1、湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- i -摘摘要要分析了由不可控整流器和有源逆變器構(gòu)成的次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理,明確了晶閘管串級(jí)調(diào)速的工作原理與性能特點(diǎn)，并且就串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率進(jìn)行了研究，把交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了比較。串級(jí)調(diào)速在效率、機(jī)械特性等本質(zhì)方面，和變頻調(diào)速幾乎是完全一致的，而且高壓串級(jí)調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于變頻調(diào)速。通過(guò)計(jì)算選擇了合適的元器件組成了單片機(jī)控制系統(tǒng)。串級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)主要是：調(diào)速范圍較大，但是過(guò)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)差功率越由于單片機(jī)的模塊化結(jié)構(gòu)比較典型，應(yīng)用靈活。目前在國(guó)內(nèi)外單片機(jī)具有重要的地位，因此探討了 MCS

2、 - 51 單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,具有較好的調(diào)速性能。關(guān)鍵詞:單片機(jī)控制;次同步;串級(jí)調(diào)速.湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- ii -ABSTRACTAnalysis by controlled rectifiers and active inverter constitute times synchronization bunch_rank speed-control system of basic principle, has been clear about the thyristor bunch_rank speed-control worki

3、ng principles and performance characteristics, and just bunch_rank speed-control system was studied, the efficiency of the ac speed regulation system and dc speed control system are compared. Bunch_rank speed-control in efficiency, mechanical properties, such as nature and frequency control is almos

4、t completely consistent, and high pressure bunch_rank speed-control economic obviously better than the frequency control. Through calculation of the chosen the suitable MCU control system components. Bunch_rank speed-control advantages are mainly: speed range, but larger overload ability with engine

5、 speed limits but decreases, the expansion of speed range; In addition, because of the lower speed the turn sent power because of MCU modular structure, comparatively typical application flexible. Currently at home and abroad has the important position, microcontroller therefore discusses MCS - 51 s

6、ingle-chip microcomputer control system hardware and software design, and found that the system structure is simple, low cost, and has good performance of speed. Keywords；Single-chip microcomputer control; Times synchronization; Bunch_rank speed-control.湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- iii -目目 錄錄前前 言言1第第一一章章 交交流流

7、調(diào)調(diào)速速的的系系統(tǒng)統(tǒng)概概述述31.1 交流調(diào)速的分類31.1.1 全數(shù)字化控制系統(tǒng)31.1.2 PWM 技術(shù)31.1.3 高壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)41.1.4 高性能交流調(diào)速系統(tǒng)51.2 磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測(cè)51.3 交流調(diào)速的特點(diǎn)6第第二二章章 次次同同步步串串級(jí)級(jí)調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作原原理理82.1 串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量82.2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率82.3 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)92.4 晶閘管串級(jí)調(diào)速的工作原理與性能特點(diǎn)102.5 傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的改進(jìn)11第第三三章章 主主電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)123.1 次級(jí)同步串級(jí)調(diào)速主電路圖123.2 主電路參數(shù)及元器件選型13第第四四章章 控控

8、制制電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)224.1 控制系統(tǒng)的主電路圖224.2 時(shí)鐘電路224.3 速度檢測(cè)電路234.4 復(fù)位電路234.5 過(guò)流、過(guò)壓的檢測(cè)保護(hù)電路24第第五五章章 軟軟件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)265.1 主程序及流程圖265.2 子程序及流程圖28結(jié)結(jié) 論論31湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- iv -致致 謝謝32參參考考文文獻(xiàn)獻(xiàn)33附錄一；附錄一；湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 1 -前前 言言串級(jí)調(diào)速源于英語(yǔ)“cascade control” ，意為“級(jí)聯(lián)控制” ，系指當(dāng)時(shí)異步機(jī)轉(zhuǎn)子與外附的直流電動(dòng)機(jī)兩級(jí)聯(lián)接所形成的調(diào)速，雖然后來(lái)改進(jìn)，用靜止的電力電子變流裝置和變壓器取代直流電動(dòng)機(jī)，但

9、串級(jí)調(diào)速的稱謂被習(xí)慣地沿用下來(lái)。 十幾年前，串級(jí)調(diào)速作為一種高效率的交流無(wú)級(jí)調(diào)速曾經(jīng)盛行一時(shí)，隨著近代變頻調(diào)速的興起，串級(jí)調(diào)速日漸蕭條，被誤認(rèn)為是落后的調(diào)速技術(shù)。串級(jí)調(diào)速真的比變頻調(diào)速遜色嗎？實(shí)際上，串級(jí)調(diào)速在效率、機(jī)械特性等本質(zhì)方面，和變頻調(diào)速幾乎是完全一致的，而且高壓串級(jí)調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于變頻調(diào)速。尤其在高壓大容量風(fēng)機(jī)泵類節(jié)能方面，串級(jí)調(diào)速的某些優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的更為明顯。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在近代工業(yè)迫切呼喚交流調(diào)速發(fā)展的今天，尤其是風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能迫在眉睫，我們應(yīng)該反思，如此輕率地放棄串級(jí)調(diào)速是否明智？ 如何評(píng)價(jià)交流調(diào)速技術(shù)的優(yōu)劣，不同的需求有不同的標(biāo)準(zhǔn)。但普遍的共識(shí)是： 效率高； 調(diào)

