双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

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

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。

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?n01500?1457 (3.1) ??0.0286 7n115000.95U1nSn0.95?380?0.02867定子电阻： r1???0.035?6 (3.2)

3I1n3?167.9U2nSn524?0.02867转子电阻： r2???0.079?6 (3.3)

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??0.688 9 (3.4) U2n524r1?0.075? 2KM9565Pn9565?90电动机额定转矩： Tn???590N?m (3.5)

nn1457折算到转子侧的漏抗：

?380/32?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）?r1???r12??210?MTn?????????2??2逆变变压器二次侧线电压：

11（1?）U2n(1?)?52433 U2T???403.4V (3.7) 0cos?mincos30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?33?I2n??109?143.5A (3.12) 1.731.73即

Tkn?9.565?3?1.73?524?(1.73?0.075??0.1025)?143.5?143.5?800N?M(3.13) ??1500???转矩降低系数

KM?TKn800??1.36 (3.14) Tn590 7

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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

（3.29）

逆变变压器一次侧电流：

IT1?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?nmaxd0dm??0.112?0.521?（3.32）

??U?IR1.73?524?258.3?0.521???1367r/min （3.33）

0.5650.565?0.1025?33符合前面所取的nmax的值。

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3.2.3硅整流元件及晶闸管的选择

（1）整流装置

如图3.1为三相不可控整流电路，该装置的作用是将转子侧的交流电动势转换为直流电压。转子整流器用的硅整流二极管，是在低频率、大电流下工作，所承受的电压与调速范围有关，这就是整流二极管的工作特点。下面，讨论在上述条件下通过计算选择硅整流二极管的方法。

IT(AV)??1.5~2?KIIdm （3.34）

式中 KI?0.368 （三相桥式电路、电感性负载）

IT?AV???1.5~2??0.368?258.3?143~190.11A （3.35）

取 IT(AV)?160A

因为 Um?2UT2n?2?424?600V （3.36）

UT??2~3?Um?1200~1800V （3.37）

故：根据以上计算可以选择整流二极管的型号为：R1800 0.2A/1800V 的6个整流二极管

VT1VT3VT5VT1VT3VT53~负载E+-三相交流电压 （2）逆变装置

VT4VT6VT2

VT4VT6VT2

图 3.1 整流装置原理图 图3.2 三相全控有源逆变电路

如图3.2是三相全控有源逆变电路，提供一个可调的直流电压作为调速所需的附加电动势，同时将电动机产生的转差功率功率经逆变变压器回馈回电网。

IT(AV)??1.5~2?K1Idm （3.38）

式中K1?0.368（三相桥式电路、电感性负载）

IT(AV)?(1.5~2)?0.368?258.3?143~190A （3.39）

取IT(AV)?200A

可以选取型号为KK200A的晶闸管6个

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

3.2.4平波电抗器电感量的计算与选择

在可控硅串级调速系统中，电动机转子整流回路中必须串接平波电抗器，其

主要原因有如下几点：

（1）电流脉动分量在电机转子中造成的附加损耗限制在允许范围内； （2）使电动机在最小工作电流时任能保证电流的连续，避免电流断续对电动机的影响。

（3）限制短路电流的上升率，是快速开关能及时动作，尽可能避免损坏快速熔断器。

串入电感量计算： 电动机的等效电感LD为：

XM0.1025?103?mH?0.33mH （3.40） LM?2?f2?3.14?50逆变变压器的等效电感LD为：

XT0.1068?103?mH?0.34mH (3.41) LT?2?f2?3.14?50

按电流连续要求的电感量

Ld1?KIUT2?2(LM?LT) (3.42) 3Idmin式中 Idmin?5%Idn?7.175A (3.43)

KI?0.693

Ld1?0.693424?2?(0.34?0.33)?22.3mH (3.44)

3?7.175考虑限制电流连续时的电感量Ld2为：

Udm2U)?103T2nU23?2(L?L) (3.45) Ld2?MT2?fdSiIdn(0.82?103424???2(0.33?0.34) (3.46) 2??3003?0.05?143.5 ?10.22mH

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西南石油大学本科毕业设计（论文）

式中：Udm-----最低次谐波电压幅值

fd-----最低次谐波频率，对于三相桥式电路 Si-----电流脉动系数，要求Si?0.05 对于三相桥式电路，

Udm?0.8。 U2选取平波电抗器：当Id?143.5A时的电感量为11mH,Id?7.175A时电感量不小于22mH。

3.3晶闸管保护装置的参数计算

3.3.1过电压保护

（1）交流侧过电压保护

常用的交流测过电压保护措施有阻容保护和非线性电阻保护。阻容保护主要用于吸收操作过电压，非线性电阻保护主要用于抑制浪涌过电压。逆变变压器侧的阻容保护装置如图3.3所示。

