双闭环三相异步电动机调压调速系统设计毕业设计论文.doc

交流调速课程设计

题目：双闭环三相异步电动机调压调速系统设计

学院：机械工程学院
班级：机检0911
姓名：武锦涛（21）、周元浩（22）
谢美兰（23）、张丽萍（24）
指导教师：孙宏昌

目录
摘要 3
引言 4
一、方案和系统结构框图 4
电动机的选型 4
二、主电路设计 5
2.1晶闸管的选择 5
2.2晶闸管的保护环节的设计 6
2.3 主回路熔断器、接触器、热继电器选择 7
2. 4主回路导线规格 7
2. 5主回路欠电压、漏电流等保护环节设计 8
三、控制电路设计 9
3.1 电流调节器的设计 9
3.2转速调节器ACR的设计 13
3.3调速系统静态参数分析 16
3.4控制回路导线规格 17
四、系统电路控制图 17
五、触发电路设计 18
晶闸管的触发电路 18
总结 19
参考文献 20

摘要：调压调速是异步电动机调速系统转差率s基本不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电机转速的目的。异步电动机采用调压调速时，对普通异步电动机来说其调速范围很有限，而对力矩电机或绕线式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软其调速范围有所扩大，当电机低速运行时，负载或电压稍有波动，就会引起转速很大的变化，运行不稳定。除此之外，在负载或电网电压波动情况下，其转速波动也比较严重，为了提高系统的稳定性，采用双闭环调速系统，以提高调压调速特性的硬度。

关键词：双闭环调压调速系统 三相异步电动机 晶闸管 保护电路
引言：
异步电动机的转速恒小于旋转磁场的转速n1，只有这样，转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。如果n=n1，转子绕组与定子磁场之间无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见n<n1是异步电动机工作的必要条件。由于电动机转速n与旋转磁场转速n1不同步，故称为异步电动机。改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。

一、方案和系统结构框图
1、电动机的选型:
假设电动机工作于普通机床主轴传动系统中，设定最大转速为1440r/min，可选出电动机型参数如下：
型号：Y132S-4 额定功率：5.5KW 满载时定子电流：12A
满载时转速：1440r/min 满载时效率：85.5% 满载时功率因数：0.84
堵转电流/额定电流：7A 堵转转矩/额定转矩：2.2N.m
铁芯长度：115mm 气隙长度0.4mm 定子外径：210mm
定子内径：136mm 定子线规根数-d：1-0.9mm
每槽线数：47 绕组形式：单层交叉 节距：1~9mm
定转子槽数Z1/Z2: 36/32
2、系统结构确定如图所示

二、主电路设计：
2.1晶闸管的选择
晶闸管选择主要根据变流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。在设备使用中，一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流。
（1）额定电压的选择
考虑系统操作（如开关合闸）以及某些意外原因所导致短路时电压的值，所以应留有足够的裕量。根据使用经验,通常可以选择考虑2~3倍的安全裕量，通常按以下公式计算，
=（23），则=7601140V
式中指的是晶闸管可能承受的最大电压值。此处根据电动机的型号=220V。
（2）额定电流的计算
根据电动机的型号，=7A得出

根据、查的晶闸管的型号是KP10
2.2晶闸管的保护环节的设计
2.2.1过电流保护
过电流是晶闸管电路经常发生的故障，是造成器件损坏的主要原因之一，因此，过电流应当首先考虑。由于晶闸管承受过电流能力比一般电器差的多，故必须在极短的时间将电源断开或把电流值降下来。在设计中可采用快速熔断器保护、电子线路控制的过电流保护以及过电流继电器保护。
采用快速熔断器保护是最简单有效的过流保护器件，具有快速熔断的特性，在通常的发生短路中后，能快速熔断能保证在晶闸管损坏之前熔断自身而断开故障点，避免过电流烧坏管子。
如图所示的接法对交流、直流侧过电流时均起作用，

2.2.2过电压保护
产生过电压原因
晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其正向断态重复峰值电压一定值时，就会误导通，引起电路故障；当反向电压超过其反向断态重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏，因此，必须采取过电压保护。
为了抑制晶闸管的过电压，采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，如图所示

电阻功率（W）为

式中，f为电源频率50Hz，C为电容值，根据晶闸管额定电流查表得，电容为0.1 ，为晶闸管的工作电压峰值220V。因此=0.968W。
2.3 主回路熔断器、接触器、热继电器选择
由Y系列三相异步电机控制电器选择参考表得：型号为Y132S-4的异步电机的熔断器的型号为RLI30，接触器的型号为CJ20-25，热继电器的型号为JR20-16。
2. 4主回路导线规格
由电机的额定电流查表得：
导线尺寸（直径）1.25mm 额定电流12.2A 熔断电流45A
电阻/m，在20 C时电阻值为0.014 一米长度的电感是1.41
相近的标准线规格（SWG）18 相近的美国线规格（AWG）16
2. 5主回路欠电压、漏电流等保护环节设计
电气控制线路在事故情况下，应能保证操作人员、电气设备、生产机械的安全，并能有效地制止事故的扩大。为此，在电气控制电路中应采取一定的保护措施，为避免因误操作而发生事故。保护环节也是所有自动控制系统不可缺少的组成部分，常用的保护环节包括短路、过载、过流、过压、失压等保护环节，如下图为具有欠压、过流、过载、短路保护的控制电路。