10、速平滑即無(wú)級(jí)調(diào)速； 調(diào)速范圍寬；調(diào)速產(chǎn)生的負(fù)面影響（如諧波、功率因數(shù)等）小；成本低廉。如果把高壓型變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速應(yīng)用作以對(duì)比，就會(huì)發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速并非如我們期望的那樣理想，而串級(jí)調(diào)速也不象我們?cè)u(píng)價(jià)的那樣遜色。 理論是指導(dǎo)實(shí)踐的基礎(chǔ)。之所以產(chǎn)生上述情況，主要原因是調(diào)速理論誤導(dǎo)所致，當(dāng)然，也和串級(jí)調(diào)速當(dāng)時(shí)技術(shù)上存在缺陷有關(guān)。調(diào)速理論界大多認(rèn)為，串級(jí)調(diào)速的理論問(wèn)題已經(jīng)徹底弄清楚了*，實(shí)際未必盡然。例如，為什么串級(jí)調(diào)速的同步轉(zhuǎn)速不變而理想空載轉(zhuǎn)速卻改變？為什么轉(zhuǎn)子串電阻的機(jī)械特性是匯交于理想空載轉(zhuǎn)速的軟特性曲線，而串級(jí)調(diào)速卻是平行的硬特性曲線？轉(zhuǎn)差功率回饋為什么會(huì)導(dǎo)致理想空載轉(zhuǎn)速的改變？諸多問(wèn)題,無(wú)論

11、是傳統(tǒng)還是近代的調(diào)速理論，都沒(méi)有對(duì)此做出完整、科學(xué)的解釋，串級(jí)調(diào)速一直局限在變轉(zhuǎn)差率原理的束縛中，被結(jié)論為是區(qū)別而且遜色于變頻的調(diào)速。 具有相同結(jié)果的不同方法，必然遵循共同的規(guī)律。既然串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速有一致的調(diào)速特性，調(diào)速原理就不應(yīng)該是對(duì)立而是統(tǒng)一的。在事實(shí)與理論發(fā)生碰撞的情況下，我們只有尊重事實(shí)反思理論。 本文根據(jù)作者提出的交流調(diào)速功率控制原理，從理論上重新分析、討論了串級(jí)調(diào)速，并指出，串級(jí)調(diào)速與變頻調(diào)速是殊途同歸的，兩者同屬于電磁功率控制原理，除了調(diào)速控制的對(duì)象不同之外，原理上是完全一致的。本文同時(shí)分析了串級(jí)調(diào)速技術(shù)上存在的問(wèn)題和不足，并結(jié)合作者的多年實(shí)踐內(nèi)饋調(diào)速及斬波控制，指出了串級(jí)調(diào)

12、速的改進(jìn)要點(diǎn)和發(fā)展方向。而本篇文章側(cè)重結(jié)合單片機(jī)的控制能力與交流調(diào)速整合起來(lái)，MCS-51 單片機(jī)以其湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 2 -功能強(qiáng)，體積小，耗能低，易開發(fā)等許多優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用著，但是單片機(jī)不是萬(wàn)能的，也存在不適宜的情況，如果盲目使用會(huì)事與愿違，造成人力，財(cái)力和時(shí)間的大量浪費(fèi)。因此，面向一個(gè)對(duì)象是否采用單片機(jī)應(yīng)進(jìn)行可行性分析.單片機(jī)的應(yīng)用層次可分為普通民用，耐用民用品，優(yōu)良環(huán)境工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)品，惡劣環(huán)境工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)品和軍用品等，不同的應(yīng)用層次需要采用單片機(jī)的品質(zhì)是不盡相同的，而系統(tǒng)的硬件，軟件體系也會(huì)各有千秋。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展單片機(jī)的應(yīng)用深入到了各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提出了

13、越來(lái)越高的要求，特別是工業(yè)控制，通信領(lǐng)域中的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，最重要最基礎(chǔ)的指標(biāo)就是系統(tǒng)的可靠性。工業(yè)過(guò)程中的干擾繞線型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速由于具有高效率、無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、較硬的低速機(jī)械特性,正日益廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中,次同步串級(jí)調(diào)速由于成本低、維修方便和經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越而得到人們的青睞,本文將對(duì)單片機(jī)控制的次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 3 -第第一一章章 交交流流調(diào)調(diào)速速的的系系統(tǒng)統(tǒng)概概述述1.11.1 交流調(diào)速的分類交流調(diào)速的分類交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變級(jí)調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、滑差調(diào)速等1.1.1 全數(shù)字化控制系統(tǒng)全數(shù)字化控制

14、系統(tǒng) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是生產(chǎn)還是生活這中，人民對(duì)數(shù)字化信息的依賴程度越來(lái)越高。如果說(shuō)計(jì)算機(jī)是大腦，網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)，那么電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)就是骨骼和肌肉。它們之間的完美結(jié)合才是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，同時(shí)也為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。 單片機(jī)已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。例如由 Intel 公司 1983 年開發(fā)生產(chǎn)的 MCS-96 系列是目前性能較高的單片機(jī)系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8196KB、8196KC、8196MC 等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。 由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展

