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 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 图 3.4 单闭环无静差系统实验图 从上述表3.4 的数据可以看出，在单闭环无静差转速控制系统中当负载转矩增大时，晶闸管电流有小幅波动但基本维持恒定不变，晶闸管电压不发生变化，而转速有所下降，如图3.4 所示。通过图形可以看出单闭环无静差转速控制系统要比开环机械特性要硬。 3.3双闭环调速系统的静态和动态特性 3.3.1双闭环调速系统的静态特性分析 表3.5 双闭环静差特性数据表 转速n(r/min) 635 615 603 570 536 485 晶闸管电流I G(A) 0.411 0.412 0.413 0.412 0.411 0.411 晶闸管电压U G(V) 15 15 15 15 15 15 负载转矩M(N.m) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 电源电压U（V）210 210 210 210 210 210 给定电压 2 2 2 2 2 2 图3.5 双闭环静差系统实验图 从实验数据来看如表3.5所示，双闭环静差系统电流负反馈有使静特性变软的趋 势,但有转速反馈环包在外面，电流负反馈对于速度环来说相当于一个扰动作用，只要速度环的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就能受到抑制。何况速度环用的是PI 调节器，整个系统是无静差的调速系统. 也就是说，当速度环不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降被转速调节器的积分作用消除。一旦转速调节器饱和，速度环即失去作用，只剩下电流环起作用。这时，系统表现为恒流调节系统，静特性呈现下降趋势。如图3.5所示。 3.3.2双闭环调速系统的动态特性分析 从动态响应过程来看,突加给定信号U gn的瞬时，转速负反馈很小，近似为零，速度调节器很快处于饱和状态，输出恒值限幅电压U gim,经过电流调节器，使电动机很快地起动，起动后，虽然转速反馈电压U fn增长了，但是由于速度环的积分作用，只要还是U fnU gn输入偏差电压ΔU变成负值,速度环退出饱和。因此，在整个升速过程中,速度环一直处于饱和, 这相当于使速度环处于开环状态，系统只在电流环的恒值作用下以最大电流起动。直至超调后,速度环才真正发挥作用，使转速渐趋稳定。这样，就巧妙地利用了速度调节器的饱和非线性，在一段时间内使它的作用隔断，使系统在起动过程中基本上表现为恒流调节。 双闭环调速系统突加给定电压后，由静止状态启动时转速和电流的过渡过程波形如以下的图中所示。由于在启动过程中转速调节器经历了不饱和、饱和、退出饱和三个阶段，因此，整个过度过程也分为三个阶段[3]。 第一阶段是电流的上升阶段，突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，是U k、U do、I d都上升。当I d>I fz后，转速N 开始增长。由于电动机机电惯性较大，转速和转速反馈增长较慢，因而转速调节器ASR 的输入偏差电压△U n=U gn-U fz数值较大其输出电压很快达到了限幅值，并输送给电流调节器ACR，使其输出U k迅速增大，从而使触发脉冲从90 度初始位置快速前移，迅速地使整流电压U do增大，进而使电流I d迅速增大。当I d=I dm时，U fi=U gim,电流调节器的作用使I d不再增长，而保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器ST 由不饱和很快达到饱和，而电流调节器LT 一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。这些都是设计时予以保证的。 第二阶段是恒流升速阶段，即以最大电流给定升速。这一段是电流上升到最大值 I dm开始，到转速上升到给定值N ed即静特性上的N0为止，是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现 为在恒值电流给定U gim作用下的电流调节系统，基本上保持电流I d恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数）。与此同时，在电流环实现恒流调节的过程中，电动机的反电动势E 也按线性增长。对电流调节系统来说，反电势E 是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动。U k和U do也必须基本上按线性增长，才能保证I d恒定。由于电流调节器ACR 是PI 调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压△U i=U gim-U fi必须维持一定的恒值，也就是说I d应略低于I dm。上述情况表明，电流恒值调节过程同时伴随着对反电动势扰动的调节过程，反电动势扰动对电流的影响被电流调节器的积分作用所补偿。因此，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中，电流调节器是不饱和的，而且要求电流调节器的积分常数和调节对象的时间常数要互相配合，这正是电流调节器在设计的时候需要解决的问题。同时，还要求整流装置的最大电压U dm必须留有余地，即晶闸管装置也不应该出现饱和，以保证提供足够大的整流电压满足调节能力的需要。 第三阶段是转速调节阶段。在这个阶段开始时，转速已经达到了给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零即U gn=U fn,△U n=0。但其输出却由于转速调节器ASR 的积分作用还维持在限幅值上，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，转速调节器ST 的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压也就是电流ACR 的给定电压U gi立即从限幅值降下来，主电路电流I d也随之迅速减小。但是，由于I d仍大于负载电流I fz，在一段时间内，转速仍继续上升，直到I d=I fz时，转矩M=M fz，则转速N 达到峰值。以后，电动机才开始在负载转矩Mfz 的作用下减速。与此相应，电流I d也出现一段小于I fz的过度过程，直到进入稳态。