畢業(yè)設(shè)計（論文）次同步轉(zhuǎn)速下串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究

1、摘摘 要要 本文介紹次同步轉(zhuǎn)速下串級調(diào)速系統(tǒng)，它是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路 引入附加電動勢而產(chǎn)生的，屬于轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、 經(jīng)濟、維護方便等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應用。串級調(diào)速是異步 電動機十分經(jīng)典的調(diào)速方法之一，它可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，是結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)展較 快、技術(shù)難度較小、性能比較完善的一種控制系統(tǒng)。串級調(diào)速技術(shù)除可用于新設(shè)備 設(shè)計外，還可用于對舊設(shè)備進行技術(shù)改造。因此，研究和應用串級調(diào)速技術(shù)具有極 大的技術(shù)和經(jīng)濟意義。本文著重對異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，靜、動態(tài) 基本性能等進行分析研究；進行轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)設(shè)計；

2、討論了具有雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)的工作過程，并用 matlab 軟件對系統(tǒng)性能進 行了仿真。 關(guān)鍵詞：異步電動機；串級調(diào)速；轉(zhuǎn)差功率回饋型；matlab 仿真 abstract in this paper, cascade thyristor speed control introduces additional emf through the rotor loop of the wound-induction motor, which belongs to slip power feedback system and is simple in structure, reliable, ec

3、onomic and easily maintained, and has won increasingly broad applications in industrial production. cascade speed control is one of the very classic speed control method in asynchronous motor, which can realize stepless smoothing speed. it is a simple and rapid control system with low level of diffi

4、culty in techniques and rather perfect performance. thyristor cascade speed control technology can be used in technical transformation for old equipment in addition to the design of new equipment. therefore, study and application of thyristor cascade speed control technology are of great technical a

5、nd economic significance. in this paper, the working principle and the basic performance of cascade speed control system in induction motor are studied emphatically. the dynamic parameters of cascade speed control system using both speed loop and current loop are designed under the condition of know

6、n static and dynamic performance requirements. the working process of cascade speed control system with double-closed-loop is discussed and the simulation for the system performance are made with matlab software. keywords: asynchronous motor；cascade speed control；slip power feedback；matlab simulatio

7、n 目目 錄錄 1 緒論.1 1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展.1 1.2 交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀.1 1.3 課題研究意義.2 1.4 課題分析與研究計劃.3 1.5 社會經(jīng)濟效益分析.3 2 串級調(diào)速的基本原理.5 2.1 交流調(diào)速方式.5 2.2 異步電動機串級調(diào)速原理.6 2.3 串級調(diào)速的各種基本運行狀態(tài)及功率傳遞關(guān)系.8 2.4 串級調(diào)速系統(tǒng)的基本類型.10 2.5 串級調(diào)速系統(tǒng)方案的確定.11 3 串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和機械特性.13 3.1 串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài).13 3.2 串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性.14 3.3 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的機械特性.15 3.3.1 異步電動機在

8、自然接線方式下的最大轉(zhuǎn)矩.16 3.3.2 串級調(diào)速異步電動機工作在第一工作區(qū)內(nèi)的機械特性.16 3.3.3 串級調(diào)速異步電動機工作在第二工作區(qū)內(nèi)的機械特性.18 4 控制環(huán)節(jié)單元電路研究.20 4.1 反饋檢測裝置.20 4.1.1 電流檢測裝置.20 4.1.2 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié).20 4.2 電流、速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇.21 4.2.1 電流調(diào)節(jié)器 acr 的結(jié)構(gòu).21 4.2.2 速度調(diào)節(jié)器 asr 的結(jié)構(gòu).21 4.3 給定積分器.22 5 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計研究.23 5.1 系統(tǒng)電路及原理圖設(shè)計.23 5.2 實驗調(diào)試及數(shù)據(jù)分析.24 5.2.1 直流測速發(fā)電機的工作特性.2

9、4 5.2.2 串級調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)工作機械特性.26 5.2.3 串級調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)工作機械特性.27 5.2.4 串級調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)工作機械特性.30 5.3 串級調(diào)速系統(tǒng)的 matlab 仿真研究.33 5.3.1 用 matlab 建立雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型.33 5.3.2 系統(tǒng)仿真波形及其分析.35 結(jié) 論.39 參考文獻.40 致 謝.41 附錄 matlab 簡介.42 1 緒論緒論 1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 直流電氣傳動和交流電氣傳動在 19 世紀先后誕生。在 20 世紀上半葉，鑒于直 流電動機優(yōu)良的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能，在高精度可調(diào)速的拖動技術(shù)領(lǐng)域中

10、，相 當長時期內(nèi)幾乎都采用直流電動機。然而由于直流電動機本身結(jié)構(gòu)帶有電刷和換向 器，成為限制自身發(fā)展的主要缺陷，導致其生產(chǎn)成本高、制造工藝復雜、運行維護 工作量大，不能在粉塵、爆炸危險等惡劣環(huán)境下使用。而且由于機械換向限制，其 最大供電電壓與機械強度均有限，所以直流電動機的單機容量、轉(zhuǎn)速的提高以及使 用環(huán)境都受到限制，很難向高速和大容量方向發(fā)展，從而限制了直流拖動系統(tǒng)的進 一步發(fā)展。近年來，其發(fā)展速度明顯滯后于交流調(diào)速系統(tǒng)。 交流電動機與直流電動機相比具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、經(jīng)濟可靠等突出優(yōu)點， 且能在惡劣的甚至在有易燃易爆性氣體的環(huán)境中安全運行，因而被廣泛應用，幾乎 所有不調(diào)速的拖動場合都采

11、用交流電動機。因此不少國家就致力于交流電動機調(diào)速 技術(shù)的研究，而且交流調(diào)速系統(tǒng)的方案也早有多種發(fā)明并得到實際應用，但其性能 卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。其主要原因是決定電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)因素的交流 電源頻率的改變和電動機轉(zhuǎn)矩控制都是非常困難的，使交流調(diào)速的穩(wěn)定性、可靠性、 經(jīng)濟性及效率均不能滿足生產(chǎn)要求。近年來，隨著新型大功率半導體器件、大規(guī)模 集成電路、計算機技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件的更新?lián)Q代，加上交流電動機本身的 優(yōu)越特性，交流調(diào)速技術(shù)獲得飛速發(fā)展。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào) 速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)精度、較快的動態(tài)響應、較高的工作效率等優(yōu)異性能，交流傳 動控制系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速已成