15、，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜。擴(kuò)展卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等均應(yīng)用到了各種交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中。因此，DSP 芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到施展身手的舞臺(tái)。如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯片，以其較高的性能價(jià)格比成為了全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的首選。最近 TI 公司推出的 MCS320F240X 系列產(chǎn)品更將價(jià)格降低到了單片機(jī)的水平。 在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過(guò)程當(dāng)中，各種總線也扮演了相當(dāng)重要的角色。STD 總線、工業(yè) PC 總線、現(xiàn)場(chǎng)總線以及 CAN 總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用.1.1.2

16、 PWM 技術(shù)技術(shù) PWM 控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各種PWM 控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的 PWM 控制方案就不下十幾種，關(guān)于 PWM 控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電力國(guó)際會(huì)議上，如PESC，IECON，EPE 年會(huì)上已形成專題。尤其是微處理器應(yīng)用于 PWM 技術(shù)并使之?dāng)?shù)湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 4 -字化以后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM 控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進(jìn)一步

17、證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。1.1.3 高壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)高壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng) 在小功率交流調(diào)速方面，由于國(guó)外產(chǎn)品的規(guī)模效應(yīng)，使得國(guó)內(nèi)廠家在價(jià)格上、工藝上和技術(shù)上均無(wú)法與之抗衡。而在高壓大功率方面，國(guó)外公司又為我們留下了趕超的空間。首先，國(guó)外的電網(wǎng)電壓等級(jí)一般為 3000V，而我國(guó)的電網(wǎng)電壓等級(jí)為 6000V和 10000V；其次，高壓大功率交流調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，而國(guó)外的勞動(dòng)力成本，特別是具有一定專業(yè)知識(shí)的勞動(dòng)力成本較高。 目前，研究較多的大功率逆變電路有：（1）多電平電壓型逆變器， （2）變壓器耦合的多脈沖逆變器， （3）交交變頻器， （4）雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。 1.

18、 多電平電壓型逆變器 日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的 Anabas 等人于 1980 年在 IAS 年會(huì)上首次提出三電平逆變器，又稱中點(diǎn)箝位式（NeutralPointClamped）逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。 多電平電壓型逆變器與普通雙電平逆變器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）更適合大容量、高電壓的場(chǎng)合。 （2）可產(chǎn)生 M 層梯形輸出電壓，對(duì)階梯波再作調(diào)制可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波型、諧波含量很小。 （3）電磁干擾（EMI）問(wèn)題大大減輕，因?yàn)殚_關(guān)元件一次動(dòng)作的 dv/dt 通常只有傳統(tǒng)雙電平的 1/（M-1） 。 （4）效率高，消除同樣諧波，

19、雙電平采用 PWM 控制法開關(guān)頻率高、損耗大，而多電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作、開關(guān)頻率低、損耗小，效率提高。2. 變壓器耦合的多脈沖逆變器 變壓器耦合的多脈沖逆變器的三電平電路中，要獲得更多電平只須將每相所串聯(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可。其優(yōu)點(diǎn)為： 不存在電壓均衡問(wèn)題。無(wú)需箝位二極管或電容，適于調(diào)速控制； 模塊化程度好，維修方便； 對(duì)相同電平數(shù)而言，所需器件數(shù)目最少； 無(wú)箝位二極管或電容的限制，可實(shí)現(xiàn)更多電平，上更高電壓，實(shí)現(xiàn)更低諧波； 控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可分別對(duì)每一級(jí)進(jìn)行 PWM 控制，然后進(jìn)行波形重組。 當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應(yīng)用受到一定限制。 3.

20、 交交變頻器 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 5 -交交變頻器采用晶閘管作為主功率器件，在軋機(jī)和礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)傳動(dòng)方面有很大的需求。晶閘管的最大優(yōu)點(diǎn)就是開關(guān)功率大（可達(dá) 5000V/5000A） ，適合于大容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。同時(shí)，大功率晶閘管的生產(chǎn)和技術(shù)功能技術(shù)相當(dāng)成熟，通過(guò)與現(xiàn)代交流電機(jī)控制理論的數(shù)字化結(jié)合，將具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但是交交變頻器也存在一些固有缺點(diǎn)：調(diào)速范圍小，當(dāng)電源為 50Hz 時(shí)，最大輸出頻率不超過(guò) 20Hz；另一方面，功率因數(shù)低、諧波污染大，因此需要同時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償會(huì)諧波治理。 4. 雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻器功率小、功率因數(shù)可調(diào)、系統(tǒng)可靠性較

21、高，因此近來(lái)受到了許多研究人員的重視。由于變頻器的功率只占電機(jī)容量的 25%，因此可以大大降低系統(tǒng)的成本。但是，雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電機(jī)需要專門設(shè)計(jì)，不能使用普通的異步電機(jī)；而且受變頻器容量和調(diào)速范圍的限制，不具備軟起動(dòng)的能力。1.1.4 高性能交流調(diào)速系統(tǒng) V/f 恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問(wèn)題。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過(guò)渡過(guò)程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)

22、態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。 考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來(lái)，進(jìn)行分別控制。這樣，通過(guò)坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)模型就可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，從而可象直流電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制屏棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直

