双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计
从功率传递角度看，如果忽略调速系统中所有的电气与机械损耗，认为异步电动机的转差功率全部为直流电动机所接受，并以PMD的形式从轴上输出给负载。则负载所得到的机械功率PL应是异步电动机和直流电动机两者轴上输出功率之和，并恒等于电动机定子出入功率，而与电动机运行的转速无关。所以这种机械串级调速系统属于恒功率调速，其特点是系统在低速时能够产生较大的转矩输出，因而适用于一些需要低速大转矩传动的场合。
根据设计要求，电动机转速较高，实现无极调速，选择电气串级调速能更好的满足调速要求。
M3~M3~ 图2.3 机械串级调速原理图
2.2.3串级调速方案选择
综合上述论述的两种调速方式，电气串级调速系统属于恒转矩调速，其输出的机械功率和转速成正比，能够靠调节逆变角β实现平滑无级调速，节能方面，电气串级调速系统能把异步电动机的转差功率馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效的利用，大大提高了调速系统的效率。机械串级调速属于恒功率调速，其特点是系统在低速时能够产生较大的转矩输出，因而适应一些需要低速大转矩传动的场合，如螺纹钢线材轧机。根据设计要求，我们在设计中选择电气串级调速更适合。
5
西南石油大学本科毕业设计（论文）
3本系统主电路的设计
3.1本系统主电路的组成及工作原理
本系统主电路如图2.2所示，系统主电路由三相绕线异步电动机、整流装置、逆变装置、逆变变压器和平波电抗器组成。根据公式2.1和2.2，当电动机在恒转矩负载下稳态运行时，可以认为Id近似为恒值。若增大逆变角β，则逆变电压减小，但电动势转速因存在机械惯性尚未变化，所以，整流电压仍维持原值，因而直流回路电流Id及转子电流I2相应增大，使电机加速。在加速过程中，S减小，电流Id及整流电压随之减小直至达到新的平衡，电动机仍进入新的稳定状态以较高转速运行。同理，减小β值可以使电动机在较低的转速下运行。
3.2本系统主电路元器件参数计算及型号选择
3.2.1异步电动机的选择
（1）电动机型号的选定
本设计中，根据所给数据，最大负载功率PL?72KW，由于一般最大负载功率为额定功率的75%左右，即PN?1.15PL?86.25KW因此在查电动机型号时我选择了YR250M-4电动机，采用?/Y接法。该型号电动机参数如表3.1：
电动机型号 满载时转速(nn) 功率因数（cos?） 静差率(S) 转子电压(U2n) 定子电压（U1n） 极对数（P） 转动惯量（kg?m） 2表3.1 电动机YR250M-4参数表 YR250M-4 额定功率（Pn） 1457r/min 效率（?） 0.89 同步转速(n0) 90KW 91% 1500r/min D=3 109A 167.9A 50HZ 2.5 S?0.01 524V 380V 4 1.5 调速范围(D) 转子电流(I2n) 定子电流（I1n） 频率（f） 额定转矩 （2）电动机容量校核
1）电动机参数计算
n1?n0150?01457??0.0286 7 (3.1) n115000.95U1nSn0.95?380?0.02867??0.035?6 (3.2) 定子电阻： r1?3I1n3?167.9U2nSn524?0.02867??0.079?6 (3.3) 转子电阻： r2?3I2n3?109额定转差率： Sn?6
双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计
定子绕阻的变化： KM?折算到转子侧的定子电阻：r'1?0.95U1n0.95?380??0.6889 (3.4) U2n524r1?0.075? 2KM9565Pn9565?90??590N?m (3.5) 电动机额定转矩： Tn?nn1457折算到转子侧的漏抗：
?380/3?2??0.0356??0.03562?210?3?590????XM???0.1025? (3.6) 22KM0.68892）逆变变压器参数初步计算
2P（U1n/3）?r?r12210?MTn????????????1????2??22逆变变压器二次侧线电压：
11（1?）U2n(1?)?52433??403.4V (3.7) U2T?cos?mincos300逆变变压器折算至直流侧电抗（取UK%?5%）
U2T403.4XT?UK%??0.05??0.1068? (3.8)
3I2n3?109折算至直流侧等效电阻：
rT?0.01U2T403.4?0.01??0.0214? (3.9) 3I2n3?1093）平波电抗器直流电阻
rd?0.01U2n524?0.01??0.0278? (3.10) 3I2n3?1094）在串级调速状态运行时的额定转矩：
当S=1时，电动机定子折算到直流侧的等效电阻为1.73r'1，故电动机额定转矩为：
1?m9.565?3??????TKn??Ud0??1.73r'1?XM?Idn?Idn?1.73U2n??1.73r'1?XM?Idn?Idn (3.11) ??1?2?n1????????考虑到换相重叠角?的影响，并经过线性处理，上式中Idn为：
