異步電動機的雙閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)課程設計

交流調速控制系統(tǒng)課程設計（論文）題目：異步電動機的雙閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)設計院（系）： 電氣與信息工程學院專業(yè)班級：xxx學號： 10 學生姓名： xxx引言隨著電力電子技術及計算機技術的發(fā)展,近年來交流電動機調速技術得到了迅速發(fā)展，特別是變頻調速技術，其性能不斷提高、應用領域不斷擴大,大有逐漸取代傳統(tǒng)的直流電機傳動系統(tǒng)的趨勢。但就我國實際國情來看,變頻調速中使用的GTO與GTR等的換流器件價格昂貴，換流電路及控制線路復雜，組成的控制器價格遠遠高于電機價格。而晶閘管交流調壓調速系統(tǒng)中，晶閘管可以因負載電流過零而自行關斷，不需另加換流電路，故線路簡單，調壓裝置體積小、成本低廉、使用維修方便。特別對風機、水泵類負載，其調速性能完全能滿足調速需要，因而這種調速方法在應用量大面廣的風機、水泵類負載上仍被廣泛應用。目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 1\o"CurrentDocument"第一章、設計方案選擇分析 31.1、 三相異步電動機的調速方法 31.2、 調壓調速 31.3、 調壓調速特性及其性能 4第二章、三相異步電動 62.1、 三相異步電動機的結構與基本原理 6\o"CurrentDocument"2.2、 轉差率 8\o"CurrentDocument"2.3、 異步電動機的三種運行狀態(tài) 8\o"CurrentDocument"第三章、主電路設計 93?1、三相晶閘管交流調壓器 9\o"CurrentDocument"第四章、控制電路設計 94.1、電流調節(jié)器ACR的設計 94.2轉速調節(jié)器ACR的設計 13\o"CurrentDocument"第五章、課程設計總結 16參考文獻 17第一章、設計方案選擇分析1.1三相異步電動機的調速方法異步電機的調速方法有不少，根據(jù)異步電機的轉速公式n=n1(1-s)=60f1/p(1-s) (3-1)可知：異步電動機有以下三種基本調速方法：改變定子極對數(shù)p調速。改變電源頻率f1調速。改變轉差率s調速。1.2調壓調速調壓調速是變轉差率調速的一種。調壓調速是異步電動機調速中比較簡便的一種方法。由電機原理可知當轉差率s基本保持不變時，電動機的電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子電壓就可以得到不同的人為機械特性，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。改變加在定子上的電壓是通過交流調壓器實現(xiàn)的。目前廣泛采用的交流調壓器由晶閘管等器件組成。它是將三個雙向晶閘管分別接到三相交流電源與三相定子繞組之間，通過調整晶閘管導通角的大小來調節(jié)加到定子繞組兩端的端電壓。晶閘管三相交流調壓電路的連結方式很多，各有其特點。這里采用三相全波星型聯(lián)接的調壓電路。如圖3.1所示。T.圖3.1三相交流調壓電路電機繞組星型聯(lián)接時的三相分支雙向控制電路用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在每相的繞組上。調壓時用相位控制。當負載電流流通時，至少有一相的正向晶閘管和另一相的反向晶閘管同時導通，所以要求各晶閘管的觸發(fā)脈沖寬度都大于60°?；蛘卟捎秒p脈沖觸發(fā)。最大移相范圍為150°.移相調壓時，輸出電壓中含有奇次諧波，其中以奇次諧波為主。如果電機繞組不帶零線，則三次諧波電勢雖然存在，卻不會有三次諧波電流。由于電機繞組屬于感性負載，電流波形會比電壓波形平滑些。但仍含有諧波，從而產生脈動轉矩和附加損耗等不良影響，這是晶閘管調壓電路的缺點。1.3調壓調速特性及其調速性能調壓調速的機械特性如圖3.2所示。由圖可以看出，隨著定子電壓的降低，機械特性變軟，而且最大轉矩也減小很多，這樣就降低了電機的過載能力。若負載稍有波動，電機就可能停轉。因此對于恒轉矩負載，其調速范圍很小。若用于通風機類負載，可以得到較大的調速范圍。

