電氣傳動課程設(shè)計

1、第1篇 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第1章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案確定1.1 系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)及要求電動機(jī)型號PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P極對數(shù)Z2-812623011314500.527.441設(shè)計要求：系統(tǒng)調(diào)速范圍D=10,S 5%，電流脈動系數(shù)Si10%。1.2 調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇計算電動機(jī)電動勢系數(shù)：由 v min/r,當(dāng)電流連續(xù)時， 系統(tǒng)額定速降為: r/min, .開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率:，大大超過了S5%.若D=10，S5%.，則，可知開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是941.7，而工藝要求的是7.6，故開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無能為力，需采用

2、反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因調(diào)速要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用電流截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)，出現(xiàn)故障電流時由過流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡單，工作可靠，裝載體積小，宜用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)器該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵磁應(yīng)保持恒定。采用三相全控橋式整流電路供電。 調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器觸發(fā)器MTG+-圖1 調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流反饋與電動機(jī)同軸 安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器放大后，作為電流調(diào)節(jié)器的給定，與電流反饋信號相減后得到電流偏差，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器放大后，

3、去控制觸發(fā)器的導(dǎo)通角，從而改變輸出電壓，達(dá)到變壓調(diào)速的目的。1.3 主電路的選擇一般說來，對晶閘管整流裝置在整流器功率很小時（4KW以下），用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。這樣可以減小負(fù)載電流的脈動。由于所提供的電動機(jī)為10KW。故主電路采用三相整流電路。在三相整流電路中，主要有三相零式整流電路、三相全控橋式整流電路和三相半控橋式整流電路。三相零式電路突出的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對需要220V電壓的用電壓的用電設(shè)計直接用380V電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器。但缺點(diǎn)是要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變壓器二次電流中有直流分量，增加

4、了發(fā)熱和損耗。因零線流過負(fù)載電流，在零線截面小時壓降大。而三相全控橋式整流電路，在輸出電流和電壓相同時，電源相電壓可較三相零式整流電路小一半。因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量，種用率高。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可以小一些。三相全控橋式整流電路的缺點(diǎn)是整流器件用得多，需要六個觸發(fā)電路，需要220V電壓的設(shè)備也不能用380電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶閘管、三個觸發(fā)電路，但整流輸出電壓脈動大，且不能用于需要有源逆變的場合。綜合上述三種三相整流電路，及根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，主電路選用三相全控橋式整流電路。又由于

5、電動機(jī)的額定電壓為220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。1.4 觸發(fā)電路的選擇目前觸發(fā)電路主要有阻容移相觸發(fā)電路、單結(jié)晶體觸發(fā)電路、正弦波同步觸發(fā)電路、鋸齒波同步觸發(fā)電路，以及集成觸發(fā)電路等。對常見的幾種觸電發(fā)電路進(jìn)行綜合考慮，集成觸發(fā)電路具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因而選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的KC系列。第2章 主電路的設(shè)計與計算電動機(jī)的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用

6、D/Y聯(lián)結(jié)。2.1整流變壓器的設(shè)計2.1.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計算U2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即：（2-1） 式中 -整流電路輸出電壓最大值；nUT -主電路電流回路n個晶閘管正向壓降；C - 線路接線方式系數(shù)；Ush -變壓器的短路比，對10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即：2-2）式中A-理想情況下，=0°時整流電壓與二次電壓之比, 即A=/

7、；B-延遲角為時輸出電壓與之比，即B= /；電網(wǎng)波動系數(shù)；根據(jù)設(shè)計要求，采用公式：(2-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985取U2=120V。電壓比K=U1/U2=380/120=3.17。2.1.2 一次、二次相電流I1、I2的計算由表查得 =0.816, =0.816考慮變壓器勵磁電流得：2.1.3變壓器容量的計算 （2-4）； （2-5）； （2-6）式中-一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；由表查得=3×380×30.54=34.816 KVA=3×120×90.21=32.476 KVA =（34