图3.3 逆变变压器侧阻容保护装置图

对于单相电路，阻容参数的计算公式为：

C?6IemS （3.47） 2U2电容的耐压?1.5Um

2UshU2R?2.3SIem （3.48）

电阻功率:

2PR?(3~4)IRR （3.49）

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

Ic?2?fcUc?10?6 （3.50）

式中:S—变压器容量(kw),S?80.048kw； U2--变压器二次相电压有效值(V)； IR--通过电阻的电流(A)；

Iem--变压器励磁电流百分数，10~100kV?A的变压器，对应的Iem?10~4,这里取Igm?6；

Ush--变压器的短路比，10~1000kV?A的变压器，对应的Ush?5~10，取

Ush?6；

Um--阻容两端正常工作时的交流电压峰值(V)。 对于三相电路，R和C的数值可按下表3.2进行换算：

表3.2：三相电路R和C值换算表

变压器二次测联结方式 阻容装置联结方式 电 容 电 阻 单相 跨接 C R 三相?联结 三相?联结 ? C R ? C/3 3R ? 3C R/3 ? C R 所以:

1）根据公式（3.47）可知，电动机测的阻容保护RD和CD值为：

18004811S?10.5?F （3.51） CD?C??6Iem2??6?6? 524233U23()3电容耐压 UCD?1.5Um?1.5?2?根据公式（3.48）可知电阻值为：

2U2 RD?3R?3?2.3S524?642V （3.52） 3UshIem?524???63???7.9? （3.53） ?3?2.3??800486

2根据公式（3.49）、（3.50）可知电阻功率：

IC?2?fCdUC?2?3.14?50?10.5?524?10?6?1A （3.54） 3PRD?(3~4)Ic2RD?4?1?7.9?31.6?32w （3.55）

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根据上述计算结果，选择电容11?F，且其耐压达到650V;选择电阻8?，电阻功率为32W。

2）根据公式（3.47）可知逆变变压器侧的阻容保护RT和CT值为：

18004811S?14.8?F （3.56） CT?C??6Iem2 ??6?5? 2333U2?403.4???3??电容耐压 UCT?1.5Um?1.5?2?404 ?49V5 （3.57）

322U2 RT?3R?3?2.3SUshIem?404???53?3?2.3???4.7?（3.58）

800485电阻功率: IC?2?fcUC?2?3.14?50?14.8?404?10?6?1.1A （3.59） 322?(3~4)IRT?4?1.1?4.7?22.8W （3.60） P CC根据上述计算结果，选择电容15?F，且其耐压达到500V;选择电阻5?，功率为23W。

根据以上计算的电容、电阻有效值可根据实际情况作适当的修改。如，在整流电路中有其他过电压保护措施时，选取的电容值可略小于以上的计算值．在通常情况下，增大电容量能降低作用于晶闸管上的过电压和电压上升率，但若电容量太大，不仅电容器体积很大，而且会增加电阻的损耗，便电阻的体积加大，造成整个阻容装置体积过大，电容量增大还会增加晶闸管导通时的电流上升率对晶闸管不利。左通常情况下，增大电阻值有利于抑制振荡；但若电阻值太大，不仅抑制震荡的作用不大，反而会影响电容抑制过电压的效果，并使正常工作时电阻损耗增大，因此，一般希望电阻小一些。 （2）压敏电阻保护

压敏电阻是一种非线性电阻元件，它具有正反向相同且很陡的伏安特性，如图3.5所示：在未击穿时，漏电流很小(微安级)，而放电容量很大，可通过数千安培的冲击电流。它对浪涌电压反应快，而本身体积又也是一种较好的过电压保护元件。压敏电阻保护电路的接法如图3.4所示，由于压敏电阻的正反向特性

对称，因此三相电路用三个压敏电阻，接成三角形。

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

图3.4 压敏电阻保护 图3.5 压敏电阻伏安特性 压敏电阻的参数计算：

1） 标称电压 U1mA：指漏电流为1mA时，压敏电阻上的电压； 2） 流通量： 在规定冲击电流波形下，允许通过的浪涌峰值电流； 3） 残压： 压敏电阻两端正常工作电压有效值。