23、接控制。 盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域又待研究： 1.21.2 磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測(cè)磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測(cè) 1. 無(wú)速度傳感器的控制方法 2. 電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí) 3. 極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制 4. 電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略 5. 多電平逆變器的高性能控制策略 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 6 -在交流調(diào)速的研究與制造過(guò)程中，硬件的設(shè)計(jì)與組裝占了相當(dāng)大的比重。電機(jī)制造以及調(diào)速裝置的制造需要大批的技術(shù)熟練工人，對(duì)人員的素質(zhì)有一定要求。而國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對(duì)較高，在近十年內(nèi)，交流調(diào)速的制造業(yè)有可能像發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，這也是

24、一個(gè)機(jī)遇，如果我們抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，再利用本身的市場(chǎng)有利條件，有可能在我國(guó)形成交流調(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國(guó)工業(yè)上一個(gè)新的臺(tái)階。需要注意的是發(fā)達(dá)國(guó)家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會(huì)輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟件的保護(hù)和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開發(fā)的力度。1.31.3 交流調(diào)速的特點(diǎn)交流調(diào)速的特點(diǎn)電氣傳動(dòng)從總體上分為調(diào)速和不調(diào)速兩大類。按照電動(dòng)機(jī)的類型不同，電氣傳動(dòng)又分為直流和交流兩大類，直流電動(dòng)機(jī)在 19 世紀(jì)先后誕生，但當(dāng)時(shí)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是不調(diào)速系統(tǒng)，隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)工藝的要求也越來(lái)越高，這就要求生產(chǎn)機(jī)械能夠在工作速度，快速啟動(dòng)和制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)等方面具有

25、較好的運(yùn)行性能。從而推動(dòng)了電動(dòng)機(jī)的調(diào)速不斷向前發(fā)展，自從 1834 年直流電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)以后，直流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速電動(dòng)機(jī)的代表，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)主要在于調(diào)速范圍廣，靜差小，穩(wěn)定性能好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，晶閘管變流裝置的應(yīng)用使直流拖動(dòng)發(fā)展到了一個(gè)很高的水平，在可逆，可調(diào)速與高精度的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)幾乎都采用直流拖動(dòng)系統(tǒng)。盡管如此，直流調(diào)速系統(tǒng)卻解決不了直流電動(dòng)機(jī)本身的換向問(wèn)題和在惡劣環(huán)境下的不適應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)，制造大容量，高轉(zhuǎn)速以及高電壓直流電動(dòng)機(jī)也十分困難，這就限制了直流傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。 交流電動(dòng)機(jī)在 1885 年出現(xiàn)后，由于一直沒(méi)有理想的調(diào)速方案，只被應(yīng)用于恒速

26、拖動(dòng)系統(tǒng)，從本世紀(jì) 30 年代起，不少國(guó)家才開始提出各種交流調(diào)速的原始方案，晶閘管的出現(xiàn)使交流電動(dòng)調(diào)速的發(fā)展出現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)的飛躍，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，國(guó)際上在 60 年代后期解決了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案中的關(guān)鍵問(wèn)題，70 年代開始就實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高壓，大容量，小型化，且已經(jīng)逐漸取代了大部分傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速的很大一部分原因在于交流電動(dòng)機(jī)本身的優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。近年以來(lái)大功率半導(dǎo)體器件，大規(guī)模集成電路，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加上交流電動(dòng)機(jī)本身的優(yōu)越特性，為交流調(diào)速提供了廣泛的應(yīng)用前景。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高

27、的穩(wěn)態(tài)精度，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以在四象限運(yùn)行等優(yōu)越性能，其動(dòng)態(tài)性能均可與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相比美。交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，具有如下特點(diǎn)：1. 容量大 這是電動(dòng)機(jī)本身的容量所決定的。直流電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量能達(dá)到1214MW，而交流電動(dòng)機(jī)的容量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高與此數(shù)值。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 7 -2. 轉(zhuǎn)速高，而且耐壓 直流電動(dòng)機(jī)受到換向器的限制，最高電壓只能達(dá)到 1000多伏，而交流電動(dòng)機(jī)容量可達(dá)到 610KV，甚至更高。一般直流電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到 3000 轉(zhuǎn)/min 左右，而交流電動(dòng)機(jī)則可以高達(dá)每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。這使得交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)具有耐高壓，轉(zhuǎn)速高

28、的特點(diǎn)。3. 交流電動(dòng)機(jī)本身的體積，重量，價(jià)格比同等容量的直流電動(dòng)機(jī)要小，且交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，經(jīng)濟(jì)可靠，慣性小成了交流調(diào)速系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。4. 交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置環(huán)境適應(yīng)性廣。直流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工廠里的酸洗車間，由于腐蝕嚴(yán)重，使用直流電動(dòng)機(jī)每周都要檢查碳刷，維修起來(lái)比較困難，而交流電動(dòng)機(jī)卻可以用在十分惡劣的環(huán)境下不至于損壞。5. 由于高性能，高精度，新型調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流拖動(dòng)系統(tǒng)已達(dá)到同直流拖動(dòng)系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于 國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。6. 交流調(diào)速裝置能顯著的節(jié)能。工業(yè)上大量使用的風(fēng)機(jī)，水泵，壓縮機(jī)

