交流電動機串級調速系統(tǒng)建模與仿真

1、交流電動機串級調速系統(tǒng)建模 與仿真日期:遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計）題目：交流電機串級調速系統(tǒng)建模與仿真學習中心: 學 姓 專內蒙古學習中心號:名:業(yè):090F31141095梅雨停電氣工程及其自動化王旭東指導教師:2016 年月 1 日中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)論文（設計）指導教師指導意見表學生姓名：梅雨停 學號：090F31141095專業(yè)：電氣工程及其自動化 畢業(yè)設計（論文）題目： 交流電機串級調速系統(tǒng)建模與仿真指導教師意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結果和計算數據的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)

2、范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。）指導教師結論：（合格、不合格）指導教師姓名所在單位指導時間中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱意見表學生姓名： 梅雨停 學號：090F31141095 專業(yè)：電氣工程及其自動化畢業(yè)設計（論文）題目交流電機串級調速系統(tǒng)建模與仿真評閱意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結果和計算數據的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。修改意見：（針對上面提出的問題和不足之處提出具體修改意見。評閱成績合格，并可不用修改直接參加答辯的不

3、必填此意見。）畢業(yè)設計（論文）評閱成績（百分制）：評閱結論:（同意答辯、不同意答辯、修改后答辯）所在單位評閱時間評閱人姓名論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文交流電機串級調速系統(tǒng)建模與仿真 是本人在導師的指導下獨立進行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻、資料 均已明確注出，論文中的結論和結果為本人獨立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對論文的完成提供過幫助的有關人員已在文中說明并致以謝意。本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學術道德和學術規(guī)范，沒有侵權行為，并愿意 承擔由此而產生的法律責任和法律后果。論文作者（簽字）：梅雨停日期：2016年 3月1日串級調速是通過繞線式異

4、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（回饋電網或轉化為機械能送回到電動機軸上），因此效率高。所謂雙饋調速，是指將電能分別饋入異步電動機的定子繞組和轉子繞組。通常將 定子繞組接入工頻電源，將轉子繞組接到頻率、幅值、相位和相序，就可以調節(jié)異步電 動機的轉矩、轉速和電動機定子側的無功功率。這種雙饋調速的異步電動機可以超同步 和亞同步運行，不但可以工作在電動狀態(tài)，而且可以工作在發(fā)電狀態(tài)。雙饋串級調速能實現無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同 步串級調速系統(tǒng)，技術難度小，性能比較完善，

5、因而獲得了廣泛的應用。關鍵詞：1、異步電動機2、串級調速3、原理4、基本類型.12.23346.7（四）（五）（六）三、串級調速系統(tǒng)主回路主要參數計算與選擇 .（一）串級調速系統(tǒng)主回路主要參數計算與選擇（二）轉子整流器的參數計算與元件選擇四、電流環(huán)和轉速環(huán)設計（一）電流環(huán)的設計（二）轉速環(huán)的設計五、交流串級調速系統(tǒng)的仿真 （一）MATLA簡要介紹 （二）晶閘管串級調速系統(tǒng)的建模與仿真2123.25121212212526一、概述（一）交流電動機的發(fā)展概況 （二）串級調速的優(yōu)缺點（三）與變頻調速方式的比較與應用二、雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)設計.（一）雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的組成 串級調速系統(tǒng)的動

6、態(tài)數學模型 調節(jié)器參數的設計串級調速系統(tǒng)的啟動方式異步電動機串級調速時的機械特性. 異步電動機串級調速時的轉子整流電路31321、 系統(tǒng)的建模和參數設置 262、 系統(tǒng)的仿真參數設置 28283、系統(tǒng)的仿真，仿真結果的輸出及結果分析 六、結束語30致謝參考文獻、概述(一)交流電動機調速的發(fā)展概況縱觀電力傳動的發(fā)展過程，交直流兩種傳動方式共存于各個生產領域之中。在電 力電子技術發(fā)展之前，直流電動機幾乎占壟斷地位。對于直流電動機只要改變電動機的 電壓或者勵磁電流就可以實現電動機的無級調速，且電動機的轉矩容易控制，具有良好 的動態(tài)性能。隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，它們相互競爭、相互促進。交流電動機，特別

7、是鼠籠式異步電動機與直流電動機相比具有一些突出的優(yōu)點：制 造成本低；重量輕；慣性??；可靠性和運行效率高；維修工作量小；能在惡劣的甚至在 有易燃易爆性氣體的環(huán)境中安全運行。這些與現代調速系統(tǒng)要求的可靠性、可用性、可 維修性相一致。正是由于交流電動機的這種優(yōu)勢，使它在電力拖動系統(tǒng)中的應用范圍比 直流電動機廣泛得多，約占整個電力拖動總容量的80%以上；但同時交流電動機本身是一個非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，其可控性較差。而隨著電力電子技術和自動控制技 術的迅速發(fā)展以及各種高性能的電力電子器件產品的出現，為交流調速系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。特別是70年代初出現的矢量變換控制技術以及在矢量變換基礎上相繼出