标称电压： U1mA?1.32U2T?1.3?2?424?450V （3.61）

33流通量： 应大于实际可能产生的浪涌电流值，一般取5 KA以上； 根据以上计算可以得知压敏电阻的型号为MYG-32D511K型号。 (3)直流侧过电压保护措施

直流侧的过电压主要是由感性负载的通断以及电源侧或负载侧侵入的浪涌电压引起的。为了使其达到快速性，采用压敏电阻做过电压保护，其标称电压为：

U1mA?(1.8~2)Ud?(1.8~2)?2.34SmaxU2n?(1.8~2)?2.34?0.7?524?1472~1643V（3.62）

取 U1mA?1500V

根据计算可以选择压敏电阻的型号为MYG-32D911K型号。 其电路图如图所示3.6：

图3.6 直流侧过电压保护 图3.7 晶闸管两端过电压保护 晶闸管两端的过电压保护措施：

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西南石油大学本科毕业设计（论文）

晶闸管在导通期间，其内部充满载流子。换相时，晶闸管因承受反向电压而在关断的过程中，正向电流下降到零时，晶闸管内部仍残存着载流子。这些载流子在反向电压作用下瞬时产生反向电流，使残存载流子迅速消失，晶闸管立即阻断，这时反向电流减小的速度较快，即didt很大。因此即使和晶闸管串联的线路电感L很小，它所产生的感应电动势didt也很大，可达工作电压峰值的几倍，如不予抑制，很可能导致器件反向击穿。

晶闸管关断过电压的常用抑制措施是在它的两端并联阻容吸收装置。阻容的参数较难计算，一股可按下表所述经验公式选取。

表3.3：关断过电压阻容保护的经验数据

晶闸管额定电流(A) 电 容C（?F） 电 阻R（?） 10 0.1 100 20 0.15 80 50 0.2 40 100 0.25 20 200 0.5 10 500 1 5 1000 2 2 根据上面计算可以选择：IT(AV)?200A，根据表3.3 则：

C?0.5?F R?10?

电容耐压一般为加在晶闸管两端工作电压的峰值Um的1.1~1.5倍。 即： Um?1.22?U2T424?1.22??300V （3.64） 33电容耐压为 U?(1.1~1.5)?300?330~450V （3.65）

262?6电阻功率为: PR?fCUm?10?50?0.5?300?10?2.25W （3.66）

式中：f——电源频率（Hz）； C ——与电阻串联的电容值(?F)；

Um——晶闸管工作电压峰值(V)。

3.3.2过电流保护

晶闸管电路发生过电流的主要原因是：过载、直流侧短路、晶闸管击穿短路、可逆系统逆变失败或误触发等。主要有采用快速熔断器保护。

快速熔断器保护的特点：当直流侧短路或晶闸管击穿短路以及可逆系统逆变失败时，流过晶闸管的过电流可达其额定电流的10倍以上，此时必须在电漏电压的半个周期内消除过电流。在这种情况下，采用快速熔断器进行保护。快速熔断器的断流时间在10ms以内，它是晶闸管电路中使用最普遍的过电流保护装置。快速熔断器可以装设在交流侧、直流侧，或与晶闸管直接串联。装设在交流侧对

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

器件短路和直流侧短路都起保护作用，但因正常时流过快速容断器的电流大于流过晶闸管的电流，故应选用额定电流较大的快速熔断器，这样在过电流时对晶闸管的保护作用就减弱了，装设在直流侧只对负载短路或过载起保护作用，对器件短路不起保护作用；与晶闸管直接串联，则因流过它们的电流相同，所以对晶闸管的保护作用最好。因此选择图3.8的连接方式：

135ABC462 图3.8 过电流保护

快速熔断器选择应注意：

（1）快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 （2）快速熔断器(或熔体)的额定电流IF应按下式选取，即：

1.57IT(AV)?IF?IT

1.57IT(AV)?IF?IT

IT?2Id?1.414?258.3?365.3A为正常运行时晶闸管通过的电流有效值

故：选择快速熔断器的型号为KSP1-400，额定电压为690V。

3.3.3电流上升率的限制

晶闸管从阻断到导通时，如电流上升率太大，虽然电流值未超过器件的额定通态平均电流，由于晶闸管内部电流还来不及扩大到PN结的全部面积，可能在门极附近的PN结发生过热而损坏．因此，作用于晶闸管的正向电流上升率di/dt，应小于晶闸管的通态电流临界上升率di/dt。di/dt过大一般是由换相电流和阻容保护装置中电容的充放电电流产生的。限制di/dt的措施如下：