综合上述可知，在这一段内，转速调节器ASR 和电流调节器ACR 都不饱和，同时起调节作用。由于转速环在外环，转速调节器处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使得系统稳定；电流调节器的作用则是力图使I d尽快地跟随转速调节器ASR 的输出U gi的变化，也就是说，电流内环的调节过程是速度外环支配的，故而形成了一个电流随动系统。 综合上述，双闭环调速系统的启动过程具有三个特点： （1）饱和非线性控制； （2）转速超调； （3）准时间最优控制。 随着转速调节器ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR 饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当不饱和时， 转速形成闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的系统，这就是饱和非线性控制特征。 转速环开环后，转速的动态响应一定有超调。只是在转速超调后，转速调节器ASR 退出饱和，才真正发挥线性调节作用。从另一个角度看，在ASR 饱和期间，它也并不是没有作用的，而是起着饱和的非线性控制作用。 启动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定。一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快，这个阶段电流受到限制条件下的最短时间控制，或者称“时间最优控制”，但整个启动过程与理想快速启动过程还是有差别的，主要表现为第二，第三阶段的电流不是突变。不过这两段的时间只占全部启动时间的很小的一部分，已经无关大局，所以双闭环调速系统的启动过程可以称为“准时间最优控制”过程[14]。 摘要 本文用电源反相序和动力制动的方法设计了双闭环串级调速系统的可逆和制动控制线路。双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。 本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。接着详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。并阐述了串接附加电阻在切换过程中的重要性。对其电气操作线路用可编程序控制器予以实现。 关键词：可编程序控制器、调速系统、程序控制器、异步电动机 第1章：引言 ....................................................................................... - 3 -第2章：双闭环串级调速系统的可逆和制动方案........................... - 4 -第3章：串级调速系统的动态数学模型........................................... - 6 -3.1转子直流回路的传递函数 (6) 3.2异步电动机的传递函数 (8) 3.3串级调速系统的动态结构框图 (9) 第4章：调节器参数的设计 ............................................................. - 10 -4.1电流环的设计. (10) 4.2转速环的设计 (12) 第5章串级调速系统的起动方式 ................................................... - 15 -5.1间接起动 (15) 5.2直接启动 (17) 第6章：操作控制电路 ..................................................................... - 18 -6.1PLC的选择 .. (18) 6.2可编程序控制器的I/O接口 (18) 6.3操作线路图的梯形图 (19) 6.4可编程序控制器程序清单 (21) 结束语.................................................................................................. - 24 -参考文献 ............................................................................................. - 25 - 皖西学院 课程设计任务书 系别：机电学院 专业：10电气 课程设计题目：双闭环串级交流调速控制系统设计学生姓名：诚学号：2010010694 起迄日期: 6 月 17日~ 6 月28日 课程设计地点:电机与拖动控制实验室 指导教师:世林 下达任务书日期: 6 月17日 摘要 本设计介绍了交流调速系统的基本概况及其研究意义，同时提出了本设计所要研究解决的问题，接着对系统各部分所需元器件进行比较选择并进行总体设计，最后采用工程设计方法对双闭环交流调速系统进行辅助设计，进行参数计算和近似校验。 在调节器选择方面，本设计选择的PI调节器，使得线路大为简化，且性能优良、调试方便、运行可靠、成本降低。触发电路则采用一种新型高性能集成移相触发器（MC787）设计的触发电路，它克服了分立元件缺点，抗干扰性优良，具有输入阻抗高、移相围宽、装调简便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果较好。 目录 1 绪论 (3) 1.1研究交流调速系统的意义 (3) 1.2本设计所做的主要工作 (3) 2 交流调速系统 (3) 2.1交流电机常用的调速方案及其性能比较 (3) 2.2三相交流调压调速的工作原理 (4) 2.3双闭环控制的交流调速系统 (5) 2.3.1转速电流双闭环调速系统的组成 (6) 2.3.2 稳态结构图和静特性 (6) 3 电路参数计算 (9) 3.1系统主电路的参数计算 .............................. .9 3.2根据系统方块图进行动态计算 (9) 3.3调节器的设计参数计算 .......................... . (11) 3.3.1 电流调节器的参数计算.......................... .12 3.3.2 转速调节器的参数计算.......................... .14 4 控制系统硬件电路设计............................. .16 4.1调节器的选择和调整 (16) 4.2触发电路的设计 (16) 4.3串级调速系统设计 (18) 4. 