毕业设计（论文）-次同步转速下串级调速系统设计与仿真研究.doc

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1、摘摘 要要 本文介绍次同步转速下串级调速系统，它是通过绕线式异步电动机的转子回路 引入附加电动势而产生的，属于转差功率回馈型调速系统，具有结构简单、可靠、 经济、维护方便等优点，在工业生产中得到了越来越广泛的应用。串级调速是异步 电动机十分经典的调速方法之一，它可以实现无级平滑调速，是结构简单、发展较 快、技术难度较小、性能比较完善的一种控制系统。串级调速技术除可用于新设备 设计外，还可用于对旧设备进行技术改造。因此，研究和应用串级调速技术具有极 大的技术和经济意义。本文着重对异步电动机串级调速系统的工作原理，静、动态 基本性能等进行分析研究；进行转速、电流双闭环串级调速系统的动态参数设计；

2、讨论了具有双闭环控制的串级调速系统的工作过程，并用 MATLAB 软件对系统性能进 行了仿真。 关键词：异步电动机；串级调速；转差功率回馈型；MATLAB 仿真 I Abstract In this paper, cascade thyristor speed control introduces additional Emf through the rotor loop of the wound-induction motor, which belongs to slip power feedback system and is simple in structure, reliable,

3、economic and easily maintained, and has won increasingly broad applications in industrial production. Cascade speed control is one of the very classic speed control method in asynchronous motor, which can realize stepless smoothing speed. It is a simple and rapid control system with low level of dif

4、ficulty in techniques and rather perfect performance. Thyristor cascade speed control technology can be used in technical transformation for old equipment in addition to the design of new equipment. Therefore, study and application of thyristor cascade speed control technology are of great technical

5、 and economic significance. In this paper, the working principle and the basic performance of cascade speed control system in induction motor are studied emphatically. The dynamic parameters of cascade speed control system using both speed loop and current loop are designed under the condition of kn

6、own static and dynamic performance requirements. The working process of cascade speed control system with double-closed-loop is discussed and the simulation for the system performance are made with MATLAB software. Keywords: Asynchronous motor；Cascade Speed Control；Slip power feedback；MATLAB simulat

7、ion II 目目 录录 1 绪论1 1.1 交流调速系统的发展.1 1.2 交流调速技术现状.1 1.3 课题研究意义.2 1.4 课题分析与研究计划.3 1.5 社会经济效益分析.3 2 串级调速的基本原理5 2.1 交流调速方式.5 2.2 异步电动机串级调速原理.6 2.3 串级调速的各种基本运行状态及功率传递关系.8 2.4 串级调速系统的基本类型.10 2.5 串级调速系统方案的确定.11 3 串级调速系统的调速特性和机械特性13 3.1 串级调速系统转子整流电路的工作状态.13 3.2 串级调速系统的调速特性.14 3.3 次同步串级调速系统的机械特性.15 3.3.1 异步电动

8、机在自然接线方式下的最大转矩16 3.3.2 串级调速异步电动机工作在第一工作区内的机械特性16 3.3.3 串级调速异步电动机工作在第二工作区内的机械特性18 4 控制环节单元电路研究20 4.1 反馈检测装置.20 4.1.1 电流检测装置20 4.1.2 转速检测环节20 4.2 电流、速度调节器结构选择.21 4.2.1 电流调节器 ACR 的结构21 4.2.2 速度调节器 ASR 的结构21 4.3 给定积分器.22 5 次同步串级调速系统的工程设计研究23 5.1 系统电路及原理图设计.23 5.2 实验调试及数据分析.24 5.2.1 直流测速发电机的工作特性24 5.2.2

9、串级调速系统开环工作机械特性26 III 5.2.3 串级调速系统单闭环工作机械特性27 5.2.4 串级调速系统双闭环工作机械特性30 5.3 串级调速系统的 MATLAB 仿真研究33 5.3.1 用 MATLAB 建立双闭环串级调速系统的仿真模型.33 5.3.2 系统仿真波形及其分析35 结 论39 参考文献40 致 谢41 附录 MATLAB 简介42 0 1 绪论绪论 1.1 交流调速系统的发展交流调速系统的发展 直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生。在 20 世纪上半叶，鉴于直 流电动机优良的调速性能和转矩控制性能，在高精度可调速的拖动技术领域中，相 当长时期内几乎都