8、.816+32.476）/2=33.646 KVA 取S=33.6 KVA2.2晶閘管元件的選擇2.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（23）整流電路形式為三相全控橋，查表得，則 （2-7）取V.2.2.2晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值，即=1.57> 或 >=K （2-8）考慮（1.52）倍的裕量=（1.52）K （2-9）式中K=/（1.57）-電流計算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時，應(yīng)

9、降低元件的額定電流值。當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。由表查得 K=0.367，考慮(1.52)倍的裕量 （2-10）取。故選晶閘管的型號為MFC-70A。2.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計算晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。2.3.1過電壓保護(hù)以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)1）阻容保護(hù) 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和

10、電容C進(jìn)行保護(hù)。本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=33.6KVA, =120V取值：當(dāng) S=50100KVA時，對應(yīng)的=41，所以取3。 C6S/U22=6×3×33.6×103/1202=42µF耐壓1.5Um =1.5×120×=254.6V選取50µF,耐壓300V的鋁電解電容器。選取: S=33.6KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.3×1202/33.6×103=0.98取 R=1IC=2fCUC×10-6=2×50×50×

11、;120×10-6=1.884 APR(3-4)IC2R=(34) ×1.8842×1=（10.6414.20）W選取電阻為2，20W的金屬膜電阻。2）壓敏電阻的計算=1.3××120=220.6V流通量取5KA。選MY31-330/5型壓敏電阻（允許偏差+10）作交流側(cè)浪涌過電壓保護(hù)。（2）直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。(1.82)=(1.82.2) ×230=414

12、460V選MY31-660/5型壓敏電阻(允許偏差+10)作直流側(cè)過壓保護(hù)。（3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù) 查下表：表2-1 阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.25µF，R=20，電容耐壓1.5=1.5×=1.5××120=441V選C為0.25µF的CZ40-2型金屬

13、化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為450V。=50×0.25×=0.54 W 選R為30，1W的普通金屬膜電阻器。2.2.2 過電流保護(hù)快速熔斷器的斷流時間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 1、 晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值=65.3 A選取RLS-100快速熔斷器，熔體額定電流100A。2、過電流繼電器的選擇因為負(fù)載電流為113A，所以可選用吸引線圈電流為30A的JL14-11ZS型手動復(fù)位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×113=141.25A140A2

14、.4平波電抗器的計算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。（1）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計算，單位mH。 （2-11）式中為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；為最小負(fù)載電流，常取電動機(jī)額定電流的510計算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以=14.76mH （2）限制輸出電流脈動的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對電動機(jī)負(fù)載

15、來說，過大的交流分量會使電動機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下式計算 （2-12）式中系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，電流最大允許脈動系數(shù)，通常三相電路（510）。根據(jù)本電路形式查得=1.045, 所以=11.1mH （3）電動機(jī)電感量和變壓器漏電感量電動機(jī)電感量（單位為mH）可按下式計算 （2-13）式中,n直流電動機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；P電動機(jī)的磁極對數(shù)；計算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動機(jī)取68，有補(bǔ)償電動機(jī)取56。本設(shè)計中取=8、=230V、=113A、n=1450r

16、/min、p=1=5.615mH變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計算 （2-14）式中計算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，取3。本設(shè)計中取=3.9、=3所以 =3.9×3×120/（100×113）=0.124mH （4）實(shí)際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時的實(shí)際電感量：如上述條件均需滿足時，應(yīng)取作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取=10H作為平波電抗器的電感值。2.5勵磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取700V。額定電流可查得K=0.367，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)×0.367×1.2A

