双闭环三相异步电机串级调速系统毕业设计毕业论文

双闭环三相异步电机串级调速系统毕业设计毕业论文内容摘要：

这种维持被调节量 (转速 )近于恒值但又有静差的调节系统，通常称为有差恒值调节系统，简称 有静差系统。 表 单闭环 静差系统数据表 转速 n(r/min) 668 645 595 565 512 470 晶闸管电流 IG(A) 晶闸管电压 UG(V) 15 15 15 15 15 15 负载转矩 M() 0 电源 U（ V） 200 200 200 200 200 200 给定电压 3 3 3 3 3 3 图 单闭环 静差系统 实 验图 通过上述 实 验数据 如表 所示，利用数据得出图 可以看出当触发电路导通后，当电动机轴上的负载转矩加大时，负载电流增加，电枢主回路的总电阻电压降落便增加，因为此时晶闸管整流装置输出的整流电压还没有变化，于是电动机的反电动势 Ea＝ Ken 便减小，电动机转速随之下降。 电动机转速下降后，负反馈电压 Un 也下降到 Unl，但这时给定电压 Un* 并没有改变，而 U＝ Un*–Unl，偏差电压便有所增加，它使晶闸管整流装置的控制角减小，整流电压上升，电动机转速就回升了。 但是，电动机的转速不能回升到原来的数值。 因为假如电动机的转速已经回升到了原值，那么测速发电机的电压也要回升到原来的数值，由于偏差电压 Un＝ Un*–Un ，偏差电压又将下降到原来的数值，也就是说偏差电压 U 没有增加， U 不增加，晶闸管整流装置的输出整流电压 UdoCOSα 也不能作相应的增加，以补偿电枢主电路电阻所引起的电压降。 这样，电动机的转速又将重新下降到原来的数值，不能因引入转速负反馈而得到相应的提高了。 三相异步电动机单闭环 ASR 系统 无静差 有静差调速系统，进行给定信号和反馈信号综合的运算器是比例放大器（称为 P调节器），其输出电压就是可控整流电源的控制电压 [13]。 如果系统没有静差，给定电压和反馈电压相 等，放大器就没有输出电压，可控整流电源也就没有输出电压，系统就不能工作，因此可以说系统是依靠误差而运行的。 从静特性方程进行的推理可知，由于放大器的放大倍数不可能为无穷大，所以闭环转速降也不可能为 0，在静态时其放大倍数接近无穷大，或静态时其输入电压为 0，但仍保持有输出电压。 积分运算器的应用，实现了转速控制的无静差要求，但是，由于积分时间的影响，大大减慢了系统自动调节的速度，使系统的动态响应变慢。 为此无静差转速控制系统常采用比例 积分运算器 也 称为 PI 调节器。 表 单闭环 无静差系统 实 验数据表 转速 n(r/min) 638 610 590 565 524 498 晶闸管电流 IG(A) 晶闸管电压 UG(V) 14 14 14 14 14 14 负载转矩 M() 0 电源电压 U（ V） 200 200 200 200 200 200 给定电压 3 3 3 3 3 3 图 单闭环 无静差系统实验图 从上述 表 的 数据可以看出，在单闭环无静差转速控制系统中当负载转矩增大时，晶闸管电流有小幅波动但基本维持恒定不变，晶闸管电压不发生变化，而转速有所下降 ，如图 所示。 通过图形可以看出单闭环无静差转速控制系统要比开环机械特性要硬。 双闭环调速系统的静态和动态特性 双闭环调速系统的静态特性分析 表 双闭环静差特性数据表 转速 n(r/min) 635 615 603 570 536 485 晶闸管电流 IG(A) 晶闸管电压 UG(V) 15 15 15 15 15 15 负载转矩 M() 0 电源电压 U（ V） 210 210 210 210 210 210 给定电压 2 2 2 2 2 2 图 双闭环静差系统实验图 从实验数据来看如表 ， 双闭环静差系统 电流负反馈有使静特性变软的趋势 ,但有转速反馈环包在外面，电流负反馈对于速度环来说相当于一个扰动作用，只要速度环的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就能受到抑制。 何况速度环用的是 PI 调节器，整个系统是无静差的调速系统 . 也就是说，当速度环不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降被转速 调节器的积分作用消除。 一旦 转速调节器饱和，速度环即失去作用，只剩下电流环起作用。 这时，系统表现为恒流调节系统，静特性呈现下降趋势。 