双闭环三相异步电机串级调速系统毕业设计(可编辑修改word版)

摘要
本毕业论文所研究的是双闭环三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。

对于绕线式异步电动机来说，由于改变其转子绕组控制变量以实现调速，转子侧的控制变量有电流、电动势、电阻等。

通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节；而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动势，这也是本文所要研究的重点之一。

利用串级调速系统，就是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办法。

用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态性能。

把这种用附加电动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。

这是本文所必须研究的，也是本文的核心所在。

并通过利用MATLAB 软件对双闭环串级调速系统进行仿真，仿真结果表明通过双闭环串级调速系统能及时地对给定速度进行反馈，提高调速的准确性。

关键词：双闭环；串级；调速；MATLAB.
Abstract
The graduation thesis studies three-phase asynchronous motor is double loop bunch_rank speed-control of the basic principle and implement method. With wound rotor series, asynchronous motors can adjust speeds through control variables, which include electric current, electromotive force and resistance, etc. on the rotor side. Typically, the rotor current is determined by the load and cannot be adjusted freely. In contrast, adjusting rotor’s return circuit impedance tends to consume more power along with other disadvantages. Therefore, electromotive force should be the only control variable on the rotor side, which is also one of the major points research in this paper.
In summary, concatenation control system is one effective means to realize high control ability in series-wound asynchronous motors. Specifically, it is used to replace resistance with rotor’s electromotive force and absorb slip power; and to enhance the static and dynamic capabilities of the system using double closed loop. We refer to this method of utilizing additional electromotive force to recycle slip power as concatenation control with double close loop, which is also the focus of this paper. And through the use of MATLAB software on the double closed loop bunch_rank speed- control system, and simulation draw simulation diagram,the results show that by double closed loop bunch_rank speed-control system can timely given speed feedback, to improve the accuracy of speed
Keywords: double-loop；cascade；governor；MATLAB.
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
1绪论 (1)
2串级调速的原理 (3)
2.1异步电动机转子附加电动势时的工作情况 (3)
2.2串级调速的功率传递关系 (4)
2.3串级调速系统及其附加电动势的获得 (5)
3双闭环三相异步电机的静态特性和动态特性 (9)
3.1三相异步电动机串级调速开环工作机械特性 (9)
3.2三相异步电动机单闭环ASR 系统静特性 (11)
3.3双闭环调速系统的静态和动态特性 (13)
4总体设计方案 (17)
4.1双闭环三相异步电机串级调速各个模块的功能 (17)
4.2串级调速系统设计 (23)
4.3双闭环系统设计 (24)
4.4总电路图的设计 (25)
5系统仿真 (27)
5.1仿真软件的简介 (27)
5.2具体的软件仿真设计 (27)
5.3系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 (36)
总结 (37)
参考文献 (38)
致谢 (39)
1绪论
电力传动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置。

它广泛应用在精密设备和精密机构、加工和再加工机器以及运输工具中，也广泛应用在原材料工业以及其他工业部门的传送、预选、一般生产装置和辅助装置等凡是需要动力的场合中。

目前，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦，转速从每小时几转到每分钟几十万转，调速范围在无变速机构情况下可达1：10000。

在生产的总电能中，大约有2/3 用在电力传动上[1]。

电力自动控制系统的特征是，它可以完成能量变换和控制所需要的信息处理。

因此，采用自动传动方法，一方面可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，另一方面也可以把人们从信息处理的工作中解脱出来。

这样，总的来看，其结果就是改善人们在生产过程中的工作条件，并且大幅度提高全社会生产和再生产的效率，电力传动自动控制系统是提高劳动生产率的合理手段和促使国民经济不断增长的重要因素。

因而，正确采用电力传动控制系统并使之进一步向前发展，对我国的国民经济的发展具有十分重要和特别现实的意义。

电力传动技术主要有直流和交流两种，由于直流电机存在机械换向问题，其最大
供电电压受到限制，机械强度也限制了转速的进一步提高，结构的影响使其不适用于腐
蚀性、易暴性和含尘气体的特殊场合。

