jié)系統的工程設計是在已知對系統靜、動態(tài)性能的要求情況下，以頻率法為工具，將系統進行合理簡化，采用設置校正裝置的方法，使整個系統近似成典型的低階結構。掌握了典型系統參數與性能指標之間的關系。4.10.1雙閉環(huán)系統的穩(wěn)態(tài)系數計算轉數反饋系數 ：取轉數最大給定，轉數反饋系數為 轉速負反饋回路比較電壓： 實選：穩(wěn)定電壓為5v的硅穩(wěn)壓管。電流反饋系數：取轉速調節(jié)器的限幅值，則有 轉速調節(jié)器穩(wěn)態(tài)放大系數： 實取，則 取電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)放大系數，則 系統的穩(wěn)態(tài)速降： 低

24、速時靜差率s： 滿足系統穩(wěn)態(tài)性能要求。4.10.2雙閉環(huán)系統的動態(tài)參數計算調節(jié)器動態(tài)參數可以按典型型系統設計，也可以按典型型系統設計。典型型的結構簡單，易于計算，系統超調量小，但抗擾性能差；典型型系統結構較復雜，計算較繁瑣，且系統超調量大，但抗干擾性強。對本系統來說，若從抗干擾能力角度出發(fā)，電流閉環(huán)和轉速閉環(huán)均應按典型型系統設計。但實際系統要求電流超調量小，故本系統的電流閉環(huán)按典型型 系統設計。轉速環(huán)的擾動量主要是負載。系統要求抗干擾能力強，動態(tài)速降小，恢復時間短，因此，決定轉速環(huán)動態(tài)參數按典型型 系統設計。4.10.2.1電流閉環(huán)動態(tài)參數計算。電流閉環(huán)由串調系統直流主回路形成的大慣性環(huán)節(jié)與晶

25、閘管變器、電流檢測及反饋濾波等小慣性群組成。由于實際系統電流環(huán)的時間常數很小，且反映迅速，而與轉速成比例卻變化緩慢，故電動勢干擾對電流的影響可忽略不計。所以，由圖+可單獨畫出電流閉環(huán)動態(tài)結構圖，如圖5-2所示。圖4-10 電流閉環(huán)動態(tài)結構圖 利用結構圖變換，并把給定濾波作用合并起來，等效于環(huán)內，則得到圖4-12a單位反饋形式。 對于三相橋式電路，平均失控時間；為電流反饋濾波時間常數，?。ㄓ捎陔娏鞣答佇盘柸∪鄻蚴秸麟娐?，信號中含有的脈動成分，為了衰減這些交流分量，需設置電流反饋濾波器。實踐證明，若取，則可將其脈動分量衰減到原來的1%左右）。它們都是小時間常數，可以按小慣性環(huán)節(jié)的近似處理方法，

26、用來代替。這樣，只考慮動態(tài)過程時，結構就化為圖4-11b所示的形式。圖 4-11 電流閉環(huán)動態(tài)結構及其化簡圖a) 單位反饋式結構圖 b) 簡化結構圖 為把電流環(huán)節(jié)校正成典型型，顯然acr應采用pi調節(jié)器，其傳遞函數為要計算電流調節(jié)器的參數和，需知道電動機逆變裝置的有關參數。當轉差率為時，直流回路等效電阻；則有：觸發(fā)逆變裝置的放大系數：由于要求超調量小，故取阻尼比，這時，所以電流調節(jié)器的參數為根據圖6-9的結構形式，取，若電位器置于處，則有實選，。acr參數如圖4-12所示。圖4-12 acr調節(jié)器參數圖4.10.2.2（轉速閉環(huán)動態(tài)參數計算。電流環(huán)是轉速閉環(huán)的內環(huán)，計算轉速調節(jié)器參數時，為簡便

27、起見，對已設計好的電流環(huán)作進一步簡化處理。根據圖5-3b，取時，電流環(huán)的等效傳遞函數可近似為用上述等效環(huán)節(jié)代替圖5-1中的電流閉環(huán)后，整個調速系統的動態(tài)結構圖便如圖5-5a所示。利用結構圖等效變換，并進行工程上的近似處理，則轉速環(huán)動態(tài)結構圖可化簡成圖4-13b。該圖中 由圖4-13b可以看出，要把轉速環(huán)校正成典型型系統，無疑地，asr應采用pi調節(jié)器有共傳遞函數。調速系統的開環(huán)傳遞函數為圖4-13轉速環(huán)動態(tài)結構及其簡化圖a) 動態(tài)結構圖 b) 簡化圖圖4-14校正后的調速系統結構圖不考慮負載擾動是，校正后的調速系統結構圖如圖5-6所示要計算asr的參數和，首先需確定電動機的積分時間常數和轉速反

28、饋濾波時間常數。 采用直流測速機，由于有整流的換流作用，輸出信號是脈動直流電壓，故必須經反饋濾波器濾波，以濾波脈動成分，可防止干擾信號侵入系統，本系統取的計算：電動機轉矩系數：電動機在工作電流附近線性化的轉矩系數，可用下式表示：本系統拖動電動機轉動慣量為,即按主傳動系統為電動機的1.5倍考慮，則拖動系統的飛輪慣量：電動機的積分時間常數轉速調節(jié)器asr參數，計算：按閉環(huán)幅頻特性的諧振峰值最小準則來確定典型型系統的參數選擇，且取h=5則有 由于asr采用與acr相同的結構形式，取，并使，則asr的具體參數為 實取 ，。asr調節(jié)器參數如圖4-14所示圖4-14acr調節(jié)器參數圖根據設計時所確定的方

29、案和選定的控制環(huán)節(jié)及參數計算，造紙機總軸傳動系統的主電路電氣原理圖如圖4-14所示；控制電路電氣原理圖如圖+所示；觸發(fā)電路電氣原理圖如圖4-15所示。圖4-15 造紙機總軸傳動系統的觸發(fā)裝置組件原理圖4.11系統的調試及運行 設計工作結束后，在設備安裝完畢投入運行以前，還必須對系統進行嚴格地調試。系統調試基本上與直流拖動雙閉環(huán)系統相似。調試時應遵循元器件，后系統；先開環(huán)，后閉環(huán)；先內環(huán)，后外環(huán)；先靜態(tài)，后動態(tài)；先低速，后高速；先空載，后負載；先手動，后自動的步驟進行。系統動態(tài)校正所確定的調節(jié)器型式及其參數，只能供系統動態(tài)調試時每個調節(jié)器參數的參考數據。系統動態(tài)調試時每個調節(jié)器參數在實際整定值是靠調試結果達到了預期目標而最后確定下來的。 系統經過調試之后，便可進行實際運行試驗，為了確保安全，系統實驗時應根據生產設備的特點，采取可靠的安全措施，嚴格遵守操作規(guī)程。四.結論繞線式電動機串級調速與轉子串電阻調速相比。其優(yōu)點是機械特性較硬，調速平滑性較好，損耗較小，效率較高（大容量滿載時的效率可達90%以上，中小容量滿載時的效率可達80%以上