12、為明顯的發(fā)展趨勢。 1.2 交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀 目前，具有代表性的交流調(diào)速系統(tǒng)有：晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、異步電動機串級 調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng)、矢量變換控制系統(tǒng)等。在交 流電動機的控制策略方面，出現(xiàn)了交流電動機的矢量控制技術(shù)，這種理論的提出和 成功應用， 為高性能交流調(diào)速裝置奠定了理論基礎(chǔ)，使交流電動機的調(diào)速技術(shù)取得 了突破性進展，開創(chuàng)了用交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)的時代。20 世紀 80 年代 掀起了交流調(diào)速熱，矢量控制理論進一步完善和發(fā)展，一些新的控制策略和方法相 繼提出并被采用，例如“直接轉(zhuǎn)矩控制”就是 80 年代中期提出的又一交流調(diào)速控制 技術(shù)，它

13、采用閉環(huán)控制，直接控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，系統(tǒng)更加簡單，控制更加 直接，受到各國的重視。 近幾年來，各國學者正致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電 壓、電流等容易測量的物理量進行速度估算，以取代速度傳感器。由于無速度傳感 器控制技術(shù)不需要檢測硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應性、安裝維護等麻煩， 提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛的興趣。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控 制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應控制、模糊控制等各種控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出 更為廣闊的前景，必將進一步推動交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展?？梢灶A計，高性能交 流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展必

14、將取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為電力拖動領(lǐng)域的主要力量。 1.3 課題研究課題研究意義意義 在異步電動機的各種調(diào)速技術(shù)中，變頻技術(shù)具有調(diào)速精度高、特性硬和可靠性 高等特點，應用十分廣泛。特別是對于低電壓等級的交流電動機調(diào)速，變頻技術(shù)已 經(jīng)很好的解決了節(jié)能問題并得到了廣泛應用，有非常廣闊的發(fā)展前景。但是當調(diào)速 電動機功率較大時，采用變頻調(diào)速變流元件將面臨承受高壓變流問題，因而困難較 多，且裝置復雜、龐大，初期投資大，要求使用和維護的技術(shù)水平高，成本顯著增 加，使得企業(yè)節(jié)能降耗、提高效益的目標不能實現(xiàn)。所以對于大功率交流異步電動 機調(diào)速問題，特別是高壓電動機調(diào)速問題，定子回路變頻調(diào)速難以實現(xiàn)。串級調(diào)速 是一

15、種簡單實用又經(jīng)濟的交流異步電動機調(diào)速方法，它是在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電 動勢，通過改變附加電動勢的大小，來達到改變轉(zhuǎn)子電流進而改變電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 的目的。串級調(diào)速的根本點不是去控制電機的定子側(cè)，而是控制轉(zhuǎn)子側(cè)，通過對電 機轉(zhuǎn)子電流的控制改變電機的轉(zhuǎn)差率進行調(diào)速。由于串級調(diào)速裝置承受的是轉(zhuǎn)子回 路低得多的電壓和較電機額定功率小得多的轉(zhuǎn)差功率，所以高壓串級調(diào)速的經(jīng)濟性 明顯優(yōu)于變頻調(diào)速。由于采用晶閘管的串級調(diào)速系統(tǒng)在效率、機械特性等本質(zhì)方面 和變頻調(diào)速幾乎是完全一致的，尤其在節(jié)能方面，串級調(diào)速具有突出的優(yōu)勢，特別 是晶閘管次同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而在電機拖動中獲 得了廣泛應用

16、。 本文著重對繞線轉(zhuǎn)子交流異步電動機轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)即異步電動機串 級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和工作特性進行深入分析與研究。在此基礎(chǔ)上建立串級調(diào)速 系統(tǒng)的數(shù)學模型，設(shè)計次同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)，用計算機仿真工具 matlab 及其 simulink 工具箱建立串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并且用 matlab 對串級調(diào) 速系統(tǒng)進行仿真研究，進一步分析交流調(diào)速系統(tǒng)的靜、動特性，論證仿真模型的正 確性以及利用 matlab/simulink 進行系統(tǒng)建模與仿真的有效性和可行性，為今 后更深入的研究提供有效手段，具有重要的理論意義和實用價值。 1.4 課題分析與研究計劃課題分析與研究計劃 本文內(nèi)容主要分為

17、五部分。第一部分從繞線轉(zhuǎn)子異步電動機習慣使用的轉(zhuǎn)子串 電阻調(diào)速方法的缺點入手，討論控制轉(zhuǎn)子變量的另一種調(diào)速方法即次同步串級調(diào)速 系統(tǒng)的工作原理；第二部分為了獲得異步電動機在串級調(diào)速時機械特性的計算公式， 詳細分析異步電動機在轉(zhuǎn)子接有整流器時整流電路的工作狀態(tài)，提出轉(zhuǎn)子整流電路 的強迫延遲導通工作的概念；第三部分對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)主電路主 要元器件進行選擇；第四部分分析雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路各單元電路的組成 及工作原理；第五部分對雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)進行工程設(shè)計，用 matlab 軟件對 系統(tǒng)性能進行仿真研究，并與其它調(diào)速系統(tǒng)性能進行比較。 1.5 社會經(jīng)濟效益分析社會經(jīng)濟效益分析

18、 以造紙行業(yè)為例，造紙業(yè)是我國基礎(chǔ)工業(yè)之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。 早期的造紙機及多數(shù)對速度調(diào)節(jié)控制要求較高的工業(yè)設(shè)備都采用直流調(diào)節(jié)控制裝置， 驅(qū)動直流電動機進行速度調(diào)節(jié)控制。我國造紙機傳動設(shè)備以前采用晶閘管直流調(diào)速 方式，由于老式紙機很多采用單直流電機傳動，且通過機械分配轉(zhuǎn)速的方式進行調(diào) 速，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常因為機械磨損、皮帶打滑等因素造成速度匹配失調(diào)，形成斷 紙、厚薄不均等現(xiàn)象，同時由于現(xiàn)場高溫潮濕而使電機維護量增加。為了優(yōu)化產(chǎn)品 質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，可以將其改為多電機分部傳動，即取消直流電機及其動力 的機械傳動部分，在每一個傳動分部安裝交流電機并配置相應的變頻器，同時采用 交流多點

