三相异步电动机串级调速系统设计

1、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二0六年五月摘要ABSTRACT： I前言II1串级调速系统总体设计 01.1 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 错误！未定义书签。1.1.3 电磁转差离合器调速 错误！未定义书签。1.1.4 改变频率调速错误！未定义书签。1.1.5 转子回路串电阻调速 错误！未定义书签。1.1.6 串级调速 错误！未定义书签。1.2 本课题主要内容错误！未定义书签。1.3 交直流电机的不同 错误！未定义书签。2串级调速系统工作原理与

2、主电路的设计62.1串级调速的工作原理 62.2主电路的设计82.3逆变电路92.4整流电路93主电路参数错误！未定义书签。3.1电动机的基本参数与调速要求错误！未定义书签。3.2逆变变压器电路的选择错误！未定义书签。3.3晶闸管的选择 错误！未定义书签。3.4 平波下电抗器的选择错误！未定义书签。3.5保护电路113.5.1 电流过载的保护 错误！未定义书签。4控制电路的设计114.1主控制器的选择114.1.1 STC89C51简介错误！未定义书签。4.1.2 主要特性错误！未定义书签。4.2 控制电路的设计 错误！未定义书签。4.3 1602 液晶显示 错误！未定义书签。4.4 控制系统

3、的参数计算错误！未定义书签。4.4.1电流环的设计和参数计算与推导过程 114.4.2速度环的设计与其参数的计算推导过程 124.4.3 双闭环系统的动态参数计算 错误！未定义书签。5仿真曲线及工作特性的分析 135.1MATLAB仿真135.2编程软件Keil简介135.3串级调速系统的建模设计14531直流电路的传递函数 145.3.2电动机的传递函数155.4系统的调速特性分析16第6章 实作的焊接与调试 186.1实作的焊接186.2串级调速系统的调试196.3系统调试196.3.1 系统调试步骤196.3.2 电流环调试206.3.3速度环的调试206.4调试电路21结论22致谢23

4、参考文献24附录一实物图25附录二程序02 / 38三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

5、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/ 38THE CASCADE SPEED CONTROL SYSTEMDESIGN OF THREE-PHASE ASYNCHRONOUSMOTORABSTRACTThe speed of adjust ing of each is to excha nge a kind of adjusti ng the speed

6、of asynchronous motor, Each tran sfer the thoughts of speed to turn into direct curre nt pige on hole through three-phase bridge type rectificatio n asynchronous the rotor voltages of motors, And the n in its direct curre nt it in cli nes to be at silic on con trolled rectifier against becoming circ

7、uit produce at opposite direct current tendency and three-phase bridge direct curre nt who type produce pige on holes and con tacts, Chan ge, The ones that still can improve the operati onal efficie ncy of the motor and adjust speed at the same time are econo mic.This text basis mine lifti ng mach i

8、ne pull systematic request to electricity, adopt silic on con trolled rectifier each is it is it con trol it pull motor realize the stepless speed regulation to come rapidly to adjust, meet mine lifting machine pull to electricity system tran sfer speed performa nee and en ergy-c on serv ing request

9、. This text mai n researchthree phasesexcha nge pers on who wind the line asynchronous motor silic on con trolled rectifier each tran sfer speed systematic main fact, compleme nt circuit desig n releva nt tech no logical questi ons. In cludi ng systematic compositi on and operati on prin ciple , mai

10、n desig n of retur n circuit, con trol desig n of way of answering, quiet, dynamic performanee characteristics computational an alysis of the system, etc.The keywords: Silicon controlled rectifie; each adjusts speed rectification； Go against and change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

11、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

12、 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

13、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

14、调速系统具备无级调速的特点而且在低速工作时的机 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。III / 381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

15、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。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

16、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 。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

17、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

18、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 。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

19、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

20、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速系统是一种强耦合非线性且多变量的系统，工作状态下的可控性能非常差。由于近代电力电子技术 以及自动控制技术的快速发展，在这种大的环境下成为交流调速系统可以快速 发展的有利背景。由于出现在70年代的矢量变换控制技术、磁通反馈式矢量控 制技术、转差式矢