10、采用直流电动机。然而由于直流电动机本身结构带有电刷和换向 器，成为限制自身发展的主要缺陷，导致其生产成本高、制造工艺复杂、运行维护 工作量大，不能在粉尘、爆炸危险等恶劣环境下使用。而且由于机械换向限制，其 最大供电电压与机械强度均有限，所以直流电动机的单机容量、转速的提高以及使 用环境都受到限制，很难向高速和大容量方向发展，从而限制了直流拖动系统的进 一步发展。近年来，其发展速度明显滞后于交流调速系统。 交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、坚固耐用、经济可靠等突出优点， 且能在恶劣的甚至在有易燃易爆性气体的环境中安全运行，因而被广泛应用，几乎 所有不调速的拖动场合都采用交流电动机。因此不少

11、国家就致力于交流电动机调速 技术的研究，而且交流调速系统的方案也早有多种发明并得到实际应用，但其性能 却始终无法与直流调速系统相匹敌。其主要原因是决定电动机转速调节因素的交流 电源频率的改变和电动机转矩控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性、可靠性、 经济性及效率均不能满足生产要求。近年来，随着新型大功率半导体器件、大规模 集成电路、计算机技术的发展和电力电子器件的更新换代，加上交流电动机本身的 优越特性，交流调速技术获得飞速发展。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调 速范围、较高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率等优异性能，交流传 动控制系统逐步取代直流调速已成为明显的发展趋势。 1

12、.2 交流调速技术现状交流调速技术现状 目前，具有代表性的交流调速系统有：晶闸管调压调速系统、异步电动机串级 调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统、矢量变换控制系统等。在交 流电动机的控制策略方面，出现了交流电动机的矢量控制技术，这种理论的提出和 1 成功应用， 为高性能交流调速装置奠定了理论基础，使交流电动机的调速技术取得 了突破性进展，开创了用交流调速系统代替直流调速系统的时代。20 世纪 80 年代 掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步完善和发展，一些新的控制策略和方法相 继提出并被采用，例如“直接转矩控制”就是 80 年代中期提出的又一交流调速控制 技术，它采用闭环控制，直接

13、控制电磁转矩和定子磁链，系统更加简单，控制更加 直接，受到各国的重视。 近几年来，各国学者正致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电 压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器。由于无速度传感 器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦， 提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛的兴趣。 随着现代控制理论的发展，交流调速控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控 制、人工神经网络、自适应控制、模糊控制等各种控制策略正在不断涌现，展现出 更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速控制技术的发展。可以预计，高性能交 流调速系统的发展必将取代直流调速系统

14、成为电力拖动领域的主要力量。 1.3 课题研究课题研究意义意义 在异步电动机的各种调速技术中，变频技术具有调速精度高、特性硬和可靠性 高等特点，应用十分广泛。特别是对于低电压等级的交流电动机调速，变频技术已 经很好的解决了节能问题并得到了广泛应用，有非常广阔的发展前景。但是当调速 电动机功率较大时，采用变频调速变流元件将面临承受高压变流问题，因而困难较 多，且装置复杂、庞大，初期投资大，要求使用和维护的技术水平高，成本显著增 加，使得企业节能降耗、提高效益的目标不能实现。所以对于大功率交流异步电动 机调速问题，特别是高压电动机调速问题，定子回路变频调速难以实现。串级调速 是一种简单实用又经济的

15、交流异步电动机调速方法，它是在转子回路中串入附加电 动势，通过改变附加电动势的大小，来达到改变转子电流进而改变电磁转矩和转速 的目的。串级调速的根本点不是去控制电机的定子侧，而是控制转子侧，通过对电 机转子电流的控制改变电机的转差率进行调速。由于串级调速装置承受的是转子回 路低得多的电压和较电机额定功率小得多的转差功率，所以高压串级调速的经济性 2 明显优于变频调速。由于采用晶闸管的串级调速系统在效率、机械特性等本质方面 和变频调速几乎是完全一致的，尤其在节能方面，串级调速具有突出的优势，特别 是晶闸管次同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而在电机拖动中获 得了广泛应用。 本文着重对