19、傳動方式，結(jié)合速度控制、張力控制、負荷控制等不同的方式進行傳動配 置。為了生產(chǎn)過程中紙頁特性變化的需要，傳動除了保證高精度的同步控制外，還 必須能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車速。 據(jù)統(tǒng)計，我國擁有 3780 多萬噸生產(chǎn)能力，單機生產(chǎn)能力在 5 萬噸以上的不足三 分之一，尚有三分之二以上的生產(chǎn)能力需要投入巨資改造，其中至少三分之一的紙 機需要部分或全部更換原來的傳動部分以提高車速或降低能耗。事實證明，造紙業(yè) 是高能耗企業(yè)，每噸紙所耗電能都在 500 度以上，電力消耗十分嚴重。 由此可見，通過交流電動機在一定范圍內(nèi)調(diào)速來滿足生產(chǎn)工藝要求，是提高造 紙業(yè)運行效率和降低耗能的主要手段?？梢灶A計，交流調(diào)速裝置在

20、造紙業(yè)的應用可 為企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟效益，節(jié)能潛力非常大。 2 串級調(diào)速的基本原理串級調(diào)速的基本原理 2.1 交流調(diào)速方式交流調(diào)速方式 根據(jù)交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式 n=(1-s)可知，交流電動機的調(diào)速方案主 p f160 要有三種：改變極對數(shù) p 調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率 s 調(diào)速及改變定子供電電源頻率 f 調(diào)速。 1 其中改變轉(zhuǎn)差率 s 的調(diào)速方法又可以通過調(diào)定子電壓 u 、轉(zhuǎn)子回路串電阻 r 、轉(zhuǎn) 11 子附加電動勢 e 及采用電磁離合器來實現(xiàn)。從能量角度看，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁 f 功率 p可分為兩部分：一部分 p p =(1-s) p是拖動負載的有功功率，稱為機械 moom 功率；另一部分

21、 p p =s p是傳給轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。從 ssm 能量轉(zhuǎn)換的角度，根據(jù)轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，可以把異步電 動機的調(diào)速系統(tǒng)分成以下三種類型。 1轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 在這類調(diào)速系統(tǒng)中，全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的調(diào) 定子電壓 u 、轉(zhuǎn)子回路串電阻 r 和采用電磁離合器這三種調(diào)速方法都屬于這一類。 11 這類調(diào)速系統(tǒng)的效率最低，而且它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低（恒 轉(zhuǎn)矩負載時），轉(zhuǎn)速越低，效率也就越低。但這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，設(shè)備成本較低， 因此還有一定的應用場合。 2轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng) 在這類調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率的

22、一部分被消耗掉，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通 過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為機械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低時回收的功率也越多，上 述轉(zhuǎn)子附加電動勢 e 調(diào)速方法屬于這一類。這類系統(tǒng)效率較高，但要增加一些設(shè)備。 f 3轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 在這類調(diào)速系統(tǒng)中，除了不可避免的轉(zhuǎn)子銅損外，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的 消耗基本不變，因此效率更高，上述的變極對數(shù) p 和變壓變頻這兩種調(diào)速方法屬于 此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應用場合有限。而變壓變頻調(diào)速應用很廣，可 以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速。但是需在定子回路中配備與電 動機容量相當?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本較高。 2.2 異步電動機串級調(diào)速

23、原理異步電動機串級調(diào)速原理 繞線式異步電動機的結(jié)構(gòu)特點是轉(zhuǎn)子的三相繞組通過滑環(huán)可以引出來。對于繞 線式異步電動機，可以通過在轉(zhuǎn)子回路串入附加電阻來減小電流，增大轉(zhuǎn)差率，從 而改變轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法因串入附加電阻而增加的轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子附加電阻上變 成熱量被白白消耗掉，使系統(tǒng)的整體效率降低。串入的電阻越大，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差 率就越大，消耗的功率就越大，效率就越低。因此，這種系統(tǒng)調(diào)速性能和經(jīng)濟性都 很差，不適合對大容量異步電動機調(diào)速，且小功率異步電動機也因效率太低而不適 宜長期運行。 針對繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法轉(zhuǎn)差功率消耗在電阻上，運行效率 太低的缺點，如果在轉(zhuǎn)子回路不串入三相附加電阻，而

24、是串入三相對稱的附加電動 勢 e ，通過改變 e 的大小和相位，同樣也可以改變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)調(diào)速。如果在調(diào) ff 速的同時，讓附加電動勢裝置吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率并將其回饋電網(wǎng)或電動機本身。 這樣，電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)差功率只有小部分被轉(zhuǎn)子繞組本身電阻所消耗，而 其余大部分被附加電動勢 e 所吸收，再利用產(chǎn)生 e 的裝置可以把這部分轉(zhuǎn)差功率 ff 回饋給電網(wǎng)（或再送到電動機軸上輸出），這樣就使電動機在低速運轉(zhuǎn)時仍具有較 高的效率，這種在繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路中串入附加電動勢的調(diào)速方法，稱為 串級調(diào)速。 串級調(diào)速完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法的缺點，它具有高效率、無級平滑調(diào) 速、較硬的機械特性等許多

25、優(yōu)點，因此在工業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛的應用。 異步電動機的調(diào)速原理可分析如下： 假定異步電動機的外加電源電壓 u 及負載轉(zhuǎn)矩 t 都不變，則電動機在調(diào)速前 1l 后轉(zhuǎn)子電流近似保持不變。當轉(zhuǎn)子短路時，轉(zhuǎn)子相電流的表達式為 i = (2.1) 2 2 20 2 2 20 )sx(r se 式中，r 為異步電動機轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；x為 s=1 時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子繞組 220 每相漏抗；e為 s=1 時，轉(zhuǎn)子開路相電動勢。 20 如在轉(zhuǎn)子回路中引入一個頻率與轉(zhuǎn)子電勢相同，而相位相反的附加電動勢 e 時， f 如圖 2.1 所示。則轉(zhuǎn)子電流為 i = (2.2) 2 2 20 2 2 f20 )sx(r

