6.2双闭环三相异步电动机串级调速系统

“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 1045I G/A 0.10 0.11 0.12 0.13 0.13U G/V 182 179 176 166 157 M/(N·m) 0.2265 0.2458 0.2636 0.2814 0.28312.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I G/A 0.11 0.14 0.16 0.19 0.21 0.26U G/V 203 200 201 200 200 199 M/(N·m) 0.2394 0.2795 0.3080 0.3777 0.3496 0.4482 静特性曲线：与开环机械特性比较，闭环静特性比开环机械特性硬得多，且随着电压降低，开环特性越来越软。

双闭环控制的串级调速系统由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。

为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。

由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。

1. 双闭环控制串级调速系统的组成图1 所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。

图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。

为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为。

图1 所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。

所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。

2. 串级调速系统的动态数学模型在图1 所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构框图均与直流调速系统中相同。

在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。

(1) 转子直流回路的传递函数根据图2 的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路的动态电压平衡方程式式中U d0 ——当 s=1 时转子整流器输出的空载电压，U i0——逆变器直流侧的空载电压，；L——转子直流回路总电感，L = 2L D + 2L T + L LL D——折算到转子侧的异步电动机每相漏感，；L T——折算到二次侧的逆变变压器每相漏感，；LL ——平波电抗器电感；R ——转差率为 s 时转子直流回路等效电阻，。

于是，式(1)可改写成将式(2)两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数式中T Lr ——转子直流回路的时间常数，；K i ——转子直流回路的放大系数，。

转子直流回路的动态结构框图如图3所示。

6.2 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，其系统主回路原理图如图1-2所示，控制回路原理图可参考图1-1b所示。

四．实验设备和仪器1．电源控制屏（NMCL-32）；2．低压控制电路及仪表（NMCL-31）；3．触发电路和晶闸管主回路（NMCL—33）；4．可调电阻（NMEL—03）；5．直流调速控制单元（NMCL—18）；6．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）；7．直流发电机M03；8．线绕电动机M09；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）。

实验三双闭环三相异步电动机串级调速系统实验一．实验目的⒈ 熟悉双闭环三相异步电动机串级调速系统的组成、工作原理、调试方法。

⒉ 了解双闭环三相异步电动机串级调速系统的静态和动态特性。

二．实验设备⒈ MCL – 31 低压控制电路及仪表。

⒉ MCL – 32 电源控制屏。

⒊ MCL – 33 触发电路及晶闸管主回路。

⒋ MEL – 03 三相可调电阻器。

⒌ MEL – 11 电容箱。

⒍ 绕线式异步电动机–直流电动机–测速机组。

⒎ 万用表。

⒏ 双踪示波器。

三．实验原理众所周知，在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。

但由于电动机转子回路感应电动势E r 的频率随转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必须随电动机转速而变化。

这就相当于在转子侧加入一个可变压变频的装置。

实际系统中是将转子交流电动势整流成直流电动势，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此附加直流电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。

这样就把交流变压变频的复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。

对于附加的直流电动势，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，它既能够平滑的调节电压，以满足对电动机转速平滑调节的要求，从节能的角度又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。

绕线转子异步电动机电气串级调速系统原理图如下图所示。

电气串级调速系统原理图四．实验内容⒈ 控制单元调试在主电路切断电源的情况下，进行控制单元调试。

⑴ 转速调节器（ ASR ）输出正、负限幅值的调试使转速调节器为 PI 调节器，将 MCL – 31 的给定端 U g 与转速调节器的“ 2 ” 端相接，接通控制电路电源﹙红色指示灯亮﹚。

分别加入一定的正、负输入电压，调节转速调节器的正、负限幅电位器 RP1 、 RP2 ，使转速调节器输出正、负限幅值等于± 5V 。

⑵ 电流调节器输出控制角 a 的调试使电流调节器为 PI 调节器，将 MCL – 31 的给定端 U g 与电流调节器的输入端“ 3 ” 端相接，电流调节器的输出端“ 7 ” 端与 MCL3 – 3 的 U ct 端相接，接通控制电路电源﹙红色指示灯亮﹚。

实验四双闭环三相异步电动机调压调速系统实验四双闭环三相异步电动机调压调速系统实验四双闭环三相异步电动机调压调速系统（验证性）一．实验目的1．熟悉相位控制交流调压调速系统的组成与工作。

2．介绍双闭环三相异步电动机调压变频系统的原理及共同组成。

3．通过测定系统的静特性和动态特性进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。

二．实验内容1．测定绕线式异步电动机转子串电阻时的人为机械特性。

2．测定双闭环交流调压调速系统的静特性。

3．测定双闭环交流调压调速系统的动态特性。

三．实验系统共同组成及工作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调压器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7-1所示。

