1、遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：交流電機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真學(xué)習(xí)中心：內(nèi)蒙古學(xué)習(xí)中心學(xué)號：090F31141095姓名：梅雨停專業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師：王旭東2016年3月1日中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師指導(dǎo)意見表學(xué)生姓名 ：梅雨停學(xué)號： 090F31141095專業(yè)： 電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：交流電機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真指導(dǎo)教師意見：（請對論文的學(xué)術(shù)水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻(xiàn)資料的掌握；所用資料、實驗結(jié)果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻(xiàn)引用的

2、規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。）指導(dǎo)教師結(jié)論：（合格、不合格）指導(dǎo)教師所在單位指導(dǎo)時間姓名1中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師評閱意見表學(xué)生姓名 ：梅雨停學(xué)號： 090F31141095專業(yè)：電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：交流電機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真評閱意見：（請對論文的學(xué)術(shù)水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻(xiàn)資料的掌握；所用資料、實驗結(jié)果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻(xiàn)引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。）修改意見：（針對上面提出的問題和不足之處

3、提出具體修改意見。評閱成績合格，并可不用修改直接參加答辯的不必填此意見。 ）畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱成績（百分制）：評閱結(jié)論：（同意答辯、不同意答辯、修改后答辯）評閱人姓名所在單位評閱時間2中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文交流電機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻(xiàn)、資料均已明確注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對論文的完成提供過幫助的有關(guān)人員已在文中說明并致以謝意。本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學(xué)術(shù)道德和學(xué)術(shù)規(guī)范，沒有侵權(quán)行為，

4、并愿意承擔(dān)由此而產(chǎn)生的法律責(zé)任和法律后果。論文作者（簽字）：梅雨停日期：2016年3月1日3中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級調(diào)速可以將異步電動機(jī)的功率加以應(yīng)用（回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為機(jī)械能送回到電動機(jī)軸上），因此效率高。所謂雙饋調(diào)速，是指將電能分別饋入異步電動機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。通常將定子繞組接入工頻電源，將轉(zhuǎn)子繞組接到頻率、幅值、相位和相序，就可以調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電動機(jī)定子側(cè)的無功功率。這種雙饋調(diào)速的異步電動機(jī)可以超同步和亞同步運行，不

5、但可以工作在電動狀態(tài)，而且可以工作在發(fā)電狀態(tài)。雙饋串級調(diào)速能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機(jī)械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 1 、異步電動機(jī) 2 、串級調(diào)速3 、原理 4 、基本類型4中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄一、概述 .1（一）交流電動機(jī)的發(fā)展概況 .1（二）串級調(diào)速的優(yōu)缺點 .2（三）與變頻調(diào)速方式的比較與應(yīng)用.2二、雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 .3（一）雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成 .3（二）串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型.4（三）調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計 .6（四）串級調(diào)速系統(tǒng)的啟動方式 .7（五

6、）異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性 .8（六）異步電動機(jī)串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路 .9三、串級調(diào)速系統(tǒng)主回路主要參數(shù)計算與選擇 .12（一）串級調(diào)速系統(tǒng)主回路主要參數(shù)計算與選擇 .12（二）轉(zhuǎn)子整流器的參數(shù)計算與元件選擇 .12四、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計 .21（一）電流環(huán)的設(shè)計 .21（二）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 .23五、交流串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真 .25（一） MATLAB簡要介紹 .25（二）晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 .261、系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置 .262、系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置 .283、系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析 .28六、結(jié)束語 .30致謝 . .31參考文獻(xiàn) . .325中國地質(zhì)大學(xué)

7、（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）一、概述（一）交流電動機(jī)調(diào)速的發(fā)展概況縱觀電力傳動的發(fā)展過程，交直流兩種傳動方式共存于各個生產(chǎn)領(lǐng)域之中。在電力電子技術(shù)發(fā)展之前，直流電動機(jī)幾乎占壟斷地位。對于直流電動機(jī)只要改變電動機(jī)的電壓或者勵磁電流就可以實現(xiàn)電動機(jī)的無級調(diào)速，且電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩容易控制，具有良好的動態(tài)性能。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，它們相互競爭、相互促進(jìn)。交流電動機(jī)，特別是鼠籠式異步電動機(jī)與直流電動機(jī)相比具有一些突出的優(yōu)點：制造成本低；重量輕；慣性小；可靠性和運行效率高；維修工作量小；能在惡劣的甚至在有易燃易爆性氣體的環(huán)境中安全運行。這些與現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)要求的可靠性、可用性、可維修性相一

