雙閉環(huán)三相異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、雙閉環(huán)三相異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計引言：異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，只有這樣，轉(zhuǎn)子繞組才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。如果n=n1，轉(zhuǎn)子繞組與定子磁場之間無相對運動，則轉(zhuǎn)子繞組中無感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流產(chǎn)生，可見n<n1是異步電動機(jī)工作的必要條件。由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1不同步，故稱為異步電動機(jī)。一、三相異步工作原理 三相繞組接通三相電源產(chǎn)生的磁場在空間旋轉(zhuǎn)，稱為旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)速的大小由電動機(jī)極數(shù)和電源頻率而定。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1稱為同步轉(zhuǎn)速。它與電網(wǎng)的頻率f1及電機(jī)的磁極對數(shù)p的關(guān)系為：n1=60f1p 對于可調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交

2、流調(diào)速系統(tǒng)兩類。所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動機(jī)作為電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。交流異步電動機(jī)機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式如下： 變壓調(diào)速是異步電動機(jī)調(diào)速方法中的一種，由三相異步電動機(jī)機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式可知，當(dāng)異步電動機(jī)等效電路的參數(shù)不變時，在相同點的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。 本實驗即采用定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，就是在恒定交流電源與交流電動機(jī)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，即改變定子電壓調(diào)速。如下圖畫出了定子電壓為、 ()時的機(jī)械特性。 TLabcU”1cabnmsSmTem

3、axU1>U1>U1”通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性二、設(shè)計流程1電動機(jī)的選型:假設(shè)電動機(jī)工作于普通機(jī)床主軸傳動系統(tǒng)中，設(shè)定最大轉(zhuǎn)速為1440r/min，可選出電動機(jī)型參數(shù)如下：型號：Y132S-4 額定功率：5.5KW 滿載時定子電流：12A滿載時轉(zhuǎn)速：1440r/min 滿載時效率：85.5% 滿載時功率因數(shù)：0.84堵轉(zhuǎn)電流/額定電流：7A 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：2.2N.m 鐵芯長度：115mm 氣隙長度0.4mm 定子外徑：210mm定子內(nèi)徑：136mm 定子線規(guī)根數(shù)-d：1-0.9mm每槽線數(shù)：47 繞組形式：單層交叉 節(jié)距：19mm定轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z1/Z2: 36/32 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定如圖所

4、示2主電路設(shè)計：2.1晶閘管的選擇 晶閘管選擇主要根據(jù)變流器的運行條件，計算晶閘管電壓、電流值，選出晶閘管的型號規(guī)格。在設(shè)備使用中，一般選擇KP型普通晶閘管，其主要參數(shù)為額定電壓、額定電流。（1）額定電壓的選擇考慮系統(tǒng)操作（如開關(guān)合閘）以及某些意外原因所導(dǎo)致短路時電壓的值，所以應(yīng)留有足夠的裕量。根據(jù)使用經(jīng)驗,通常可以選擇考慮23倍的安全裕量，通常按以下公式計算，=（23），則=7601140V 式中指的是晶閘管可能承受的最大電壓值。此處根據(jù)電動機(jī)的型號=220V。（2）額定電流的計算根據(jù)電動機(jī)的型號，=7A得出 根據(jù)、查的晶閘管的型號是KP102.2晶閘管的保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計2.2.1過電流保護(hù)過

5、電流是晶閘管電路經(jīng)常發(fā)生的故障，是造成器件損壞的主要原因之一，因此，過電流應(yīng)當(dāng)首先考慮。由于晶閘管承受過電流能力比一般電器差的多，故必須在極短的時間將電源斷開或把電流值降下來。在設(shè)計中可采用快速熔斷器保護(hù)、電子線路控制的過電流保護(hù)以及過電流繼電器保護(hù)。采用快速熔斷器保護(hù)是最簡單有效的過流保護(hù)器件，具有快速熔斷的特性，在通常的發(fā)生短路中后，能快速熔斷能保證在晶閘管損壞之前熔斷自身而斷開故障點，避免過電流燒壞管子。如圖所示的接法對交流、直流側(cè)過電流時均起作用，2.2.2過電壓保護(hù)產(chǎn)生過電壓原因晶閘管對過電壓很敏感，當(dāng)正向電壓超過其正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓一定值時，就會誤導(dǎo)通，引起電路故障；當(dāng)反向電壓超

6、過其反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞，因此，必須采取過電壓保護(hù)。為了抑制晶閘管的過電壓，采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路的方法，如圖所示電阻功率（W）為式中，f為電源頻率50Hz，C為電容值，根據(jù)晶閘管額定電流查表得，電容為0.1 ，為晶閘管的工作電壓峰值220V。因此=0.968W。2.3 主回路熔斷器、接觸器、熱繼電器選擇由Y系列三相異步電機(jī)控制電器選擇參考表得：型號為Y132S-4的異步電機(jī)的熔斷器的型號為RLI30，接觸器的型號為CJ20-25，熱繼電器的型號為JR20-16。2. 4主回路導(dǎo)線規(guī)格由電機(jī)的額定電流查表得：導(dǎo)線尺寸（直徑）1.25mm 額定電流12.2A