16、绕线转子交流异步电动机转差功率回馈型调速系统即异步电动机串 级调速系统的工作原理和工作特性进行深入分析与研究。在此基础上建立串级调速 系统的数学模型，设计次同步晶闸管串级调速系统，用计算机仿真工具 MATLAB 及其 SIMULINK 工具箱建立串级调速系统的仿真模型，并且用 MATLAB 对串级调 速系统进行仿真研究，进一步分析交流调速系统的静、动特性，论证仿真模型的正 确性以及利用 MATLAB/SIMULINK 进行系统建模与仿真的有效性和可行性，为今 后更深入的研究提供有效手段，具有重要的理论意义和实用价值。 1.4 课题分析与研究计划课题分析与研究计划 本文内容主要分为五部分。第一部

17、分从绕线转子异步电动机习惯使用的转子串 电阻调速方法的缺点入手，讨论控制转子变量的另一种调速方法即次同步串级调速 系统的工作原理；第二部分为了获得异步电动机在串级调速时机械特性的计算公式， 详细分析异步电动机在转子接有整流器时整流电路的工作状态，提出转子整流电路 的强迫延迟导通工作的概念；第三部分对转速、电流双闭环串级调速系统主电路主 要元器件进行选择；第四部分分析双闭环串级调速系统控制回路各单元电路的组成 及工作原理；第五部分对双闭环串级调速系统进行工程设计，用 MATLAB 软件对 系统性能进行仿真研究，并与其它调速系统性能进行比较。 1.5 社会经济效益分析社会经济效益分析 以造纸行业为

18、例，造纸业是我国基础工业之一，在国民经济中占有重要地位。 早期的造纸机及多数对速度调节控制要求较高的工业设备都采用直流调节控制装置， 驱动直流电动机进行速度调节控制。我国造纸机传动设备以前采用晶闸管直流调速 方式，由于老式纸机很多采用单直流电机传动，且通过机械分配转速的方式进行调 速，在生产过程中经常因为机械磨损、皮带打滑等因素造成速度匹配失调，形成断 3 纸、厚薄不均等现象，同时由于现场高温潮湿而使电机维护量增加。为了优化产品 质量，提高劳动生产率，可以将其改为多电机分部传动，即取消直流电机及其动力 的机械传动部分，在每一个传动分部安装交流电机并配置相应的变频器，同时采用 交流多点传动方式，

19、结合速度控制、张力控制、负荷控制等不同的方式进行传动配 置。为了生产过程中纸页特性变化的需要，传动除了保证高精度的同步控制外，还 必须能够在一定范围内调节车速。 据统计，我国拥有 3780 多万吨生产能力，单机生产能力在 5 万吨以上的不足三 分之一，尚有三分之二以上的生产能力需要投入巨资改造，其中至少三分之一的纸 机需要部分或全部更换原来的传动部分以提高车速或降低能耗。事实证明，造纸业 是高能耗企业，每吨纸所耗电能都在 500 度以上，电力消耗十分严重。 由此可见，通过交流电动机在一定范围内调速来满足生产工艺要求，是提高造 纸业运行效率和降低耗能的主要手段。可以预计，交流调速装置在造纸业的应

20、用可 为企业带来极大的经济效益，节能潜力非常大。 4 2 串级调速的基本原理串级调速的基本原理 2.1 交流调速方式交流调速方式 根据交流异步电动机的转速表达式 n=(1-s)可知，交流电动机的调速方案主 p f160 要有三种：改变极对数 p 调速、改变转差率 s 调速及改变定子供电电源频率 f 调速。 1 其中改变转差率 s 的调速方法又可以通过调定子电压 U 、转子回路串电阻 R 、转 11 子附加电动势 E 及采用电磁离合器来实现。从能量角度看，从定子传入转子的电磁 f 功率 P可分为两部分：一部分 P P =(1-s) P是拖动负载的有功功率，称为机械 MooM 功率；另一部分 P