8、致。正是由于交流電動機(jī)的這種優(yōu)勢，使它在電力拖動系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍比直流電動機(jī)廣泛得多，約占整個電力拖動總?cè)萘康?0%以上；但同時交流電動機(jī)本身是一個非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，其可控性較差。而隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種高性能的電力電子器件產(chǎn)品的出現(xiàn)，為交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。特別是70 年代初出現(xiàn)的矢量變換控制技術(shù)以及在矢量變換基礎(chǔ)上相繼出現(xiàn)的磁通反饋矢量控制、轉(zhuǎn)差型矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等實用系統(tǒng)，大大推進(jìn)了交流傳運控制技術(shù)的發(fā)展。這些新型的交流傳動控制技術(shù)與高性能的變頻器相結(jié)合，就有可能使利用交流電動機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)在性能上與高精度的直流伺服系統(tǒng)相匹配。

9、 特別是在一些大容量、高轉(zhuǎn)速或特殊環(huán)境下應(yīng)用的場合，交流調(diào)速系統(tǒng)已顯示出無比的優(yōu)越性，電氣傳動交流化的時代隨之而來。根據(jù)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=60?1（ 1-s ） PP: 電機(jī)極對數(shù)?1 : 供電電源頻率s : 電機(jī)轉(zhuǎn)差率因此，異步電動機(jī)有三種基本的調(diào)速方式，即改變極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率和改變供電電源頻率。由于繞線式異步電動機(jī)串級調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡單，高效節(jié)能等優(yōu)點，在工業(yè)中得到了較廣泛的應(yīng)用。串級調(diào)速的控制方法多采用電動機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)PI 控制。其結(jié)1中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）構(gòu)與直流電動機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)類似。但是，交流電動機(jī)中的電磁關(guān)系遠(yuǎn)比直流電動機(jī)中的電磁

10、關(guān)系復(fù)雜。而且，串級調(diào)速系統(tǒng)中的繞線式大道理轉(zhuǎn)子需接入整流器等非線性元件，使其內(nèi)部的電磁關(guān)系更為復(fù)雜。因此，這種雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)計算，調(diào)試比較困難，在設(shè)計中往往采用近似法，式湊法，反復(fù)調(diào)試才能得到較好的結(jié)果。（二）、串級調(diào)速的優(yōu)缺點串級調(diào)速的優(yōu)點主要是： 1 調(diào)速范圍較大， 但是過載能力隨轉(zhuǎn)速降低而減小，限制了調(diào)速范圍的擴(kuò)大；另外因轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差功率越大，所需整流器、逆變裝置的容量也越大，這也成了限制調(diào)速范圍擴(kuò)大的一個因素。對于鼓風(fēng)機(jī)類負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小，能夠用較小容量的整流器、 逆變裝置獲得較大的調(diào)速范圍。2 調(diào)速的平滑性好，晶閘管調(diào)速電路很容易通過對導(dǎo)通角的平滑調(diào)節(jié)改變

11、轉(zhuǎn)速。3 調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性好，因為串級調(diào)速時的機(jī)械特性的直線部分的硬度較大，甚至較固有機(jī)械特性大。4 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性好，由前面內(nèi)容可知，串級調(diào)速回收了大部分轉(zhuǎn)差功率，保證了電動機(jī)的效率，減小了電能的浪費。另外，由于整流逆變電路只需要對轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此其容量要求低，可以明顯節(jié)省調(diào)速電路成本。串級調(diào)速的缺點： 1 逆變變壓器本身體積較大， 成本偏高；在向電網(wǎng)饋送有功功率的同時還要從電網(wǎng)吸取無功功率 ( 建立內(nèi)部磁場 ) ，造成整個調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，如高速滿載運行時，其功率因數(shù)只有 0.6 ，這是不能達(dá)到全國供用電規(guī)則相關(guān)規(guī)定的。 2逆變裝置將直流逆變成交流時，將附帶產(chǎn)生較多諧波分量，會對電網(wǎng)造

