水泵电机串级调速系统设计

摘 要 I 摘 要 对于不同的水厂来说，电费约占据供水成本的百分之三十左右。目前，在 许多供水水厂中，大多数水泵都是采用恒速电机拖动，当水量需要调节时采用 闸门节流的办法来实现流量的调节，这样就会产生非常严重的电能资源浪费。 随着电力半导体的发展，串级调速系统渐渐被采用。串级调速是通过在转 子绕组上加一个附加电势通过调节转差率来实现调速。串级调速能实现无级平 滑调速，低速时机械特性比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难 度小，性能比较完善获得了广泛应用。本次设计主要是通过对主回路以及控制 回路进行参数计算进而选择相应的元器件实现对水泵电机的串级调速，最终达 到要求的指标。 关键词：关键词：异步电机，反馈，无功功率 英文摘要 II Abstrsct For different Waterworks , electricity occupy a large part of the cost of water supply about thirty percent or so. At present, many kinds of pump use a constant speed motorin in water supply in waterworks. when water need to adjust the gate we have to take the way to realize the throttling flow control, there are very serious power waste of resources. In the speed regulation systems, cascade control gradually been widely applied,along with the development of the electric power semiconductor. Cascade control is a unique winding type motor speed way, an additional potential is used by cascade control in the rotor winding to adjust the slip to realize the potential of speed. compared with the rotor resistance，the speed of cascade control can turn the motor power to the power grid or poor feedback into mechanical energy senting back to the motor shaft, so it is beneficial to the improvement of efficiency. As to so-called doubly-fed speed regulation，it is to point to will power feedback to wound rotor asynchronous motor stator windings and rotor winding. It Usually make stator winding access to industrial frequency power, will rotor winding flat rate, from amplitude, phase sequence, etc can adjust feedback on electrical signals, so that they can adjust wound rotor asynchronous motor torque, rotational speed and motor stator side of reactive power. Keywords: asynchronous motor,feedback,reactive power 目 录 III 目 录 摘 要. ABSTRACT 目 录. 第一章 概 论.1 1.1 水厂的基本情况及发展概论.1 1.2 交流电机的调速发展概况及优缺点.1 1.2.1 交流调速的类型.1 1.2.2 交流电机串级调速的优缺点.2 1.3 设计内容与技术指标.3 第二章 串级调速系统的设计方案.4 2.1 串级调速方案论证.4 2.2 双闭环控制串级调速系统的组成.4 第三章 串级调速系统主回路设计.6 3.1 主回路设计.6 3.2 整流二极管的选择.7 3.2.1 转子整流器的最大输出电压.7 3.2.2 最大直流整流电流.8 3.3 逆变变压器的选择.9 3.3.1 逆变变压器二次侧线电压.9 3.3.2 逆变变压器二次侧线电流.10 3.3.3 逆变变压器一次侧电流.10 3.3.4 逆变变压器容量.11 3.4 晶闸管的选择.12 3.5 平波电抗器的选择.13 3.6 保护装置的设计.14 3.6.1 电压保护.14 目 录 IV 3.6.2 电流保护.17 第四章 串级调速系统控制回路设计.18 4.1 串级调速系统各部分数学模型.18 4.1.1 串级调速系统主回路（直流回路）的传递函数.18 4.1.2 异步电动机的传递函数.19 4.1.3 逆变环节的传递函数.19 4.2 电流环的设计及元器件的选择.23 4.3 转速环的设计及元器件的选择.24 4.4 设计指标校验.27 结 论.30 参考文献.31 致 谢.34 附 录 水泵电机的串级调速系统电气原理总图.35 第一章 概 论 - 1 - 第一章 概 论 1.1 水厂的基本情况及发展概论 在现代化的生活中吧，水厂对于一个国家的发展是非常重要的。