17、=0.60.88A可選用ZP型3A、700V的二極管。為與電動機(jī)配套的磁場變阻器，用來調(diào)節(jié)勵磁電流。為實(shí)現(xiàn)弱磁保護(hù)，在磁場回路中串入了欠電流繼電器 ，動作電流通過 調(diào)整。根據(jù)額定勵磁電流Iex =1.2A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器。圖41集成六脈沖觸發(fā)電路2.2 控制電路的直流電源這里選用集成穩(wěn)壓電路CM7815和CM7915，如圖2-3所示。圖2-3 ±15V直流穩(wěn)壓電源原理圖第3章 雙閉環(huán)的設(shè)計和校驗3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計與校驗 整流裝置滯后時間常數(shù)對于三相全控橋式整流電路，可取。 電流濾波時間常數(shù) 對于三相全控橋式整流電路，可取。 電流

18、環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)近似處理，取。 電流調(diào)節(jié)器的選擇圖5-1 電流調(diào)節(jié)器因為電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其模擬電路圖如圖5-1所示。二極管3VD1和3VD2起運(yùn)放輸入限幅，保護(hù)運(yùn)放的作用。二極管3VD3、4VD4和電位器3RW1、3RW2用于正負(fù)限幅，調(diào)節(jié)3RW1或3RW2就可以改變下輸出幅值或負(fù)限幅值。3R1是為了避0免運(yùn)算放大器長期工作產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，其阻值較大，可取4.7M。 電流反饋系數(shù)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 電樞回路電磁時間常數(shù)： 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，就取，因此于是，電流

19、環(huán)的比類系數(shù)為 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：>滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： 滿足條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足條件。計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運(yùn)算放大器的3=40，有=0.4240=16.8，取18，取1.7，取0.2。故，其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖51電流調(diào)節(jié)器5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗（1） 確定時間常數(shù)：有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器 （3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時間常數(shù)為：

20、，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：。（4）檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取4300。，取0.02，取1。故。 其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖52 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計要求，應(yīng)使ASR 退飽和重計算。設(shè)理想空載z=0，h=4時，查得=77.5%，所以=2（）（）=，滿足設(shè)計要求第6章 系統(tǒng)MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

21、基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進(jìn)行計算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。6.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)的建模采用Simulink工具箱中的Power System模塊組成的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖6-1所示。模型由晶閘管-直流電動機(jī)組成的主回路和轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成的控制回路兩部分組成。其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機(jī)等環(huán)節(jié)使用Power System模型庫的模塊?？刂苹芈返闹黧w是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流

22、反饋均取自電動機(jī)測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，減小了測速和電流檢測環(huán)節(jié)，這不會影響仿真的真實(shí)性。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出端其后面的環(huán)節(jié)運(yùn)算后，得到移相控制電壓，去控制整流橋的輸出電壓。而電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅就決定控制角的最大和最小限制。 模型參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動機(jī)等部分組成。采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖8-1所示。 圖8-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等

23、，因為在本次設(shè)計中單片機(jī)代替了控制電路絕大多數(shù)的器件，所以在此直接給出各部分的參數(shù)，各部分參數(shù)設(shè)置參考前幾章各部分的參數(shù)。本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb，仿真Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)為2.5。6.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。圖8-2是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。下面分析一下仿真的結(jié)果。圖8.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線啟動過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，

24、轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實(shí)際仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)代替了控制電路的絕大多數(shù)控制器件，所以各項數(shù)據(jù)處理和調(diào)整都是在單片機(jī)內(nèi)完成的，控制效果要好于本次的仿真結(jié)果。 從以上的仿真結(jié)果可看出，所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足要求。二 交流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1 引言隨著電力電子