21、量控制技术、直接型转矩控制技术等实用调速控制技术的发 展，加快了交流传动技术的发展速度。新兴的传动技术与更多的高性能的变频 器相结合，这就使得利用交流电动机组成的交流伺服系统在性能上会比一些直 流伺服系统更加匹配。在一些特殊的外部环境中，例如：大容量高转速的地方， 交流电动机的串级调速系统具备更加优越的性能，交流化的电气传动时代即将到来。1.2课题研究的主要内容此次设计主要的内容就是通过应用已掌握的知识来设计、制作三相异步电 动机的串级调速系统，完成晶闸管串级调速系统所涉及的设计、参数的定额计 算和系统的仿真，并且在此基础上，通过制作实现理论与实践的结合完成串级 调速系统的主电路以及触发控制电

22、路的有关设计。设计系统的组成以及各个部 分的电路结构，设计出串级调速的主电路以及晶闸管的触发电路，并对反馈网 络和系统的动、静态特性进行了一些简单分析和计算。通过本次设计让我更加 深刻的理解了串级调速的工作原理及知识， 而且还锻炼了动手能力和设计能力， 在加强对知识的掌握基础上，也为本人以后的工作与学习打下了更加坚实的基 础。预计本设计能够完成串级调速的系统的设计以及各个环节的参数计算并 在此基础上进行仿真，最终得到理想状态下系统工作时的曲线特性。27 / 382总体方案设计与论证2.1设计要求（1）完成串级调速系统的设计，实现三相异步电动机的调速要求，能够在电动 机正常工作状态下进行无极调速

23、，实现对电动机转速的控制。（2）使用旋钮控制，进行对电动机转速的控制，实现转速的调整。2.2方案比较方案一：改变电动机极对数（P）调速是通过改变电动机绕组的极对数（P） 的方法，实现交流电动机转速发生改变的最终目的。电动机的一个特性是极对 数（P）只能成倍数发生改变，所以转速也就只能发生成倍变化。变极调速广泛 的应用在鼠笼式的三相电动机上面。改变极对数（P）调速方案具备了以下的优点：结构简单、使用方便、机械 特性硬、工作效率高且恒转矩恒功率条件下调速都适用。其不足之处在于：调 速等级是有级的并且其可调整的级数并不多。在一些需要平滑调速的环境中就 不适用了。方案二：调节电动机电压调速是通过改变电

24、动机定子上的电压的大小来对 电动机在某一大小负载下的转速进行调节改变的调速方式。这种调速方法会在 调速的过程中将会损耗电动机的转差功率。调节电压调速好处在于：这种调速方法是电机的调速性能比较平滑，还是闭环调速系统，同时机械特性比较硬，这种调速方法其调速范围大。有利就会有弊这种调速方法的缺点在于：这种调速方法是通过改变转差率来实现的一 种调速方式，故其在电动机低速运转时的转差功率的损耗会非常的大，工作效 率也会很低，调节电压的调速方案主要被用在具有较高电阻的转子的电动机上。方案三：电磁转差离合器调速方案为通过电机与负载之间连接的电磁转差 离合器来进行调速。这种调速方法被广泛的应用在鼠笼式的交流电

25、机上，电磁 转差离合器本身并不能直接进行电动机的调速，但是却可以通过改变与之相连 的输出传动轴的转速实现对电动机转速的调节。使用电磁转差离合器进行调速的好处有：使用简单，价格公道，系统稳定且运行安全可靠，检修方便，能实现无极调速，该调速方法还采取闭环调速系 统扩大了调速范围。弊端在于：和前几种调速方法类似，在低速状态下功率损 耗会非常剧烈，以及工作效率低等缺点 。通常这种调速方法都被用在纺纱、 印染、造纸这类大型机械设备上以及具备通风性的大型机械的负载特性设备上。方案四：电动机具备一种同步转速会随着频率变化而变化的特性，变频调 速就是利用了这一特性，改变了电源的频率才使得电动机的转速发生改变的

