【电气工程及其自动化】三相异步电动机闭环调压调速系统设计与仿真

本科生毕业论文（设计）论文题目三相异步电动机闭环调压调速系统设计与仿真二级学院信息与科学技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年05月25日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111三相异步电动机的调速方法112调压调速113仿真软件的发展状况与应用214MATLAB概述215SIMULINK概述32三相异步电动机调压调速的主电路321三相异步电动机的结构与基本原理422测速发电机523单相交流调压电路工作原理524三相交流调压电路的原理与分析625晶闸管的选择726晶闸管的保护827三相可控硅交流调压移相触发器93闭环调压调速系统的设计1031闭环调压调速系统1132闭环系统参数设计12321晶闸管的传递函数12322异步电动机的传递函数12323反馈环节的传递函数12324转速调节器的参数计算134基于MATLAB仿真1441三相交流调压电路的仿真1442开环系统的仿真模型的模块提取的路径及参数设置1643闭环调压调速系统的建模与仿真195结论21参考文献22致谢23三相异步电动机闭环调压调速系统设计与仿真摘要本文分析了异步电机的调速原理，介绍了MATLAB仿真知识。采用晶闸管交流调压电路对异步电动机调速，分析了开环系统存在的问题，采用转速闭环方式对主电路进行控制，并对电路参数进行了设计，最后利用MATLAB/SIMULINK软件仿真了开环控制系统和闭环控制系统，得出了相应的结论。关键词调压调速三相异步电动机晶闸管转速闭环THREEPHASEASYNCHRONOUSMOTORCLOSEDLOOPREGULATINGSPEEDCONTROLSYSTEMDESIGNANDSIMULATIONABSTRACTTHISPAPERANALYZESTHEASYNCHRONOUSMOTORSPEEDREGULATIONPRINCIPLE,INTRODUCESTHERELATEDKNOWLEDGEOFMATLABADOPTSTHYRISTORACVOLTAGEREGULATINGCIRCUITOFASYNCHRONOUSMOTORSPEEDCONTROL,ANALYZESTHEPROBLEMSOFOPENLOOPSYSTEM,THESPEEDANDCURRENTDOUBLECLOSEDLOOPMETHODTOCONTROLTHEMAINCIRCUIT,ANDTHEPARAMETERSOFTHECIRCUITDESIGN,USINGMATLAB/SIMULINKSOFTWARESIMULATIONINTHEENDOPENLOOPANDCLOSEDLOOPCONTROLSYSTEMCONTROLSYSTEM,THECORRESPONDDINGCONCLUSIONSKEYWORDSREGULATINGSPEEDREGULATIONTHREEPHASEASYNCHRONOUSMOTORTHYRISTORSPEEDCLOSEDLOOP1绪论随着电力电子技术及计算机技术的发展，近年来交流电动机调速技术得到了迅速发展,特别是变频调速技术,其性能不断提高、应用领域不断扩大,大有逐渐取代传统的直流电机传动系统的趋势。但就我国实际国情来看,变频调速中使用的GTO与GTR等的换流器件价格昂贵,换流电路及控制线路复杂,组成的控制器价格远远高于电机价格。而晶闸管交流调压调速系统中,晶闸管可以因负载电流过零而自行关断,不需另加换流电路,故线路简单,调压装置体积小、成本低廉、使用维修方便。特别对风机、水泵类负载,其调速性能完全能满足调速需要,因而这种调速方法在应用量大面广的风机、水泵类负载上仍被广泛应用。11三相异步电动机的调速方法根据异步电机的转速公式（1）1/601SPFSN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F1调速；（3）改变转差率S调速。12调压调速调压调速是变转差率调速的一种。调压调速是异步电动机调速中比较简便的一种方法。由电机原理可知电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的，如图1所示。改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将两个晶闸管反向并联分别接到每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压1。如图1所示。在带恒转矩负载TL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，而带风机泵类负载时，可得到较大的调速范围，如图1中的D，E，F点。图1异步电动机在不同电压的机械特性可见，电磁转矩T与定子电压U1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。13仿真软件的发展状况与应用早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开始应用数字计算机进行仿真2。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL，SIMNOM，MATLAB/SIMULINK，MATRIX/SYSTEMBUILD，CSMPC等。14MATLAB概述MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言。它将计算，可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号，其典型的使用包括MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如C和FORTRAN等3。MATLAB的名字象征着矩阵库。它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。