基于Matlab的双闭环三相异步电动机的串级调速仿真.doc

烟 台 烟 台 南 山 学 院 电机与拖动课程设计电机与拖动课程设计 题目 基于 Matlab 的双闭环三相异步电动机的 串级调速仿真 姓 名： 庞 超 所在学院： 计算机与电气自动化学院 所学专业： 自 动 化 班 级： 09 自动化 02 班 学 号： 200902010210 指导教师： 刘丽丽 完成时间： 2012-9-23 I 任务书 电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。它主要是研究电机与电力拖动的 基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。通过学习使学生掌握常用交、直 流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分 析计算，电动机选择及实验方法等。 电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务， 学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基 础。 一、设计课题一、设计课题 基于 Matlab 的异步电动机调压调速系统的仿真 二、课程设计的基本要求二、课程设计的基本要求 1使学生具有自主设计电路原理读图、查阅参考书籍和手册及资料文献的能力。 2设计、计算、文件选取、画出设计电路图 3撰写严谨的、有理论根据的、实事求是的、文理通顺的字迹端正的电机与拖动课 程设计报告。 三、电机与拖动课程设计时间三、电机与拖动课程设计时间 1设计电路原理读图、查阅参考书籍和手册及资料文献（1.5 天） 。 2设计、计算、文件选取、画出设计电路图（1.5 天） 。 3验收及校验（0.5 天） 4完成课程设计报告（1.5 天） 四、课程设计报告要求四、课程设计报告要求 课程设计报告要求字迹工整、文字通顺；其撰写内容包括： 1目录 2课程设计所用的基本知识 3参数计算、电路设计等。 4总结 5.参考文献 III 摘 要 本文所讨论的是双闭环三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。对于一 般交流电动机的调速，我们都是从电动机的定子侧引入控制变量（改变定子供电电压、 频率）来实现的，这对于转子处于短路状态的交流鼠笼型转子异步电动机是唯一途径。 但是，对于绕线式异步电动机来说，由于改变其转子绕组控制变量以实现调速，转子侧 的控制变量有电流、电动势、电阻等。通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节； 而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动 势，这也是本文所要讨论的重点之一。在发挥绕线式异步电动机转子的可控性优势的基 础上，提高调速性能需要从两方面着手： 1 从节能角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有 用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率。 2 从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精 度、动态响应等指标的要求。 综合所述，利用串级调速系统，就是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办 法。用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态 性能。把这种用附加电动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。这 是本文所必须讨论的，也是本文的核心所在。 关键字：双闭环关键字：双闭环 、串级、串级 、调速、调速 IV Abstract This paper discusses the mechanisms and implementation details of concatenation control in a three - phase asynchronous motor with double closed loop. To control speeds for a typical alternating current motor, we usually take control variables (to change voltage and frequency of the stator power supply) from the stator side in an electric motor, which is also the only way for squirrel-cage asynchronous motor with rotor in a short-circuit state. However, with wound rotor series, asynchronous motors can adjust speeds through control variables, which include electric current, electromotive force and resistance, etc. on the rotor side. Typically, the rotor current is determined by the load and cannot be adjusted freely. In contrast, adjusting rotors return circuit impedance tends to consume more power along with other disadvantages. Therefore, electromotive force should be