交流电动机一直受到人们的重视。

它体积小、重量轻、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、便于维修。

只是长期以来由于它的
控制比较复杂和调速性能差、装置价格高、效率低，使交流调速未能推广。

自从微处理器出现后，国外在绕线异步电动机串级调速、无换向电机调速、鼠笼型异步电动机的矢量控制以及PWM技术方面，都已经获得重大突破与发展，进入工业应用阶段。

可以说，交流传动逐步取代直流传动已经成为明显的发展趋势。

特别是“节能型”交流传动技术，已经得到很快发展。

在过去大量的应用的所谓不变速拖动系统中，有相当一部分是风机、水泵等拖动系统，这类负载约占工业电力拖动的一半。

其中有些并不是真的不需要变速，只是由于过去的交流电机都不能调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗了大量的电能。

如果能够转换成双闭环串级调速系统，则消耗在挡板阀门上的功率就可以节省下来，每台约可节能20%以上。

总起来的节能效果是很可观的。

我国在这方面也有了长足的发展。

例如淮北矿业集团临涣煤矿是一所现代化矿井，由于生产相对集中，所需排风量一直不高，实际在70M3/s左右，采用风闸门调节方式。

由于风闸门开启程
度减小，通风网路阻力增大，克服附加阻力消耗了许多电能，调节方式极不经济，为解决这一问题，该矿也应用串级调速技术对抽风机进行了技术改造，从而大幅度提升了生产效率，也产生了一定的经济效益和社会效应[2]。

还有在水厂当中，为了节约能源，降低成本，解决现有水泵扬程过高，加上供水管道口径扩大调整，原水水质恶化，原有的净水设备达不到要求和城市用水大大超过水厂设备的能力，造成出厂水压力大幅度降低，使水泵长期处于低效率的运行状态下，在这种情况下应该对原有的设备进行改进，从而获得更出色的性能以满足需求。

调速方法有很多种，惟独串级调速系统机构复杂程度中等，长期低速运行时电效率高，成本中等，对维修技术要求不高，特别是对于需要调节转速的风机、水泵上的应用。

节电率可以达到20%到40%，便于对旧设备进行改造，因此，就我国现在的经济实力，管理水平和工业状况来看可控硅有源逆变串级调速是一种非常合适的方案。

如果再加入双闭环技术的话那么性能将会进一步获得提升。

因此研究串级调速系统是一个很有意义的课题。

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[3]。

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[4]。

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。

2 串级调速的原理
2.1 异步电动机转子附加电动势时的工作情况
首先作这样一个设想：若在绕线式异步电动机转子回路中串入与转子电动势同频率的附加电动势，通过改变附加电动势的幅值大小和相位，从而实现调速。

这样，电动机在低速运行时，转子中的转差率只是小部分在转子绕组上消耗掉，而转差功率的大部分被串入的附加电动势所吸收[5]。

再利用产生附加电动势的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈入电网，就能使电动机在低速运转时仍具有较高的效率如图2.1。

这种在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电动势的高效率调速方法，就是串级调速。

三相交流电源
三相交流电源
图 2.1 转子附加电势的装置 下面分析异步电动机转子附加电动势时的工作情况。

异步电动机运行时其转子相电动势为：
E 2 SE 20
（2.1）
式中 S --异步电动机的转差率；
E 2=S*E 20 Eadd I 2 变压器 交流异步电机
E 20---绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称开路电动势，转子额定电压值。

转子电动机 E 2 值与其转差率 S 成正比，同时它的频率 f 2 也与 S 正比，f 2=Sf 1 按常规接线时，转子相电流的方程式为：
I 2 = SE 20
（2.2）
R 2 为转子绕组每相电阻；X 20 为
S=1 时转子绕组每相漏抗。

现在在转子回路中引入一个可控的交流附加电动势 E add ，并与转子电动势 E 2
串联。

E add 应与 E 2 有同频率，但与 E
2 同相或反相。

I 2 = (SE 20 + (-)E add （2.3） 当电力传动的负载转矩 M 1 为恒定时，可认为转子电流 I 2 也为恒定。

设在未串入附加电动势前，电动机原在 S=S 1 的转差率下稳定运行。

当加入反相的附加电动势后，由于负载转矩恒定，因此电动机的转差率必须加大。

这个过程也可描述为，由于反相附加电动势的引入瞬间，转子回路总的电动势减少，转子电流也随之减小，使电动机电磁转拒也减少；由于负载转拒没有变，所以电动机就减速，直至 S=S 2 时，转子电流有恢复到原来的数值，电动机进入新的稳态工作。

