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1、串级调速系统1主电路方案的确定全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要 求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速，电流双闭环调速系统。对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大， 从而限制了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控 制，此时可以采用绕线转子异步电动机。常见的绕线转子异步电动机用转子回路串电阻 调速，这种调速方法简单、操作方便且价格便宜，但在电阻上将消耗大量的能量，效率 低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑 调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性
2、能较好的绕线转子异步电动机转 差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转 差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率 加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无 级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度 小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。2系统静态及动态要求若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件 下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，
3、突加负 载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要 来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门 用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲 击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也 随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分 利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速 后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时 起动电流近似呈方形
4、波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制 的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，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接，这样就可以实现 在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到 达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良 好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得 dm到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面
5、，双闭环系统在起 动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负 载扰动，抗电网电压扰动。3串级调速原理及基本类型假定异步电动机的外加电源电压UL及负载转矩kl都不变.则电动机在调速前后 转子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或 相反的附电势Eadd则转子电流为（式 1 1）式中：R :转子回路电阻；rsX :转子旋转时转子绕组每相漏抗；r 0E 0 :转子开路相电势；r 0电动机在正常运行时，转差率s很小，故R三sX。忽略sX有， rr 0r 0sE 土 E =常数（式 1 2）r 0add上式中，K r0为取决于电动机的一个
6、常数，所以，改变附加电势可以改变转差率S，从 而实现调速。设当Eadd = 0时电动机运行于额定转速，即n = nN s = sN，由（式1-2）可见,当附加电动势与转子相电势相位相反时Eadd （前取负号），改变Eadd的大小，可在 额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位 相同时（Eadd前取正号），改变Eadd的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方 式称为超同步串级调速（即s 0）。4电动机供电方案的确定变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通 常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变
7、流 机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适 用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维 护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整 流器又称V-M系电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可 改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器 和脉宽调制交换器采用PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉 宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据 本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V
8、-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方 便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流 电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。 因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量 可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪 声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。 同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路 供电方案。在一般情况下，晶闸管变流装置所需的交流电供电压与电网
9、往往不一致。另外为了 减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常要配用整流变压器。为了 抑制谐波干扰，一般采用、人 接法的整流变压器。考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因 素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级 调速异步电动机的容量P计算如下：式中，K i 串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系统,该取大一点;按照常规运算方式计算的电动机容量。从产品手册中选择的电动机容量P本设计采用内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。该电机定额为连续定额S1,基本防护等级为IP
10、23,基本冷却方法为IC01,基本结构和安装方式为IBM3。控制电机型号JRNT1512-4最高/最低转速1480/690r/min额定功率45kW效率95%定子电压/电流380V/85.9A功率因数0.87转子电压/电流340V/81A控制装置型号JC4-800A/800V表1-1绕线式异步电动机由于调速范围小，且对动、静态性能有一定性能要求，选用晶闸管串级调速双闭环 调速系统比较合适。整流器采用三相桥式全控整流电路。双闭环控制系统的参数计算(一)双闭环系统静态参数计算(1)取速度给定电压U = 10Vgn速度反馈系数K =fn nmax(2)取电流给定电压电流反馈系数K f二Ugn-nmi
11、nU = 10VgiU 10丄=0.046 V / A/219 .188=5V9dm(3)取电流调节器输出电压最大值km=0.0146V -(r/min) -1晶闸管电压放大倍数U cos 0303x cos30K =-Tnmin =沁 52.48 沁 52VUkm50 0017s = 1 7ms（4）晶闸管逆变器的滞后时间常数T v 低速时静差率要求的速度降An = S x n = 0.01 x 342 = 3.42r / minn min由于采用了抑止零点漂移的PI调节器，故稳态时的速度降必须满足:KK Knf dn.n A nfnR = K Rnn 0R = 10 k 00R = 99
12、x 10 990k0n0.146 x 106.7“990.046 x 3.42若取电流环K = 110nK = K =110iR = 110 0QnO46 X 叽7 = 3.08r/min110 x 0.046K IAn =ft dnK Kn fnc An3 08静差率S = n = 0.0090 0.01n n342min（二）双闭环系统的动态参数计算K T由前述分析可知，Ln与Ln均为转差率S的函数，故电流环为非定常系统，但当S S K TS = ma时的Ln与Ln值可按定常系统设计，保证系统具有良好的性能。（1）电流环参数计算由E工公式知，将S = Smax代入可以推得Ln1.73r +
13、 X S +1.73r + r + r + 巴XI12兀M 丿 max2 T d2兀T=1.93T 二 L K =110 + 2(1.4 + 0.341x1.93 二Ln E Ln26ms由于要求电流环超调量小，故电流环按典型I型系统设计。C = 1uf取0 iR C10 x 1T = o ql =ms = 2.5msoi44T = T +T = 2.5+1.7=4.2msEi Oi Vt = T = 25 .9 msiLn故,L13.48E = 2K K T 2 x 52 x 0.146 x 4.2V fi Ei亠 c R = KR = 2.3Gii 0tC =丄=4.05 Fi Ri=0.
14、23(2)速度环参数计算由于系统要求抗扰性能及跟随性能好,T = 2 T转速环按典型II型系统设计,=5 ms且取h=5。4 t0 nR0+ 2T=2 uF=13.4 msE n0 nE i=67 ms工n转速环截止频率3 =3 =上!丄=45s -12十又因为119 s -12 T满足72 t e的条件，故电流环可等效为惯性环节。K = 668 s -2=6 7 SO- 28.3 T 2E i=670s -2n 2T 2 T 22 x 52 x 0.0134 2两种计算结果基本一致，取K N若按统飞轮矩按电动飞轮矩的1.5倍考虑，即GD2=1.5X0.1=0.15Nm系统总体结构设计三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机 传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻 感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。调节器的设计结构本次设计主要设计电流调节器和转速调节器，并通过软件来实现模拟电路的功
