三相异步电动机串级调速系统设计.docx

三相异步电动机串级调速系统设计.docx

《三相异步电动机串级调速系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相异步电动机串级调速系统设计.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

三相异步电动机串级调速系统设计

郑州科技学院

本科毕业设计

题目三相异步电动机串级调速系统的设计

姓名

专业电气工程及其自动化

学号

指导教师

郑州科技学院电气工程学院

二〇一六年五月

摘要I

ABSTRACTII

前言III

1串级调速系统总体设计1

1。

1串级调速系统的发展1

1。

1.1改变电动机极对数调速3

1。

1。

2电动机调节电压调速3

1。

1.3电磁转差离合器调速3

1。

1。

4改变频率调速4

1.1。

5转子回路串电阻调速4

1。

1.6串级调速5

1。

2本课题主要内容5

1。

3交直流电机的不同6

2串级调速系统工作原理及主电路的设计7

2.1串级调速的工作原理7

2.2主电路的设计9

2。

3逆变电路10

2.4整流电路10

3主电路参数12

3。

1电动机的基本参数及调速要求12

3。

2逆变变压器电路的选择16

3.3晶闸管的选择16

3.4平波下电抗器的选择17

3。

5保护电路17

3.5。

1电流过载的保护17

4控制电路的设计18

4。

1主控制器的选择18

4。

1.1STC89C51简介19

4.1。

2主要特性19

4。

2控制电路的设计22

4.31602液晶显示22

4。

4控制系统的参数计算25

4。

4。

1电流环的设计和参数计算及推导过程25

4。

4.2速度环的设计及其参数的计算推导过程25

4.4.3双闭环系统的动态参数计算26

5仿真曲线及工作特性的分析28

5.1MATLAB仿真28

5。

2编程软件Keil简介29

5。

3串级调速系统的建模设计30

5。

3。

1直流电路的传递函数30

5.3。

2电动机的传递函数30

5.4系统的调速特性分析31

第6章实作的焊接及调试33

6。

1实作的焊接33

6.2串级调速系统的调试35

6。

3系统调试35

6.3.1系统调试步骤35

6。

3.2电流环调试35

6。

3。

3速度环的调试36

6.4调试电路36

结论37

致谢38

参考文献39

附录一实物图40

附录二程序1

三相异步电动机的串级调速系统设计

摘要

串级调速是三相交流异步电动机调速的一种方法,串级调速的核心思想就是将异步电动机的转子侧的电压经过三相桥式整流器改变为直流电压，再将其直流侧由可控硅晶闸管组成的逆变电路产生的及其相反的直流电势然后及三相桥式产生的直流电压串联，再之后则通过来改变其逆变角的大小来达到改变电势的大小，从而达到最终调速的最终目的，同时还能够极大的提高电动机的运行效率以及及调速的经济性。

本文将会依据三相交流电动机对于整个电力拖动系统的要求，决定将采用晶闸管串级调速的方案来控制其拖动的电动机实现最终的无级调速，最终满足电动机对于电力拖动系统的调速性能和节能的要求。

在本文主要中研究了三相异步电动机晶闸管串级调速系统的主、辅电路的设计以及有关的技术问题的解决。

其中包括系统的组成及工作原理，主电路的设计，控制电路的设计，系统的静、动态时的工作特性计算分析等。

关键词：

可控硅;串级调速；整流；逆变

THECASCADESPEEDCONTROLSYSTEMDESIGNOFTHREE—PHASEASYNCHRONOUSMOTOR

ABSTRACT

Thespeedofadjustingofeachistoexchangeakindofadjustingthespeedofasynchronousmotor，Eachtransferthethoughtsofspeedtoturnintodirectcurrentpigeonholethroughthree-phasebridgetyperectificationasynchronoustherotorvoltagesofmotors，Andtheninitsdirectcurrentitinclinestobeatsiliconcontrolledrectifieragainstbecomingcircuitproduceatoppositedirectcurrenttendencyandthree-phasebridgedirectcurrentwhotypeproducepigeonholesandcontacts，Change，Theonesthatstillcanimprovetheoperationalefficiencyofthemotorandadjustspeedatthesametimeareeconomic。

