雙閉環三相異步電動機調壓調速的系統設計與仿真課程設計

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 雙閉環三相異步電動機調壓調速系統的原理及組成</p><p>　　調壓調速即通過調節通入異步電動機的三相交流電壓大小來調節轉子轉速的方法。理論依據來自異步電動機的機械特性方程式：</p><p>　　其中，p為電機的極對數；</p><p>

2、　　w1為定子電源角速度；</p><p>　　U1為定子電源相電壓；</p><p>　　R2’為折算到定子側的每相轉子電阻；</p><p>　　R1為每相定子電阻；</p><p>　　L11為每相定子漏感；</p><p>　　L12為折算到定子側的每相轉子漏感；</p><p><

3、;b>　　S為轉差率。</b></p><p>　　圖1-1 異步電動機在不同電壓的機械特性</p><p>　　由電機原理可知，當轉差率s基本保持不變時，電動機的電磁轉矩與定子電壓的平方成正比。因此，改變定子電壓就可以得到不同的人為機械特性，從而達到調節電動機轉速的目的</p><p>　　1.2 雙閉環三相異步電動機調壓調速系統的工作原理<

4、;/p><p>　　系統主電路采用3個雙向晶閘管，具有體積小?？刂茦O接線簡單等優點。A.B.C為交流輸入端，A 3.B3.C3為輸出端，接向異步電動機定子繞組。為了保護晶閘管，在晶閘管兩端接有阻容器吸收裝置和壓敏電阻。</p><p>　　1.2.1 控制電路</p><p>　　速度給定指令電位器BP1所給出的電壓，經運算放大器N組成的速度調節器送入移相觸發電路。同時

5、，N還可以得到來自測速發電機的速度負反饋信號或來自電動機端電壓的電壓反饋信號，以構成閉環系統，提高調速系統的性能。</p><p>　　1.2.2 移相觸發電路</p><p>　　雙向晶閘管有4種觸發方式。本系統采用負脈沖觸發，即不論電源電壓在正半周期還是負半周期，觸發電路都輸出負得觸發脈沖。負脈沖觸發所需要的門極電壓和電流較小，故容易保證足夠大的觸發功率，且觸發電路簡單。TS是同步變壓

6、器，為保證觸發電路在電源正負半波時都能可靠觸發，又有足夠的移相范圍，TS采用DY11型接法。</p><p>　　移相觸發電路采用鋸齒波同步方式，可產生雙脈沖并有強觸發脈沖電源（+40V）經X31送到脈沖變壓器的一次側</p><p>　　第2章 雙閉環三相異步電動機調壓調速系統的設計方案</p><p><b>　　2.1 主電路設計</b>

7、</p><p>　　2.1.1 調壓電路</p><p>　　改變加在定子上的電壓是通過交流調壓器實現的。目前廣泛采用的交流調壓器由晶閘管等器件組成。它是將三個雙向晶閘管分別接到三相交流電源與三相定子繞組之間通過調整晶閘管導通角的大小來調節加到定子繞組兩端的端電壓。這里采用三相全波星型聯接的調壓電路。</p><p>　　圖2-1 調壓電路原理圖</p>

8、;<p>　　2.1.2 開環調壓調速</p><p>　　開環系統的主電路由觸發電路、調壓電路、電機組成。原理圖如下：</p><p>　　圖2-2 開環調壓系統原理圖</p><p>　　AT為觸發裝置，用于調節控制角的大小來控制晶閘管的導通角，控制晶閘管輸出電壓來調節加在定子繞組上的電壓大小。</p><p>　　2.1.