4双闭环系统设计 ........................ (19) 5 仿真........................................ .. (21) 6设计体会 (22) 毕业设计论文 基于PLC的直流电动机双闭环调速系统设计 摘要 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，可编程控制器（PLC）的功能更加完善，应用更为广泛，基于PLC的控制系统渐渐成为工业控制系统的主流。 本文介绍了基于PLC的直流电机双环调速系统，根据直流调速理论及自动控制系统的理论，介绍了PLC控制的双闭环调速系统的组成、工作原理和动态性能。本系统实现了对直流电机双闭环调速系统进行全数字化的改造，使电流环和速度环控制器都由PLC系统来实现。重点讨论了用西门子S7-200系列PLC中的CPU222及其两个扩展模块来实现直流电机双闭环调速系统。应用PLC的PID功能指令来实现直流电机速度的闭环控制。系统易于扩展，便于扩展各种I/O模块和功能模块。 关键词可编程控制器；直流电动机；双闭环；控制 Based on PLC dc motor double closed-loop speed regulation system design Abstract Along with the rapid development of the power electronic technology, computer technology and the automatic control technology, the programmable controller’s (PLC) function more perfect and more extensive application based on PLC control system, gradually become the mainstream of the industrial control system. In this paper introduces the dc motor based on PLC double closed-loop speed regulation system, according to the dc speed control theory and the theory of automatic control system, this paper introduces the PLC control of double closed-loop speed regulation system composition, working principle and the dynamic performance. This system of dc motor double closed-loop speed regulation system of the digital transformation, make current loop and speed loop controller by PLC system are discussed to realize. With Siemens S7-200 PLC and the CPU222 both extension module to realize dc motor double closed loop speed regulation system. Application of PLC PID commands to realize dc motor speed closed-loop control. This system is easy to expand, easy to expand all kinds of I/O modules and function modules. Keywords PLC；Direct current machine；Double closed-loop；Controls ?第7 章 ?绕线转子异步电机双馈调速系统 ?——转差功率馈送型调速系统 ?内容提要 ?引言 ?异步电机双馈调速工作原理 ?异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速 系统 ?异步电动机串级调速时的机械特性 ?串级调速系统的技术经济指标及其提高方案 ?双闭环控制的串级调速系统 ?*异步电机双馈调速系统 ?7.0 引言 ?转差功率问题 转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能是异步电动机调速的主要目的之一，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。 如第5章所述，交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型。 ●交流调速系统按转差功率的分类 （1）转差功率消耗型——异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低；但这类系统的结构简单， 设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 （2）转差功率不变型——变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 ●交流调速系统按转差功率的分类（续） （3）转差功率馈送型——控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些设备。 前两章已分别讨论了转差功率消耗型和不变型两种调速方法，本章将讨论转差功率馈送型调速方法。 ?7.1 异步电机双馈调速工作原理 本节提要 ?概述 ?异步电机转子附加电动势的作用 ?异步电机双馈调速的五种工况 ●转差功率的利用 众所周知，作为异步电动机，必然有转差功率，要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。 但要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。 ●绕线转子异步电动机 第一章设计概述 一、课程设计的性质和任务： 本课程是电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程，培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练，为毕业设计和实际工程设计奠定基础。 