12、成污染。3 串級調(diào)速只能用于繞線式異步電動機(jī)。（三）與變頻調(diào)速方式的比較及應(yīng)用變頻調(diào)速是交流電機(jī)調(diào)速中最優(yōu)越的調(diào)速方式，調(diào)速性能好，具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，適合各種類型交流電動機(jī)。但由于其控制功率是被控電機(jī)的視在功率，受電力半導(dǎo)體器件耐壓水平的限制，高壓變頻調(diào)速裝置非常昂貴，性能價格比隨電動機(jī)電壓升高和容量增大而明顯下降，甚至需要節(jié)電l0余年才可回收設(shè)備投資。因此只適合工藝上要求高性能調(diào)速的場合，如軋鋼等，不適合以節(jié)電為主要目的調(diào)速運行。內(nèi)反饋串級調(diào)速與變頻調(diào)速同屬高效調(diào)速方式，但其通過電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組將高壓問題轉(zhuǎn)化成低壓問題來處理，所以控制功率僅為被控電機(jī)容量的50，解決了目前電力半導(dǎo)體器件的耐壓

13、問題，是高壓恒速電機(jī)改成調(diào)速電機(jī)的最佳方案。采用這種調(diào)速方案可以用比變頻調(diào)速低得多的成本獲得非常好的節(jié)電效果。2中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）二、 雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計由于串級調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調(diào)速精度要求不高的場合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，通常采用具有電流反饋與轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方式。由于串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動作用，所謂動態(tài)性能的改善只是指起動與加速過程性能的改善，減速過程只能靠負(fù)載作用自由降速。（一） 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成圖 2.1

14、雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)圖 2.1 所示為雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號取自異步電動機(jī)軸上連接的測速發(fā)電機(jī)，電流反饋信號取自逆變器交流側(cè)的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子直流回路。為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調(diào)節(jié)器 ACR輸出電壓為零時，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為 - min 。圖 2.1 所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路實現(xiàn)的。3中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）圖 2.2 串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖（ a）主電路（ b）等效電路（二） 串級調(diào)速系統(tǒng)

15、的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在圖 2.1 所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖均與直流調(diào)速系統(tǒng)中相同。在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路中，不少物理量都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，所以要單獨處理。1 轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)根據(jù)圖 2.2 的等效電路圖可以列出串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式：（2.1 ）式中：Ud0: 當(dāng)s=1 時轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓,(2.2)U i0 : 逆變器直流側(cè)的空載電壓,(2.3)L: 轉(zhuǎn)子直流回路總電感 ,(2.4)LD:折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動機(jī)每相漏感,(2.5)4中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）LT :折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏

16、感,(2.6)LL: 平波電抗器電感，R:轉(zhuǎn)差率為 s 時轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻:(2.7)于是式（2.1 ）可改寫成：(2.8)將式（ 2.8 ）兩邊取拉氏變換，可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù):(2.9 )式中：TLs: 轉(zhuǎn)子直流回路的時間常數(shù)，K Lr : 轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù)，轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3 所示。需要指出，串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路傳遞函數(shù)中的時間常數(shù) TLs 和放大系數(shù) K Lr 都是轉(zhuǎn)速 n的函數(shù)，它們是非定常數(shù)。2 異步電動機(jī)的傳遞函數(shù)異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 :(2.10 )圖 2.3 轉(zhuǎn)子直流回路動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為：(2.11 )或?qū)懗桑?2

17、.12)式中：TL: 負(fù)載轉(zhuǎn)矩，IL: 所對應(yīng)的等效直流電路，5中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）由此可得異步電動機(jī)在串級調(diào)速時的傳遞函數(shù)為:(2.13)其中為機(jī)電時間常數(shù)， TM與 R、C 、C、都有關(guān)系，所以也不是常數(shù)，EM而是 Id 和 n 的函數(shù)。3 串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖把圖 2.1 中的異步電動機(jī)和轉(zhuǎn)子直流回路都畫成傳遞函數(shù)框圖，再考慮給定濾波環(huán)節(jié)和反饋濾波環(huán)節(jié)就可直接畫出雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.4 所示。圖 2.4 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（三）調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應(yīng)使系