7、 熔斷電流45A電阻/m，在20 C時電阻值為0.014 一米長度的電感是1.41 相近的標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)格（SWG）18 相近的美國線規(guī)格（AWG）162. 5主回路欠電壓、漏電流等保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計電氣控制線路在事故情況下，應(yīng)能保證操作人員、電氣設(shè)備、生產(chǎn)機(jī)械的安全，并能有效地制止事故的擴(kuò)大。為此，在電氣控制電路中應(yīng)采取一定的保護(hù)措施，為避免因誤操作而發(fā)生事故。保護(hù)環(huán)節(jié)也是所有自動控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，常用的保護(hù)環(huán)節(jié)包括短路、過載、過流、過壓、失壓等保護(hù)環(huán)節(jié)，如下圖為具有欠壓、過流、過載、短路保護(hù)的控制電路。 控制電路的欠壓、過流、過載、短路保護(hù)3控制電路設(shè)計3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計-+R3R2R

8、1C1R53.1.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計原理電流環(huán)的控制對象又電樞回路組成的大慣性環(huán)節(jié)與晶閘管整流裝置，觸發(fā)器，電流互感器以及反饋濾波等一些小慣性環(huán)節(jié)組成。電流環(huán)可以校正成典型1型系統(tǒng)，也可以校正成典型2型系統(tǒng)，校正成哪種系統(tǒng)，取決于具體系統(tǒng)要求。由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而，在突加給定時不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好。從這個觀點來說，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型1型系統(tǒng)。但是，典型1型系統(tǒng)在電磁慣性時間常數(shù)較大時，抗繞性能較差?；謴?fù)時間長?？紤]到電流環(huán)還對電網(wǎng)電壓波動又及時的調(diào)節(jié)功能，因此，為了提高其抗擾性能，又希望把電流環(huán)校正成典型2型系統(tǒng)。在一般情況下，當(dāng)控制系

9、統(tǒng)的兩個時間常數(shù)比時，典型型系統(tǒng)的恢復(fù)時間還是可以接受的，因此，一般按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)。此外，為了按典型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)，需要對電流環(huán)進(jìn)行必要的工程近似和等效處理。3.1.2. 電流環(huán)的結(jié)構(gòu)的簡化電流環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖（3.1） 所示。把電流環(huán)單獨拿出來設(shè)計時，首先遇到的問題是反電勢產(chǎn)生的反饋作用。在實際系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù)T1遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù) Tm，電流調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，因而也比電勢E的變化快得多，反電勢對電流環(huán)來說，只是一個變化緩慢的擾動，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認(rèn)為E基本不變，即E=0。這樣，在設(shè)計電流環(huán)時，可以不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋作用斷開，

10、使電流環(huán)結(jié)構(gòu)得以簡化。另外，在將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等效的置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)結(jié)構(gòu)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)。最后，考慮到反饋時間常數(shù) Ti 和晶閘管變流裝置間常數(shù) Ts 比 T1 小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，并取 Ti=Toi+Ts。經(jīng)過上述簡化和近似處理后，電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖最終可簡化為圖（3.2）所示：圖3.1圖3.2 圖3.33.1.3電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇由于電流環(huán)中的控制對象傳遞函數(shù) Wi（s）含有兩個慣性環(huán)節(jié)，因此按典型系統(tǒng)設(shè)計的話，應(yīng)該選PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行串聯(lián)校正，其傳遞函數(shù)為為了對消控制對象的大時間常數(shù)，取 。此時，電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖就成為典型型系統(tǒng)的形式。如果要求跟隨性好，超調(diào)量小，

11、可按工程最佳參數(shù)KgT=0.5或=0.707選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù) Ki 為 K=令KT=0.5,所以有： K=且截止頻率W為： W=K=上述關(guān)系表明，按工程最佳參數(shù)設(shè)計電流環(huán)時，截止頻率W與T的關(guān)系滿足小慣性環(huán)節(jié)的近似條件W。如果按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)， 則需要將控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)近似為積分環(huán)節(jié)，當(dāng)T>hT時 ，而電流調(diào)節(jié)器仍可用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律。但積分時間常數(shù)應(yīng)選得小一些，即= hT。按最小峰值M選擇電流環(huán)時，如選用工程最佳參數(shù) h=5，則電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù) KI為： K=于是可得 K= W=顯然，按工程最佳參數(shù)h=5確定的W和T的關(guān)系，也可以滿足小慣性環(huán)節(jié)的近似的

