【正文】 測(cè)速發(fā)電機(jī)等組成。 交流調(diào)壓 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是用 改變異步電動(dòng)機(jī)定子電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)稱為調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，而電機(jī)定子電壓是通過 晶閘管元件組成的調(diào)壓器 進(jìn)行控制。然而，近年來，一方面隨著大功率可控電力電 子元件和變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，用交流電機(jī)的調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)代替直流 電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)已成為可能，另一方面，從節(jié)能的觀點(diǎn)要求把原來 作恒速運(yùn)行的交流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)改為調(diào)速傳動(dòng)。 i 摘 要 在電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，交流電動(dòng)機(jī)具有一些直流電動(dòng)機(jī)無法比 擬的優(yōu)點(diǎn)，如單機(jī)容量、電樞電壓、額定轉(zhuǎn)速、價(jià)格等方面。但 由于交 流電機(jī)的調(diào)速一直比較困難，所以，長(zhǎng)期以來，交流電機(jī)只能作恒速 運(yùn)行，而在要求精確、靈活、連續(xù)調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)中，直流電機(jī)調(diào)速 傳動(dòng)一直占主要地位。因而，在電力傳動(dòng)領(lǐng) 域里正在日益重視發(fā)展交流 電機(jī)的調(diào)速傳動(dòng)， 成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速新的發(fā)展方向。通過 控制晶閘管的觸發(fā)角，就可以對(duì)輸出交流基波電壓有效值進(jìn)行控制， 來達(dá)到 調(diào)壓調(diào)速 的目的 。 調(diào)壓調(diào)速的電路簡(jiǎn)單，成本低廉、 操作簡(jiǎn)單 、 方便 ，多用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的中、小容量拖動(dòng)裝置中。直到 20 世紀(jì) 50 年代中期，晶閘管研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使用采用半導(dǎo)體開關(guān)器件的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。目 前在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)已有取代直流調(diào)速技術(shù)的趨勢(shì)。運(yùn)用到實(shí)際中的交流調(diào)速系統(tǒng)主要有 ： 變級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)。 變級(jí)調(diào)速系統(tǒng)所需設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，工作也比較可靠，但它是有級(jí)調(diào)速一般為兩種速度三速以上的變級(jí)電機(jī)繞組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用較少，變級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵在于繞組設(shè)計(jì)以最少的線圈改接和引出頭以達(dá)到最好的電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)。 改變轉(zhuǎn)差率的傳統(tǒng)方法是在轉(zhuǎn)子回路中串入不同電阻以獲得不同斜率的機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子回路中引入附加電勢(shì)，不但可以改變轉(zhuǎn)子回路的有功功率轉(zhuǎn)差功率的大小，而且還可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的無功分量，即調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的功湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 率因數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡(jiǎn)單的調(diào)速方法。但是采用相控技術(shù)在輸出電壓波形中含有較大的諧波會(huì)引起附加損耗 ，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從 60 年代提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型脈寬調(diào)各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率最高性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)須同時(shí)調(diào)節(jié)定子電源的電壓和頻率，在這種情況下機(jī)械特性基本上平行移動(dòng) 而轉(zhuǎn)差功率不變，它是當(dāng)前交流調(diào)速的主要方向。電子技術(shù)的發(fā)展和新調(diào)控制的變頻電源，價(jià)格相對(duì)比較昂貴，并且輸出的電壓電流波形往往是非正弦的，含有各種諧波分量對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染這些諧波在電機(jī)中產(chǎn)生型電力電子器件的出現(xiàn)，使變頻裝置的快速性，可靠性及經(jīng)濟(jì)性不斷提高。所以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)在變頻條件下的工作特性和諧波分量的深入分析、變頻電源的選擇及其控制策略的研究是異步電動(dòng) 機(jī)變頻調(diào) 速 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 隨著新型自關(guān)斷電力電子器件、智能功率集成電路的問世。 (1)仿真技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用： 近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng) (如交流變頻調(diào)速系統(tǒng) )的設(shè)計(jì)時(shí)，采取計(jì)算機(jī)仿真方法來分析和研究其性能是非常有效和必要的。