Thistextbasismineliftingmachinepullsystematicrequesttoelectricity，adoptsiliconcontrolledrectifiereachisitisitcontrolitpullmotorrealizethesteplessspeedregulationtocomerapidlytoadjust,meetmineliftingmachinepulltoelectricitysystemtransferspeedperformanceandenergy-conservingrequest。

Thistextmainresearchthreephasesexchangepersonwhowindthelineasynchronousmotorsiliconcontrolledrectifiereachtransferspeedsystematicmainfact，complementcircuitdesignrelevanttechnologicalquestions。

Includingsystematiccompositionandoperationprinciple,maindesignofreturncircuit,controldesignofwayofanswering,quiet,dynamicperformancecharacteristicscomputationalanalysisofthesystem，etc。

Thekeywords：

Siliconcontrolledrectifier；eachadjustsspeed;rectification；Goagainstandchange

前言

直流电动机及交流电动机两者的本质区别在于使用的电源不同,由于交流电及直流电之间的区别造就了两种不同的电动机。

直流电动机在工作状态下其调速范围大且是无极调速,还能够通过对直流电进行精确操控达到精确调速的效果.例如高精度的数控机床、龙门车床等等大中型机械设备。

不同于直流电机,交流电机也具备很多种类,涉及生活中的各个领域，由于交流电动机具备成本低、易维修，效率高等特点正在一步步的替代直流电动机成为主流产品.交流电动机总体被分成异步和同步这两种电机。

同步电动机具有以下长处：

转速恒定，电机的功率因数能够被改善、容量大。

不足之处是不能实现无极调速.鼠笼式电机应用在调速性能要求不高的环境很适宜；对于一些需要经常启动制动的环境，由于其对于起、制动的要求较高，并且还伴随有调速的需求，绕线式电动机就比较适合这类环境。

在本次毕业设计中采用的是绕线式电机，因为它起、制动的过渡过程中变化非常平稳、运行时转速稳定、电机的转矩大，在调速方面还要求一定的范围,启动制动时间短、能耗低，工作效率高。

特别是在一些起、制动频繁的环境中更加实用。

经过仔细筛选比较最终选择了绕线式电动机作为本次课程设计的设计对象，本次设计将针对绕线式电机的串级调速系统进行设计制作,以求达到电动机最终能实现良好的调速。

三相绕线式异步电动机是在转子回路中串接一个转子的电动势E2s在同频率下的附加电动Eadd则通过改变Eadd的值的大小和它的相位可实现调速的功能。

这样，电动机能在低速运行时,使得转子中的转差率仅仅只有小部分会被转子绕组本身的电阻所消耗，而其余大部分的则被附加电动势Eadd来吸收,再利用产生E的装置就可以把这部分转差功率回馈到了电网上,使得电动机在低速条件下运行时仍具有较高的工作效率.将这种在绕线式转子三相异步电动机的转子回路中串接附加电动势来进行改变电动机转速的方法叫做串级调速系统。

串级调速就是在三相绕线式的异步电动机上的转子回路中在引入了一个附加的电势从而产生的一种调速方法。

串级调速的调速方法及在转子中串电阻的方法有所不同，串级调速系统能够将在工作状态下的电动机做的功进行吸收并利用（回馈电网也或是转化为机械能送回到了电动机轴上），通过这种方法该系统的工作效率很高。

串级调速系统具备无级调速的特点而且在低速工作时的机械特性比较硬，同时还完全的克服了转子串电阻调速的一些缺点，总而言之串级调速系统具备效率高,无级调速以及低速状态下较硬的机械特性，其是一种经济高效的电动机调速方法。