2.6主回路调节器设计

　　　　　ASR-速度调节器； TG-测速发电机； AT-触发装置

　　　　　　　　图3 速度负反馈闭环调压调速系统
速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理：将速度给定值与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置，由触发装置输出来控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。因此，改变了速度给定值就改变了电动机的转速。由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小，由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使调压器的输出电压提高，导致电动机的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值。
三、控制电路设计
3.1 电流调节器的设计
-
+
R3
R2
R1
C1
R5

3.1.1电流调节器的设计原理
电流环的控制对象又电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置，触发器，电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。电流环可以校正成典型1型系统，也可以校正成典型2型系统，校正成哪种系统，取决于具体系统要求。
在一般情况下，当控制系统的两个时间常数比时，典型Ⅱ型系统的恢复时间还是可以接受的，因此，一般按典型Ι型系统设计电流环。此外，为了按典型系统设计电流环，需要对电流环进行必要的工程近似和等效处理。
3.1.2. 电流环的结构的简化
电流环的结构如图（3.1） 所示。把电流环单独拿出来设计时，首先遇到的问题是反电势产生的反馈作用。在实际系统中，由于电磁时间常数T1远小于机电时间常数 Tm，电流调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比电势E的变化快得多，反电势对电流环来说，只是一个变化缓慢的扰动，在电流调节器的快速调节过程中，可以认为E基本不变，即△E=0。这样，在设计电流环时，可以不考虑反电势变化的影响，而将电势反馈作用断开，使电流环结构得以简化。另外，在将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效的置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。最后，考虑到反馈时间常数 Ti 和晶闸管变流装置间常数 Ts 比 T1 小得多，可以当作小惯性环节处理，并取 T∑i=Toi+Ts。经过上述简化和近似处理后，电流环的结构图最终可简化为图（3.2）所示：

图3.1

图3.2

图3.3
3.1.3．电流调节器的结构选择
由于电流环中的控制对象传递函数 Wi（s）含有两个惯性环节，因此按典型Ⅰ系统设计的话，应该选PI 调节器进行串联校正，其传递函数为

为了对消控制对象的大时间常数，取 。此时，电流环的结构图就成为典型Ⅰ型系统的形式。
如果要求跟随性好，超调量小，可按工程最佳参数KgT=0.5或=0.707选择调节器的参数。电流环开环放大系数 Ki 为
K=
令KT=0.5,所以有：
K=
且截止频率W为：
W=K=
上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率W与T的关系满足小惯性环节的近似条件W。
如果按典型型系统设计电流环， 则需要将控制对象中的大惯性环节近似为积分环节，当T>hT时 ，而电流调节器仍可用 PI 调节规律。但积分时间常数应选得小一些，即= hT。
按最小峰值M选择电流环时，如选用工程最佳参数 h=5，则电流环开环放大系数 KI为：
K==
于是可得
K==
W==
显然，按工程最佳参数h=5确定的W和T的关系，也可以满足小惯性环节的近似的条件。
PI型电流调节器结构图
Ui*
Rdn
Cdn
R5
R4
-

+
Con
Con
Un*
R0/2
R0/2
R0/2
R0/2
Rn
R3
Cn

3.2转速调节器ASR的设计
3.2.1电流环的等效传递函数
电流环是转速环的内环，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理，使电流成为一个简单的环节，以便按典型系统设计转速环。
如果电流环是按工程最佳参数设计的典型 I 型系统，则由图（3.4）可得其闭环传递函数为：
W（s）===
由于：
K=, 所以有W（s）=
在双闭环调速系统设计中，转速外环的截止频率W总是低于电流环的截止频W，即W<< W.因此，设计转速环时可以把电流环看成是外环中的一个小时常数环节，并加以简化处理，即略去WBi(s)中分母的高次项，得简化后的传递函数为：
W（s）
近似条件为: W<<0.5T。
电流环的这种近似处理产生的效果可以用对数幅频特性来表示。电流环未作处理时阻尼比=0.707 ，自然振荡频率为的二阶振荡环节，当转速环截止频率较W低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有些区别。由于电流环在转速环内，其输入信号Ui。因此，与电流环的近似的小环节应为==，式中时间常数2T的大小随调节器参数选择方法不同而异。
3.2.2转速调节器结构的选择
为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图 （3.5）可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要 II 型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型 II 型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型 II 系统进行设计。
由图（3.6）可以明显地看出，要把转速环校正成典型 II 型系统，转速调节器 ASR也应该采用 PI 调节器，其传递函数为
W=K
式中K——转速调节器的比例系数；
——转速调节器的超前时间常数
这样，调速系统的开环传递函数为：
W（S）==
其中，转速开环增益为
K=
不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构示于下图（3.6）