26、ese 由于轉(zhuǎn)子回路合成電動勢減小，立即引起轉(zhuǎn)子電流 i 減小，而電動機產(chǎn)生的電 2 磁轉(zhuǎn)矩 t =c i cos 也隨之減小，迫使電動機轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率 s 增大，轉(zhuǎn)子 et22 電流 i 開始回升，電磁轉(zhuǎn)矩 t 也相應回升，這一過程一直持續(xù)到電動機轉(zhuǎn)矩與負 2e 載轉(zhuǎn)矩重新達到平衡，減速過程結(jié)束，電動機便在低于原值的某一轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行。 串入反相位 e 的幅值越大，電動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速就越低。由此可見，改變 e 的大小， ff 可使電動機在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，即得到低于同步轉(zhuǎn)速的速度，故稱為次同步串級 調(diào)速。 圖 2.1 異步電動機串級調(diào)速原理 同理，如果在電動機轉(zhuǎn)子回路中串入一個與 se同相位

27、的附加電動勢 e 時，則 20f 轉(zhuǎn)子電流為 i = (2.3) 2 2 20 2 2 f20 )sx(r ese 于是，電動機的轉(zhuǎn)子電流 i 增加，電磁轉(zhuǎn)矩 t 也相應增大，電動機轉(zhuǎn)速升高， 2e 轉(zhuǎn)差率 s 減小。隨著 s 的減小，轉(zhuǎn)子電流 i 開始減小，電磁轉(zhuǎn)矩 t 也相應減小，當 2e 電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到平衡時，減速過程結(jié)束，電動機便在高速下穩(wěn)定運行。e 幅值越大，電動機的轉(zhuǎn)速越高，這種調(diào)速方式，稱為超同步串級調(diào)速。 f 2.3 串級調(diào)速的各種基本運行狀態(tài)及功率傳遞關(guān)系串級調(diào)速的各種基本運行狀態(tài)及功率傳遞關(guān)系 如上所述，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路中引入可控的附加電動勢并改變其 數(shù)

28、值，就可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。這個調(diào)節(jié)過程必然在轉(zhuǎn)子側(cè)形成功率的傳 送，或者是把轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率傳輸?shù)脚c之相連的交流電網(wǎng)或外電路中去，或者是 從外面吸收功率到電動機轉(zhuǎn)子中來。從功率傳送的角度看，可以認為是用控制異步 電動機轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)差功率的大小與流向來實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。因此，串級調(diào)速 的各種基本運轉(zhuǎn)狀態(tài)可以通過功率的傳遞關(guān)系來加以說明。 為簡單起見，忽略機械損耗和雜散損耗，異步電動機在任何狀態(tài)下的功率關(guān)系 為 p=s p+(1-s) p (2.4) mmm 其中，p為從電動機定子傳入轉(zhuǎn)子（或由轉(zhuǎn)子傳出給定子）的電磁功率；s p m 為輸入或輸出轉(zhuǎn)子電路的功率，即轉(zhuǎn)差功率；(1-s) p

29、為電動機軸上輸出或輸入的 mm 功率。 由于轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動勢極性和大小的不同，s 和 p都是可正可負，因而可 m 以有以下五種不同的工作情況。 (1) 次同步轉(zhuǎn)速下的電動運行 轉(zhuǎn)子回路串入的附加電動勢 e和e 相位相反，電動機減速，所以 ss(0s0，(1-s) p0，說明電網(wǎng)向電動機定子輸入的電磁功率 p mm 一部分變?yōu)闄C械功率從軸上輸出，另一部分變?yōu)檗D(zhuǎn)差功率通過產(chǎn)生 e 裝置回饋給 mf 電網(wǎng)。 (2) 電動機在反轉(zhuǎn)時的倒拉制動運行 設(shè)電動機原在轉(zhuǎn)子側(cè)已接入一定數(shù)值- e 的情況下作低速電動運行，其軸上帶 f 有位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，此時若繼續(xù)增大附加電動勢的數(shù)值，且使|- e|e，就能

30、使 f0d 電動機反轉(zhuǎn)進入倒拉制動運行狀態(tài)，即 s1，根據(jù) s p0，(1-s) p0，式(2.4)可 mm 改寫為 p+|(1-s)| p= s p，這表明由電網(wǎng)輸入電動機定子的功率和由負載輸入電 mmm 動機軸的功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率，并通過產(chǎn)生 e 裝置回饋給電網(wǎng)。由于這種運行 f 狀態(tài)使回饋的轉(zhuǎn)差功率值很大，所以要求 e 裝置的容量很大，故一般不宜應用在這 f 種運行狀態(tài)。 (3) 電動機在超同步轉(zhuǎn)速下的電動狀態(tài) 設(shè)在轉(zhuǎn)子回路串入的附加電動勢 e 與 e 相位相同，電動機將加速到超過其同 f2 步轉(zhuǎn)速運行，所以 s0。此時電動機轉(zhuǎn)速雖然超過了其同步轉(zhuǎn)速，但它仍拖動負載 做電動運轉(zhuǎn)，因此

31、電動機軸上可以輸出比其銘牌所示額定功率還要高的功率。這時 式(2.4)可改寫為 p- s p=(1-s) p，這表明電動機軸上的輸出功率是由定子側(cè)與轉(zhuǎn) mmm 子側(cè)兩部分合成的，電動機處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)，即“雙饋”狀態(tài)，這一特殊 工況可使電動機的輸出功率超過額定功率。 (4) 電動機在超同步轉(zhuǎn)速下的回饋制動運行 進入這種運行狀態(tài)的必要條件是有位能性機械外力作用在電動機軸上，并使電 動機能在超過其同步轉(zhuǎn)速 n 的情況下運行。例如電動機拖動車輛下坡時，為防止下 0 坡速度過高，被拖動的電動機便需要產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，以限制車輛的速度。此時電動 機的運轉(zhuǎn)方向和上坡時一樣，但運行狀態(tài)卻變成回饋制動，轉(zhuǎn)速

