畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-次同步轉(zhuǎn)速下串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究.doc

I摘要本文介紹次同步轉(zhuǎn)速下串級調(diào)速系統(tǒng)，它是通過繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電動(dòng)勢而產(chǎn)生的，屬于轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。串級調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)十分經(jīng)典的調(diào)速方法之一，它可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，是結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)展較快、技術(shù)難度較小、性能比較完善的一種控制系統(tǒng)。串級調(diào)速技術(shù)除可用于新設(shè)備設(shè)計(jì)外，還可用于對舊設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。因此，研究和應(yīng)用串級調(diào)速技術(shù)具有極大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。本文著重對異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，靜、動(dòng)態(tài)基本性能等進(jìn)行分析研究；進(jìn)行轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)；討論了具有雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)的工作過程，并用MATLAB軟件對系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；串級調(diào)速；轉(zhuǎn)差功率回饋型；MATLAB仿真IIAbstractInthispaper,cascadethyristorspeedcontrolintroducesadditionalEmfthroughtherotorloopofthewound-inductionmotor,whichbelongstoslippowerfeedbacksystemandissimpleinstructure,reliable,economicandeasilymaintained,andhaswonincreasinglybroadapplicationsinindustrialproduction.Cascadespeedcontrolisoneoftheveryclassicspeedcontrolmethodinasynchronousmotor,whichcanrealizesteplesssmoothingspeed.Itisasimpleandrapidcontrolsystemwithlowlevelofdifficultyintechniquesandratherperfectperformance.Thyristorcascadespeedcontroltechnologycanbeusedintechnicaltransformationforoldequipmentinadditiontothedesignofnewequipment.Therefore,studyandapplicationofthyristorcascadespeedcontroltechnologyareofgreattechnicalandeconomicsignificance.Inthispaper,theworkingprincipleandthebasicperformanceofcascadespeedcontrolsystemininductionmotorarestudiedemphatically.Thedynamicparametersofcascadespeedcontrolsystemusingbothspeedloopandcurrentlooparedesignedundertheconditionofknownstaticanddynamicperformancerequirements.Theworkingprocessofcascadespeedcontrolsystemwithdouble-closed-loopisdiscussedandthesimulationforthesystemperformancearemadewithMATLABsoftware.Keywords:Asynchronousmotor；CascadeSpeedControl；Slippowerfeedback；MATLABsimulationIII目錄1緒論.11.1交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展.11.2交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀.11.3課題研究意義.21.4課題分析與研究計(jì)劃.31.5社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析.32串級調(diào)速的基本原理.52.1交流調(diào)速方式.52.2異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速原理.62.3串級調(diào)速的各種基本運(yùn)行狀態(tài)及功率傳遞關(guān)系.82.4串級調(diào)速系統(tǒng)的基本類型.102.5串級調(diào)速系統(tǒng)方案的確定.113串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和機(jī)械特性.133.1串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài).133.2串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性.143.3次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性.153.3.1異步電動(dòng)機(jī)在自然接線方式下的最大轉(zhuǎn)矩.163.3.2串級調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工作在第一工作區(qū)內(nèi)的機(jī)械特性.163.3.3串級調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工作在第二工作區(qū)內(nèi)的機(jī)械特性.184控制環(huán)節(jié)單元電路研究.204.1反饋檢測裝置.204.1.1電流檢測裝置.204.1.2轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié).204.2電流、速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇.214.2.1電流調(diào)節(jié)器ACR的結(jié)構(gòu).214.2.2速度調(diào)節(jié)器ASR的結(jié)構(gòu).214.3給定積分器.225次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)研究.235.1系統(tǒng)電路及原理圖設(shè)計(jì).235.2實(shí)驗(yàn)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析.245.2.1直流測速發(fā)電機(jī)的工作特性.245.2.2串級調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)工作機(jī)械特性.26IV5.2.3串級調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)工作機(jī)械特性.275.2.4串級調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)工作機(jī)械特性.305.3串級調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真研究.335.3.1用MATLAB建立雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型.335.3.2系統(tǒng)仿真波形及其分析.35結(jié)論.39參考文獻(xiàn).40致謝.41附錄MATLAB簡介.4211緒論1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉，鑒于直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能，在高精度可調(diào)速的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電動(dòng)機(jī)。然而由于直流電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)帶有電刷和換向器，成為限制自身發(fā)展的主要缺陷，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高、制造工藝復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量大，不能在粉塵、爆炸危險(xiǎn)等惡劣環(huán)境下使用。而且由于機(jī)械換向限制，其最大供電電壓與機(jī)械強(qiáng)度均有限，所以直流電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量、轉(zhuǎn)速的提高以及使用環(huán)境都受到限制，很難向高速和大容量方向發(fā)展，從而限制了直流拖動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來，其發(fā)展速度明顯滯后于交流調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠等突出優(yōu)點(diǎn)，且能在惡劣的甚至在有易燃易爆性氣體的環(huán)境中安全運(yùn)行，因而被廣泛應(yīng)用，幾乎所有不調(diào)速的拖動(dòng)場合都采用交流電動(dòng)機(jī)。