8、 現的磁通反饋矢量控制、轉差型矢量控制、直接轉矩控制等實用系統(tǒng)，大大推進了交流 傳運控制技術的發(fā)展。這些新型的交流傳動控制技術與高性能的變頻器相結合，就有可 能使利用交流電動機構成的交流伺服系統(tǒng)在性能上與高精度的直流伺服系統(tǒng)相匹配。特別是在一些大容量、高轉速或特殊環(huán)境下應用的場合，交流調速系統(tǒng)已顯示出無比的優(yōu) 越性，電氣傳動交流化的時代隨之而來。根據異步電動機的轉速公式：n=60?1 (1-s )/ PP:電機極對數?1 :供電電源頻率 s:電機轉差率因此，異步電動機有三種基本的調速方式，即改變極對數、改變轉差率和改變供電 電源頻率。由于繞線式異步電動機串級調速具有結構簡單，高效節(jié)能等優(yōu)點，在

9、工業(yè)中得到了 較廣泛的應用。串級調速的控制方法多采用電動機電流和轉速的雙閉環(huán)PI控制。其結構與直流電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)類似。但是，交流電動機中的電磁關系遠比直流電動機中的電磁關系復雜。而且，串級調速系統(tǒng)中的繞線式大道理轉子需接入整流器等非線性元件， 使其內部的電磁關系更為復雜。因此，這種雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的參數計算，調試比較 困難，在設計中往往采用近似法，式湊法，反復調試才能得到較好的結果。（二）、串級調速的優(yōu)缺點串級調速的優(yōu)點主要是：1調速范圍較大，但是過載能力隨轉速降低而減小， 限制了 調速范圍的擴大；另外因轉速越低，轉差功率越大，所需整流器、逆變裝置的容量也越 大，這也成了限制調速范圍擴大的

10、一個因素。對于鼓風機類負載，負載轉矩隨轉速降低 而減小，能夠用較小容量的整流器、逆變裝置獲得較大的調速范圍。2調速的平滑性好， 晶閘管調速電路很容易通過對導通角的平滑調節(jié)改變轉速。3調節(jié)的穩(wěn)定性好，因為串級調速時的機械特性的直線部分的硬度較大，甚至較固有機械特性大。4調速的經濟性好，由前面內容可知，串級調速回收了大部分轉差功率，保證了電動機的效率，減小了 電能的浪費。另外，由于整流逆變電路只需要對轉差功率進行調節(jié)， 因此其容量要求低， 可以明顯節(jié)省調速電路成本。串級調速的缺點：1逆變變壓器本身體積較大，成本偏高；在向電網饋送有功功率的 同時還要從電網吸取無功功率（建立內部磁場），造成整個調速系

11、統(tǒng)功率因數偏低，如高 速滿載運行時，其功率因數只有 0.6，這是不能達到全國供用電規(guī)則相關規(guī)定的。2逆變裝置將直流逆變成交流時，將附帶產生較多諧波分量，會對電網造成污染。3串級調速只能用于繞線式異步電動機。（三）與變頻調速方式的比較及應用變頻調速是交流電機調速中最優(yōu)越的調速方式，調速性能好，具有恒轉矩調速特性， 適合各種類型交流電動機。但由于其控制功率是被控電機的視在功率，受電力半導體器 件耐壓水平的限制，高壓變頻調速裝置非常昂貴，性能價格比隨電動機電壓升高和容量增大而明顯下降，甚至需要節(jié)電10余年才可回收設備投資。因此只適合工藝上要求 高性能調速的場合，如軋鋼等，不適合以節(jié)電為主要目的調速運

12、行。內反饋串級調速與 變頻調速同屬高效調速方式，但其通過電動機轉子繞組將高壓問題轉化成低壓問題來處 理，所以控制功率僅為被控電機容量的 50%，解決了目前電力半導體器件的耐壓問題， 是高壓恒速電機改成調速電機的最佳方案。 采用這種調速方案可以用比變頻調速低得多 的成本獲得非常好的節(jié)電效果。雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)設計由于串級調速系統(tǒng)機械特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調速精度 要求不高的場合。為了提高靜態(tài)調速精度，并獲得較好的動態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制， 通常采用具有電流反饋與轉速反饋的雙閉環(huán)控制方式。由于串級調速系統(tǒng)的轉子整流器 是不可控的，系統(tǒng)本身不能產生電氣制動作用，所謂動態(tài)性