9、3 閉環調壓調速</p><p>　　速度負反饋閉環調壓調速系統的工作原理：將速度給定值與速度反饋值進行比較，比較后經速度調節器得到控制電壓，再將此控制電壓輸入到觸發裝置，由觸發裝置輸出來控制晶閘管的導通角，以控制晶閘管輸出電壓的高低，從而調節了加在定子繞組上的電壓的大小。因此，改變了速度給定值就改變了電動機的轉速。由于采用了速度負反饋從而實現了平穩、平滑的無級調速。同時當負載發生變化時，通過速度負反饋，能自動調

10、整加在電動機定子繞組上的電壓大小。由速度調節器輸出的控制電壓使晶閘管觸發脈沖前移，使調壓器的輸出電壓提高，導致電動機的輸出轉矩增大，從而使速度回升，接近給定值。</p><p>　　圖2-3 系統調速結構圖</p><p>　　圖2-4 閉環調速系統原理圖</p><p>　　2.2 控制回路設計</p><p>　　2.2.1轉速檢測環節和

11、電流檢測環節的設計</p><p>　　1）電流調節器的設計原理</p><p>　　電流環的控制對象又電樞回路組成的大慣性環節與晶閘管整流裝置，觸發器，電流互感器以及反饋濾波等一些小慣性環節組成。電流環可以校正成典型1型系統，也可以校正成典型2型系統，校正成哪種系統，取決于具體系統要求。</p><p>　　由于電流環的重要作用是保持電樞電流在動態過程中不超過允許

12、值，因而，在突加給定時不希望有超調，或者超調越小越好。從這個觀點來說，應該把電流環校正成典型1型系統。但是，典型1型系統在電磁慣性時間常數較大時，抗繞性能較差?；謴蜁r間長?？紤]到電流環還對電網電壓波動又及時的調節功能，因此，為了提高其抗擾性能，又希望把電流環校正成典型2型系統。</p><p>　　2）電流環的結構的簡化</p><p>　　電流環的結構如圖2-5 所示。把電流環單獨拿出來

13、設計時，首先遇到的問題是反電勢產生的反饋作用。在實際系統中，由于電磁時間常數T1遠小于機電時間常數 Tm，電流調節過程往往比轉速的變化過程快得多，因而也比電勢E的變化快得多，反電勢對電流環來說，只是一個變化緩慢的擾動，在電流調節器的快速調節過程中，可以認為E基本不變，即△E=0。這樣，在設計電流環時，可以不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋作用斷開，使電流環結構得以簡化。另外，在將給定濾波器和反饋濾波器兩個環節等效的置于環內，使電流環結

14、構變為單位反饋系統。最后，考慮到反饋時間常數 Ti 和晶閘管變流裝置間常數 Ts 比 T1 小得多，可以當作小慣性環節處理。經過上述簡化和近似處理后，電流環的結構圖最終可簡化為圖2-6所示：</p><p>　　圖2-5 電流環的結構</p><p>　　圖2-6 電流環的結構簡化圖</p><p>　　3）電流調節器的結構選擇</p><p&g

15、t;　　由于電流環中的控制對象傳遞函數 Wi（s）含有兩個慣性環節，因此按典型Ⅰ系統設計的話，應該選PI 調節器進行串聯校正，其傳遞函數為</p><p>　　為了對消控制對象的大時間常數，取 。此時，電流環的結構圖就成為典型Ⅰ型系統的形式，如圖2-7所示。</p><p>　　圖 2-7 電流環的結構圖</p><p>　　如果要求跟隨性好，超調量小，可按工程最佳

16、參數KgT=0.5或=0.707選擇調節器的參數。電流環開環放大系數 Ki 為</p><p><b>　　K=</b></p><p>　　令KT=0.5,所以有：</p><p><b>　　K=</b></p><p><b>　　且截止頻率W為：</b></p&g

17、t;<p><b>　　W=K=</b></p><p>　　上述關系表明，按工程最佳參數設計電流環時，截止頻率W與T的關系滿足小慣性環節的近似條件W。</p><p>　　如果按典型型系統設計電流環， 則需要將控制對象中的大慣性環節近似為積分環節，當T>hT時 ，而電流調節器仍可用 PI 調節規律。但積分時間常數應選得小一些，即= hT。<

18、/p><p>　　按最小峰值M選擇電流環時，如選用工程最佳參數 h=5，則電流環開環放大系數 KI為： </p><p><b>　　K==</b></p><p><b>　　于是可得</b></p><p><b>　　K==</b></p><p>&