32、超過其同步轉(zhuǎn)速 n ，轉(zhuǎn)差率 s0，此時若再串入一個與 se反相的附加電動勢+e ，電動機將在比 120f 未串入+e 時的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。由于電動機處在發(fā)電狀態(tài)工作， f 功率由負載通過電動機軸輸入，經(jīng)過機電能量變換，分別從電動機定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè) 饋送給電網(wǎng)。 (5) 電動機在次同步轉(zhuǎn)速下的回饋制動運行 為了提高生產(chǎn)率，很多工作機械希望其電氣傳動裝置能夠縮短減速和停車的時 間，因此必須使運行在低于同步轉(zhuǎn)速電動狀態(tài)的電動機切換到制動狀態(tài)下工作。設(shè) 電動機原在低于同步轉(zhuǎn)速(0sse由式(2.2)可知，i 變?yōu)樨撝担?ff202 電動機進入發(fā)電回饋制動狀態(tài)，0s u 。 di 圖 2

33、.2 次同步串級調(diào)速系統(tǒng) 根據(jù)生產(chǎn)工藝對靜、動態(tài)調(diào)速性能指標要求的不同，串級調(diào)速系統(tǒng)可以采用開 環(huán)控制和閉環(huán)控制。對于技術(shù)性能指標要求不高的生產(chǎn)機械設(shè)備，如只要求一定調(diào) 速范圍，而無其他動、靜態(tài)指標要求的生產(chǎn)機械，為簡單、可靠地運行，通常選擇 開環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)；對于技術(shù)性能指標要求較高的生產(chǎn)機械設(shè)備，應選擇閉 環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)。采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)，雖然能加快調(diào)節(jié)， 并最終消除靜態(tài)誤差，但由于此系統(tǒng)中只有速度負反饋，沒有電流負反饋，所以抗 干擾能力較差。因此在電力拖動系統(tǒng)中用得較少，而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系 統(tǒng)可以克服上述缺點。雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)不僅具有較硬的機械特性

34、，而且動態(tài)響 應速度快，抗擾動能力強，容易實現(xiàn)過流保護。所以根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)對靜、動態(tài) 性能指標要求，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)。 典型的次同步串級雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要有繞線轉(zhuǎn)子異步電動機 m、三相橋式二 極管整流器 ur、三相橋式晶閘管有源逆變器 ui、逆變變壓器 ti、觸發(fā)裝置、電流 調(diào)節(jié)器 acr、速度調(diào)節(jié)器 asr 和信號檢測等部分組成。以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為 電流調(diào)節(jié)器的給定，電流調(diào)節(jié)器的輸出作為逆變器的控制電壓，轉(zhuǎn)速反饋信號取自 與異步電動機同軸連接的測速發(fā)電機 tg，電流反饋信號通過交流互感器 ta 取自逆 變器交流側(cè)。通過改變轉(zhuǎn)速給定信號 u的值，可以實現(xiàn)調(diào)速。例如，當轉(zhuǎn)速

35、給定 sn 信號 u逐漸增大時，電流調(diào)節(jié)器 acr 的輸出電壓也逐漸增加，使逆變角逐漸增 sn 大，電動機轉(zhuǎn)速 n 也就隨之升高。為防止逆變器逆變顛覆，當電流調(diào)節(jié)器 acr 輸出 電壓為零時，應整定觸發(fā)脈沖使輸出相位角為最小值，通常限制 30。 min min 為了使系統(tǒng)既能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得快速的動態(tài)響應，兩個調(diào) 節(jié)器 asr 和 acr 一般都采用 pi 調(diào)節(jié)器。 3 串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和機械特性串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和機械特性 3.1 串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài) 由于異步電動機的轉(zhuǎn)子漏阻抗較大，并且接有晶閘管變流器，所以其機

36、械特性 的表達式除與系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)外，還與負載電流 i 有關(guān)。 d 在串級調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子三相繞組和整流器連接的整流電路與一般三相橋式整 流電路相似，但要特別注意它與一般整流器有以下幾點不同：轉(zhuǎn)子三相感應電動勢 的幅值和頻率是轉(zhuǎn)差的函數(shù)；折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏阻抗值也是轉(zhuǎn)差率 s 的函數(shù)；由于 異步電動機折算到轉(zhuǎn)子的漏阻抗比一般整流變壓器大得多，所以換流重疊現(xiàn)象嚴重， 使換向重疊角加大，轉(zhuǎn)子整流器會出現(xiàn)“強迫延遲換流”現(xiàn)象，從而引起轉(zhuǎn)子整 流電路的特殊工作狀態(tài)。 由于電動機存在漏阻抗，使換流過程中電流不能突變，因而會產(chǎn)生換流重疊現(xiàn) 象，根據(jù)電力電子變流技術(shù)理論，轉(zhuǎn)子整流器換向重疊角的一般公式為 co

37、s=1-i (3.1) 20 d0 e6 x2 d 式中，i 為整流電流平均值；e為轉(zhuǎn)子開路時的相電動勢有效值；x為 s=1 d200d 時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動機的每相漏阻抗。 由式(3.1)可知，當 e和 x確定時，整流電流 i 越大，換向重疊角也越大。 200dd 當 i 時，60，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換 d20 0 4 6 e xd 相點處換相，整流波形正常。當 i =時，=60，此時，若繼續(xù)增大 d20 0 4 6 e xd i ，則整流器件在自然換相點處未能結(jié)束換相，而是迫使本該在自然換相點換相的 d 器件推遲一段時間換相，出現(xiàn)了強迫延遲換相現(xiàn)象，推遲的角度

38、用強迫換流延遲角 表示。 p 這樣，當 i 在某一范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子換流重疊角在 060之間時，=0， d p 此時轉(zhuǎn)子整流器工作在正常的不可控整流狀態(tài)，稱之為串級調(diào)速的第一工作狀態(tài)； 隨著整流電流 i 的增大，保持 60不變，030，這時由于強迫延遲換相 d p 的作用，使得整流電路好似處于可控的整流狀態(tài)，角相當于整流器件的觸發(fā)延 p 遲角，這一狀態(tài)稱為轉(zhuǎn)子整流器的第二工作狀態(tài)；如果整流電流 i 進一步增大， d 保持 60不變，=30以后，轉(zhuǎn)子整流器進入第三工作狀態(tài)。 p 3.2 串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性 圖 2.1 所示的異步電動機晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路，其中轉(zhuǎn)子整流器是