此时关系式为：
I 2 = (SE 20 - E add = S 1E （2.4）
同理，加入同相附加电动势 E add 可使电动机转速增加。

所以，当绕线转子异步电动机转子侧引入一可控的附加电动势时，即可对电动机实现转速的调节。

2.2 串级调速的功率传递关系
在一般电动机转子中串入附加电动势而形成的串级调速，从功率关系来看，实质上就是利用附加电动势 E add 来控制异步电动机转子中的转差功率而实现调速[5]。

串级调速可以实现 5 种基本运转状态，不同运转状态下的功率传递因素关系如图 2.2 所示。

五种状态如下：
第一种是低于同步转速电动机的运转状态。

第二种是高于同步转速电动机运行状态。

第三种是高于同步速的发电制动运转状态，。

第四种是低于同步速的发电制动运转状态。

第五种是倒拉反接制动状态。

a)次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态
d)超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态
图2.2 异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程本毕业设计主要研究的属第一种，低于同步转速电动机的运转状态。

这种状态下转子电流I2与转子绕组感应电动E2相位趋于一致，而I2与串入附加电动势E add相位相反，故转子绕组E2输出转差功率P S=S*P 被E add装置所吸收，再借助于E add 装置将吸收的转差功率回馈入电网。

2.3串级调速系统及其附加电动势的获得
在电动机转子中引入附加电动势固然可以改变电动机的转速，但由于电动机转子回路感应电动势E2的频率随着转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必须能随电动机转速而变化[6]。

这种调速方法就相当于一个在转子侧加入可变频、可变幅电压的调速方法。

当然以上只是从原理上来分析，在工程上可有不同的实现方法。

实际系统中是把转子交流电动势整流成直流电动势，然后与一直流附加电动势进行比较，控制直流附加电动势的幅值，就可以调节电机的转速。

这样就把交流可变频率的问题转化为与频率无关的直流问题，使得分析与控制都方便多了。

显然可以利用
一整流装置把转子交流电动势整流成直流电动势，再利用晶闸管组成的可控整流装置来获得一个可调的直流电压作为转子回路的附加电动势。

那么，对这一直流附加电动势有什么技术要求呢？
首先，它应该是平滑可调的，以满足对电机转速的平滑调节。

另外从功率传递的角度来看，希望能吸收从电动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用，譬如把能量回馈电网，而不让它无谓的浪费掉，那就可以大大提高调速的效率。

根据上面的叙述，如果选用工作在逆变状态的晶闸管可控整流器作为产生附加直流电动势的电源，是完全能满足上述要求的。

异步电动机M 以转差率S 在运行，其转子电动势SE20经三相可控整流装置UR 整流，输出直流电压U d。

工作在逆变状态的三相可控整流装置UI，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 整流后的输出的电动机转差功率逆变器回馈到交流电网。

电动势平衡方程式：
U d=U i+I d R
（2.5）
K1SE20=K2U2T COSβ+I d R
（2.6）
式中，K1和K2是UR 和UI 两个整流装置的电压整流系数，如果它们都采用三相桥式连接，则，K1= K2=2.34
U i—逆变器输出电压
U2T—逆变器的次级相电压
β—晶闸管逆变角
R—转子直流回路的电阻
下面就分析一下它的工作原理。

当电动机拖动恒转矩负载在稳态运行时，可以近似认为I d为恒值。

控制β 使它增大，则逆变电压U i立即减小；但电动机转速因存在着机械惯性尚未变化，所以U d仍然维持原来的数值，根据公式可以得知转子直流回路电流I d增大，相应转子电流I2也增大，电机就加速；在加速过程中转子的转差率变小，因此整流电压随之减少，故又使电流I d减少，直至U d与U i根据公式取得新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。