近年来， 随着科学技术的发展我们的城市供水也取得了较快的发展，供水的能力也得到 了较大的提高。 水厂的大小不一，但其工作流程基本相似，其过程一般是：混凝反应原理、 沉淀处理、过滤处理、滤后消毒处理。地下水等普通的水经过水泵的提升后， 首先经过混凝工艺处理。将一些药剂加入到水中均匀混合就会使其产生大颗粒 絮凝体，上述的整个过程称为混凝过程。 1.2 交流电机的调速发展概况及优缺点 交流电机在现代化的工业中扮演者非常重要的作用在电机调速系统中，调 速的主要目的就是实现对速度的调节。电气传动装置的控制对象主要是转矩和 转速。根据在调速系统中电机类型的不同可以分为直流电机调速和交流电机调 速，但是在电气传动上主要是分为直流和交流两种类型的传动。 1.2.1 交流调速的类型 现代交流调速系统由交流电机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等 四大部分组成。 （1）转差功率消耗型 所谓转差功率消耗型是指对于所有的转差功率不进行回收直接以热能的形 式浪费掉。在调速系统中，由于对于转差功率的无谓的浪费使得功率消耗型这 种调速形式是异步电机调速系统中效率最低的类型。当要调节速度降低时，就 要增加转差功率的浪费，这种结构一般结构较为简单，所以在小容量的系统中 得到广泛的应用。 （2）转差功率回馈型调速 所谓转差功率回馈型的调速系统是指其中的一小部分的转差功率以热能等 第一章 概 论 - 2 - 形式浪费掉，另一大部分能量以电能的形式被回馈到电网中去，串级调速系统 就属于这种类型，这种调速系统的突出优点就是效率较高。 （3）转差功率不变型 所谓转差功率不变型是指铜损在转差功率中是无法消除的，但是在转差功 率不变型的调速系统中不管速度怎么调节它的转差功率总是保持不变。因此其 效率还是比较高的。 1.2.2 交流电机串级调速的优缺点 串级调速的优点： （1）虽然串级调速的调速范围广，但是当转速较大的时候电机的过载能力 将非常低，这严重制约了调速范围。 （2）由于串级调速是使用可控晶闸管来调节，具体的说是来改变晶闸管导 通角的大小来实现速度的调节，由此可以看出来串级调速的平滑性非常好。 （3）在电机的串级调速系统中，通过机械特性图我们可以看到机械特性较 硬，故调速的稳态性能较好。 （4）上文中我们提到了串级调速是只有一小部分的转差率被损耗，很大一 部分的转差率被反馈到电网中，由此我们可以得出串级调速的另一个优点就是 其效率较高。 串级调速的缺点： （1）在串级调速系统中，整流逆变电路不能直接与电网相连接，必须通过 逆变变压器来实现与电网的连接，但是逆变变压器一般容量较大，这就会吸收 很多的无功功率，致使其功率因数降低，另外逆变变压器价格较贵，这就造成 成本变高。 （2）在整流逆变装置的逆变装置中，其主要目的就是讲直流逆变成交流， 但是在逆变过程中，会产生谐波，这些谐波会对电网造成污染。 （3）串级调速的应用范围非常有限，只能用于异步电机，并且只能是绕线 式异步电机。 第一章 概 论 - 3 - 1.3 设计内容与技术指标 绕线式交流电动机参数：额定功率 110KW ；额定电流 201.3A；额定电压 380V；额定转速 1458rpm；起动电流倍数 =3；效率 91；功率因数为 0.89。 技术要求：电网供电电压为 380V，要求电机转速从 10001458 rpm 连续 可调，转差率 s10%。在起动过程中，电流超调量不大于 5，转速的最大超 调量不大于 10，控制系统要具有过流保护功能。 第二章 串级调速系统的设计方案 - 4 - 第二章 串级调速系统的设计方案 2.1 串级调速方案论证 变频调速具有调速性能好、恒转矩特性等优点，是非常优越的一种调速方 式适合多种电机对于调速方式方不同要求。但是变频调速主要是对于目的电机 的视在功率的调节，这就要求电力电子器件承担较高的电压，变频装置就要非 常昂贵。性价比随着其容量的增加而降低。因此由于这种调速方式本身的特点 使得其只适合应用在高性能调速系统中而不适合应用在以节电为目的的调速系 统重。但是内反馈的串级调速系统与变频调速系统一样同属于高效的调速系统， 但是串级调速系统通过对绕线式异步电机转子绕组的调节使得其将高压调速问 题转化为低压调速的问题，故控制电路的控制功率与变频调速相比要小得多约 为绕线式异步电机容量的一半左右。这就使得控制电力电子器件所需要承受的 电压要小很多，有效的解决了电力电子器件耐压问题。就将高压恒速电机改成 低压调速电机。采用串级调速这种调速方式就可以用比变频调速低得多的成本 达到非常好的节电效果，因此选用串级调速系统。 在开环控制中，异步电机无论采用什么形式的调速方式，其静差率都会非 常高。故开环控制的异步调速系统只适合应用在对于调速精度不是很高的场合。 不管是双馈调速还是串级调速如果要求应用在调速精度很高的场合时，就应该 选择闭环控制模式的调速方式。 串级调速包括转速和电流两个闭环环节，它与我们提到的双闭环直流调速 具有很大的相似性。但是串级调速也有其本身的特殊性，实践证明对于应用了 串级调速闭环控制系统的调速方式，不但有利于其静态性能的改善而且也有利 于动态性能的改善。