（1） 交流侧和直流侧可采用阻容式保护电路，使电容放电电流不流经晶闸管。 （2） 在每个桥臂上与晶闸管串联一个电抗器。电抗器可以是空心电抗器、铁心电抗器或若干个磁性圆环。采用空心电抗器时，其电感通常20~30?H，采用铁心电抗器时，其电感值可再大一些。这里采用空心电抗器取值为30?H。

其电路图为下图3.9所示：

1 7

西南石油大学本科毕业设计（论文）

LL

图3.9 电压和电流上升率保护电路

3.3.4电压上升率的限制

加到晶闸管两端的正电压上升率过大时，会使晶闸管误导通。因此应对du/dt进行限制，使其小于晶闸管的断态电压临界上升率du/dt。产生过大的原因有如下两个方面：

（1）交流侧产生的du/dt

由电网侵入的过电压和电源合闸都是造成du/dt过大的原因。对于带有整流变压器和交流侧阻容保护晶闸管装置，由于变压器的漏感和阻容保护电路的作用，使作用于晶闸管的正向电压上升率du/dt不会过大。在无整流变压器的情况下，应在电源进线端串联进线电抗器，以限制作用于晶闸管的du/dt。 （2）晶闸管换相对产生的du/dt

晶闸管整流电路在换相重叠角期间，两相晶闸管同时导通，相当于线电压短路，使电源电压出现缺口，产生很大的du/dt。

防止du/dt造成误导通的方法是在每个桥臂上串接一个电抗器L。利用R、C、L串联电路的滤波特性，使晶闸管上的电压缺口变平，从而把du/dt降低到晶闸管的断态电压临界上升率du/dt以下。

3.4逆变触发器的设计

3.4.1 KJ004和KJ041的引脚图

（1）KJ041触发器

KJ041芯片，又称为六路双脉冲形成器。将它和三个KJ004连接到一起就可以达到六路双脉冲触发电路，这样三相桥式全控整流电路的各个晶闸管就可以按条件稳定的进行触发，使电路可以正常的运行。KJ041芯片是三相全控桥式触发

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

线路中经常使用的芯片，具有取脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成功能 。它可以同时发出六路脉冲触发。 其管脚图如下： 16 15 14 13 12 1110 9KJ00412345 6 78 图3.10 KJ041的管脚排列

这种集成触发电路主要用于单相、三相全控桥变流装置，用作双路(相位差180度)脉冲移相触发，具有输出负载能力大、移相性能好且范围宽、对同步电压要求低等特点。 （2）KJ004芯片

KJ004芯片，又叫做晶闸管移相触发集成电路。它是双列式直插式集成电路，由于它可以输出两路相位互差180°的移相脉冲，正负半周脉冲相位比较均衡，并且输出负载能力大，移相性能好，，而且它对同步电压要求低，目前广泛应用于单相、三相全控桥式晶闸管的双脉冲触发。

它的管脚图如下，为16脚芯片。

16 15 14 13 12 1110 9KJ00412345 6 78

图3.11 KJ004的管脚排列

3.4.2 同步变压器的设计

同步变压器，为触发脉冲信号提供电压幅值Us。在KJ004芯片中，表中列出引脚8的作用为同步电源信号输入端，使用时要接同步变压器的二次侧，KJ004芯片所接的电压要求为30V，所以我们可求得同步变压器匝数比K的计算公式如下：

K?U1?7.33 （3.67） U2同步变压器的电路图如下所示： 1 9

西南石油大学本科毕业设计（论文）

图3.12 同步变压器电路图 3.4.3 控制及偏移电源

电路如图3.13所示：

图3.13 偏移控制电源电路图

控制电源，包括给定电压，负偏移电压。而给定电压和负偏移电压可以由给定电源来产生。上面电路图3.13中的+Uco就是给定电压，由固态三端稳压器7815产生。而—Up就被称作负偏移电压，由固态三端稳压器7915产生。BR1和BR2桥式电路起整流的作用。C5为整流前滤波，C7为整流后滤波。这个电路成对称结构。

3.4.4三相桥式逆变电路的触发电路

触发电路结构图（见附录1）。该电路模块输出的为6路双脉冲，双脉冲电路

比较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可以少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联适用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。

3.5电动机的保护

3.5.1短路保护

电动机短路时，短路电流很大，热继电器还来不及动作，电动机可能已损坏。因此，短路保护由熔断器来完成。熔断器直接受热而熔断。在发生短路故障时，熔断器在很短时间内就熔断，起到短路保护作用。由于存在热惯性，当发生短路事故时，热继电器不能立即断开，因此它不能用作短路保护。正是由于热继电器的热惯性，才使得它在电动机起动或短时过载时不会动作，从而避免了电动机的不必要的停车。