同理，减小β可以使电机在较低的转速下运行。

以上就是电力电子器件组成的绕线式转子异步电动机电气串级调速系统的工作原理。

在电路图中，除拖动电机外，其余的元件都是静止的元、器件，所以也称为静止型电气串级调速系统。

从这些装置的联接可以看出，他们构成了一个交-
直-交变频器，但由于逆变器通过变压器与交流电网相联，它输出的频率是固定的，
所以实际上是一个有源逆变器。

从这一点来说，这种调速系统可以看作是电动机定子
在恒压恒频供电下的转子变频调速系统。

这种串级调速系统由于β 值可平滑连续调节，使得电机转速也能被平滑地调节。

另外，由于电动机的转差功率能通过转子整流变
换为直流功率，再通过逆变器变换为交流功率回馈到交流电网，所以就解决了一开始所
提出的一般转差能耗调速方法存在的两个问题。

因此串级调速方法也称为转差功率回
馈型的调速方法[7]。

2.4串级调速系统的工作原理
下面按起动、调速与停车三种情况来分析串级调速系统的工作。

对电气传动装置而言，实质上是否获得加减速时所必需的电磁转矩[8]。

讨论中认为电动机轴上带有反抗
性的恒转矩负载。

电动机能从静止状态起动的必要条件是能产生大于轴上负载转矩的电磁转矩。

对
电气串级调速系统而言，就是应有足够大的转子电流I r或足够大的整流后的直流电流I d，为此，转子整流电压U d与逆变电压U i间应有较大的差值。

异步电动机在静止不动时，其转子电动势为Er0;控制逆变角β，使在起动开始的瞬间，U d与U i的差值能产生足
够大的I d,以满足所需的电磁转矩，但有不超过允许的电流值，这样电动机就可在一
定的动态转矩状态下加速起动。

随着异步电机转速的提高，其转子电动势减少，为了维
持加速过程中动态转矩基本恒定，必须相应地增大β角以减少U i值，维持（U d- U i）基
本恒定。

当电动机加速到所需转速时，不再调整β角，电动机即在此转速下稳定运行。

设此时的S=S1, β=β1,则有
K1S1E r0=K2U2T COSβ1+I dL R
（2.7）其中I dL为对应于负载转矩的转子直流回路电流。

改变β角的大小就可以调节电动机的转速。

当增大β角使β=β2>β1时，逆变电
压就会减少，但电动机的转速不能立即改变，所以I d将增大，电磁转矩也增大，因此产生的动态转矩使电动机加速。

随着电动机转速的增高，K1S1E r0减少，I d回降，
直到产生下式所示的平衡状态，电动机乃在增高了的转速下稳定下运行。

K1S2E r0=K2U2T COSβ2+I dL R (2.8) 其中，β2>β1，S2<S1。

同理，减少β 角时可使电动机在降低了的转速下稳定运行。

电动机的停车有制动停车和自由停车两种[9]。

对于处于次同步转速下运行的双馈
调速系统，必须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制动。

在串级调速系统中
与转子连接的是不可控整流装置，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不可能向转子输入电功率。

因此串级调速系统没有停车制动功能。

只能靠减小β 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。

根据以上对串级调速系统工作原理的讨论得出下列结论：
(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[10]。

3双闭环三相异步电机的静态特性和动态特性
3.1三相异步电动机串级调速开环工作机械特性
三相异步电动机串级调速开环工作机械特性是指三相异步电动机串级调速系统
中无闭环负反馈作用时电动机的转速n 与转矩T em之间的关系：
n =f（T em）
（3.1）
三相异步电动机的转速n 与转差率s 之间存在一定关系：
s =n
1
-n
n
1
（3.2）
所以三相异步电动机的机械特性也往往用Tem =f（s）的形式表示：
T =2T
m
em S
S
m +
S
m
S
（3.3）
T = 9550 P N
（3.4）（3.5）
N
N
T
m
=
T
T
N
s =s (+
2- 1) T =2T m
（3.6）m N T T N S
N
S
m
+
S
m
S
N
将式（3.5）和式（3.6）代入式（3.7）即可得到机械特性方程式。

表3.1 加负载转矩的开环机械特性测定实验表
转速 n(r/min) 640 610 588 555 532 510 晶闸管电流 I G(A) 0.225 0.227 0.228 0.229 0.301 0.303
n
晶闸管电压 U G(V) 17 17 17 17 17 17
负载转矩 M(N.m) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 电源电压 U(V) 220 220 220 220 220 220 给定电压(V) 3 3 3 3 3 3
图3.1 加负载转矩开环机械特性测定实验图
通过上述实验数据如表3.1 所示，画出机械特性测定实验图如图3.1 所示，可以看出当触发电路导通后，电源电压不变，只改变系统负载的情况下晶闸管电流也随着变化，负载转矩增大，晶闸管电流也随之略有增大[11]。

