串级调速系统之辅助电源的设计

1、运动控制系统课程设计说明书题 目： 绕线式异步电动机双闭环串级调速系统专业班级： 电气自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 成 绩： 2013年6月课程设计量化评分标准 指标分值评分要素得分设计完成情况30能独立查阅文献资料，提出并较好地论述课题的实施方案；设计方案选择合理，分析、设计正确，原理清楚；独立进行设计工作，按期圆满完成规定的任务，设计结果达到预期效果，有实用价值。 报告质量20报告结构严谨，逻辑严密，论述层次清晰，语言流畅，表达准确，重点突出，报告完全符合规范化要求。 工作量、工作态度20工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。答

2、辩成绩30思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。 总 评 成 绩 答辩记录答辩时间： 答辩地点：绕线式异步电动机双闭环串级调速系统设计辅助电源设计The design of double closed-loop cascade and speed control system using wound-rotor asynchronous motor Design of the auxiliary power supply学生姓名: 指导教师: 摘 要绕线式异步电动机的串级调速是通过电动机的转子回路引入附加电势而

3、实现的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以通过将异步电动机的转差功率回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上来实现调速，因此，串级调速的效率比转子串电阻要高。串级调速能实现无级平滑调速，低速时机械特性比较硬。根据转差功率的去向以及电动机的运行状态，串级调速可以实现电机在五种状态下的运行，次同步速电动运行状态，反转倒拉制动状态，超同步速回馈制动状态，超同步速电动状态以及次同步速回馈制动状态，故在工业生产中，串级调速应用广泛。本文主要讲述串级调速系统的辅助电源设计，采用两种方案设计电源，并从纹波、稳定性等多方面进行考虑，最终设计出合适的电源作为整个调速系统的辅助电源。关键词：绕线式异步电动机；

4、串级调速； 辅助电源； IAbstractThe double closed-loop cascade and speed control system of wound-rotor asynchronous motor is achieved by introducing additional electromotive force . It is different from the rotor string resistance ways. Cascade speed regulation is designed by returning the slip power to the po

5、wer grid , or converting into mechanical energy to the axis of the motor to accomplish speed regulation. Hence, the efficiency of the cascade speed regulation is higher than the way of string resistance. Cascade speed regulation can regulate the speed smoothly, and the mechanical properties of low s

6、peed is hard. According to the way the slip power used, the cascade speed regulation can be divided into five categories: Time synchronous speed electric running state, reserve pull brake state, super synchronous speed feedback braking state,super synchronous speed electric running state and time sy

7、nchronous speed reserve braking state. In the production system, the cascade speed regulation system is widely used. This article is about the auxiliary power supply of the cascade speed regulation system. It includes two kinds of power supply, and analysis from the ripple, the stability and so on.

8、At last, it found the proper way to the auxiliary power supply. IIKeywords: HCCI； Wound-rotor asynchronous motor； Cascade speed regulation；the auxiliary power supply； 目 录摘要. IAbstract.II1绪论1.1选题背景及意义11.2设计任务与要求12 系统组成原理2.1主电路.32.2工作原理42.3机械特性.42.4触发电路62.5检测装置62.6限幅电路73 设计内容3.1基于三端集成稳压器的稳压源.83.2DC/DC

9、变换器.93.3方案说明 .114 仿真或实验结果分析 . .125 总结. .14参考文献.15 1 绪论目前，由于地球资源的日益贫乏，我们不得不考虑能源的节约及可重复利用等问题。在众多能源中，电能属于不可再生能源，却是人类生存发展不可或缺的重要能源之一。而在各类生产活动中，作为各种操作的执行者，电动机消耗电能拖动生产机械运转，产生机械能和有功功率，其中，也有一部分能量产生无功功率。考虑到资源的合理利用，我们应减少这部分的损耗，提高电动机的效率，节约电能。1.1 选题背景与意义转差功率是人们在研究异步电动机调速时所关心的问题。转差功率在很大程度上影响着调速系统的效率。因此，如何利用调速系统的

10、转差功率，是改善调速系统性能首要考虑的问题。而绕线式异步电动机的串级调速就是利用转差功率而实现的，其根据转差功率的去向，分为转差功率消耗型和转差功率回馈型，其中又包括五种基本运行状态。11.2 设计任务与要求1. 要求设计一个转速、电流双闭环低（次）同步串级调速系统，绕线式异步电动机转子回路中的二极管整流器和晶闸管逆变器均采用三相桥式电路。已知（1）电动机：，定子额定电压,定子额定电流，转子开路线电压，转子额定电流，电流过载倍数，折算到转子侧的电动机每相漏抗（时），折算到转子侧的电动机每相等效电阻，折算到转子侧的电动机每相漏感。（2）逆变变压器：折算到副边的逆变变压器每相等效电阻，电感，电抗。