隨著一些大型的高性能的計(jì) 算機(jī)、仿真軟件的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真可以較容易地實(shí)現(xiàn)。隨著新型計(jì)算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)必將在成本控制、工作效率、實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。為了使交流調(diào)速系 統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合同時(shí)為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制，單片機(jī)已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，隨著交流電機(jī)的控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜，模糊控制、專家控制、智能控制、自適應(yīng)控制等在交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制中得到了應(yīng)用，單片機(jī)由于自身的條件限制，已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的控制方法。 新型電力電子器件的研制：現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù) 中電力電子技術(shù)的應(yīng)用主要受到以下幾方面的限制： 電力電子器件的性能、電力電子技術(shù)的控制策略 、 控制手段 和 電力變換器的結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，由于電力電子器件的應(yīng)用而帶來的諧波對(duì)電網(wǎng)造成的污染也是研究的方向之一，這些諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈沖，增加電機(jī)的附加損耗和電磁噪聲也會(huì)使轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)周期 性的波動(dòng)，從而影響電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行和調(diào)速范圍。新型的電力電子器件必然會(huì)考慮到這些問題，盡量減少或者消除自身帶來的問題，從而得到更好的利用除了上面提到的這些。 綜上所述，可知調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方案分別為變級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差能耗調(diào)速。變極調(diào)速是通過外部的開關(guān)切換改變電機(jī)繞組的串并聯(lián) 關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。 變極調(diào)速一般是以兩個(gè)速度為主，輔以閥門和擋板調(diào)節(jié)，比單純使用閥門和擋板要好一些，但是仍然有節(jié)能潛力可挖。通過改接定子繞組的連接方式來得到不同的極數(shù)和轉(zhuǎn)速。調(diào)速時(shí)低速的人為特性較硬 、 靜差率較高 、 經(jīng)濟(jì)性較好。 變頻調(diào)速 通過改變定子繞組的供電頻率 f1的調(diào)速方法。變頻調(diào)速主要用于籠型異步電動(dòng)機(jī)，性能優(yōu)異、 調(diào)速范圍大 、 平滑性高，變頻時(shí) U 按不同規(guī)律變化可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求，低速時(shí)特性的靜差率較高是異步 電動(dòng)機(jī)調(diào)速最優(yōu)發(fā)展前途的一種方法。 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 00n nns ?? 0n — 同步轉(zhuǎn)速 常用改變轉(zhuǎn)差率的方法有改變定子電壓調(diào)速、采用滑差電動(dòng)機(jī)調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及脈沖調(diào)速。這些方案共同的特點(diǎn)是在調(diào)速過程中均產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率 ，并且消耗在轉(zhuǎn)子電路，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱。 21 N r ss N s sMPPM ? ? ?? ????? ? ?? 1 s?? （ 2－ 3） NM — 電動(dòng)機(jī)額定電磁轉(zhuǎn)矩 ω s — 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度 Ω r 一 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度 ω 2 — 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度 由上式可知當(dāng)轉(zhuǎn)速 時(shí)， ? 下降轉(zhuǎn)子損耗功率增高 。 交流異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為 ： ])39。[(2/322020211221 XXrrf srUnT pe ???? ? （ 2－ 4） 上 式中： pn 為定子繞組構(gòu)成的級(jí)對(duì)數(shù)； 1U 為定子相電壓有效值； 1f 為定子電壓頻率； 1r 為定子每相繞組的內(nèi)阻； 1X 為定子每相漏電抗； 39。20X 為轉(zhuǎn)子折算到定子測(cè)的每相電阻和每相的漏電抗； s 為轉(zhuǎn)差率 。在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩之下，定子相電壓有效值 1U 的變化引起電機(jī)轉(zhuǎn)差率 s 變化，而同步轉(zhuǎn)速 1n 未變，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 發(fā)生了變化 。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 n0 MZ MM 1 4 3 2 ABC 圖 改變電源電壓 時(shí)的人為特性 當(dāng)今用于交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)一般采用高轉(zhuǎn)子電阻的交流力矩電動(dòng)機(jī)。 