圖3.2電機調壓調速機械特性但在低速時磁通量較小，會使轉子電流較大，電機發(fā)熱問題就會變得嚴重。為了克服上述調壓調速中存在的問題，通常采用以下方法。（1） 采用轉子電阻較大的高轉差率籠型電動機、實心轉子電動機或雙層轉子電動機，以獲得較寬的調速范圍。（2） 對于籠型的電動機可采用速度負反饋閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)。如圖3.3所示。這時的機械特性硬度較大，可以得到平滑調速和較大調速范圍。

ASR-速度調節(jié)器；TG-測速發(fā)電機；人丁觸發(fā)裝置圖3.3速度負反饋閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)速度負反饋閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)的工作原理：將速度給定值與速度反饋值進行比較，比較后經速度調節(jié)器得到控制電壓，再將此控制電壓輸入到觸發(fā)裝置，由觸發(fā)裝置輸出來控制晶閘管的導通角，以控制晶閘管輸出電壓的高低，從而調節(jié)了加在定子繞組上的電壓的大小。因此，改變了速度給定值就改變了電動機的轉速。由于采用了速度負反饋從而實現(xiàn)了平穩(wěn)、平滑的無級調速。同時當負載發(fā)生變化時，通過速度負反饋，能自動調整加在電動機定子繞組上的電壓大小，由速度調節(jié)器輸出的控制電壓使晶閘管觸發(fā)脈沖前移，使調壓器的輸出電壓提高，導致電動機的輸出轉矩增大，從而使速度回升，接近給定值。這種調速方法既不是恒轉矩調速，也不是恒功率調速。如果拖動恒轉矩負載，而轉速又較低時，損耗將增加，不宜于長期低速運行。如果拖動風機類負載，隨著轉速的降低負載轉矩減小，電動機輸出轉矩也相應減小，從而減小了損耗，所以這種調速方法更適合于與風機類負載相配合。異步電動機調壓調速通常適用于繞線型異步電動機。1.1開環(huán)調壓調速特性定子電壓U1變化時：臨界轉差率不變，同步轉速n1不變，由于轉矩T正比于定子電壓皿的平方，所以U1|-n|-sL機械特性如圖3.4所示?？梢娹D子電阻為正常值。圖3.4電機開環(huán)調壓調速機械特性如一般的鼠籠型異步電動機，對恒轉矩負載，調速范圍很小，實用價值不高。對風機類負載，調速范圍較大，但存在低速時功率因數(shù)低，電流大的問題。所以降壓調速只適用于高轉差率鼠籠電機或是繞線式異步電機。1.2閉環(huán)調壓調速特性以前用飽和電抗器，現(xiàn)在廣泛采用晶閘管調壓電路。在前面所述的開環(huán)系統(tǒng)的調速中，其機械特性軟，調速范圍較窄。加轉速負反饋系統(tǒng)環(huán)節(jié)后成了調壓調速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。調速范圍變大了。測速發(fā)電機TG測得電動機轉速即測速發(fā)電機的u-n,當nt-uL將u與給定電壓比較得到一個電壓變化值，將這個變化值作為放大器的輸入端，經放大后的輸出為觸發(fā)器的發(fā)出信號，使觸發(fā)器發(fā)出發(fā)出一定相位的脈沖，晶閘管調壓器就輸出一定值的電壓，調節(jié)給定電壓的大小就可以得到不同輸出電壓，從而達到調速的目的。第二章、三相異步電動機2.1、三相異步電動機的結構與基本原理三相異步電動機的結構主要由定子和轉子兩大部分組成。轉子裝在定子腔內，定子、轉子之間有一縫隙，稱為氣隙。2.1.1定子部分定子部分主要由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。定子鐵心是電機磁路的一部分，為減少鐵心損耗，一般由0.5mm厚的導磁性較好的硅鋼片疊成，安放在機座內。定子鐵心疊片沖有嵌放繞組的槽，故又稱為沖片。中、小型電機的定子鐵心和轉子鐵心都采用整圓沖片。大、中型電機常采用扇形沖片拼成一個圓。為了冷卻鐵心，在大容量電機中，定子鐵心分為很多段，每兩段之間留有徑向通風槽，作為冷卻空氣的通道。定子繞組是電機的電路部分，它嵌放在定子鐵心的內圓槽內。