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1、绕线式异步电动机交流调速控制系统设计摘要 本文主要通过对选择绕线式异步电机系统来控制造纸机，最终的选择串级调速控制系统，该系统是由异步电动机、转子整流器、频敏变阻器、有源逆变器、触发装置和信号检测等元件组成。文章的重点就是系统参数的设计。关键词：绕线式异步电动机 调速 控制系统 ABSTRACT This paper mainly through to choose wound rotor asynchronous motor system to control the paper machine, the final choice bunch_rank speed-control contr
2、ol system, this system is made asynchronous motor, rotor rectifier, frequency sensitivity rheostat, active inverter, triggering device and signal detection components. The article is to focus on the design of system parameters.Keywords: Wound rotor asynchronous motor Speed Control system 前言 由于绕线式异步电
3、动机要求启动转矩大，能平滑调速的场合。所以它是工农业生产及国民经济各部门中应用最为广泛而且需要量最大的一种电机。金属切削机床、轧钢设备、鼓风机、粉碎机、水泵、油泵、轻工机械、纺织机械、矿山机械等，绝大部分都采用绕线式异步电动机拖动。 绕线式异步电动机的控制方式可以分为3点：启动，调速与制动。 第一章 系统方案的选择 1.1 本论文的目的 经过前言部分我们主要讲解了绕线式异步电机的使用场合和它的三种控制方式。既然它的应用这么多，下面我来设计一种电动机在造纸机上的使用。 1.2 系统的选择由于绕线式异步电动机, 相对于笼型异步电动机而言,具有起动电流小,起动转矩大的特点。一般应用在大功率重载起动的
4、情况下, 或者功率虽然不大, 但要求频繁起动、制动和反转的场合。该电机的控制方式一般有两种:转子串电阻调速和串级调速。而造纸机的要求是启动电流要小，启动转矩大。还要求频繁的启动。所以可以使用绕线式异步电机调速来控制造纸机。至于转子串电阻和串级调速之间的选择：串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用，因此效率高。串级调速能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬，它完全克服了转子串电阻调速的缺点，具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点，是一种经济、高效的调速方法。因此这
5、里选择使用绕线式异步电机串级调速来控制造纸机。第二章 系统的组成及工作原理2.1 系统的组成本调速系统的主要组成部分有异步电动机、转子整流器、频敏变阻器、有源逆变器、触发装置和信号检测等元件。整流器和逆变器是应采用三相桥式电路。图1-1为本系统所采用方案的示意框图。为了减少串调装置的容量和满足使电动机能完全脱离调速装置而“高速”运转的要求，本系统不使用串调装置的直接起动，而是采用频敏变阻器进行起动。起动完毕后，若需转入“调速”状态下低速工作，只需将接触器接通，KM断开，即可切换至串级调速运行状态。在调速装置发生障碍时，先经频敏变阻器升速，然后通过触点短接转子，使电动机全速运行，这样可以调速装置
6、进行检修而不中断生产。 图 1-1 造纸机传动系统框图2.2串级调速原理在异步电动机的串级调速中, 如果不在转子回路串接电阻，而是引入一个附加电动势Eab，且令Eab的频率和转子电动势的频率相等，则转子回路的总电动势即为转子电动势E2s和附加电动势Ef的代数和，从而使转子电流随着二者的相互关系而变化。如果对电动势的方向及数值加以控制，就会得到性能远比转子串电阻调速法优越的结果。可使改变附加电动势的大小和方向十分灵活、方便，可做到平滑无级调速。下图2-1所示是 转子串Eab的串级调速原理图 图 2-1 转子串Eab的串级调速原理图 串级调速的基本原理可分析如下：未串时，转子电流为： 当转子串入的