a b c 3U 2U 1U 圖 轉(zhuǎn)子電路電阻較高時(shí)改變定子電壓的人為機(jī)械特性 異步電動(dòng)機(jī)變電壓調(diào)速時(shí)，若采用普通電動(dòng)機(jī)則調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，調(diào)速范圍雖然可以大一些，但機(jī)械特性變軟，負(fù)載變化時(shí)的靜差率太大。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，調(diào)速范圍要求在 D≥2 時(shí) ， 一般需采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 如下圖所示 ， 調(diào)速性能不高時(shí)也可以用定子電壓反饋代替轉(zhuǎn)速反饋信號(hào) 。 圖 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性 改變定子電壓調(diào)速方法的缺點(diǎn)是，調(diào)速時(shí)的效率 較低，功率因數(shù)比轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻是更低。因此，改變定子電壓的調(diào)速方法一般適用于高轉(zhuǎn)差籠型異步電動(dòng)機(jī)，也可用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，在其轉(zhuǎn)子電路中可串聯(lián)一段電阻。在低速時(shí)可用他扇冷卻方式，以改善電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況。其一般采用籠式交流異步電動(dòng)機(jī)，用晶閘管可控硅調(diào)壓電路調(diào)節(jié)其定子電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖 所示是交流調(diào)壓裝置主要部分組成框圖，其主回路由 6 只普通晶閘管兩兩反并聯(lián) (或 3 只雙向晶閘管 )組成三相三線式，其優(yōu)點(diǎn)是可適用于 Y 或△接法的電機(jī)且諧波分量較少。 供電電源直接取自工頻 50Hz 的三相 380V交流電網(wǎng) ， 它的電壓是“不變”的 。下面以晶閘管三相調(diào)壓電路來分析三相調(diào)壓工作原理。 VT 承受正向電壓時(shí)，其導(dǎo)通時(shí)刻受門極觸發(fā)脈沖控制，觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻以相電壓過零點(diǎn)時(shí)為 0176。而且 A 越大，說明 VT 在承受正向半周內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)刻就越晚，加在該相負(fù)載上的電壓越小 ，起到了降壓的作用。為了保證在電路起始工作時(shí)能有兩個(gè) VT 同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載和控制角較大時(shí)仍能保證不同的正、反相兩個(gè) VT 同時(shí)導(dǎo)通，要求采用大于 60176。為保證輸出三相對(duì)稱電壓，且有一定的調(diào)節(jié)范圍，要求觸發(fā)信號(hào)與交流電源有一致的相序和相位差 。電角度。時(shí)觸發(fā) VT1 導(dǎo)通，而后相隔 60176。如圖 a 所示，這種情況相當(dāng)于每個(gè) VT 在承受正電壓瞬間即導(dǎo)通，而承受負(fù)電壓 (負(fù)半周反電壓 )時(shí)自然關(guān)斷，使電源電壓全部通過 VT 加到負(fù)載上。提供負(fù)載最高電壓。當(dāng)控制角 A=30176。 ， 輸出給 A 相負(fù)載的電壓波形如陰影部分所示。時(shí)沒有電壓輸出； Xt=30～ 60176。與此同時(shí)三相都有 VT 觸發(fā)導(dǎo)通， A 相輸出為原電源電壓波形。區(qū)間，由于 VT5關(guān)斷，而 VT2 尚未觸發(fā)導(dǎo)通，相當(dāng)于 C 相斷電。當(dāng) Xt=90～ 120176。同理，當(dāng) Xt=120～ 150176。 t B 0 C A ωt t 111 3 5 4 2 6 1 234 561 612 123 456 345 561 B 0 C A ωt (a) A=0186。波形的其余部分依次類推。時(shí)，調(diào)壓電路輸出最大電壓， A 增大則輸出電壓減小。時(shí)輸出電壓為零。變化，輸出交流電壓即可連續(xù)地由最大調(diào)到零，實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓目的。在反饋速度與給定速度不同時(shí)，即可改變晶閘管的移相控制電壓，從而改變晶閘管的觸發(fā)角，達(dá)到調(diào)壓調(diào)速目的。 3 M隔 離驅(qū) 動(dòng)晶 閘 管觸 發(fā) 器光 電 編 碼 器同 步信 號(hào)DIP40單片機(jī)電 壓 檢 測(cè)保 護(hù) 電 路A / D轉(zhuǎn) 換 調(diào)壓調(diào)速控制主回路的線路原理 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 主電路參數(shù)及元器件選型 主電路參數(shù)要求 KWPN 45? ， 580 / minNnr? ， vUN 380? ， AIN 89? ， ?? ， cos ?? ，? ? ， Y 接法 , mkgGD . ? ,調(diào)速范圍 D =5，低速時(shí)靜差率， S≤ 。 晶閘管 選擇 選擇功率模塊時(shí) ,需要考慮到電機(jī)的過載要求，功率器件的電流定額為 NI = (～ 2) m? =(～ 2) 2? 89 ?? =(378～ 629)A 上 式中：（ ～ 2）― 表示安全裕量 要求直流側(cè)電源電壓 Ud=380v/≈ 考慮到大功率晶閘管的管壓降等，取 Ud=450V，則大功率晶閘管的極限參數(shù)為 U(BR)ceo=(2～ 3)Ud=(900～ 1350)V 根據(jù)上 述計(jì)算，選取晶閘管元件 KP600— 10，計(jì) 6 只。綜合考慮濾波電容的體積、價(jià)格和濾波效果，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，在變頻器的濾波環(huán)節(jié)處采用了兩個(gè)濾波電容： 2 只 2200 F? 、耐壓在 500V以上的電容器并聯(lián)使用。 壓敏電阻的選擇 壓敏電阻的額定電壓 1mAU ： )壓峰值壓敏電阻承受的額定電()(1 ??? ?mAU ? ?1 .1 2 2 7 80 .8 ~ 0 .9? ? ? 480 ~ 540V? 選擇 MY31560/1 型壓敏電阻 3 個(gè)，其額定電壓為 560V，通流容量 1Ka。 STC89C51RC 單片機(jī)內(nèi)帶 8K E2PROM，不用另外擴(kuò)展外 ROM，接線簡(jiǎn)潔，程序可加密，價(jià)格便宜。 面板上的電位器 W：電壓信號(hào) W2與速度傳感器 W3，經(jīng) ADC0809 轉(zhuǎn)