因此不少國家就致力于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，而且交流調(diào)速系統(tǒng)的方案也早有多種發(fā)明并得到實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。其主要原因是決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)因素的交流電源頻率的改變和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制都是非常困難的，使交流調(diào)速的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及效率均不能滿足生產(chǎn)要求。近年來，隨著新型大功率半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件的更新?lián)Q代，加上交流電動(dòng)機(jī)本身的優(yōu)越特性，交流調(diào)速技術(shù)獲得飛速發(fā)展。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)精度、較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、較高的工作效率等優(yōu)異性能，交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速已成為明顯的發(fā)展趨勢。1.2交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀目前，具有代表性的交流調(diào)速系統(tǒng)有：晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、矢量變換控制系統(tǒng)等。在交流電動(dòng)機(jī)的控制策略方面，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)，這種理論的提出和2成功應(yīng)用，為高性能交流調(diào)速裝置奠定了理論基礎(chǔ)，使交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，開創(chuàng)了用交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)代。20世紀(jì)80年代掀起了交流調(diào)速熱，矢量控制理論進(jìn)一步完善和發(fā)展，一些新的控制策略和方法相繼提出并被采用，例如“直接轉(zhuǎn)矩控制”就是80年代中期提出的又一交流調(diào)速控制技術(shù)，它采用閉環(huán)控制，直接控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，系統(tǒng)更加簡單，控制更加直接，受到各國的重視。近幾年來，各國學(xué)者正致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量進(jìn)行速度估算，以取代速度傳感器。由于無速度傳感器控制技術(shù)不需要檢測硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護(hù)等麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛的興趣。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、模糊控制等各種控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進(jìn)一步推動(dòng)交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展必將取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為電力拖動(dòng)領(lǐng)域的主要力量。1.3課題研究意義在異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速技術(shù)中，變頻技術(shù)具有調(diào)速精度高、特性硬和可靠性高等特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。特別是對于低電壓等級的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，變頻技術(shù)已經(jīng)很好的解決了節(jié)能問題并得到了廣泛應(yīng)用，有非常廣闊的發(fā)展前景。但是當(dāng)調(diào)速電動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，采用變頻調(diào)速變流元件將面臨承受高壓變流問題，因而困難較多，且裝置復(fù)雜、龐大，初期投資大，要求使用和維護(hù)的技術(shù)水平高，成本顯著增加，使得企業(yè)節(jié)能降耗、提高效益的目標(biāo)不能實(shí)現(xiàn)。所以對于大功率交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速問題，特別是高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速問題，定子回路變頻調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)。串級調(diào)速是一種簡單實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法，它是在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電動(dòng)勢，通過改變附加電動(dòng)勢的大小，來達(dá)到改變轉(zhuǎn)子電流進(jìn)而改變電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。串級調(diào)速的根本點(diǎn)不是去控制電機(jī)的定子側(cè)，而是控制轉(zhuǎn)子側(cè)，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率進(jìn)行調(diào)速。由于串級調(diào)速裝置承受的是轉(zhuǎn)子回路低得多的電壓和較電機(jī)額定功率小得多的轉(zhuǎn)差功率，所以高壓串級調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性3明顯優(yōu)于變頻調(diào)速。由于采用晶閘管的串級調(diào)速系統(tǒng)在效率、機(jī)械特性等本質(zhì)方面和變頻調(diào)速幾乎是完全一致的，尤其在節(jié)能方面，串級調(diào)速具有突出的優(yōu)勢，特別是晶閘管次同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而在電機(jī)拖動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文著重對繞線轉(zhuǎn)子交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)即異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和工作特性進(jìn)行深入分析與研究。在此基礎(chǔ)上建立串級調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)次同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)仿真工具M(jìn)ATLAB及其SIMULINK工具箱建立串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并且用MATLAB對串級調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，進(jìn)一步分析交流調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)特性，論證仿真模型的正確性以及利用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)建模與仿真的有效性和可行性，為今后更深入的研究提供有效手段，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。1.4課題分析與研究計(jì)劃本文內(nèi)容主要分為五部分。第一部分從繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)習(xí)慣使用的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法的缺點(diǎn)入手，討論控制轉(zhuǎn)子變量的另一種調(diào)速方法即次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理；第二部分為了獲得異步電動(dòng)機(jī)在串級調(diào)速時(shí)機(jī)械特性的計(jì)算公式，詳細(xì)分析異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子接有整流器時(shí)整流電路的工作狀態(tài)，提出轉(zhuǎn)子整流電路的強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通工作的概念；第三部分對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)主電路主要元器件進(jìn)行選擇；第四部分分析雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)控制回路各單元電路的組成及工作原理；第五部分