29、類負(fù)載都是靠交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的，這類裝置的用電量占工業(yè)用電量的 50%，以往都不對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，而僅采用擋板，節(jié)流閥來(lái)控制風(fēng)量或流量。大量的電能被白白的浪費(fèi)掉，如果采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)改變風(fēng)量或流量的話，效率就會(huì)大大的提高，從各方面來(lái)看，改造恒速交流電動(dòng)機(jī)為交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，有著可觀的能源效益。交流電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉，維修方便，故而應(yīng)用面很廣，幾乎所有的調(diào)速傳動(dòng)都采用交流電動(dòng)機(jī)。盡管從 1930 年開始，人們就致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，然而主要局限于利用開關(guān)設(shè)備來(lái)切換主回路達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，制動(dòng)和有級(jí)調(diào)速的目的。變極對(duì)調(diào)速，電抗或自藕降壓?jiǎn)?dòng)以及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電

30、阻的有級(jí)調(diào)速都還處于開發(fā)的階段。交流調(diào)速緩慢的主要原因是決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要因素的交流電源頻率的改變和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制都是非常困難的，使交流調(diào)速的穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性以及效率均不能滿足生產(chǎn)要求 。后來(lái)發(fā)展起來(lái)的調(diào)壓，調(diào)頻控制只控制了電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)差頻率控制在一定程度上能控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 8 -第第二二章章 次次同同步步串串級(jí)級(jí)調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作原原理理在繞線型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中加入附加電動(dòng)勢(shì)Ef ,即可改變轉(zhuǎn)差功率,以達(dá)到調(diào)速的目的。根據(jù)理論分析,若附加電動(dòng)勢(shì)Ef與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電勢(shì)SE20反相位,則電動(dòng)機(jī)只能在同

31、步速以下進(jìn)行調(diào)速稱為次同步串級(jí)調(diào)速。若與Ef同相位,則可在同步速以上進(jìn)行調(diào)速,稱超同步串級(jí)調(diào)速。所以串級(jí)調(diào)速的核心是產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)Ef的裝置,于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)SE20的頻率是隨轉(zhuǎn)速而變化的。附加電動(dòng)勢(shì)Ef的頻率必須跟隨SE20的頻率改變而同步變化。因此要求附加電勢(shì)源既要電壓可變,又要頻率可調(diào),還要可逆地傳遞功率,這就需要在轉(zhuǎn)子側(cè)引入變頻器才實(shí)現(xiàn)上述4種運(yùn)行狀態(tài)。為了解決這個(gè)難題,在實(shí)際系統(tǒng)中是在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端聯(lián)接一個(gè)不可控整流器UR,把轉(zhuǎn)子的交流電動(dòng)勢(shì)變換成直流電動(dòng)勢(shì),再通過(guò)由晶閘管組成的相控有源逆變器U I,獲得一個(gè)可調(diào)的直流電壓,作為轉(zhuǎn)子回路的附加電動(dòng)勢(shì)。然后把這

32、兩個(gè)量進(jìn)行比較,控制直流電動(dòng)勢(shì)的幅值,就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣把交流可變頻率的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的直流問(wèn)題,使主電路和控制回路大為簡(jiǎn)化。2.12.1 串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量串級(jí)調(diào)速裝置的電壓和容量串級(jí)調(diào)速裝置是指整個(gè)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中除異步電動(dòng)機(jī)以外，為實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速而附加的所有功率部件。串級(jí)調(diào)速裝置的容量主要是指轉(zhuǎn)子整流器、逆變器和逆變變壓器的容量，選擇依據(jù)是電流與電壓的定額。電流定額取決于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子額定電流I2N和負(fù)載；電壓定額取決于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子額定電壓E20和調(diào)速范圍D。現(xiàn)以逆變變壓器的容量計(jì)算來(lái)分析U2T=SmaxE20cos 301.15E20（1-1D）WT3.45E20I

33、2T（1-1D） （1）式（1）表明，系統(tǒng)調(diào)速范圍增大時(shí)，WT也增大，所以串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)往往被應(yīng)用于調(diào)速范圍不大的場(chǎng)合。2.22.2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率能量指標(biāo)是衡量一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要依據(jù)，而系統(tǒng)的效率與功率因湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 9 -數(shù)是其主要內(nèi)容。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是一種機(jī)電能量變換的系統(tǒng)， 用能量流圖可以分析和描述其能量變換關(guān)系，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的能量流如圖1（b）所示。a）系統(tǒng)的功率走向（b）系統(tǒng)能量流圖串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率分析整個(gè)系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的有功功率Pi P1Pf，從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出功率P2PP。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率= 100%= 100% Pm

34、（1-s）+P1+P2+PiP2PfPPP1Ps100%Pm（1-s）Pm（1-s）+Ps100%式中P1輸入異步電動(dòng)機(jī)定子的有功功率；P1定子損耗（定子銅耗與鐵耗）；Pm旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)傳送到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁功率;P機(jī)械功率，P（1-s）Pm；P機(jī)械損耗。P、P1和P2相對(duì)Pm比較小，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率也就較高， 并且隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低， 有微量減少。為了說(shuō)明串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的 很高，可與轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率作比較。串電阻調(diào)速的效率R= P2100%=100%（1-s）100%12PP1P)1 (PPmsPm電阻調(diào)速的效率在調(diào)速范圍較大時(shí)要高。2.32.3 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的