13、能的改善只是指起動與加速 過程性能的改善，減速過程只能靠負載作用自由降速。（一） 雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的組成圖2.1雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)圖2.1所示為雙閉環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉速反饋信號取自異步 電動機軸上連接的測速發(fā)電機，電流反饋信號取自逆變器交流側的電流互感器，也可通 過霍爾變換器或直流互感器取自轉子直流回路。為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調節(jié) 器ACR輸出電壓為零時，應整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為P - 3 min。圖2.1所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(tài)恒流的作用。所不同的是它的 控制作用都是通過異步電動機轉子回路實現的。11gA'

14、II M2Sv?； > ZLCi_X.、乙-(町 Mj»wf I n> "ib>圖2.2串級調速系統(tǒng)原理圖（a主電路（b）等效電路（二）串級調速系統(tǒng)的動態(tài)數學模型在圖2.1所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結構框圖均與 直流調速系統(tǒng)中相同。在異步電動機轉子直流回路中，不少物理量都與轉差率有關，所 以要單獨處理。1轉子直流回路的傳遞函數根據圖2.2的等效電路圖可以列出串級調速系統(tǒng)轉子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式:= L+ RQ(2.1)式中:U do：當s=1時轉子整流器輸出的空載電壓，%=2.34£臚】囂片(2.2)U i0:逆

15、變器直流側的空載電壓,片0 = Z34E護聊j(2.3)L:轉子直流回路總電感，2F ,GD tin(2.4)L D：折算到轉子側的異步電動機每相漏感，IYVDO DO5 =寸西(2.5)t :折算到二次側的逆變變壓器每相漏感，Xt Xt(2.6)R:(2.7)(2.8)將式（2.8 ）兩邊取拉氏變換，可求得轉子直流回路的傳遞函數T1(2.9)L：平波電抗器電感，轉差率為s時轉子直流回路等效電阻：3 X-pR =S + + 2Rn + 2Rt + R】TTKUI t于是式（2.1 ）可改寫成:(Qi 廠!1(415)式中:Tls：轉子直流回路的時間常數,K Lr：轉子直流回路的放大系數,2.3

16、所轉子直流回路的動態(tài)結構框圖如圖示。需要指出，串級調速系統(tǒng)轉子直流回路傳遞 函數中的時間常數Tls和放大系數KLr都是轉速n 的函數，它們是非定常數。2異步電動機的傳遞函數異步電動機的電磁轉矩為：(2.10)圖2.3轉子直流回路動態(tài)結構圖I(2.11)(2.12)門】矗）-店）R/Ce RGDR QT 冷375¥胡(2.13)電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為：2GD dnT - T,=P L 375 dt或寫成:2GD tin375 dt式中：Tl：負載轉矩，IL：所對應的等效直流電路，由此可得異步電動機在串級調速時的傳遞函數為2GD RT W其中"弓750嗚為機電時間常數，Tm

17、與R、CE、Cm、都有關系，所以也不是常 數，而是Id和n的函數。3串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖把圖2.1中的異步電動機和轉子直流回路都畫成傳遞函數框圖，再考慮給定濾波環(huán)節(jié)和反饋濾波環(huán)節(jié)就可直接畫出雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖，如圖2.4所示。圖2.4雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖（三）調節(jié)器參數的設計雙閉環(huán)控制串級調速系統(tǒng)的動態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應使系統(tǒng)在負載 擾動時有良好的動態(tài)響應。在采用工程設計方法進行動態(tài)設計時，可以像直流調速系統(tǒng) 那樣，電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設計，轉速環(huán)按典型n型系統(tǒng)設計。但是串級調速系統(tǒng)中 轉子直流回路的時間常數 Tls及放大系數Klr都是轉速的函數

18、，而異步電動機的機電時 間常數Tm又是轉速和電流的函數，這就給調節(jié)器的設計帶來一定的困難。具體設計時,可以先在確定的轉速n和負載電流Id的前提下，求出各傳遞函數中的參數。例如，按照 要求的最大轉差率Smax或平均轉差率1/2Smax來確定轉速，按額定負載或常用的實際負 載來選定電流，然后按定常系統(tǒng)進行設計。如果用模擬控制系統(tǒng)實現，則當實際轉速或 電流改變時，系統(tǒng)的動態(tài)性能就要變壞。如果采用微機數字控制，可以按照不同的轉速 和電流事先計算好參數的變化，用表格的方式存入微機，實時控制時可根據檢測得到的 轉速和電流查表調用，就可以得到滿意的動態(tài)特性。（四）串級調速系統(tǒng)的啟動方式串級調速系統(tǒng)是依靠逆變

19、器提供附加電動勢而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對系統(tǒng)的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證?？偟脑瓌t是在起動時必須使逆變器先 于電機接上電網，停車時則比電機后脫離電網，以防止逆變器交流側斷電，而使晶閘管 無法關斷，造成逆變器的短路事故。串級調速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。1間接啟動大部分采用串級調速的設備是不需要從零速到額定轉速作全范圍調速的，特別對于 風機、泵、壓縮機等機械，其調速范圍本來就不大，串級調速裝置的容量可以選擇比電 動機小得多。為了使串級調速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電動機 轉子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉速升高到串級調速系統(tǒng)的設計最低轉速

