1102570146-徐牧-异步电动机调速系统的仿真设计

本科毕业设计说明书（论文）第1页共32页1绪论1.1选题背景我们正处于信息技术迅猛前进的时代，这样地话也在一定水准上加速了电气技术的发展。在工业、农业的生产进程中，电动机作为最主要的动力之源，在社会的发展历程中扮演者不可或缺的角色。关于社会劳动生产率、节能、环保等方方面面，电动机调速性能的优劣对其有着十分重要的影响。掌握直流电机的控制与调试方法，它可以有效的改善其控制精度与响应速度。关于电动机的调速问题一直伴随着一代又一代人，但是电机调速性能的要求并不是一成不变的，不同的领域、场合各有其自己的准则。在很长的一段时间内，直流电动机以其优越的调速性能占领着市场，直流电动机相比于交流电动机，控制和调节更容易点。在规定转速之下时，维持励磁电流稳定，改变电枢电压来完成恒转矩调速；在规定转速之上时，维持电枢电压稳定，变化励磁来完成恒功率调速。但是，由于直流电机调速的优越性，人们忽略了其结构复杂的缺陷。从二十世纪中叶以来，交流调速方式渐渐成为人们关注的焦点[3]。交流调速技术主要采用逆变技术将电能以交-直-交的形式作为交流电源，从而来满足生产过程中的需要[4]。1.2论文主要任务和研究方法根据异步电机相关原理得出变频调速方法是比较合理的。然后，介绍PWM控制的相关理论，在上述的相关理论下结合SIMULINK仿真平台对全电压直接启动、软启动和PWM-变频器调速方式建立仿真模型，得出相应的结果。最后，我们根据仿真结果来进行对比分析[1]。1.3本章小结我们在了解了选题背景的前提下，指出交流调速方式是比较合理的。其次，点出文章所要完成的主要任务，为论文的续写点明了方向。本科毕业设计说明书（论文）第2页共32页2三相交流异步电动机基本理论2.1三相异步电动机的基本结构异步电机的主体是由定子部分与转子部分构成，异步电机构成如图2.1所示。图2.1异步电动机结构2.1.1定子部分定子部分的主体是由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等相关部件形成。(1)定子铁芯：定子铁芯一般是用彼此相互绝缘、厚度约0.36毫米至0.5毫米地环形状硅钢片折叠成圆筒形状。位于定子铁芯硅钢片的内侧表面冲含间隔相等的槽口，它是拿来安放定子线圈的。(2)定子绕组：它是由绝缘导线制成的对称三相绕组，这些线圈绕组对称的嵌放在定子铁芯的凹槽内，这些绕组在空间上彼此呈现120度的角度。三组线圈一共有六个出线头，顶端的接头依次用U1、V1、W1代表，其对应的尾端接头用U2、V2、W2代表，再将其引出来连接到机座的接线盒上面即可。不过，根据电机的额定电压与供给电源的不同原则，定子绕组可以按三角形或者星形联接。假如电网的线电压和电机绕组相电压一样，即三相定子绕组为三角形联结；假如电网的线电压是电机线圈相电压的根号3倍，即三相定子线圈是星形联结。(3)机座：它是由铸铁或者铸钢制造的，定子铁芯就安放在机座里面。(4)端盖：它是由铸铁或者铸钢制成的，固定在机座的两端，端盖的中央装配有轴承，用其支撑转子部分和防止外物的入侵。本科毕业设计说明书（论文）第3页共32页2.1.2转子部分(1)转子铁芯：它一般是由0.5毫米厚度的硅钢片叠合起来压成圆筒的形状，并将其安装在转轴上，它的用途与定子铁芯类似，一部分是用作电机磁路部分，另一部分用来嵌入转子线圈绕组。(2)转子绕组：转子线圈的构成有笼型与绕线型之别。关于鼠笼式转子线圈的生产方式有两种：其一是将铜条相嵌于转子铁芯的槽里，并将两端用铜环一一短接构成闭合的回路。另一种办法是将熔化的铝液体浇铸于转子铁芯的凹槽口内，并同时铸造出两端的短路环和用于散热的风扇叶片。(3)转轴：它是由钢材料构成的。转子铁芯固定于转轴上，借助于转轴可以拖动生产机械负载。(4)风扇：一般情况下安装在转轴上，起到冷却散热的作用。