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是一种典型的自动控制系统。这种调速系统只有两个调节器，即速度调节器（ASR）和电流调节器(ACR)，两个调节器作串级连接，其中速度调节器的输出信号作为电流调节器的输入信号，从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。这种转速、电流双闭环调速系统，在突加转速给定信号的过程中表现为一个恒电流加速系统，而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统，因此各项性能指标较系统开环时提高许多。 本此课程设计的目的就是同学们在调试、设计一个典型的调速系统后，能够掌握自控系统调试、设计的方法，步骤及其调试原则，加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。 自控系统调试所遵循的原则： 先部分，后系统：即首先对系统的各个单元进行调试，然后再对整个系统进行调试。 先开环，后闭环：即首先进行开环调试，然后再对系统闭环进行调试。 先内环，后外环：即首先对内环进行调试（如在本此调试中就应先对电流环进行调试）,然后再对外环进行调试（如本此调试中的速度环调试）。 本次系统调试是在DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行。整个调试完成后要求系统达到以下指标： 二、DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置简介 1 装置特点 (1)设计装置采用挂件结构，可根据不同设计内容进行自由组合。 (2)装置连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电回路，造成设备损坏。 (3)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，分别设有电压型和电流型漏电保护装置，保护操作者的安全。 (4)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。 图2-1 DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置 2 装置技术参数 (1)输入：电压三相四线制，380V±10%，50Hz。 (2)工作环境：环境温度范围为－5～40℃，相对湿度< 75%，海拔高度< 1000m。 (3)装置容量：＜1.5kV A (4)电机输出功率：＜200W 3 DJK01电源控制屏 课程设计任务书 系部：电气工程与自动化系专业：自动化班级： 课程名称：运动控制系统 设计题目1：异步电机直接转距控制系统 设计内容： 设计一个异步电动机直接转矩控制系统，给出直接转矩控制系统的基本组成和控制方案，利用MATLLAB建立了相应仿真模型，并进行了仿真研究。 设计要求： 1.具备高可靠性。 2.满足实时性。 3.获得转矩的高动态性能。 4.尽可能减少逆变器的开关频率，减小定子电流、电磁转矩的脉动。 设计题目2：双闭环V-M调速系统中主电路、电流调节器及转速调节器的设计设计内容： 设计一个双闭环V-M调速系统中主电路、电流调节器及转速调节器。 设计要求： 1.电流稳态无误差，超调量不大于5%。 2.速度稳态无误差，超调量不大于10%。 设计题目3：三相交流电机SPWM变频调速系统 设计内容： 通过调研查找大量与本课题有关的资料，比较各种SPWM 波形产生的机制，进行细致的消化，探讨设计一种实用性、实时性、可操作性比较强的基于SPWM 理论的变频调速控制系统。 设计要求： 1.在消化吸收的基础上，提出开环、多调制方式、低频电压补偿的控制策略。 2.根据给定的电机，选择合适的电力电子器件和其它元器件。 3.考虑合理的控制电路，突出变频调速系统的实时性要求，采用结构化的软件设计方法，设计控制程序。 设计题目4：带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统 设计内容： 设计一个带转速微分负反馈的直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。 设计要求： 1.系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 2.触发脉冲有故障封锁能力。 3.对拖动系统设置给定积分器。 4.调速范围D=10，静差率S ≤ 5％。 5.稳态无静差，电流超调量σi ≤ 5%，启动额定转速时的转速退饱和超调量σn ≤ 10％。 设计题目5：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计 设计内容： 设计一个十机架连轧机分部传动直流调速系统，主电路方案选择、直流电动机型号确定、控制电路设计、电流和速度调节器设计。 设计要求： 1.电流环：稳态无静差，电流超调量σi≤50%。 2.速度环：空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。 设计题目6：双闭环直流调速系统的设计与仿真 设计内容： 设计完整的双闭环直流调速系统，掌握其原理和相关知识。对双闭环直流调速系统单元结构分别分析，并对其进行研究计算。使用MATLAB进行仿真和校验。 设计要求： 1.系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 2.稳态无静差，电流超调量不大于5%。 3.启动额定转速时的转速退饱和超调量不大于10％。 设计题目7：SPWM变频调速系统设计 设计内容： 采用SPWM控制方式，整个系统要求采用双闭环系统；给出整体设计框图。单元电路设计，给出具体设计思路和电路；分析各部分电路的工作原理，给出必要的波形分析；绘制总电路图，写出设计报告。 设计要求： 1.根据题目要求，分析并确定主电路的结构形式和调整系统的组成； 2.采用SPWM控制方式； 3.单元电路设计，给出具体设计思路和电路； 4.分析各部分电路的工作原理，绘制电图。 设计题目8：基于矢量控制的双PWM变频调速系统的设计 设计内容： 讨论PWM整流器的拓扑结构，工作原理，设计PWM整流器双闭环控制系统，以实现dq轴分量的解耦。