双闭环控制串级调速系统

1主电路方案的确定

全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速，电流双闭环调速系统。

对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大，从而了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控制，此时可以采用绕线转子异步电动机。常见的绕线转子异步电动机用转子回路串电阻调速，这种调速方法简单、操作方便且价格便宜，但在电阻上将消耗大量的能量，效率低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性能较好的绕线转子异步电动机转差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。

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（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。

2系统静态及动态要求

若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。

若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统

中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。 

3串级调速原理及基本类型

假定异步电动机的外加电源电压及负载转矩都不变．则电动机在调速前后转子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势则转子电流为

式中：：转子回路电阻；

　　      ：转子旋转时转子绕组每相漏抗；

：转子开路相电势 ；

电动机在正常运行时，转差率s很小，故≥。忽略有,

上式中，为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势可以改变转差率S，从而实现调速。

　　设当= 0时电动机运行于额定转速，即,由（式1-2）可见，当附加电动势与转子相电势相位相反时（前取负号），改变的大小，可在

额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（前取正号），改变的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速（即s <0）。

4电动机供电方案的确定

变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。

在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。 由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉 动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、 体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

在一般情况下，晶闸管变流装置所需的交流电供电压与电网往往不一致。另外为了减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常要配用整流变压器。为了抑制谐波干扰，一般采用接法的整流变压器。

考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量计算如下：

式中，——串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系统，该取大一点；

——按照常规运算方式计算的电动机容量。

从产品手册中选择的电动机容量≥

本设计采用内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。

该电机定额为连续定额S1，基本防护等级为IP23，基本冷却方法为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。

由于调速范围小，且对动、静态性能有一定性能要求，选用晶闸管串级调速双闭环调速系统比较合适。整流器采用三相桥式全控整流电路。

双闭环控制系统的参数计算

(一)双闭环系统静态参数计算

（1）取速度给定电压    

速度反馈系数

（2）取电流给定电压   

电流反馈系数   

（3）取电流调节器输出电压最大值；

晶闸管电压放大倍数

（4）晶闸管逆变器的滞后时间常数

低速时静差率要求的速度降

由于采用了抑止零点漂移的PI调节器，故稳态时的速度降必须满足：

则

因为，              

取                  

若取                   

电流环           

故                 

静差率             

（二）双闭环系统的动态参数计算

由前述分析可知，与均为转差率S的函数，故电流环为非定常系统，但当时的与值可按定常系统设计，保证系统具有良好的性能。

（1）电流环参数计算

由公式知，将代入可以推得

由于要求电流环超调量小，故电流环按典型I型系统设计。

取        

则

令                    

故，             

（2）速度环参数计算

由于系统要求抗扰性能及跟随性能好，转速环按典型Ⅱ型系统设计，且取h=5。

取                   

转速环截止频率

又因为

满足及ωｉ＜的条件，故电流环可等效为惯性环节。

则                   

若按                

两种计算结果基本一致，取。

统飞轮矩按电动飞轮矩的1.5倍考虑，即GD2=1.5×0.1=0.15N·m

系统总体结构设计

三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流

电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。 

调节器的设计结构

本次设计主要设计电流调节器和转速调节器，并通过软件来实现模拟电路的功能。先求出各个器件的传递函数，然后得出整个环的传递函数，并对环的稳定性作出正确的分析。

系统总设计图

图9-4双闭环控制系统结构图

结束语

本设计通过变流系统将调节绕组从主绕组感应过来的电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小来实现调速。即将内反馈串级调速电动机的部分转子能量取出以改变电动机转差率来实现调速的。同时调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速成正比变化，达到调速节能的目的。

通过本次设计，加强了我对调速系统应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中数字化系统的重要性，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。

       双闭环电动机串级调速系统 

                                  学院：计控学院

                                  班级：自动化083班

                                  姓名：刘诗泽

                                  学号：2008022094

                                  日期：2011-11-15