18、統(tǒng)在負(fù)載擾動時有良好的動態(tài)響應(yīng)。在采用工程設(shè)計方法進(jìn)行動態(tài)設(shè)計時，可以像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣，電流環(huán)按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計。但是串級調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子直流回路的時間常數(shù) TLs 及放大系數(shù) K Lr 都是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，而異步電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù) TM 又是轉(zhuǎn)速和電流的函數(shù)， 這就給調(diào)節(jié)器的設(shè)計帶來一定的困難。 具體設(shè)計時，可以先在確定的轉(zhuǎn)速 n 和負(fù)載電流 Id 的前提下，求出各傳遞函數(shù)中的參數(shù)。例如，按照要求的最大轉(zhuǎn)差率 Smax 或平均轉(zhuǎn)差率 1/2Smax 來確定轉(zhuǎn)速，按額定負(fù)載或常用的實際負(fù)載來選定電流，然后按定常系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。如果用模擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)，則當(dāng)實際轉(zhuǎn)速或電流改

19、變時，系統(tǒng)的動態(tài)性能就要變壞。如果采用微機(jī)數(shù)字控制，可以按照不同的轉(zhuǎn)速和電流事先計算好參數(shù)的變化，用表格的方式存入微機(jī)，實時控制時可根據(jù)檢測得到的轉(zhuǎn)速和電流查表調(diào)用，就可以得到滿意的動態(tài)特性。6中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）( 四) 串級調(diào)速系統(tǒng)的啟動方式串級調(diào)速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動勢而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對系統(tǒng)的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證。總的原則是在起動時必須使逆變器先于電機(jī)接上電網(wǎng)，停車時則比電機(jī)后脫離電網(wǎng)，以防止逆變器交流側(cè)斷電，而使晶閘管無法關(guān)斷，造成逆變器的短路事故。串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。1 間接

20、啟動大部分采用串級調(diào)速的設(shè)備是不需要從零速到額定轉(zhuǎn)速作全范圍調(diào)速的，特別對于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等機(jī)械，其調(diào)速范圍本來就不大，串級調(diào)速裝置的容量可以選擇比電動機(jī)小得多。為了使串級調(diào)速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電動機(jī)轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉(zhuǎn)速升高到串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計最低轉(zhuǎn)速時，才把串級調(diào)速裝置投人運行。由于這類機(jī)械不經(jīng)常起動，所用的起動電阻等都可按短時工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動換接到串級調(diào)速可以利用對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測或利用時間原則自動控制。圖 2.5 所示是間接起動控制原理圖。起動操作順序如下：先合上裝置電源總開關(guān) S，使逆變器在 min 下等待工作。然

21、后依次接通接觸器 K 1，接人起動電阻 R，再接通 K 0，把電機(jī)定子回路與電網(wǎng)接通，電動機(jī)便以轉(zhuǎn)子串電阻的方式起動。待起動到所設(shè)計的nmin( smax)時接通 K 2，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子接到串級調(diào)速裝置，同時斷開K 1，切斷起動電阻，此后電動機(jī)就可以串級調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運行。圖 2.5 串接調(diào)速系統(tǒng)間接啟動控制原理圖不允許在未達(dá)到設(shè)計最低轉(zhuǎn)速以前就把電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置聯(lián)通，否則轉(zhuǎn)子電壓會超過整流器件的電壓定額而損壞器件，所以轉(zhuǎn)速檢測或起動時間計算必須準(zhǔn)確。停車時，由于沒有制動作用，應(yīng)先斷開 K2，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置脫離，再斷開 K 0，以防止當(dāng) K 0 斷開時