将整流环节与你变环节相结合，构建基于矢量控制的双PWM变频调速系统。 设计要求： 1、搭建整流器的仿真模型完成相关仿真验证。 2、对调速系统参数最优值的选取和仿真波形进行比较。 设计题目9：单片机控制的PWM的直流电机调速系统的设计 设计内容： 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 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，其值为错误!未找到引用源。。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 所以错误!未找到引用源。 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. 运动系统课程设计--双闭环V-M 调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计 电机及其运动控制系统课程设计说明书 题目：双闭环V-M调速系统中主电路电 流调节器及转速调节器的设计 学院：自动化学院 专业：自动化 姓名： 学号： 指导教师：潘月斗 2013年11月20日 摘要 本设计简单介绍了双闭环调速系统的原理和动态结构，并基于相关原理，根据设定的电机参数等已知条件和要求按工程设计方法对双闭环调速系统主回路、转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）及其限幅电路进行设计，并对该系统的调节器有关参数进行了计算。最终完成了双闭环V-M调速系统的主电路以及电流、转速调节器的设计，并用Simulink进行了仿真验证，总结了设计心得。关键词：双闭环；调速系统；ASR；ACR；设计；计算；Simulink仿真 目录 摘要 (3) 课程设计任务书 (6) 一、设计题目 (6) 二、具体内容 (6) 三、已知条件及直流电机相关参数 (7) 四、设计要求 (7) 引言 (7) 1. 双闭环调速系统 (8) 1.1 概述 (8) 1.2 系统组成及原理 (9) 1.3 系统的静特性与动特性 (10) 2.系统各环节设计及参数计算 (11) 2.1 电流环的设计 (11) 2.2 转速环的设计 (13) 3. 系统主回路及控制电路设计 (16) 3.1 双闭环调速系统主回路电路 (16) 3.2 双闭环调速系统控制电路 (16) 3.2.1 转速给定器（G） (16) 3.2.2 转速调节器（ASR） (17) 3.2.5 电流调节器（ACR） (18) 3.2.6 电流互感器（TA） (19) 3.2.7 触发器（GT） (19) 3.2.8 转速变速器（FBS） (20) 3.2.9 直流稳压电源（DC RPS）.. 21 4. Simulink仿真 (21) 南昌大学实验报告 学生：学号：专业班级：自动化121班 实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：实验四双闭环三相异步电动机串级调速系统一．实验目的 1．熟悉双闭环三相异步电动机串级调速系统的组成及工作原理。 2．掌握串级调速系统的调试步骤及方法。 3．了解串级调速系统的静态与动态特性。 二．实验内容 1．控制单元及系统调试 2．测定开环串级调速系统的静特性。 3．测定双闭环串级调速系统的静特性。 4．测定双闭环串级调速系统的动态特性。 三．实验系统组成及工作原理 绕线式异步电动机串级调速，即在转子回路中引入附加电动势进行调速。通常使用的方法是将转子三相电动势经二极管三相桥式不控整流得到一个直流电压，再由晶闸管有源逆变电路代替电动势，从而方便地实现调速，并将能量回馈至电网，这是一种比较经济的调速方法。 本系统为晶闸管亚同步闭环串级调速系统。控制系统由速度调节器ASR，电流调节器ACR，触发装置GT，脉冲放大器MF，速度变换器FBS，电流变换器FBC等组成，其系统原理图如图7-2所示。 四．实验设备和仪器 1．MCL系列教学实验台主控制屏。 2．MCL—18组件〔适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件〔适合MCL—Ⅲ〕。 3．MCL—33组件或MCL—53组件〔适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ〕。 4．电机导轨及测速发电机、直流发电机 5．MEL—03三相可调电阻器(或自配滑线变阻器450Ω，1A) 6．绕线式异步电动机 7．MEL—11组件 8．直流电动机M03 9．双踪示波器。． 10．万用表 五．注意事项 1．本实验是利用串调装置直接起动电机，不再另外附加设备，所以在电动机起动时，必须使晶闸管逆变角β处于βmin位置。然后才能加大β角，使逆变器的逆变电压缓慢减少，电机平稳加速。 2．本实验中，α角的移相范围为90°～150°，注意不可使α＜90°，否则易造成短路事故。 3．接线时，注意绕线电机的转子有4个引出端，其中1个为公共端，不需接线。 4．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容〔预置7μF〕。 5．测取静特性时，须注意电流不许超过电机的额定值〔0.55A〕。 6．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。逆变变压器采用MEL-03三相芯式变压器的高压绕组和中压绕组，注意不可接错。 7．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1、SB2即可正常工作。 8．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 9．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。 10．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 11．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位〔只用一根地线即可〕，以免造成短路事故。 12．绕线式异步电动机：P N=100W，U N=220V，I N=0.55A，n N=1350，M N=0.68，Y接。 六．实验方法 1．移相触发电路的调试〔主电路未通电〕 〔a〕用示波器观察MCL—33〔或MCL—53〕的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅值相同的双脉冲；将G输出直接接至U ct，调节Uct，脉冲相位应是可调的。 