21、P =s P是传给转子回路的转差功率，与转差率 s 成正比。从 ssM 能量转换的角度，根据转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，可以把异步电 动机的调速系统分成以下三种类型。 1转差功率消耗型调速系统 在这类调速系统中，全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的调 定子电压 U 、转子回路串电阻 R 和采用电磁离合器这三种调速方法都属于这一类。 11 这类调速系统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒 转矩负载时），转速越低，效率也就越低。但这类系统结构最简单，设备成本较低， 因此还有一定的应用场合。 2转差功率回馈型调速系统 在这类调速系统中，转差功率的一部分

22、被消耗掉，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置回馈电网或转化为机械能予以利用，转速越低时回收的功率也越多，上 述转子附加电动势 E 调速方法属于这一类。这类系统效率较高，但要增加一些设备。 f 3转差功率不变型调速系统 5 在这类调速系统中，除了不可避免的转子铜损外，无论转速高低，转差功率的 消耗基本不变，因此效率更高，上述的变极对数 p 和变压变频这两种调速方法属于 此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。而变压变频调速应用很广，可 以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速。但是需在定子回路中配备与电 动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本较高。 2.2 异步电动机串级调速原

23、理异步电动机串级调速原理 绕线式异步电动机的结构特点是转子的三相绕组通过滑环可以引出来。对于绕 线式异步电动机，可以通过在转子回路串入附加电阻来减小电流，增大转差率，从 而改变转速。这种调速方法因串入附加电阻而增加的转差功率在转子附加电阻上变 成热量被白白消耗掉，使系统的整体效率降低。串入的电阻越大，转速越低，转差 率就越大，消耗的功率就越大，效率就越低。因此，这种系统调速性能和经济性都 很差，不适合对大容量异步电动机调速，且小功率异步电动机也因效率太低而不适 宜长期运行。 针对绕线式异步电动机转子串电阻调速方法转差功率消耗在电阻上，运行效率 太低的缺点，如果在转子回路不串入三相附加电阻，而是

24、串入三相对称的附加电动 势 E ，通过改变 E 的大小和相位，同样也可以改变转差率来实现调速。如果在调 ff 速的同时，让附加电动势装置吸收转子的转差功率并将其回馈电网或电动机本身。 这样，电动机在低速运行时，转差功率只有小部分被转子绕组本身电阻所消耗，而 其余大部分被附加电动势 E 所吸收，再利用产生 E 的装置可以把这部分转差功率 ff 回馈给电网（或再送到电动机轴上输出），这样就使电动机在低速运转时仍具有较 高的效率，这种在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电动势的调速方法，称为 串级调速。 串级调速完全克服了转子串电阻调速方法的缺点，它具有高效率、无级平滑调 速、较硬的机械特性等许多优

25、点，因此在工业生产上得到了广泛的应用。 异步电动机的调速原理可分析如下： 6 假定异步电动机的外加电源电压 U 及负载转矩 T 都不变，则电动机在调速前 1L 后转子电流近似保持不变。当转子短路时，转子相电流的表达式为 I = (2.1) 2 2 20 2 2 20 )sX(r sE 式中，r 为异步电动机转子绕组每相电阻；X为 s=1 时，转子旋转时转子绕组 220 每相漏抗；E为 s=1 时，转子开路相电动势。 20 如在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相反的附加电动势 E 时， f 如图 2.1 所示。则转子电流为 I = (2.2) 2 2 20 2 2 f20 )sX(r

26、 EsE 由于转子回路合成电动势减小，立即引起转子电流 I 减小，而电动机产生的电 2 磁转矩 T =C I cos 也随之减小，迫使电动机转速下降，转差率 s 增大，转子 eT22 电流 I 开始回升，电磁转矩 T 也相应回升，这一过程一直持续到电动机转矩与负 2e 载转矩重新达到平衡，减速过程结束，电动机便在低于原值的某一转速上稳定运行。 串入反相位 E 的幅值越大，电动机的稳定转速就越低。由此可见，改变 E 的大小， ff 可使电动机在同步转速以下调速，即得到低于同步转速的速度，故称为次同步串级 调速。 图 2.1 异步电动机串级调速原理 7 同理，如果在电动机转子回路中串入一个与 sE