the only control variable on the rotor side, which is also one of the major points discussed in this paper. In order to increase speed control, we need to take the following two measures while fully utilizing the adjustable nature of rotors in series-wound asynchronous motor: 1. In order to save energy, power wasted on rotors additional resistance should be absorbed and converted into other forms of usable energy or sent back to electric grid to increase the efficiency of transmission systems. 2. Considering high control ability and the applied control theory, it should be formed into a closed-loop control system in order to meet the requirements of such criteria as control accuracy and dynamic response . In summary, concatenation control system is one effective means to realize high control ability in series-wound asynchronous motors. Specifically, it is used to replace resistance with rotors electromotive force and absorb slip power; and to enhance the static and dynamic capabilities of the system using double closed loop. We refer to this method of utilizing additional electromotive force to recycle slip power as concatenation control with double close loop, which is also the focus of this paper. Keywords: double-loop, cascade, governor 1 目 录 1 绪 论1 2 串级调速的原理 .2 2.1 异步电动机转子附加电动势时的工作情况.2 2.2 串级调速系统的工作原理 .3 3 实验原理5 3.1 调压电路 .5 3.2 开环调压调速 .6 3.3 闭环调压调速 .6 4、 仿真内容 .8 4.1、调压电路8 4.1.1、调压电器的仿真模型8 4.1.2、调压电路的搭建8 4.1.3、参数的设定9 4.1.4 电阻负载的仿真图形 .9 4.2、异步电动机带风机泵类负载开环调压调速模块9 4.2.1 参数设定 .9 4.2.2 闭环调压 12 5 总结体会 15 参考文献 16 1 1 绪 论 电力传动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置。它广泛应用在精密设备和精 密机构、加工和再加工机器以及运输工具中，也广泛应用在原材料工业以及其他工业部 门的传送、预选、一般生产装置和辅助装置等凡是需要动力的场合中。目前，单个设备 的功率可从几毫瓦到几百兆瓦，转速从每小时几转到每分钟几十万转，调速范围在无变 速机构情况下可达 1：10000。在生产的总电能中，大约有 2/3 用在电力传动上。 电力自动控制系统的特征是，他可以完成能量变换和控制所需要的信息处理。因此， 采用自动传动方法，一方面可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，另一方面也可以 把人们从信息处理的工作中解脱出来。这样，总的来看，其结果就是改善人们在生产过 程中的工作条件，并且大幅度提高全社会生产和再生产的效率，电力传动自动控制系统 是提高劳动生产率的合理手段和促使国民经济不断增长的重要因素。因而，正确采用电 力传动控制系统并使之进一步向前发展，对我国的国民经济的发展具有十分重要和特别 现实的意义。 如今节约能源、更加合理地、有效地利用能源是一项艰巨、利国利民造福子孙的长 期工作，也是我国的一项基本国策。随着我国改革开放不断深入和国民经济、科学技术 的飞速发展，国家大量拨款加速建设，现在已经取得了很大的进步，有部分项目已经达 到了实用化阶段，相信在不久的将来我国在这方面一定会赶上或进一步缩小与发达国家 之间的差距。 2 2 串级调速的原理 2.1 异步电动机转子附加电动势时的工作情况 首先作这样一个设想：若在绕线式异步电动机转子回路中串入与转子电动势同频率 的附加电动势，通过改变附加电动势的幅值大小和相位，从而实现调速。这样，电动机 在低速运行时，转子中的转差率只是小部分在转子绕组上消耗掉，而转差功率的大部分 被串入的附加电动势所吸收。再利用产生附加电动势的装置，设法把所吸收的这部分转 差功率回馈入电网，就能使电动机在低速运转时仍具有较高的效率如图 2.1。这种在绕线 式异步电动机转子回路中串入附加电动势的高效率调速方法，就是串级调速。 E2=S*E20 Eadd 三相交流电源 三相交流电源 变压器 交流异步电机 I2 图 2.1 转子附加电势的装置 下面分析异步电动机转子附加电动势时的工作情况。 