三相异步电机闭环调速设计

《控制系统设计》课程设计报告学院：信息工程学院姓名：班级：11自动化学号：题目：三相异步电动机闭环调速系统设计与实践指导老师：完成时间：2014年6月20日目录摘要...............................................................I1概述..............................................................11.1三相异步电动机的调速方法.....................................21.2调压调速的简介...............................................31.3课程设计的要求...............................................52三相异步电动机调压调速系统的组成..................................53三相异步电动机调压调速系统的设计和实现............................83.1三相异步电动机调压调速系统的电路.............................83.2闭环调速结构图..............................................103.3系统各部分参数的计算.......................................104三相异步电动机调压调速系统的仿真.................................134.1MATLAB仿真的介绍............................................134.2电路的建模和参数设置.........................错误!未定义书签。4.3异步电机调压调速系统仿真模型.................错误!未定义书签。4.4仿真效果图..................................................17总结...............................................................22参考文献...........................................................23I摘要异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点，早期多用于不可拖动。随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在可拖动中逐渐得到广泛的应用。实现电机调速有不少方法。研究电机调速，找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源，所以研究调压调速就显得很有必要。异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。本课程设计介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，并着重讲述了三相异步电动机(M)、测速发电机(TG)、晶闸管交流调压器(TVC)的简单的工作原理。在了解异步电动机调压调速的基本原理的基础上，设计了异步电动机单闭环调压调速系统的结构原理图。还将调压调速与其他的调速方法相比，所具有的优点以及不足之处。以转速单闭环调压调速系统为例，电机调速开环控制系统调速范围较小，采用速度作为负反馈的闭环控制系统解决了这个问题,使调速性能得到改善。最后，经过理论分析建立模型后，基于Matlab语言开发仿真软件，并进行仿真实验，并且对仿真结果进行了一定的分析及改进。关键词:调压调速MATLAB三相异步电动机转速调节器11概述直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪60-70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。交流调速系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速(1)一般性能的节能调速在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20-30%以上的电能，效果是很可观的。(2)高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。(3)特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kwr/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。2与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点：容量大；转速高且耐高压；交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且结构简单、经济可靠、惯性小；交流电动机环境使用性强，坚固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用；高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标；交流调速系统能显著的节能；从各方面看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。计算机仿真技术在交流调速系统的应用，使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便。传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模，其直观性、灵活性差，编程量大，操作不便。随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现，实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现。如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程。matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究，能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。随着新型计算机仿真软件的出现，交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步。交流调速技术发展到今天，相对而言已经比较成熟，在工业中得到了广泛的应用，但是随着一些新的电力电子器件和一些新的控制策略的出现，工业应用对交流调速系统又提了新的要求，现代交流电机调速技术的研究和应用前景十分广阔。1.1三相异步电动机的调速方法异步电机的调速方法有不少，根据异步电机的转速公式11160/1nnsfps(1-1)其中1n为同步转速(r/min);1f为定子频率，也就是电源频率(Hz);p为磁极对数。可知；异步电动机有以下三种基本调速方法：(1)改变定子极对数p调速。(2)改变电源频率1f调速。3(3)改变转差率s调速。1.2调压调速的简介由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压器(TVC)等几种。晶闸管调压方式为最佳。交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。调在异步电动机调速方法中，变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。根据异步电动机的机械特性方程式2'21212'211'221'22'211//33llMLLsRRsRpUsRIPPT(1-3)其中p——电动机的极对数,1U、1——电动机定子相电压和供电角频率,s——转差率,1R、'2R——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻,11L、'12L——定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见，当转差率s一定时，电磁转矩T与定子电压1U的平方成正比。改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性，如图2-2所示。在带恒转矩负载LT时，可以得到不同的稳定转速，如图中的A，B，C点，其调速范围较小，而带风机4泵类负载时，可得到较大的调速范围，如图1-1中的D，E，F点。风机类负载特性100ABCDETNU17.0NU15.0NU11nnSSLTmTF图1-1异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩T，可得到较大的调速范围，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的[13]。为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围，使电机在较低速下稳定运行又不致过热，可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性。在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性。图1-2显示此类电动机的调速范围增大了，而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电动机[1][4]。ABC1nLTTNU1NU17.0NU15.0S001n图1-2交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性51.3课程设计的要求(1)设计目的1.通过对一个实用的三相异步电动机闭环交流调速系统的设计，安装，调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升，是学生获得控制技术工程的基础训练。2.通过系统建模和仿真，掌握用MATLAB/Simulink工具分析设计三相异步电动机速度控系统的方法。3.进一步掌握各种交流调速系统的性能，尤其是动态性能。(2)设计内容1.理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带转速外闭环的基础原理，解决积分调节器的饱和非线性问题，采用工程设计的方法设计三相异步电动机闭环交流调速系统（包括主电路和控制电路，选择的元器件，系统等电器原理图）。2.仿真实践：根据所设计的系统，利用MATLAB/Simulink建立各个组成部分相应的数学建模，并对系统仿真进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。3.动手实践：根据所设计的系统，完成单元电路安装，系统组装，单元及系统调试（可利用试验台的某些挂件），得出实物实际波形和系统动，静态性能。2三相异步电动机调压调速系统的组成三相异步电动机转速单闭环调压调速是一种典型的转差功率消耗型调速系统。图2-1为交流电机转速单闭环变压调速的电路。6图2-1交流电机转速单闭环变压调速电路交流调压调速是一种比较简便的调速方法。常见的异步电动机调压调速系统由以下六大基本部分组成：转速调节器(ASR)、触发装置(GT)、晶闸管交流调压器(TVC)、测速发电机(TG)、三相异步电动机(M)。这里主要介绍三相异步电动机(M)的结构，和测速发电机(TG)、晶闸管交流调压器(TVC)的具体结构以及工作原理。2.1三相