表 3.2 改变给定电压时的开环机械特性表
转速 n(r/min) 0 516 605 673 555 532
晶闸管电流 I G(A) 0.129 0.256 0.358 0.462 0.444 0.389 晶闸管电压 U G(V) 15 15 15 15 15 15
负载转矩 M(N.m) 0 0 0 0 0 0
电源电压 U(V) 210 210 210 210 210 210 给定电压(V) 0 1 2 3 4 5
图3.2 改变给定电压时的开环机械特性图
由实验数据表3.2 可知，随着给定电压的变化，触发电路导通，晶闸管和转速也发生变化。

给定电压由0V 到3V 的过程中，转速随之逐渐变大，当给定电压从3V 到5V，转速开始降低，同时晶闸管电流下降。

如图3.2 所示。

3.2三相异步电动机单闭环ASR 系统静特性
闭环反馈控制系统是按被调量偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会通过负反馈作用来自动地纠正偏差，以抑制扰动对输出量的影响[12]。

3.2.1三相异步电动机单闭环ASR 系统有静差
引入转速负反馈只能减少静态转速降落，使转速尽可能维持接近恒定，而不可能完全回复到原来数值(即有误差)。

这种维持被调节量(转速)近于恒值但又有静差的调节系统，通常称为有差恒值调节系统，简称有静差系统。

表3.3 单闭环静差系统数据表
图 3.3 单闭环静差系统实验图
通过上述实验数据如表3.3 所示，利用数据得出图3.3 可以看出当触发电路导通后，当电动机轴上的负载转矩加大时，负载电流增加，电枢主回路的总电阻电压降落
便增加，因为此时晶闸管整流装置输出的整流电压还没有变化，于是电动机的反电动势E a＝K en便减小，电动机转速随之下降。

电动机转速下降后，负反馈电压U n也下降到U nl，但这时给定电压U n* 并没有改变，而U＝U n*–U nl，偏差电压便有所增加，它使晶闸管整流装置的控制角减小，整流电压上升，电动机转速就回升了。

但是，电动机的转速不能回升到原来的数值。

因为假如电动机的转速已经回升到了原值，那么测速发电机的电压也要回升到原来的数值，由于偏差电压U n＝U n*–U n，偏差电压又将下降到原来的数值，也就是说偏差电压U 没有增加，U 不增加，晶闸管整流装置的输出整流电压U do COSα 也不能作相应的增加，以补偿电枢主电
路电阻所引起的电压降。

这样，电动机的转速又将重新下降到原来的数值，不能因引
入转速负反馈而得到相应的提高了。

3.2.2三相异步电动机单闭环 ASR 系统无静差
有静差调速系统，进行给定信号和反馈信号综合的运算器是比例放大器（称为P 调节器），其输出电压就是可控整流电源的控制电压[13]。

如果系统没有静差，给定电压和反馈电压相等，放大器就没有输出电压，可控整流电源也就没有输出电压，系统就不能
工作，因此可以说系统是依靠误差而运行的。

从静特性方程进行的推理可知，由于放大
器的放大倍数不可能为无穷大，所以闭环转速降也不可能为0，在静态时其放大倍数
接近无穷大，或静态时其输入电压为0，但仍保持有输出电压。

积分运算器的应用，实现了转速控制的无静差要求，但是，由于积分时间的影响，大大减慢了系统自动调节的速度，使系统的动态响应变慢。

为此无静差转速控制系统常采用比例-积分运算器也称为PI 调节器。

表3.4 单闭环无静差系统实验数据表
转速 n(r/min) 638 610 590 565 524 498
晶闸管电流 I G(A) 0.391 0.392 0.392 0.391 0.391 0.392
晶闸管电压 U G(V) 14 14 14 14 14 14
负载转矩 M(N.m) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
电源电压 U（V）200 200 200 200 200 200 给定电压 3 3 3 3 3 3。