7、与反相位时，电动机的转速下降。因为反相位的串入后，立即引起子电流的减少，即当转子串入的与同相位时，电动机的转速升高。同相位的串入后，立即使增大，即由上面分析可知，当与反相位时，电动机在同步转速以下调速，称为低同步串级调速。Eab与E2s同相位时，电动机朝着同转速方向加速，Eab幅值越大，电动机的稳定转速越高，当Eab幅值足够大时，电动机的转速将达到甚至超过同步转速，这称为超同步串级调速。2.3晶闸管串级调速系统主电路设计图2-3 晶闸管串级调速系统主电路上图为晶闸管串级调速系统主电路图，M为三相绕线转子异步电动机，其转子相电动势经过三相不可控整流装置整流，输出直流电压。工作在有源逆变状态的三相
8、可控整流装置除提供可调的直流电压外还可将经整流装置整流输出的转差功率逆变，并回馈到交流电网。转子整流器和产生附加直流反电动势的晶闸管有源逆变器，均采用三相桥式电路。逆变器逆变电压即为转子回路中串入的附加直流电动势。直流回路电流Id决定于拖动的负载转矩，当负载一定时，为定植，改变逆变器的逆变角，逆变电压相应改变，便实现调速。逆变变压器起到了电动机转子电压与电网电压匹配的作用，其二次侧电压不但与转子感应电势E2有关，还与调速范围有关。调速范围越大，要求的值越高。逆变变压器还能起到使电动机转子电路与交流电网之间电隔离的作用，减弱大功率晶闸管装置对电网波形的影响，并限制晶闸管的断态电压临界上升率和通态
9、电流临界上升率。转子回路中接入的电抗器Ld，可以使小负载时电流连续并限制电流脉动分量。在大功率串级调速系统中还能限制逆变颠覆时短路电流上升率。保护电路，交流侧采用阻容吸收和压敏电阻作为过电压保护电路，对于电路中晶闸管和二极管则采用阻容吸收和压敏快速熔断器做过电流保护。2.4异步电动机串级调速系统的转子整流电路转子整流电路采用三相桥式不可控整流电路，如下图所示：图2-4 转子整流电路设电动机在某一转差率s下稳定运行，当个整流器件依次道统时，必有器件见的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠降。换相重叠角为： （27）其中，XD0 s=1时折算到转子侧的电动机钉子和转子每相漏
10、抗。由式（27）可知，换相重叠角随着整流电流Id的增大而增大。当Id较小，在0度到60度之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。当负载电流Id增大到按式（27）计算出来的角大于时，器件在自然换相点处未能结束换流,从而迫使本该在自然换相点换流的器件推迟换流，出现了强迫换流现象，所延迟的角度称为强迫延时换相角。强迫延时换相只说明在Id超过某一值时，整流器件比自然换相点滞后角换流，但从总体上看，6个器件在360度内轮流工作，每一对器件的换流过程最多只能是，也就是说，Id再大，只能是=不变。由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路在时转子处于正常的不可控整流
11、工作状态。由于整流电路的不可控整流状态是可控整流状态当控制角为零时的特殊情况，所以可以直接引用可控整流电路的有关分析式来表示串级调速时转子整流电路的电流和电压。整流电流： （28）整流电压： （29）其中， 是折算到转子侧的电动机定子和转子的每相等效电阻。上两式中，当时表示转子整流电路工作在正常的不可控整流工作状态,为第一种工作状态；而将时称为第二种工作状态。2.5异步电动机串级调速系统的逆变电路 逆变电路采用工作在逆变状态的三相桥式整流电路，为控制角,为逆变角。逆变时允许采用的最小逆变角。式中，为晶闸管的关断时间折合的电角度；为换相重叠角；为安全裕量角。晶闸管的关断时间 ，大的可达20030
12、0us，折算到电角度约。重叠角根据式子 计算可知约为。在三相桥式逆变电路中，触发器输出的六个脉冲，它们的相位角间隔不可能完全相等，不对称度一般可达，若不设安全裕量角，偏后的那些脉冲相当于变小，就可能小于，导致逆变失败。根据一般中小型可逆拖动的经验，安全裕量角约取。这样，一般取最小逆变角不小于，使前后相晶闸管换相时间留有裕度。第三章 系统性能分析第3.1节 串级调速的机械特性 由上述串级调速的原理可知，串级调速的机械特性如图3-1所示，当Eab与E2s同相位时，机械特性基本上是向右上方移动；当Eab与E2s反相位时，机械特性基本上是向左下方移动。因此机械特性的硬度基本不变，但低速时的最大转矩和过