25、技術(shù)、變頻技術(shù)和微型計算機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣傳動技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段。特別是矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，使得交流傳動系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)了電氣傳動的潮流，采用高性能的交流傳動系統(tǒng)進(jìn)行交流提升機(jī)的改造是極富吸引力的。在交流提升機(jī)的拖動控制改造方面，國內(nèi)的許多單位和一些專家也作了許多努力。對礦井交流提升機(jī)的電控系統(tǒng)用可編程控制器進(jìn)行改造，代替了原來的繼電器控制，多級切換電阻，低頻制動。此外將磁力站的接觸器轉(zhuǎn)換為真空接觸器或雙向晶閘管，提高了系統(tǒng)的可靠勝、降低了噪音，改造后的效果是顯著的。但這些方案仍要串電阻，無法解決無級調(diào)速和節(jié)能的問題。能量指標(biāo)是衡量調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的重要方面，而系統(tǒng)的效率與功率因數(shù)是能

26、量指針的主要內(nèi)容。傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)雖然效率高，但是其功率因數(shù)卻很低。因此，從節(jié)約能源的角度來說，就需要尋找方法來提高串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善其效率。因此本文提出了新型斬波串級調(diào)速方案，與常規(guī)串級調(diào)速系統(tǒng)不同之處在于轉(zhuǎn)子直流回路中加入了直流斬波器，轉(zhuǎn)子整流器通過斬波器與逆變器相連接。逆變器的控制角可取為較小值，且固定不變，故可降低無功損耗，而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。斬波式逆變器串級調(diào)速系統(tǒng)雖然比傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)多了一個斬波器環(huán)節(jié)，但前者的逆變器容量較后者小，所節(jié)約的成本足以抵償斬波器的成本。而且更重要的是前者比后者能夠大大改善功率因數(shù)。2 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)工作原理2.1斬波串調(diào)原理具有斬波控

27、制的串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖21所示。圖21斬波控制串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖具有斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng)與普通串調(diào)系統(tǒng)相比在直流回路中增加了開關(guān)器件、隔離二極管,濾波電容。此三個元件構(gòu)成斬波升壓電路。有源逆變器的逆變角選擇可以一個最小的固定的，因此為固定電壓。在導(dǎo)通時，增加、截止。在截止時，通過流入逆變器，下降。直流回路各點(diǎn)波形如圖2-2所示。圖中為的開通時間，為的開斷周期，為斬波器CH的驅(qū)動信號，為兩端的電壓波形，為經(jīng)流二極管的電流波形，為流經(jīng)斬波器的電流波形。改變的開通占空比，就可以改變的平均電壓。在交流電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，改變，就可以改變的大小，即改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 斬波電路和逆變

28、器的共同作用相當(dāng)于普通串調(diào)系統(tǒng)中可調(diào)的有源逆變器的作用。只是后者的功率因數(shù)比較高，接近0.9，且恒定。圖22斬波串調(diào)主電路波形2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了提高靜態(tài)調(diào)速精度及獲得較好的動態(tài)特性，應(yīng)采用具有電流負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的雙閉環(huán)控制方式。雙閉環(huán)系統(tǒng)是一種具有電流閉環(huán)和速度閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，較單閉環(huán)系統(tǒng)有著更為優(yōu)良的靜、動態(tài)特性。下面將著重介紹雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)：圖23為具有雙閉環(huán)控制的繞線異步電動機(jī)斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。該調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)對繞線式異步電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子斬波閉環(huán)控制。圖中轉(zhuǎn)速反饋信號取自于增量式光電編碼

29、器，電流反饋信號取自直流主回路中設(shè)置的霍爾電流傳感器。ASR, ACR分別為速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，均為PI調(diào)節(jié)器，由數(shù)字信號處理信號（DSP)產(chǎn)生。由于受斬波器開關(guān)作用的影響，整流器輸出電流是脈動的，會引起轉(zhuǎn)矩的脈動，為抑制轉(zhuǎn)子電流的斬波脈動率，在直流主回路中串接一個平波電抗器。PWM為脈寬調(diào)制器，用于產(chǎn)生斬波器的脈沖信號。圖23有轉(zhuǎn)子斬波器的異步電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)調(diào)速中的特點(diǎn)是:在電動機(jī)啟動時，起動電流很快的加大到允許過載能力值，并且保持不變，在這個條件下，轉(zhuǎn)速n得到線性增長，當(dāng)升到需要的大小時，電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流值。這就要求在起動過程中，把電動機(jī)

