异步电机调压调速系统仿真

上海应用技术大学设计题目异步电机调压调速系统的设计与仿真院（系）工程创新学院专业电气工程及其自动化课程名称运动控制班级131032Y1学号13103002351310300312学生姓名聂震孙敖指导教师孙国琴聂震1310300235孙敖13103003121异步电机调压调速系统的设计与仿真摘要：调压调速是一种变转差率调速的方法。由电机原理可知当转差率s保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，所以，为达到调节电动机转速的目的，只需改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性。通过交流调压器实现改变加在定子上的电压。现在广泛采用由晶闸管等器件组成交流调压器。它是将三个双向晶闸管接到三相交流电源与三相定子绕组之间，通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。晶闸管三相交流调压电路的连结方式很多，各有特点。关键词：调压调速；异步电动机；仿真1．前言调压调速是一种很简单实用的调速方法。本文针对异步电机开环控制调压调速系统和速度闭环控制调压调速系统进行了分析和仿真，找到了合理的调速方法，实现了电机的稳定运行，平滑调速，不仅能延长电机寿命，而且可以有效节约能源，在现代的节约型社会中具有很高的研究价值。交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，不仅结构简单，制造成本低，维修方便，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，对环境要求不高，所以在工农业生产中有很广阔的应用。它的突出的特点是：成本低，结构简单，维护方便，能实现高压大功率及高速驱动，适合在恶劣环境下工作，并能获得和直流电机控一样甚至更好的控制性能。但是交流电机是一个复杂的、多变量、强耦合的非线性系统，完全用解析法设计交流调速系统是相当复杂的。通常采用的办法是构造实验系统进行分析研究，但是由于实验分析研究耗时长、投资大，而且不便于分析系统的性能。所以，研究交流调速系统是一个省时省力的好办法就是利用MATLAB仿真技术。MATLAB是目前流行的科学计算机语言之一。它是以复数矩阵作为基本编程单元的高级程序设计语言，提供了矩阵的运算与操作，拥有强大的绘图功能。同时，MATLAB还是高度集成的软件系统，对解决工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理等问题有很好的作用。MATLAB语言在会让你多领域都有涉及：自动控制、航天工业、汽车工业、生物医学工程、语言处理的方面。MATLAB软件是一个非常好用的软件，拥有强大的仿真能力，而且仿真结果直观，易于分析研究。2．三相异步电动机调速系统分析2.1设计原理聂震1310300235孙敖13103003122调压调速就是通过调节输入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。其的机械特性方程式为：其中：p为电机的极对数；w1为定子电源角速度；Us为定子电源相电压；Rr’为折算到定子侧的每相转子电阻；Rs为每相定子电阻；Lls为每相定子漏感；Llr为折算到定子侧的每相转子漏感；S为转差率。由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，所以，若要改变电动机在一定负载转矩下的转速，只需改变定子外加电压即可。本次仿真就采用了定子调压调速系统，通过在交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，从而改变定子侧电压进行调速。如图１画出了定子电压为1U、'1U、1U('111UUU)时的机械特性。图1异步电动机在不同电压的机械特性由电机原理可知，当转差率s保持不变时，电动机的电磁转矩与定子侧电压的平方成正比。所以，为达到调节电动机转速的目的，只要改变定子侧电压就可以得到不同的机械特性。2.2工作原理TLab’c’U”1cABnmsSmTemaxU1U1’U1”通风机负载特性2'21'1'2p3lrlsrSrsLLSRRSRUT聂震1310300235孙敖13103003123系统主电路采用3个双向晶闸管，这样的系统体积小，控制极接线简单。A.B.C为交流输入端，A3.B3.C3为输出端，接异步电动机定子侧绕组。并在晶闸管两端接有阻容器吸收装置和压敏电阻保护晶闸管。2.2.1控制电路运算放大器N组成的速度调节器将速度给定指令电位器BP1所给出的电压送入移相触发电路。同时，来自测速发电机的速度负反馈信号或来自电动机端电压的电压反馈信号送给运算放大器N，以构成闭环系统，提高调速系统的性能。2.2.2移相触发电路双向晶闸管有4种触发方式，本系统采用负脉冲触发。负脉冲触发不仅触发电路简单，而且所需要的门极电压和电流较小，容易保证足够大的触发功率。TS是同步变压器，TS采用DY11型接法是为了保证触发电路在电源正负半波时都能可靠触发，又有足够的移相范围。移相触发电路采用锯齿波同步方式，可产生双脉冲并有强触发脉冲电源（+40V）经X31送到脉冲变压器的一次侧。2.3调压电路通过交流调压器实现改变加在定子上的电压。目前广泛采用的交流调压器是由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。图2调压电路原理图2.4开环调压调速开环系统的主电路由触发电路、调压电路和电机组成。原理图如下：UaUbUcT2T3T5T4T6RRRNT1聂震1310300235孙敖13103003124M3L1L2L3VTAT图3开环调压系统原理图2.5闭环调压调速速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理：将速度反馈值与速度给定值进行比较，比较后通过ASR得到控制电压，再将这个控制电压输入到触发装置中，通过触发装置输出控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。所以，改变电动机的转速只需改变速度的给定值。