图3.4

图3.5

图3.6
3.2.3转速调节器的参数选择
按跟随性能和抗扰性能最好的原则，取h=5进行计算。
小惯性环节近似处理条件:
W
电流环设计时，KT=0.5, 所以，<5%。
3.3调速系统静态参数分析
分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握转速调节器PI的稳态特征，它一般存在两种状况。①饱和 输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使转速调节器退出饱和，这时转速环相当于开环。
②不饱和 输出未达到限幅值，转速调节器使输入偏差电压在稳态时总是零。
当转速PI调节器线性调节输出未达到限幅值，则< 由于积累作用使，即n= 保持不变直到，如图段所示。

当转速PR调节器饱和输出为极限值，转速外环的输入量极性不改变，转速的变化对系统不再产生影响，转速PI调节器相当于开环运行，这样双闭环变为单闭环电流负反馈系统，系统由恒转速调节变为恒电流调节从而获得极好的下垂特性，如图中A-B段所示。
由上面分析可见，转速环要求电流迅速响应转速n的变化，而电流环则要求维持电流不变。这不利于电流对转速的变化的响应，有使静特性变软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用相当转速环内部的一种扰动作用而已，不起主导作用。只要转速环的开环放大倍数足够大，最后仍然能靠转速调节器的作用消除转速的偏差。
3.4控制回路导线规格
20 时导线截面积2.5mm 管径16mm
40时导线截面积2.5mm 管径16mm
四、系统电路控制图
为了保证工件的加工精度和加工后表面光洁度，加工过程的速度就必须保持基本稳定，也就是说静差率不能太大，这就需要采用闭环控制。闭环系统静

双闭环调压调速系统控制原理图

特性可以比开环系统机械特性硬得多；闭环系统的静差率要比开环系统小得多；如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。对于单闭环控制系统，若要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环就不能满足需要，所以本设计采用转速电流双闭环调速系统。电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而，在突加给定时不希望有超调，或者超调越小越好,电流环在里边，作为内环；转速环在外边，作为外环，系统控制原理图如下：

五、触发电路设计
晶闸管的触发电路
晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要时由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。 对于调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。触发顺序依次为
VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O。

触发电路

总结：
经过两周的课程设计，让我印象深刻，设计一个东西并不容易，而在这两周的课程设计里，我们都付出了努力。在整个设计过程中，我们一起参与了整个过程，从电动机的选择一直到设计结束。
电动机的型号的选择，这都是从图书馆书上找到的，经过我们一点一滴的筛选，到最后的确定方案，系统结构图等这些都从书上查的。在设计过程中，我们翻阅了大量的书籍，逐步按照课程任务，一一往下设计。我们是一个大团队，每个人都有参与其中，导线规格是根据电动机的容量确定的，我们在书上查阅的，选择合适的导线是非常重要的，一根导线坏了，就会影响整个电动机的启动，电动机不能好好运行，后续的工作的无法进行，犹如咱们人体里的血管。熔断器、继电器、接触器的选择都是根据电动机选型的表上查阅的，是按一定要求做的，符合标准，根据型号选择我们所需要的东西。

参考文献

[1]王兆安，刘进安.电力电子技术（第5版）.机械工业出版社，2009
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）[M]. 机械工业出版社. 2005
[3]宋书中.交流调速系统..机械工业出版社.2011
[4]颜世钢,张承惠.电力电子问答.机械工业出版社.2007
[5]唐介.电机与拖动.高等教育出版社..2008
[6]李发海，王岩.电机与拖动.清华大学出版社..2005
[7]曲素荣，索娜. 电机及电力拖动.西南交通大学出版社.2007

实验器材设备清单

序号
名称
数量(个)
单件价格(元)
1
异步电动机（Y132S-4）
1
920
2
电阻
13
0.02
3
晶闸管
7
0.6
4
熔断器（RLI30）
8
1.5
5
接触器（CJ20-25）
9
55
6
电容（C）
6
0.2
7
热继电器（JR20-16）
3
35.88
8
运算放大器
2
1.5

分工明细

小组成员
分工细则
武锦涛
查阅资料
周元浩
控制电路、word排版、
谢美兰
电流环、总体把握、
张丽萍
转速换、总体把握、

1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制
35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
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40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
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52. 单片机控制的后备式方波UPS
53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
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59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
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63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
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101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
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108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
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110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
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113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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