在矢量控制出现之前，双馈调速就已经出现，双馈调速的 方案比较简单，但是能有效的发挥双反馈调速系统的优势。不仅能取得较好的 结果，串级调速还具有效率高等优点。 2.2 双闭环控制串级调速系统的组成 双闭环串级调速系统与直流闭环系统相似，其结构如图 2-1 所示。其工作 第二章 串级调速系统的设计方案 - 5 - 原理为：电流调节器 ACR 输出电压为零时，应整定触发脉冲，使逆变角为最 小值，以防止逆变颠覆。一般取 30，此时转速最低，随着 ACR 输出电压的增 加， 角增大，减少，转速上升，到 =90,=0,相当于串级调速系统不起作用。 i U i U 利用电流负反馈作用与速度调节器 ASR 输出电压的限幅环节作用，在加速过程 中，也能实现恒流升速，使系统具有较好的加速特性。需要加速时，增加给定 信号，经逆变触发器 GT 使 角变大，逆变电压下降，直流电流增加，电机 * n 加速，由于限幅环节作用，在加速过程中电机能维持所设定的最大加速转矩。 随着转速升高，转速反馈信号增加，最后在与给定信号相对应的较高转速下运 行。 图 2-1 双闭环控制的串级调速系统结构图 ASR ACR - M TG - - TI TA 第三章 串级调速系统主回路设计 - 6 - 第三章 串级调速系统主回路设计 双反馈回路主回路的元器件的选择是非常重要的，本部分主要是对双反馈 主回路主要的参数进行计算进而选择合适的电器元件。 3.1 主回路设计 图 3-1 为串级调速系统的主回路电路图，电机的定子三相绕组接在 380V 的电网中，电机的转子绕组的三相与整流逆变装置相连接通过晶闸管的开通来 调节逆变电路一次侧电压进而调节转子绕组的电压，最终实现对电机转速的调 节。 当我们需要转速升高时，可以通过调节逆变电路的逆变角达到调节逆变电 路二次侧电压的目的，最终会影响到绕线式异步电机转子回路中电流的大小达 到调节速度的目的。 M 图 3-1 主回路电路图 第三章 串级调速系统主回路设计 - 7 - 绕线式异步电机的最高转速为 1458rpm 最低转速为 1000rpm。水泵电机的最大 转差率为： = 12 max 1 n -n s= n 1458-1000 =0.31 1458 3.2 整流二极管的选择 3.2.1 转子整流器的最大输出电压： （3-1） 2maxuv20 1 = 3(1)UK E D 在该要求电机中，E20为转子开路相电势查电机手册可得 E20=349v ，查表 3-1 可得 Kuv=1.35。 表 3-1变流器主电量计算系数 符号KITKUTKUVKIVKILK 三相带中 线 0.36720.670.5770.4720.866 三相桥0.367 2 1.350.8150.8160.5 双三相桥 串联 0.36722.70.8161.578 0.260.52 双三相桥 并联 0.18431.350.4780.789 0.260.52 代入式（3-1）中可以得到： 2max 1 = 3 1.35 3491-=256.3v 1.458 U （） 3.2.2 最大直流整流电流： （3-2） 2 dmax=1.1 N IV I I K 式中：为启动电流倍数=3； 第三章 串级调速系统主回路设计 - 8 - I2N为转子电压计算系数，查变流器主电量计算系数表表 3-1 可得 I2N=0.815； Idr为转子整流器输出支流电流的额定值，其中。 2 dr= N VI I I K 由上面数据代入式（3-2）可得最大整流电流是： =793.6A dmax 196 =1.1 3 0.815 I 由此可以计算整流二极管电压：在整流电路的各个桥臂上有 N=2 个整流二极管 串联，这样就可以求出每个串联的二极管的反向重复峰值为： （3-3） 2 1 (2 3) 3(1) UTN KRM AV KE D U KN 式中：为电压系数由变流器主电量计算系数可得：=； UT K UT K2 为转子开路相电势其中：=349v； 2N E 2N E 为均压系数，在一般情况下我们取：=0.9，。 AV K AV K1.458D 由式（3-3）可计算得到单个二极管的反向重复电压值为： =223.8V 1 1.532349 (1) 1.458 0.9 2 KRM U 从式(3-3)中可以看到二极管的反向重复电压值与水泵电机的调速范围有很大的 关系，他们之间的关系呈现反比特性。 整流二极管的电流的计算：在串级调速中，采用了六个二极管并联使用， 其并联数 NP=3，每个整流二极管的电流可用下式计算而得出： （3-4） dmax (1.5 2) IT F ACP K I I KN 第三章 串级调速系统主回路设计 - 9 - 式中：KIT为电流计算系数，查表 31 可得 KIT=0.367； Idmax为转子整流器的最大整流电流由以上计算可得 Idmax =793.6A； KAC为均流系数，它的值可取在 0.80.9 之间。 代入式（3-4）可得整流二极管的电流为： =242.7A 2 0.367 793.6 0.8 3 F I 通过上面的计算可以进行二极管的选择，使选择的二极管的电压电流标准 大于上式所计算的数值，查询电工手册可知应选择 6 个型号为 2CP3 的二极管。 3.3 逆变变压器的选择 逆变变压器在绕线式异步电动机串级调速系统中是非常重要的，逆变变压 器要根据异步电机的转子电压、电流以及电机的调速范围来进行选择，实现逆 变变压器与绕线式异步电动机的匹配。另外逆变变压器还起到隔离的作用，避 免了电机与电网直接连接，避免电网的脉动对电机造成伤害。 