22、在轉(zhuǎn)子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。7中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）如果生產(chǎn)機(jī)械許可，也可以不用檢測最低轉(zhuǎn)速自動控制，而讓電動機(jī)在串電阻方式下起動到最高速，切換到串級調(diào)速后，再按工藝要求調(diào)節(jié)到所需要的轉(zhuǎn)速運行。這種起動方式可以保證整流器與逆變器不致受到超過定額的電壓，工作安全。但電動機(jī)要先升到最高轉(zhuǎn)速，再通過減速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，對于有些生產(chǎn)機(jī)械是不允許的。2 直接啟動直接起動又稱串級調(diào)速方式起動，用于可在全范圍調(diào)速的串級調(diào)速系統(tǒng)。在起動控制時讓逆變器先于電動機(jī)接通交流電網(wǎng)，然后使電動機(jī)的定子與交流電網(wǎng)接通，此時轉(zhuǎn)子呈開路狀態(tài)，可防止因電動機(jī)起動時的合閘過電壓通

23、過轉(zhuǎn)子回路損壞整流裝置，最后再使轉(zhuǎn)子回路與整流器接通。在圖2.5 中，接觸器的工作順序為S K 0K 2 ，此時不需要起動電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路接通時，由于轉(zhuǎn)子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流，電動機(jī)尚不能起動。待發(fā)出給定信號后，隨著夕的增大，逆變電壓降低 ,產(chǎn)生直流電流，電動機(jī)才逐漸加速，直至達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。（五）異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性在串級調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器的輸出量、分別與異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)。因此，可以從電動機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路著手來分析異步電動機(jī)在串級調(diào)速時的機(jī)械特性。1.異步電動機(jī)串級調(diào)速機(jī)械特性的特征(1)理想空載轉(zhuǎn)速在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，其理想

24、空載轉(zhuǎn)速就是其同步轉(zhuǎn)速，而且恒定不變，調(diào)速時機(jī)械特性變軟，調(diào)速性能差。在串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)的極對數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速都不變，同步轉(zhuǎn)速也是恒定的，但是它的理想空載轉(zhuǎn)速卻能夠連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運行時（I d=0），轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式變成:(2.14)S0: 異步電動機(jī)在串級調(diào)速時對應(yīng)于某一 角的理想空載轉(zhuǎn)差率，并取K 1=K 2,則：(2.15)由此可得相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速n0 為：(2.16)式中 nsyn:異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。（2）特性分析：8中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）從式（2.15）和式（ 2.16）可知，在串級調(diào)速時， 理想空載

25、轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速是不同的。當(dāng)改變逆變角 時，理想空載轉(zhuǎn)差率和理想空載轉(zhuǎn)速都相應(yīng)改變。由式（2.14）還可看出，在不同的 角下，異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性是近似平行的，其工作段類似于直流電動機(jī)變壓調(diào)速的機(jī)械特性。2. 機(jī)械特性的斜率與最大轉(zhuǎn)矩串級調(diào)速時，轉(zhuǎn)子回路中接入了串級調(diào)速裝置（包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等），實際上相當(dāng)于在電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗，它們的影響在任何轉(zhuǎn)速下都存在。由于轉(zhuǎn)子回路電阻的影響，異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性比其固有特性要軟得多。3 轉(zhuǎn)子回路電阻的影響當(dāng)電機(jī)在最高速的特性上（ =900）帶額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。整流電路換

26、相重疊角將加大，并產(chǎn)生強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級調(diào)速時的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動機(jī)在正常接線時的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。這樣，串級調(diào)速時的機(jī)械特性便如圖2.6 所示。圖 2.6 異步電動機(jī)串級調(diào)速時的機(jī)械特性a)大電機(jī)b）小電機(jī)（六）異步電動機(jī)串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路從圖 2.1 中可以看出，異步電動機(jī)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動機(jī)定子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來研究串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路。但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：整流電路的不同點:9中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教

27、育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的幅值與頻率都是變化的，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而變化；（2）異步電動機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子頻率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)；（3）由于異步電動機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大，所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴(yán)重，從而在負(fù)載較大時會引起整流器件的強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象。1轉(zhuǎn)子整流電路：（如圖 2.7）2. 電路分析：假設(shè)條件（ 1）整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（ 2）轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為無窮大，直流電流波形平直；（ 3）忽略電動機(jī)勵磁阻抗的影響。 換相重疊現(xiàn)象：設(shè)電動機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率

