过控课程设计格式参考1.docx

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过控课程设计格式参考1

综合成绩

优秀（）良好（）

中等（）及格（）

不及格（）

教师（签名）

批改日期

年月日

《过程控制与自动化仪表》

课程设计报告

院系电子与电气工程学院

专业自动化

班级

学号

姓名

年月

绕线转子异步电动机串级调速系统

一、控制要求

1、了解绕线转子异步电动机串级调速的工作原理。

2、设计出220KW电机的串级调速系统。

二、设计思路

绕线式转子异步电动机常采用改变转差率S调速,可采用改变串接于转子回路附加电阻的方法进行调速,这种方法操作简单,投资少,但由于串入附加电阻而增加的转差功率

是以发热的形式消耗在附加电阻上的,故使得系统的效率降低,而且调速范围小,静差率大,平滑性差（有级调速）,只能用于小功率电动机和对调速性能要求不高的场合。

这种调速方法的实质,是通过改变消耗于转子外串电阻中的功率,来改变转差率S,从而达到调速的目的,因此它属于转差功率消耗型调速方法。

为了充分利用转差功率,采用在转子回路串入一个三相的附加电动势

其频率应与转子电动势

的频率相同,改变附加电动势

的大小及相位,均能改变转子电流及转矩,也就可以改变转差功率,同样可以改变转差率,实现调速,这种调速方法称为串级调速。

由于这种调速方法可以将串入附加电动势而增加的转差功率

回馈到电网或电动机轴上,因此它属于转差功率回馈型调速方法。

绕线转子异步电动机采用串级调速方法,克服了转子回路串电阻的缺点,能提高调速的经济性,具有节能作用,可以使系统获得较高的运行效率。

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,因而在大功率调速系统中获得了广泛的应用。

三、串级调速原理

在转子回路中串入附加电动势

进行串级调速的基本原理,如图1所示。

图2为其等效电路图，分析如下：

图1串级调速原理图

图2串级调速原理等效电路图

假设电源电压、负载转矩均不变,在

=0的情况下,异步电动机以接近额定值的转速稳定运行。

此时,转子的感应电动势为

=S

转子电流的值为:

=

（1）

式中:

—转子开路时的相电动势;

—转子绕组每相的电阻;

—转子静止时的每相漏电抗。

（1）当

与

的频率相同、相位相反时,转子电流

减小,此时转子电流为:

=

（2）

（2）当

与

的频率相同、相位相同时,转子电流为:

=

（3）

调节

的大小可以调节电动机的转速,并将使电动机的转速超过其同步转速。

从功率关系来看,在忽略电动机损耗的情况下,当

与

两者的相位相反时,电网向电动机输入的电磁功率

的一部分变为机械功率

从电动机轴上输出,另一部分变为转差功率

通过产生附加电动势

的装置回馈给电网,电动机在低于同步转速的电动状态下运行;当

与

两者的相位相同且电动机转速超过其同步转速时,电网向电动机输入电磁功率PM,电网同时还通过产生附加电动势

装置也向电动机转子输入转差功率

电动机把其定子和转子同时吸收的电功率变为机械功率

从轴上输出,电动机在高于同步转速的电动状态下运行。

可见,采用串级调速时,由于转差功率

没有被损耗,故串级调速系统具有较高的功率。

四、主电路

串级调速主电路如图3所示

图3中，M为三相绕线转子异步电动机，其转子相电动势为sEr0经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压Ud。

工作在有源逆变状态的三相可控整流装置UI作为电机调速所需的附加直流电动势外，还可以将经UR整流输出的转差功率逆变，并回馈给电网。

T1为逆变变压器，L为平波电抗器。

两个整流装置电压Ud和Ui的极性以及直流电流Id的方向如图中所示。

显然，系统在稳定工作时，必有Ud>Ui。

由此直流回路电压平衡方程式：

Ud=Ui+IdR（4）

或K1sEr0=K2UT2cosβ+IdR（5）

式中K1、K2——UR与UI两个整流装置的电压整流系数；

UT2——逆变变压器的二次相电压；

β——工作在逆变状态的可控整流装置的逆变角；

R——转子直流回路的总电阻。

式中，Ud中包含了电动机的转差率，而Id与电动机转子交流电流Ir之间有固定的比例关系，它近似地反映到了电动机电磁转矩的大小，而β角是控制变量，通过调节逆变角β实现平滑调速。

图3串级调速主电路

工作过程：

1、启动——控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。

随着转速的增高，相应地增大角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。

2、调速——通过改变角的大小调节电动机的转速。

其过程如下：

当增大角时，逆变电压Ui就会减小，但电动机的转速不能立即改变，所以Id将增大，同时电磁转矩也增大，因而产生动态转矩使电动机加速，随着电动机的转速的增高，K1sEr0减小，Id回降，直到电动机在增高了的转速下稳定运行。