26、。变频调速的方法的优势在于：调速范围大，平滑性高，调速时机械特性硬， 静差率s小，调速时U1按照不同的变化规律进行改变进而来实现在恒转矩或者 是在恒功率的条件下进行调速，所以该调速系统的性能比较高。不足之处在于: 使用变频调速必须要有相匹配的可用电源5。目前市场上的变频调速装置电源 结构复杂、价格高、容量小，而且在低速工作状态下其最大转矩也比较小，这 会降低电动机的过载能力。方案五：转子回路串电阻调速的其调速原理是在电动机的转子回路中串入 一个可变的电阻，通过变换电阻的大小来改变机械特性斜率，使得电动机在负 载工作状态下的转差率发生改变，进而达到调整转速的目的。因为传入电动机 转子中的电阻不易

27、，造成了使用串电阻调速这种调速方法的电机只能发生阶跃 性的变化，所以串电阻调速是一种有级的调速方法。串电阻调速的好处在于：结构简单、操作方便、前期投资也不是很大。串 电阻调速的不足之处在于：电动机在低速状态工作时其机械特性将会变得较软， 在生产机械受到对应的最低转速工作状态下静差率的影响时会造成串电阻调速 在规定的调速范围内调速性能变差，只能够达到原来的2-3级；转子回路串电阻调速是通过分段调节的方法来调节电机转速的， 这种调速方法属于有级调速， 所有的有级调速都有的特点是平滑性较差；转子回路串电阻调速这种调速方法 适用于电动机在拖动负载的情况下进行调速 。当电动机在空载时或者负载较 轻时串电

28、阻调速对于电动机的转速调节效果不明显；电动机低速状态下转差率 s会偏大一些，在这种情况下转子铜损耗 Pcu2=sPm通常会比正常运行状态下偏 大。这样的最终结果就是效率低下且浪费大量能源。基于上述串电阻调速的优缺点，这种调速方法仅适用于起重机一类的对于 调速性能要求不大且是恒转矩的机械设备。方案六：在转子回路当中串电阻调速是一种比较好的调速方式但是其调速好的代价是要损耗大量的能量，而且只要将电动机的转速调低与之对应的损耗 就会相应的加大，从而效率也就会越低，为了提高效率节约能源如果适当的在 转子回路加上一个吸收能量的装置，就可以将损耗掉的能量进行重新利用，重 新吸收和利用，将能量反馈回电网中能

29、够极大地提高系统的工作效率。串级调 速系统就是这种可以将能量进行重新吸收再利用的调速系统。其工作原理具体 的来讲就是在转子回路中串连一个附加电动势，通过调节附加电动势的大小来 改变电动机的转差率，以此来达到调节转速的效果。串级调速的方法和串电阻调速的方法相比较其优势在于：机械特性较硬， 平滑性更好，最重要的是损耗也小，有更大的发展前景。不足之处在于：功率 因数低（原因在于滤波电抗器以及晶闸管逆变器的存在），制造设备结构复杂 造价高，转差率在低速时大，吸收能量时的转差功率也较大，同时会造成对应 的调速装置容量增大，成本昂贵，低速过载能力低。3系统的硬件设计3.1串级调速的工作原理在现有的技术条件

30、中只有变频调速和串级调速这两种技术是高效的调速技 术。二者之间的区别在于对交流的控制装置上面的控制点的不同。变频技术的 控制点在于电动机的定子上，而串级调速技术的控制点在电动机的转子上。由 于变频调速装置会承受供电电压以及电机的所有功率，所以变频调速更多的被用在低压小容量的电动机上面，之所以不用在高压大容量点击是因为其在这方 面的应用上存在着较大的问题。串级调速技术负担的是在转子回路当中存在的 低电压以及比电动机额定功率还小的转差功率，由于这种工作特性使得其在高 压大容量电机的调速方面具备着极大的优势。串级调速技术是一种经典的调速方法，在经过大量的研究与实践应用之后 确定性能优良的系统。近几年