在美国，MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一。美国许多大学的实验室都安装有MATLAB，供学习和研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台，同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具，能够直接绘制系统的BODE图和NYQUIST图。15SIMULINK概述SIMULINK是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。SIMULINK提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。SIMULINK拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器4。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用SIMULINK的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用SCOPES或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的TOOLBOXES中的工具。因为MATLAB和SIMULINK是一体的，所以可以仿真、分析、修改模型在两者中的任一环境中进行。2三相异步电动机调压调速的主电路主电路如图2所示。该系统主电路采用2个晶闸管反向并联分别接到每相电源上，具有体积小，控制极接线简单的特点。U，V，W为交流输入端，U3,V3，W3为输出端，接向异步电动机定子绕组5。图2主电路21三相异步电动机的结构与基本原理三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场。转速的大小由电动机极数和电源频率而定。旋转磁场的转速N1称为同步转速。它与电网的频率F1及电机的磁极对数P的关系为N160F1P2转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁场形成感应电动势。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用，转子就会旋转起来。综上所述可知，三相异步电动机转动的基本工作原理。（1）三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。（2）转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流。（3）转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。异步电机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序。因此，三相异步电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向，只要改变电流的相序即可，即任意对调电动机的两根电源线，便可以实现电动机的反转。异步电动机的转速恒小于旋转磁场的转速N1，只有这样，转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。如果NN1，转子绕组与定子磁场之间无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见N150时，触发脉冲不起作用，晶闸管不导通。从上面的分析我们可以看出无论是负载电压还是电流波形，交流调压所输出的都不是正弦波，并且当角增大时，负载电压相应会逐渐变小，负载电流则开始出现断续。当带电感性负载时，交流调压输出的波形就不仅与有关，也与负载的有关，这时负载电流和负载电压也不再同相了，其移相角范围为150。三相三线交流调压电路的电流中含有很多谐波。在进行傅里叶分析后可知，其中所含谐波的次数为6K1（K1,2,3，），这和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波次数的完全相同，而且也是谐波的次数越低，其含量越大。三相三线调压电路由于其三相对称的特性，并不含有3的整数次倍的谐波，它们不能流过三相三线电路。在阻感负载的情况下，时，负载电流会达到最大值并且为正弦波，同短接晶闸管的情况相同，一般来说，电感大时，谐波电流的含量要小一些。25晶闸管的选择晶闸管的选择主要是根据运行条件，计算晶闸管的电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。在工频装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。合理的选择晶闸管元件，可使晶闸管装置运行可靠，成本降低,得到满意的经济技术指标。在变流装置中选择晶闸管主要是考虑额定电压和额定电流参数。选择时可根据整流电路的型式，负载的性质，电源电压和负载电流的大小，对流过晶闸管的电流和加载它两端的峰值电压加以计算，然后根据可靠性和经济性综合考虑，选用合适的晶闸管型号7。1、选择晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数应根据应用电路的具体要求而定。所选晶闸管应留有一定的功率裕量，其额定峰值电压和额定电流（通态平均电流）均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流23倍。2、晶闸管的正向压降、门极触发电流及触发电压等参数应符合应用电路（指门极的控制电路）的各项要求，不能偏高或偏低，否则会影响晶闸管的正常工作。一、额定电压UTN1电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。2际情况，系统应留有足够的裕量。通常可考虑23倍的安全裕量，可按下式计算额定电压TMTNUU32（3）式中UTN管可能承受的电压最大值（V）；在主电路中，交流电压有效值为380V，则求得额定电压为162V074382TN（4）按标准电压等级取1200V、1400V、1600V中任一值均可。