串级调速系统的仿真与设计.doc

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Uβ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。Ud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Ud与逆变电压Uβ大小相等方向相反。当逆变变压器T1二次线电压为U2l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Ud = Uβ，如β角增大则Uβ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Ud减少到Uβ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 IT2N = 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 IT = 100 A 的器件。
上式中，对于三相桥式电路，电感性负载KI = 0.368；Idm为直流回路的电流最大值，Idm = 1.8IdN = 121.8A 。
逆变变压器二次电压峰值：

因而:

选取 UT = 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：
其中三相桥式。
综合上述两个方面，平波电抗器电感

6. 其他参数确定
当s = 1时主回路等效电阻：
回路总电感：
最高转速：
最低转速：
Kz = 1.15
四、 晶闸管的保护
1. 晶闸管关断过电压及其保护

过电压是指超过晶闸管在正常工作时应承受的最大峰值电压，即UT＞UTm。其主要有两种类型，一是器件及电路的开关过程引起的冲击过电压(也称为操作过电压)，二是雷击或其他外来冲击与干扰引起的浪涌过电压。过电压保护的主要任务就是采取有效措施将频繁发生的操作过电压和偶然发生的浪涌过电压抑制在安全范围之内，以确保晶闸管不受过电压损坏。
1) 关断过电压的产生
晶闸管在承受反压而关断的过程中，管子内部的残存载流子在反向电压作用下形成瞬时反向电流。由于反向电流的消散速度极快，即很大，于是在线路电感中产生很大的感应电动势，该电动势与电源电压串联，并通过导通的晶闸管加在刚关断的晶闸管两端，使刚关断的晶闸管出现瞬时过电压，其过电压峰值可达正常工作电压峰值的5—6倍。
2) 保护措施
关断过电压保护的最简单、最常用的方法是在晶闸管两端并联电容c，利用电容两端电压不能突变的特性来吸收尖峰过电压。实用时，为了阻尼LC振荡并限制晶闸管的开通损耗和电流上升率，还应在电容支路中串接电阻，如图4-1，称为阻容吸收电路。阻容吸收电路应尽量靠近晶闸管，且引线要尽量短。

图4-1 晶闸管保护电路
2. 交流侧过电压及其保护
1) 交流侧过电压的产生
交流侧过电压通常发生在以下几种情况：
(1) 由高压电源供电或变比很大的变压器供电，在一次侧合闸瞬间，由于一、二次绕组间存在分布电容，一次侧高压通过分布电容稠合到二次侧，使二次侧出现瞬时过电压。
(2) 与整流装置并联的其他负载切断时，由于电源提供的总电流突然减小，会在变压器漏电感中产生感应电动势，使变压器二次侧出现瞬时过电压。
(3) 在整流变压器空载且电源电压过零时一次侧拉闸，由于变压器激磁电流突变导致二次侧感应出很高的瞬时过电压。
(4) 由于雷击或从电网侵入的高电压干扰而产生的浪捅过电压。
2) 保护措施
(1) 阻容吸收保护
抑制交流侧操作过电压的最常用、最有效的方法就是并联阻容吸收电路，接法如图4-2所示。阻容吸收保护应用广泛、性能可靠，但体积较大，且在正常运行时电阻要消耗能量，特别是不能完全抑制能量较大的浪涌过电压。所以它只适用于峰值不高、过电压能量不大以及要求不高的场合。对于浪涌过电压通常采用阎型避雷器，此外对于交流侧过电压还可采用非线性吸收装置，常用的有压敏电阻保护和硒堆保护等。