31、来，由于电力电子器件以及计算机控制技术的广泛 应用，使得串级调速技术有了良好的发展空间并得到了快速发展，在一些高压 大中型电动机上的节能方面的应用更加广泛，在节能方面由于串级调速系统的 控制电压低功率小系统构成简单工作时稳定性非常好，最重要的是节电率较高 在大中型电机上面应用的前景有着非常好前景。下式是三相异步电动机的转速公式：60f1n 二 no（1 s）丄（1 s）P（ 3.1）上式中P三相交流电动机的极对数；fl 三相电动机电源在工作时 的频率；s三相交流电动机的转差频率根据上述公式可以得出以下的结论三相交流电动机存在三类调速方法，第 一类是变换电动机的极对数（P），第二类是变换电动机的

32、转差率（s），第三类 是变换电动机供电的电源的频率（f1）这三类方法。变换电动机s的调速方法又能 够分成在电动机转子上串接电阻调速、串级调速、改变电动机电压调速和改变 电动机的电磁转差离合器的调速的方法这四种可选类型。三项异步电动机工作状态下的转子的电动势：Er =SEro（ 3.2）公式中s-电机转差率；Ero-转子不动时的相电动势，或转子开路时的 电动势，通俗的来说就是转子额定相电压。转子使用绕线式的三相电动机通常 在工作时，他的Er值也就是转子电动势的值与s也就是他的转差率是能够成正 比的。而且，当f2转子的频率能够达到与S转差率成正比时，f2=sfl。不过这种 情况通常只会出现在转子短

33、路的情况下，通常情况下，转子发生短路时，Ir转子侧的相电流的表达式为：(3.3)sEro-./Rr2 -俘0)2如果将一个可以控制的附加交流电势加载到转子回路当中，Er转子具备的电动势会与附加电动势大小相同，同时二者会同向或者反向串联，转子回路中 的相电流的表达式:(3.4)打 _sEro Eadd.Rr2 (sXro)2电机处于正常运转状态时Ir转子电流将与负载的直达大小有这样的关系。siEr0TL是恒定负载转矩当电动机带着其时，不论转速的高低他的转子电流都不会发 生什么太大的改变，在这个时候，就算有不同的s值也会得到式（3.3）与（3.4） 相等的结论12。在没有引入附加电动势的时候电动机

34、原来在某一个去定的转差 率Si下面可以进行稳定的运行。而当引入了附加电动势且同向时，转子回路上 面的经过合成的电动势会向大了改变，同时对应的转子电流以及电磁转矩都会 发生相与之对应的变化，但是由于电动机的负载转矩没有发生变化，所以电动 机最终是必然会加速，因袭所以S会有所下降低，然后转子电动势Er=sEro也会 随之的减少，此时的转子电流大小也将会逐渐的减少，直至最后电机的转差率 降低到s2s1时，Ir转子的电流又达到了负载所需求的原值时，电动机可能就 进入到一个新的状态在这个状态下电机会在更高的转速下稳定运行。此时的公 式（3.3）以及公式（3.4）之间的平衡关系公式为下式：(3.5)_ |

35、rEro Eadd一 Rr2SXro)2. Rr2X2相同的道理可知道，若是减少了+Eadd或着在串入反相的附加电动势-Eadd,那么就可以使电动机的转速有所降低。简而言之就是将一个可控的附加 电动势加到电机转子侧将不可控转变为可控，改变附加电动势的大小就可以影 响到转子的转速这样电机调速的目的就实现了。这样的情况就是说这个调节过 程将会在转子侧进行能量的传送，换种方式来说是对交流电网输入转子一侧的 转差功率。机械损耗和杂散损耗不计的情况下，任何工作状态下的电机功率之 间的关系如下式：Pm = sR （1 - S P （3.6）在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压是在异步电动机转子回路中附加

36、交流电动势调速的关键点。对于一些特殊的情况来说，例如在只用于次同步电 动的状态，通常是将转子侧的电压先进行整流行成直流的电压，之后将一个附 加的电动势再引入，通过对于此直流附加电动势的幅值的控制，就可以轻而易 举的实现调节转速对于异步电动机来说是一个很简单的方法。这样就可以化繁 为简，就把一个复杂的问题交流电机的变压变频，通过转化为一个与频率毫不 相关的直流变压问题，化整为零使问题简单化，减少工作量，对于最终的的分 析以及毕业设计的实现方便了很多。3.2主电路的设计图3.1使用晶闸管作为串级调速系统的主电路图在上图中晶闸管作为逆变器的主电路图中，M代表着三相绕线式异步电动机，sErO是他的转子