13、载能力降低，起动转矩也减小。串级调速的调速性能比较好，但获得附加电动势Eab的装置比较复杂，成本较高，且在低速时电动机的过载能力较低。图3-1 串级调速时的机械特性 由上述说明得知：是由两部分组成，一部分为转子未串电动势Eab产生的电流；另一部分为转子外加电动势产生的电流，且式中 sE2与Eab反相时取负值，sE2与Eab同相时取正值。所以，异步电动机的电磁转矩为 (式3-1)式中 为异步电流机的电流变比，令，且有 (式3-2)式（2-1）和、值代入式（2-2），整理得 (式3-3)显然，串级调速方法中，异步电动机的电磁转矩由两部分组成：为旋转磁场与作用产生的转矩分量。其机械特性与转子不串外加
14、电动势Eab时的异步电动机的机械特性一样，如图3.2 (a)所示。为由旋转磁场和作用产生的转矩分量，sE2与Eab同相时，取正值；sE2与Eab反相时，取负值，其机械特性如图3.2(b)所示。绕线式异步电动机转子串电动势Eab的机械特性由和合成得到，如图3.2(c)所示。 (a) (b) (c) 图 3.2 异步电动机串级调速的机械特性由图3.2(c)知：当Eab=0时，机械特性同普通异步电机的固有机械特性；当Eab取正值时，机械特性基本上是平行上移。显然，机械特性的线性段较硬，但低速时，最大转矩和起动转矩减小，且过载能力降低。3.串级调速的特点和性能其特点和性能为(1)串级调速的控制设备较复
15、杂，成本较高，控制困难。因为转子回路串入了一个频率与转子电动势频率相同的外加电动势Eab，且要随频率变化，是相当困难的。因此，在实际应用中，通常是将转子外加电动势用整流器整流成可控的直流电动势来代替交变电动势；(2)串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损耗小，效率较高；(3)低速时，转差功率损耗较大，功率因数较低，过载能力较弱；(4)串级调速范围一般为，适用于大容量的通风机，提升机等泵类负载。第3.2节 串级调速装置的电压和容量 串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外，为实现串级调速而附加的所有功率部件。串级调速装置的容量主要是指转子整流器、逆变器和逆变变压器的容量，选择
16、依据是电流与电压的定额。电流定额取决于异步电动机转子额定电流I2N和负载；电压定额取决于异步电动机转子额定电压E20和调速范围D。现以逆变变压器的容量计算来分析 U2T= SmaxE20cos 301.15E20（1-） WT3.45E20I2T（1-） （式 3-4）式（3-4）表明，系统调速范围增大时，WT也增大，所以串级调速系统往往被应用于调速范围不大的场合。第四章 系统参数设计4.1 电动机的选择4.1.1容量的选择。考虑到串调运行的异步电动机由于额定转矩、额定运行时最高转速的降低及其他因素的影响，使电动机允许最大输出功率较自然接线运行时的额定功率降低。取电动机容量系数1.25倍，则选
17、择电动机额定功率为 根据造纸机转速及传动要求，选择绕线转子三相异步电动机规格见下图4-1电动机的型号YR250M2-4额定功率（)45KW额定转速()1480r/min额定频率()50HZ定子额定电压（)380V定子额定电流()85.9A功率因数()0.87额定效率91.50%转子额定电动势（)340V转子额定电流（)81A最大电磁转矩与额定转矩比（）3调速范围（）3额定转差率：定子电阻：定转子绕组的变比K： 折算至转子侧的定子电阻r1： 电动机的额定转矩MN： 4.1.2逆变变压器参数初步计算如下：变压器二次额定电压： 拆算至支流侧的变压器等效电阻 拆算至二次侧的变压器漏抗Xs: 平波电抗器
18、直流电阻： 4.1.3 串调运行是额定转矩如下： 串调运行直流回路额定电流： 串调运行是额定转矩： 转矩降低系数: 4.1.4 串调运行时最高转速的确定如下：串调系统直流回路等效总电阻R：取系统过载系数，则有直流回路最大电流为最大电流时的电势系数：最大电流时所对应的最高转速：取，则转速降低系数： 功率降低系数： 4.1.5 电动机校验： 因此，所选电动机容量合适。4.1.6 换向重叠的校验如下：是换向重叠角：由此可见，系统工作在第一工作区。4.3晶闸管及转子侧整流元器件的计算与选择4.3.1额定电压：实取。3.3.2额定电流：实取。选取晶闸管KP20012、硅整流器件ZP20012各6只。4.
