目錄第一章概述 2
第二章雙閉環控制串級調速系統 3
2.1雙閉環控制串級調速系統的組成 3
2.2 非同步電動機串級調速時轉子整流電路工作狀態的選擇 4
2.3串級調速系統的動態數學模型 6
2.4 非同步電動機和轉子直流迴路傳遞函式計算 9
2.5 調節器引數的設計- 電流環和轉速環設計 11
2.5.1 電流環的設計 11
2.5.2 轉速環的設計 13
第三章 matlab** 14
3.1 給定階躍的**： 14
3.2 抗擾** 15
第四章收穫與致謝 16
參考文獻 17
第一章概述
串級調速理論早在20世紀30年代就已提出,到了60-70年代,當可控電力電子器件出現以後,才得到更好的應用。20世紀60年代以來,由於高壓大電流閘流體的出現,串級調速系統獲得了空前的發展。60年代中期,和就提出了一種將繞線轉子電動機的轉差功率進行整流,然後經過閘流體逆變器將整流後的轉差功率逆變為電網頻率的交流功率,並將其反饋到電動機的定子輔助繞組中的閘流體串級方案,稱為「定子反饋」方案,而把通過變壓器,逆變變壓器,將轉差功率反饋到電網,常規的閘流體串級,稱為「電網反饋」方案。
在「定子反饋」方案中,輔助繞組與定子繞組電氣上絕緣,通過磁耦合,即電磁感應,將轉差功率經過定子繞組反饋到電網,這就是我們所說的「內饋」串調。 20世紀60年代末期,我國的一些單位開始進行閘流體串級調速的試驗,70年代後期,西安整流器廠首先推出了系列產品,以後其他廠家也相繼推出。國內最先是由屈維謙在80年代後期提出內饋串級調速方案的。
90年代中期以後,有一家公司又推出斬波式內饋串調。隨著電力電子技術和控制策略的發展,新的拓撲結構和控制策略被不斷提出。到目前為止全國已有四到五家知名的內饋串級調速裝置的生產廠家。
如今節約能源、更加合理地、有效地利用能源是一項艱鉅、利國利民造福子孫的長期工作,也是我國的一項基本國策。隨著我國改革開放不斷深入和國民經濟、科學技術的飛速發展,國家大量撥款加速建設,現在已經取得了很大的進步,
本課程設計就要求結合給定的初始條件來完成直流雙閉環調速系統的設計，其中包括繪製該調速系統的原理圖，對調節器進行工程設計，選擇調節器的引數等。要實現直流雙閉環調速系統的設計需先對控制系統的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調速系統每個組成部分的作用，弄清楚轉速環和電流環的工作原理，合理選擇調節器的引數以便進行合理的工程設計。 本設計通過變流系統將調節繞組從主繞組感應過來的電勢串入電機的轉子繞組，改變其串入電勢的大小來實現調速。
即將內反饋串級調速電動機的部分轉子能量取出以改變電動機轉差率來實現調速的。pi控制器控制的雙閉環控制串級調速系統的設計
圖2-1雙閉環控制的串級調速系統結構圖
圖2-1所示為雙閉環控制的串級調速系統原理圖。圖中，轉速反饋訊號取自非同步電動機軸上聯接的測速發電機，電流反饋訊號取自逆變器交流側的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉子直流迴路。
為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調節器acr輸出電壓為零時，應整定觸發脈衝輸出相位角為 = min 。
圖中，閘流體非同步電動機串級調速系統的主電路主要由閘流體三相全控橋式有源逆變器ui、三相橋式二極體轉子整流器ur、三相繞線式非同步電動機m、逆變變壓器ti、平波電抗器ld等組成。繞線轉子非同步電機，其轉子相電動勢經三相不可控整流器 ur 整流，輸出直流電壓ud 。三相有源逆變器 ui 除提供可調的直流電壓ui以作為所需的附加直流電動勢外，還可將經 ur整流後輸出的非同步電機轉差功率回饋到電網，從而實現高效、節能、無級的調速效果。
圖所示的系統與直流不可逆雙閉環調速系統一樣，具有靜態穩速與動態恆流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過非同步電動機轉子迴路實現的。
動態結構框圖：
圖2-2雙閉環控制的串級調速系統結構圖
2.2 非同步電動機串級調速時轉子整流電路工作狀態的選擇
非同步電動機相當於轉子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側，則轉子繞組相當於二次側，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中分析整流電路的一些結論來研究串級調速時的轉子整流電路。
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:
（1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而非同步電動機轉子繞組感應電動勢的幅值與頻率都是變化的，隨電機轉速的改變而變化；
（2）非同步電動機折算到轉子側的漏抗值也與轉子頻率或轉差率有關；
（3）由於非同步電動機折算到轉子側的漏抗值較大，所以出現的換相重疊現象比一般整流電路嚴重，從而在負載較大時會引起整流器件的強迫延遲換相現象。
1．轉子整流電路：（如圖2-3）
圖2-3 轉子整流電路
2. 電路分析：
假設條件：
（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）轉子直流迴路中平波電抗器的
電感為無窮大，直流電流波形平直；
（3）忽略電動機勵磁阻抗的影響。
換相重疊現象：
設電動機在某一轉差率下穩定執行，轉子三相的感應電動勢為、、。當各整流器件依次導通時，必有器件間的換相過程，這時處於換相中的兩相電動勢同時起作用，產生換相重疊壓降，如圖2-4所示。
圖2-4換相重疊波形
根據《電力電子技術》中介紹的理論，換相重疊角為:
2.1)
其中:時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。
由式2.7可知，換相重疊角隨著整流電流的增大而增加。
當較小，在之間時，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。
當電流增大到角大於時，器件在自然換相點處未能結束換流，從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現了強迫延遲換相現象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角。
由此可見，串級調速時的非同步電動機轉子整流電路有兩種正常工作狀態。
轉子整流電路的工作狀態
（1）第一種工作狀態的特徵是:
2.2)
此時，轉子整流電路處於正常的不可控整流工作狀態，可稱之為第一工作區。
（2）第二種工作狀態的特徵是:
2.3)
這時，由於強迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處於可控的整流工作狀態，角相當於整流器件的控制角，這一狀態稱作第二工作區。
由於整流電路的不可控整流狀態是可控整流狀態當控制角為零時的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關分析式來表示串級調速時轉子整流電路的電流和電壓。
整流電流：i [cos (2.4)
整流電壓：u
2.5)
當 id 較小，在0°~ 60°之間時，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。由設計要求知轉子整流電路工作在第一工作區p = 0， = 0 ~ 60 °。
在圖2.1所示的系統中，可控整流裝置、調節器以及反饋環節的動態結構框圖均與直流調速系統中相同。在非同步電動機轉子直流迴路中，不少物理量都與轉差率有關，所以要單獨處理。
(1)轉子直流迴路的傳遞函式
根據圖2.2的等效電路圖可以列出串級調速系統轉子直流迴路的動態
電壓平衡方程式：
2.6式中:
當時轉子整流器輸出的空載電壓,
ud0=2.34er0cop
:逆變器直流側的空載電壓,
ui0 = 2.34ut2 cos
:折算到轉子側的非同步電動機每相漏感，
:折算到二次側的逆變變壓器每相漏感，
:平波電抗器電感,
l :轉子直流迴路總電感，
l=2+2+
:轉差率為時轉子直流迴路等效電阻:
2.7)
於是式(2.7)可改寫成:
將式(2.7)兩邊取拉氏變換，可求得轉子直流迴路的傳遞函式:
2.8)
式中：t:轉子直流迴路的時間常數:
t== :轉子直流迴路的放大係數:
2.9)
轉子直流迴路的動態結構框圖如圖2-4所示。需要指出，串級調速系統轉子直流迴路傳遞函式中的時間常數和放大係數都是轉速的函式，它們是非定常數
圖2-5轉子直流迴路動態結構框圖
(2) 非同步電動機的傳遞函式
非同步電動機的電磁轉矩為:
2.10)
電力拖動系統的運動方程式為:
2.11)
或寫成 :
2.12)
式中::負載轉矩,
:所對應的等效直流電流,
由此可得非同步電動機在串級調速時的傳遞函式為:
2.13)
其中為機電時間常數，與、、都有關係，所以也不是常數，而是和的函式。
（3）串級調速系統的動態結構框圖
把圖2.1 中的非同步電動機和轉子直流迴路都畫成傳遞函式框圖，再考慮給定濾波環節和反饋濾波環節就可直接畫出雙閉環控制串級調速系統的動態結構框圖，如圖2.4所示。
比較開環控制系統和閉環控制系統的優缺點
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