19、lt;b>　　W==</b></p><p>　　顯然，按工程最佳參數h=5確定的W和T的關系，也可以滿足小慣性環節的近似的條件。</p><p>　　2.2.2調速系統的靜態參數分析</p><p>　　1）轉速調節器的設計</p><p>　　1．電流環的等效傳遞函數 </p><p>　　電流環

20、是轉速環的內環，設計轉速環時要對電流環做進一步的簡化處理，使電流成為一個簡單的環節，以便按典型系統設計轉速環。 </p><p>　　如果電流環是按工程最佳參數設計的典型 I 型系統，則由圖2-6可得其閉環傳遞函數為：</p><p><b>　　W（s）===</b></p><p>　　由于： K=, 所以有W（s）=</p>

21、<p>　　在雙閉環調速系統設計中，轉速外環的截止頻率W總是低于電流環的截止頻W，即W<< W.因此，設計轉速環時可以把電流環看成是外環中的一個小時常數環節，并加以簡化處理，即略去WBi(s)中分母的高次項，得簡化后的傳遞函數為：</p><p><b>　　W（s）</b></p><p>　　近似條件為: W<<0.5T。<

22、;/p><p>　　電流環的這種近似處理產生的效果可以用對數幅頻特性來表示。電流環未作處理時阻尼比=0.707 ，自然振蕩頻率為的二階振蕩環節，當轉速環截止頻率較W低時，對于轉速環的頻率特性來說，原系統和近似系統只在高頻段有些區別。由于電流環在轉速環內，其輸入信號Ui。</p><p>　　因此，與電流環的近似的小環節應為==，式中時間常數2T的大小隨調節器參數選擇方法不同而異。</p&

23、gt;<p>　　2．轉速調節器結構的選擇</p><p>　　為了實現轉速無靜差，必須在擾動作用點以前設置一個積分環節，從圖 2-7可以看出，在負載擾動作用點以后，已經有一個積分環節，故從靜態無差考慮需要 II 型系統。從動態性能上看，考慮轉速調節器飽和非線性后，調速系統的跟隨性能與抗擾性能是一致的，而典型 II 型系統具有較好的抗擾性能。所以，轉速環應該按典型 II 系統進行設計。</p&

24、gt;<p>　　由圖2-9可以明顯地看出，要把轉速環校正成典型 II 型系統，轉速調節器 ASR</p><p>　　也應該采用 PI 調節器，其傳遞函數為</p><p><b>　　W=K</b></p><p>　　式中K——轉速調節器的比例系數；</p><p>　　——轉速調節器的超前時間常數&

25、lt;/p><p>　　這樣，調速系統的開環傳遞函數為：</p><p><b>　　W（S）==</b></p><p>　　其中，轉速開環增益為</p><p><b>　　K=</b></p><p>　　不考慮負載擾動時，校正后的調速系統動態結構于下圖2-8</p&

26、gt;<p>　　圖 2-8 校正后的調速系統動態結構</p><p>　　圖 2-9的調速系統動態結構</p><p>　　3．轉速調節器的參數選擇 </p><p>　　按跟隨性能和抗擾性能最好的原則，取h=5進行計算。 </p><p>　　小慣性環節近似處理條件:</p><p><b&g

27、t;　　W</b></p><p>　　4. 電流環設計時，KT=0.5, 所以，<5%。</p><p>　　2.3 觸發電路設計</p><p>　　晶閘管觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在必要時由阻斷轉為導通。晶閘管觸發電路往往包括觸發時刻進行控制相位控制電路、觸發脈沖的放大和輸出環節。 對于調壓電路，要求順序輸出的觸

28、發脈沖依次間隔60°。觸發順序依次為</p><p>　　VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，6個觸發脈沖相位依次相差60O。</p><p>　　第3章 雙閉環三相異步電動機調壓調速系統的仿真</p><p><b>　　3.1 調壓電路</b></p><p>　　

29、3.1.1 調壓電器的仿真模型</p><p><b>　　圖 3-1 </b></p><p><b>　　調壓電路的搭建</b></p><p>　　圖 3-2 調壓電路模型</p><p>　　3.1.2 參數的設定</p><p>　　Frequency of sy