〔b〕将面板上的U blf端接地，调节偏移电压U b，使U ct=0时，α接近1500。将正组触发脉冲的六个键开关“接通”，观察正桥晶闸管的触发脉冲是否正常〔应有幅值为1V～2V 的双脉冲〕。 〔c〕触发电路输出脉冲应在30°≤β≤90°范围内可调。 可通过对偏移电压调节电位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现β=30°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使β=90°。 2．控制单元调试 按直流调速系统方法调试各单元 3．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。 a．断开ASR〔MCL—18或MCL—31〕的“3”至U ct〔MCL—33或MCL—53〕的连接线，G〔给定〕直接加至U ct，且Ug调至零。 直流电机励磁电源开关闭合。电机转子回路接入每相为10Ω左右的三相电阻。 b．三相调压器逆时针调到底，合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出， 直流双闭环调速系统设计 1设计任务说明书 某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为: 直流电动机：V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =，04.0=a R ,电枢电路总电阻R=0.1Ω，电枢电路 总电感mH L 0.3=，电流允许过载倍数5.1=λ，折算到电动机轴的飞轮惯量224.11094Nm GD =. 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ,滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数⎪⎭ ⎫ ⎝⎛≈=N I V A V 5.11201.0β 电压反馈系数⎪⎭⎫ ⎝⎛=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi == V U U U cm im nm 12===* *；调节器输入电阻Ω=K R O 40。 设计要求： 稳态指标：无静差 动态指标：电流超调量005≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量0010≤n σ。 目 录 1设计任务与分析 ....................................................................................................................................... 2调速系统总体设计 ................................................................................................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计 .............................................................................................................. 3。1晶闸管—电动机主电路的设计 ........................................................................................................ 3。1.1主电路设计 ...................................................................................................................................... 3.1.2主电路参数计算 ................................................................................................................................. 目录 一、PI控制器控制的双闭环串级调速系统的设计 (3) 1.1 设计思路 (3) 二、双闭环控制串级调速系统 (3) 2.1双闭环串级调速系统 (3) 2.2 串级调速时转子整流电路工作状态的选择 (4) 2.3串级调速系统的动态数学模型 (6) 2.4 异步电动机和转子直流回路传递函数计算 (9) 2.4.1基本数据 (9) 2.4.2电机和转子回路参数计算 (9) 2.5调节器参数的设计- 电流环和转速环设计 (11) 2.5 .1 电流环的设计 (11) 2.5.2转速环的设计 (12) 三、交流串级调速系统的仿真 (14) 3.1 系统的仿真，仿真结果的输出及结果分析 (14) 附录 (15) 参考文献 (16) 总结 (16) 一、PI控制器控制的双闭环串级调速系统的设计 1.1设计思路 本次设计给定对象为某双闭环串级调速系统电机，设计时要对各环节参数计算和PI控制器的设计。电流环按I型、转速环按Ⅱ进行整定，并对PI控制器控制的串级调速系统进行仿真。 串级调速就是在异步电机转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。 首先进行，串级调速系统的动态数学模型建立。其次求出，转子直流回路的传递函数、异步电动机的传递函数。最后，进行转速调节器和电流调节器的设计。将异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再考虑转速调节器和电流调节器的给定滤波和反馈滤波环节就可直接画出双闭环串级调速系统的动态结构框图。根据动态结构框图，在MATLAB软件中，将出双闭环串级调速系统的动态结构框图中的每一个模块用SIMULINK作出，根据求出的参数进行参数值的修改，START SIMULATION，双击示波器即可观察调速时波形的变化。 