串级调速系统的仿真与设计

湖南科技大学

信息与电气工程学院

《课程设计报告》

题目：串级调速系统的仿真与设计

专业：电气工程及其自动化

班级：电气三班

姓名：

学号：

指导教师：吴新开

任务书

题目串级调速系统的仿真与设计

时间安排第十七、十八周

目的：应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。

要求：1、异步电机的最大负载功率为P=7.5KW。

2、生产工艺要求电机不可逆转，传动系统能实现无级平滑调速，调速范围D=20。

3、生产过程中要求传动系统有较高的调速精度，低速时静差率S≤0.01。

4、系统动态指标要求电流超调量小，转速抗干扰性及跟随性好。

总体方案实现：

利用Matlab/Simulink和Power System工具箱，建立系统的电气原理结构模型，系统的建模过程接近实际电路设计过程。

指导教师评语：

评分等级：（）

指导教师签名：

一、串级调速原理

绕线转子异步电动机用转子串接电阻、分段切换可进行调速，此法调速性能与节

能性能都很差。采用转子回路引入附加电动势，从而实现电动机调速的方法称为串级调速。晶闸管串级调速是异步电动机节能控制广泛采用的一项技术，目前国内外许多著名电气公司均生产串级调速系列产品。串级调速的工作原理是利用三相整流将电动机转子电动势变换为直流，经滤波通过有源逆变电路再变换为三相工频交流返送回电网。

串级调速主电路如图1-1所示，逆变电压U

β

为引入转子电路的反电动势，

改变逆变角β即可以改变反电动势大小，达到改变转速的目的。U

d

是转子整流后的直流电压，其值为。当电动机转速稳定，忽略直流回路电阻时，

则整流电压U

d 与逆变电压U

β

大小相等方向相反。当逆变变压器T1二次线电压为

U

2l

时，则

所以

上式说明，改变逆变角β的大小即可以改变电动机的转差率，实现调速。

通常电动机转速越低返回电网的能量越大，节能越显著，但调速范围过大将使装置的功率因数变差，逆变变压器和交流装置的容量增大，一次投资增高，过串级调速比宜定在2:1以下。

图1-1 串级调速主电路

二、调速过程

1. 起动

接通KM1、KM2，利用频敏变电阻器起动电动机。当电动机起动后，断开KM2接通KM3，电动机转入串级调速。

2. 调速

电动机稳定运行在某转速此时U

d = U

β

，如β角增大则U

β

减少，使转子电流

瞬时增大，致使电动机转矩增大转速提高、使转差率s减少，当U

d 减少到U

β

相

等时，电动机稳定运行在较高的转速上；反之减少β的值则电动机的转速下降。

3. 停车

先断开KM1，延时断开KM3，电动机停车。

三、参数计算

1. 电机选择

本设计选取三相异步电动机，调速范围为D= 20。三相异步电动机主要技术数据如下：

额定输出功率7.5KW；定子绕组额定线电压380V；

定子绕组额定相电流12A; 定子绕组每相电阻0.5欧姆；

定子绕组接线形式Y；转子额定转速980rpm;

转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:3欧姆；

转子折算后额定电流30A；额定功率因数：0.75；

电机机电时间常数2S; 电枢允许过载系数1.5；

电网额定电压:380/220V; 电网电压波动10%;

环境温度:-40~+40摄氏度;环境相对湿度:10~90%.

转差率：3%；调速范围：D＝20；

电流超调量小于等5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;

稳速精度：0.03.

2. 逆变变压器参数计算

逆变变压器二次线电压：

逆变变压器容量：

因为I T2N = I2N，所以：

3. 整流电路和逆变电路器件选择

直流回路的额定电流：

因为整流电路和逆变电路器件的电压和电流基本相同，所以：

选取I T = 100 A 的器件。

上式中，对于三相桥式电路，电感性负载K I = 0.368；I dm为直流回路的电流最大值，I dm = 1.8I dN = 121.8A 。

逆变变压器二次电压峰值：

因而:

选取U T = 900 V 的器件。

选取六只型号为ZP100－9的功率二极管为整流器件，六只型号为KP100－9的晶闸管为逆变器件。

4. 电动机参数计算

由电机学得：

额定转差率：

定子相电阻（星形联接）

电动机额定转矩

折算到定子侧的总电抗

则折算到转子侧的总电抗，而

对应的等效电感：

转子相电阻

所以折算到转子侧的电动机相电阻

5.平波电抗器电阻和电感计算

按电流连续要求的电感量：其中=0.693。

按限制电流脉冲要求的电感：