三相异步电动机的串级调速系统设计

三相异步电动机的串级调速系统设计本科毕业设计题 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二一六年五月三相异步电动机的串级调速系统设计目 录摘 要 .IABSTRACT.II前 言 .III1 串级调速系统总体设计 .11.1 串级调速系统的发展 .11.1.1 改变电动机极对数调速 .31.1.2 电动机调节电压调速 .31.1.3 电磁转差离合器调速 .31.1.4 改变频率调速 .41.1.5 转子回路串电阻调速 .41.1.6 串级调速 .51.2 本课题主要内容 .51.3 交直流电机的不同 .62 串级调速系统工作原理与主电路的设计 .72.1 串级调速的工作原理 .72.2 主电路的设计.92.3 逆变电路 .102.4 整流电路 .103 主电路参数 .123.1 电动机的基本参数与调速要求.123.2 逆变变压器电路的选择 .163.3 晶闸管的选择.163.4 平波下电抗器的选择 .173.5 保护电路 .173.5.1 电流过载的保护 .174 控制电路的设计.184.1 主控制器的选择 .184.1.1 STC89C51 简介 .194.1.2 主要特性 .194.2 控制电路的设计 .224.3 1602 液晶显示 .224.4 控制系统的参数计算 .254.4.1 电流环的设计和参数计算与推导过程 .254.4.2 速度环的设计与其参数的计算推导过程 .254.4.3 双闭环系统的动态参数计算.265 仿真曲线及工作特性的分析 .285.1MATLAB 仿真 .285.2 编程软件 Keil 简介 .29三相异步电动机的串级调速系统设计5.3 串级调速系统的建模设计 .305.3.1 直流电路的传递函数 .305.3.2 电动机的传递函数 .305.4 系统的调速特性分析 .31第 6 章 实作的焊接与调试 .336.1 实作的焊接 .336.2 串级调速系统的调试 .356.3 系统调试 .356.3.1 系统调试步骤 .356.3.2 电流环调试.356.3.3 速度环的调试 .366.4 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与其相反的直流电势然后与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与调速的经济性。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与工作原理，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 三相异步电动机的串级调速系统设计ITHE CASCADE SPEED CONTROL SYSTEM DESIGN OF THREE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTORABSTRACTThe speed of adjusting of each is to exchange a kind of adjusting the speed of asynchronous motor, Each transfer the thoughts of speed to turn into direct current pigeonhole through three-phase bridge type rectification asynchronous the rotor voltages of motors, And then in its direct current it inclines to be at silicon controlled rectifier against becoming circuit produce at opposite direct current tendency and three-phase bridge direct current who type produce pigeonholes and contacts, Change, The ones that still can improve the operational efficiency of the motor and adjust speed at the same time are economic.This text basis mine lifting machine pull systematic request to electricity, adopt silicon controlled rectifier each is it is it control it pull motor realize the stepless speed regulation to come rapidly to adjust, meet mine lifting machine pull to electricity system transfer speed performance and energy-conserving request. This text main research three phases exchange person who wind the line asynchronous motor silicon controlled rectifier each transfer speed systematic main fact, complement circuit design relevant technological questions. Including systematic composition and operation principle , main design of return circuit, control design of way of answering, quiet, dynamic performance characteristics computational analysis of the system, etc.The keywords：Silicon controlled rectifier；each adjusts speed；rectification；Go against and change三相异步电动机的串级调速系统设计II前 言直流电动机与交流电动机两者的本质区别在于使用的电源不同，由于交流电与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与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三相异步电动机的串级调速系统设计III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。三相异步电动机的串级调速系统设计01 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与电网相连部分中间，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与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，串三相异步电动机的串级调速系统设计1级调速系统装置工作时自身的功耗很小，与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。他的这些调速特性与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