19、8 控制回路单元电路的选择4.8.1电流闭环元件的选择4.8.1.1电流检测装置。三相桥式有源逆变器中，交流侧有效电流与直流电流之间有着近似的比例关系，即。因此，利用交流电流互感器检测电流，既可以反映直流电流，又能把控制回路与主回路隔离。结构上，交流电流互感器简单。因此，本系统采用交流电流互感做为电流检测装置。对与定型生产的电流互感器，额定容量是10VA或15VA，二次电流是5A。如按定型的仪用交流电流互感器产品来选择，则它的二次侧的整流元件和负载电阻的容量都比较大，耗散功率也多，所以在标准互感器后边加上一组5A/0.1A的交流电流互感器，电流检测装置如图4-1所示。这样整流后的输出电流为0.
20、1A/0.816=0.12A；若负载电阻选择，则输出的最大电压为12V，经分压即可得到010V的输出信号；负载电阻的耗散功率为。将负载电阻的功率取为计算值的4倍以上，即，8W。 图4-6 电流检测装置示意图为了保证检测精度，电流互感器的铁心采用软磁性材料，且在正常工作时不饱和。使用是，需要特别注意的是，电流互感器二次侧不能开路。4.8.1.2 电流调节器ACR的机构。为了满足造纸工艺要求，提高系统的动态性能，电流调节采用近似的PI调节器，由高增益线性组件BG305构成，电流调节器ACR的原理如图4-2所示。ACR的输出信号经限幅和功率放大后做为触发装置GT的移相信号。图4-7 电流调节器ACR
21、原理图4.8.1.3触发装置的选择触发器是晶闸管变流装置的一个极其重要的组成部分。它的设计合理，性能优良，工作稳定，将直接提高整个调速系统运行的可靠性。近年来，触发电路迅速向集成化发展。集成电路触发器具有性能可靠、线性度好、功耗低、体积小、用户使用方便的优点，故本系统采用KCZ6集成六脉触发组件。该组件采用三块KC04移相触发器、一块KC41六块双脉冲形器、一块KC42脉冲列调制形成器组成。它将控制电压的幅度转化为相应控制角的触发脉冲，通过脉冲变压器使主电路可靠地工作。控制KC41端子7的逻辑电平，可以很方便地实现对输出脉冲的封锁与开放。当控制端子7接逻辑低电平时，无输出脉冲。该组件原理图如图
22、4-8所示。图4-8 触发装置组件原理图 4.9 转速检测环节的选择4.9.1转速检测环节和电压隔离器。转速检测装置的质量和安装精度直接影响着系统的动态品质。本系统采用永磁式直流侧速发电机实现转速检测。选用ZYS231/110型，。安装时严格保证电动机和测速发电机的机轴连接时的同心度。 为了使测速发电机与控制回路隔离，本系统设置了直流电压隔离器，转速检测和电压隔离环节电路如图6-28所示。4.2.2转速调节器ASR的结构。转速调节器ARS采用与ACR相同的结构，有线路组件BG305构成近似的PI调节器，如图4-4所示。调节器的设置，使转速n跟随给定值 变化，稳态时无静差，对负载变化起抗干扰作用
23、；其输出幅值决定最大电流。满足了造纸机械工艺对传动系统的要求。图4-9转速检测环节和电压隔离器4.10 调节器的工程设计调节系统的工程设计是在已知对系统静、动态性能的要求情况下，以频率法为工具，将系统进行合理简化，采用设置校正装置的方法，使整个系统近似成典型的低阶结构。掌握了典型系统参数与性能指标之间的关系。4.10.1双闭环系统的稳态系数计算转数反馈系数 ：取转数最大给定，转数反馈系数为 转速负反馈回路比较电压： 实选：稳定电压为5V的硅稳压管。电流反馈系数：取转速调节器的限幅值，则有 转速调节器稳态放大系数： 实取，则 取电流环的稳态放大系数，则 系统的稳态速降： 低速时静差率S： 满足系
