异步电动机串级调速控制系统设计及仿真

1.2 异步电动机的传递函数 以第一工作区的运行来分析，晶闸管串级调速系统异步 电
动机转矩似与直流回路电流“的关系为：
主回路动态电压平衡方程式为：
⑷
丄 X 十尺这“ ^〜0 5 ―五々
式中：8—一转差率 一一回路总电感，其值为 110 十 213 十
值为: 3
^〜0 -------- 〉
式中〜^
兀
0？0 一一定子侧电源角频率 系统中转矩
8 尖化！7
了0# 十 1
7
竹I8
函数；巧(力代表触发环节传递函数。 1.4 系统调节器的设 计及参数的确定
数字调节器的设计方法有两种：（丨）用经典控制理论设
计模拟调节器，然后用数字方法对？10 进行数字模拟：⑵ 用
采样控制理论进行数字直接分析和设计。前一种方法调节 比
较简单、技术比较成熟，而且人们在长期生产实践中已摸 索
0引 ^1^
串级调速是指在绕线式异步电动机的转子电路中串
两边取拉氏变换并化简，得串调直流主回路的传递函数为
⑶
入 附加电动势进行调速的方法申采用此种方法进行调速的系 统 称为串级调速系统。串级调速的方法能使系统获得较高的 运 行效率，所以应用十分广泛，绕线式异步电动机串级调速 系 统已在许多工业部门中作为各种风机、泵类等负载的动力 装 置，取得了显著的节能效益，随着技术的不断发展和新器 件 的不断涌现，串级调速系统不断加以改进，也出现了一些 新 的串级调速方法，进一步分析和认识其控制系统的基本原 理， 有利于串级调速的推广应用。由子串级调速的感应电动 机与 不可逆直流电动机调压调速系统很相似，故可以把直流 传动 系统的闭环调节原理应用于串级调速系统。
1 控制系统设计
〜^1 \^^ ‘3x0”
式中【I”
“0 苁 由上面分析可以看出，
该环节传递函数中，时间
常数 和放大系数“都是转速。的函数，所以它们是非定常 的。
双闭环串调系统可以将其非定常的电流内环近似按定常 系统
方法来进行动态综合确定其调节参数，其固有参数 和【“应
取由系统调节范围确定的最低转速时的数值。因 为这样能更
2 利用随七 1 汕进行仿真
似也让具有良好的开发性、高效的数据仿真分析，特别 是 信号处理和直观的图形显示功能，且似也让/81 瓜。址环 境下 的？30 模型库及&瓜业强大的二次开发功能和丰富 的工具箱， 能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行 仿真、计算^ 结合本文所述的调速系统，在^！1 八 8 提供 的&瓜 4 址仿真软 件包下，按照图 1 所示结构画出该串调 系统结构框图。利用前 面推导的公式计算出备环节参数，并 赋入框图参数表中，运行 仿真软件，得到仿真彼形如图 2 所示：
1989； [珏]厉无咎^可控硅串级调速系统及其应用：钔一上海：交 通 大学出版社，1985 作者简介：
田毅（巧训-），男，河北省邯郸人，华北电力大学硕士 研 究生，主要从事电力系统自动化的研究；
田建设（丨卩〗〗-），男，河北保定人，华北电力大学教授， 主要从事电力系统自动化的教学工作和研究。
民 67^01 过：0^803^6 3 口 66 己，387^0^^000^8 历 0 七 0【，&
式中巧^
2 00
3150^
1.3 串调系统动态结构框图 电流调节器与速度调节器一般采用？I 调节器，再考虑 给
& 一―积分时间常数，其值为”,1" 口过？人 1.4.2 速度调节器参数的确定
考虑抗干扰能力，速度环一般按典型 II型系统设计。速 度
0^
(口）
调节器应采用比例
式中 7 加一一比例系数，其值为 472积分调节器，其表达式为：
⑴
似是直流回路电流々的二次函数，
关系。为此，需要对它做近似线性
是一 个非线性 化处理。取似
对々的二次导数，得到：
& 一一转差率为 3 时，转子直流回路等效电阻，其 〜0 一一转子静止时的整流电势，其值为 2.34 五 20
-逆变电势
^ 用转速十0 来〔表知示转差率 8，式〉0“〉可二化丑^为‘0： ”0 兀
由电力拖动系统运动方程
⑶2 也
似一礼^
来自百度文库375 出 计。