37、侧的相电动势，在二极管构成的三相不可控整流器的整流 电路中进行整流处理，Ud为整流后的直流电压用来输出的。 也被用来与工作在 有源逆变状态下的可控的三相整流装置相结合，除了提供一些可调的直流电压Ui及以外的一些还能够可将此在经整流装置进行一次整流输出的一个转差的功率的逆变，同时在回馈到交流电网上。转子的整流器和晶闸管的有源逆变器，它们的连接方式采取的是三相桥式 结构。逆变电压Ui是由逆变器在转子的回路中串入的一个附加的直流电动势。拖动负载的转矩是由直流回路中的电流Id所决定的，当电动机拖动的负载是 定时，Id作为定值不变，通过改变逆变角B的值，使逆变电压Ui也会随之发生 相应的改变，通过这种方

38、法是向最终的调速目的。3.3逆变电路的设计逆变电路指的是起逆变作用的由晶闸管组成的三相的桥式整流电路， 控制角时，逆变角B =%护0。逆变时所被允许采用的最小逆变角 亦=3 +丫 +。晶闸管工作时他的关断时间tq，最大的时候可达到200300us,折算成Scos- c os (=v2U2 si n- m就约为4o到5o 丫则根据下面公式:(3.7)进行计算，丫约15o到20o为。但在三相桥式逆变电路中，触发器在输出时会有脉冲输出，导致相位角之间的间隔不相等，一般的不对称度在5o左右。需要设置安全裕量角，否则偏后的脉冲就相当于将B值变小，可能会小于 鬲in.最终导致逆变失败。3.4整流电路的设计

39、使用三相桥式的不可控的整流电路构成转子的整流电路，如图3.2所示:图3.2转子整流电路电机运行在某一转差率s下时，导通整流器，就会有换相的现象出现，正在换相中的一个两相电动势在这时突然且同时的产生了作用，换相重叠降就这 样的产生了。换相时产生的重叠角为：(3.8)Y = arccos1_ 2管口0 Id = arccos1_ 2茫d V6sEroV6Er0通过上式（3.7）可以了解到，重叠角丫将会因为整流器之中的电流Id他的 增大进而变大。通常在Id会比较小的时候，在Oo至60o之间的时候，得到的是 一个正常的整流波形，在整流电路当中，它的各个整流器件都是在其所对应的相电压波形的所有 自然换相

40、点处在进行它的换流。负载电流Id持续增大到比公式（3.7）计算得到 的丫角60o时的值还大时，期间就算到了自然换相点也不会发生换相，这就使 的以后的一些步骤都推迟，例如应该在自然换相点换流的就要推迟处理，这就 出现了一种现象被称为强迫的换流现象，所有被延迟的角度有个统一的称呼 a， 其被称之为强迫延时换相角。强迫延时换相现象只能够说明在某一时刻Id的值超过某一值，这个整流器件就会比自然换相点更加的滞后于a的角度处进行换流，但是如果从总体上来看，6个器件共同在360o内进行轮流的工作，而当每Id取值再一对器件在进行换流得过程中只是最多占 60，最终的结果时，无论大，最终丫 =60是不会发生变化的

41、。在整流时的电流:ID 尹cos ： p - cos(： p )二2XD0716Er06)(3.9)在整流时的电压:.c 0 s p + c(+ 了R2Id(3.10)Ud=2.3sErp-2=2 . 3sEr0 cQpS-ld- Rd2Tt特别是其中，RD=sR s+Rr是被用来折算到了电动机的转子侧并将定子和 转子他们每一个的等效电阻上。当 丫=6时，通常情况下表示转子整流的电路 将处于一种不可控的整流工作状态，这就是第一种工作状态；0ap 30o 丫 =60o 时则被称为第二种工作状态。3.5保护电路的设计快速熔断器，快速熔断器是在电路当中的电流超过限制时的保护措施，也是 一种使用比较广