定子繞組分單層和雙層兩種。一般小型異步電動機采用單層繞組，大、中型異步電動機采用雙層繞組。機座的作用是固定和支撐定子鐵心及端蓋，因此，機座應有較好的機械強度和剛度。中、小型電動機一般用鑄鐵機座，大型電動機的機座則用鐵板焊接而成。2.1.2轉子部分轉子主要由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸三部分組成。整個轉子靠端蓋和軸承支撐著。轉子的主要作用是產生感應電流，形成電磁轉距，以實現(xiàn)機電能量的轉換。轉子鐵心是電機磁路的一部分，一般也用0.5mm厚的硅鋼片疊成，轉子鐵心疊片沖有嵌放繞組的槽。轉子鐵心固定在轉軸或轉子支架上。2.1.3氣隙異步電機的氣隙是均勻的。氣隙大小對異步電動機的運行性能和參數(shù)影響很大，由于勵磁電流由電網供給，氣隙越大，勵磁電流也就越大，而勵磁電流又屬于無功性質，它要影響電網的功率因數(shù)，因此異步電動機氣隙大小往往為機械條件所能允許的最小數(shù)值，中、小型電機氣隙太小，一般為0.2?1.5mm左右。2.1.4三相異步電動機的基本工作原理三相繞組接通三相電源產生的磁場在空間旋轉，稱為旋轉磁場。轉速的大小由電動機極數(shù)和電源頻率而定。旋轉磁場的轉速n1稱為同步轉速。它與電網的頻率fl及電機的磁極對數(shù)p的關系為：n1=60f1/p (2-1)轉子在磁場中相對定子有相對運動，切割磁場形成感應電動勢。轉子銅條有電流，在磁場中受到力的作用，轉子就會旋轉起來。綜上所述可知，三相異步電動機轉動的基本工作原理。三相對稱繞組中通入三相對稱電流產生圓形旋轉磁場。轉子導體切割旋轉磁場感應電動勢和電流。轉子載流導體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉距，驅使電動機轉子轉動。異步電機的旋轉方向始終與旋轉磁場的旋轉方向一致，而旋轉磁場的方向又取決于異步電動機的三相電流相序。因此，三相異步電動機的轉向與電流的相序一致。要改變轉向，只要改變電流的相序即可，即任意對調電動機的兩根電源線，便可以實現(xiàn)電動機的反轉。異步電動機的轉速恒小于旋轉磁場的轉速n1，只有這樣，轉子繞組才能產生電磁轉矩，使電動機旋轉。如果n=n1，轉子繞組與定子磁場之間無相對運動，則轉子繞組中無感應電動勢和感應電流產生，可見n<n1是異步電動機工作的必要條件。由于電動機轉速n與旋轉磁場轉速n1不同步，故稱為異步電動機。2.2轉差率同步轉速n1與轉子轉速n之差(n1-n)和同步轉速n1的比值稱為轉差率，用字母s表示，即S=(n1-n)/n1 (2-2)轉差率s是異步電動機的一個基本物理量，它反映異步電動機的各種運行情況。對異步電動機而言，當轉子尚未轉動(如起動瞬間)時，n=0，此時轉差率s=1;當轉子轉速接近同步轉速(空載運行)時，n^n1，此時轉差率sR0。由此可見，作為異步電動，轉速在0?n1范圍內變化，其轉差率在0?1范圍內變化。異步電動機負載越大，轉速就越慢，其轉差率就越大；負載越小，轉速就越快，其轉差率就越小。故轉差率直接反映了轉子轉速的快慢或電動機負載的大小。異步電動機的轉速可以由(2-1)推算。n=(1-s)n1 (2-3)2.3異步電機的三種運行狀態(tài)根據(jù)轉差率的大小和正負，異步電機有三種運行狀態(tài)。電動機運行狀態(tài)當定子繞組接至電源，轉子就會在電磁轉矩的驅動下旋轉，電磁轉矩即為驅動轉矩，其轉向與旋轉方向相同，此時電機從電網電功率轉變成機械功率，由轉軸傳輸給負載。電動機的轉速范圍為n1>n>0,其轉差率范圍為0VsW1。發(fā)電機運行狀態(tài)異步電機定子繞組仍接至電源，該電機轉軸不再接機械負載，而用同一臺原動機拖動異步電機的轉子以大于同步轉速(n>n1)并順旋轉磁場的方向旋轉。顯然，此時電磁轉矩方向與轉子方向相反，起著制動作用，為制動轉矩。為克服電磁轉矩的制動作用而使轉子繼續(xù)旋轉，并保持n>n1,電機必須不斷從原動機吸收機械功率，把機械功率轉變?yōu)檩敵龅碾姽β省Ｒ虼顺蔀榘l(fā)電機運行狀態(tài)。此時，n>n1，則轉差率s<0。電磁制動運行狀態(tài)異步電機定子繞組仍接至電源，如果用外力拖著電機逆著旋轉磁場的旋轉方向轉動。