2.2三相异步电动机的工作原理关于旋转电机均是根据电和磁的相互转化与相互作用的关系而产生的，只不过在不同的电机当中，磁场的形成方式和形态迥然相异，所以它们的工作原理与工作特性也就截然不同。我们所讨论的threephaseasynchronous磁场生成的方式是将三相交变的对称电流通入三相绕组线圈产生空间旋转磁场。为了清晰地了解异步电机的工作基理，必须先了解空间旋转磁场的相关理论。2.2.1旋转磁场(1)旋转磁场的产生我们将三相交变的电流通入三相绕组，或将多相交变的电流通入多相绕组当中产生旋转磁场。三个匝数一样，形状尺寸相同，轴线在空间上相互差值为120度的绕组就是三相绕组(three-phasewinding)。原理模型如图2.2所示，此图接成星型并与三相交变电流相连，这样的话三相定子绕组通过的电流就是三相对称的电流。当三相对称电流从定子线圈流过时，三相定子线圈能于空间上形成旋转磁场。本科毕业设计说明书（论文）第4页共32页图2.2三相异步电动机定子接法00sinsin(120)sin(120)umvmwmiItiItiIt(2.1)由(2.1)式我们可以进行如下分析：(a)当00wt时，0Ai,AX这相线圈中没有电流；Bi的数值为负数，BY这相线圈的电流是从Y端流入B端出来；ci的数值是正数，CZ这相线圈的电流是从C端流进Z端出来；通过右手螺旋准则能够得到00wt时合成的磁场方向。(b)当0120wt时，Bi的电流值为0，BY这相线圈中的电流是没有的；Ai的电流数值大于零时，AX这相线圈中的电流是从A端流进X端出来；ci的数值小于零时，CZ这相线圈中的电流是从Z端流进C端出来；通过右手螺旋准则能够得到0120wt时合成的磁场方向。(c)当0240wt时，0ci，CZ这相线圈中的电流是0；Ai的数值为负数，AX这相线圈中的电流走向是从X端流进A端出来；Bi的数值大于零时，BY这相线圈中的电流是从B端流进Y端出来；通过右手螺旋准则能够得到0240wt时合成的磁场方向。根据上述分析可以看出，只要定子线圈当中的电流改变了一个循环的时候，合成的磁场就会按照电流变换相位的关系在空间上旋转一圈。因为定子绕组中的三相对称电流在不间断的作周期性的改变，故形成的合成磁场亦在不断的旋转当中。旋转磁场的名称由此而来。详细旋转磁场的形成过程如图2.3所示。本科毕业设计说明书（论文）第5页共32页图2.3旋转磁场的形成过程(2)旋转磁场的转向定子线圈中电流的相位关系制约着空间旋转磁场的转向，如果你想要变换空间旋转磁场的转向，就必须变换进入定子三相线圈电流的相位。(3)异步电机旋转磁场的转速空间旋转磁场的转速叫做同步转速，用0n来代表，同步转速的公式为060/nfp(f：电流频率、p：磁极对数)。如果通入电机的频率是工频的时候，不同的磁极对数所对应的同步转速见表2.4。表2.4不同P对应转速P1234560n/(r/min)3000150010007506005002.2.2工作原理由上述旋转磁场的介绍，我们可以总结如下几点：(1)当三相异步电动机通入三相交流电的时候，定子线圈流入的三相电流形成三相磁通势进而形成了空间旋转磁场。(2)电动机的转子线圈和其有相对切割趋势，由电磁感应定律，转子线圈会产生感应电动势，进一步会形成感应电流。本科毕业设计说明书（论文）第6页共32页(3)借助于电磁力定律，我们知道加载了电流地转子线圈在空间旋转磁场里将会承受电磁力的影响，然后形成电磁转矩带动转子转动。如果转子与机械负载连接的时候，转轴就能带动负载向外输出机械能。2.3三相异步电动机的运行状态和调速方式2.3.1运行状态根据三相异步电机的工作原理，我们了解到只有转子绕组和空间旋转磁场二者包含相对运动时，转子绕组才可以切割磁感线。通过此类方式形成感应电动势、感应电流和电磁转矩，故转子的转速总是会低于空间旋转磁场转速。异步电机名字由此得来。在此引入转差率的概念，转差率即：“转子转速n和同步转速0n的差值，与同步转速0n的比值”(00()/snnn)。