3.3.1 逆变变压器二次侧线电压 逆变变压器二次侧线电压的计算是根据转子最大整流电压与逆变变压器的 最大电压相等来确定的。 （3-5） dmax 2 min cos T UV U U K 式中：UT2为逆变变压器二次侧线电压； Udmax为转子整流器的最大整流输出电压 Udmax=U2max=256.3V； KUV为整流电压计算系数 KUV=1.35； 为最小逆变角一般取：=。 min min o 30 代入式（3-5）可得逆变变压器二次侧线电压为：=219.2V。 2 o 256.3 1.35 cos30 T U 3.3.2 逆变变压器二次侧线电流 第三章 串级调速系统主回路设计 - 10 - （3-6） 2dnTIV IK I 式中：IT2为逆变变压器的二次侧线电流； KIV为整流电流计算系数查表 3-1 可得=0.815； IV K Idn为转子整流器输出电流额定值。 dndr 196 =240.5 0.815 IIA 代入式（3-6）可得逆变变压器二次侧线电流为。 2=0.815 240.5=195.6T IA 3.3.3 逆变变压器一次侧电流 由逆变变压器一次侧电流为： （3-7） dn 1TIL T I IK K 式中：IT1为逆变变压器一次侧线电流； KIL为逆变变压器一次侧线电流计算系数查表 3-1 可得 KIL=0.816； 为转子整流器输出直流电流额定值=240.5A； dn I dn I KT为逆变变压器的变比。 380 1.73 220 T K 由上式参数赋值代入上式可得逆变变压器一次侧线电流为； =113.4A 1 240.5 0.816 1.73 T I 3.3.4 逆变变压器容量 逆变变压器容量计算为： （3-8） 2dnTSTIVT SKK UI 式中：KST为变压器等值容量计算系数 KST=1.05； 查表 3-1 可得 KIV=0.815； UT2为逆变变压器的二次侧线电压 UT2=219.2V。 Idn为转子整流器输出直流电流额定值，由上面计算得出：Idn =240.5A 代入式（3-8）可得逆变变压器的容量为： 第三章 串级调速系统主回路设计 - 11 - ST=1.050.815219.2240.5=45113W 由以上计算可以进行逆变变压器的选择，我们选择变压器的标准是根据所 选择的变压器的电压与电流以及变压器容量要大于要求的相应的电压、电流以 及计算得出的变压器容量值。由此我们通过查询电机手册可以选择出逆变变压 器的型号为 SL7-50，其具体参数见表 3-2。 表 3-2 变压器 SL7-50 的技术参数 额定容量（KVA）50 空载损耗（KW）0.19 空载电流（）2.6 负载损耗（KW）1.15 3.4 晶闸管的选择 在 110KW 绕线式异步电机的串级调速系统中，由于电压较高单个晶闸管 不能够承受电路产生的正常电压，这就要求要几个晶闸管串联使用。在本次设 计中每个桥臂上的串联晶闸管的数目为 N=2，单个晶闸管的反向重复电压就可 以计算出来，如下： （3-9） 2 (2 3) UTT RRM AV K U U KN 式中：通过查表 3-1 可得电压计算系数 KUT=；2 KAV为均压系数，其值一般可以取 0.80.9 之间； 逆变变压器二次侧线电压 UT2由上文计算得：UT2 =219.2。 代入式（3-9）可得晶闸管反向重复电压为： =4.84V 2.52219.2 0.8 2 RRM U 逆变部分的桥臂并联元件支路数为则晶闸管额定电流为:3 P N 第三章 串级调速系统主回路设计 - 12 - （3-10） dmax 1.52 IT F ACP I I KN （）K 式中：KIT为电流计算系数，查表 3-1 可得：KIT =0.367； Idamx为整流器最大直流整流电流，由上文计算可得：Idamx =793.6； KAC为均流系数，一般可以在 0.80.9 之间取值。 代入式（3-10）可得： =242.7A 2 0.367 793.6 0.8 3 F I 由上面计算可以进行晶闸管的选择，我们所要选择的晶闸管的电压与电流 要大于上式所计算数值，通过查询电工手册可以选用晶闸管型号 KP300,其具体 参数见表 3-3。 表 3-3 晶闸管 KP300 的主要技术参数 通态平均电流（A）300 通态峰值电压（V）2.6 维持电流（mA）300 门极正向峰值电压（V）16 门极正向峰值电流（A）3 3.5 平波电抗器的选择 整流器的输出电流是脉动的，为了保证电机的正常运行应该在整流电路中 加入平波电抗器。通过配置一定电感的平波电抗器来保证整流电路的电流的连 续。 保证整流电路的连续性，所需要的电感量为： do L （3-11） 2 do1 dmin =mH U LK I 式中：K1为与整流电路形式有关的系数，见表 3-4 可得：K1 =0.695； U2为整流电路的输入端电压，也就是绕线式异步电机转子电压：U2 第三章 串级调速系统主回路设计 - 13 - =349V；Idmin为最小负载电流： Idmin=5Inon=5196=9.8A 代入式（3-11）可 得保持整流电路电流连续所需要的电感量为：=24.5mH d0 L 表 3-4 整流电流的系数 输出端形式系数单相半波单相全波单相半控桥三相全控桥 K12.71.671.670.655 K25.052.82.80.925 输出端有换 流二极管 KB6.376.373.183.9 K1_1.670.695 K2_2.81.05 输出端没有 换流二极管 KB_3.183.9 电动机电感的计算： 3 e d ee =10 m 2Pn D U LKH I 式中：KD为与电动机的种类有关系的系数，本次设计所使用的电机是绕线式异 步电动机无补偿电机，取 KD=7； Ue为电动机额定电压 Ue=380V； Ie为绕线式异步电动机的额定电流 Ie=201.3A； P 为电动机磁极对数，P =4； ne为电动机额定转速，ne =1458rpm。 