交流电动机串级调速系统建模与仿真.doc
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中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）
远程与继续教育学院
本科毕业论文（设计）
题目：
交流电机串级调速系统建模与仿真
学习中心：
内蒙古学习中心
学号：
090F31141095
姓名：
梅雨停
专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
王旭东
2016年3月1日
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院
本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表
学生姓名：
梅雨停学号：
090F31141095专业：
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：
交流电机串级调速系统建模与仿真
指导教师意见：
（请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
）
指导教师结论：
（合格、不合格）
指导教师
姓名
所在单位
指导时间
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院
本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表
学生姓名：
梅雨停学号：
090F31141095专业：
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：
交流电机串级调速系统建模与仿真
评阅意见：
（请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
）
修改意见：
（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。
评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。
）
毕业设计（论文）评阅成绩（百分制）：
评阅结论：
（同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）
评阅人姓名
所在单位
评阅时间
论文原创性声明
本人郑重声明：
本人所呈交的本科毕业论文《交流电机串级调速系统建模与仿真》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。
论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。
对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。
本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。
论文作者（签字）：
梅雨停
日期：
2016年 3 月 1 日
3
摘要
串级调速是通过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（回馈电网或转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。
所谓双馈调速，是指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组。
通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电动机的转矩、转速和电动机定子侧的无功功率。
这种双馈调速的异步电动机可以超同步和亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。
双馈串级调速能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。
特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。
关键词：
1、异步电动机2、串级调速3、原理4、基本类型
目录
一、概述....................................................1
（一）交流电动机的发展概况.............................1
（二）串级调速的优缺点.................................2
（三）与变频调速方式的比较与应用.......................2
二、双闭环控制的串级调速系统设计............................3
（一）双闭环控制串级调速系统的组成.....................3
（二）串级调速系统的动态数学模型.......................4
（三）调节器参数的设计.................................6
（四）串级调速系统的启动方式...........................7
（五）异步电动机串级调速时的机械特性...................8
（六）异步电动机串级调速时的转子整流电路...............9
三、串级调速系统主回路主要参数计算与选择 12
（一）串级调速系统主回路主要参数计算与选择.............12
（二）转子整流器的参数计算与元件选择...................12
四、电流环和转速环设计 21
（一）电流环的设计.....................................21
（二）转速环的设计.....................................23
五、交流串级调速系统的仿真.................................25
（一）MATLAB简要介绍...................................25
（二）晶闸管串级调速系统的建模与仿真...................26
1、系统的建模和参数设置.............................26
2、系统的仿真参数设置...............................28
3、系统的仿真，仿真结果的输出及结果分析.............28
六、结束语.................................................30
致谢 31
参考文献 32
32
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）
一、概述
（一）交流电动机调速的发展概况
纵观电力传动的发展过程，交直流两种传动方式共存于各个生产领域之中。
在电力电子技术发展之前，直流电动机几乎占垄断地位。
对于直流电动机只要改变电动机的电压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。
随着工业技术的不断发展，它们相互竞争、相互促进。
交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机与直流电动机相比具有一些突出的优点：
制造成本低；重量轻；惯性小；可靠性和运行效率高；维修工作量小；能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行。
这些与现代调速系统要求的可靠性、可用性、可维修性相一致。
正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80%以上；但同时交流电动机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。