20、時，才 把串級調速裝置投人運行。由于這類機械不經常起動，所用的起動電阻等都可按短時工 作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動換接到串級調速可以利用對電動機轉速的 檢測或利用時間原則自動控制。圖2.5所示是間接起動控制原理圖。起動操作順序如下：先合上裝置電KO源總開關S,使逆變器在P min下等 待工作。然后依次接通接觸器 K1,接 人起動電阻R,再接通Ko,把電機定 已It子回路與電網接通，電動機便以轉子串電阻的方式起動。待起動到所設計的n min（smax ）時接通K2,使電動機轉子接到串級調速裝置，同時斷開 K1，切斷起 動電阻，此后電動機 就可以串級調速的方式繼續(xù)加速到所需的轉速運行。

21、圖2.5串接調速系統(tǒng)間接啟 動控制原理圖不允許在未達到設計最低轉速以前就把電動機轉子回路與串級調速裝置聯通，否則轉子電壓會超過整流器件的電壓定額而損壞器件，所以轉速檢測或起動時間計算必須準確。 停車時，由于沒有制動作用，應先斷開K2，使電動機轉子回路與串級調速裝置脫離，再斷開Ko，以防止當Ko斷開時在轉子側感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。如果生產機械許可，也可以不用檢測最低轉速自動控制，而讓電動機在串電阻方式 下起動到最高速，切換到串級調速后，再按工藝要求調節(jié)到所需要的轉速運行。這種起 動方式可以保證整流器與逆變器不致受到超過定額的電壓，工作安全。但電動機要先升 到最高轉速，再通過減速達到

22、工作轉速，對于有些生產機械是不允許的。2直接啟動直接起動又稱串級調速方式起動，用于可在全范圍調速的串級調速系統(tǒng)。在起動控 制時讓逆變器先于電動機接通交流電網，然后使電動機的定子與交流電網接通，此時轉 子呈開路狀態(tài)，可防止因電動機起動時的合閘過電壓通過轉子回路損壞整流裝置，最后 再使轉子回路與整流器接通。在圖 2.5中，接觸器的工作順序為 S Ko K2，此時不需 要起動電阻。當轉子回路接通時，由于轉子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流，電動機尚不能起動。待發(fā)出給定信號后，隨著夕的增大，逆變電壓降低，產生直流電流，電動機才逐漸加速，直至達到給定轉速。（五）異步電動機串級調速時的機械特性在串級調

23、速系統(tǒng)中，異步電動機轉子側整流器的輸出量、分別與異步電動機的轉速 和電磁轉矩有關。因此，可以從電動機轉子直流回路著手來分析異步電動機在串級調速 時的機械特性。1.異步電動機串級調速機械特性的特征（1）理想空載轉速在異步電動機轉子回路串電阻調速時，其理想空載轉速就是其同步轉速，而且恒定 不變，調速時機械特性變軟，調速性能差。在串級調速系統(tǒng)中，電動機的極對數與旋轉磁場轉速都不變，同步轉速也是恒定的, 但是它的理想空載轉速卻能夠連續(xù)平滑地調節(jié)。當系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運行時（ld=O）,轉子直流回路的電壓平衡方程式變成So：異步電動機在串級調速時對應于某一UgTJi。M寸U巧P（2.14）P角的理想空

24、載轉差率，并取 Ki=K2，則:(2.15)由此可得相應的理想空載轉速 no為:% =耳旳（1 -閉）=n呦U2yCOS 卩Erf)(2.16)這樣，串級調速時的機械特性便如圖2.6所示。式中nsyn：異步電動機的同步轉速。特性分析：（2）從式（2.15）和式（2.16）可知，在串級調速時，理想空載轉速與同步轉速是不同的。 當改變逆變角P時，理想空載轉差率和理想空載轉速都相應改變。由式（2.14 ）還可看出，在不同的角下，異步 電動機串級調速時的機械特性是近似 平行的，其工作段類似于直流電動機變壓調速的機械特性。2.機械特性的斜率與最大轉矩串級調速時，轉子回路中接入了串級調速裝置（包括兩套整流

25、裝置、平波電抗器、 逆變變壓器等），實際上相當于在電動機轉子回路中接入了一定數量的等效電阻和電抗, 它們的影響在任何轉速下都存在。由于轉子回路電阻的影響，異步電動機串級調速時的機械特性比其固有特性要軟得 多。3轉子回路電阻的影響當電機在最高速的特性上（P =90°）帶額定負載，也難以達到其額定轉速。整流電路換相重疊角將加大，并產生強迫延遲導通現象，使串級調速時的最大電磁 轉矩比電動機在正常接線時的最大轉矩有明顯的降低。0I OLt)0匚0.2衍;0.40.6Z t0,!itoU.2540.& OS I.U 代 tJa>0.20,40.60.2U.4R、固TT荷性圖2.6