35、功率因數(shù)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)與系統(tǒng)所采用的異步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子整流器和可控逆變器三大部分有關(guān)。異步電動(dòng)機(jī)本身的功率因數(shù)會(huì)隨著負(fù)載的減輕而下降，而轉(zhuǎn)子整流器的換相重疊角和強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通等作用都會(huì)通過(guò)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收換相無(wú)功功率，所以在串級(jí)調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)要比正常接線時(shí)降低10%以上。另外，逆變器的相控作用使其電流與電壓不同相，也要消耗無(wú)功功率。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，從交流電網(wǎng)吸收的總有功功率是電動(dòng)機(jī)吸收的有功功率與逆變器回饋至電網(wǎng)的有功功率之差，然而從交流電網(wǎng)吸收的總無(wú)功功率卻是電動(dòng)機(jī)和逆變器所吸收的無(wú)功功率之和，低速時(shí)功率因數(shù)還要降低。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)cos=PiS = P1-Pf（P1-

36、Pf）/2（Q1+Qf）/2式中S系統(tǒng)總的視在功率；湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 10 -Q1電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率；Qf逆變變壓器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率。一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)只有0.60.65， 比正常接線時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)減少0.1 左右，在低速時(shí)可降到0.40.5。這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。通常采用的改善串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)措施：（1）采用移相電力電容器補(bǔ)償無(wú)功功率。電容器接線方式有3 種： 接在進(jìn)線電網(wǎng)側(cè)； 接在逆變變壓器的一次側(cè)； 接在逆變變壓器的二次側(cè)。（2）采用強(qiáng)迫換流式逆變器產(chǎn)生超前無(wú)功功率。（3）采用斬波控制的功率變換單元。2.42.4 晶閘管串

37、級(jí)調(diào)速的工作原理與性能特點(diǎn)晶閘管串級(jí)調(diào)速的工作原理與性能特點(diǎn)晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路的方框圖，電動(dòng)機(jī)定子從電網(wǎng)吸取功率P1， 其中一部分轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率 (1s) PM， 另一部分是轉(zhuǎn)差功率sPM， 轉(zhuǎn)差功率經(jīng)轉(zhuǎn)子送到半導(dǎo)體整流器并轉(zhuǎn)換成直流，再經(jīng)晶閘管逆變器及逆變變壓器回饋給電網(wǎng)。因此整個(gè)電動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)從電網(wǎng)吸取的功率是P1sPM(是整個(gè)調(diào)速逆變電路的總效率）。由于轉(zhuǎn)差功率大部分饋送給電網(wǎng)，所以效率較高。整流器的輸入端是加到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的反相位交流電動(dòng)勢(shì)，輸出端是逆變器的直流電源。逆變器的輸入端是整流器的直流負(fù)載，輸出端是逆變變壓器的交流電源。電網(wǎng)是逆變變壓器的負(fù)載，也就是逆變器的負(fù)載。當(dāng)電動(dòng)

38、機(jī)在一定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，如果調(diào)節(jié)逆變器，使它的輸出電動(dòng)勢(shì)增大，由于電網(wǎng)電壓是恒定的，逆變器輸出電動(dòng)勢(shì)增大，這就增大了整流器的負(fù)載，相當(dāng)于使轉(zhuǎn)子外加電動(dòng)勢(shì)減小，因而使轉(zhuǎn)子電流增大。轉(zhuǎn)子電流增大使電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)加速。隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)減小，整流器輸出的直流電壓降低，逆變器輸出的交流電動(dòng)勢(shì)減小，通過(guò)逆變變壓器向電網(wǎng)饋送的電流也減小，因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩減小到重新與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速不再升高，電動(dòng)機(jī)在較高的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。這就是將轉(zhuǎn)速調(diào)高的基本原理。如果調(diào)節(jié)逆變器，使它的輸出電動(dòng)勢(shì)減小，便可將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)低。由此可見，晶閘管串級(jí)調(diào)速是靠調(diào)節(jié)逆變

39、器的輸出電動(dòng)勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。在晶閘管的控制電路中通過(guò)改變其導(dǎo)通角大小即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。串級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)主要是：（1）調(diào)速范圍較大，但是過(guò)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(gè)因素。對(duì)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(guò)對(duì)導(dǎo)通角的平滑調(diào)節(jié)改變轉(zhuǎn)速。（3）調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性好，因?yàn)榇?jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性的直線部分的硬度較大（如圖2），甚至較湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 11 -固有機(jī)械特性

40、大。（4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性好，由前面內(nèi)容可知，串級(jí)調(diào)速回收了大部分轉(zhuǎn)差功率，保證了電動(dòng)機(jī)的效率，減小了電能的浪費(fèi)。另外，由于整流逆變電路只需要對(duì)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。由第三章的主電路圖不難發(fā)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速的3個(gè)缺點(diǎn)：(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(shí)還要從電網(wǎng)吸取無(wú)功功率（建立內(nèi)部磁場(chǎng)），造成整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，如高速滿載運(yùn)行時(shí)，其功率因數(shù)只有0.6，這是不能達(dá)到全國(guó)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(shí)，將附帶產(chǎn)生較多諧波分量，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染。(3) 串級(jí)調(diào)速只能用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。2.52.5 傳