28、下穩(wěn)定運行， 轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動勢為Era、Erb、Erc。當(dāng)各整流器件依次導(dǎo)通時，必有器件間的換相過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如圖2.8 所示。根據(jù)電力電子技術(shù)中介紹的理論，換相重疊角為:(2.17)其中；X D0:s=1 時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。由式 2.7 可知，換相重疊角隨著整流電流I d 的增大而增加。10中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）當(dāng) Id 較小，在 00 600 之間時，整流電路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。當(dāng)電流 Id 增大到 角大于 600 時，器件在自然換相點

29、處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強(qiáng)迫延時換相角 p。由此可見，串級調(diào)速時的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。 轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài)第一種工作狀態(tài)的特征是；(2.18)此時，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。第二種工作狀態(tài)的特征是:（ 2.19 ）這時，由于強(qiáng)迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài)，p角相當(dāng)于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。當(dāng)p=300 時，整流電路中會出現(xiàn)4 個器件同時導(dǎo)通，形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象，此后p 保持為 300，而

30、角繼續(xù)增大，整流電路處于第三種工作狀態(tài)，這是一種非正常的故障狀態(tài)。11中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）三、串級調(diào)速系統(tǒng)主回路主要參數(shù)計算與選擇（一）異步電動機(jī)容量的選擇考慮到異步電動機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩的降低，功率因數(shù)的降低和轉(zhuǎn)子損耗增大等因素，不論對于新設(shè)計的或是改造的都應(yīng)對異步電動機(jī)的容量進(jìn)行重新選擇的計算， 串級調(diào)速異步電動機(jī)的容量 P 計算如下：(3.1)K i :串級調(diào)速系數(shù)，一般取1.2 左右。對于在長期低速運行的串級調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)該取大一點。PD : 按照常規(guī)運算方式計算的電動機(jī)容量。該電機(jī)定額為連續(xù)定額S1，基本防護(hù)等級為IP23，基本冷卻方法為ICO1，基

31、本結(jié)構(gòu)和安裝方式為 IBM3（二）轉(zhuǎn)子整流器的參數(shù)計算與元件選擇1 最大轉(zhuǎn)差率 :(3.2)式中：n 1 : 電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，近似等于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。12中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）n min: 串級調(diào)速系統(tǒng)的最低工作轉(zhuǎn)速(3.3)轉(zhuǎn)差率：s =(1500-1425)/1500 = 0.05（3.4 ）最大轉(zhuǎn)差率：s =(1484-690)/1484= 0.535(3.5)max調(diào)速范圍：(3.6)2 轉(zhuǎn)子整流器的最大輸出電壓 :(3.7)式中：E20：轉(zhuǎn)子開路相電勢KUV: 整流電壓計算系數(shù)，見表1：(3.8)3 最大直流整流電流：(3.9)式中：LM:電動

32、機(jī)的電流過載倍數(shù)，近似等于轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)2，I2N: 轉(zhuǎn)子線電流額定值，KIV : 整流電壓計算系數(shù)，見表3.2Idr :轉(zhuǎn)子整流器輸出直流電流額定值I dr =I 2N/K VI ,13中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）考慮到轉(zhuǎn)子電流畸變等因素的影響而引如的系則:(3.10)4 整流二極管的選擇：（1）整流二極管電壓的選擇：設(shè)每個橋臂上串聯(lián)的整流二極管數(shù)目為N=3，則每個二極管的反向重復(fù)峰值UKRM為：(3.11)式中：KUT3.2 ，: 電壓計算系數(shù)，見表E2n: 轉(zhuǎn)子開路相電勢，KAV: 均壓系數(shù)，一般取0.9, 對于元件不需要串聯(lián)時取 1。由上式可見，整流二極管所