39、一個 三相橋式不可控整流電路，它的交流電壓是頻率隨轉(zhuǎn)差率變化的三相轉(zhuǎn)子感應電動 勢；逆變器則是由與工頻電網(wǎng)相連的三相全控橋式電路組成。轉(zhuǎn)子整流器的輸出電 壓 u 為 d u =2.34se-i ()-2u (3.2) d20dd d0 r2 sx3 d 式中，2.34se為轉(zhuǎn)子空載整流電動勢；i 為轉(zhuǎn)子整流器換相壓降； 20 0 3 d sx d r 、sx分別為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機相電阻和每相漏阻抗；u 為轉(zhuǎn)子整流器 d0d d 每個橋臂元件的壓降。 若逆變角為，則三相橋式有源逆變器的直流電壓為 u =2.34ecos+i ()+2u (3.3) it2 dt r2 x3 t 式中，2.34

40、ecos為空載逆變電動勢；i 為逆變器的換相壓降；r ，x t2 t x3 dt 分別為折算到逆變變壓器二次側(cè)的每相電阻和每相漏電感；r 為直流回路電抗器 td 的電阻；u 為三相橋式有源逆變器每個橋臂元件的壓降。 若忽略整流元件和晶閘管元件的管壓降，由式(3.2)和(3.3)可以列出其轉(zhuǎn)子整流 器第一工作狀態(tài)下的直流回路電壓平衡方程式為 2.34se-i ()=2.34ecos+ i ()+i r (3.4) 20dd d0 r2 sx3 t2 dt t r2 x3 dd 則可從式(3.4)中求出轉(zhuǎn)差率 s 為 s= (3.5) d dd i x3 se34 . 2 )rr2r2 x3 (i

41、cose4.32 d0 20 td t t2 用 s=1-代入上式，可得異步電動機串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)速表達式為 0 n n n= (3.6) 0 d0 20 td td0 dt220 i x3 e34 . 2 )rr2r2 x33 (i)cosee(4.32 n x d d 其中令 u=2.34(e-ecos)，r =+2r +2r +r ，c = 20t2 0 3 d sx t x3 dtde 。由式(3.6)可以看出，串級調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)逆變角進行調(diào)速 0 0 20 3 34 . 2 n i x e d d 時，其特性 n=f(i )相當于他勵直流電動機調(diào)壓調(diào)速時的調(diào)速特性。但是，由于串級 d

42、 調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻 r 比直流電動機電樞回路總電阻大，故串級調(diào)速 系統(tǒng)的調(diào)速特性 n=f(i )相對更軟些。 d 3.3 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的機械特性次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 由于轉(zhuǎn)子整流器有第一和第二工作狀態(tài)，相應地串級調(diào)速系統(tǒng)的機械特性也有 第一和第二兩個工作區(qū)。下面將分析串級調(diào)速系統(tǒng)在這兩個工作區(qū)的機械特性和最 大轉(zhuǎn)矩，并將它們與繞線轉(zhuǎn)子異步電動機自然接線時的最大轉(zhuǎn)矩進行比較。 3.3.1 異步電動機在自然接線方式下的最大轉(zhuǎn)矩異步電動機在自然接線方式下的最大轉(zhuǎn)矩 若忽略定子電阻，異步電動機在自然接線時的最大轉(zhuǎn)矩為 t= (3.7) emax )x(x2 )ek(3 210

43、 2 20w d00 2 20 x2 e3 式中，e為轉(zhuǎn)子額定相電動勢(s=1 時)；k 為定子與轉(zhuǎn)子的匝數(shù)比；x為折 20w0d 算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏電抗。 3.3.2 串級調(diào)速異步電動機工作在第一工作區(qū)內(nèi)的機械特性串級調(diào)速異步電動機工作在第一工作區(qū)內(nèi)的機械特性 交流異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為 t = (3.8) e 0 m p 0 m s sp 0 s s p 式中，p為串級調(diào)速系統(tǒng)的電磁功率，p 為轉(zhuǎn)差功率，為同步角速度。 ms 0 當忽略轉(zhuǎn)子電阻損耗及轉(zhuǎn)子整流元件的損耗時，轉(zhuǎn)子整流器的輸出功率就等于 轉(zhuǎn)差功率，即 p =u i =(se-i (3.9) sdd0d )i sx3 d0 d d

44、 式中，e為 s=1 時轉(zhuǎn)子空載整流電動勢，e=2.34e。將式(3.9)帶入式(3.8)，消 0d0d20 去 s，可得 t =(e-)i (3.10) e 0 1 0dd i x3 d0 d 利用式(3.4)和式(3.10)，可以求得串級調(diào)速系統(tǒng)機械特性第一工作區(qū)的表達式 t = (s-s ) (3.11) e 2 tdtd00 tdtd00 2 0d )rr2r2x 3 sx 3 ( )rr2r2x 3 xs 3 (e d d 0 式中，s 為串級調(diào)速系統(tǒng)理想空載(i =0)轉(zhuǎn)差率，即 s =cos。 0d0 20 2 e e t 將式(3.11)對 s 求導可求出第一工作狀態(tài) t 表達

45、式的最大轉(zhuǎn)矩所對應的臨界轉(zhuǎn) e 差率 s，其值為 mc s=2s + (3.12) mc0 d0 tdt x 3 rr2r2x 3 d 將式(3.12)代入(3.11)，可以求出串級調(diào)速異步電動機理論上的理想最大轉(zhuǎn)矩為 t= (3.13) emc d00 2 0 x12 e d 異步電動機在串級調(diào)速時，當 i 增大到一定程度必然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子整流器的強迫 d 延遲換流現(xiàn)象。也就是說，轉(zhuǎn)子整流器進入第二工作狀態(tài)，對應的機械特性也必然 會進入第二工作區(qū)。而式(3.13)只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作區(qū)狀態(tài)將會達到的 最大轉(zhuǎn)矩。當系統(tǒng)進入第二工作區(qū)后，機械特性將進一步變軟，式(3.11)已經(jīng)不適用 了，