41、統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的改進(jìn)傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的改進(jìn)針對(duì)前述傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速方法的缺點(diǎn)，現(xiàn)代調(diào)速技術(shù)對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)及串級(jí)調(diào)速的電路作了有效的改進(jìn)，從而有效的提高了其性能，拓寬了其應(yīng)用范圍。為了省去逆變變壓器，進(jìn)一步降低損耗并減小調(diào)速系統(tǒng)體積，同時(shí)也回收利用轉(zhuǎn)差功率，現(xiàn)在產(chǎn)生了所謂內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)，即在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列電機(jī)JR系列或YR系列繞線式三相感應(yīng)電機(jī)的基礎(chǔ)上，在定子上增設(shè)一套輔助的三相對(duì)稱繞組，稱為調(diào)節(jié)繞組，原來(lái)的定子繞組則稱為主繞組，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，相同規(guī)格的電機(jī)具有相同(或相近)的安裝尺寸，且結(jié)構(gòu)相似。該調(diào)速電機(jī)也可作為普通繞線式感應(yīng)電機(jī)使用，并且各項(xiàng)指標(biāo)不低于對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該調(diào)節(jié)繞組所起的作

42、用、接線與傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的逆變變壓器相似，用來(lái)吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，并通過(guò)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正向的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率減少。為了提高電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的功率因數(shù)，及減小諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，在內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中還裝設(shè)有濾波裝置，同時(shí)調(diào)節(jié)繞組的分布作用和短距作用也能有效抑制諧波。如圖4所示，為了兼顧電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，采用頻敏變阻器起動(dòng)方式，起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能保證電機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)，而且過(guò)程自動(dòng)切換。若要進(jìn)一步提高電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，可使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）整流式內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速方式。此外，內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)通常采用微機(jī)監(jiān)控和PLC控制，不僅使維護(hù)量減少，大大降低了整個(gè)系

43、統(tǒng)故障幾率，而且容易配備完善的保護(hù)措施和更加靈活、方便的調(diào)速控制方式。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 12 -第第三三章章 主主電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)3.13.1 次級(jí)同步串級(jí)調(diào)速主電路圖次級(jí)同步串級(jí)調(diào)速主電路圖晶閘管次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路的典型接線如圖1所示。其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)SE20經(jīng)三相橋式不可控整流器UR整流,輸出直流電壓Ud。工作在有源逆變狀態(tài)的三相橋式可控變流器U I提供可調(diào)的逆變電壓U ,作為調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢(shì)。未計(jì)及異步電動(dòng)機(jī)與逆變變壓器漏抗作用的影響,可以得如下電勢(shì)平衡方程式:Ud =U + IdR 即2.34SE20=2.34UT2cos+IdR式中UT2 逆變變壓器二次

44、側(cè)相電壓,晶閘管逆變器逆變角,U逆變器輸出電壓,R 轉(zhuǎn)子直流回路電阻。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 13 - 圖3.1串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路由于轉(zhuǎn)子直流回路電流Id與轉(zhuǎn)子電流I2有固定關(guān)系,所以它近似反映電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T的大小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),可以認(rèn)為Id為恒值。控制晶閘管逆變角,逆變電壓U也相應(yīng)改變,便可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。例如逆變角增大,則逆變電壓U立即減小,因機(jī)械慣性,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎不變, Ud與U按上式又達(dá)到新的平衡,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。同理,減少值,電動(dòng)機(jī)可以減速在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。為防止逆變顛覆,逆變角的變化范圍可以為min = 30到min = 9

45、0,當(dāng)min = 30時(shí),逆變電壓Umin = 2. 34UT2 cos30為最大值,電動(dòng)機(jī)在最低速運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)min = 90,逆變電壓Umin = 0,電動(dòng)機(jī)在接近額定轉(zhuǎn)速的最高速運(yùn)轉(zhuǎn)。與晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中整流變壓器作用相似,串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)也要設(shè)置逆變變壓器TI。TI的作用,一是起到了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓與電網(wǎng)電壓匹配的作用,其二次側(cè)電壓UT2不但與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2有關(guān),還與調(diào)速范圍有關(guān),調(diào)速范圍越大,要求的UT2值越高;二是逆變變壓器還能起到使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路與交流電網(wǎng)之間隔離的作用,減弱大功率晶閘管裝置對(duì)電網(wǎng)波形的影響,并能限制晶閘管斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt和通態(tài)di/dt電流臨界上升

46、率轉(zhuǎn)子回路接入的電抗器Ld ,可以使小負(fù)載時(shí)電流連續(xù)并限制電流脈動(dòng)分量,在大功率串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中還能限制逆變顛覆時(shí)短路電流上升率。3.23.2 主電路參數(shù)及元器件選型主電路參數(shù)及元器件選型參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 14 -1.主電路設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)：Pn=45kw,Nn=1480r/min.ULN=380,I1n=86A,=91.5%,cos=0.87,I2N=81A,U2N=340V; m=3,采用 / 接法，GD2=2.4kg.m 調(diào)速范圍 D=5，低速時(shí)靜差率 S0.01整流二級(jí)管的選擇（1） 二極管承受的最大正反向電壓為VE480232考慮倍裕量后，額定電壓可取