1.4.1 电流调节器参数的确定
为提高系统抗干扰能力，按典型 II 型系统设计电流环。 则可把大惯性环节近似看为一积分环节，并按三阶工程最佳 进 行处理，此时电流调
(叫 节器为？I 调节器，其 -电流环小惯性环节等效传递函数，其 表达式为：
^1 。
200
100
0 (力启动过程仿真波形
中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十届学术年会论文集
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200
参考文献
100
0 …）抗干扰性能仿真波形 图
2 系统动态性能仿真波形
3 结论
由图 2 可以看出，通过调节？I 调节器参数，可以使系 统 达到较小的超调量和较强的抗干扰能力；由于该数字调节 器是 由单片机来实现的，故系统结构简单、调节方便、能够 达到一定的精度和可靠性。
中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十届学术年会论文集
―1723 ―
异步电动机串级调速控制系统设计及仿真
田毅，田建设 〈华北电力大学电力工程系，河北保定市，们丨⑶〗）
摘要：本文给出了串级调速异步电动机控制系统的一般公式，并对串级调速系统和异步电动机的传递函数进行了推 导，构
建出动态系统的结构框图，并在吐软件下进行了仿真验证，得到了较为满意的仿真结果。 关键词：串级调速；控制；仿真
迅速地补偿电抗扰动所造成的被调量的偏差和 使电流环具有
更高的响应速度。而且，了“和【“自身随转 速^的改变有互
相补偿的特性。从而自动地保持电流环的动 态性能基本不变。
1.1 串调系统转子主回路的传递函数 在这一环节中，以转子整流电势和逆变电势之差为输入 量，
以直流回路电流为输出量。根据回路定律得，串调系统 转子
到许多宝贵经验，故我们采用这种方法对调节器进行设 ；一一积分时间常数，其值为 1
定滤波环节等，就可直接画出图 1 所示的系统动态结构框 图。 图 1 串调系统结构框图
其中，〜⑷和‘⑷分别代表电流调节器和速度调 节器的 传递函数，这两个调节器的结构和参数都是待定的； 0^ (^) 和 0 扣(^)分别代表电流反馈滤波器和速度反馈滤波 器的传递
[！]王世荣，许太旭。串级调速系统应用中的几个问题，延 边大学农学学报，2001 (3、 口]姚俊，马松辉。&瓜^址
建模与仿真[幻.西安:西安电 子科技大学出版社，2002； ⑶姜讯.交流调速系统⑷.武
汉：华中理工大学出版社， 1990； [幻陈坚.交流电机数学模型及调速系统.北京：国防业出 版社，
⑷ ^ 001
由图 1 可以写出电流环的开环传递函数 评(力^〜(力 ‘〜(力‘0^ (力 式中 &；⑷-
值为尺 彻十 1 广
式中，⑶2 为折算到电动机轴上的拖动系统的飞轮惯量 将式
00⑷^
1
“⑷一 1论㈩)代入式(了)推得：
002 375 出 对上式两边取拉氏变换后，可得电动机的传递函数； 式中 701 一一比例系数，其值为 47 忍
〜
-五“⑵
0””
0
式中：〜一一转差率为 1 时，转子直流回路
等效电阻 “0 一一电动机额定转速 ㈦
2
⑶
^ 2似
1 6X0
因为…/兀项通常很小，9.81^0 兀
一个
似对“的二次导数是
远远小于 1 的值。因此可以将似在某工作电流值附近展开 成泰
勒级数形式，又因二阶导数项很小，可以忽略，所以电 动机的
转矩似可以写为：
线性化后的转矩系数；
式中：仏
礼^ ^ 0 十匚从 I 似^似 0 ^〜“ -负载转矩；‘ -
一 1724 一
理论电工
I 如一一负载转矩为…时对应的负载电流。 需要指出的是，在静态时，由于不同负载下电机磁通近 似
为一常数，故式⑦)可以较准确地表示电磁转矩似与电流 々的 关系：但在动态过程中，定子电流、转子电流、激磁 电流之间 存在着相位差，使定子电流的补偿作用不能及时， 所以动态 时磁通并不是常数，此时利用式(的表示的似与& 的关系误差 就会増大，但为了计算方便，在误差允许范围内， 这个等式 仍可使用。