26、異步電動機串級調速時的機械特性a）大電機（六）異步電動機串級調速時的轉子整流電路從圖2.1中可以看出，異步電動機相當于轉子整流器的供電電源。看成是整流變壓器的一次側，則轉子繞組相當于二次側，與帶整流變壓器的整流電路非 常相似，因而可以引用電力電子技術中分析整流電路的一些結論來研究串級調速時的轉 子整流電路。但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：整流電路的不同點：（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動機轉子繞組感應電動勢 的幅值與頻率都是變化的，隨電機轉速的改變而變化；（2）異步電動機折算到轉子側的漏抗值也與轉子頻率或轉差率有關；（3）由于異步電動機折算到轉子側的漏抗值較

27、大，所以出現的換相重疊現象比一般 整流電路嚴重，從而在負載較大時會引起整流器件的強迫延遲換相現象。b）小電機異步如果把電動機定子1轉子整流電路：（如圖2.7）2.電路分析：假設條件（1）整流器件具有理想的整流特性，管壓 降及漏電流均可忽略；（2）轉子直流回路中平波電抗器的電感為 無窮大，直流電流波形平直；（3） 忽略電動機勵磁阻抗的影響。換相重 疊現象：設電動機在某一轉差率下穩(wěn)定運行，轉子冷Vhi5vi)5viDsI'k加Jiz三相的感應電動勢為Era、Erb、Ere。當各整流器件依次導通時，必有器件間的換相過程, 這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產生換相重疊壓降，如圖2.8所示

28、。r根據電力電子技術中介紹的理論，換相重疊角為=arccos¥ = arccos(2.17)其中；Xdo:s=1時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。由式2.7可知，換相重疊角隨著整流電流Id的增大而增加。當Id較小，丫在0° 60°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。當電流Id增大到丫角大于60°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，出現了強迫延遲換相現象，所延遲的角度稱作強 迫延時換相角a P。轉子整流由此可見，串級調速時的異步電動機轉子整流電路有兩種正常工

29、作狀態(tài)。第一種工作狀態(tài)的特征是；0" < Y < 60 Qp = O電路的工作狀態(tài)(2.18)此時，轉子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。 第二種工作狀態(tài)的特征是：”(2.19)這時，由于強迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài), 角相當于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。4個器件同時導通，形成共陽極組和共陰極組器件30°，而丫角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀當a p=300時，整流電路中會出現 雙換流的重疊現象，此后a P保持為 態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。三、串級調速系統(tǒng)主回路主要參數計算與選擇(一)異

30、步電動機容量的選擇考慮到異步電動機輸出的最大轉矩的降低， 功率因數的降低和轉子損耗增大等因素, 不論對于新設計的或是改造的都應對異步電動機的容量進行重新選擇的計算， 異步電動機的容量P計算如下：PfPD串級調速(3.1)Ki：串級調速系數，一般取1.2左右。對于在長期低速運行的串級調 應該取大一點。速系統(tǒng),Pd：按照常規(guī)運算方式計算的電動機容量。該電機定額為連續(xù)定額Si,基本防護等級為ip23,基本冷卻方法為ICO1, 和安裝方式為IBM3P>Pd基本結構農3. 1電機型號MDXMA100-22額足功率2. 2KW額址電涼t 8/8.3A鞘了電壓/電流1015V / 垃了A最鬲/低轉逸1

31、425/690r/min77%功率因數a 80控制裝H型號JC4一flOOA/SOO'V（二）轉子整流器的參數計算與元件選擇1最大轉差率:(3.2)式中:n 1：電動機的同步轉速，近似等于電動機的額定轉速。n min：串級調速系統(tǒng)的最低工作轉速D =(3.3)"mm n 伽轉差率:=(1500-1425)/15000.05(3.4)最大轉差率:SmaF(1484-690)/14840.535(3.5)調速范圍:D = 5/血=1425何0 ".07(3.6)Zmax2轉子整流器的最大輸出電壓：(3.7)式中:E 20：轉子開路相電勢K UV：整流電壓計算系數，見表1

32、 :符號5Kc心TK相帶中線0.:怡 70. 870. 5770. 472L ：詣1).劇三ffl橋0. 387L貼0, 8ISO.Slfi1.0S20. H取三相橋爪K0. 3672, 70. 8161. 5781. 0340. 260. 52戲三相橋并聯0. LR1L35a 1080. 7891.0310,卅工n2表3, 2:變流器十電杲訂穌殺數(3.8)U血掘=135 X 1045 X (K1/2.15) = 755V3最大直流整流電流:(3.9)式中：M：電動機的電流過載倍數，近似等于轉矩過載倍數2N：轉子線電流額定值，IV：整流電壓計算系數，見表3.2dr：轉子整流器輸出直流電流額定