一般选用熔断器保护时，其熔丝的熔断电流按电动机额定电流的1.5～2.5倍选择，这里是绕线异步电动机，因此在这的电流熔断倍数选2，计算熔断电流为：Ir?2IN?2?168A?336A。选择额定电流为355A、额定电压为3.5kv的熔断器，其型号XRNM1-3.5/350A

3.5.2过载保护

过载是指电动机在大于其额定电流的情况下运行，但过载电流超过额定电流的倍数要小些。通常在额定电流的1.5倍以内。引起电动机过载的原因很多，如负载的突然增加，缺相运行以及电网电压降低等。若电动机长期过载运行，其绕组的温升将超过允许值而使绝缘材料变脆、老化、寿命缩短，严重时会使电动机损坏。 过载保护装置要求具有反时限特性，且不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以通常用热继电器作过载保护。当有6倍以上额定电流通过热继电器时，需经5秒后才动作，这样在热继电器未动作前，可能使热继电器的发热元件先烧坏，所以在使用热继电器作过载保护时，还必须装有熔断器或抵压断路器的短路保护装置。由于过载保护特性与过电流保护不同，故不能用过电流保护方法来进行过载保护。这里我们选用一个热继电器进行保护，其额定电流为IP?1.5IN?252A，选择型号为TK-N12S-C的热继电器。

2 1

西南石油大学本科毕业设计（论文）

3.5.3瞬时停电保护

当发生电压瞬时增大幅度降低时，串级调速装置不能正常运行，其原因是： （1）晶闸管逆变侧失电，元件换流失败；

（2）因失电导致继电器和接触器等释放，一次侧回路的断路器跳闸； （3）电压恢复时，电动机转子侧产生过电压。

为了防止串级调速装置发生故障，需要采取瞬时停电保护，主要措施有：

（1）在电压瞬时降低时，借助电压降低检测电路，使逆变角减至最小，并 设法强迫关断逆变器中晶闸管。电流过零后，封锁触发脉冲。

（2）用电容器维持控制电源，使控制单元延时失电，防止继电器、接触器释放； （3）电压恢复时，用过压吸收回路吸收电动机转子侧产生的过电压。

22

双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

4本系统控制回路的设计

4.1双闭环串级调速系统的组成和工作原理

图4.1是双闭环控制的串级调速系统图，该串级调速系统是具有电流内环和

速度外环的双闭环控制的系统。途中速度调节器ASR、电流调节器ACR均采用PI调节器。电流反馈信号Ufi从电流互感器TA取出，速度反馈信号Ufn取自测速发电机TG。为防止逆变器逆变颠覆，当电流调节器的输出电压UK为零时，应整定触发脉冲初始相位角，使???min?300。随着电流调节器的输出增加，?角向

900方向变化。速度调节器用来控制电动机的转速，电流调节器用以控制直流回

路电流，由于他们只控制一个物理量，所以被控制的参数很容易调整。这两个调节器互相联系，互相制约，使系统对于给定的电流、速度都是无静差的。利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用，使系统在升速过程中实现恒流升速，具有较好的加速特性。在电网电压波动时，电流环及时调整转子电流，以保持所需要的电磁转矩。当电磁转矩变化是，速度环还有良好的抗干扰稳速性能。由于此同步晶闸管串级调速不能产生电气制动转矩，故减速过程只能靠负载转矩自由降速，与晶闸管不可逆直流调速系统相似。

~ RPM3~ T1TG UR UI Ufn Rn' Cn Rn C0n Ui* R0/2 R0/2 R0/2 R0/2 ASR LD R1' Ri C0i R0/2 R0/20/2 R0/2 R C0i Ufi Ci GTP TA~ BC

图4.1 双闭环调速系统组成图

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西南石油大学本科毕业设计（论文）

Un(s)+1Tons?1_UfnUi(s)ASR1+Tois?1_Uc(s)ACRUfiE(s)_+ks1/RTss?1Tls?1Ud0(s)Id+_RTms1CeIdl(s)?Tois?1?Tons?1