1绪论

随着社会的逐步发展，人类生产技术水平的不断创新,电力拖动技术在各个行业当中所占的分量越来越重。

人们的衣食住行越来越离不开电力拖动技术，工厂的车间流水线都实现了电力拖动,生产设备几乎都由电动机进行驱动,电力拖动设备在当今社会显得尤为重要,电力拖动技术的核心是电动机，是通过各种调速技术实现控制，要想使电机可以按照人们的想法实现运转,那么调速技术显得尤为的重要。

将串级调速装置和一个逆变变压器组合,并串接在电动机的转子及电网相连部分中间，这种调速方法被称之为传统串级调速.为了能将适当的附加电动势串入转子回路中，我们会将转子的交流电转换成直流电。

再将交流电整流成直流电之后在进行平波处理,然后通过逆变器产生直流反电动势及此同时把转子转差功率逆变成一个工频交流电势,再反馈到电网中进行吸收。

调整逆变器的逆变角可以实现等效电势大小的调节。

传统串级调速也是改变逆变器的逆变角实现反电势的调节。

这种改变逆变角的方法被称之为移相触发[8]。

而把逆变角固定在最小值的调速方法称之为现代串级调速,在固定的逆变角下经过调节最终会产生一个恒定的直流反电动势，并通过斩波器来调整等效电势的值.调节斩波器的导通时间以及斩波周期的比率这种方法来调整在电动机转子回路中的等效电动势，进而能够改变转子的电流以及转差率,最终实现调速的目的.使用逆变变压器将转差功率重新吸收后再回馈到电网上面,这种调速方法就是所说的外反馈式串级调速的概念。

将一个反馈的绕组嵌放在电动机的定子绕组的嵌槽中，定子铁心中的逆变变压器被反馈绕组和定子绕组代替，其将转差功率通过反馈绕组和定子绕组进行吸收反馈到电网中，这种调速方式被称之为内反馈的串级调速方式［9]。

如果电机中有反馈绕组那这种电机称为内反馈电动机。

使用这种内反馈的方式会使电路省去逆变变压器,也能去掉一部分相关的电气设备，使整个系统看起来更加简洁一目了然。

现代串级调速技术具备相当多的长处，比较明显的优势在于:

无极平滑范围宽且有良好的机械特性适应性强。

通常串级调速都是在转子侧实施控制技术，这样就造成了控制电压低变流装置实际控制容量小,总控制容量仅为电机额定工作时的的容量的14.81%.而在类似于一些风机泵类的负载应用上面有则是着广泛的应用，串级调速系统装置工作时自身的功耗很小，及变频调速装置相比较要低2到6个百分点,节能省时而且效率还很高［10]。

工作时的变流容量比较小,通常变流会发生在电动机转子那一侧,运行时的谐波分量通常比较小一些,在工作运行时的变流电压低,并且装置的安全系数高可靠性好。

调速装置的结构简单,整体尺寸结构小，所以需要的设备安装范围小占用电路板面积小，使得系统更为简单。

三项绕线式电动机对于控制电动机的启动电流有着很有效的控制力这样就使得内反馈式的高频斩波的串级调速系统，同时也是省去了逆变的变压器以及相关的一些电气设备.

1。

1课题研究的目的及意义

在电力系统传动技术的发展历史中，传动技术被分为两大类，其中一类是直流传动技术，另一类是交流传动技术.以前电力电子技术还没有发展起来的时候,直流电动机几乎垄断了行业[1]。

通过改变电压或者励磁电流就可以使直流电动机实现无级调速的目的，通过这种调速方法电动机的转矩也会变得很容易控制，就在十几年前，串级调速凭借着高效率的交流无级调速性能在当时备受推崇，由于科技的迅速发展使得近代新型的变频调速系统得到了快速的发展，串级调速则是变得无人问津日薄西山，甚至一度被认为是一种被淘汰的技术不被使用。

串级调速在工作效率及机械特性等方面就能达到和变频调速几乎是完全一致的,而且在高压串级调速的经济性还是明显优于变频调速的。

尤其是在高压大容量风机,泵机类节能方面，串级调速的某些优势表现更是淋漓尽致的更为明显.