转差率它反映的是转子和空间旋转磁场相对运动的大小，但是呢相对运动速度的存在又影响电动机的工作状态，所以转差率是认识三相异步电动机的重要参数之一，转差率的不同，电动机将会工作在不同的状态(说明见下)。(1)假如电机刚与电源通电却又未成转动的情况下，称之为堵转(n=0、s=1)。它是电机刚刚要启动地瞬时状态。(2)假如电机的转速和同步转速相同，把它叫做理想空载(n=0n，s=0)。实际状态下一般是不会出现的。(3)假如电机作电动机运行，称之为电动机状态(0n0n,0s1)。(4)假如电机的三相定子绕组不但接于三相电源上，而且又拿原动机来拖动转子运动，让它的方向与空间旋转磁场方向相同，不过呢其转速要超过旋转磁场的转速。这种情况下电机作为发电机状态(n0n,s0)。(5)假如电机的三相定子绕组虽接于三相电源上，不过呢由于一些原因让转子的方向和旋转磁场的方向相反，称之为制动状态(n0,s1)。为了对上述分析结果有一个直观的概念，不同工作环境下转子转速与转差率见表2.5。本科毕业设计说明书（论文）第7页共32页表2.5不同工作环境下转子转速与转差率状态制动状态堵转状态电动机状态理想空载状态发电机状态转子转速n0n=00n0nN=0nn0n转差率s1S=11s0S=0S02.3.2调速方式因为转速公式(1)60/nsfp，所以调速方式可以有如下的方案：(1)调频调速：当变换了三相交流电的周期时，也就变换了空间旋转磁场的转动速度，进而就变换了电动机转子的转速。只要我们能平滑地改变三相交流电的频率，方可实现电动机的无极调速。(2)改变磁极对数P。然而改变磁极对数属于硬件部分，想要改动比较麻烦，耗费成本比较高。(3)改变转差率S。想要改变转差率，有转子串电阻、串级调速等方式，这些方式也属于硬件调速。所以，这种调速方式也比较麻烦。综上所述，采用调频调速的方法是一个相对合理的方法，即变频调速[7]。2.4异步电动机变频调速原理变频调速的途径得用变化定子电源的周期来变化同步周期来达到电动机调速的效果。在整个调速进程中，自高速至低速这个减速进程来看，电动机能够维持较小的转差率，故含有高效、调速区间广与精度高的特点。节电效果在20％－30％[13]。变频调速的方式有两种：(1)交－直－交变频，(2)交－交变频[15]。前者适合在高速且小容量的电机，后者适合在低速且大容量的机械负载。根据(1)60/nsfp可知，只要通过改变电源频率就可实现电机转速。又根据异步电机的电势公式可知1UECf。式中：C1是常数，故//EfUf。假如外加电压保持恒定，那么磁通将会随着频率的变化而变化，假如频率f减小的话，磁通会增大，导致磁路发生饱，进而励磁电流会变大、功率因数变小，很明显这种不合理。所以，我们要在较小频率的情况下同时还要兼顾减小压降，这就需要频率与电压这两方面进行协调控制。此外，在多数场合当中，为了保证电机在调速时，电动机形成的极限转矩维持恒定，这也是由频率与电压的两者掌控来完成的，简称变频调速[2]。2.5本章小结本章主要阐述的是三相异步电动机的机械结构、工作原理、运行状态、调速方式本科毕业设计说明书（论文）第8页共32页以及异步电机变频调速的相关理论支撑。本科毕业设计说明书（论文）第9页共32页3PWM控制技术作为变频技术核心之一的PWM控制技术，传统的方式是运用模拟电路来生成三角波和给定的正弦波进行比对，进而产生SPWM信号来控制功率器件的开关,然而，目前所采用的全数字化方案，它可以实现优化的实时在线的PWM信号来进行输出[5]。3.1PWM控制的基本原理理论基础：冲量一样但是外形相异的窄脉冲放至包含惯性的环节之上，它的结果大致一样。冲量指的是窄脉冲的面积。结果大致一样指的是输出响应图形大概一样。这种方式在低频段是相当靠近的，只有在高频段稍有不同。面积等效原理：依次把如图3.1所示的各类电压窄脉冲放至R-L电路上，然后将一系列等幅却不等宽的脉冲来取代一个正弦波的上半周，此波形被分成了N等分，当作N个连续的脉冲序列，宽度一样，但是幅值不一样；拿矩形脉冲替换，等幅却不等宽，中点是重叠的，冲量也相同，