图4.2 双闭环控制的动态结构框图

4.2双闭环系统静态参数计算

双闭环调速系统的组成图如图4.1所示，动态结构图如图4.2所示，取速度给定电压U?n?10V。

速度反馈系数：

Kfn?Ugn10?1??0.01V??r/min? （4.1）

nmax?nmin1457?456 取电流给定电压 ： Ui?10V

Ui*10电流反馈系数： Kfi???0.039V/A （4.2）

Idm258.3取电流调节器输出电压最大值：UKm?5V 晶闸管放大倍数：

UT2ncos?min424?cos300KV???73.4?74 （4.3）

UKm5晶闸管逆变器的滞后时间常数：TV?0.0017s?1.7ms 低速时静差率要求的速度降：

?n?Sn?nmin?0.01?456?4.56r/min （4.4）

由于采用了抑制零点漂移的PI调节器，故稳态时的速度降必须满足

KfiIdn??n，则： K'nKfnK'n?KfiIdn0.039?143.5??123 （4.5）

Kfn??n0.01?4.56 因为 Rn?K'nR0 （4.6）

24

双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

取 R0?10K? R'n?123?10?123K0? 若取 K'n?125 R'n?125K0?

电流环： K'i?K'n?125 R'i?125K0?

?n?KfiIdn0.039?143.5??4.5r/min （4.7） K'nKfn125?0.01静差率： Sn??nn4.5??0.00987?0.01 nmin456 由前述分析可知，KLn与TLn均为转差率S的函数，故电流环为非定常系数，但当S?Smax时的KLn与TLn值可按定常系统设计，保证系统具有良好的性能。

4.3双闭环系统动态参数计算

4.3.1电流调节器的参数计算

由R?公式中，将S?Smax带入可以推得

KLn?1mm??XM?Smax?1.73r2?rT?rd?XT?1.73r'1?2?2????2.77 （4.9）

TLn?I?KLn??10?2?(0.33?0.34)??2.77?31.4ms （4.10）

由于电流环超调量小，故电流环按典型I型系统设计。取：

C0i?1?F 则：T0i?R0C0i10??2.5ms （4.11） 44T?i?T0i?TV?2.5?1.7?4.2ms （4.12）

令：?i?TLn?31.4ms

Ki?L?22.3??0.92 （4.13）

2KVKfiT?i2?74?0.039?4.2Ri?KiR0?9.2K? （4.14）

Ci? Coi??iRi?3.42?F （4.15）

4Toi?0.1?F （4.16） R02 5

西南石油大学本科毕业设计（论文）

图4.3 ACR调节器图 图4.4 ASR调节器

4.3.2速度调节器的参数计算

由于系统要求抗扰性能及跟随性好，转速环按典型Ⅱ型系统设计，且取

h?5。取T0n?2T0i?10ms，

Con?4Ton?2?F （4.17） Ro T??Ton?2T?i?13.4ms （4.18）

?n?hT?i?67ms （4.19）

h?1h?11转速环截止频率： ?c??1???45s?1 （4.20）

22? 又因为

11?168s?1 ?119s?1 ，

2T?i2T?i11及的条件，故电流环可等效为惯性环节，则 2T?i2T?i满足?c?KN?h?15??668s?2 （4.21） 2222h2T?n2?5?0.0134若按 KN?1?2?2KN?670s。 ?670s，两种结果计算基本一致，取

8.3T22n本系统拖动电机转动惯量为J?1.5Kg?m2，即：

GD2?4?9.81J?4?9.81?1.5?58.86N?m2 （4.22）

系统飞轮矩按电动机飞轮矩的1.5倍考虑，即：

GD?2?1.5GD2?88.29N?m2 （4.23）

电动机的转矩在工作电流附近经线性化处理后得到的转矩系数为：

CM??9.565?3???Ud0?2?1.73r'1?XM?Idm?n1???????9.565?3?? 1.73?524?21.73?0.075??0.1025?258.3?5.04N?m/A（4.24）????1500?????26

双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

GD288.29电动机积分时间常数： TJ???0.047m?A （4.25）

375CM375?5.04KNTJ?nKfi670?0.047?67?0.039?10?3Kn???8.23 （4.26）

Kfn0.01Rn?KnR0?82.3K? （4.27）

Cn??n?0.82?F （4.28）

Rn?4TonR?4?10?10?3Con?4?F o10?103 2 7

4.29） （ 西南石油大学本科毕业设计（论文）

5本系统起动方式的设计

5.1串级调速系统起动方式的确定

串级调速启动方式有三种。

3~M3~3~M3~3~M3~KM1RKM2

(a) (b) (c)