46、所以上式求出的串級調(diào)速異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩實際上是不存在的，因此稱其 為理想最大轉(zhuǎn)矩。 由于式(3.11)的推導，完全是按第一工作區(qū)的情況進行的，所以該式就是第一工 作區(qū)的機械特性表達式。若用 i表示第一工作區(qū)與第二工作區(qū)交界處的電流，則 dlm 根據(jù) cos60=1-i (3.14) 20 d0 e6 x2 dlm 可得第一工作區(qū)與第二工作區(qū)交界處的電流為 i= (3.15) dlm d0 20 x4 e6 將上式代入(3.10)，可得第一、二工作區(qū)異步電動機在分界點的轉(zhuǎn)矩為 t= (3.16) 21 d00 2 20 x8 e27 將式(3.16)與式(3.7)相比，可得 =0.716 (

47、3.17) emax 21 t t d00 2 20 d00 2 20 x2 e3 x8 e27 由式(3.17)可知 t=0.716t。而一般繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的過載倍數(shù)為 21maxe 2，t為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機額定轉(zhuǎn)矩，故 t1.432 t。即串級調(diào)速系 en t tmax en21en 統(tǒng)當電動機在額定轉(zhuǎn)矩下運行時，一般處于機械特性第一工作區(qū)。 3.3.3 串級調(diào)速異步電動機工作在第二工作區(qū)內(nèi)的機械特性串級調(diào)速異步電動機工作在第二工作區(qū)內(nèi)的機械特性 串級調(diào)速異步電動機工作在第二工作區(qū)內(nèi)的機械特性與轉(zhuǎn)子整流器的第二工作 狀態(tài)相對應，重疊角恒等于 60，固有滯后角在 030范圍內(nèi)。此時轉(zhuǎn)子

48、整 p 流器相當于一個“全控”橋，滯后角導通。因此，根據(jù)式(3.10)可以直接寫出異 p 步電動機在第二工作區(qū)的轉(zhuǎn)矩為 t =(ecos-xi ) i (3.18) e 0 1 0dp 3 0ddd 式中的 i 可由可控整流時公式 cos-cos(+)=來確定。若令式中 d t dt e ix 2 6 2 =60，=，則得 p cos-cos(+60)= (3.19) p p 20 d0 e6 ix2 d 從上式解出 i ，得 d i =sin(30+) (3.20) d d0 20 x2 e6 p 將式(3.20)代入(3.18)，可得 t =sin(60+2) (3.21) e d00 2

49、 20 x4 e39 p 由上式可以很明顯看出，若=15，便可得第二工作區(qū)內(nèi)的異步電動機轉(zhuǎn)矩 p 最大值，即晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的電動機實際能發(fā)出的最大轉(zhuǎn)矩為 t= (3.22) me2 d00 2 20 x4 e39 將式(3.22)與式(3.7)相比，得 =0.826 (3.23) emax m2e t t 上式說明，異步電動機串級調(diào)速時所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩是自然接線方式下最大 轉(zhuǎn)矩的 82.6%，即最大轉(zhuǎn)矩降低了 17.4%，這在選擇串級調(diào)速系統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子異步電 動機時必須注意。 4 控制環(huán)節(jié)單元電路研究控制環(huán)節(jié)單元電路研究 4.1 反饋檢測裝置反饋檢測裝置 4.1.1 電流檢測裝置電流檢測裝

50、置 在晶閘管控制系統(tǒng)中，需要檢測主回路的電流，并把它轉(zhuǎn)換成電壓，作為電流 反饋信號 u 。電流檢測可分為直流檢測和交流檢測兩類。在變流電路直流側(cè)檢測 fi 電流大小，一般常用直流電流互感器或者用霍爾電流變換器直接測量主回路電流。 在晶閘管有源逆變器中，交流側(cè)有效值電流 i與直流電流 i 之間有著近似的比例 t2d 關(guān)系，例如三相橋式有源逆變器，有 i=0.816 i 。因此通過測量交流電流便可間 t2d 接反映直流側(cè)逆變電流的大小，交流檢測常采用交流互感器。由于交流電流檢測簡 便、可靠、能耗小，還能把控制回路與主電路隔離，以保證設(shè)備和人身安全，因而 在實際系統(tǒng)中得到了廣泛應用。 4.1.2 轉(zhuǎn)

51、速檢測環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié) 在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度反饋是利用速度檢測裝置實現(xiàn)的，最常見的速度檢測 裝置是測速發(fā)電機。測速發(fā)電機的質(zhì)量和安裝精度直接影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。 測速發(fā)電機分交流測速發(fā)電機和直流測速發(fā)電機兩種。 交流測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、無碳刷接觸和碳刷壓降所造成的誤差， 但它輸出的是交流電壓，所以必須進行整流變換成直流方能作為反饋信號，影響反 饋信號的轉(zhuǎn)換精度。 在采用他勵直流測速發(fā)電機時，為了保證檢測精度，應使用穩(wěn)壓電源勵磁繞組 供電。如果選用永磁式測速發(fā)電機，則可能會將檢測精度提得更高，但使用環(huán)境不 能為高溫和有振動的場合；否則永久磁鐵的磁性將會減弱或消失。另外，安裝時測 速發(fā)

52、電機的軸中心應與電動機的軸中心重合，以保證安裝質(zhì)量。 4.2 電流、速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇電流、速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇 4.2.1 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器 acr 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 為了滿足工藝需要，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，電流調(diào)節(jié)器采用近似的 pi 調(diào)節(jié)器， 圖 4.1 所示是電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。電流調(diào)節(jié)器 acr 輸出為零時，應整定最小逆變 角，以保證最低速起動。為防止逆變失敗，取=30。為此，電流調(diào)節(jié)器 min min 須設(shè)置輸出限幅電路。acr 的輸出信號經(jīng)限幅和功率放大后作為觸發(fā)裝置 gt 的移 相信號 u 。隨 acr 輸出的增加，向 90方向變化，=90時，u =0，相當 c 于轉(zhuǎn)子沒有附加電動勢

53、，電動機工作于固有特性。 圖 4.1 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 4.2.2 速度調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器 asr 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 速度調(diào)節(jié)器 asr 采用與電流調(diào)節(jié)器 acr 相同的結(jié)構(gòu)，也采用近似的 pi 調(diào)節(jié)器， 圖 4.2 所示是速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。為了保證設(shè)備的安全，速度調(diào)節(jié)器設(shè)置輸出限幅 電路，以限制電動機的最大電流。同時利用電流負反饋和速度調(diào)節(jié)器 asr 的限幅作 用，使系統(tǒng)具有較好的恒流加速特性。asr 的輸出信號經(jīng)限幅后作為電流調(diào)節(jié)器 acr 的輸入給定信號。 圖 4.2 速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 4.3 給定積分器給定積分器 在晶閘管調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定信號可以采用階躍信號，使速度調(diào)節(jié)器在起動 過程中處