二、额定电流ITAV的选择晶闸管是一种过载能力很小的原件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择（23）倍的安全裕量。72A4851/326571/32TAVTII（5）按标准电流等级取整数，所以高取ITAV72A。选取用KP20012型号的平板晶闸管。26晶闸管的保护在实际晶闸管电路中如图5所示，常在其两端并联RC串联网络，该网络常称为RC阻容吸收电路。图5晶闸管阻容吸收回路晶闸管有一个重要特性参数断态电压临界上升率DLV/DLT。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2结结面相当于一个电容C0。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容C0，并通过J3结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则C0的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的变压器漏感或负载电感，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一8。27三相可控硅交流调压移相触发器图6移相触发器与6只单向可控硅组成三相交流调压的接线图三相交流调压电路的三路进线R、S、T,SJKT3SCRH型无相序要求，如图六所示。三相输出电压对称性较好，正常情况下三相输出误差不大于10V。若偏差稍明显，请检查三相进线R、S、T电压是否一致，三相负载是否平衡。三相交流调压电路中的负载可以为接法或Y形接法，Y形接法时中心点不必接入N线。触发器的触发端如A1、G1，A6、G6为单宽脉冲强触发方式，可以触发额定电流1500A以内的任何单向可控硅。强触发方式的连线为A1、G1对应KPL的阳极和门极，而不是变压器驱动方式用的阴极和门极。触发器可以驱动从几十安到千余安的全系列规格的单相可控硅，组成简单经济的三相调压系统，此方案一般用于大于400A规格的大功率调压系统。对于400A规格以下场合，可选用LSJKTSR调压方案或三相一体化调压模块。主电路中可控硅的阳极和阴极间必须加一阻容吸收回路保护，其中电阻一般选30100、3W以上，电容选0110F、400VAC以上。触发器有LED电源指示和LED输出调节量指示。触发器内置电源与R、S、T主电路没有相位关系，“L”端可接到任一路相线，“N”端必需接三相零线。触发器无须外接同步变压器，也无须外接直流电源。触发器工作时发热很小，不需要安装在散热器上。各输入控制端与开关电源输入端之间以及与强电主回路之间为全隔离设计，绝缘介质耐压大于2000VAC。3闭环调压调速系统的设计开环调压调速系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。对于开环调速系统，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，开环系统可以实现一定范围的无级调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；闭环系统的静差率要比开环系统小得多；如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。其原理图如图7所示图7开环调压系统原理图31闭环调压调速系统速度负反馈闭环调压调速系统的结构和工作原理如图8、图9将速度给定值与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置，由触发装置输出来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。因此，改变了速度给定值就改变了电动机的转速。由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小。由速度调节器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，导致电动机的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值9。调节器晶闸管调压装置异步电动机转速反馈装置给定NUNUCTU1UN图59调压调速系统静态结构框图图8系统调速结构图图9闭环调速系统原理图32闭环系统参数设计321晶闸管的传递函数晶闸管交流调压器和触发装置GTV中可近似成一阶惯性环节，正如晶闸管触发与整流装置一样。传递函数可写成（7）1STKWVGT式中TS为可控硅的时滞或惯性环节的时间常数。电路采用三相调压电路，根据经验数据TS可取33MS。调压器输出电压为0V220V,输出控制电压为0V7V变动，所以放大倍数220/730倍。CTUSK322异步电动机的传递函数81212221STKUKNJUKJNUNWMNMSNSNMSNSSAM首先计算它的参数电动机的机电时间常数TM近似认为与机械特性斜率KM成正比，即922375MGDNTK式中为负值，可由MATLAB仿真曲线测出2800/013。NN电动机与负载总飞轮惯性取001KGNM则2（1001805375MTS由得2DMMK（11326210K323反馈环节的传递函数反馈环节FBS考虑到反馈滤波的作用，其传递函数为（12）1STWONFBS求速度反馈系数000725（13）MIN/1380MAXRVNURVIN/求速度反馈滤波常数TON由于反馈输出均由波纹，在低速时尤为严重，一般都需要滤波，负责无法应用。TON太小，滤波效果不佳，但TON太大，又将影响系统性能，通常取之间，10MS这里取。10ONMS324转速调节器的参数计算一、确定时间常数1、电流环等效时间常数为。201326ITS2、转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。