那么如何评价串级调速技术的优劣,不同电机的需求有不同的标准。

但是普遍的共识是：

调速效率很高；实现无极调速；调速的范围宽;调速所能够产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；成本非常的低廉。

鼠笼式三相交流异步电动机比直流电动机具备的长足之处：

成本低廉；质量轻；工作惯性小；可靠性比较高而且运行效率也高；维修方便工作量小;工作范围适应性广且在一些危险的环境中也能安全的工作。

他的这些调速特性及系统在工作时所要求的可靠性、实用性、易检修性符合。

由于交流电动机具备这种唱出所以使得它比直流电动机在电力拖动系统工作范围更加广泛，在整个电力拖动系统中约占据80％左右；交流电动机的串级调速系统是一种强耦合非线性且多变量的系统,工作状态下的可控性能非常差。

由于近代电力电子技术以及自动控制技术的快速发展，在这种大的环境下成为交流调速系统可以快速发展的有利背景。

由于出现在70年代的矢量变换控制技术、磁通反馈式矢量控制技术、转差式矢量控制技术、直接型转矩控制技术等实用调速控制技术的发展,加快了交流传动技术的发展速度。

新兴的传动技术及更多的高性能的变频器相结合，这就使得利用交流电动机组成的交流伺服系统在性能上会比一些直流伺服系统更加匹配.在一些特殊的外部环境中，例如:

大容量高转速的地方，交流电动机的串级调速系统具备更加优越的性能，交流化的电气传动时代即将到来。

1.2课题研究的主要内容

此次设计主要的内容就是通过应用已掌握的知识来设计、制作三相异步电动机的串级调速系统，完成晶闸管串级调速系统所涉及的设计、参数的定额计算和系统的仿真，并且在此基础上，通过制作实现理论及实践的结合完成串级调速系统的主电路以及触发控制电路的有关设计.设计系统的组成以及各个部分的电路结构，设计出串级调速的主电路以及晶闸管的触发电路，并对反馈网络和系统的动、静态特性进行了一些简单分析和计算。

通过本次设计让我更加深刻的理解了串级调速的工作原理及知识，而且还锻炼了动手能力和设计能力，在加强对知识的掌握基础上，也为本人以后的工作及学习打下了更加坚实的基础[7］。

预计本设计能够完成串级调速的系统的设计以及各个环节的参数计算并在此基础上进行仿真，最终得到理想状态下系统工作时的曲线特性。

2总体方案设计及论证

2.1设计要求

（1）完成串级调速系统的设计，实现三相异步电动机的调速要求，能够在电动机正常工作状态下进行无极调速，实现对电动机转速的控制。

（2）使用旋钮控制，进行对电动机转速的控制，实现转速的调整.

2。

2方案比较

方案一:

改变电动机极对数（P）调速是通过改变电动机绕组的极对数（P）的方法，实现交流电动机转速发生改变的最终目的。

电动机的一个特性是极对数（P）只能成倍数发生改变，所以转速也就只能发生成倍变化。

变极调速广泛的应用在鼠笼式的三相电动机上面.

改变极对数（P）调速方案具备了以下的优点:

结构简单、使用方便、机械特性硬、工作效率高且恒转矩恒功率条件下调速都适用.其不足之处在于:

调速等级是有级的并且其可调整的级数并不多。

在一些需要平滑调速的环境中就不适用了。

方案二：

调节电动机电压调速是通过改变电动机定子上的电压的大小来对电动机在某一大小负载下的转速进行调节改变的调速方式.这种调速方法会在调速的过程中将会损耗电动机的转差功率.