图4-2 交流侧的阻容吸收保护
(2) 压敏电阻保护
压敏电阻是以氧化锌为基体的金属氧化物非线性电阻，它有两个电极，具有正、反向对称的伏安特性。正常工作时，压敏电阻的漏电流仅为微安级，故损耗很小。当出现尖峰过电压时，压敏电阻被击穿，可泄放数干安培的放电电流，而其两端电压基本不变，类似于稳压管具有稳压特性，因此具有很强的抑制过电压能力。此外压敏电阻还有反应快、体积小、价格便宜等优点，是一种较理想的过电压保护元件，应用非常广泛。图2—25所示为压敏电阻保护的几种接法。
(3) 硒堆保护
硒堆由成组串联的硒整流片构成。正常工作时，总有一组硒堆处于反向工作状态，漏电流很小。当出现尖峰过电压时，硒堆被反向击穿，反向电流迅速增大以吸收过电压能量，从而限制了过电压数值。由于硒片面积较大，故击穿时只是饶焦几个点，待过电压消失后，硒片还可恢复正常工作，继续起保护作用。但硒片体积大、反向伏安特性不陡，且长期不用时会产生“储存老化”现象导致失效，所以目前较少采用。

综上所述， 查资料得 C = 0.25μF，R = 20Ω。

五、 电动机起动
1直接起动
如图5-1a所示,起动时，βmin = 30°、s = 1，逐渐增大β的值，使逆变器输出电压减少，电动机平稳加速，直至所需转速。采用直接起动所配置的串级调速设备容量要大些，这是因为起动时冲击电流和其作用时间较大，这样必然造成了一定的设备容量的浪费。
2并联电阻起动
如图5-1b所示,这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转于回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。这种方式还有一优点，即一旦串级调连装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行。

a b
串级调速的启动方式

六、 控制电路
晶闸管由关断状态变为导通状态的外部条件有二：第一就是在电路中阳极的电位高于阴极的电位：第二是在门极与阴极问加一适当的正向电压、电流触发信号。这个触发信号是由触发器提供的。晶闸管整流器直流输出电压，可用改变整流角α来调整，同样逆变器交流输出亦可通过改变逆变角β来实现，而α、β角的变化是靠触发电路中触发脉冲的移相方法来实现的。因此，触发器的可靠性直接关系列交流器工作的成败。每相触发器一般由各自独立的同步信号发生器、比较环节、脉冲整形、放大及输出环节等组成。对于晶闸管串调逆变器还要加设移相角限位和脉冲封锁等电路环节。
触发脉冲与主电路必须同步，晶闸管串调装置中的逆变电路，其晶闸管必须按一定的相位和顺序触发，因此，触发电路与逆变主电路之间有一定的相位对应关系。所谓同步，就是通过供给各触发单元电路不同相位的交流电压，使得各触发器分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲，从而保证各晶闸管可以按顺序获得触发。因此，正确选择触发电路的同步信号，是保证串调逆变工作成败与否的关键所在。

七、系统的建模
1、主电路的建模
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逆变器 UI、三相桥式二极管 转子整流器 UR、绕线式异步电动机 M、逆变变压器 TI、滤波电抗器 Ld 等组成。根据三相绕线式异步电动 机晶闸管串级调速系统的组成框图，利用 Simulink 和 Power System 工具箱，在同步电源与六脉冲触发器模 型封装后，将六脉冲触发器输出的脉冲放大，与其他 模块连接，即可建立主电路仿真模型。
与实际电路不同的是，这里的电流反馈信号直接 引用了晶闸管有源逆变器 UI 输出的电流，转速反馈直 接采用电 机输出信 号测量分 路器中的 电机转速 ωm(rad/s)。
2、控制系统的建模
由转速电流双闭环控制的晶闸管异步电动机串级 调速系统的电气原理框图可以看出，控制电路主要包 括如下环节：电流调节器 ACR、转速调节器 ASR、限 幅器、偏置器、反向器。其中电流调节器 ACR 和转速 调节器 ASR 都用 PI 调节器。利用 Simulink 和 Power System 工具箱可建立这些模块，然后按系统的电气结 构关系连接起来即可得到转速、电流双闭环控制的晶闸管串级调速系统的仿真模型如图所示。
m
Wm
逆变变压器 TI
逆变桥 UI
g
Tm
A
m
a
平波电抗器 Ld
i
+
A
a
A B
C
+
+ -
Vi
+
A c
A
B
C
b
B
+
b
B
-
-
A
c
C
c1
+
Yg Y
c
C
转子整流桥 UR 绕线式异步电动机 M
A c 2
-K-
+ V
-
Vab
AB BC CA
TL
数据采集
0.5
K-
电流反馈
负载转矩
脉冲触发器
+ V
-
Vbc
200
-
+
+
-K-
+
-
+ V
+
PID
ASR
-
Vca
-1
+
PID
ACR
+
限幅器
t
0
转速给定
限幅器
-150
偏置