33、承受的最高電壓與最低電壓與系統(tǒng)的調(diào)速范圍D 有關(guān)，調(diào)速范圍越高，元件承受的電壓越高，則：（3.12 ）（2）整流二極管電流的選擇在大容量串級調(diào)速系統(tǒng)中，需要將幾個整流二極管并聯(lián)使用。設(shè)并聯(lián)支路數(shù)為Np= 3則每個整流二極管的電流計算如下:(3.13)式中：K IT : 電流計算系數(shù)，見表3.2 ，Idmax: 轉(zhuǎn)子整流器最大直流整流電流，K AC: 均流系數(shù)。其值可取0.8 0.9 。對于元件不并聯(lián)的情況下取15 逆變器的參數(shù)計算與元件選擇（1）逆變變壓器的參數(shù)計算對于不同的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子額定電壓和不同的調(diào)速范圍、要求有不同的逆變變壓器二次側(cè)電壓與 3 其匹配 , 同時也希逐轉(zhuǎn)子電路與交流電網(wǎng)

34、之間實行電隔離，因此一般串級調(diào)速系統(tǒng)中均需配置逆變變壓器。逆變壓器二次側(cè)線電壓：根據(jù)最低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子最大整流電壓與逆變器最大電壓相等的原則確定：(3.14)14中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）式中：UT2：逆變變壓器二次側(cè)線電壓，Udmax：轉(zhuǎn)子整流器最大輸出直流電壓，K UV ：整流電壓計算系數(shù)。見上表，bmin ：最小逆變角，一般取300 ，逆變變壓器二次側(cè)線電流：(3.15)式中： IT2：逆變變壓器二次側(cè)線電流，K IV ：整流電流計算系數(shù)。見上表，IdN：轉(zhuǎn)子整流器輸出直流電流額定值，逆變變壓器一次側(cè)線電流(3.16)式中： IT1：逆變變壓器一次側(cè)線電流，K

35、 IL：變壓器一次側(cè)線電流計算系數(shù)。見上表，K T：逆變變壓器的變比逆變變壓器等值容量(3.17)式中： K ST：變壓器等值容量計算系數(shù)，見上表，（2）晶閘管的參數(shù)計算晶閘管額定電壓的選擇在大容量晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中，單個晶閘管的額定電壓不能滿足要求，需要幾個晶閘管串聯(lián)使用。設(shè)每個串聯(lián)橋臂上晶閘管的數(shù)目為 N ，則每個晶閘管反向重復(fù)電壓由下式確定：(3.18)式中： K UT：電壓計算系數(shù)，如上表K AV ：均壓系數(shù)，其值可取9.08.0。對于元件不需串聯(lián)的情況下取1,UT2：逆變變壓器二次側(cè)線電壓，晶閘管額定電流的選擇設(shè)每個橋臂并聯(lián)元件支路數(shù)為NP，則每個晶閘管的額定電流為:(3.19)1

36、5中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）式中： K IT：電流計算系數(shù)，見上表，Idmax：轉(zhuǎn)子整流器最大直流整流電流，K AC ：均流系數(shù)。其值可取9.08.0。對于元件不并聯(lián)的情況下取1.平波電抗器電感量的計算轉(zhuǎn)子直流回路平波電抗器的作用是：使串級挑速在最小工作電流下仍能維持電流的連續(xù)。減小電流脈動，把直流回路中的脈動分量在電動機(jī)轉(zhuǎn)子中造成的附加損耗控制在允許的范圍內(nèi)。平波電抗器的電感量計算如下：保證電流連續(xù)所需要的電感量:(3.20)式中： 1：正比與直流電壓中的交流分量的電感計算系數(shù)，從下圖中查,UT2：逆變變壓器二次側(cè)線電壓,K UV ：系數(shù)，見上表 ,I dmi

37、n ： 直 流 回 路 最 小 工 作 電 流（A）,L M ：異步電動機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相電感量 ,L T：逆變變壓器折算到二次側(cè)的每相電感量 .限制電流脈動的電感量 :(3.21)KP: 限制電流脈動的電感系數(shù)（ms），其值從表 2 中查 ,S: 允許的電流脈動率，一般可取10%左右。16中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）平波電抗器的電感量的選擇及計算在使用晶閘管裝置時 ,為了提高它對負(fù)載供電的性能和提高運行的安全可靠性 ,常在直流側(cè)使用帶有空氣隙的鐵芯電抗器 ,本節(jié)著重于電抗器的計算 ,電抗器的主要參數(shù)是 :流過電抗器的電流和電抗器的電感量。使輸出電流連續(xù)所需的電