采用速度负反馈使系统拥有了平稳、平滑的无级调速性能，同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，可以自动调整加在电动机定子侧绕组上的电压大小，由ASR输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使调压器的输出电压提高，进而电动机的输出转矩增大，使速度调节，接近给定值。调节器晶闸管调压装置异步电机转速反馈装置给定nUnU-ctU1Un图4闭环调速结构图M3L1L2L3VTATASRTGnnUnUpR-图5闭环调速系统原理图聂震1310300235孙敖131030031252.6触发电路的设计产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要时由阻断转为导通是晶闸管触发电路的作用。晶闸管触发电路由触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节组成。对于调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。触发顺序依次为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60°。3.仿真电路设计3.1调压电路3.1.1仿真设计图6调压电路模型3.1.2参数设定Frequencyofsynchronizationvoltages(hz)：同步电压频率（赫兹）50HzPulsewidth(degrees)：触发脉冲宽度（角度）10Doublepulsing：双脉冲触发。RLC负载的参数：电阻100Ω，电感0H，电容的值为infUA：峰值220v,f为50Hz,初相位为0°UB：峰值220v,f为50Hz,初相位为-120°UC：峰值220v,f为50Hz,初相位为120°3.1.3电阻负载仿真波形在电阻负载时三相交流调压器的输出电压波形如图7所示。其中图（a）为α=45°时调压器输出的波形，图(b)为α=60°时调压器输出的波形。通过比较（a)和（b）可以发现，随着触发角的增加，有三个晶闸管导通的区间逐步减小，聂震1310300235孙敖13103003126到α=60°时，晶闸管都只有两相晶闸管导通。（a）触发角α为45°（b）触发角α为60°图7三相交流调压器的输出电压波形3.2异步电动机带风机负载调压调速仿真3.2.1参数设定电机参数额电压220v频率为60Hz极对数为2对容量为A2238V同步转速为1800r/mink=0.000003665UA：峰值180v,f为60Hz,初相位为0°UB：峰值180v,f为60Hz,初相位为-120°UC：峰值180v,f为60Hz,初相位为120°3.2.2开环仿真模型图8开环系统仿真图3.2.3开环转速波形分析1）触发角α为60°时的转速波形聂震1310300235孙敖13103003127图9α=60°时电机转速由图9可以看出，当α=60°时，转速稳定在1712r/min，转速在0.9s左右达到稳定状态。2）触发角α为75°时的转速波形图10α=75°时电机转速由图10中可以看出，当α=75°时，转速稳定在1660r/min，转速在1.6s左右达到稳定状态。聂震1310300235孙敖13103003128通过图9和图10可以发现：随着α的增大，输出电压降低，转速下降，从而达到调速的目的。3）改变电源电压，电源电压为150v,α=60°时得到的转速图11电源电压150vα=60°时电机转速由图11中可以看出当触发角为60°时，转速稳定在1660r/min，转速在1s左右达到稳定状态。图9和图11可以看出，在当电源电压不同，触发角相同的情况下，降低电源电压使转速下降。同时可以得出结论：改变电源电压的大小可以实现调速。3.2.4闭环仿真模型图12闭环系统仿真图聂震1310300235孙敖13103003129PI设置：比例环4，积分环0.1，输出限幅[60，-60]。控制角调节范围0~120°。3.2.5闭环仿真波形及分析图13闭环转速波形从图13中可以看出转速维持在1420r/min，转速在0.5s左右达到稳定状态。给定转速1350r/min，在1.4s时突加m60N的负载时的转速、控制角、负载转矩波形。图14转速聂震1310300235孙敖131030031210从图14可以看出转速在0.45s左右达到稳定，在0.45s到1.4s左右转速稳定在1350r/min，到1.4s时突加m60N的负载，可以看到转速跟随给定变化。图15控制角从图15可以看出控制角随着给定的变化而变化，实现调速。图16转矩从图16可以看出，开始时，转速为0，负载转矩为0，因输出限幅为-60~60，经偏置使得输入控制角为0。随着转速的上升，使负载转矩增大，但反馈在一定范围内依旧为0，经过0.6s后转速稳定在1350r/min，负载转矩、控制角保持稳定。在1.4s时突加m60N的负载，经反馈，减小控制角，增大电压提高转速，聂震1310300235孙敖131030031211负载转矩随之增大，在1.6秒内系统达到稳定状态。4.结论本次设计根据闭环调压调速，控制回路的设计，调速系统的静态参数分析和转速调节器及其结构的选择，转速检测环节和电流检测环节的设计，通过MATLAB仿真设计对异步电机调压调速系统进行了仿真和分析。参数的设定时，改变晶闸管的触发角，可以得到不同的电机转速变化，通过对比分析发现，在触发角相同电源电压不同的情况下，电源电压降低会引起转速的下降。从而可以得出结论，异步电动机调压调速系统，就是通过速度的反馈值与速度的给定值进行对比，对比后经ASR得到控制电压，再将这个控制电压输入到触发装置，由触发装置输出控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低的原理来调节加在定子绕组上电压的大小，从而调节电动机的转速。通过MATLAB的仿真实验，对运动控制课程的学习有很大的帮助，可以很好的通过实验对课程的学习加深理解。5.参考文献[1]陈伯时，阮毅.电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第4版）[M].机械工业出版社.2009.8[2]唐介.电机与拖动.高等教育出版社.2008[3]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真.机械工业出版社.2010.1[4]王兆安，刘进军.电力电子技术.机械工业出版社.2009.5