30、nchronization voltages(hz)：同步電壓頻率（赫茲）50Hz</p><p>　　Pulse width(degrees)：觸發脈沖寬度（角度）10</p><p>　　Double pulsing：雙脈沖出發選擇。</p><p>　　RLC負載的參數設定：電阻100Ω，電感0H，電容的值為inf</p><p>　　

31、UA：峰值220v,f為50Hz,初相位為0°</p><p>　　UB：峰值220v,f為50Hz,初相位為-120°</p><p>　　UC：峰值220v,f為50Hz,初相位為-240°</p><p>　　3.1.3電阻負載的仿真圖形</p><p>　　圖 3-3三相交流調壓器的輸出電壓波形</

32、p><p>　　在電阻負載時三相交流調壓器的輸出電壓仿真結果如圖3-3所示。其中左圖為α=45°時調壓器輸出的波形，右圖所示為α=60°時調壓器輸出的波形。通過比較a)和b)可以發現，隨著觸發角的增加，同時有三個晶閘管導通的區間逐步減小，到α>=60°時，任何晶閘管都只有兩相晶閘管導通。</p><p>　　3.2 異步電動機帶風機泵類負載開環調壓調速模塊&

33、lt;/p><p>　　3.2.1 參數設定</p><p>　　由公式Tz=kn ²可推出k=Tz/n ²</p><p>　　電機參數額電壓220v 頻率為60Hz 極對數為2對</p><p>　　容量為2238VA 同步轉速為1800轉/分鐘</p><p>　　可以計算k=0.00000366

34、5</p><p>　　UA：峰值180v,f為60Hz,初相位為0°</p><p>　　UB：峰值180v,f為60Hz,初相位為-120°</p><p>　　UC：峰值180v,f為60Hz,初相位為-240°</p><p>　　圖 3-4 開環系統仿真模型</p><p>　　

35、1）觸發角α為60°時得到的轉速</p><p>　　圖3-5 α=60°時 電機轉速變化的過程</p><p>　　由圖中可以觀察到當觸發角為60°時，轉速穩定在1712轉/分鐘，轉速在0.9s時達到穩定狀態。</p><p>　　2）觸發角α為75°時得到的轉速</p><p>　　圖3-6 α=7

36、5°時 電機轉速變化的過程</p><p>　　由圖中可以觀察到當觸發角為75°時，轉速穩定在1660轉/分鐘，轉速在1.6s時達到穩定狀態。</p><p>　　通過比較圖3-5和圖3-6的觸發角α為60°和80°時可以發現：隨著α的增大，使得輸出電壓降低，使轉速下降，從而達到調速的目的。</p><p>　　3）改變電源電

37、壓，電源電壓為150v, 觸發角α為60°時得到的轉速</p><p>　　圖3-7 電源電壓為150v α=60°時 電機轉速變化的過程</p><p>　　由圖中可以觀察到當觸發角為60°時，轉速穩定在1660轉/分鐘，轉速在1s時達到穩定狀態。</p><p>　　通過比較圖3-6和圖3-7可以發現，在相同的觸發角不同的電源電壓下

38、，電源電壓的降低會使轉速下降。同時也可以得到通過改變電源電壓的大小來實現調速的可行性。</p><p><b>　　3.2.2閉環調壓</b></p><p>　　圖3-8 閉環調壓調速系統仿真模型</p><p>　　異步電動機速度負反饋閉環調壓調速系統的仿真模型如下所示，將速度給定值（1200）與速度反饋值進行比較，比較后經速度調節器得到

39、控制電壓，再將此控制電壓輸入到觸發裝置，由觸發裝置輸出來控制晶閘管的導通角，以控制晶閘管輸出電壓的高低，從而調節了加在定子繞組上電壓的大小。因此，改變速度給定值就改變了電機的轉速。由于采用了速度負反饋從而實現了平穩平滑的無級調速。同時負載發生變化時，通過速度負反饋，能制動調整加在定子繞組上的電壓的大小，由速度調節器輸出的控制電壓使晶閘管觸發脈沖遷移，是調壓器的輸出電壓提高，導致電動機的輸出轉矩增大，從而使速度回升，接近給定值。</