代入式（3-11）可得电动机的电感为： =1.13mH 3 d 380 =710 24 1458201.3 L 如果使整流电路的电流连续所需要的平波电抗器的容量是： =24.5-(1.13+3.34)=20mH ddo =L - BD L（L +L ） 第三章 串级调速系统主回路设计 - 14 - 由上面的计算参数，通过查询电工手册可得所选的平波电抗器型号是 GB-88。 3.6 保护装置的设计 虽然晶闸管的使用使得串级调速系统的控制变的简单、方便、可靠。但是 由于晶闸管是非常脆弱的，非常容易受到过电压、过电流的影响而遭到损坏。 因此，为了保证系统的稳定运行必须在电路中加装保护装置。 3.6.1 电压保护 为了保护元件免遭受脉冲电压的冲击，应在电路中加装电压保护装置。电 压保护一般为阻容保护和压敏电阻保护。 （1）阻容保护 串级调速系统由于逆变电路直接与逆变变压器相连接，为了防止过电压的 出现在串级调速系统中加装阻容保护装置来吸收产生的过电压，为了保护晶闸 管免受因过电压的产生而受到损坏，应在电路中加装阻容保护装置。如图 3-1 电路中加装的电容电阻分别为： （3-12） 2 2 6i C U S （3-13） 2 2k 2.3 i UU R S 式中：S 为变压器单相的容量：=15KW； 3 T S S U2为变压器二次相电压：U2 =220V； i为逆变变压器的磁电流百分数，可取：i =7； UK为逆变变压器的短路比，可取 UK=5。 由上面的参数值，代入式（3-12）和式（3-13）就可以计算得到相应的电容和 电阻值： =13 3 2 6 7 15 10 220 C F 第三章 串级调速系统主回路设计 - 15 - =6.3 2 3 2.3 2205 15 107 R 表 3-5 变压器连接及阻容选择 变压器接法单相三相二次 Y 联接三相二次 D 联接 阻容装置接 法 与变压器二 次侧并联 Y 联接D 联接Y 联接D 联接 电容CC 1 3 C3CC 电阻RR3R 1 3 RR 查上表 3-5 可知：所求电容： 0 1 4.3 3 CCF 所求电阻： 0 318.9RR 因此，可选择 20电阻 3 个，型号为 CJ10/11 的电容 3 个。 （2）关断保护 由于在整流电路中有电抗器等容性元件，当电路突然发生断开时会产生很 大的感应电流。为了防止感应电流对晶闸管造成损伤在电路中应该加入关断保 护装置如图 3-1。 所需要的电容值为： （3-14）(2 5) 103 T CI 所需要的电阻值为： （3-15） 1 2 (1 3)() B L R L 将参数数值代式（3-14）和（3-15）可得:；R=1.374.2CF1.37R 因此可以选择 2 电阻 6 个，型号为 CJ10/11 的电容 6 个。 （3）压敏电阻保护 在串级调速系统中，为了防止浪涌电压对整流逆变电路造成损坏，应该在 绕线式异步电机的转子侧加装压敏电阻。压敏电阻的额定工作电压为，则 e U 第三章 串级调速系统主回路设计 - 16 - （3-16） em 89 UU 式中 Um为压敏电阻承受的额定电压峰值，Um =349V，代入式（3-16）得 Ue101V，故可选 3 个压敏电阻的型号为 MYG10K471。 e 101UV 3.6.2 电流保护 当系统过载运行时，会使得整流电路中的电流增加，过电流会对晶闸管等 元件造成损坏，由上文我们知道在整流电路中流过晶闸管的电流的有效值为 242 因此可选择快速熔断器的型号是 NGCT1，通过晶闸管的平均值为 200A 因 此可选用 RED-RW11-10。 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 17 - 第四章 串级调速系统控制回路设计 在进行电流环和转速环的设计时，必须应该先进行其他环节的建模，其相 应环节的数学模型如下。 4.1 串级调速系统各部分数学模型 4.1.1 串级调速系统主回路（直流回路）的传递函数 直流回路的输入量是转子空载整流电视 s和逆变器空载逆变电视之差， d0 U i U 输出量是，它们之间的关系可以用直流回路的动态电压平衡方程式便是为 d I （忽略管压降） S=+ （4-1） d0 U i U d t d d I L d R I 上式中，为逆变器输出的空载电压，=2.34;为转子直流回路总 i U i U r cos T U L 电感，=L+2+2;为折算到转子侧的电动机每相漏感；为折算到L 0D L T L 0D L T L 二次侧的你变变压器每相漏感；L 为平波电抗器电感；为转差率为 s 时的转R 子直流回路等效电阻， = （4-2）R 33 s+ DB DBDK XX RRR 代入上式可得： （4-3） d d0d0id s dn =+ ndt I UUULR I 将上式两边同时去拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数为： （4-4） dsn d0 n d0i s = s+1 nss n L L IK U T U （） （）U （） 转子直流回路相应的结构 nnn 1 =;= LLL L TKK RR 为转子直流回路的放大倍数，。 