12、條件。PI型電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖Ui*RdnCdnR5R4-+ConConUn*R0/2R0/2R0/2R0/2RnR3Cn3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計3.2.1電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)電流環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán)，設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時要對電流環(huán)做進(jìn)一步的簡化處理，使電流成為一個簡單的環(huán)節(jié)，以便按典型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。 如果電流環(huán)是按工程最佳參數(shù)設(shè)計的典型 I 型系統(tǒng)，則由圖（3.4）可得其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： W（s）=由于： K=, 所以有W（s）=在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，轉(zhuǎn)速外環(huán)的截止頻率W總是低于電流環(huán)的截止頻W，即W<< W.因此，設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時可以把電流環(huán)看成是外環(huán)中的一個小時常數(shù)環(huán)節(jié)，并加以簡化處理

13、，即略去WBi(s)中分母的高次項，得簡化后的傳遞函數(shù)為： W（s）近似條件為: W<<0.5T。電流環(huán)的這種近似處理產(chǎn)生的效果可以用對數(shù)幅頻特性來表示。電流環(huán)未作處理時阻尼比=0.707 ，自然振蕩頻率為的二階振蕩環(huán)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率較W低時，對于轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性來說，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高頻段有些區(qū)別。由于電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸入信號Ui。因此，與電流環(huán)的近似的小環(huán)節(jié)應(yīng)為=，式中時間常數(shù)2T的大小隨調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇方法不同而異。3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié)，從圖 （3.5）可以看出，在負(fù)載擾動作用點以后，已經(jīng)有一個積分環(huán)

14、節(jié)，故從靜態(tài)無差考慮需要 II 型系統(tǒng)。從動態(tài)性能上看，考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能是一致的，而典型 II 型系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。所以，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該按典型 II 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。由圖（3.6）可以明顯地看出，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型 II 型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 W=K式中K轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： W（S）=其中，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 K=不考慮負(fù)載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)示于下圖（3.6） 圖3.4 圖3.5 圖3.6 3.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇 按跟隨性能和抗擾性

15、能最好的原則，取h=5進(jìn)行計算。 小慣性環(huán)節(jié)近似處理條件: W3.2.4 電流環(huán)設(shè)計時，KT=0.5, 所以，<5%。3.3調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)分析分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI的穩(wěn)態(tài)特征，它一般存在兩種狀況。飽和 輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和，這時轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。不飽和 輸出未達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 當(dāng)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器線性調(diào)節(jié)輸出未達(dá)到限幅值，則< 由于積累作用使，即n= 保持不變直到，如圖段所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速PR調(diào)節(jié)器飽和輸出為極限值，轉(zhuǎn)速外環(huán)的輸入量極性不改變，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)

16、生影響，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器相當(dāng)于開環(huán)運行，這樣雙閉環(huán)變?yōu)閱伍]環(huán)電流負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)變?yōu)楹汶娏髡{(diào)節(jié)從而獲得極好的下垂特性，如圖中A-B段所示。 由上面分析可見，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速n的變化，而電流環(huán)則要求維持電流不變。這不利于電流對轉(zhuǎn)速的變化的響應(yīng)，有使靜特性變軟的趨勢。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)的作用相當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的一種擾動作用而已，不起主導(dǎo)作用。只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍然能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用消除轉(zhuǎn)速的偏差。3.4控制回路導(dǎo)線規(guī)格20 時導(dǎo)線截面積2.5mm 管徑16mm 40時導(dǎo)線截面積2.5mm 管徑16mm 4觸發(fā)電路設(shè)計5系統(tǒng)電路控制圖對于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如果

17、負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，開環(huán)系統(tǒng)可以實現(xiàn)一定范圍的無級調(diào)速，但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負(fù)載大小常有波動，所以為了保證工件的加工精度和加工后表面光潔度，加工過程的速度就必須保持基本穩(wěn)定，也就是說靜差率不能太大，這就需要采用閉環(huán)控制。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多；閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多；如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。對于單閉環(huán)控制系統(tǒng)，若要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)就不能滿足需要，所以本設(shè)計采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電流環(huán)在里邊，作為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)

18、速環(huán)在外邊，作為外環(huán)，系統(tǒng)控制原理圖如下：雙閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖總結(jié)： 經(jīng)過兩周的課程設(shè)計，讓我印象深刻，設(shè)計一個東西并不容易，而在這兩周的課程設(shè)計里，我們都付出了努力。在整個設(shè)計過程中，我們一起參與了整個過程，從電動機(jī)的選擇一直到設(shè)計結(jié)束。電動機(jī)的型號的選擇，這都是從圖書館書上找到的，經(jīng)過我們一點一滴的篩選，到最后的確定方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖等這些都從書上查的。在設(shè)計過程中，我們翻閱了大量的書籍，逐步按照課程任務(wù)，一一往下設(shè)計。我們是一個大團(tuán)隊，每個人都有參與其中，導(dǎo)線規(guī)格是根據(jù)電動機(jī)的容量確定的，我們在書上查閱的，選擇合適的導(dǎo)線是非常重要的，一根導(dǎo)線壞了，就會影響整個電動機(jī)的啟動，電動機(jī)不能好好運行，后續(xù)的工作的無法進(jìn)行，猶如咱們?nèi)梭w里的血管。熔斷器、繼電器、接觸器的選擇都是根據(jù)電動機(jī)選型的表上查閱的，是按一定要求做的