【正文】 ...................... 21 IV 短路保護 ............................................................................................. 21 過載保護 ............................................................................................. 21 瞬時停電保護 ..................................................................................... 22 4 本系統(tǒng)控制回路的設計 ........................................................................................... 23 雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成 和工作原理 .................................................... 23 雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計算 ............................................................................ 24 雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)計算 ............................................................................ 25 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 ..................................................................... 25 速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 ..................................................................... 26 5 本系統(tǒng)起動方式的設計 ........................................................................................... 28 串級調(diào)速系統(tǒng)起動方式的確定 .................................................................... 28 本系統(tǒng)起動方式的選擇 ................................................................................ 29 6 系統(tǒng)仿真 ................................................................................................................... 31 仿真軟件的簡介 ............................................................................................ 31 具體的軟件仿真設計 .................................................................................... 31 主電路的仿真設計 ............................................................................ 31 控制電路的建模和參數(shù)設置 ............................................................ 33 系統(tǒng)的仿真、仿真結果的輸出及結果分析 ............................................ 33 7 結論 ........................................................................................................................... 34 謝辭 .............................................................................................................................. 35 參考文獻 ...................................................................................................................... 36 附錄 1........................................................................................................................... 37 附錄 2........................................................................................................................... 38 附錄 3........................................................................................................................... 39 雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的設計 1 1 緒論 串級調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展狀況 串級調(diào)速理論早在 20 世紀 30 年代就已提出，到了 60～ 70 年代，當可控 電力電子器件出現(xiàn)以后，才得到更好的應用。 20 世紀 60 年代以來，由于高壓大電流晶閘管的出現(xiàn)，串級調(diào)速系統(tǒng)獲得了空前的發(fā)展。 60 年代中期， 和 就提出了一種將繞線轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)差功率進行整流，然后經(jīng)過晶閘管逆變器將整流后的轉(zhuǎn)差功率逆變?yōu)殡娋W(wǎng)頻率的交流功率，并將其反饋到電動機的定子輔助繞組中的晶閘管串級方案，稱為 “定子反饋 ”方案，而把通過變壓器（逆變變壓器）將轉(zhuǎn)差功率反饋到電網(wǎng)（常規(guī)的晶閘管串級）稱為 “電網(wǎng)反饋 ”方案。在 “定子反饋 ”方案中，輔助繞組與定子繞組電氣上絕緣，通過磁耦合，即 電磁感應，將轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過定子繞組反饋到電網(wǎng)，這就是我們所說的 “內(nèi)饋 ”串調(diào)。 20 世紀 60 年代末期，我國的一些單位開始進行晶閘管串級調(diào)速的試驗， 70年代后期，西安整流器廠首先推出了系列產(chǎn)品，以后其他廠家也相繼推出。國內(nèi)最先是由屈維謙在 80 年代后期提出內(nèi)饋串級調(diào)速方案的。 90 年代中期以后，有一家公司又推出斬波式內(nèi)饋串調(diào)。隨著電力電子技術和控制策略的發(fā)展，新的拓撲結構和控制策略被不斷提出。到目前為止全國已有四到五家知名的內(nèi)饋串級調(diào)速裝置的生產(chǎn)廠家。 如今節(jié)約能源、更加合理地、有效地利用能源是一項艱巨、利國利民造福 子孫的長期工作，也是我國的一項基本國策。隨著我國改革開放不斷深入和國民經(jīng)濟、科學技術的飛速發(fā)展，國家大量撥款加速建設，現(xiàn)在已經(jīng)取得了很大的進步，有部分項目已經(jīng)達到了實用化階段，相信在不久的將來我國在雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)方面一定會趕上或進一步縮小與發(fā)達國家之間的差距。 