Idn?即
Tkn?33?I2n??109?143.5A (3.12) 1.731.739.565?3?1.73?524?(1.73?0.075??0.1025)?143.5?143.5?800N?M(3.13) ??1500???TKn800??1.36 (3.14) Tn590 7
转矩降低系数
KM?西南石油大学本科毕业设计（论文）
5）串级调速状态运行时最高转速的确定： 直流回路总等效电阻为
R??2rM?rT?rd?mmXM?XT （3.15） 2?2?2式中电动机折算到直流侧的等效电阻，可按功率相等原则进行折算，即
?3?3I2n2?r2?r'1??Idn2?2rM???I2n??2rM??1.73??? (3.16)
得 2rM?1.73(r'1?r2) (3.17)
R??1.73?(0.075?0.0796)?0.0214?0.0278?3
??0.1025?3??0.1068?0.52?(3.18)
若串级调速系统运行时??1.8，则直流回路最大电流Idm为
Idm??Idn?1.8?143.5?258.3A (3.19)
最大电流时电势系数为：
33Ud0?(1.73r'1?XM)Idm1.73?524?(1.73?0.075??0.1025)?258.3?1??Ce???0.565V??r/min?(3.20)
n11500最大转速：
nmax?Ud0?IdmR?1.73?524?258.3?0.52??1367r/minCe0.565 (3.21)
则
1nmin?nmax?456r/min3 (3.22)
转速降低系数
功率降低系数
KP?KM?Kn?1.36?0.94?1.28 (3.24)
PL75??58.8KW?90kw (3.25) KP1.28Kn?nmax1367??0.94nn1457 (3.23)
校验
故所选电动机合适。
Id?Idm时换相重叠角
8
双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计
??cos?1(1?2IdmXM?2?258.3?0.1025?)?cos?1?1???220?6002U2n2?524?? (3.26)
系统工作在第一工作区。
3.2.2逆变变压器的参数计算与选择
在串级调速系统中，常在晶闸管整流装置的交流侧设置逆变变压器。其目的是：
（1）把可控整流装置与交流电网隔离，以抑制电网的浪涌对晶闸管的影响； （2）能取得与被控异步电机工作相匹配的逆变电压并有合理的控制。
n1?nmin1500?456Smax???0.7 （3.27）
n11500逆变变压器二次侧线电压：
UT2n?SmaxU2n0.7?524?V?424V0cos?mincos30 （3.28）
又因为：IT2?I2n?109A
逆变变压器计算容量为：
ST?3U2TnI2T?3?424?109?10?8kw?80.048kw
逆变变压器一次侧电流：
IT1? （3.29）
ST80048??122A （3.30） 3U1n3?380rTn?0.01U2Tn424?0.01??0.02?3I2T3?109 （3.31）
424?0.112? 3?91XT?0.05?因此R?修正为：
R??1.73?(0.075?0.0796)?0.0214?0.0278?33?0.1025??0.112?0.521?（3.32） ??Ud0?IdmR?1.73?524?258.3?0.521nmax???1367r/min （3.33）
0.5650.565符合前面所取的nmax的值。
9
本科毕业设计（论文）
题 目
双闭环控制的异步电动
机串级调速系统的设计
学生姓名 教学院系 专业年级 指导教师 单 位 辅导教师 单 位
学 号
电气信息学院 电气工程及其自动化09级
职 称
西南石油大学
职 称
完成日期
2013 年 6 月 9 日
Southwest Petroleum University
Graduation Thesis
The Design of Double Closed Loop Control of
Asynchronous Motor Cascade Speed Regulation System
Grade: Name: Speciality: Instructor: 2009
Electrical Engineering and Automation
School of Electrical Engineering and Information
2013-6
摘要