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 18 - 图如图 4-1 所示。由于该环节的时间常数和放大倍数都是转速 n 的函数， nL T nL K 所以它是非定常环节 4.1.2 异步电动机的传递函数 由于串级调速系统一般运行于第一工作区，异步电动机的电磁转矩为： （4-5） eirddd s 13 = DT TC I （2. 34EX I ）I 电力拖动系统的运动方程式为： （4-6） 2 ei dn 375 dt L GD TT 或 （4-7） 2 d dn () 375 dt TL GD CII 式中，为负载转矩所对应的等效负载电流。 L I L T 这样就可以得到相应的绕线式异步电机在串级调速中的传递函数 （4-8） 2 d ns11 s = 1sss .s 375 D LD T W GDIT C （） （） （）I（） 在这个式子中，,由于系数是电流的函数，因此也是电流 2 1 . 375 D T GD T C T C d I D T 的函数，因此也是电流的函数，而不是常数。 d I D T d I 4.1.3 逆变环节的传递函数 触发逆变环节的输入是触发器的控制电压，输出是空载逆变电势， k U i U 这是个纯滞后环节，由晶闸管电路知识可知，其传递函数为： 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 19 - （4-9） s s s s = s+1 K W T （） 式中，、分别为晶闸管逆变器的放大倍数和时间常数；是转子整流电 s K s K s K 压最大值和逆变器控制电压最大值的比值；=0.0017s，其动态结构 i0 U maxK U s T 图见图 4-1。 本次设计的水泵电机为 YR280S-4，该绕线式异步电机的转速时 1458rpm， 控制环节的电压要求不大于 60V，因此选用的测速发电机为 ZCFY-12TH，其具 体参数见表 4-1。 表 4-1 测速发电机 ZCFY-12TH 电压（V）55V 转速（r/min）1900 电流（A）0.08 由于绕线式异步电机的转子空载电压为 349V，在控制电路中的电流过大会 对控制回路造成损坏，为了保护控制回路中的小整流环节的二极管免受损坏， 选用的电流互感器为 LMW-100/1。 本次设计所采用的稳压电源型号为 SCWY-30，其具体参数见表 4-2。 表 4-2 SCWY-30 稳压电源技术参数 输出电压（V）030 输出电流（A）05 频率计测频灵敏度小于 100mV 交流互感器不能与控制电路直接向连接，需要一个整流电路将交流变为直 流，如图 4-2 所示，所选择的二极管的型号为 IN4007。 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 20 - - n+ dL I - - - + n U - + * n U i U n ns+1 L L K T d0 1 n U oi ons+1 K T it ois+1 K T 1 s D T on 1 s+1T ASR oi 1 s+1T ACR s ss+1 K T 图 4-1 转速、电流双闭环负反馈串级调速系统的动态结构图 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 21 - 本次设计所采用的稳压电源型号为 SCWY-30，其具体参数见表 4-2。 表 4-2 SCWY-30 稳压电源技术参数 输出电压（V）0-30 输出电流（A）0-5 频率计测频灵敏度小于 100mV 交流互感器不能与控制电路直接向连接，需要一个整流电路将交流变为直 流，如图 4-2 所示，所选择的二极管型号为 IN4007。 电位器的选择：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没 有显著影响，取测速发电机的最高电压时，其电流约为额定值的 20那么： e p d n0.042 1458 512 0.20.2 0.6 N N C R I 因此，选用 520 的滑动电位器作为测速发电机的输出环节。 触发器选择的型号为 KJ004，其具体参数为：正电压源电压=15V，负电压 源电压=15V，正电源电流=15mA，负电源电流=10mA，移相范围为 170 度。 图 4-2 整流电路 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 22 - 4.2 电流环的设计及元器件选择 忽略反电动式的动态结构框图如图 4-3 由表 4-3 可得到整流装置的之后时间常数：=1.67ms s T s T0.0017s 表 4-3 各种整流电路的失控时间 整流电路形式最大失控时间 smax/ms T平均失控时间 s/ms T 单相半波2010 单相桥式全波105 三相半波6.673.33 三相桥式、六相半波3.331.67 为三相桥式电路中每个波头的时间，为了达到滤平波头的目的，应3.3ms 该有，故可取。计算电流环小时间常数： oi 12=3.33ms（）T oi=2ms=0.002s T i T 由小时间常数近似处理可得：=0.0037s i T soi +TT 式中：为三相桥式电路的平均失控时间=； s T s T0.0017s 为电流滤波时间常数：=。 