42、泛应用的电路保护装置。快速熔断器带有辅助接点，快速熔断器 的断流时间会在10ms以内。世面上常见的快速熔断器最常见的是元件串联的接 法。快速熔断器的选择计算：Ird =(1.251.50)If(A)式中：Ird 熔体电流有效值If 元件额定电流3.6控制电路的设计3.6.1主控制器的选择使用单片机作为控制核心，不仅安全可靠，价格低廉，应用起来十分简单 方便，并且搭建的外围电路也比较少也是单片机的一大特点，比较容易控制和 实现。具有极其灵活的可编程性也是单片机系统的特色，对于系统进行功能的 拓展和性能改善也十分地方便。而且还具有结构简单、性能可靠、功能强大、 较强的实用性、性价比较高等特点，使得

43、整个系统设计成本降低，降耗能耗， 而且速度控制精度也大大提高了3.6.2电流环的设计和参数计算与推导过程电流环的时间常数是非常的小，并且反应很迅速，但转差电势变化却缓慢， 可忽略掉转差电势的影响，简化以后，按照典型I型系统校正，令T=TLn；那么电流环的结构图就会如图4.2所示：T.Tfi TV(3.11 )电流环的开环放大倍数如下：Ki = Ki KvKLnKfi / i(3.12 )又因为：Ki 十T(3.13 )可以得到电流调节器的参数如下所示:(3.14)Tn2KvKT三心上式中：Kv、Tv是指晶闸管逆变器的静态放大倍数 B与动态滞后的时间常数T ；Tfi 电流反馈回路的滤波时间常数，

44、Tfi=To;Kfi 电流反馈回路电流的放大系数俟3.6.3速度环的设计与其参数的计算推导过程电流环按照典型的I型系统校正以后，其闭环的传递函数速度环动态的结 构，为使系统也具有好的抗扰动性及跟随性，转速环通常都按照典型u型系统 进行设计的。即让 t n=h，在h=5时系统的抗扰动性及跟随性最好，速度环 的开环放大倍数如下：Kn得到速度调节器参数如下所示:KnnTjKfi2h 1心(3.15)(3.16)(3.17)4系统的软件设计4.1 MATLAB 仿真MATLAB有如下优势和特点：它是一种很好的仿真工作平台与软件编程的 环境；简单且易用的程序语言；其拥有非常完善的计算以及数据信息处理运算

45、的 能力;还有广泛的应用集成模块集合工具箱；以及实用的接口程序和平台。由于MATLAB具备以上无以伦比的优点，所以有越来越多的人在工作当中 使用它。本次设计中使用的仿真工具就是 MATLAB。因为在实际的工作当中不 可能有充足的实验设备及材料提供给我们进行试验，所以使用仿真软件就是我 们实现自己对于自己所做的东西进行模拟制作，在一定的误差范围内得到一个 比较可信的结果，根据这个结果我们可以去做自己的东西，保证自己在做的东 西大的方向不发生错误，细节部分还可以进行性调整，这样就可以大大的节约 成本。通常我们在做设计的时候往往只会有一些书面性的文字资料，并没有具体 的参数值以及设计完整的直接可以使

46、用得电路原理图。这就使得我们要想做出 一个比较好的东西来的时候首先要面对的问题，在通常情况下我们会通过网络 去搜集一些资料作为基础，在此基础之上构建自己的电路原理图，通过设计想 法的描述以及对电路的绘图得到电路的最终原理图，再将电路原理图按照规范 在MATLAB上面进行绘制仿真，观察仿真结果得出最终的结论，确定之前的思 路是否正确。MATLAB仿真软件的作用就是在实际的制作工作之前让我们心洲对自己 所做的东西有个大概的了解。有一个明确的目标不至于瞎子走路不知方向。在 实作过程当中仿真就如同指路的明灯一般。因为其可以清晰简单地看出实物的 最终实现的效果，还可以对不满意的地方进行修改，所有元器件的

