异步电机调压调速控制系统设计及仿真

中州大学毕业设计I摘要我国工业不断发展。机械化对调速系统的性能和精度要求越来越高。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。本设计分析了异步电机调速的原理，介绍了 MATLAB 的相关知识，并通过MATLAB 软件分别对异步电机开环控制系统与速度反馈闭环控制系统进行了仿真。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。本设计对这两种系统分别进行可分析。关键词：异步电机；调压调速；控制；仿真中州大学毕业设计IIAbctractThe continuous development of Chinas industry. Mechanization of the speed control system performance and increasing accuracy. There are many ways to achieve motor speed. Of motor speed, to find realistic maximum speed method can save energy, so of pressure and speed adjustment becomes necessary. Voltage Induction Motor Speed Control System is a simple and practical speed control system, which has a good run, control and economic performance, showing great potential for development. The design and analysis of the principle of induction motor speed, introduced the MATLAB-related knowledge, respectively, through the MATLAB software, open-loop induction motor speed control system with closed loop feedback control system is simulated.Open-loop motor speed control system for small speed range, using speed as a negative feedback loop control system to solve this problem. To improve speed performance. The design of these two systems can be analyzed separately.Key words: induction motor; pressure and speed adjustment; control; simulation.中州大学毕业设计III目录摘要 .IAbctract.II目录 .III前言 .11 MATLAB 简介 .31.1 MATLAB 的特点 .31.2 Simulink 简介 .62 三相异步电动机 .72.1 三相异步电动机的结构与基本工作原理 .72.1.1 定子部分 .72.1.2 转子部分 .72.1.3 气隙 .72.1.4 三相异步电动机的基本工作原理 .82.2 转差率 .82.3 异步电机的三种运行状态 .93 设计方案选择及分析 .103.1 三相异步电动机的调速方法 .103.2 调压调速 .103.3 调压调速特性及其调速性能 .113.3.1 开环调压调速特性 .133.3.2 闭环调压调速特性 .144 基于 MATLAB 软件的仿真 .164.1 异步电机开环调压调速系统的仿真 .164.2 异步电机速度负反馈闭环调压调速系统仿真 .21结束语 .24致谢 .25参考文献 .26中州大学毕业设计1前言现在社会工业化越来越体现着它的强大。工业化运行的前提是能源的有力支撑。调压调速是一种非常简单实用的调速方法。本论文对异步电机开环控制调压调速系统及速度闭环控制调压调速系统的讨论和仿真，并探讨最经济实用的调压电路。找出最合理的调速方法，实现电机平稳运行，平滑调速，既能延长电机寿命，又可以有效节约能源。在现实社会具有相当高的研究价值。交流电动机的发明是由美国发明家特斯拉完成的，最早的交流电动机根据电磁感应原理设计，结构比起直流电动机更为简单，同时也比起只能使用在电车上的直流电动机用途更广泛，它的发明让电动机真正进入了家庭电器领域。交流电动机问世之后，同步电动机、串激电动机、交流换向器电动机等也逐步被人们发明出来，并投入实际的生产，为人们的生活提供更多便利。电动机的发明和应用对人类来说具有极大的意义，可以说它为人类生活带来了翻天覆地的变化。交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，结构简单，成本低，维护方便，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，对环境要求不高，因此在工农业生产中得到了极广泛的应用。其突出的优点是：电机制造成本低，结构简单，维护容易，可以实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，并能获得和直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能。因此，人们对交流电机的研究也越来越深入。但是交流电机是一个复杂的、多变量、强耦合的非线性系统，在设计交流调速系统时完全用解析法是相当复杂的也是行不通的。构造实验系统进行分析研究是通常采用的办法，但由实验来分析研究，耗时长、投资大，且不便于分析系统的各种性能。因此，利用计算机仿真技术去研究交流调速系统是一个省时省力的好办法，计算机仿真作为研究交流电机的一种重要手段，也越来越受到重视。 。MATLAB 是目前最流行的科学计算语言之一。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。同时还是高度集成的软件系统，解决工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理等问题。MATLAB 语言在自动控制、航天工业、汽车工业、生物医学工程、语言处理的方面都有涉及。MATLAB 软件是一个非常优秀的软件，具有强大的中州大学毕业设计2仿真能力。仿真结果直观。中州大学毕业设计31 MATLAB 简介1.1 MATLAB 的特点MATLAB 直观、简单的电气系统 SimPowerSystems(实体图形化仿真模型)在 MATLAB 的 Simulink 里，提供了一个实体图形化仿真模型，与数学模型相对应。有文献把“SimPowerSystems”译成电力系统，笔者认为这有与强电领域的电力系统相混淆之弊，故在此译成电气系统。实体图形化模型库中的模块就是实际工程里实物的图形符号，例如，代表电阻、电容、电感、电机、触发器与晶闸管整流装置、电压表等事物的特有图形符号，将这些实际物体的图形符号连接就能成为一个电路、一个装置或是一个系统，它不是真是的物体，而是实际物体的图形化模型。这种实体图形化模型的仿真（有文献称为按系统原理图进行的仿真）更具有使用价值与低成本等特点。编程效率高MATLAB 语言提供了丰富的库函数（称为 M 文件），既有成用的基本库函数，又有种类齐全、功能丰富多样的专用工具箱 Toolbox 函数。