27、同相位的附加电动势 E 时，则 20f 转子电流为 I = (2.3) 2 2 20 2 2 f20 )sX(r EsE 于是，电动机的转子电流 I 增加，电磁转矩 T 也相应增大，电动机转速升高， 2e 转差率 s 减小。随着 s 的减小，转子电流 I 开始减小，电磁转矩 T 也相应减小，当 2e 电磁转矩与负载转矩达到平衡时，减速过程结束，电动机便在高速下稳定运行。E 幅值越大，电动机的转速越高，这种调速方式，称为超同步串级调速。 f 2.3 串级调速的各种基本运行状态及功率传递关系串级调速的各种基本运行状态及功率传递关系 如上所述，在绕线转子异步电动机转子回路中引入可控的附加电动势并改变

28、其 数值，就可以实现对电动机转速的调节。这个调节过程必然在转子侧形成功率的传 送，或者是把转子侧的转差功率传输到与之相连的交流电网或外电路中去，或者是 从外面吸收功率到电动机转子中来。从功率传送的角度看，可以认为是用控制异步 电动机转子中转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的调节。因此，串级调速 的各种基本运转状态可以通过功率的传递关系来加以说明。 为简单起见，忽略机械损耗和杂散损耗，异步电动机在任何状态下的功率关系 为 P=s P+(1-s) P (2.4) MMM 其中，P为从电动机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率；s P M 为输入或输出转子电路的功率，即转差功率；(1-s

29、) P为电动机轴上输出或输入的 MM 功率。 由于转子侧串入附加电动势极性和大小的不同，s 和 P都是可正可负，因而可 M 以有以下五种不同的工作情况。 (1) 次同步转速下的电动运行 8 转子回路串入的附加电动势 E和E 相位相反，电动机减速，所以 s0，(1-s) P0，说明电网向电动机定子输入的电磁功率 P MM 一部分变为机械功率从轴上输出，另一部分变为转差功率通过产生 E 装置回馈给 Mf 电网。 (2) 电动机在反转时的倒拉制动运行 设电动机原在转子侧已接入一定数值- E 的情况下作低速电动运行，其轴上带 f 有位能性恒转矩负载，此时若继续增大附加电动势的数值，且使|- E|E，就

30、能使 f0d 电动机反转进入倒拉制动运行状态，即 s1，根据 s P0，(1-s) PsE由式(2.2)可知，I 变为负值， ff202 电动机进入发电回馈制动状态，0 U 。 di 图 2.2 次同步串级调速系统 11 根据生产工艺对静、动态调速性能指标要求的不同，串级调速系统可以采用开 环控制和闭环控制。对于技术性能指标要求不高的生产机械设备，如只要求一定调 速范围，而无其他动、静态指标要求的生产机械，为简单、可靠地运行，通常选择 开环控制的串级调速系统；对于技术性能指标要求较高的生产机械设备，应选择闭 环串级调速系统。采用比例积分调节器的单闭环串级调速系统，虽然能加快调节， 并最终消除静

31、态误差，但由于此系统中只有速度负反馈，没有电流负反馈，所以抗 干扰能力较差。因此在电力拖动系统中用得较少，而转速、电流双闭环串级调速系 统可以克服上述缺点。双闭环串级调速系统不仅具有较硬的机械特性，而且动态响 应速度快，抗扰动能力强，容易实现过流保护。所以根据工业控制系统对静、动态 性能指标要求，采用转速、电流双闭环串级调速系统。 典型的次同步串级双闭环调速系统主要有绕线转子异步电动机 M、三相桥式二 极管整流器 UR、三相桥式晶闸管有源逆变器 UI、逆变变压器 TI、触发装置、电流 调节器 ACR、速度调节器 ASR 和信号检测等部分组成。以速度调节器的输出作为 电流调节器的给定，电流调节器

32、的输出作为逆变器的控制电压，转速反馈信号取自 与异步电动机同轴连接的测速发电机 TG，电流反馈信号通过交流互感器 TA 取自逆 变器交流侧。通过改变转速给定信号 U的值，可以实现调速。例如，当转速给定 sn 信号 U逐渐增大时，电流调节器 ACR 的输出电压也逐渐增加，使逆变角逐渐增 sn 大，电动机转速 n 也就随之升高。为防止逆变器逆变颠覆，当电流调节器 ACR 输出 电压为零时，应整定触发脉冲使输出相位角为最小值，通常限制 30。 min min 为了使系统既能实现转速和电流的无静差调节，又能获得快速的动态响应，两个调 节器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 调节器。 12 3 串级