整个变频系统使用了速度，电流两个反馈控制环路。

这里的速度环路促进作用基本上与直流变频系统相同而电流环路的促进作用则有所不同。

在平衡运转情况下，电流环路对电网波动仍存有很大的抗扰促进作用，但在再生制动过程中电流环路仅起至管制最小电流的促进作用，不能发生最佳再生制动的恒流特性，也不可能将就是恒转矩再生制动。

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全部消耗在转子电阻中，使转子过热。

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。

3．mcl―33组件。

4．三相拖线型异步电动机-功率直流发电机-测距发电机组5．mel―03三相调节器电阻器。

6．mel―11组件。

7．双踪示波器。

．8．万用表。

五．注意事项1．互连asr形成输出功率负反馈时，为了避免震荡，可以预先把asr的rp3电位器逆时针旋到底，并使调节器压缩倍数最轻，同时，asr的“5”、“6”端的互连调节器电容（预置7μf）。

浅析三相异步电动机的串级调速作者：梁永成来源：《中国新技术新产品》2014年第04期摘要：串级调速即将可调节电势附加至绕线式电动机的转子回路中，通过附加电势的串入，对电动机转差进行改变，用以调整电动机速度。

附加电势会将其所在电路中大部分的转差功率吸收掉，再将电势吸收的反差功率通过附加装置转换能量再次利用，或返还回电网。

关键词：串级调速：转差率；电动机中图分类号：TM34 文献标识码：A1 原理概述电阻调速在绕线式电动机的转子回路中调速效率极低，将调速电阻串联入转子回路中，回路中会产生一定的转差功率损耗，转差功率会随着转速的降低而不断的增加，换言之，转差功率的损耗量便会越高，但是由于调速电阻的串入便会造成转差功率的消耗，因此系统效率便无法提升。

2 调速方法三相异步式电动机的转速可以通过“60f/p（1-s）”公式进行计算求得，式中f代表供电频率，P代表极对数，s则为转差率。

通过改变f、p、s值中的任何一个，均能够对转速予以改变。

串级调速是在传统的串电阻调速基础上发展而来的，其原理继承了一部分原有调速结构的原理，但在转差功率的利用上远远优于串电阻调速的方式。

使得转差功率被最大程度的加以利用，提高了电机的整体效率。

并且将控制量引入电动转子侧，即并将一个同转子的相数相附加且回路频率相同的电势串入绕线式电动机转子的回路中，通过附加电势实现电机的调速。

而转差功率的大部分则被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加电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具有较高的效率。

以下通过分析对附加电势的改变是如何对电动机的转速进行调节的，串级调速系统对电动机的调速原理是什么。

异步电动机在云状过程中具有自然机械性，此时附加电势为零，电动机运转速度稳定且接近额定转速值，若是电动机对恒转矩进行拖动而负载，那么转子每项的电流为，由于定子电压相对较为恒定，因此气隙磁通始终不会改变，电动机中电磁转矩T =，当电势串入到电动机的转子回路中，且转子的感应电势同相位之间的差角不小于90°，那么电动机主要向下进行调速。

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.AbstractThe 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 speedKeywords: 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。

本科毕业设计（论文）题目双闭环控制的异步电动机串级调速系统的设计学生姓名学号教学院系电气信息学院专业年级电气工程及其自动化09级指导教师职称单位西南石油大学辅导教师职称单位完成日期2013年6月9日Southwest Petroleum University Graduation ThesisThe Design of Double Closed Loop Control ofAsynchronous Motor Cascade Speed Regulation SystemSchool of Electrical Engineering and Information2013-6Grade: 2009 Name: Speciality: Electrical Engineering and Automation Instructor:摘要绕线式异步电动机的串级调速系统，属于改变转差功率的调速系统，在我国交流调速技术的发展中，它是结构简单、发展较快、应用较广的一种系统。

其基本原理是利用不可控的整流电路将转子交流电动势转成直流电动势，在利用工作的在逆变状态的三相可控整流电路来获得一个可调的直流电压作为附加电动势，以改变转差功率，以实现转速的调节。

串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。

本设计介绍了双闭环异步电动机串级调速方式的设计，主要设计方面包括调速方式的设计，主接线的设计，串级调速主电路的设计，保护电路的设计，触发器的选择，直接启动方式。

首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算，从而达到设计要求，其中有绘制完整的双闭环控制的异步电动机串级调速系统图，主接线图，控制电路图，最后采用了MATLAB建模与仿真证明了该系统。