同理，当角减小时，电动机在降低了的转速下稳定运行。

3、停车——串级调速系统没有制动停车功能。

只能靠减小角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。

4、串级调速机械特性——电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。

当系统在理想空载状态下运行时（Id=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成

K1s0Er0=K2U2Tcosβ（6）

其中，s0—异步电动机在串级调速时对应于某一角的理想空载转差率，并取K1=K2，则

由此可得相应的理想空载转速n0为：

（7）

式中nsyn—异步电动机的同步转速。

在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。

当改变逆变角时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。

在不同的角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。

异步电动机串级调速时的机械特性如图4、图5所示：

图4大容量电机图5小容量电机

由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。

当电机在最高速的特性上（=90°）带额定负载，也难以达到其额定转速。

整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。

五、串级调速总体框图

图6绕线转子异步电动机串级调速总体框图

图6中，转速反馈信号取自异步电动机轴上联接的测速发电机，电流反馈信号取自整流桥路与逆变桥路间的直流电流。

为了提高调速系统的静态性能指标，设计串级调速系统时采用了多闭环系统，即电流内环和转速外环。

电流内环可以很好的改善电机的动态特性。

当检测到电流（检测电流与转子电流成正比）有较大变化，相当于电磁转矩有较大脉动，电流反馈可以使系统很快的做出反应，抑制转矩的脉动，达到提高动态响应的目的。

所以电流调节器选用比例调节器。

转速外环可以提高系统的静特性，能起到消除余差的目的。

所以转速调节器选用PI调节器。

六、单元电路设计

1、给定电路

给定电路用于给定设计所期望的转速，通过调节电位器可以得到不同的输出电压，不同的电压对应了不同的速度。

图7给定电路图

2、速度变换器

主要由测速发电机和电压变换电路组成。

通过测速发电机测量出异步电动机的速度电压量信号，再经过电压变换电路反馈给速度调节器。

图8速度变换器部分

3、速度调节器

速度调节器主要用来将给定信号与反馈信号进行比较，然后将他们的差值进行放大，再将放大后的信号作为下个调节器的输入信号。

图8中所采用的是比例积分调节器。

图9速度调节电路

4、电流变换电路

电流变换电路的作用与前面速度变换电路的作用是相同的。

只是将从直流回路中测得的电流信号经变换后反馈给电流变换器。

图10电流变换电路

5、电流调节器

电流调节器模块的功能与转速调节器模块的功能是相同的。

它将电流反馈信号与转速调节器电路的输出信号进行比较，差值放大输出。

电流调节器采用的是比例调节器。

图11电流调节电路

6、脉冲触发电路

脉冲触发电路用来给出逆变电路中6个晶闸管产生工作脉冲。

它通过电流变换电路的输出信号来改变逆变电路的逆变角，从而控制异步电动机的转速。

7、正桥功放

正桥功放电路主要实现放大功能，脉冲触发电路给出的触发信号必须经过功率放大器放大后才能驱动晶闸管正常工作，此电路的作用就是放大晶闸管驱动信号。

图12正桥功放电路

七、总结

本次课程设计收获颇多，在得知要专业课程设计时，觉得很突然，以前没有听说过，知道自己的课题和实验的串级调速差不多，心里踏实多了，不过过程确实很艰辛的。

我们在课程设计的同时还要课外实验、复习专业课考试，一开始我们没有理解老师的意思，没有画单元电路的图，第一次给老师看时被否定了，心里面还是有点难受。

回来后，我去图书馆查阅相关资料，发现与之相关的资料很少，后来去了软件设计方面的书籍，比如《AUTOCAD2008》、《Protel99se》、《MATLAB仿真》。

在网上下载了软件，然后进行了设计，在设计电动机的图中我用了CAD，在单元电路中我用了Protel99se，总体感觉收获很多，其中有些图片我没有画，感觉学习一些东西知道如何画，怎么画就可以了，电路也不是很难，所以就摘了部分，但是主要的图形我还是主动自己画的。

在设计的过程中，我们班的几个同学相互之间讨论研究关于实验的原理、具体采用哪种方案、方案之间的优缺点以及选择器件的经济性等方面的内容，充分体现了团队合作精神。

参考文献：

[1]王兆安,黄俊电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社,2000.

[2]李雅轩,杨秀敏,李艳萍电力电子技术[M].北京:

中国电力出版社,2004.

[3]曹承志电机、拖动与控制[M].北京:

机械工业出版社,2000.

[4]陈伯时电力拖动自动控制系统材[M].北京:

机械工业出版社,2009.

[5]梁波，王宪生中文版AUTOCAD2008电气设计[M].北京:

清华大学出版社2007

[6]杜刚电路设计与制板-Protel应用教程[M].北京:

清华大学出版社2006

附：

用Protel99se画实验总体接线图

图13绕线转子异步电动机实验内部接线图