47、大小型号结 构组成都会有所标注，这样在确定最终的电路时就可以直接按照仿真的电路图 进行购买元器件，进行最终的制作。4.2编程软件Keil简介该软件是单片机发烧友的首选，是一款功能强大的多用途编程软件，和比较传统的汇编语言相比，该语言在可读性和维护移植性有很大的好处，即使没 有汇编语言功底的普通用户也可以轻松驾驭。Keil软件包括了以下的几大模块： C语言编辑器、宏汇编、链接器、库管理器和一个仿真调试，几者通过卩Vision环境进行有机结合。即使通过传统的汇编语言编译程序，卩Vision强大的软件仿 真也会有巨大的帮助，很大程度减轻了我们的工作负担。Keil的 卩Vision环境一共推出了四款经

48、典的界面卩Vision2卩Vision3卩Vision4卩Vision5 Keil卩Vision是美国软件公司发行的51单片机系列的基于 C语言的开发系统，软件使用方法比较类似于C语言，和汇编语言相比，C语言是比较被人接受的，可以提高用户的工作效率和产品的研发时间，而且它并 不是完全脱离汇编语言，它可以在其中嵌入汇编语言。软件内置的编译器为我 们编写程序提供了两大好处：第一可以利用汇编语言的简洁利用率高的特点， 第二是整个编程是C语言语境下完成，因此十分的人性化。写好后进行编写、 编译程序，如果运行出现错误需要按照提示反复修改直到运行没有出现语法错 误4.3串级调速系统的建模设计4.3.1直流

49、电路的传递函数串级调速的主电路的动态以及电压平衡方程式：dldL d Rsd 二 UdoS-U ：(4.1)dt _式中：L直流电路的总电磁感应式，L/2Lm2LtLd(4.2)Rsi转差率S是为某值时的主电路等效电阻，3XM03XTRss - 2卬 2& rdnn(4.3)而将式(4.3)两边取拉氏变换，将可得的串级调速的系统的直流电路的等效的 传递函数：Id(s)Ud。-仏n(s)-U ：(s)T_nS1(4.4)532电动机的传递函数电动机是以主电路直流电流Id与负载电流Il之间的差做为输入，转速 n 做为输出的环节。且在串级调速的系统的第一个工作区内，且电动机转矩将与 主电路直流电流I

50、d有以下的关系：M 二丄（5。一 如 Qld（4.5）- 1 二由式（4.5）可知，串级调速系统的电动机转矩是Id的二次函数，且具有非 线形特性，在需要作近似的线形化处理。应用的小偏差线形化的方法，取 M对Id的二次的导数得:d2Md2Id6Xm。(4.6)2因为6Xmo的值通常会很小，所以 嘤L 1，故此可以将式（4.6）在某个 兀d Id工作的电流值的附近的临域内将作泰勒级数展开，从而忽略二阶无穷小项以及 余项，仅取一次的近似式得：M = Mo Cm Id（4.7）M = MoIl（ 4.8）式中Ml，Il 负载转矩和对应的负载电流值。经过线形处理后的转矩常数：Cm 二丄（5。-空7）（

51、4.9）将式（4.8）和式（4.9）来代入系统的运动方程式得：2M -MGD-dn（4.10）375 dt式中GD2 电动机以及负载的飞轮惯量（飞轮矩）由上式得:2(4.11)GD dn375 dt对式(4.11 )取用拉氏变换后，将可得电动机的传递函数为：(4.12)n (s)1_1Id(s)L S ) GD_ /TjS 375Cm式中Tj 二 GD_. 375Cm5.4系统的调速特性分析晶闸管串级调速的转速的表达式为:n -厲3Xm 0 |Ud0 一I dJI如果令：U 二Ud0 -U 13Xt 3X m 0 R M0 2rM 0 rd-jijiU3X m 0 IUd0IdC -Ce则式(

52、4.16)缩写式：1n1(U -Idg(UdUJ-(3XT 如 2rM 2rT rd)ldJIJI(4.13)(4.14)(4.15)(4.(4.17)此方程式做为他励直流电动机的机械特性的方程式表达形式。因此，在当转 子的整流电路运行时在第一工作的状态时，三相异步电动机的串级调速系统将所 具有的调速特性。在串级调速系统中，系统根据B调速逆变角值的大小发生改变，就会影响到 电源U的值，进而改变了直流电动机电枢上面外加的电压。直流调压调速状态 下的直流电动机的电枢回路总电阻等于串级调速系统的总电阻R，由它决定了机械特性的硬度。更由于串级调速系统的总电阻 R艺值比较大，故此机械特性将 比直流电动机