33、值I dr = l2N/Kvi ,考慮到轉子電流畸變等因素的影響而引如的系則：1= 1.1 X 2 X 6,27/0.813 = 1697A2,(3.10)4整流二極管的選擇：(1)整流二極管電壓的選擇：設每個橋臂上串聯的整流二極管數目為 N=3,則每個二極管的反向重復峰值 Ukrm為:KavN式中：ut：電壓計算系數，見表3.2，2n：轉子開路相電勢，(3.11)E由上式可見，整流二極管所承受的最高電壓與最低電壓與系統(tǒng)的調速范圍D有關,調速范圍越高，元件承受的電壓越高，貝Ukrm - X 1.35 X 1045 x (1 - l/2J5)/(0,9 x 3) = 419V( 3 12)(2)

34、整流二極管電流的選擇Np= 3在大容量串級調速系統(tǒng)中，需要將幾個整流二極管并聯使用。設并聯支路數為 則每個整流二極管的電流計算如下：.(1占切缶論(3.13)2 W式中:K it：電流計算系數，見表3.2，I dmax：轉子整流器最大直流整流電流，K Ad均流系數。其值可取0.8-0.9。對于元件不并聯的情況下取15逆變器的參數計算與元件選擇(1)逆變變壓器的參數計算對于不同的異步電動機轉子額定電壓和不同的調速范圍、要求有不同的逆變變壓器 二次側電壓與3其匹配，同時也希逐轉子電路與交流電網之間實行電隔離，因此一般串 級調速系統(tǒng)中均需配置逆變變壓器。逆變壓器二次側線電壓:根據最低轉速時轉子最大整

35、流電壓與逆變器最大電壓相等的原則確定:11T2 K訓m片血(3.14)式中:U T2：逆變變壓器二次側線電壓，Udmax :轉子整流器最大輸出直流電壓,KUV :整流電壓計算系數。見上表， bmin :最小逆變角，一般取300， 逆變變壓器二次側線電流：片2 = K加(3.15)式中：It2 :逆變變壓器二次側線電流，KIV :整流電流計算系數。見上表，IdN :轉子整流器輸出直流電流額定值,逆變變壓器一次側線電流(3.16)式中：It1 :逆變變壓器一次側線電流，Kil :變壓器一次側線電流計算系數。見上表,Kt：逆變變壓器的變比逆變變壓器等值容量(3.17)式中：Kst :變壓器等值容量計

36、算系數，見上表,(2)晶閘管的參數計算晶閘管額定電壓的選擇在大容量晶閘管串級調速系統(tǒng)中，單個晶閘管的額定電壓不能滿足要求，需要幾個晶閘管串聯使用。設每個串聯橋臂上晶閘管的數目為N，則每個晶閘管反向重復電壓由下式確定:(2 2)l<u 丁(3.18)式中：Kut :Kav :UT2：電壓計算系數，如上表均壓系數，其值可取9.08.0。對于元件不需串聯的情況下取1,逆變變壓器二次側線電壓，晶閘管額定電流的選擇設每個橋臂并聯元件支路數為 Np,則每個晶閘管的額定電流為：(3.19)式中：Kit：電流計算系數，見上表，Idmax :轉子整流器最大直流整流電流,KAC :均流系數。其值可取9.08

37、.0。對于元件不并聯的情況下取1.平波電抗器電感量的計算轉子直流回路平波電抗器的作用是:使串級挑速在最小工作電流下仍能維持電流的連續(xù)。減小電流脈動，把直流回路中的脈動分量在電動機轉子中造成的附加損耗控制在允 許的范圍內。平波電抗器的電感量計算如下:保證電流連續(xù)所需要的電感量：3K的叫2*STxW式中：S 1：正比與直流電壓中的交流分量的電感計算系數，從下圖中查，UT2 :逆變變壓器二次側線電壓,KUV :系數，見上表,Idmin :直流回路最小工作電流Lm :異步電動機折算到轉子側的每相電感量,Lt:逆變變壓器折算到二次側的每相電感量.0.1晰VU* '妙HP :H-5-Eii.OI0

38、Eju不冋滋波數戶時，臨界電廊計算系數;與醫(yī)南坤的關系限制電流脈動的電感量：S = Kp(3.21)'dNKP:限制電流脈動的電感系數（ms）,其值從表2中查,S:允許的電流脈動率，一般可取10%左右。表3. 3:電感S訃算系數心mwkn;>e-匕=6%p1匕=12%J = 18%值的感抗分ffi二相帶中線1+93L 83I. 731-二相橋0* 150. 1( 360. 32.故二相橋出栽或并聯0- 110. USG0. U66U. 04S平波電抗器的電感量的選擇及計算在使用晶閘管裝置時，為了提高它對負載供電的性能和提高運行的安全可靠性 ，常在 直流側使用帶有空氣隙的鐵芯電抗器