11、（3）平波电抗器：电感，电阻。（4）系统总的飞轮惯量：。（5）转速调节器和电流调节器的输出限幅电压均为8V。2. 任务 在系统各部分已定的基础上，完成辅助电源电路的设计，具体任务如下：（1）通过分析比较两种以上不同结构AC/DC稳压电路的组成原理，确定性能较好的辅助电源电路；（2）完成辅助电源电路参数设计及其元器件的选型；（3）画出辅助电源电路的电路图。2 系统组成原理2.1 主电路绕线式异步电动机双闭环串级调速系统的原理图如图2.1所示：图2.1 绕线式异步电动机串级调速系统 该系统的主要组成有：转速调节器ASR、电流调节器ACR、晶闸管脉冲触发电路、绕线式异步电动机、转速检测装置、电流互感

12、器和整流装置、逆变装置。 全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速、电流双闭环调速系统。对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大，从而限制了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控制，此时可以采用绕线转子异步电动机。但在电阻上将消耗大量的能量，效率低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性能较好的绕线转子异步电动机转差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。串级调速是通过

13、绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用，因此效率高。2.2 工作原理绕线式异步电动机的串级调速是在电动机的转子回路中附加交流电动势。这个电动势是，将异步电动机的转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，通过控制此直流附加电动势的幅值来实现转速的调节。假定异步电动机的定子电压和负载转矩不变，电动机在调速前后转子电流近似保持不变。在转子回路中引串入一个频率与转子电势相同、相位相同（或相反）的附加电势，其中：转子回路电阻；：转子旋转时转子绕组每相漏抗：转子开路相电势 则转子电流为

14、（式2-1）由于电动机在正常运行时，转差率s很小，故,忽略有 （式2-2）一旦电动机选定，在式2-2中，为常数，故改变附加电势可以改变转差率s，从而实现调速。2.3机械特性在串级调速系统中，由于电动机的级对数、旋转磁场和转速、同步转速是恒定的，当系统在理想空载状态下运行时（=0），转子直流回路的电压平衡方程式为: （式2-3） 其中，为异步电动机在串级调速时对应于某一角的理想空载转差率。取，则 （式2-4） 由此可得相应的理想空载转速为 （式2-5） 其中，为异步电动机的同步转速。在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变，越大时，越小

15、，而越高。在系统中，角的调节范围对应于电动机调速范围的上、下限，一般逆变角的调节范围为。其下限是为了防止逆变颠覆而设置的最小逆变角，具体数值可根据系统的电气参数来设定。在不同的角下，异步电动机的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速时的机械特性。由于在转子回路中接入两组整流装置、平波电抗器、逆变变压器等，再加上线路电阻以后，实际上相当于在转子回路中接入了一定能够数值的等效电阻和电抗。所以，这些因素势会影响电动机串级调速的机械特性，使电动机在串级调速运行时的机械特性要比固有机械特性软，在额定负载时难以达到额定转速。其机械特性如图2.2所示： 图2.2 串级调速机械特性2.4 触发

16、电路图2.3 触发电路触发电路是给晶闸管产生触发脉冲的电路，此设计中采用的是KC04芯片。KC04芯片输入电压为,允许电压波动为，允许最大正电流为15mA，允许最大负电流为10mA。利用该芯片设计的晶闸管脉冲触发电路，可以输出相位差为180°的移相触发脉冲，正好可以提供给串级调速系统的两组晶闸管。2.5检测装置2.5.1 电流检测装置在晶闸管控制系统中，需要检测主回路的电流，并把它转换成电压，作为电流反馈信号。在变流电路直流侧检测电流大小，一般常用直流电流互感器或霍尔电流传感器测量主回路电流。在晶闸管有源逆变器中，交流侧有效值电流与直流电流之间有着近似的比例关系，因此，通过测量交流电

17、流便可间接反映直流侧逆变电流的大小。2.5.2转速检测环节系统由光电编码器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。 处理器采用STC89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示2。系统原理框图如图2.4所示： 图2.4 转速检测原理框图2.6限幅电路 图2.5 电流限幅电路电流限幅电路的设计如图2.5所示，通过调节电阻可以分别调节输出正负限幅

18、值。本电路简单可靠，是理想的限幅电路，因此，在电机调速系统中应用较为广泛。3 设计内容根据本组设计的串级调速系统要求，设计了两种电源方案，线性电源及开关电源，以下为详细叙述。3.1 基于三端集成稳压器的直流稳压源线性电源结构简单，参数设计方便，且运行可靠。但系统对电源要求不高时，可以考虑线性电源。针对系统要求，设计了和两组线性电源。3.1.1 电路组成如图3.1所示，是采用三端集成稳压器78L05、79L05、78L15和79L15设计的和直流稳压源。以稳压电路为例，其电路包括：变压器电路、桥式整流电路、滤波电路及三端集成稳压器的应用电路，是一种最基本也是最典型的AC/DC直流线性稳压电路设计