47、32（23）V)1440960(480 （2） 該系統(tǒng)不需要經(jīng)常啟動(dòng)制動(dòng)，故對(duì)快速性沒(méi)有要求為此可取電流過(guò)載倍數(shù)3轉(zhuǎn)子回路中的直流電流Id為Id=298A816. 02nomI整流二極管的通態(tài)平均電流=0.368Id=0.368=109ATI298考慮1.5倍裕量后可取 （1.52） 109=(163.5218)A2根據(jù)上述計(jì)算可以選擇 ZP-20/400整流二極管2.逆變變壓器選擇（1）逆變變壓器二次相電壓有效值為=196V3/340115. 115. 12max2ESUT(2) 逆變變壓器二次相電流有效值為AIInomT8122(3)逆變變壓器容量為KKWIUWTTT628.4781196

48、3322元器件的選用元器件的選用1. 8255 的資料8255 是可編程的并行 I/O 接口芯片，它具有 3 個(gè) 8 位的并行 I/O 口，三種工作方式，可通過(guò)編程改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。8255 的引腳圖如圖 2-3 所示。由圖可知，8255 共有 40 個(gè)引腳，各引腳功能如下：湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 15 -圖 3.2 8155 引腳圖D0D7： 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連，用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)信息。CS/： 片選信號(hào)線，低電平有效，表示芯片被選中。RD/： 讀出信號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。WR/： 寫入信

49、號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的寫入。Vcc： +5V 電源。PA7PA0： A 口輸入/輸出線。PB7PB0： B 口輸入/輸出線。PC7PC0： C 口輸入/輸出線。RESET： 復(fù)位信號(hào)線。A1A0： 地址線，用來(lái)選擇 8155 內(nèi)部端口2.ADC0809 的資料ADC0809 是一種逐次逼近式 8 路模擬輸入，8 位數(shù)字量輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器。其引腳如圖 2-4 所示。由引腳可見，ADC0809 共有 28 個(gè)引腳，采用雙插直列示封裝，其引腳主要功能如下：（1）IN0IN7 是 8 路模擬信號(hào)輸入端。（2）D0D7 是 8 位數(shù)字量輸出端。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 16 -圖

50、 3.3 ADC0809 引腳圖（3）A，B，C 與 ALE 控制 8 路模擬通道的切換，A，B，C 分別與三根地址線或數(shù)據(jù)線相連，三者編碼對(duì)應(yīng) 8 個(gè)通道地址口。C，B，A=000111 分別對(duì)應(yīng) IN0IN7 通道地址。ADC0809 雖然有 8 路模擬通道可以同時(shí)輸入 8 路模擬信號(hào)，但每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實(shí)現(xiàn)。（4） OE，START，CLK 為控制信號(hào)端，OE 為輸出允許端，START 為啟動(dòng)信號(hào)輸入端，CLK 為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。（5）VR（+）和 VR（-）為參考電壓輸入端。ADOAD7：8 位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線，用于從微處理器接收地址與數(shù)據(jù)信息；

51、：此 3 個(gè)引腳為 Intel(Motorola)控制模式；SA8282 在工作時(shí)可自動(dòng)適應(yīng) Intel 或 Motorola 控制模式，當(dāng) ALE(AS)管腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，SA8282 內(nèi)部檢測(cè)電路將自動(dòng)鎖存 RD(DS)線上的狀態(tài)，如果檢測(cè)結(jié)果為低電平，則采用 MO-TOROLA 控制模式；如果檢測(cè)結(jié)果為高電平，則采用 Intel 控制模式；3. AT89C51 的資料（1） AT89C51 簡(jiǎn)介AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 （FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能

52、CMOS 8 位微處理器，俗稱 單片機(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 指令集和輸出管湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 17 -腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖2-6 所示 圖 3.4 AT89C5

53、1 的管腳排列圖（2） 主要特性：1） 與 MCS-51 兼容 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 3） 壽命長(zhǎng)：1000 寫/擦循環(huán) 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz-24MHz 6） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 7） 1288 位內(nèi)部 RAM 8） 32 可編程 I/O 線 9） 兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 10）5 個(gè)中斷源 11）可編程串行通道 12）低功耗的閑置和掉電模式 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 18 -13）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （3） 管腳說(shuō)明V VC CC C：供電電壓。 G GN ND D：接地。 P P0 0 口口：P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)

54、開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P P1 1 口口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。

55、 P P2 2 口口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P P3 3 口口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶

56、內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時(shí)器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

57、 P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 R RS ST T：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 19 -A AL LE E/ /P PR RO OG G：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址

58、上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 / /P PS SE EN N：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 / /E EA A/ /V VP PP P：當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1 時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在F

59、LASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP）。 X XT TA AL L1 1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 X XT TA AL L2 2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 4.8031 的資料圖 3.5 8031 引腳圖V VC CC C：供電電壓。 G GN ND D：接地。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 20 -P P0 0 口口：P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程

60、時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P P1 1 口口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。 P P2 2 口口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因