24、统稳态性能要求。4.10.2双闭环系统的动态参数计算调节器动态参数可以按典型型系统设计，也可以按典型型系统设计。典型型的结构简单，易于计算，系统超调量小，但抗扰性能差；典型型系统结构较复杂，计算较繁琐，且系统超调量大，但抗干扰性强。对本系统来说，若从抗干扰能力角度出发，电流闭环和转速闭环均应按典型型系统设计。但实际系统要求电流超调量小，故本系统的电流闭环按典型型 系统设计。转速环的扰动量主要是负载。系统要求抗干扰能力强，动态速降小，恢复时间短，因此，决定转速环动态参数按典型型 系统设计。4.10.2.1电流闭环动态参数计算。电流闭环由串调系统直流主回路形成的大惯性环节与晶闸管变器、电流检测及反
25、馈滤波等小惯性群组成。由于实际系统电流环的时间常数很小，且反映迅速，而与转速成比例却变化缓慢，故电动势干扰对电流的影响可忽略不计。所以，由图+可单独画出电流闭环动态结构图，如图5-2所示。图4-10 电流闭环动态结构图 利用结构图变换，并把给定滤波作用合并起来，等效于环内，则得到图4-12a单位反馈形式。 对于三相桥式电路，平均失控时间；为电流反馈滤波时间常数，取（由于电流反馈信号取三相桥式整流电路，信号中含有的脉动成分，为了衰减这些交流分量，需设置电流反馈滤波器。实践证明，若取，则可将其脉动分量衰减到原来的1%左右）。它们都是小时间常数，可以按小惯性环节的近似处理方法，用来代替。这样，只考虑
26、动态过程时，结构就化为图4-11b所示的形式。图 4-11 电流闭环动态结构及其化简图a) 单位反馈式结构图 b) 简化结构图 为把电流环节校正成典型型，显然ACR应采用PI调节器，其传递函数为要计算电流调节器的参数和，需知道电动机逆变装置的有关参数。当转差率为时，直流回路等效电阻；则有：触发逆变装置的放大系数：由于要求超调量小，故取阻尼比，这时，所以电流调节器的参数为根据图6-9的结构形式，取，若电位器置于处，则有实选，。ACR参数如图4-12所示。图4-12 ACR调节器参数图4.10.2.2（转速闭环动态参数计算。电流环是转速闭环的内环，计算转速调节器参数时，为简便起见，对已设计好的电流
27、环作进一步简化处理。根据图5-3b，取时，电流环的等效传递函数可近似为用上述等效环节代替图5-1中的电流闭环后，整个调速系统的动态结构图便如图5-5a所示。利用结构图等效变换，并进行工程上的近似处理，则转速环动态结构图可化简成图4-13b。该图中 由图4-13b可以看出，要把转速环校正成典型型系统，无疑地，ASR应采用PI调节器有共传递函数。调速系统的开环传递函数为图4-13转速环动态结构及其简化图a) 动态结构图 b) 简化图图4-14校正后的调速系统结构图不考虑负载扰动是，校正后的调速系统结构图如图5-6所示要计算ASR的参数和，首先需确定电动机的积分时间常数和转速反馈滤波时间常数。 采用
28、直流测速机，由于有整流的换流作用，输出信号是脉动直流电压，故必须经反馈滤波器滤波，以滤波脉动成分，可防止干扰信号侵入系统，本系统取的计算：电动机转矩系数：电动机在工作电流附近线性化的转矩系数，可用下式表示：本系统拖动电动机转动惯量为,即按主传动系统为电动机的1.5倍考虑，则拖动系统的飞轮惯量：电动机的积分时间常数转速调节器ASR参数，计算：按闭环幅频特性的谐振峰值最小准则来确定典型型系统的参数选择，且取h=5则有 由于ASR采用与ACR相同的结构形式，取，并使，则ASR的具体参数为 实取 ，。ASR调节器参数如图4-14所示图4-14ACR调节器参数图根据设计时所确定的方案和选定的控制环节及参