40、p><p>　　PI設置：比例環4， 環0.1，輸出限幅[60，-60]。</p><p>　　控制角調節范圍0~120.</p><p>　　圖 3-9 閉環轉速特性</p><p>　　圖3-10是電壓為180v，轉速給定為1420，從圖中可以可以發現轉速給定為1420，轉速在0.5s時達到穩定狀態，轉速維持在1420，從中可以得出轉速跟隨

41、給定變化。</p><p>　　以下是給定1350在1.4S時給60階躍的轉速、控制角、負載轉矩。</p><p><b>　　圖3-10 轉速</b></p><p>　　從圖3-11可以發現轉速在0.45s時達到穩定，在0.45s到1.4s時轉速穩定在1350轉/分鐘，到1.4s時給了一個終值為60的階躍，可以發現轉速跟隨給定變化<

42、/p><p><b>　　圖3-11 控制角</b></p><p>　　從圖3-12可以直觀的看到控制角在隨著給定的變化而變化，從而實現調速。</p><p><b>　　圖3-12 轉矩</b></p><p>　　開始時，轉速為0，負載轉矩為0，反饋因輸出限幅為-60，經60偏置使得輸入控制角為

43、0，定子繞組電壓為電源電壓。隨著轉速的上升，負載轉矩增大，反饋在一定范圍內依舊為0.經0.6秒后轉速穩定在1350，負載轉矩、控制角也保持穩定。再過0.8秒，給定增加60，經反饋，減小控制角，增大電壓提高轉速，負載轉矩隨之增大，在1.6秒內保持穩定。</p><p><b>　　第4章 總結</b></p><p>　　為期兩周的設計終于告一段落了，在這兩周的課程設計

44、中，我學到很多東西，有些表面上看起來比較簡單的東西，實際做起來的就不像那么簡單了，要考慮諸多參數的配合。對于整個系統，因為課題要求是調壓調速，所以首先從調壓器開始設計，使用利用單個晶閘管元器件搭建的三相交流調壓器的仿真模型，再將該模塊進行封裝。先觀察帶電阻負載時，調壓器輸出的波形，通過修改參數終于使得調壓器輸出的波形與理論相同。接著，異步電動機帶風機泵類負載開環調壓調速。然后，確定調速系統采用閉環控制，整個系統可以實現轉速負反饋調節，使

45、系統的性能大大提高。通過此次設計讓我對matlab的simulink模塊有了更深的了解，對調壓調速的特性也有了更深層次的認識。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　感謝姜淑華老師在我遇到問題時，不厭其煩的幫助我，給我講解本次設計的基本要求和大致設計框架，使我在此次設計中學習到了曾經沒有學的很扎實的內容。雖然經過了一些坎坷可還是順利的完成了

46、設計。</p><p>　　正是因為老師都有認真耐心的講解和檢查，才使得我們都成功的完成了設計，很多問題的講解使我對于MATLAB軟件有了更深刻的學習。</p><p>　　在這里我想真誠的對老師說一聲：“老師，您辛苦了”。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]陳伯時.電力拖動自動控制

47、系統（第2版）[M]. 機械工業出版社. 2005</p><p>　　[2]宋書中.交流調速系統..機械工業出版社.2011</p><p>　　[3]顏世鋼,張承惠.電力電子問答.機械工業出版社.2007</p><p>　　[4]唐介.電機與拖動.高等教育出版社..2008</p><p>　　[5]李發海，王巖.電機與拖動.清華大學出

48、版社..2005</p><p>　　[6]曲素榮，索娜. 電機及電力拖動.西南交通大學出版社.2007</p><p>　　[7]機械工業出版社 《電力電子和電力拖動控制系統的matlab仿真》 洪乃剛</p><p>　　[8]機械工業出版社 《電力電子技術》 王兆安</p><p>　　[9]電子工業出版社 《matlab電機仿真精華