ON01ONTS3、转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取2026136NION二、选择调节器参数由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，器传递函数为（14SKSWNAR1（15SHTNN83065按照以上参数，电流环可以达到的动态性能为，满足设计要45I求。（162221689503NNHKST转速环开环增益（17FRCI2571083于是，ASR的比例系数为（181360725063891KNNN三、校验近似条件转速环截止频率289519CNNS1、电流环传递函数简化条件15CNIT现在满足简化条件。1942503IT2、小时间常数近似条件1CNIONT现在满足近似条件。12043323203CNIONT四、计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图10图10反馈滤波的PI调节器取，各电阻和电容值计算如下01RK（19KRN810810（20FCN52236（21FN41046304基于MATLAB仿真41三相交流调压电路的仿真从电源模块组中选取一个交流电压源模块，修改三相电源名称为A相、B相、C相。具体的操作方法双击A相交流电压源图标，就可以设置对话框修改参数，电压的幅值设为220V，频率设为50HZ，初相位设为0O。以上是A相参数的设置方法，B相的设置方法双击B相交流电压源图标，就可以设置对话框修改参数，电压的幅值设为220V，频率设为50HZ，初相位设为120O；C相的设置方法双击C相交流电压源图标，就可以设置对话框修改参数，电压的幅值设为220V，频率设为50HZ，初相位设为240O。这样就可以得到三相对称交流电源10。晶闸管三相交流调压器由3对晶闸管组成。这3对晶闸管元件每个都采用“相位控制”方式，再采用反并联的方式构成晶闸管三相交流调压器，其中并利用了电网自然换流。图11所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型。图12所示为三相交流调压晶闸管元件的参数设定。图11三相交流调压模块电路接线图图12晶闸管参数设置1时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形30图13时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图30由图13可以看出，当控制角为30度时，晶闸管从30度时开始导通，直至过零点自动关断，电压波形对称性很好11。2时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形60图14时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图6042开环系统的仿真模型的模块提取的路径及参数设置仿真模型中使用的模块与提取路径是异步电动机ASYNCHRONOUSMACHINESIMULINKSIMPOWESYSTEMMACHINESASYNCHRONOUSMACHINE异步电机测试信号分配器MACHINEMEASUREMENTDEMUXSIMULINKSIMPOWESYSTEMMACHINEMACHINEMEASUREMENTDEMUX图15开环系统仿真模型1触发角为60时得到的转速图1660时电机转速变化的过程由图16中可以观察到当触发角为60时，转速稳定在1712转/分钟，转速在09S时达到稳定状态。2触发角为75时得到的转速图1775时电机转速变化的过程由图17中可以观察到当触发角为75时，转速稳定在1660转/分钟，转速在16S时达到稳定状态12。通过比较图16和图17的触发角为60和75时可以发现随着的增大，使得输出电压降低，使转速下降，从而达到调速的目的。3改变电源电压，电源电压为150V,触发角为60时得到的转速图18电源电压为150V60时电机转速变化的过程由图中可以观察到当触发角为60时，转速稳定在1660转/分钟，转速在1S时达到稳定状态。通过比较图17和图18可以发现，在相同的触发角不同的电源电压下，电源电压的降低会使转速下降。同时也可以得到通过改变电源电压的大小来实现调速的可行性。43闭环调压调速系统的建模与仿真图19闭环调压调速系统仿真模型异步电动机速度负反馈闭环调压调速系统的仿真模型如图19所示12，将速度给定值（1200）与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置，由触发装置输出来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电压的大小。因此，改变速度给定值就改变了电机的转速。由于采用了速度负反馈从而实现了平稳平滑的无级调速。同时负载发生变化时，通过速度负反馈，能制动调整加在定子绕组上的电压的大小，由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲迁移，是调压器的输出电压提高，导致电动机的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值。PI设置比例环4，环01，输出限幅60，60。控制角调节范围0120。图20闭环转速特性图20是电压为180V，转速给定为1420，从图中可以可以发现转速给定为1420，转速在05S时达到稳定状态，转速维持在1420，从中可以得出转速跟随给定变化。以下是给定1350在14S时给60阶跃的转速、控制角、负载转矩。图21闭环转速特性从图21能发现转速在045S时达到稳定，在045S到14S时转速稳定在1350转/分钟，到14S时给了一个终值为60的阶跃，发现转速跟随给定变化。5结论本次毕业设计基本完成了预计的任务，对于三相异步电动机的相关知识有了很好的掌握与思考。经过三个多月的努力，我在异步电动机的工作特性方面做了多方面了解的学习，并独立完成了相关系统的仿真图。在本次课程设计中，我学到很多东西，有些表面上看起来比较简单的东西，实际做起来的就不像那么简单