本次設計的目的 本設計選題的目的：采用雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)不僅具有明顯的節(jié)能效果，還具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。本設計的目的在于讓學生通過對雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的設計，學習和掌握異步電動機串級調(diào)速的設計內(nèi)容、設計 步驟和方法，具有初步的工程設計能力。 本次設計的任務及要求 工作任務 : 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 (1)完成系統(tǒng)結構圖和系統(tǒng)結構框圖的設計； (2)完成系統(tǒng)的啟動、檢測與保護電路的設計； (3)完成調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)的計算； (4)完成系統(tǒng)主回路設計，元、器件和設備的選擇（參數(shù)計算，型號選擇等）； (5)繪制完整的電氣系統(tǒng)原理圖； (6)對系統(tǒng)進行 MATLAB 仿真。 本次設計指標： (1)生產(chǎn)機械為恒轉(zhuǎn)矩負載，最大負載功率 PL=72KW； (2)調(diào)速范圍 D=3:1； (3)低速時靜差率 S=； (4)要求電流超調(diào)量小，轉(zhuǎn)速抗擾性能及跟隨性能好 。 雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的設計 3 2 本系統(tǒng)串級調(diào)速方案的比較和選擇 串級調(diào)速原理 M3 ~ U R U I L D S E 2 0 U d U iI d 圖 串級調(diào)速方式原理圖 圖 是串級調(diào)速方式原理圖，圖中異步電動機 M 以轉(zhuǎn)差率 s 運行，其轉(zhuǎn)子電動勢 20sE 經(jīng)三相不可控整流裝置 UR 整流，輸出直流電壓 dU 。工作在逆變狀態(tài)的三相可控裝置 UR 除提供一可調(diào)的直流輸出電壓 iU 作為調(diào)速所需的附加電動勢外，還可將經(jīng) UR 整流后輸出的電動機轉(zhuǎn)差功率逆變回饋到交流電網(wǎng)中。兩個整流裝置的電 壓 dU 與 iU 的極性以及電流 dI 的方向如圖所示。為此可在整流轉(zhuǎn)子的直流回路中寫出以下的電動勢平衡方程式： RIUU did ?? （ ） RIUKsEK dT ?? ?c o s22201 （ ） 式中： 1K 2K 與兩個整流裝置的電壓整流系數(shù) iU 逆變器輸出電壓 TU2 逆變變壓器的次級相電壓 ? 晶閘管逆變角 R 轉(zhuǎn)子直流回路的電阻 當電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載穩(wěn)定運行時，可以近似認為 dI 為恒值?？刂?? 使它增大，則逆變電壓 iU 立即減??；但電動機轉(zhuǎn)速因存在著機械慣性尚未變化，所以 dU 仍維持原值，根據(jù)式（ ）、（ ）就使轉(zhuǎn)子直流回路電流 dI 增大，相應轉(zhuǎn)子電流也增大，電機就加速；在加速過程中轉(zhuǎn)子整流電壓隨之減小，又使電流 dI減小，直至 dU 與 iU 依式（ ）取得新的平衡，電機進入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高的轉(zhuǎn)速運行。同理，減小 ? 值可以使電機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。以上就是繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 串級調(diào)速方案論證 電氣串級調(diào)速 圖 為電氣串級調(diào)速方式原理圖。當電動機在恒轉(zhuǎn)矩負載下穩(wěn)態(tài)運行時，可以認為 Id 近似為恒值。若增大逆變角 β，則逆變電壓減小，但電動勢轉(zhuǎn)速因存在機械慣性尚未變化，所以，整流電壓仍維持原值，因而直流回路電流 Id 及轉(zhuǎn)子電流 I2 相應增大，使電機加速。在加速 過程中， S 減小，電流 Id 及整流電壓隨之減小直至達到新的平衡，電動機仍進入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高轉(zhuǎn)速運行。同理，減小 β值可以使電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)： (1)串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 β實現(xiàn)平滑無級調(diào)速； (2)系統(tǒng)能把異步電動機的轉(zhuǎn)差功率饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效的利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。 圖 電氣串級調(diào)速方式原理圖 機械串級調(diào)速 圖 是機械串級調(diào)速原理圖。在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機同軸上裝有一臺直流電動機，異步電動機 的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流后傳給直流電動機，后者把部分功率變成機械功率，再幫助異步電動機拖動負載，從而是轉(zhuǎn)差功率得到利用。這里直流電動機的電動勢就相當于直流附加電動勢，通過調(diào)節(jié)直流電動機的勵磁電流 If 可以改變其電動勢，從而調(diào)節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速。增大 If 可使電動機減速，反正加速。 雙閉環(huán)控制的異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的設計 5 從功率傳遞角度看，如果忽略調(diào)速系統(tǒng)中所有的電氣與機械損耗，認為異步電動機的轉(zhuǎn)差功率全部為直流電動機所接受，并以 PMD 的形式從軸上輸出給負載。則負載所得到的機械功率 PL 應是異步電動機和直流電動機兩者軸上輸出功率之和，并恒等于電動機定子出入功率， 而與電動機運行的轉(zhuǎn)速無關。所以這種機械串級調(diào)速系統(tǒng)屬于恒功率調(diào)速，其特點是系統(tǒng)在低速時能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適用于一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動的場合。 根據(jù)設計要求，電動機轉(zhuǎn)速較高，實現(xiàn)無極調(diào)速，選擇電氣串級調(diào)速能更好的滿足調(diào)速要求。 M3 ~M3 ~ 圖 機械串級調(diào)速原理圖 串級調(diào)速方案選擇 綜合上述論述的兩種調(diào)速方式，電氣串級調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，其輸出的機械功率和轉(zhuǎn)速成正比，能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 β實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，節(jié)能方面，電氣串級調(diào)速系統(tǒng)能把異步電動機的轉(zhuǎn)差功率饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的 轉(zhuǎn)差功率得到有效的利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。機械串級調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，其特點是系統(tǒng)在低速時能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因而適應一些需要低速大轉(zhuǎn)矩傳動的場合，如螺紋鋼線材軋機。根據(jù)設計要求，我們在設計中選擇電氣串級調(diào)速更適合。 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 3 本系統(tǒng)主電路的設計 本系統(tǒng)主電路的組成及工作原理 本系統(tǒng)主電路如圖 所示