19、。图3.1 基于三端集成稳压器的直流稳压电路3.1.2 电路原理如图3-1所示，该电源电路首先通过多相变压器，将单相220V/50HZ的交流电转换为24V/50HZ的交流电，仅改变电压等级，而不改变电源频率。再将交流电24V/50HZ分别通过四组二极管整流桥，对交流电进行整流，将其转换为脉动的直流电。整流后，直流电中还存在较大的纹波，必须要经过电容滤波。因此，在整流后加上电解电容滤波，即图3-1中的、和，滤除直流电中的较大的纹波，从而得到较平滑的直流电。后面部分即为各个三端集成器的应用电路。78L05是用于产生+5V电源的芯片，79L05是用于产生-5V电源的芯片。同理，78L15是用于产生+

20、15V电源的芯片，79L15是用于产生-15V电源的芯片。下面以78L05为例，讲述DC/DC电路的各元件的作用：在78L05的应用电路中，（0.33uF）与（0.1uF）是用来实现频率补偿的，防止稳压器产生高频自激振荡，且抑制电路本身带来的高频干扰。（10uF）为输出电容。3.1.3 电路的基本参数由于以上设计中选用的是78LXX系列芯片，其输出电流均为100mA，因此在负载输出端并联一个分流电阻，该电阻阻值可根据负载大小来设计，比较简便。电路的其他参数如下：电压调整率：3-18%电流调整率：12-15%温度系数：300×纹波抑制比：60dB3.2 开关电源凡是用半导体功率器件作开

21、关，将一种电源形态转换为另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，成为开关电源。3.2.1 电路组成根据系统要求，需要使用+24V和+15V的电路，这些使用线性电源难于实现，因此，本设计中采用DC/DC升压式变换器来提供该等级的电压，具体电路如图3.2，图3.3和图3.4所示。图3.2 +15V开关电源电路图3.3 +24V开关电源电路3.2.2 电路原理以上图3.3 +24V开关电源电路为例，本设计中采用的芯片MC34063是单双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电

22、流输出开关，能输出可随参数改变的开关电流，能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。MC34063内部的振荡器通过恒流源对外接在CT 管脚上的电容不断地充电和放电，产生振荡波形。当MC34063内部的与门输入端都变成高电平时，输出开关管导通，反之，输出开关管处于关闭状态。输出电压的大小可以通过电阻和的比值来设定，输出电流的大小也可通过检测电阻阻值来设定。当检测到电阻上的电压降接近或超过300 mV 时，电流限制电路开始工作，这时通过CT 管脚对定时电容进行快速充电，以减少充电时间和输出开关管的导通时间，延长输出开关管的关闭时间。3.2.3 电路的基本参数上述选用MC3

23、4063芯片，输出电流可控，电路的基本参数如下：输出电压：工作频率：输出电流：输出电压波纹系数：在上述参数中，是定时电容,是滤波电容。3.3 方案说明本设计中之所以采用两种电源方案，是因为各部分中对电压和电流的要求各不相同，如晶闸管的触发电路中，给芯片KC04供电的+15V电压要求正电流小于15mV，而在电流检测电路中，电流则要求为0-4A，15mV虽然在范围内，但却偏小，因此，必须要求不同的电压电流组合。在上述方案中，线性电源主要给限幅电路、单片机及其外围电路和电流检测电路供电，且为开关电源提供输入电压，而开关电源则主要给晶闸管脉冲触发电路供电，如此，可以减小了负载过多带来的分流分压等对整个

24、系统工作精度的影响。4 仿真（实验）结果分析双闭环系统仿真模型如图4.1所示，设置空载启动，2s时达到额定转速，4s时电流环断线，转速和电流波形如图4.2所示。空载启动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在这三个阶段中包括不饱和、饱和及退饱和三种情况。图4.1 双闭环系统仿真图4.2 转速和电流波形图电流上升阶段，电流很快达到最大值，ASR由不饱和进入饱和状态，而ACR不饱和；恒流升速阶段，电流基本恒定，转速呈线性增长；转速调节阶段，当转速上升到给定值时，ASR输入偏差为零，但是由于机械惯性等因素，转速出现超调后，ASR输入偏差为负，开始退饱和。2s时，在额定转速下，转速下降后又趋于稳定；到4s时，电流环断线，变为单闭环系统，电流突增，转速也突增，与给定的偏差减小，则ASR输出减小，ACR的输入也减小，转速反馈减小，与给定偏差增大，ASR输出增大，ACR增大，转速反馈增大，如此循环变化，出现振荡。这个过程中，比例作用很快，积分环节参数不够大，所以会出现转速与电流的同时振荡。 5 总 结本次绕线式异步电动机的串级调速系统设计共历时一周，其间，我们经历