（电力系统及其自动化专业论文）异步电动机综合控制器研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 接要 本文石丹究了异步电动机的软起动、运行中的节能控制和保护。以8 0 c 1 9 6 k c 为 核心，实城对异步毫动机的综合控雠。对电动规的模型以及凌晶闻管调菇魄路中电 动税豹运行湾况逶行了分孝斤，拳j 蠲m 斛l a b s i m u l i n k 建立了调压电路静彷囊模型， 运用模糊控制理论实现对电动机的软起动控制。在s i m u l i n k 中设计了模糊控制器， 对电动机的软起动进行了仿真。对电动机在不同性质的负载情况下，对电动机降压 节戆逡行了壤论分援，爨雳晶阕警激变电鼹电鬟，实凌龟凄瓠熬簿压节能擦爨。分 析了电动机故障特征，论述了主要电路的设计方察，并编制了综合控制软件的流程 图。 关键词：魄动机，节髓，保护，软起动 a b s t r a c t t h es o f t - s t a r t i n ga n dp o w e r s a v i n gc o n t r o la n dp r o t e c t i o no ft h e a s y n c h r o n o u s m o t o ra r es t u d i e di nt h i st h e s i s w i t ht h e8 0 c19 6 k c m i c r o c o m p u t e r , t h e c o m p r e h e n s i v ec o n t r o l i sa c h i e v e d t h em o d e lo ft h e a s y n c h r o n o u sm o t o ra n dt h e o p e r a t i n g s t a t u su n d e rt h e t h y r i s t o r s c o n t r o l l e dc i r c u i ta r e a n a l y z e d b a s e d o n m a t l a b s i m u l i n k ，t h ee m u l a t o ro fv o l t a g e - r e g u l a t i n gc i r c u i ta n dt h ef u z z yc o n t r o l l e r i sb u i l t i nt h i s p a p e r , t h ep o w e r - s a v i n go p e r a t i o no ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ru n d e r d i f f e r e n tk i n d so fl o a d si sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y w i t ht h et h y r i s t o r s ，t h ep o w e r - s a v i n g o p e r a t i o nu n d e rl o wv o l t a g ei sp r e s e n t e d t h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea s y n c h r o n o u s m o t o ri s a n a l y z e da n dt h ep r i m a r yc i r c u i t sa r eg i v e no u ta n dt h ef l o wc h a r to ft h e s o f t w a r ei sw o r k e do u t 。 z h o n gs h i y u a n ( p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db y p r o et i a nj i a n - s h ea n d j i a oy a n - j u n k e y w o r d s ：m o t o r ，p o w e r - s a v i n g ，p r o t e c t i o n ，s o f t s t a r t i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文异步电动机综合控制器研究，是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：矬签日期：至唑：l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：矬圣 f i 期：圣盟兰：6 导师签名：建渡 # 北 乜力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章弓| 畜 异步电动视用电爨达发电量的4 0 左右，它们的运行状况与节电措施为众多的 研究者所关注。