中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）
目 录
一、概述.................................................... 1
（一）交流电动机的发展概况............................. 1 （二）串级调速的优缺点................................. 2 （三）与变频调速方式的比较与应用....................... 2 二、双闭环控制的串级调速系统设计............................3
（一）双闭环控制串级调速系统的组成..................... 3 （二）串级调速系统的动态数学模型....................... 4 （三）调节器参数的设计................................. 6 （四）串级调速系统的启动方式........................... 7 （五）异步电动机串级调速时的机械特性................... 8 （六）异步电动机串级调速时的转子整流电路............... 9 三、串级调速系统主回路主要参数计算与选择 ................... 12
（一）串级调速系统主回路主要参数计算与选择............. 12 （二）转子整流器的参数计算与元件选择................... 12 四、电流环和转速环设计 ..................................... 21
（一）电流环的设计..................................... 21 （二）转速环的设计..................................... 23 五、交流串级调速系统的仿真................................. 25
（一）MATLAB简要介绍................................... 25 （二）晶闸管串级调速系统的建模与仿真................... 26 1、系统的建模和参数设置............................. 26 2、系统的仿真参数设置............................... 28 3、系统的仿真，仿真结果的输出及结果分析............. 28
六、结束语................................................. 30 致谢 ....................................................... 31 参考文献 ................................................... 32
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一、概述
（一）交流电动机调速的发展概况
纵观电力传动的发展过程，交直流两种传动方式共存于各个生产领域之中。在电力电子技术发展之前，直流电动机几乎占垄断地位。对于直流电动机只要改变电动机的电压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。随着工业技术的不断发展，它们相互竞争、相互促进。
交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机与直流电动机相比具有一些突出的优点：制造成本低；重量轻；惯性小；可靠性和运行效率高；维修工作量小；能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行。这些与现代调速系统要求的可靠性、可用性、可维修性相一致。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80%以上；但同时交流电动机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。而随着电力电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能的电力电子器件产品的出现，为交流调速系统的发展创造了有利条件。特别是70年代初出现的矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上相继出现的磁通反馈矢量控制、转差型矢量控制、直接转矩控制等实用系统，大大推进了交流传运控制技术的发展。这些新型的交流传动控制技术与高性能的变频器相结合，就有可能使利用交流电动机构成的交流伺服系统在性能上与高精度的直流伺服系统相匹配。特别是在一些大容量、高转速或特殊环境下应用的场合，交流调速系统已显示出无比的优越性，电气传动交流化的时代随之而来。
根据异步电动机的转速公式：
n=60?1（1-s）∕P
P: 电机极对数 ?1 :供电电源频率 s :电机转差率
因此，异步电动机有三种基本的调速方式，即改变极对数、改变转差率和改变供电电源频率。
由于绕线式异步电动机串级调速具有结构简单，高效节能等优点，在工业中得到了较广泛的应用。串级调速的控制方法多采用电动机电流和转速的双闭环PI控制。其结
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构与直流电动机双闭环系统类似。但是，交流电动机中的电磁关系远比直流电动机中的电磁关系复杂。而且，串级调速系统中的绕线式大道理转子需接入整流器等非线性元件，使其内部的电磁关系更为复杂。因此，这种双闭环串级调速系统的参数计算，调试比较
困难，在设计中往往采用近似法，式凑法，反复调试才能得到较好的结果。
（二）、串级调速的优缺点
串级调速的优点主要是：1调速范围较大，但是过载能力随转速降低而减小，限制了调速范围的扩大；另外因转速越低，转差功率越大，所需整流器、逆变装置的容量也越大，这也成了限制调速范围扩大的一个因素。对于鼓风机类负载，负载转矩随转速降低而减小，能够用较小容量的整流器、逆变装置获得较大的调速范围。2调速的平滑性好，晶闸管调速电路很容易通过对导通角的平滑调节改变转速。3调节的稳定性好，因为串级调速时的机械特性的直线部分的硬度较大，甚至较固有机械特性大。4调速的经济性好，由前面内容可知，串级调速回收了大部分转差功率，保证了电动机的效率，减小了电能的浪费。另外，由于整流逆变电路只需要对转差功率进行调节，因此其容量要求低，可以明显节省调速电路成本。
串级调速的缺点：1逆变变压器本身体积较大，成本偏高；在向电网馈送有功功率的同时还要从电网吸取无功功率(建立内部磁场)，造成整个调速系统功率因数偏低，如高速满载运行时，其功率因数只有0.6，这是不能达到《全国供用电规则》相关规定的。2逆变装置将直流逆变成交流时，将附带产生较多谐波分量，会对电网造成污染。3串级调速只能用于绕线式异步电动机。
（三）与变频调速方式的比较及应用
变频调速是交流电机调速中最优越的调速方式，调速性能好，具有恒转矩调速特性，适合各种类型交流电动机。但由于其控制功率是被控电机的视在功率，受电力半导体器件耐压水平的限制，高压变频调速装置非常昂贵，性能价格比随 电动机电压升高和容量增大而明显下降，甚至需要节电l0余年才可回收设备投资。因此只适合工艺上要求高性能调速的场合，如轧钢等，不适合以节电为主要目的调速运行。内反馈串级调速与变频调速同属高效调速方式，但其通过电动机转子绕组将高压问题转化成低压问题来处理，所以控制功率仅为被控电机容量的50％，解决了目前电力半导体器件的耐压问题，是高压恒速电机改成调速电机的最佳方案。采用这种调速方案可以用比变频调速低得多的成本获得非常好的节电效果。
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二、 双闭环控制的串级调速系统设计
由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。
（一） 双闭环控制串级调速系统的组成
图2.1双闭环控制的串级调速系统
图2.1所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为β-β min。图2.1所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。
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图2.2串级调速系统原理图（a）主电路（b）等效电路
（二） 串级调速系统的动态数学模型
在图2.1所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构框图均与直流调速系统中相同。在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。
1 转子直流回路的传递函数
根据图2.2的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路的动态 电压平衡方程式：
（2.1）
式中：
Ud0:当s=1时转子整流器输出的空载电压,
(2.2)
Ui0:逆变器直流侧的空载电压,
L:转子直流回路总电感,
(2.3)
(2.4)
LD: 折算到转子侧的异步电动机每相漏感,
(2.5)
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