绕线式异步电动机的串级调速系统，属于改变转差功率的调速系统，在我国交流调速技术的发展中，它是结构简单、发展较快、应用较广的一种系统。其基本原理是利用不可控的整流电路将转子交流电动势转成直流电动势，在利用工作的在逆变状态的三相可控整流电路来获得一个可调的直流电压作为附加电动势，以改变转差功率，以实现转速的调节。串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。 本设计介绍了双闭环异步电动机串级调速方式的设计，主要设计方面包括调速方式的设计，主接线的设计，串级调速主电路的设计，保护电路的设计，触发器的选择，直接启动方式。首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算，从而达到设计要求，其中有绘制完整的双闭环控制的异步电动机串级调速系统图，主接线图，控制电路图，最后采用了MATLAB建模与仿真证明了该系统。
关键字：串级调速；主电路；调速范围；转差率
I
Abstract
The wound rotor asynchronous motor cascade speed regulation system, is to use change slip power control speed regulation system. In the development of ac speed regulation technology in China. It is a system of simple structure, rapid development, wider application. Its basic principle is to put the rotor AC electromotive force into DC emfs by Uncontrolled rectifier circuit. Taking advantage of working in a state of three-phase inverter controlled rectifier circuit for an adjustable DC voltage as additional electromotive force, to change the slip power, in order to realize speed regulation. Cascade speed regulation completely overcomes the drawback of rotor series resistance speed control, it has high efficiency, stepless smooth speed regulation, a hard low mechanical properties etc.
the design of the double closed loop of asynchronous motor cascade speed control mode，It mainly includes the design of speed control mode, main wiring ,the main circuit, protective circuit , the choice of the trigger and direct startup mode。First of all, according to the design requirements to determine the structure of control scheme and the main circuit. In the determination of the main circuit and the closed loop system. Focus is on the circuit element parameters calculation and device type selection. Including rectifier transformer, rectifier devices, flat wave reactor, protection circuit and the current and speed regulator parameter calculation, so as to achieve the design requirements. Mapped the complete double closed loop control of asynchronous motor cascade speed regulation system, the main wiring diagram, control circuit diagram, the modeling and Simulation of MATLAB proved that the system meets the design requirements and complete and has good disturbance rejection properties and tracking performance, small overshoot. Keywords: the main circuit；cascade control；Speed range；slip ratio.