53、的特性软。串级调速的等效的电势系数 Ce将会随着ld的增加而减 少，说明直流电机存在去磁作用。结合上述观点串级调速系统的转子整流器为第一工作状态时的调速的性能， 而且相当于一个内阻比较大又有电枢反映的他励的直流电动机在调压调速系统。 对于从零开始的调速的系统；当B =%时，当端电压U=0，其转速n=0；而当fmin=90O时，U = Umax，n二“max。所以当连续改变B角时，便可以改变端电压U， 在进行平滑调速。故此采用晶闸管的串级调速的三相异步电动机将具有直流电动 机的调速性能。在第二工作状态时，转子的整流输出电压平衡式变为：小3Xm 0SU d - U doSCOS- p -（2rM

54、） 1 d（4.18）JT利用式（4.18），可得到在电机转子在第二象限工作时的转子整流电路的S二f（ld, J 与 n 二f（ld）的表达式：3XU ：( T 2m 2rT rd)Id(4.19)(4.20)S =-3XM0 IUd0 COS - p -I d(Ud0 cos： p U J -(3X1 3Xm0 2帀 2ft m)ldUdo cos： p3X m 0兀厂兀JI由式（4.19）可知，串级调速系统其中的异步电动机将处于第二工作状态运 行时，其的特性会更软，随着负载的增大:p也将增大，使转速将显著下降。5实作的焊接与调试5.1实作的焊接焊接选用了点阵式万用板，和专业的 PCB板相比

55、具有许多优势：具有使用 门槛低、布局方便、成本低廉、扩展灵活等优点。然后根据电路原理图把元器件布置在万用板上面，因为实际中元件大小跟 原理图中完全不一样，所以布局的时间会和原理图有比较大的区别。布局应该 美观、简洁、焊接线路短、少跳线、散热良好等这些方面去综合考虑。过于紧 凑的布局会导致布线困难和散热不良，因此元件不能过于密集也不能过于松散， 本着合理实用的原则。因此我的放电大功率电阻发热量很大，因此单独布置在 一小块万用板，有利于它们的散热。焊接前还需要准备烙铁、焊锡、松香、跳线。要想进行一个好的手工电子 作品焊接，了解和掌握一些焊接知识还是十分必要的。静电对电子焊接的危害 特别大，电子元器

56、件在和塑料及人体接触的时间产生积聚的大量静止电荷，当 达到一定触发条件的时间，瞬间释放出来强大的电压电流，轻则造成元件的稳 定性变差重则造成元件击穿短路，所以焊接前要按照规定佩戴静电手环，电烙 铁要可靠的接地。电路板也应该用支撑物支撑起来，与下垫面有一定的间隙， 在焊接的时间可以防止热量积聚在一点使得万用板烧糊或者元件烧毁。对于已 经刻录程序的单片机来说，切勿直接将它焊接在电路板上。单片机的耐热能力 比较差，弓I脚直接焊接在电路板的过程中很可能破坏其中储存的程序，另外在 其他引线和单片机连接的过程中也是非常容易高温接触时间过长使得处理器报 废。因此最好焊接一个和单片机匹配的底座，焊接完成之后将单片机插入即可。现在来说一下焊接必备的技巧：电烙铁的温度要根据实际调节（一般在 300-450度之间）；焊接的持续时间最好控制在 3秒钟左右，时间过长会造成焊 锡变黑和电子元器件被烧毁；焊接的时间最好选用尖头烙铁，过于粗的烙铁难 以在密集的引脚之间穿行，对与引锡也无法弄得很细。一般来说比较被认可的手工电子作品的焊接可以分为五大步骤的：第一是 对左手执锡，右手大拇指和食指配合手掌抵住烙铁，这是焊接的姿势准备。这 时间目视检查烙铁头是否有异物，有的话要及时除掉并用焊锡包膜处理