此時電磁轉矩與電機旋轉方向相反，起制動作用。電機定子仍從電網吸收電功率，同時轉子從外力吸收機械功率，這兩部分功率都在電機內部以損耗的方式轉化成熱能消耗。這種運行狀態(tài)稱為電磁制動狀態(tài)。此種情況下，n為負值，即n<0,則轉差率s>1。由此可知，區(qū)分這三種運行狀態(tài)的依據(jù)是轉差率s的大小。①當0<s<1時為電動機運行狀態(tài)；②當-8VsV0時為發(fā)電機運行狀態(tài)；③當1VsV+8時為電磁制動運行狀態(tài)。第三章、主電路設計3.1三相晶閘管交流調壓器以前改變交流電壓的方法多采用自耦變壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器，自從電力電子技術興起后，這些方法就被晶閘管交流調壓器所取代了，交流調壓器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串聯(lián)在三相電路中。在此我們采用三對晶閘管反并聯(lián)所構成的晶閘管交流調壓器。其電路圖如（圖2.1）所示。圖2.1三相交流調壓器第四章控制電路設計4.1電流調節(jié)器ACR的設計電流調節(jié)器的設計原理電流環(huán)的控制對象又電樞回路組成的大慣性環(huán)節(jié)與晶閘管整流裝置，觸發(fā)器，電流互感器以及反饋濾波等一些小慣性環(huán)節(jié)組成。電流環(huán)可以校正成典型1型系統(tǒng)，也可以校正成典型2型系統(tǒng)，校正成哪種系統(tǒng)，取決于具體系統(tǒng)要求。由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而，在突加給定時不希望有超調，或者超調越小越好。從這個觀點來說，應該把電流環(huán)校正成典型1型系統(tǒng)。但是，典型1型系統(tǒng)在電磁慣性時間常數(shù)較大時，抗繞性能較差?；謴蜁r間長?？紤]到電流環(huán)還對電網電壓波動又及時的調節(jié)功能，因此，為了提高其抗擾性能，又希望把電流環(huán)校正成典型2型系統(tǒng)。在一般情況下，當控制系統(tǒng)的兩個時間常數(shù)T1/T￡i<10比時，典型II型系統(tǒng)的恢復時間還是可以接受的，因此，一般按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán)。此外，為了按典型系統(tǒng)設計電流環(huán)，需要對電流環(huán)進行必要的工程近似和等效處理。電流環(huán)的結構的簡化電流環(huán)的結構如圖（3.1）所示。把電流環(huán)單獨拿出來設計時，首先遇到的問題是反電勢產生的反饋作用。在實際系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù)T1遠小于機電時間常數(shù)Tm，電流調節(jié)過程往往比轉速的變化過程快得多，因而也比電勢E的變化快得多，反電勢對電流環(huán)來說，只是一個變化緩慢的擾動，在電流調節(jié)器的快速調節(jié)過程中，可以認為E基本不變，即△E=0。這樣，在設計電流環(huán)時，可以不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋作用斷開，使電流環(huán)結構得以簡化。另外，在將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等效的置于環(huán)內，使電流環(huán)結構變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)。最后，考慮到反饋時間常數(shù)Ti和晶閘管變流裝置間常數(shù)Ts比T1小得多，可