调节电压调速好处在于：

这种调速方法是电机的调速性能比较平滑，还是闭环调速系统，同时机械特性比较硬，这种调速方法其调速范围大[3］。

有利就会有弊这种调速方法的缺点在于：

这种调速方法是通过改变转差率来实现的一种调速方式,故其在电动机低速运转时的转差功率的损耗会非常的大，工作效率也会很低，调节电压的调速方案主要被用在具有较高电阻的转子的电动机上。

方案三：

电磁转差离合器调速方案为通过电机及负载之间连接的电磁转差离合器来进行调速。

这种调速方法被广泛的应用在鼠笼式的交流电机上,电磁转差离合器本身并不能直接进行电动机的调速,但是却可以通过改变及之相连的输出传动轴的转速实现对电动机转速的调节。

使用电磁转差离合器进行调速的好处有:

使用简单，价格公道，系统稳定且运行安全可靠，检修方便,能实现无极调速，该调速方法还采取闭环调速系统扩大了调速范围。

弊端在于：

和前几种调速方法类似,在低速状态下功率损耗会非常剧烈，以及工作效率低等缺点[4]。

通常这种调速方法都被用在纺纱、印染、造纸这类大型机械设备上以及具备通风性的大型机械的负载特性设备上.

方案四：

电动机具备一种同步转速会随着频率变化而变化的特性，变频调速就是利用了这一特性，改变了电源的频率才使得电动机的转速发生改变的.

变频调速的方法的优势在于：

调速范围大，平滑性高，调速时机械特性硬，静差率s小，调速时U1按照不同的变化规律进行改变进而来实现在恒转矩或者是在恒功率的条件下进行调速，所以该调速系统的性能比较高。

不足之处在于：

使用变频调速必须要有相匹配的可用电源[5].目前市场上的变频调速装置电源结构复杂、价格高、容量小，而且在低速工作状态下其最大转矩也比较小,这会降低电动机的过载能力。

方案五：

转子回路串电阻调速的其调速原理是在电动机的转子回路中串入一个可变的电阻,通过变换电阻的大小来改变机械特性斜率，使得电动机在负载工作状态下的转差率发生改变，进而达到调整转速的目的。

因为传入电动机转子中的电阻不易，造成了使用串电阻调速这种调速方法的电机只能发生阶跃性的变化，所以串电阻调速是一种有级的调速方法。

串电阻调速的好处在于：

结构简单、操作方便、前期投资也不是很大。

串电阻调速的不足之处在于：

电动机在低速状态工作时其机械特性将会变得较软，在生产机械受到对应的最低转速工作状态下静差率的影响时会造成串电阻调速在规定的调速范围内调速性能变差，只能够达到原来的2—3级；转子回路串电阻调速是通过分段调节的方法来调节电机转速的，这种调速方法属于有级调速，所有的有级调速都有的特点是平滑性较差;转子回路串电阻调速这种调速方法适用于电动机在拖动负载的情况下进行调速［6]。

当电动机在空载时或者负载较轻时串电阻调速对于电动机的转速调节效果不明显；电动机低速状态下转差率s会偏大一些,在这种情况下转子铜损耗Pcu2=sPm通常会比正常运行状态下偏大。

这样的最终结果就是效率低下且浪费大量能源.

基于上述串电阻调速的优缺点，这种调速方法仅适用于起重机一类的对于调速性能要求不大且是恒转矩的机械设备。

方案六：

在转子回路当中串电阻调速是一种比较好的调速方式但是其调速好的代价是要损耗大量的能量,而且只要将电动机的转速调低及之对应的损耗就会相应的加大,从而效率也就会越低，为了提高效率节约能源如果适当的在转子回路加上一个吸收能量的装置，就可以将损耗掉的能量进行重新利用，重新吸收和利用，将能量反馈回电网中能够极大地提高系统的工作效率.串级调速系统就是这种可以将能量进行重新吸收再利用的调速系统。