二、双闭环控制串级调速系统 2 .1双闭环控制串级调速系统结构 图2-1双闭环控制的串级调速系统结构图 图中，晶闸管异步电动机串级调速系统的主电路主要由晶闸管三相全控桥式有源 “运动控制系统”专题实验 实验报告 电子与信息工程学院自动化科学与技术系 （5）可调电阻（NMCL—03） （6）电机导轨及测速发电机（或光电编码器） （7）三相线绕式异步电动机 （8）双踪示波器 （9）万用表 （10）直流发电机M03 四.实验原理 1.系统组成及原理 双闭环三相异步电动机调压调速系统的主电路为三相晶闸管交流电源及三相绕线式异步电动机（转子回路串电阻）。控制系统由电流调节器(ACR)，速度调节器(ASR)，电流变换器(FBC)，速度变换器(FBS)，触发器(GT)，一组桥脉冲放大器等组成。其系统原理图如图6-1所示。 图6-1 整个调速系统采用了速度，电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同而电流环的作用则有所不同。在稳定运行情况下，电流环对电网振动仍有较大的抗扰作用，但在起动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳起动的恒流特性，也不可能是恒转矩起动。 异步电机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正，反转，反接和能耗制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率 电子与信息工程学院自动化科学与技术系 电子与信息工程学院自动化科学与技术系 电子与信息工程学院自动化科学与技术系 （2）空载电压为200V时 n/(r/min) 1281 1223 1184 1107 1045 I G/A 0.10 0.11 0.12 0.13 0.13 U G/V 182 179 176 166 157 M/(N·m) 0.2265 0.2458 0.2636 0.2814 0.2831 2.闭环系统静特性 n/(r/min) 1420 1415 1418 1415 1416 1412 电子与信息工程学院自动化科学与技术系 毕业设计（论文） 基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计 姓名_______________ 学号_____________ 学院（系）_（电子信息工程系） 专业 ____电气工程及其自动化__ 指导教师______________ 2010年6月10日 太原科技大学毕业设计（论文）任务书 学院（直属系）电子信息工程系时间： 2009 年 12 月 20日 目录 摘要 ...................................................................................................................................... III ABSTRACT ............................................................................................................................. I V 第1章绪论 ....................................................................................................................... - 1 - 1.1直流调速系统及其发展 (1) 1.2模糊控制的发展状况 (1) 1.3仿真技术介绍 (2) 第2章模糊控制的基本理论 ............................................................................................. - 4 - 2.1模糊控制的理论基础 (4) 2.2模糊控制系统的组成 (4) 2.3模糊控制在实际中的适用性 (5) 2.4模糊控制器的设计方法 (5) 第3章直流调速系统的原理 ........................................................................................... - 7 - 3.1方案定论 (7) 3.1.1 方案比较............................................................................................................ - 7 - 3.1.2 方案论证............................................................................................................ - 8 - 3.1.3 方案选择............................................................................................................ - 8 - 3.2直流调速系统的原理 (8) 3.2.1 直流调速系统的调速原理................................................................................ - 8 - 3.2.2 直流调速系统的性能指标................................................................................ - 9 - 3.3电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 (13) 3.3.1 双闭环调速的工作过程和原理...................................................................... - 13 - 3.3.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性...................................................... - 13 - 3.4双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 (16) 双闭环三相异步电动机调压调速的系统设计与仿真课程设计 一、课程设计 随着工业自动化的发展和智能化的进步，三相异步电动机的应用越来越广泛。 