异步电动机运行时其转子相电动势为： （2.1） 220 ESE 式中 S-异步电动机的转差率； E20-绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称开路电动势，转子额定电 压值。 转子电动机 E2值与其转差率S成正比，同时它的频率f2也与S正比，f2=Sf1按常 规接线时，转子相电流的方程式为： 3 （2.2） 22 220220 ISE(R )(SX ) R2为转子绕组每相电阻；X20为S=1时转子绕组每相漏抗。 现在在转子回路中引入一个可控的交流附加电动势Eadd，并与转子电动势E2串联。 Eadd应与E2有同频率，但与E2同相或反相。 （2.3） 22 220220 I(SE( )E)(R )(SX ) add 当电力传动的负载转矩M1为恒定时，可认为转子电流I2也为恒定。设在未串入附加 电动势前，电动机原在S=S1的转差率下稳定运行。当加入反相的附加电动势后，由于负 载转矩恒定，因此电动机的转差率必须加大。这个过程也可描述为，由于反相附加电动 势的引入瞬间，转子回路总的电动势减少，转子电流也随之减小，使电动机电磁转拒也 减少；由于负载转拒没有变，所以电动机就减速，直至S=S2时，转子电流有恢复到原来 的数值，电动机进入新的稳态工作。此时关系式为： （2.4） 2222 22022201202120 I(SEE)(R )(S X ) S E(R )(S X ) add 同理，加入同相附加电动势 Eadd 可使电动机转速增加。所以，当绕线转子异步电动 机转子侧引入一可控的附加电动势时，即可对电动机实现转速的调节。 2.2 串级调速系统的工作原理 下面按起动、调速与停车三种情况来分析串级调速系统的工作。对电气传动装置而 言，实质上是否获得加减速时所必需的电磁转矩8。讨论中认为电动机轴上带有反抗性 的恒转矩负载。 电动机能从静止状态起动的必要条件是能产生大于轴上负载转矩的电磁转矩。对电 气串级调速系统而言，就是应有足够大的转子电流 Ir 或足够大的整流后的直流电流 Id， 为此，转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间应有较大的差值。异步电动机在静止不动时， 其转子电动势为 Er0;控制逆变角 ，使在起动开始的瞬间，Ud 与 Ui 的差值能产生足够大 的 Id,以满足所需的电磁转矩，但有不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态 转矩状态下加速起动。随着异步电机转速的提高，其转子电动势减少，为了维持加速过 程中动态转矩基本恒定，必须相应地增大 角以减少 Ui 值，维持（Ud- Ui）基本恒定。 当电动机加速到所需转速时，不再调整 角，电动机即在此转速下稳定运行。设此时的 S=S1, =1,则有 （2.5） RICOSUKESK dlTr 122011 其中 IdL 为对应于负载转矩的转子直流回路电流。 改变角的大小就可以调节电动机的转速。当增大角使=21时，逆变电压就 会减少，但电动机的转速不能立即改变，所以Id将增大，电磁转矩也增大，因此产生的 4 动态转矩使电动机加速。随着电动机转速的增高，K1S1Er0减少，Id回降，直到产生下式 所示的平衡状态，电动机乃在增高了的转速下稳定下运行。 (2.6)RICOSUKESK dlTr 222021 其中，21，S2=60 时，任何晶闸管都只有两相晶闸管导通。 4.2、异步电动机带风机泵类负载开环调压调速模块 4.2.1 参数设定 由公式 Tz=kn 可推出 k=Tz/n 电机参数额电压 220v 频率为 60Hz 极对数为 2 对 10 容量为 2238VA 同步转速为 1800 转/分钟 可以计算 k=0.000003665 UA：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-240 图 4.4 开环系统仿真模型 触发角 为 60时得到的转速 图 4.5 =60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 1712 转/分钟，转速在 0.9s 时达 到稳定状态。 11 触发角 为 75时得到的转速 图 4.6 =75时 电机转速变化的过程 由图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 1.6s 时达 到稳定状态。 分析： 通过比较图 4.6 和图 4.7 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。 改变电源电压，电源电压为 150v, 触发角 为 60时得到的转速如图 4.7： 图 4.7 电源电压为 150v =60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。 分析：分析： 12 通过比较图 4.7 和图 4.9 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。 4.2.2 闭环调压 图 4.8 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下所示，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 0.1，输出限幅60，-60。 13 控制角调节范围 0120. 图 4.9 闭环转速特性 图 4.10 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 0.5s 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 1.4S 时给 60 阶跃的转速、控制角、负载转矩。 图 4.10 转速 从图 4.11 可以发现转速在 0.45s 时达到稳定，在 0.45s 到 1.4s 时转速稳定在 1350 转/分钟，到 1.4s 时给了一个终值为 60 的阶跃，可以发现转速跟随给定变化 14 图 4.11 控制角 从图 4.12 可以直观的看到控制角在随着给定的变化而变化，从而实现调速。 图 4.12 转矩 开始时，转速