38、感量當(dāng)晶閘管的控制角 較大 ,負(fù)載電流小到一定程度時 ,會出現(xiàn)輸出電流不連續(xù)的現(xiàn)象 , 為保證電流連續(xù) ,電樞回路中應(yīng)有的電感量 :(3.22)Idmin：要求連續(xù)的最小負(fù)載電流平均值為5%Inom,K1 =0.693平波電抗器電感的計算L D：電動機(jī)的電樞電感(3.23)式中 P:極對數(shù) (P=2)K D =812（無補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)）K D =56（有補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)）L B:變壓器二次測每相的漏電感( 3.24)UK %變壓器的短路比 ,對于 100KVA 以下的變壓器 :UK%=5%K B=3.9L P：平波電抗器的電感(3.25)17中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）閘管

39、的保護(hù)裝置及其計算晶閘管雖然具備多種優(yōu)點，但是它承受過電流和過電壓的能力較差。為了使器件能長期的運行，必須采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置。過電壓保護(hù)凡超過晶閘管正常工作時承受的最大峰值電壓Um 的都算過電壓，其中一種為操作過電壓是由晶閘管裝置的拉閘合閘和器件關(guān)斷等電磁過程引起的過電壓，這些操作過程經(jīng)常發(fā)生是不可避免的，另一種過電壓是由于雷擊等原因為從電網(wǎng)侵入的偶然性浪涌電壓，它可能比操作過電壓更高，采取過電壓保護(hù)措施后，應(yīng)使經(jīng)常發(fā)生的操作過電壓限制在額定電壓 UTN 以下，而希望使偶然性的浪涌電壓限制在器件的斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓 Udsm 和 Ursm 以下。交流側(cè)過電壓保護(hù)a.阻容保護(hù)在變壓器二次并

40、聯(lián)電阻和電容，構(gòu)成阻容保護(hù)電路。計算單相變壓器交流側(cè)過電壓保護(hù)電容 C 和電阻 R 的公式：(3.26)(3.27)其中：S:變壓器每相平均計算容量,U2:變壓器二次相電壓有效值,i 0%:變壓器激磁電流百分?jǐn)?shù) ,100KVA 以下(3.28)UK%:變壓器的短路比 ,100KVA 以下(3.29)由以上的公式可得 :(3.30)(3.31)變壓器二次側(cè)阻容裝置參數(shù)計算：18中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）則根據(jù)上表得到 :電容 =C/3=3.37F電阻 =3R=24.21壓敏電阻保護(hù)護(hù)裝置只能把操作過電壓一直在允許的范圍內(nèi)，因此在采用阻容保護(hù)的同時，可以設(shè)置非線性電

41、阻。它們接近于穩(wěn)壓管的伏安特性，能把浪涌電壓一直在允許范圍之內(nèi)。壓敏電阻可按下式選取它的額定電壓Ue:(壓敏電阻承受的額定電壓峰值)晶閘管關(guān)斷過電壓保護(hù)晶閘管在開關(guān)過程中瞬時電壓的分配決定于晶管的結(jié)電容、導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間等等差別。為了使開關(guān)過程中的電壓分配均勻，應(yīng)對晶閘管并聯(lián)電容 C。為了防止晶閘管導(dǎo)通瞬間，電容 C 對晶閘管放電造成過大的 di/dt，還應(yīng)在電容支路中串聯(lián)電阻 R。這樣就采用 RC 回路來進(jìn)行抑制。電容值 :(3.32)電阻值：(3.33)19中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）式中：I T：器件的額定電流，L B：變壓器每相的漏感。過電流保護(hù)由于過載短路，晶閘管正向誤導(dǎo)通和反向擊穿，以及在逆變時換流失敗等原因，都會產(chǎn)生過電流。過電流的保護(hù)措施有數(shù)種，我們這里采用快速熔斷器來防止晶閘管過電流的損壞。其原理圖如下：20中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）四、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計（一）電流環(huán)的設(shè)計電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 4.1 所示：電流