30、的電流當(dāng)作被調(diào)量，使之維持為電機(jī)允許的最大值，并保持不變。因此需要有一個電流調(diào)節(jié)器來完成這個任務(wù)。來自速度給定電位器的信號與速度反饋信號比較后，偏差信號送到速度調(diào)節(jié)器的輸入端，速度調(diào)節(jié)器的輸出端再送到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓再作為導(dǎo)通比為a的控制電壓加至PWM后與PWM內(nèi)的載波比較以產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖波。該脈沖波經(jīng)隔離去改變斬波器的占空比，可以調(diào)整轉(zhuǎn)子電流，從而改變電動機(jī) 的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。由于用了這兩個調(diào)節(jié)器，一方面便于調(diào)整，另一方面使系統(tǒng)更容易完成對轉(zhuǎn)速與電流的調(diào)節(jié)作用。兩個調(diào)節(jié)器之間是串級連接的關(guān)系。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)是內(nèi)環(huán)

31、;轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是外環(huán)。2.3斬波串調(diào)系統(tǒng)的建模繞線式異步電動機(jī)斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要由晶閘管三相全控橋式有源逆變器、三相橋式二極管轉(zhuǎn)子整流器、繞線式異步電動機(jī)、逆變變壓器、濾波電抗器、斬波器件IGBT、二極管和電容等組成。主電路的建模根據(jù)三相繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路組成框圖，利用Simulink和Power System工具箱，在同步電源與六脈沖觸發(fā)器模型封裝后，將六脈沖觸發(fā)器輸出的脈沖放大，與其它模塊連接即可建立主電路，與實(shí)際電路不同的是，這里的電流反饋信號直接引用了晶閘管有源逆變器輸出的電流，轉(zhuǎn)速反饋直接采用電機(jī)輸出信號測量分路器中的電機(jī)轉(zhuǎn)速 (rad/s)。（6脈

32、沖觸發(fā)電路仿真如下圖）圖24 6脈沖觸發(fā)電路仿真模型系統(tǒng)的建模利用Simulink和Power system工具箱，然后按系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)關(guān)系連接起來，即得到繞線式異步電動機(jī)斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型（主電路仿真模型見錄）。如圖25所示。圖105斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖252.4斬波串調(diào)系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)的仿真參數(shù)電機(jī)參數(shù):額定功率=280KW，線電壓=220V，頻率=50HZ，定子電阻=0.435和漏感=2mh，轉(zhuǎn)子電阻=0.816。和漏感=2mH，互感=69.31 mH，轉(zhuǎn)動慣量=0.089，極對數(shù)=2，三相繞線式異步電動機(jī)，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。設(shè)置仿真的終止時間為l Os，仿真算法選擇ode23tb, ode23tb屬于TR-BDF2算法，適合與求解剛性問題，對于求解允許誤差比較寬的問題結(jié)果好。相對允許誤差為,絕對允許誤差為auto，變步長;仿真菜單選正常仿真。按照斬波串級調(diào)速系統(tǒng)先單元、后系統(tǒng);先開環(huán)、后閉環(huán);先內(nèi)環(huán)、后外環(huán);先調(diào)穩(wěn)態(tài)精度，后調(diào)動態(tài)指標(biāo)的調(diào)試原則進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。優(yōu)化后的主要環(huán)節(jié)參數(shù)如下:交流電源:工頻、相電壓有效值127V;脈沖觸發(fā)器開關(guān)信號為”0”，即開放觸發(fā)器;晶閘管逆變橋參數(shù):通態(tài)內(nèi)阻0.001，通態(tài)電感0，冷態(tài)電阻10，冷態(tài)電感4.7F;二極管整流橋參數(shù):通態(tài)內(nèi)阻0.