39、，本節(jié)著重于電抗器的計算，電抗器的主要參數是：流 過電抗器的電流和電抗器的電感量。使輸出電流連續(xù)所需的電感量當晶閘管的控制角a較大，負載電流小到一定程度時，會出現輸出電流不連續(xù)的現象，為保證電流連續(xù)，電樞回路中應有的電感量：Lj = K”“切測=0.693 X 122/(5% x 12) = 140,91 mH(3.22)Idmin：要求連續(xù)的最小負載電流平均值為5%lnom,Kl =0.693平波電抗器電感的計算Ld：電動機的電樞電感I” =X 103 = 6X 220/2 X 2 X 1500 X 17,2 X 103 =(3.23)式中P:極對數（P=2）Kd=8T2 （無補償的電機）K

40、d=56 （有補償的電機）L B:變壓器二次測每相的漏電感q = KyU% X U/100 X【E = (3.9 x 5 X 122)/(100 x 12) = 1.98inH(3.24)Uk%變壓器的短路比 對于100KVA以下的變壓器：Uk%=5%Kb=3.9LP：平波電抗器的電感L卩舉 L (Lp + 25)= 140.91 - (17.80 + 2 X 1.98)三 119.15mH(3.25)閘管的保護裝置及其計算晶閘管雖然具備多種優(yōu)點，但是它承受過電流和過電壓的能力較差。為了使器件能 長期的運行，必須采用適當的保護裝置。過電壓保護凡超過晶閘管正常工作時承受的最大峰值電壓Um的都算過

41、電壓，其中一種為 操作過電壓是由晶閘管裝置的拉閘合閘和器件關斷等電磁過程引起的過電壓， 這些操作過程經常發(fā)生是不可避免的， 另一種過電壓是由于雷擊等原因為從電網侵入的偶然性浪涌電壓，它可能比操作過電壓更 高，采取過電壓保護措施后，應使經常發(fā)生的操作過電壓限制在額定電壓Utn以下，而希望使偶然性的浪涌電壓限制在器件的斷態(tài)和反向不重復峰值電壓Udsm 和 U rsm 以下。交流側過電壓保護a.阻容保護在變壓器二次并聯電阻和電容，構成阻容保護電路。計算單相變壓器交流側過電壓保護電容 C和電阻R的公式:(3.26)其中:223U；(3.27)S:變壓器每相平均計算容量，U2：變壓器二次相電壓有效值，i

42、o%:變壓器激磁電流百分數，1OOKVA以下b% = 7(3.28)Uk%:變壓器的短路比,100KVA以下U% = 5(3.29)由以上的公式可得：CN 6 X 7 X 3584.02/ = lOJOnF(3.30)R>2.3 X 1223磁02=斶°(3.31)變壓器二次側阻容裝置參數計算:變壓器按濃單相二相、二次Y聯結二相二次D聯結1牡容袈H按汎變壓器.次ffl并聯YK結U麻結Y聯結DK結電容CC1/3C3CCRR1閒表2 4殳丿k器連接及阻容選擇則根據上表得到：電容=C/3=3.37 卩 F電阻=3R=24.21Q壓敏電阻保護護裝置只能把操作過電壓一直在允許的范圍內，因

43、此在采用阻容保護的同時，可以 設置非線性電阻。它們接近于穩(wěn)壓管的伏安特性，能把浪涌電壓一直在允許范圍之內。 壓敏電阻可按下式選取它的額定電壓 U e：Up > e/(49) X (壓敏電阻承受的額定電壓峰值)晶閘管關斷過電壓保護晶閘管在開關過程中瞬時電壓的分配決定于晶管的結電容、導通時間和關斷時間等 等差別。為了使開關過程中的電壓分配均勻，應對晶閘管并聯電容 C。為了防止晶閘管 導通瞬間，電容C對晶閘管放電造成過大的di/dt，還應在電容支路中串聯電阻 Ro這樣 就米用RC回路來進行抑制。電容值：(3.32)(3.33)C = (2-5) xl0-3xl = 4xl0-3x 11.92

44、= 424卜用電阻值：1/2”R = (I可(Lp/t：)= 2 X八=1.37 Q過電流保護KPIt：器件的額定電流，Lb：變壓器每相的漏感。式中:由于過載短路，晶閘管正向誤導通和反 向擊穿，以及在逆變時換流失敗等原因， 都會產生過電流。過電流的保護措施有數 種，我們這里采用快速熔斷器來防止晶閘管過電流的損壞。其原理圖如下:(一)電流環(huán)的設計電流環(huán)的動態(tài)結構圖如圖4.1所示：電流環(huán)設計及參數計算:1.時間常數的確定(按表4.1)(1)整流裝置滯后時間常i.e?數T:整流電路形式平均失控時間(ms)單相半波It)單相橋式(金波)5三和半波3,33了柑橋式相半波三相橋式電路的平均失控時間耳=0.

