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1、 皖 西 学 院课程设计任务书系 别：机电学院专 业：10电气课程设计题目：双闭环串级交流调速控制系统设计学 生 姓 名：张诚学 号：2010010694起 迄 日 期: 6 月 17日 6 月28日课程设计地点:电机与拖动控制实验室指 导 教 师: 刘世林下达任务书日期: 6 月17日 摘 要本设计介绍了交流调速系统的基本概况及其研究意义，同时提出了本设计所要研究解决的问题，接着对系统各部分所需元器件进行比较选择并进行总体设计，最后采用工程设计方法对双闭环交流调速系统进行辅助设计，进行参数计算和近似校验。在调节器选择方面，本设计选择的PI调节器，使得线路大为简化，且性能优良、调试方便、运行可
2、靠、成本降低。触发电路则采用一种新型高性能集成移相触发器（MC787）设计的触发电路，它克服了分立元件缺点，抗干扰性优良，具有输入阻抗高、移相范围宽、装调简便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果较好。目 录1 绪论31.1 研究交流调速系统的意义31.2本设计所做的主要工作32 交流调速系统32.1 交流电机常用的调速方案及其性能比较32.2 三相交流调压调速的工作原理42.3 双闭环控制的交流调速系统5 2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成6 2.3.2 稳态结构图和静特性.63 电路参数计算93.1 系统主电路的参数计算.93.2 根据系统方块图进行动态计算9
3、3.3 调节器的设计参数计算.113.3.1 电流调节器的参数计算.123.3.2 转速调节器的参数计算.144 控制系统硬件电路设计.164.1 调节器的选择和调整164.2触发电路的设计164.3串级调速系统设计18 4. 4双闭环系统设计 . .19 5 仿真. .216设计体会221 绪论1.1 研究交流调速系统的意义 随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳
4、速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速系统具有下面几个主要优点：1、交流电动机特别是鼠笼异步电动机的价格远低于直流电动机。2、交流电动机不易出现故障，维修非常简单。3、交流电动机的使用场合没有限制。4、交流电动机的单机容量可远大于直流电动机。1.2 本设计中我们所做的主要工作通过本次课程设计，让学生巩固所学的电力拖动自动控制系统的相关内容，加深对控制理论在电力拖动调速系统中应用的理解，并学会将
5、所学的知识应用到实际中，达到在应用中掌握知识的目的。2 交流调速系统2.1 交流电机常用的调速方案及其性能比较由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下： (2-1)式中电动机定子绕阻的磁极对数；电动机定子电压供电频率；s电动机的转差率。从式（2-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。1.改变电动机的磁极对数由异步电动机的同步转速 (2-2)可知，在供电电源频率不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数，即可改变异步电动机的同步转速，从而达到调速的目的。2.变频调速从式（2-1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数一定，转差率s定时，改变定子绕组的供
6、电频率可以达到调速目的，电动机转速基本上与电源的频率成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。3.变转差率调速在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。2.2 三相交流调压调速的工作原理异步电动机的调压调速是指改变定子电
7、压调速。如图2.1画出了定子电压为、 ()时的机械特性。其特点是：1) 变定子电压时，不变，也不变。2) 最大转矩及启动转矩与定子电压的平方成正比。因此当定子电压降低时，和减小很小。3) 定子电压越低，机械特性直线段的斜率越大，即特性越软。图2-1画出了恒转矩负载特性和通风机特性。对于恒转矩特性，电动机只能在机械特性直线段(段和0)稳定运行。在不同电压下的稳定工作点分别为a、b、c。对于通风机负载，电动机在机械特性的全段范围（即转速0段或转差率01段）都能稳定运行。在不同电压下的稳定工作点分别是a、b、c。由图可见，当定子电压降低时，稳定运行时的转速将降低（,）,从而实现了转速的调节。TLab
8、cU”1cabnmsSmTemaxU1U1U1”通风机负载特性图2-1 异步电动机不同电压下的机械特性2.3 双闭环控制的交流调速系统2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联结，这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从结构上来看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，要注意的是，考虑到运算放大器的输
9、出是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。2.3.2稳态结构图和静特性对于静特性来说，有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳定时，它们的输入偏差电压都是零。因此 （2-3） （2-4）由式2-2第一个关系式可得 （2-5）由上面的式子得到静特性图2-3的段。与此同时，由于 ASR不饱和，从上述第二个关系式可知：。这是说 段静特性从（理想空载状态）一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。（2）转速调节器饱和这时
10、，ASR输出达到限幅值，转速外环成开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 （2-6）式中，最大电流是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是图2-3中的A-B段。这样的下垂特性只适合于的情况。因为如果，则，ASR将退出饱和状态。图2-2 双闭环调速系统稳态结构图双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环
11、的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大、特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图2-3中虚线所示。图2-3 双闭环系统的稳态特性4.各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 （2-7） （2-8） （2-9）上述关系表明，在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总
12、是正比于其输入量，而 PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。3 电路参数计算3.1 系统主电路的参数计算已知系统控制电机(绕线式转子三相异步电动机)的参数为：,cos=0.87,E2N=340V，I2N=81A，/Y联结,m=3，J=2.367kg.m2。Y接晶闸管未导通时，均承受本相相电压，导通时电流为，流过晶闸管最大电流时，对应波形为全波，根据有效值I公式为： (3-1)负载平均电流，所对应的电流有效值应小于额定电流所对应的有效值电流，即,这里取1A。可选取KP1系列型号普通晶闸管作为
13、主电路反并联调压器电路的导通管，其参数如下：通态平均电流 额定结温 门极触发电流/电压 门极不触发电流/电压 1A 100 3mA30mA / 2.5V 0.4mA/0.3V 3.2 根据系统方块图进行动态计算图3-1中为三相异步电动机的近似传函，这里为电动机的传递函数，为机电时间常数，它可以通过实验或者铭牌数据求取。Un*UUi*U1Uct WASR(S) WACR(S) WGT-V(S) WMA(S) WFBS(S)n(S)Un（S）图3-1 调速系统结构框图晶闸管交流调压器和触发装置GT-V中可近似成一阶惯性环节，正如晶闸管触发与整流装置一样。传递函数可写成 （3-2）式中 为可控硅的传递函数； 为可控硅的时滞或惯性环节的时间常数。反馈环节FBS考虑到反馈滤波的作用，其传递函数为 （3-3）因此，调节对象的总传递函数为 （3-4）式中为调节对象总传递函数； 为时间常数。输入段加滤波器：用PI调节器： （3-5）调节器电路图如图3-2所示。-+R3R2R1C1R5图3-2 PI调节器3.3 调节器的设计参数计算（1）根据以上推导的异步电动机传递函数，首先计算它的参数电动机