33、调速系统的调速特性和机械特性串级调速系统的调速特性和机械特性 3.1 串级调速系统转子整流电路的工作状态串级调速系统转子整流电路的工作状态 由于异步电动机的转子漏阻抗较大，并且接有晶闸管变流器，所以其机械特性 的表达式除与系统的参数有关外，还与负载电流 I 有关。 d 在串级调速系统中，转子三相绕组和整流器连接的整流电路与一般三相桥式整 流电路相似，但要特别注意它与一般整流器有以下几点不同：转子三相感应电动势 的幅值和频率是转差的函数；折算到转子侧的漏阻抗值也是转差率 s 的函数；由于 异步电动机折算到转子的漏阻抗比一般整流变压器大得多，所以换流重叠现象严重， 使换向重叠角加大，转子整流器会出

34、现“强迫延迟换流”现象，从而引起转子整 流电路的特殊工作状态。 由于电动机存在漏阻抗，使换流过程中电流不能突变，因而会产生换流重叠现 象，根据电力电子变流技术理论，转子整流器换向重叠角的一般公式为 cos=1-I (3.1) 20 D0 E6 X2 d 式中，I 为整流电流平均值；E为转子开路时的相电动势有效值；X为 s=1 d200D 时折算到转子侧的异步电动机的每相漏阻抗。 由式(3.1)可知，当 E和 X确定时，整流电流 I 越大，换向重叠角也越大。 200Dd 当 I U，输入偏差电压U 变成负值，速度环退出饱和。因此，在整个升速过程中， fngn 速度环一直处于饱和，这相当于使速度环

35、处于开环状态，系统只在电流环的恒值作 用下以最大电流起动。直至超调后，速度环才真正发挥作用，使转速渐趋稳定。这 样，就巧妙地利用了速度调节器的饱和非线性，在一段时间内使它的作用隔断，使 系统在起动过程中基本上表现为恒流调节。 双闭环调速系统突加给定电压 U后，由于在启动过程中转速调节器经历了不 gn 饱和、饱和、退出饱和三个阶段，因此，整个过渡过程也分为三个阶段。 第一阶段是电流的上升阶段，突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用， 是 U 、U、I 都上升。当 I I后，转速 n 开始增长。由于电动机机电惯性较大， kdoddfz 转速和转速反馈增长较慢，因而转速调节器 ASR 的输入偏差电

36、压U = U-U数 ngnfz 31 值较大其输出电压很快达到了限幅值，并输送给电流调节器 ACR，使其输出 U 迅 k 速增大，从而使触发脉冲从 90初始位置快速前移，迅速地使整流电压 U增大， 0d 进而使电流 I 迅速增大。当 I =I时，U =U，电流调节器的作用使 I 不再增 dddmfigimd 长，而保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器由不饱和很快达到饱和，而电 流调节器一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。这些都是设计时予以保证的。 第二阶段是恒流升速阶段，即以最大电流给定升速。这一段是电流上升到最大 值 I开始，到转速上升到给定值 n（即静特性上的 n ）为止，是启动过

37、程的主 dmed0 要阶段。在这个阶段中，转速调节器 ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态， 系统表现为在恒值电流给定 U作用下的电流调节系统，基本上保持电流 I 恒定 gimd （电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数） 。与此同时，在 电流环实现恒流调节的过程中，电动机的反电动势 E 也按线性增长。对电流调节系 统来说，反电动势 E 是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动。U 和 U也必 k0d 须基本上按线性增长，才能保证 I 恒定。由于电流调节器 ACR 是 PI 调节器，要使 d 它的输出量按线性增长，其输入偏差电压U = U-U 必须维持一定的恒值，也 i

38、gimfi 就是说 I 应略低于 I。上述情况表明，电流恒值调节过程同时伴随着对反电动势 ddm 扰动的调节过程，反电动势扰动对电流的影响被电流调节器的积分作用所补偿。因 此，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中，电流调节器是不饱和的，而 且要求电流调节器的积分常数和调节对象的时间常数要互相配合，这正是电流调节 器在设计的时候需要解决的问题。同时，还要求整流装置的最大电压 U必须留有 dm 余地，即晶闸管装置也不应该出现饱和，以保证提供足够大的整流电压满足调节能 力的需要。 第三阶段是转速调节阶段。在这个阶段开始时，转速已经达到了给定值，转速 调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零（即