而随着电力电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能的电力电子器件产品的出现，为交流调速系统的发展创造了有利条件。
特别是70年代初出现的矢量变换控制技术以及在矢量变换基础上相继出现的磁通反馈矢量控制、转差型矢量控制、直接转矩控制等实用系统，大大推进了交流传运控制技术的发展。
这些新型的交流传动控制技术与高性能的变频器相结合，就有可能使利用交流电动机构成的交流伺服系统在性能上与高精度的直流伺服系统相匹配。
特别是在一些大容量、高转速或特殊环境下应用的场合，交流调速系统已显示出无比的优越性，电气传动交流化的时代随之而来。
根据异步电动机的转速公式：
n=60ƒ1（1-s）∕P
P:
电机极对数
ƒ1:
供电电源频率
s:
电机转差率
因此，异步电动机有三种基本的调速方式，即改变极对数、改变转差率和改变供电电源频率。
由于绕线式异步电动机串级调速具有结构简单，高效节能等优点，在工业中得到了较广泛的应用。
串级调速的控制方法多采用电动机电流和转速的双闭环PI控制。
其结构与直流电动机双闭环系统类似。
但是，交流电动机中的电磁关系远比直流电动机中的电磁关系复杂。
而且，串级调速系统中的绕线式大道理转子需接入整流器等非线性元件，使其内部的电磁关系更为复杂。
因此，这种双闭环串级调速系统的参数计算，调试比较困难，在设计中往往采用近似法，式凑法，反复调试才能得到较好的结果。
（二）、串级调速的优缺点
串级调速的优点主要是：
1调速范围较大，但是过载能力随转速降低而减小，限制了调速范围的扩大；另外因转速越低，转差功率越大，所需整流器、逆变装置的容量也越大，这也成了限制调速范围扩大的一个因素。
对于鼓风机类负载，负载转矩随转速降低而减小，能够用较小容量的整流器、逆变装置获得较大的调速范围。
2调速的平滑性好，晶闸管调速电路很容易通过对导通角的平滑调节改变转速。
3调节的稳定性好，因为串级调速时的机械特性的直线部分的硬度较大，甚至较固有机械特性大。
4调速的经济性好，由前面内容可知，串级调速回收了大部分转差功率，保证了电动机的效率，减小了电能的浪费。
另外，由于整流逆变电路只需要对转差功率进行调节，因此其容量要求低，可以明显节省调速电路成本。
串级调速的缺点：
1逆变变压器本身体积较大，成本偏高；在向电网馈送有功功率的同时还要从电网吸取无功功率（建立内部磁场），造成整个调速系统功率因数偏低，如高速满载运行时，其功率因数只有0.6，这是不能达到《全国供用电规则》相关规定的。
2逆变装置将直流逆变成交流时，将附带产生较多谐波分量，会对电网造成污染。
3串级调速只能用于绕线式异步电动机。
（三）与变频调速方式的比较及应用
变频调速是交流电机调速中最优越的调速方式，调速性能好，具有恒转矩调速特性，适合各种类型交流电动机。
但由于其控制功率是被控电机的视在功率，受电力半导体器件耐压水平的限制，高压变频调速装置非常昂贵，性能价格比随电动机电压升高和容量增大而明显下降，甚至需要节电l0余年才可回收设备投资。
因此只适合工艺上要求高性能调速的场合，如轧钢等，不适合以节电为主要目的调速运行。
内反馈串级调速与变频调速同属高效调速方式，但其通过电动机转子绕组将高压问题转化成低压问题来处理，所以控制功率仅为被控电机容量的50％，解决了目前电力半导体器件的耐压问题，是高压恒速电机改成调速电机的最佳方案。
采用这种调速方案可以用比变频调速低得多的成本获得非常好的节电效果。
二、双闭环控制的串级调速系统设计
由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。
为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。
由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。
（一）双闭环控制串级调速系统的组成
图2.1双闭环控制的串级调速系统
图2.1所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。
图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。
为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为β-βmin。
图2.1所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。
所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。
图2.2串级调速系统原理图（a）主电路（b）等效电路
（二）串级调速系统的动态数学模型
在图2.1所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构框图均与直流调速系统中相同。
在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。
1转子直流回路的传递函数
根据图2.2的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路的动态
电压平衡方程式：
（2.1）
式中：
Ud0:
当s=1时转子整流器输出的空载电压,
（2.2）
Ui0:
逆变器直流侧的空载电压,
（2.3）
L:
转子直流回路总电感,
（2.4）
LD:
折算到转子侧的异步电动机每相漏感,
（2.5）
LT:
折算到二次侧的逆变变压器每相漏感,
（2.6）
LL:
平波电抗器电感，
R:
转差率为s时转子直流回路等效电阻:
（2.7）
于是式（2.1）可改写成：
（2.8）
将式（2.8）两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数:
（2.9）
式中：
TLs:
转子直流回路的时间常数，
KLr:
转子直流回路的放大系数，
转子直流回路的动态结构框图如图2.3所示。
需要指出，串级调速系统转子直流回路传递函数中的时间常数TLs和放大系数KLr都是转速n的函数，它们是非定常数。
2异步电动机的传递函数异步电动机的电磁转矩为:
（2.10）
图2.3转子直流回路动态结构图
电力拖动系统的运动方程式为：
（2.11）
或写成：
（2.12）
式中：
TL:
负载转矩，
IL:
所对应的等效直流电路，
由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为:
（2.13）
其中为机电时间常数，TM与R、CE、CM、都有关系，所以也不是常数，而是Id和n的函数。
3串级调速系统的动态结构图
把图2.1中的异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再考虑给定滤波环节和反馈滤波环节就可直接画出双闭环控制串级调速系统的动态结构框图，如图2.4所示。
图2.4双闭环控制串级调速系统动态结构图
（三）调节器参数的设计
双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主要按抗扰性能考虑，即应使系统在负载扰动时有良好的动态响应。
在采用工程设计方法进行动态设计时，可以像直流调速系统那样，电流环按典型I型系统设计，转速环按典型Ⅱ型系统设计。
但是串级调速系统中转子直流回路的时间常数TLs及放大系数KLr都是转速的函数，而异步电动机的机电时间常数TM又是转速和电流的函数，这就给调节器的设计带来一定的困难。
具体设计时，可以先在确定的转速n和负载电流Id的前提下，求出各传递函数中的参数。
例如，按照要求的最大转差率Smax或平均转差率1/2Smax来确定转速，按额定负载或常用的实际负载来选定电流，然后按定常系统进行设计。