以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，并取TEi=Toi+Ts0經過上述簡化和近似處理后，電流環(huán)的結構圖最終可簡化為圖(3.2)所示：圖3.1圖3.2圖3.3電流調節(jié)器的結構選擇由于電流環(huán)中的控制對象傳遞函數(shù)Wi(s)含有兩個慣性環(huán)節(jié)，因此按典型I系統(tǒng)設計的話，應該選PI調節(jié)器進行串聯(lián)校正，其傳遞函數(shù)為W (s)=K號+1)ACR TS為了對消控制對象的大時間常數(shù)，取t.=77。此時，電流環(huán)的結構圖就成為典型I型系統(tǒng)的形式，如圖()所示。如果要求跟隨性好，超調量小，可按工程最佳參數(shù)K/gT￡，=0.5或匚=0.707選擇調節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)Ki為KKPK廣T,R'令K/T￡,=0.5,所以有：0.5tR,K廣K,P八且截止頻率W為：0.5W=K廣T上述關系表明，按工程最佳參數(shù)設計電流環(huán)時，截止頻率Wn與T￡，的關系滿足小慣性環(huán)節(jié)的近似條件W<A。nT￡，1如果按典型n型系統(tǒng)設計電流環(huán)，則需要將控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)Tr~n近似為積分環(huán)節(jié)，當TL>hT￡.時，而電流調節(jié)器仍可用PI調節(jié)規(guī)律。但積分時間常數(shù)T,L應選得小一些，即t=hT￡。按最小峰值Mpmin選擇電流環(huán)時，如選用工程最佳參數(shù)h=5，則電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)KI為:iKKP_h+1K廣戒廠=~2h^T~TOC\o"1-5"\h\z于是可得 'K_(h+1)也右_0.6R1 2hkP'.KP八h+10.6W二 二~Wn2hT° T$顯然，按工程最佳參數(shù)h=5確定的Wn和T￡，的關系，也可以滿足小慣性環(huán)節(jié)的近似的條件。 ’4.2轉速調節(jié)器ACR的設計電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)電流環(huán)是轉速環(huán)的內環(huán)，設計轉速環(huán)時要對電流環(huán)做進一步的簡化處理，使電流成為一個簡單的環(huán)節(jié)，以便按典型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。如果電流環(huán)是按工程最佳參數(shù)設計的典型I型系統(tǒng)，則由圖(3.4)可得其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Bi

K iI(s)p s(T&s+1) 1=U(s)=1+K =匕$2+堂+1' s(T^s+1)K] K]由于：0.5KI=0.5KI=T一，所以有WBiSi(s)= —— J2T2Sis2+2八s+1?12Ts+1在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計中，轉速外環(huán)的截止頻率WE總是低于電流環(huán)的截止頻W〃在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計中，轉速外環(huán)的截止頻率WE總是低于電流環(huán)的截止頻W〃，即Wcn<<Wn.因此，設計轉速環(huán)時可以把電流環(huán)看成是外環(huán)中的一個小時常數(shù)環(huán)節(jié)，并加以簡化處理，即略去WBi(s)中分母的高次項，得簡化后的傳遞函數(shù)為：12Ts.s2+1Wb.(s)近似條件為：Wcn<<0.5T￡。電流環(huán)的這種近似處理產生的效果可以用對數(shù)幅頻特性來表示。電流環(huán)未作處理時阻尼比匚=0.707，自然振蕩頻率為y~T的二階振蕩環(huán)節(jié)，當轉速環(huán)截止頻率較W低時，對于轉速環(huán)的頻率特性來說，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高cn頻段有些區(qū)別。由于電流環(huán)在轉速環(huán)內，其輸入信號U