3、仿真调试的步骤
根据上述调速原理，对系统的调试步骤如下：
（1）平波电抗器 Ld 参数整定
逆变器的逆变角在90°~150间变化时，三相不可控整流器UR整流输出直流 电 压 Ud 对应地 在 0V~240V间变同时异步电机的转速输出在1500r/min~0r/min 间变化，据此整定 Ld =50mH。这一 步是非常关键的，只有在正确地整定出 Ld 的大小后，系统的硬件设计才真正完成，接下来才能对该系统进 行调试。
（2）双闭环调速系统参数整定 这是一个双闭环调速系统。首先调节内环，即电
流调节器 ACR，然后再调节外环，即转速调节器 ASR。 按先调稳态精度，后调动态指标的调试原则进行系统
调试。经调试、优化后，电流调节器 ACR 的 Kp =2，
Ki =10，限幅值为 60；转速调节器 ASR 的 Kp =2，Ki =8，限幅值为 40；转速反馈系数为 α=1，电流反馈系数为=0.5。通态电感 0H，管压降 0.8V，吸收电阻 10Ω，吸收电容。其仿真结果如图 所示
1200
1000
800
600
400
200
负载转矩 实际转速 设定速度
0
-200
0
0.5
1
1.5 2
t/s
2.5
3
3.5
1200
负载转矩 实际转速 设定速度
1000
800
600
400
200
0
0
0.5
1
1.5 2
t/s
2.5
3
3.5

阶跃响应曲线 斜坡响应曲线
4、仿真结果分析：
从系统仿真结果可以看出：
（1）由图 4a 可见，对阶跃输入信号：稳态时仿 真系统的实际转速能够实现对给定转速的良好跟随， 且稳态无偏差；而在动态过渡过程中，仿真系统的实 际转速对阶跃给定信号的跟踪有一定的偏差。
（2）由图 4b 可见，对斜坡信号而言：系统的稳 态和动态跟踪性能都很好。
（3）负载转矩突降(图 4a、b)，系统输出出现短 时速升，但系统经过自身调节，很快得到恢复。可见 系统具有较强的抗负载扰动和电网电压扰动的能力。
（4）调速范围宽：转速可从 50r/min~1500r/min
之间连续可调。
5、结论：通过转速电流双闭环晶闸管串级调速系统的仿真实验和分析可得出以下结论：面向系统电气原理图的仿真方法是正确、可行的。串级调速系统的仿真模型是正确的，可以作为后续串级调速系统设计研究的基础，加以开发和利用。用面向系统电气原理图的仿真方法对系统进行仿真分析，可以很方便地对各种工程设计方案进行验证，节约大量人力物力，从而实现高效、成功的系统设计和分析。

[参 考 文 献]
[1] 姜华 , 伍小杰 , 韩晓春 ，基于 MATLAB ／SIMULINK的双三相异步电机的仿真模型及性能 研究[J]，大电机技术, 2006, (6).
[2] 洪乃 刚 ，电力电 子和电力拖动控制系统的
MATLAB仿真[M]，北京: 机械工业出版社, 2006.
[3] 陈伯时, 陈敏逊，交流调速系统[M]，北京: 机械工业出版社, 1998.

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