45、0017s(2)電流濾波時間常數Toi：三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms,為了基本濾平波頭，應有Tq = 3*3 3 ms因此取T© = 2 ms = 0.002k(3)電流環(huán)小時間常數T.i按小時間常數近似處理，取(4.1)Tjji = Tj += 0.0037sT s：整流裝置滯后時間常數，T oi：電流濾波時間常數。(4)選擇電流調節(jié)器結構而且:巧< 5%=0.()3/(10037 =8.11 < 10(4.2)因此可按典型I型系統(tǒng)設計。電流調節(jié)器選用T盧+ 1 Wmr二 K.PI型，其傳遞函為:(4.3)3電流調節(jié)器參數的計算ACF超前時間常數:打=T =

46、 0.03s電流環(huán)開環(huán)增益，要求5-5%K 嚴 0.5/Twi時，應取KTEi=0.5,因此:= 0-5/0-0037 = 135J1/K(4.4)于是，ACR的比例系數為：Kj 三 K|TjR/pK0 三 1354 X 0.03 X 0.5/(0.05 X 40)三 L013(4.5)4.調節(jié)器中的電阻及電容計算所用運算放大器取R0=40©，各電阻和電容值計算如下:R,二隔=1.013 X 40KO(4.6)取 40KQQ = q/R嚴 0.03 X 106/(40 X 103) = 075嚇(4.7)取0.75卩F(4.8)5 = 4T曲/心=4 X 0J X 106/(40 X

47、 103) = OJnF取0.2卩F電流調節(jié)器的原理圖如圖4.3所示:ij(二)轉速環(huán)的設計轉速環(huán)的動態(tài)結構圖如圖4.3所示:轉速環(huán)設計及參數計算:1時間常數的確定(1) 電流環(huán)等效時間常數為：2T Ei=0.0074s ,(2) 轉速濾波時間常數為:Ton,根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s(3)轉速環(huán)小時間常數為：咕=2舟+咕"017釗2. 選擇轉速調節(jié)器結構由于設計要求無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據動態(tài)要求，應按典型 U型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。故 ASR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：F + 1JRW陽rOO - %(4.9)3. 轉速調節(jié)器參數的計算按跟隨和

48、抗擾性能都較好的原則,取 h=5.ASR超前時間常數：(4.10)F" = hTg = 5 X 0.0174 = 0-08 7s轉速環(huán)開環(huán)增益：(h + l)/2hTJ = (5 + 1)/(2 x 25 X 0.001742) = 369.4 '(4.11)因此ASR的比例系數為:(h + 1)、 - 2(4.12)所用運算放大器取R0=40KQ，各電阻和電容值計算如下：(4.13)R = K R., = 11.7 X 40KQ = 468KQL11 U取 470KQ06(4.14)取0.2卩F5% 106%(4.15)取1卩F轉速調節(jié)器的原理圖如圖4.4所示:丄 Ifl.

49、T五、交流串級調速系統(tǒng)的仿真（一） MATLA簡要介紹MATLAB!種科學計算軟件。MATLAB Matrix Laboratory （矩陣試驗室）的縮寫, 這是一種以矩陣為基礎的交互式程序計算語言。早期的MATLA主要用于解決科學和工程的復雜數學計算問題。由于它使用方便、輸 入快捷、運算高效、適應科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴展的空 間，因此特別受到用戶的歡迎，使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國內外高校教 學和科學研究的常用軟件。MATLA由美國Math works公司于1984年開始推出，歷經升級，到 2001年已經有 了 6.0版，現在MATLAB 6.1、6.5、

50、7.0版都已相繼面世。MATLAB匕較易學，它只有一種數據類型（即 64位雙精度二進制），一種標準的輸入 輸出語句，它用解釋方式工作，不需要編譯。1993年出現了 SIMULINK這是基于框圖的仿真平臺，SIMULINK掛接在MATLA環(huán)境上，以MATLAB勺強大計算功能為基礎，以直 觀的模塊框圖進行仿真和計算，尤其是不斷擴展的、內容豐富的模塊庫，為系統(tǒng)的仿真 提供了極大的便利。在 SIMULINK平臺上，拖拉和連接典型的模塊就可以繪制仿真對象 的模型框圖，并對模型進行仿真。在 SIMULINK平臺上，仿真模型的可讀性很強，這就避免了在MATLA窗口使用MATLA命令和函數仿真時，需要記憶大量的M函數的麻 煩，對廣大的工程技術人員來說，這無疑是好的福音，現在的MATLAB都同時捆綁了SIMULINK MATLA不再是單純的“矩陣實驗室”，已經成為了一個高級計算和仿真平臺。SIMULINK原本是為控制系統(tǒng)的仿真建立的工具箱，在使用中易編程、易拓展，SIMULINK原本是為控制系統(tǒng)的仿真建立的工具箱，在使用中易編程、易拓展，從SIMULINK4.1版