图5.1 串级调速的各种启动方式

（a）串调装置的直接启动；（b）并联加起动设备的切换起动方式；

（c）串联起动电阻器起动方式

(1)利用串调装置直接启动方式

如上图a示，它不用任何附加起动设备，而是由串级调速装置控制直接起动电动机。这种调速方式适用于串级调速系统的调速范围很大．几乎要求能从零开始调速或者生产机械对起(制)动的加(减)速度有一定要求的场合。

对于调速范围较小的系统，若选用直接起动方式，是不经济的。另外，对于一个按实际调速范围设计的调速范围较小的串级调速系统，若采用直接起动，则在主回路中会造成较大的冲击电流，且往往超过允许限度。因此，对于调速范围较小且对起(制)动加(减)速度无特殊要求的串级调速系统，宜采用以下两种起动方式。

(2)并联加起动设备的切换起动方式

如上图b示，电动机先用接触器KM1接入附加起动电阻器(或频敏变阻器)起动加速(此时KM2是断开的)，当加速到串级调速系统设计的调速范围最低速

nmin时，接通KM2，这时逆变控制角?应为最小值?min，即对应于最高逆变电

压U?max。然后断开KM1，逐渐增大?，电动机继续加速，直到所需要的转速．

这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转于回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。这种

28

双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

方式还有一优点，即一旦串级调连装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行。 (3)串联起动电阻器起动方式

如图(c)所示，在起动过程中把限流的起动电阻逐渐短接，这种接线方式虽然逆变变压器的二次侧电压只得按调速范围的大小来选择．但是转子囚路主要设备元件选用的耐压等级仍需按从零开始调速的条件来设计，为克服这一缺点可采用图5.2的接线方式。起动时先将KM3接通，当电动机加速到串调装置设计的调速范围员低速时，断开KM3，串调装置自动投入运行。

3~M3~R KM1

图5.2 串联启动方式由5.1图（c）得到改良图

5.2本系统起动方式的选择

大部分采用串级调速的设备是不需要从零速到额定转速作全范围调速的，特别对于调速范围不大的系统，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。为了使串级调速装置不受过电压损坏，需采用间接启动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器启动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，再把串级调速装置投入运行。图5.2是串级调速间接启动控制原理图。

启动操作顺序为：先合上装置电源总开关S，使逆变器在βmin下等待工作。然后依次接通接触器K1，接入启动电阻R，再接通K0，把电动机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻方式启动，待启动到所设计的最小转速是接通K2，使电动机接到串级调速装置，然后断开K1，切断启动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。不允许在未达到设计最低转速

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西南石油大学本科毕业设计（论文）

以前吧电动机转子回路接到串级调速装置，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏器件，所以转速检测和启动时间必须计算准确。停车时，由于没有制动作用，应先接通K1然后断开K2，使电动机转子回路与串级调速庄子脱离，再断开K0，以防止当K0断开是在转子侧感生断闸高压而损坏整流器与逆变器。

图5.3串级调速系统间接启动控制原理图 如果生产机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动机在串电阻方式下启动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要求调节到所需的转速运行。

根据以上分析，设计出整体系统电路图。（见附图） 30 双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

6系统仿真

6.1仿真软件的简介

系统仿真和调试在设计电路时,要对所设计的电路的性能进行预计、判断和校验。过去常用数学和物理这两种方法,它们对设计规模较小的一般电路是可行的。随着大规模集成电路的迅速发展,电路品种日新月异,规模越来越大,同时对电路的可靠性、性价比也越来越高,原来的方法已完全不能适应电路的要求。控制系统的计算机法仿真是一门涉及到控制理论、计算机技术的综合性新兴学科。它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为工具，对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型代替实际系统进行实验和研究，而计算机仿真能够为各种试验提供方便、灵活可靠的数学模型。目前应用的比较多的是MATLAB ,它包含了强大的仿真器和仿真库。使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱，从元件库中选取所需的元件,连接好原理图,加上激励源,然后单击仿真按钮即可自动开始,可以同时观察复杂的模拟信号和数字信号波形,以及得到电路性能的全部波形。本毕业设计的仿真用的就是MATLAB软件。

6.2具体的软件仿真设计

6.2.1 主电路的仿真设计

主电路由三相对称交流电压源、二极管转子整流器、晶闸管逆变器、电抗器、逆变变压器、绕线式交流异步电动机、电动机信号分配器等部分组成，组成图（见附录3）.