54、于飽和限幅輸出狀態(tài)，從而使電流達到最大允許值，在負載一定的條件下， 電動機在最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩下以最大的等加速度起動，使系統(tǒng)得到最快的動態(tài)響應。而 工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)工藝條件并不要求在電流約束條件下的最快速起動，而是對 起動加速度有嚴格限制，要求起動過渡過程平緩。同時起動時，電流平緩，可避免 對電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)的安全運行。此時系統(tǒng)的給定信號不能再采用階躍給定形 式，可以采用給定積分器作為系統(tǒng)的給定裝置。給定積分器在階躍輸入時，它的輸 出為一定斜率的斜坡信號。斜坡信號的斜率是可調(diào)的。這個斜坡信號作為速度閉環(huán) 的速度給定，使得電動機在起動制動過程中速度均勻變化。 5 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計研

55、究次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計研究 在晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路和控制電路結(jié)構(gòu)完全確定的情況下，可以根據(jù)系 統(tǒng)控制信號的傳遞關(guān)系，建立系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)被控制對象和設(shè)計要求，選 擇校正裝置，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并滿足所需要的動、穩(wěn)態(tài)性能指標要求。 5.1 系統(tǒng)電路及原理圖設(shè)計系統(tǒng)電路及原理圖設(shè)計 串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于 變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級調(diào)速可以將異步電動 機的轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機械能送回到電動機軸上，因此效率高。它能實 現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管次同步串級調(diào)速系統(tǒng)， 技術(shù)難度小

56、，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應用。根據(jù)以上所說，設(shè)計出串級 調(diào)速系統(tǒng)主電路為圖 2.2。 說到雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速，我們得首先來簡要認識一下單閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速，單閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動機軸上裝一臺直流 測速發(fā)電機 tg，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓 uf，與給定電壓 ugd比較后，得偏差電壓 u，經(jīng)過放大器產(chǎn)生觸發(fā)裝置的控制電壓 uk，用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。因為這里 只有一個環(huán)，所以成為單閉環(huán)系統(tǒng)。采用 pi 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既保證了動 態(tài)穩(wěn)定性，又能做到無靜差，很好地解決了系統(tǒng)中動、靜態(tài)之間的矛盾。然而系統(tǒng) 中只靠電流截止環(huán)節(jié)來限制啟動和升速的沖擊電流，

57、其性能仍然不能令人滿意。主 要問題是，不能在充分利用電機過載能力的條件下獲得最快的動態(tài)響應，甚至使啟 動和加速過程拖長。自動控制理論提示，進一步解決問題的唯一途徑是對電流這個 物理量也實行負反饋控制。同時在電流控制回路中設(shè)置一個調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié) 電流量。這樣，系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。這樣的系統(tǒng)稱為轉(zhuǎn) 速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋在系統(tǒng)中分別起作用，又不致互相牽制而影 響系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流。它們之間實現(xiàn)串 級聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去 控制晶閘管的觸發(fā)裝置。原理圖如下

58、： 圖 5.1 繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖 5.2 實驗調(diào)試及數(shù)據(jù)分析實驗調(diào)試及數(shù)據(jù)分析 根據(jù)次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路圖以及雙閉環(huán)原理結(jié)構(gòu)框架圖將實物在 mcl 平臺上運行，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓低于二極管電壓，無法實現(xiàn)整流，后來分別在轉(zhuǎn)子三條 回路中串入三個可調(diào)電阻，目的為了增大轉(zhuǎn)子側(cè)電壓，使轉(zhuǎn)子側(cè)電壓大于二極管電 壓。 實驗初期應對晶閘管的允許最大電流進行考慮，否則將導致運行一段時間后出 現(xiàn)晶閘管燒毀。為了防止通過晶閘管的電流過大，在晶閘管和電流表之間串入一個 可調(diào)電阻，令其對通過晶閘管的電流進行控制使之一直小于 1a。 5.2.1 直流測速發(fā)電機的工作特性直流測速發(fā)電機的工作特性 1.實

59、驗原理方案： 實驗利用日光燈工作頻率為 50hz 這個特性，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，透過鋁槽觀測紙 條移動數(shù)。當我們看到紙條不移動時，此時的轉(zhuǎn)速 n =100*r/min。如看 0 所貼紙條數(shù) 60 到紙條向前移動，轉(zhuǎn)速 n =n + r/min。如看到紙條向后移 10 所貼紙條數(shù) 數(shù)一分鐘向前移動的紙條 動，轉(zhuǎn)速 n =n - r/min。 20 所貼紙條數(shù) 數(shù)一分鐘向后移動的紙條 2.實驗設(shè)備和儀表： 直流電動機 1 臺，直流發(fā)電機 1 臺，直流測速發(fā)電機 1 臺，萬用表 1 臺，鋁槽 1 個。 3.實驗接線： 圖 5.2 實驗接線圖 4.實驗步驟： (1)檢查已連接好的裝備電路，找出測量測速發(fā)電機

60、的電壓接線端。 (2)開啟電源，打開直流調(diào)速開關(guān)，使電機正常運轉(zhuǎn)。 (3)把鋁槽放到有 4 條白條紋的軸承上，調(diào)節(jié)電機調(diào)速旋鈕到可以透過鋁槽看到 條紋相對靜止或緩慢移動為止，并記錄一分鐘可見白條紋移動過去條紋數(shù)，用萬用 表測量此時直流測速發(fā)電機的輸出電壓，記錄下來。 (4)把鋁槽分別放到有 6，8，10 條白條紋的軸承上，重復步驟 3 的操作，并記 錄此時的數(shù)據(jù)。 5.實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理： 表 5.1 測速發(fā)電機實驗數(shù)據(jù) 條 紋 數(shù) 超前條紋數(shù) （min） 最低電壓 （v） 最高電壓 （v） 轉(zhuǎn)速換算 （r/min） 67266.066.51011 86449.449.8756 根據(jù)數(shù)據(jù)得出實