而异步电动机的调压调速技术在工业生产中也越来越受到重视。双闭环调压调速是一种常用的控制方式，其控制精度高，适用范围广，因此在工业控制中被广泛应用。本课程设计旨在通过实例设计，对双闭环三相异步电动机调压调速的实现过程有一个更深入的了解。 二、课程设计内容 1、课程设计目的 通过本课程设计，学生可以了解三相异步电动机调压调速的原理和实现方式。 通过仿真实验，学生可以掌握双闭环控制的实现过程。 2、课程设计要求 •学生需要了解三相异步电动机的基本原理和调压调速的基本理论。 •学生需要掌握PID算法的基本原理和调试方法。 •学生需要使用Simulink进行仿真实验，并通过实验得到实验数据并进行分析。 3、课程设计流程 Step 1：建立三相异步电动机模型 1. 建立电机参数模型 2. 建立电机方程模型 Step 2：建立双闭环控制模型 1. 建立速度闭环控制模型 2. 建立电流闭环控制模型 Step 3：进行仿真实验 1. 设计PID算法 2. 进行仿真实验 3. 得到实验数据 Step 4：数据分析 1. 对实验数据进行分析 2. 分析双闭环系统的控制效果 4、课程设计结果 通过本课程设计，学生将掌握三相异步电动机的调压调速技术和双闭环控制的实现方法。通过仿真实验，学生将得到实验数据，并对数据进行分析，进一步了解双闭环控制系统的控制效果。 三、参考资料 1.林信良、陈清波. 高效率电力电子变换器与驱动系统（原书第2版） [M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. 2.陈海峰, 金壮龙, 吴文明. MATLAB/SIMULINK在电气工程中的应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2006. 3.姜晶, 刘冬平. 电力电子技术原理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004. 四、 通过本课程设计，学生可以了解三相异步电动机调压调速的原理和实现方式，掌握PID算法的基本原理和调试方法，并通过Simulink进行仿真实验，得到实验数据并进行分析。这对学生继续深入学习控制理论和工业自动化技术将有一定的帮助。 双闭环三相异步电动机调压调速系统设计 引言： 异步电动机转速恒不大于旋转磁场转速n1，只有这样，转子绕组才干产生电磁转矩，使电动机旋转。如果n=n1，转子绕组与定子磁场之间无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见n 变压调速是异步电动机调速办法中一种，由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，当异步电动机等效电路参数不变时，在相似点转速下，电磁转矩e T 与定子电压S U 平方成正比，因而，变化定子外加电压就可以机械特性函数关系，从而变化电动机在一定负载转矩下转速。 本实验即采用定子调压调速系统，就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，即变化定子电压调速。如下图画出了定 子电压为1U 、'1U 、"1U ('"111U U U >>)时机械特性。 二、设计流程 1电动机选型: 假设电动机工作于普通机床主轴传动系统中，设定最大转速为 1440r/min ，可选出电动机型参数如下： 型号：Y132S-4 额定功率：5.5KW 满载时定子电流：12A ()() ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=2' 21'1'23lr ls r S r s L L S R R S R U T ωω 台南山学院烟台烟 电机与拖动课程设计 题目基于Matlab的双闭环三相异步电动机的 串级调速仿真 姓名：庞超 所在学院：计算机与电气自动化学院 所学专业：自动化 班级：09自动化02班 学号： 200902010210 指导教师：刘丽丽 完成时间： 2012-9-23 任务书 电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等。 电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。 一、设计课题 基于Matlab的异步电动机调压调速系统的仿真 二、课程设计的基本要求 1．使学生具有自主设计电路原理读图、查阅参考书籍和手册及资料文献的能力。 2．设计、计算、文件选取、画出设计电路图 3．撰写严谨的、有理论根据的、实事求是的、文理通顺的字迹端正的电机与拖动课程设计报告。 三、电机与拖动课程设计时间 1．设计电路原理读图、查阅参考书籍和手册及资料文献（1.5天）。 2．设计、计算、文件选取、画出设计电路图（1.5天）。 3．验收及校验（0.5天） 4．完成课程设计报告（1.5天） 四、课程设计报告要求 课程设计报告要求字迹工整、文字通顺；其撰写内容包括： 1．目录 2．课程设计所用的基本知识 3．参数计算、电路设计等。 4．总结 5.参考文献 摘要 本文所讨论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。对于一 般交流电动机的调速，我们都是从电动机的定子侧引入控制变量（改变定子供电电压、频率）来实现的，这对于转子处于短路状态的交流鼠笼型转子异步电动机是唯一途径。但是，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，这也是本文所要讨论的重点之一。在发挥绕线式异步电动机转子的可控性优势的基础上，提高调速性能需要从两方面着手： 1从节能角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有 用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率。 2从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等指标的要求。 综合所述，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 是本文所必须讨论的，也是本文的核心所在。 关键字：双闭环、串级、调速基于plc的双闭环串级调速系统的设计-学位论文
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