39、 U= U，U =0） 。但其输出 gnfn n 却由于转速调节器 ASR 的积分作用还维持在限幅值上，所以电动机仍在最大电流下 32 加速，必然使转速超调。转速超调以后，转速调节器 ASR 的输入端出现负的偏差电 压，使它退出饱和状态，其输出电压也就是电流调节器 ACR 的给定电压 U立即从 gi 限幅值降下来，主电路电流 I 也随之迅速减小。但是，由于 I 仍大于负载电流 dd I，在一段时间内，转速仍继续上升，直到 I = I时，转矩 M=M，则转速 n 达 fzdfzfz 到峰值。以后，电动机才开始在负载转矩 M的作用下减速。与此相应，电流 I 也 fzd 出现一段小于 I的过渡过程，

40、直到进入稳态。综合上述可知，在这一段内，转速调 fz 节器 ASR 和电流调节器 ACR 都不饱和，同时起调节作用。由于转速环在外环，转 速调节器处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使得系统稳定；电流调节器 的作用则是力图使 I 尽快地跟随转速调节器 ASR 的输出 U的变化，也就是说，电 dgi 流内环的调节过程是速度外环支配的，故而形成了一个电流随动系统。 随着转速调节器 ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当 ASR 饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当不饱和时， 转速形成闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系 统。

41、在不同情况下表现为不同结构的系统，这就是饱和非线性控制特征。 转速环开环后，转速的动态响应一定有超调。只是在转速超调后，转速调节器 ASR 退出饱和，才真正发挥线性调节作用。从另一个角度看，在 ASR 饱和期间， 它也并不是没有作用的，而是起着饱和的非线性控制作用。 起动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定。一般选择 为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快，这个阶 段电流受到限制条件下的最短时间控制，或者称“时间最优控制” ，但整个启动过程 与理想快速启动过程还是有差别的，主要表现为第二，第三阶段的电流不是突变。 不过这两段的时间只占全部启动时间的很

42、小的一部分，所以双闭环调速系统的启动 过程可以称为“准时间最优控制”过程。 33 图 5.8 双闭环控制的串级调速系统动态结构图 5.3 串级调速系统的串级调速系统的 MATLAB 仿真研究仿真研究 5.3.1 用用 MATLAB 建立双闭环串级调速系统的仿真模型建立双闭环串级调速系统的仿真模型 设置双闭环串级调速系统仿真模型参数如下：晶闸管触发逆变装置放大倍数 K =42.1，平均延迟时间常数 T =0.0017s，转子回路放大系数 K=1.8，时间常数 T trsLn =0.037s，机电时间常数 T =0.14s，转速调节器的比例系数 K =14.7，时间常数 T Lnmn =0.087

43、，电流调节器的比例系数 K =1.45，时间常数 T =0.037s，电流反馈系数 nii =0.0344，滤波时间常数 T=0.002s，转速反馈系数=0.01127，滤波时间常数 T of =0.01s。 on 由上述参数，根据双闭环串级调速系统的动态结构图 5.12，用 MATLAB/SIMULINK 可以建立双闭环串级调速系统的仿真模型，如图所示。 34 图 5.9 开环系统仿真结构图 图 5.10 单闭环系统仿真结构图 图 5.11 双闭环系统仿真结构图 5.3.2 系统仿真波形及其分析系统仿真波形及其分析 （1）空载突加给定起动 令负载转矩（或电流）为零，给定信号 U=5V 时，突

44、加给定信号进行理想空 sn 载起动，得到系统突加给定时转速 n 的波形如图 5.11 所示。由图可以测出，系统的 35 给定转速 n=440rpm，上升时间 t =1.12s，调节时间 t =1.38s，超调量 =(460-440) 12 /440 100%=4.5%。 图 5.12 空载突加给定起动时转速 n 波形（U=5V） sn 改变给定信号，使 U=9V，突加给定信号进行理想空载起动，得到系统突加给 sn 定时转速 n 的波形如图 5.12 所示。由图可以测出，系统的给定转速 n=800rpm，上 升时间 t =1.8s，调节时间 t =2s，超调量 =(820-800)/800100