II
目录
摘要................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................... II 1绪论............................................................................................................................. 1
1.1 串级调速系统的发展状况............................................................................. 1 1.2 本次设计的目的............................................................................................. 1 2本系统串级调速方案的比较和选择......................................................................... 3
2.1串级调速原理.................................................................................................. 3 2.2串级调速方案论证.......................................................................................... 4
2.2.1电气串级调速....................................................................................... 4 2.2.2机械串级调速....................................................................................... 4 2.2.3串级调速方案选择............................................................................... 5
3本系统主电路的设计................................................................................................. 6
3.1本系统主电路的组成及工作原理.................................................................. 6 3.2本系统主电路元器件参数计算及型号选择.................................................. 6
3.2.1异步电动机的选择............................................................................... 6 3.2.2逆变变压器的参数计算与选择........................................................... 9 3.2.3硅整流元件及晶闸管的选择............................................................. 10 3.2.4平波电抗器电感量的计算与选择..................................................... 11 3.3晶闸管保护装置的参数计算........................................................................ 12
3.3.1过电压保护......................................................................................... 12 3.3.2过电流保护......................................................................................... 16 3.3.3电流上升率的限制............................................................................. 17 3.3.4电压上升率的限制............................................................................. 18 3.4逆变触发器的设计........................................................................................ 18
3.4.1 KJ004和KJ041的引脚图 ................................................................. 18 3.4.2 同步变压器的设计............................................................................ 19 3.4.3 控制及偏移电源................................................................................ 20 3.4.4三相桥式逆变电路的触发电路......................................................... 20 3.5电动机的保护................................................................................................ 21
III
3.5.1短路保护............................................................................................. 21 3.5.2过载保护............................................................................................. 21 3.5.3瞬时停电保护..................................................................................... 22
4本系统控制回路的设计........................................................................................... 23
4.1双闭环串级调速系统的组成和工作原理.................................................... 23 4.2双闭环系统静态参数计算............................................................................ 24 4.3双闭环系统动态参数计算............................................................................ 25
4.3.1电流调节器的参数计算..................................................................... 25 4.3.2速度调节器的参数计算..................................................................... 26
5本系统起动方式的设计........................................................................................... 28
5.1串级调速系统起动方式的确定.................................................................... 28 5.2本系统起动方式的选择................................................................................ 29 6系统仿真................................................................................................................... 31