函数即使预先编制好的子程序。在编制程序时，这些库函数都可以被直接调用。这无疑会大大提高编程效率。MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比 Basic、Fortran 和 C 等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用 Matlab 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。因此，Matlab 语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。界面友好，用户使用方便首先，Matlab 具有友好的用户界面与易学易用的帮助系统。用户在命令窗口里通过 help 命令可以查询某个函数的功能及用法，命令的格式极为简单（格式为help+命令或函数），这样，对初学者也不会望而生畏。其次，Matlab 语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前），它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。Matlab 语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连中州大学毕业设计4接和执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比 VB 还要简单的语言。再者，Matlab 运行时，如直接在命令行输入 Mailab 语句（命令），包括调用M 文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成绩译、连接和运行的全过程。又如，将 Matlab 源程序编辑为 M 文件，由于 Mat1ab 磁盘文件也是M 文件，所以编辑后的源文件就可直接运行，而不需进行编译和连接。在运行M 文件时，如果有错，计算机屏幕上会给出详细的出锗信息，用户经修改后再执行，直到正确为止。所以可以说，Mat1ab 语言不仅是一种语言，广义上讲是一种该语言开发系统，即语言调试系统。扩充能力强 Matlab 系统不仅为用户提供了可直接调用的丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且用户还可以根据需要，自行建立或扩充完成指定功能的 M 文件。所以用户文件也可作为 Matlab 的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高 Matlab 使用效率和扩充它的功能。另外，为了充分利用 Fortran、C 等语言的资源，包括用户已编好的Fortran，C 语言程序，通过建立 Me 调文件的形式，混合编程，方便地调用有关的 Fortran，C 语言的子程序。语句简单，内涵丰富Mat1ab 语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为a，6，c = fun（d ，e，f ，），即一个函数由函数名，输入变量 d，e ，f,和输出变量a，b，c组成，同一函数名 F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义（有点像面向对象中的多态性。这不仅使Matlab 的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得 Matlab 编写的M 文件简单、短小而高效。高效方便的矩阵和数组运算Matlab 语言象 Basic、Fortran 和 C 语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加“”就可用于数组间的运算，另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。在此基础上，高中州大学毕业设计5版本的 Matlab 已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。因此，不久的将来，它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的”科学算法语言。方便的绘图功能Matlab 提供了许多 “高级 ”图形函数，可绘制出多只多彩的图形。例如，绘制二维、三维曲线并对平面或空间多边形填充；绘制三维曲线面并对其进行复杂操作。Matlab 还开发了一些面向图形对象的“低级”图形函数，可以访问硬件系统建立各种“低级” 图形对象，它们以图形句柄为界面。用户使用图形句柄可以操作图形的局部元素。Matlab 有一系列绘图函数命令，适用于不同的坐标体系，例如，线性坐标、对数坐标、半对数坐标、极坐标及三维坐标，只需要调用不同的绘图函数命令，即可在图上标出图形的标题，X 轴、Y 轴的坐标，格（栅）绘制也只需调用相应的命令，简单易行。另外，在调用绘图函数时，调整自变量可绘出不同的线形：点线、实线、复线、或多重线；调整绘图函数的另一些自变量可绘出不同颜色的各种线条。这就使得在 Matlab 环境下绘制的图形尤其清晰、精美、绚丽多彩。利用 Matlab 提供的这些图形技术可以创造出无与伦比的彩色世界。总之，Matlab 语言的设计思想可以说代表了当前计算机高级语言的发展方向。MATLAB 的“活”笔记本功能MATLAB 的 Notebook 成功地把 Microsift word 与 MATLAB 集成为一个集体，为文字处理、科学计算、工程设计构造了一个完美的统一的工作环境。Notebook是一个能够解决各种计算问题的文字处理软件。只要在命令窗口中执行 Notebook或者在 Word 环境中建立 M-book 模板，就可以进入一个新环境：在编辑科技文稿的同时可进行科学演算（数值的或者符号的）,还可以作图。这些演算的结果可以即时显示于操作命令之后。在这个环境中输入的一切命令能够随时被激活、修改、重新运算并更新原有结果。故 Notebook 称为 MATLAB 的“活”笔记本。这对于撰写科技论文的工程技术人员，对于编写理工学科教材的教师，对于演算理工学科习题的大学生，MATLAB 的 Notebook 确实是一个极为理想的工具1.2 SIMULINK 简介Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持离中州大学毕业设计6散、连续及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在Simulink 环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直接的画出系统模型，然后直接进行仿真。Simulink 包含有 Sinks(输出方式) 、Source(输入源)、Linear( 线性环节)、Nonlinear(非线性环节 )、Connectins(连接与接口)等子模型库，而且每个子模型库中包含相应的功能模块，用户也可以定制和创建自己的模块。模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB 的许多基本工具箱及 MATLAB 的应用工具箱。由于 MATLAB 和 Simulink 是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析、和修改。Simulink 非常实用，应用领域很广，可使用的领域很广，包括航空航