45、%=2.5%。 12 图 5.13 空载突加给定起动时转速 n 波形（U=9V） sn （2）带负载起动 给定信号 U=5V 时，使电动机带上负载 I=100A 进行起动，得到转速 n 的波形 sn 如图 5.13 所示。由图可以测出系统的给定转速 n=440rpm，上升时间 t =1.14s，调节 1 时间 t =1.35s，超调量 =(460-440)/440 100%=4.5%。 2 36 图 5.14 带负载起动时转速 n 波形（U=5V） sn （3）空载运行时突加负载 给定信号 U=5V 时，在第 1.5 秒时加上负载 I=100A，得到转速 n 的波形如图 sn 5.14 所示。

46、由图可以测出，稳定时转速 n=440rpm，系统的动态降落 C=(440-422) /440 100%=4.1%，恢复时间 t=(1.64-1.5)s=0.14s。 图 5.15 突加负载时转速 n 波形（U=5V） sn （4）空载运行时突减负载 给定信号 U=5V 时，负载 I=100A 运行时，在第 1.5 秒时减去负载使 I=0A，得 sn 到转速 n 的波形如图 5.15 所示。由图可以测出，稳定时转速为 n=440rpm，系统的 动态降落 C=(467-443)/443100%=5.4%，恢复时间 t=(1.64-1.5)s=0.14s。 37 图 5.16 突减负载时转速 n 波

47、形（U=5V） sn 根据仿真结果可知，晶闸管串级调速系统具有响应快、超调量小、精度高、抗 扰动性强、运行稳定等优点。通过以上分析可以看到，用 SIMULINK 对串级调速系 统的仿真是比较成功的，这同时也证明了串级调速系统的有效性和可行性。 MATLAB/SIMULINK 作为一种新形式的仿真工具，它是高科技发展的产物。 在控制系统研究领域中，利用 MATLAB/SIMULINK 建立系统的仿真模型，工作快 捷，开发界面友好，使得系统设计周期大为缩短，并且可以减少不必要试验经费的 投入，从而减少了系统的设计及调试费用，在一定程度上有助于系统的进一步开发 与扩展。为以后验证设计思想、并进行高效

48、成功的设计打下良好的基础。 38 结结 论论 本文对交流串级调速系统的工作原理进行了深入的分析研究，在此基础上建立 了串级调速系统的数学模型，设计了次同步串级调速系统，用最新的计算机仿真工 具 MATLAB/SIMULINK 工具箱建立了电流、速度双闭环串级调速系统的仿真模型， 并且用 MATLAB/SIMULINK 对串级调速系统进行了仿真研究，分析了交流串级调 速系统的动态性能及其抗扰动性能，论证了仿真模型的正确性以及利用 MATLAB/SIMULINK 进行系统建模与仿真的有效性和可行性，且模型通用性强， 修改方便，易于扩展，为今后更深入的研究提供了有效手段，具有重要的理论意义 和实用价

49、值。通过对系统模型的仿真分析，可以看出该串级调速系统的静、动态特 性完全满足工艺要求，具有良好的给定适应和抗扰性能。该系统既发挥了交流调速 的节能、成本低、高容量、易维护等优点，又能获得像直流双闭环调速系统那样良 好的动态特性，具有技术实现容易和经济性好的优势。对风机、泵类负载，特别是 高压大容量电机，串级调速系统是最合适的。简洁高效的串级调速技术在风机、泵 类负载的推广应用将在一定程度上缓解当前的用电紧张局面，对建设节约型社会必 将产生积极的推动作用。 由于本人水平有限，加之研究时间较短，所以该系统还有不尽如人意的地方， 在以后的时间里有待进一步改善。 39 参考文献参考文献 1 李欣生机电控制学大连理工出版社，2001 2 陈伯时电力拖动自动控制系统机械工业出版社，2000 3 厉无咎可控硅串级调速系统及其应用上海交通大学出版社，1997 4 宋书中交流调速系统机械工业出版社，2007 5 王桂英交流串级调速系统的分析沈阳农业大学出版社，2003 6 雷竞业绕线型异步电动机串级调速系统分析中国科技大