6.1仿真软件的简介............................................................................................ 31 6.2具体的软件仿真设计.................................................................................... 31
6.2.1 主电路的仿真设计............................................................................ 31 6.2.2 控制电路的建模和参数设置............................................................ 33 6.2.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析............................................ 33 7结论........................................................................................................................... 34 谢辞.............................................................................................................................. 35 参考文献...................................................................................................................... 36 附录1........................................................................................................................... 37 附录2........................................................................................................................... 38 附录3........................................................................................................................... 39
IV
双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计
1绪论
1.1 串级调速系统的发展状况
串级调速理论早在20世纪30年代就已提出，到了60～70年代，当可控电力电子器件出现以后，才得到更好的应用。20世纪60年代以来，由于高压大电流晶闸管的出现，串级调速系统获得了空前的发展。60年代中期，W.Shepherd和J.Stanw就提出了一种将绕线转子电动机的转差功率进行整流，然后经过晶闸管逆变器将整流后的转差功率逆变为电网频率的交流功率，并将其反馈到电动机的定子辅助绕组中的晶闸管串级方案，称为“定子反馈”方案，而把通过变压器（逆变变压器）将转差功率反馈到电网（常规的晶闸管串级）称为“电网反馈”方案。在“定子反馈”方案中，辅助绕组与定子绕组电气上绝缘，通过磁耦合，即电磁感应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网，这就是我们所说的“内馈”串调。
20世纪60年代末期，我国的一些单位开始进行晶闸管串级调速的试验，70年代后期，西安整流器厂首先推出了系列产品，以后其他厂家也相继推出。国内最先是由屈维谦在80年代后期提出内馈串级调速方案的。90年代中期以后，有一家公司又推出斩波式内馈串调。随着电力电子技术和控制策略的发展，新的拓扑结构和控制策略被不断提出。到目前为止全国已有四到五家知名的内馈串级调速装置的生产厂家。
如今节约能源、更加合理地、有效地利用能源是一项艰巨、利国利民造福子孙的长期工作，也是我国的一项基本国策。随着我国改革开放不断深入和国民经济、科学技术的飞速发展，国家大量拨款加速建设，现在已经取得了很大的进步，有部分项目已经达到了实用化阶段，相信在不久的将来我国在双闭环串级调速系统方面一定会赶上或进一步缩小与发达国家之间的差距。
1.2 本次设计的目的
本设计选题的目的：采用双闭环控制的异步电动机串级调速系统不仅具有明显的节能效果，还具有良好的静态和动态性能。本设计的目的在于让学生通过对双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计，学习和掌握异步电动机串级调速的设计内容、设计步骤和方法，具有初步的工程设计能力。
本次设计的任务及要求 工作任务:
1
西南石油大学本科毕业设计（论文）
(1)完成系统结构图和系统结构框图的设计； (2)完成系统的启动、检测与保护电路的设计； (3)完成调速系统静态、动态参数的计算；
(4)完成系统主回路设计，元、器件和设备的选择（参数计算，型号选择等）； (5)绘制完整的电气系统原理图； (6)对系统进行MATLAB仿真。
本次设计指标：
(1)生产机械为恒转矩负载，最大负载功率PL=72KW； (2)调速范围 D=3:1； (3)低速时静差率 S=0.01；
(4)要求电流超调量小，转速抗扰性能及跟随性能好。
2
双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计
2本系统串级调速方案的比较和选择
2.1串级调速原理
M3~ URId UI SE20 Ud Ui LD 图2.1 串级调速方式原理图
图2.1是串级调速方式原理图，图中异步电动机M以转差率s运行，其转子电动势sE20经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压Ud。工作在逆变状态的三相可控装置UR除提供一可调的直流输出电压Ui作为调速所需的附加电动势外，还可将经UR整流后输出的电动机转差功率逆变回馈到交流电网中。两个整流装置的电压Ud与Ui的极性以及电流Id的方向如图所示。为此可在整流转子的直流回路中写出以下的电动势平衡方程式：
Ud?Ui?IdR （2.1）
K1sE20?K2U2Tcos??IdR （2.2）
式中： K1 K2-----与两个整流装置的电压整流系数
Ui-----逆变器输出电压
U2T-----逆变变压器的次级相电压
?-----晶闸管逆变角
R-----转子直流回路的电阻
当电动机拖动恒转矩负载稳定运行时，可以近似认为Id为恒值。控制?使它增大，则逆变电压Ui立即减小；但电动机转速因存在着机械惯性尚未变化，所以Ud仍维持原值，根据式（2.1）、（2.2）就使转子直流回路电流Id增大，相应转子电流也增大，电机就加速；在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流Id减小，直至Ud与Ui依式（2.1）取得新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小?值可以使电机在较低的转速下运行。以上就是绕线式异步电动机串级调速系统的工作原理。
3
西南石油大学本科毕业设计（论文）
2.2串级调速方案论证
2.2.1电气串级调速
图2.2为电气串级调速方式原理图。当电动机在恒转矩负载下稳态运行时，可以认为Id近似为恒值。若增大逆变角β，则逆变电压减小，但电动势转速因存在机械惯性尚未变化，所以，整流电压仍维持原值，因而直流回路电流Id及转子电流I2相应增大，使电机加速。在加速过程中，S减小，电流Id及整流电压随之减小直至达到新的平衡，电动机仍进入新的稳定状态以较高转速运行。同理，减小β值可以使电动机在较低的转速下运行。这种系统可以实现： (1)串级调速系统能够靠调节逆变角β实现平滑无级调速；
(2)系统能把异步电动机的转差功率馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效的利用，大大提高了调速系统的效率。
图2.2电气串级调速方式原理图
2.2.2机械串级调速
图2.3是机械串级调速原理图。在绕线转子异步电动机同轴上装有一台直流电动机，异步电动机的转差功率经整流后传给直流电动机，后者把部分功率变成机械功率，再帮助异步电动机拖动负载，从而是转差功率得到利用。这里直流电动机的电动势就相当于直流附加电动势，通过调节直流电动机的励磁电流If可以改变其电动势，从而调节交流电动机的转速。增大If可使电动机减速，反正加速。
4