oi T oi T0.002s + ois+1 T l 1 s+1 R T s ss+1 K T ACR oi 1 s+1T * i sU（） - c sU（）d0 sU（） d sI（） 图 4-3 电流环动态结构图 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 23 - 电流调节器结构的选择：根据任务书的要求，电流环的超调量，故 i 5 可以按 I 型进行设计电流调节器。电流环的控制对象是双惯性的，可以选用 型的电流调节器，根据上文叙述我们可以写出电流环的传递函数：PI i i i s+1 ( ) s ACR WSK 电流环的超调量由表 4-4 可得：=0.5 i 5 iI K T 整理上式可得： =135 i 0.50.5 = 0.0037 I K T 水泵电机型号为 YR280S-4 电机的电枢回路电磁时间常数为，为了使 l=0.042s T 得调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消选择。 il = =0.042sT 因此电流调节器的比例系数是：=1.32 i i= I S K I R K K 可以取得运算放大器的电阻：电流调节器见图 4-4，则以下的电阻与 0=50 RK 电容值分别为：；=0.16。 ii0 =66RK RK i i i =0.6CF R oi oi 0 4 = T C R F 4.3 转速环的设计及元器件的选择 类似于电流环中，我们可以对其结构图进行相应的变换，可将转速给定滤 波和反馈滤波移动到环内。如图 4-5，近似形成一个时间常数，惯性环节可以 写成： non 1 = I TT K 确定时间常数：电流环等效时间常数，由表 4-2 可知：； i=0.5I K T 则电流环等效时间常数； i 1 2=2 0.0037=0.0074s I T K 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 24 - 转速滤波时间常数为 onon 1 =0.0174s I TT K 表 4-4 典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系 KT 0.250.390.500.691.0 阻尼比1.00.80.7070.60.5 超调量01.54.39.516.3 上升时间 r t6.6T4.7T3.3T2.4T 峰值时间 p t 8.3T6.2T4.7T3.6T 相角稳定裕 度 76.369.965.559.251.8 截止频率 c 0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T 调节器结构的选择：如图 4-6，由于速度环节要求跟随性能较好，查表 4- 5 得取。h=5 i C i R d - I oi C 0 2 R 0 2 R oi C * i U 0 2 R 0 2 R 图 4-4 电流调节器 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 25 - 表 4-5 典型型系统阶跃输入跟随性能指标 h345678910 52.643.637.633.229.827.225.023.3 r t /T 2.402.562.853.03.13.23.33.35 s t /T 12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20 k32211111 转速环节的超前时间常数为： nn =h=0.087sT 转速环节的比例系数为： em n n n+16 0.042 0.18 0.18 =13.4 2n2 5 0.007 0.5 0.0174 T K RT （）C 取放大器的电阻则： 0=50 RK d s L I（） ns（） - + d sI（） * i sU（） - + * n sU（） ons+ T ems R C T 1 1 s+1 I K ASR on 1 s+1T 图 4-5 转速环的动态结构框图 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 26 - ；。 nn0 =670RK RK n n 3 n 0.087 =0.148 585 10 CFF R on on 0 4 =0.8 T CF R 4.4 设计指标校验 1、电流环的校验： 晶闸管整流装置传递函数的近似条件为： 满足近似条件 -1-1 ci s 11 =196.1s=135.1s 33 0.0017 I K T 忽略反电动式变化对电流环动态影像的条件为： 符合要求 ci ml 11 3=3=10.915 0.18 0.042T T 电流环小时间常数近似处理条件为： 符合要求 ci soi 1111 =180.8 330.0017 0.002TT * n U n C n R bal R - n on C on C 0 2 R 0 2 R 0 2 R 0 2 R * n U 图 4-6 转速调节器 第四章 串级调速系统控制回路设计 - 27 - 由查表 4-2 可得：。因此，符合本次设计 0i0=0.42I K T1.54.35 要求指标。 