其工作原理具体的来讲就是在转子回路中串连一个附加电动势,通过调节附加电动势的大小来改变电动机的转差率，以此来达到调节转速的效果。

串级调速的方法和串电阻调速的方法相比较其优势在于：

机械特性较硬，平滑性更好,最重要的是损耗也小,有更大的发展前景。

不足之处在于:

功率因数低（原因在于滤波电抗器以及晶闸管逆变器的存在），制造设备结构复杂。

造价高,转差率在低速时大，吸收能量时的转差功率也较大，同时会造成对应的调速装置容量增大，成本昂贵，低速过载能力低。

3系统的硬件设计

3.1串级调速的工作原理

在现有的技术条件中只有变频调速和串级调速这两种技术是高效的调速技术。

二者之间的区别在于对交流的控制装置上面的控制点的不同.变频技术的控制点在于电动机的定子上，而串级调速技术的控制点在电动机的转子上。

由于变频调速装置会承受供电电压以及电机的所有功率,所以变频调速更多的被用在低压小容量的电动机上面，之所以不用在高压大容量点击是因为其在这方面的应用上存在着较大的问题。

串级调速技术负担的是在转子回路当中存在的低电压以及比电动机额定功率还小的转差功率，由于这种工作特性使得其在高压大容量电机的调速方面具备着极大的优势.

串级调速技术是一种经典的调速方法，在经过大量的研究及实践应用之后确定性能优良的系统.近几年来,由于电力电子器件以及计算机控制技术的广泛应用,使得串级调速技术有了良好的发展空间并得到了快速发展，在一些高压大中型电动机上的节能方面的应用更加广泛，在节能方面由于串级调速系统的控制电压低功率小系统构成简单工作时稳定性非常好，最重要的是节电率较高在大中型电机上面应用的前景有着非常好前景[2]。

下式是三相异步电动机的转速公式：

（3.1）

上式中P——三相交流电动机的极对数;f1——三相电动机电源在工作时的频率;s—-三相交流电动机的转差频率

根据上述公式可以得出以下的结论三相交流电动机存在三类调速方法，第一类是变换电动机的极对数（P），第二类是变换电动机的转差率（s），第三类是变换电动机供电的电源的频率（f1）这三类方法。

变换电动机s的调速方法又能够分成在电动机转子上串接电阻调速、串级调速、改变电动机电压调速和改变电动机的电磁转差离合器的调速的方法这四种可选类型。

三项异步电动机工作状态下的转子的电动势：

（3。

2）

公式中s---——电机转差率；Er0-——-转子不动时的相电动势，或转子开路时的电动势，通俗的来说就是转子额定相电压.转子使用绕线式的三相电动机通常在工作时，他的Er值也就是转子电动势的值及s也就是他的转差率是能够成正比的。

而且，当f2转子的频率能够达到及s转差率成正比时,f2=sf1。

不过这种情况通常只会出现在转子短路的情况下,通常情况下，转子发生短路时，Ir转子侧的相电流的表达式为：

（3。

3）

如果将一个可以控制的附加交流电势加载到转子回路当中，Er转子具备的电动势会及附加电动势大小相同,同时二者会同向或者反向串联，转子回路中的相电流的表达式：

（3.4）

电机处于正常运转状态时Ir转子电流将及负载的直达大小有这样的关系。

TL是恒定负载转矩当电动机带着其时，不论转速的高低他的转子电流都不会发生什么太大的改变，在这个时候，就算有不同的s值也会得到式（3.3）及（3。

4）相等的结论［12]。

在没有引入附加电动势的时候电动机原来在某一个去定的转差率S1下面可以进行稳定的运行。

而当引入了附加电动势且同向时，转子回路上面的经过合成的电动势会向大了改变,同时对应的转子电流以及电磁转矩都会发生相及之对应的变化,但是由于电动机的负载转矩没有发生变化，所以电动机最终是