29、数计算，造纸机总轴传动系统的主电路电气原理图如图4-14所示；控制电路电气原理图如图+所示；触发电路电气原理图如图4-15所示。图4-15 造纸机总轴传动系统的触发装置组件原理图4.11系统的调试及运行 设计工作结束后，在设备安装完毕投入运行以前，还必须对系统进行严格地调试。系统调试基本上与直流拖动双闭环系统相似。调试时应遵循元器件，后系统；先开环，后闭环；先内环，后外环；先静态，后动态；先低速，后高速；先空载，后负载；先手动，后自动的步骤进行。系统动态校正所确定的调节器型式及其参数，只能供系统动态调试时每个调节器参数的参考数据。系统动态调试时每个调节器参数在实际整定值是靠调试结果达到了预期目
30、标而最后确定下来的。 系统经过调试之后，便可进行实际运行试验，为了确保安全，系统实验时应根据生产设备的特点，采取可靠的安全措施，严格遵守操作规程。四.结论绕线式电动机串级调速与转子串电阻调速相比。其优点是机械特性较硬，调速平滑性较好，损耗较小，效率较高（大容量满载时的效率可达90%以上，中小容量满载时的效率可达80%以上）。便于向大容量发展。因此，串级调速适用于调速范围不太大的大功率异步电动机的节能调速。转子回路串电阻调速这种方法既可以限制启动电流，又可增大启动电流，又可增大启动转矩，串接电阻取得适当，还可使启动转矩接近最大转矩启动，适当增大串接电阻的功率，使启动兼作调速电阻，一物倆用，适用于
31、要求启动转矩大，并有调速要求的负载。绕线转子电动机的转子串接电阻调速办法简单，易于完成，但调速是有级的，不平滑，且低速时特性软，转速稳定性差，同时转子铜损耗大，电动机的效率低。串级调速克制了转子串接电阻调速的缺陷，但设备要复杂得多 参考文献1李华德主编.交流调速控制系统.北京：电子工业出版社.2004.72谭建成主编.电机控制专用集成电路.北京：机械工业出版社，2004.33何希才，姜余祥编著.电动机控制电路应用举例.北京：中国电力出版社，2005.14胡崇岳主编.现代交流调速技术.北京：机械工业出版社，2004.95高秀珍，姚瞬才等编著. 电机及控制系统实验.北京：国防工业出版社，2005.
32、36陈伯时，陈敏逊编著. 交流调速系统. 北京：机械工业出版社，2005.47陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社2003:219-2418王兆安，黄俊主编.电力电子技术. 机械工业出版社2000:43-1499姜泓，赵洪怒主编.交流调速系统.华中理工大学出版社.1990:1-9210王宏文,陈在平,孙进生主编.自动化专业英语教程. 机械工业出版社2000:112-11511何建平等主编.电气传动.重庆.重庆大学出版社.2002:82-9812天津电气传动设计研究所编著.电气传动自动化技术手册.北京.机械工业出版社.1992:56-89致谢本论文是在导师刘和剑老师的悉心指导下完成的。感谢老师对我的辛勤培育。从论文的立题到设计以及论文的撰写整个过程无不浸透着老师的心血。他广博的学识，严肃的科学态度，严谨的治学精神，灵活的思维方式，耐心细致的言传身教深深感染激励着我，将使我终身受益。这份师恩我将终身难忘。此外，我的论文也受到了沈菊敏.刘海青.张欣等同学在完成论文中给予的帮助。感谢苏州大学应用技术学院所有同届的同学对我生活和学业上的关心和帮助,特别是07机电的同学和我的舍友在写论文方面给与我的帮助.我为自己能够在这样一个温暖和谐的班级体中学习工作，深感温暖、愉快和幸运。