2、转速环的校验： 作为转速的超调量其中，其基准值而应该是查表 4-4 可得 n * n （4-10） maxbmax n * nn n =2()( -z) n N m T CCn CnCnT （） 通过以上计算以及查的电机手册可得上式中的参数：启动电流倍数为，转=3 子回路的电阻为，转子整流器输出直流电流额定值为，绕0.5R d 240 N IA 线式异步电动机的额定转速为=1458rpm，=0.132Vmin/r，上式计算得出nN e C ，当由表 4-6 可得： m=0.18s T n=0.0174s Th=5 81.2 b max C C 代入式（4-10）可得： n 240.5 0.5 0.174 0.132 =2 81.21.5=0.0694 14580.18 由此可得，满足本次设计的要求。 n=6.94 10 表 4-6 系统动态抗性指标与参数的关系 h345678910 max b C C 72.277.581.284.086.388.189.690.8 m t /T2.452.702.853.003.153.253.303.40 v t /T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85 结 论 - 28 - 结 论 本文对水泵电机串级调速系统做了细致的研究，在本次的设计中，通过对 水厂的参观调研，首先对供水的流程有了一个大致的了解，然后分析了主回路 和控制回路结构。在设计过程中，参阅了大量资料并进行了多方案的选择比较， 交流电机调速分为串级调速、变频调速和变电压调速。由于变电压调速的调速 范围很窄，因此不予选用，本文主要是对变频调速和串级调速做了比较，最终 确定选用的交流调速方式为串级调速。 在对串级调速系统设计过程中，首先对主回路的设计，其中为了系统的运 行安全，本文增加了保护装置的设计，主要包括电压保护和电流保护。其中电 压保护包括压敏电阻保护、阻容保护和关断保护。在对控制回路设计时，首先 对各部分进行了数学模型的建立，其次对电流环和转速环进行设计。最终对串 级调速系统进行校正。 参考文献 - 29 - 参考文献 1 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2003 2 姜泓，赵洪.电力拖动交流调速系统.武汉：华中科技大学出版社，1996 3 张少军，杜金城.交流调速原理及应用.北京：中国电力出版社，2003 4 杨振铭.串级调速系统的谐波和抑制.电气传动，1989 5 陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.北京:械工业出版社,2005 6 宋家成，张东亮，张春雷，段俊龙.交流调速系统应用与维修.中国电力出版社，2008 7 王君艳.交流调速.高等教育出版社，2003 8 白晶，李志民.交流调速控制系统.电子工业出版社，2003 9 李华德.交流调速控制系统.电子工业出版社，2003 10 A.Lavi and R.J.Polge. Induction motor speed control with static inverter in the rotor.IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems,January 1966,Vol85:7684 11 E.Akpinar and P.Pillay.Modeling and performance of slip energy recovery induction motor drives using a linearization technique.IEEE Trans.On Energy Conversion,March 1993 致 谢 - 30 - 致 谢 在这次毕业设计中，首先应该感谢我的指导老师：李素玲老师，李老师在 在毕业设计之初为我联系了单位进行参观，使我对于自己所做的课题有个大体 的了解，在做毕业设计中李老师在百忙之中抽出时间为我们解答问题。李老师 对我们严格要求使我们学到了许多新的知识，也使我们懂得怎么灵活的应用我 们自己所学到的知识。其次也要感谢我的同学，他们总是在我遇到困难时候对 我提出帮助，为我解答疑惑，在老师和同学的帮助下我才能顺利完成本次的毕 业设计。 附录 - 31 - 附录 水泵电机的串级调速系统电气原理总图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:5-Jun-2012 Sheet of File:D:件件ExamplesMyDesign5.ddbDrawn By: SL7-50 116 20A R0 x3 20 4.3uFx3 116 A 116 A KP300 x6 NGCT1x6 116 A 116 A 116 R6 x6A 116 A 116 A 116 R6x6A 2 5uFx6 20mH 2CP3x6 RED-RW11-10 YR280S-4 A - + ZCFY-12TH Rp IN407x6 Coi 116 A 116 A 116 66kA 0.6uF 25Kx4 0.16uFx2 R7 Ui 25kx4 Con 67k 0.15uF 116 A 116 A 0.8uF 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 A 16 B 15 C 14 D 13 E 12 F 11 G 10 H 9 J? CONNECTOR EDGE44 CXW-380/40 VT1 2N1136 R1 4.7K VT2 2N1008 R3 220 VD2 3Z10 VD2 MZ82 R4 2K 10uF R2 1K R5 2.2 Rex6