如果用模拟控制系统实现，则当实际转速或电流改变时，系统的动态性能就要变坏。
如果采用微机数字控制，可以按照不同的转速和电流事先计算好参数的变化，用表格的方式存入微机，实时控制时可根据检测得到的转速和电流查表调用，就可以得到满意的动态特性。
（四）串级调速系统的启动方式
串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。
总的原则是在起动时必须使逆变器先于电机接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，而使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。
串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。
1间接启动
大部分采用串级调速的设备是不需要从零速到额定转速作全范围调速的，特别对于风机、泵、压缩机等机械，其调速范围本来就不大，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。
为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投人运行。
由于这类机械不经常起动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。
从串电阻起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用时间原则自动控制。
图2.5所示是间接起动控制原理图。
起动操作顺序如下：
先合上装置电源总开关S，使逆变器在βminb下等待工作。
然后依次接通接触器K1，接人起动电阻R，再接通K0，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。
待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开K1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。
图2.5串接调速系统间接启动控制原理图
不允许在未达到设计最低转速以前就把电动机转子回路与串级调速装置联通，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏器件，所以转速检测或起动时间计算必须准确。
停车时，由于没有制动作用，应先断开K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再断开K0，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。
如果生产机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动机在串电阻方式下起动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要求调节到所需要的转速运行。
这种起动方式可以保证整流器与逆变器不致受到超过定额的电压，工作安全。
但电动机要先升到最高转速，再通过减速达到工作转速，对于有些生产机械是不允许的。
2直接启动
直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。
在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。
在图2.5中，接触器的工作顺序为S—K0—K2，此时不需要起动电阻。
当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。
待发出给定信号后，随着夕的增大，逆变电压降低,产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。
（五）异步电动机串级调速时的机械特性
在串级调速系统中，异步电动机转子侧整流器的输出量、分别与异步电动机的转速和电磁转矩有关。
因此，可以从电动机转子直流回路着手来分析异步电动机在串级调速时的机械特性。
1.异步电动机串级调速机械特性的特征
（1）理想空载转速
在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。
在串级调速系统中，电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。
当系统在理想空载状态下运行时（Id=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成:
（2.14）
S0:
异步电动机在串级调速时对应于某一β角的理想空载转差率，并取K1=K2,则：
（2.15）
由此可得相应的理想空载转速n0为：
（2.16）
式中nsyn:
异步电动机的同步转速。
（2）特性分析：
从式（2.15）和式（2.16）可知，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β时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。
由式（2.14）还可看出，在不同的b角下，异步电动机串级调速时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的机械特性。
2.机械特性的斜率与最大转矩
串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。
由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。
3转子回路电阻的影响
当电机在最高速的特性上（β=900）带额定负载，也难以达到其额定转速。
整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。
这样，串级调速时的机械特性便如图2.6所示。
图2.6异步电动机串级调速时的机械特性a）大电机b）小电机
（六）异步电动机串级调速时的转子整流电路
从图2.1中可以看出，异步电动机相当于转子整流器的供电电源。
如果把电动机定子看成是整流变压器的一次侧，则转子绕组相当于二次侧，与带整流变压器的整流电路非常相似，因而可以引用电力电子技术中分析整流电路的一些结论来研究串级调速时的转子整流电路。
但是，两者之间还存在着一些显著的差异，主要是：
整流电路的不同点:
（1）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化；
（2）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关；
（3）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。
1．转子整流电路：
（如图2.7）
2.电路分析：
假设条件
（1）整流器件具有理想的整流特性，管压降及漏电流均可忽略；
（2）转子直流回路中平波电抗器的电感为无穷大，直流电流波形平直；
（3）忽略电动机励磁阻抗的影响。
换相重叠现象：
设电动机在某一转差率下稳定运行，转子三相的感应电动势为Era、Erb、Erc。
当各整流器件依次导通时，必有器件间的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠压降，如图2.8所示。
根据《电力电子技术》中介绍的理论，换相重叠角为:
（2.17）
其中；
XD0:
s=1时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。
由式2.7
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