如图。 双闭环调速系统的动态特性分析 从动态响应过程来看 ,突加给定信号 Ugn的 瞬时，转速负反馈很小，近似为零，速度调节器很快处于饱和状态，输出恒值限幅电压 Ugim ,经过电流调节器，使电动机很快地起动，起动后，虽然转速反馈电压 Ufn增长了，但是由于速度环的积分作用，只要还是 UfnUgn ，速度环输出仍维持在限幅值上不变 ,直到转速超调 ,即 UfnUgn输入偏差电压 ΔU变成负值 ,速度环退出饱和。 因此 ， 在整个升速过程中 ,速度环一直处于饱和 ,这相当于使速度环处于开环状态 ， 系统只在电流环的恒值作用下以最大电流起动。 直至超调后 ,速度环才真正发挥作用 ， 使转速渐趋稳定。 这样 ， 就巧妙地利用了速度调节器的饱和非线性 ， 在一段时间内使它的作用隔断 ， 使系统在起动过程中基本上表现为恒流调节。 双闭环调速系统突加给定电压后，由静止状态启动时转速和电流的过渡过程波形如以下的图中所示。 由于在启动过程中转速调节器经历了不饱和、饱和、退出饱和三个阶段，因此，整个过度过程也分为三个阶段 [3]。 第 一阶段是电流的上升阶段，突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，是Uk、 Udo、 Id 都上升。 当 IdIfz 后，转速 N 开始增长。 由于电动机机电惯性较大，转速和转速反馈增长较慢，因而转速调节器 ASR 的输入偏差电压 △ Un=UgnUfz 数值较大其输出电压很快达到了限幅值，并输送给电流调节器 ACR，使其输出 Uk 迅速增大，从而使触发脉冲从 90 度初始位置快速前移，迅速地使整流电压 Udo 增大，进而使电流 Id 迅速增大。 当 Id=Idm 时， Ufi=Ugim,电流调节器的作用使 Id 不再增长，而保持动态平衡。 这一阶段的特点是转速调节器 ST 由不饱和很快达到饱和，而电流调节器 LT 一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。 这些都是设计时予以保证的。 第二阶段是恒流升速阶段，即以最大电流给定升速。 这一段是电流上升到最大值Idm 开始，到转速上升到给定值 Ned 即静特性上的 N0 为止，是启动过程的主要阶段。 在这个阶段中，转速调节器 ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定 Ugim 作用下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数 ）。 与此同时，在电流环实现恒流调节的过程中，电动机的反电动势 E 也按线性增长。 对电流调节系统来说，反电势 E 是一个线性渐增的扰动量。 为了克服这个扰动。 Uk 和 Udo 也必须基本上按线 性增长，才能保证 Id 恒定。 由于电流调节器 ACR 是 PI 调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压 △ Ui=UgimUfi必须维持一定的恒值，也就是说 Id 应略低于 Idm。 上述情况表明，电流恒值调节过程同时伴随着对反电动势扰动的调节过程，反电动势扰动对电流的影响被电流调节器的积分作用所补偿。 因此，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程 中，电流调节器是不饱和的，而且要求电流调节器的积分常数和调节对象的时间常数要互相配合，这正是电流调节器在设计的时候需要解决的问题。 同时，还要求整流装置的最大电压 Udm 必须留有余地，即晶闸管装置也不应该出现饱和，以保证提供足够大的整流电压满足调节能力的需要。 第三阶段是转速调节阶段。 在这个阶段开始时，转速 已经达到了给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零 即 Ugn=Ufn,△ Un=0。 但其输出却由于转速调节器 ASR 的积分作用还维持在限幅值上，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。 转速超调以后 ，转速调节器 ST 的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压也就是电流 ACR 的给定电压 Ugi立即从限幅值降下来，主电路电流 Id 也随之迅速减小。 