对三相对称交流电压源的设置，打开参数设置对话框，设置的主要参数有交流峰值电压、相位和频率。三相电源的相位互差120°角。设置交流峰值电压为220V，频率为50Hz。

在“PowerSystem”工具箱中有一个电动机模块库，他包含了直流电动机、异步电动机、同步电动机级其他各种电动机模块。其中，模块库中有两个异步电动机模型，一个是标幺值单位制（PU unit）下的异步电动机模型，另一个是国际单位制（SI unit）下的异步电动机模型，本设计采用后者。

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西南石油大学本科毕业设计（论文）

描述异步电动机模块性能的状态方程包括电气和机械两个部分，电气部分有5个状态方程，机械部分有2个状态方程。该模块有4个输入端子，4个输出端子。模块的前3个输入端子（A、B、C）为电动机的定子电压输入，第四个输入端一般接负载，为加到电动机轴上的机械负载，该端子可直接接SIMULINK信号。模块的前3个输出端子（a、b、c）为转子电压输出，一般短接在一起，活连接其他附加电路，当异步电动机为鼠笼式电动机时，电动机模块将不显示输出端子（a，b，c）。第4个输出端为m端子。

异步电动机的参数设置可以通过电动机模块的参数对话框来输入，有关的参数设置如下：

绕线类型（Rotor type）列表框：分绕线式（Wound）和鼠笼式（Squirrelcage）两种，此处选择前者。

参考坐标系（Reference frame）列表框：有静止坐标系（Stationary）、转子坐标系（Rotor）和同步旋转坐标系（Synchronous），此处窜同步旋转坐标系。

额定参数：额定功率Pn（单位为Kw），线电压Vn（单位为V），频率f（单位为Hz）；

定子电阻Rs（Stator）（单位为Ω）和漏感（Lls）（单位为H）； 转子电阻Rr（Rotor）（单位为Ω）和漏感（Lls）（单位为H）； 互感（Mutual inductance）Lm（单位为H）； 转动惯量（Inertia）J（单位为Kg.㎡），极对数P。 构建串级调速主电路图如图6.1（见附录2）所示。

对串级调速系统中的元件模块的参数设置完以后，将整个串级调速系统的主电路图全部选定然后右击鼠标，在出现的菜单栏中选择并点击Create Subsystem选项，从而对串级调速系统主电路图进行了封装，得到主电路子系统Subsystem1，如图6.2所示。

图6.2 主电路子系统图

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

6.2.2 控制电路的建模和参数设置

建立双闭环控制系统仿真模型，通过对主电路和控制电路的模块设计以及每个模块的参数进行设置，最终得到了双闭环串级调速系统的仿真图（见附录3）.

6.2.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析

仿真所选择的算法为ode23tb；仿真“Start time”设置为0，“Stop time”设置为5。

画好双闭环三相异步电机串级调速系统的仿真图后，选择好算法，并运行软件，通过示波器来观察输出波形。当发现波形与理论值相差太远时，要对模块的参数重新设置，并不断的调试，最终得到仿真图，如图6.3所示。

图6.3 仿真结果

从仿真结果可以看出，在稳态时，仿真系统的实际速度对给定速度的跟踪性能不太理想；在过渡过程时，仿真系统实际速度对阶跃信号的跟踪有一定的偏差。

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西南石油大学本科毕业设计（论文）

7结论

本次设计我主要包括串级调速主电路，双闭环控制系统，触发控制器，保护电路的选择和相关参数的计算，最终设计出整体电路图。设计中完成了系统结构图和系统结构框图，启动、检测与保护电路原理图，调速系统静态、动态参数的计算系统主回路图和完整的电气系统原理图。最后通过MATLAB的建模与仿真发现在稳态时，仿真系统的实际速度对给定速度的跟踪性能不太理想；在过渡过程时，仿真系统实际速度对阶跃信号的跟踪有一定的偏差。

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

谢辞

在毕业论文完成之际，四年的大学生涯也即将落下帷幕，短暂的大学生活将在我的脑海里留下永恒的记忆。在短短的两个多月里，过去四年囫囵吞枣般地学习在此时有了更进一步的消化和吸收。在这里，我特别向方玮老师致以最诚挚的谢意。方老师广阔的思路、严谨的治学态度、孜孜不倦的教导让我顺利的走到现在，顺利走向人生的下一个站口。此外，在整个过程中专业的很多同学提供了许多帮助和意见，在此表示衷心的感谢。

最后，感谢所有关心、支持、帮助我的人，衷心祝愿他们身体健康、生活快乐！

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西南石油大学本科毕业设计（论文）

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双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计

附录1 触发电路图

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附录2 串级调速主电路MATLAB仿真模型

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附录3 双闭环串级调速系统MATLAB仿真模型

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