但是，由于 Id 仍大于负载电流 Ifz，在一段时间内，转速仍继续上升，直到 Id=Ifz 时，转矩 M=Mfz，则转速 N 达到峰值。 以后，电动机才开始在负载转矩 Mfz 的作用下减速。 与此相应，电流 Id 也出现一段小于 Ifz 的过度过程，直到进入稳态。 综合上述可知，在这一段内，转速调节器 ASR 和电流调节器ACR 都不饱和，同时起调节作用。 由于转速环在外环，转速调节器处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使得系统稳定；电流调节器的作用则是力图使 Id 尽快地跟随转速调节器 ASR 的输出 Ugi的变化，也就是说，电流内环的调节过程是速度外环支配的，故而形成了一个电流随动系统。 综合上述，双闭环调速系统的启动过程具有三个特点： （ 1） 饱和非线性控制； （ 2） 转速超调； （ 3） 准时间最优控制。 随着转速调节器 ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。 当ASR 饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当不饱和时，转速形成闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表 现为电流随动系统。 在不同情况下表现为不同结构的系统，这就是饱和非线性控制特征。 转速环开环后，转速的动态响应一定有超调。 只是在转速超调后，转速调节器ASR 退出饱和，才真正发挥线性调节作用。 从另一个角度看，在 ASR 饱和期间， 它也并不是没有作用的，而是起着饱和的非线性控制作用。 启动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定。 一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快，这个阶段电流受到限制条件下的最短时间控制，或者称 ―时间最优控制 ‖，但整个启动过程与理想快速启动过程还是 有差别的，主要表现为第二，第三阶段的电流不是突变。 不过这两段的时间只占全部启动时间的很小的一部分，已经无关大局，所以双闭环调速系统的启动过程可以称为 ―准时间最优控制 ‖过程 [14]。 4 总体设计方案 双闭环三相异步电机串级调速各个模块的功能 本课题是以转速调节器和电流调节器两个调节器来实现双闭环串级调速的功能的。 课设主要是在 MCL 电机电力电子及电气传动教学实验台上实现的 [15]。 在这之中需要以下几个实验模块： MCL33 触发电路， Ⅰ 组晶闸管， Ⅱ 组晶闸管，平波电抗器， RC 阻容吸收 ,二极管三相整流桥 ； MCL18 速度变换器，转速调节器，电流调节器，电流互感器，电压互感器 ,过流保护，给定，电流反馈 ； 三相绕线式异步电动机 测功机 测速发电机组 ； MEL02 三相芯式变压器 ； MEL—03 挂箱：可调电阻器。 基本挂箱 MCL33 介绍 ： MCL—33 由脉冲控制及移相，双脉冲观察孔，一组可控硅，二组可控硅及二极管， RC 吸收回路，平波电抗器 L 组成。 实验台提供相位差为 60o，经过调制的 “ 双窄 ” 脉冲（调制频率大约为 310KHz），触发脉冲分别由两 路功放进行放大，分别由 Ublr 和 Ublf 进行控制。 当 Ublf 接地时，第一组脉冲放大电路进行放大。 当 Ublr 接地时，第二组脉冲放大电路进行工作。 脉冲移相由Uct 端的输入电压进行控制，当 Uct 端输入正信号时，脉冲前移， Uct 端输入负信号时，脉冲后移，移相范围为 10o—160o。 偏移电压调节电位器 RP 调节脉冲的初始相位，不同的实验初始相位要求不一样。 双脉冲观察孔输出相位差为 60o 的双脉冲，同步电压观察孔，输出相电压为 30V左右的同步电压，用双踪示波器分别观察同步电压和双脉冲，可比较双脉冲的相位。 使用注意事项： 单双脉冲及同步电压观察孔在面板上 都 为小孔，仅能接示 波 器，不能输入任何信号。 脉冲控制 ： 面板上部的 6 档直键开关控制接到可控硅的脉冲， 6 分别控制可控硅 VT VT VT VT VT VT6 的触发脉冲，当直键开关按下时，脉冲断开，弹出时脉冲接通 ； 一桥可控硅由六只 5A800V 组成 ； 二桥可控硅由六只 5A。