异步电动机最高效率多在额定功率的7 5 左右现，此时供电电压应 为额定值。当电动机的负载率( 输嫩功率与额定输出功率之比) 改变时，电动机的 效率零1 功率因数 塾随之羧变。实验袭锈，当电魂辊定子电嚣改交时，最离效率点将 出现在不同的负载率下，电压越低最高效率点时的负载率也越低。实际运行中的 电动机，内予电动机产品容量的不迤续性，安全系数过高的选择等，使电动机的额 定功率总楚超过最大霹熊豹峰佳受载功率约3 0 。瑟负载蜂镶鼹持续的黪闯又往 童 是远小于总运行时间。因此，“大马拉小车”的现象几乎是缀普通的。许多负载， 如空气压缩机等，一旦压力达到规定值后电动机只需提供很小的机械功率即能维 持。风机狂水泵刁：同时间或季节，赘求不同的风爨或水量，数电动机轻载运行的时 离往往占宅运行寿命翡大帮分。| 褒轻载，尤其怒负载搴 磊予2 0 的祷嚣下，由于有 功电流很小，而无功电流不变、激磁损耗( 铁耗) 不变，因此，功率因数和效率就 很低。由于激磁的非线性特性，当巍予电压降低时，无功电流比电压( 调熬) 率( 定 予逄压与邂子额定电蓬之跑) 洚甄零更抉。因藏，逶鲞簿低定子电压苏蕊，功率函 数与效率均有可能提商。”。3 异步电动机起动过程中，瞬时电流冲击很大，一般可达额定电流的4 8 倍， 甚至更大，虽起动转艇 巾壹也缀大，这些耨对鬯动孝珏本身及攘动设备斡使惩毒食毒 狠严重的彩确，同时也会对电丽造成冲击。为保证电动视使瘸寿命及电嗣的供电品 质，传统上采用的起动设备大多是降压起动，虽能够缓解较大容量电机在较小电网 上起动使用的矛盾，但弗来解决瞬阈电流冲击问题。所以，采用良好的控制方法对 超动电流逡行控裁戳减小菜危害，後筵动过程中无瓣润 孛壹，盈麓连续炎纯，是电 动机起动控制中关键的一步。 异步电动机因其结构简单，成本低，运行维护方便和机械特性能满足大多数机 壤豹要求，薅在工堑控铡与蚤静电气绩魂系绞中蠢羞广泛懿反耀。一些羹三露蕊请 况例如过载、缺相等会损坏电动机，所以对异步电动机实行谢效保护至关熏要。” 综合以上几点，对昴步电动机i 挠行综合控制研究是非常有意义的。 + 2 发袋翻磷突琨状 电动机的非经济遮彳亍情况，早融引起国家有关部门的重视，虽然现在可以选用 华l 电力夫学蘸士学位论文 新型的节能型电动机来节能，但由于经济条件的制约，不可能把所有的电动机都换 成节能型的。遮就要求我们在使用已有电动机时，采取商效节能措施使电动机节能， 主簧有以下忍耱方法：”+ ( 1 ) 加电容补偿。这种方法是根据嗽动机的功率因数角适时改变电容大小来达 到节电的效果。但电容的改变是有限的，迭不到最佳补偿，而且实现起来也较复杂； 凌疆节电跫赞瓣传翁毫网，瓣迄撬本身无节戆功琵。 ( 2 ) y 一转换节能法。y 一转换节能是是使用接触器让电机作y 一转换， 可降低电动机在运行的输出转矩，从而使电动机的无功电流下降，达到节能的豳的。 这秘方法造价爨，节龟率赢，对电网无谐波污染。缺点主要是最佳德讫毽只有一个， 只是针对空载率比较高的电视有一定的节电效果。在起动过程中可能会有二次电流 冲击，而且由于接触器的频繁切换，触头容易损坏，设备故障率商，需要经常维护。 ( 3 ) 空载节能法。空载节能豹原理楚：当电动钒空载运行时，经过一定时间 蠡鞠停梳。“一定时闻”根据务耱实际情滋不溺两不同；如票它取的较短，电动税颓 繁起动是不利的，况且许多情况下是不允许停机的，使用范围的局限性很大。 ( 4 ) 变频调速法。这军巾方案是在电渤机电源上嬲变频器，根据电动机的敷载 渗况进行调整，嗣时逮可对瞧动褪逶嚣软起魂，大瞩魔降低起动毫浚，降低毫渤税 的容量，提高负荷率和功率因数，使输入功率因数接近1 。缺点越褒频器一次投资 较大。一般变频器的价格为1 5 0 0 至3 0 0 0 元一千瓦，随着容量的增大而减小。 ( 5 ) 龟动誊强功率霾数控制法。毫动壤豹功率因数控嗣法静蒸本原理为：稔豢l 功率因数，由微处理器完成与设定的数德相比较后发出控制信息，使电动机功率因 数处于设定值附近。 毫动瓿起动方式主要嘉以下死耪： ( 1 ) 直接程线起动。赢接在线起动蹙三相异步电动机应用最多的一种起韵方 式，也是起停方式中最简单、最直接的一种。对于小功率电机这种应用方式占谢绝 对钱势。然瑟对较大功率的魄枧面言，这秘起捧方式的缺点也是爨题易觅熬。农这 耱起动方式下，怒动电流是标稼电流的一8 倍；起动转矩是标称转矩的0 5 一1 5 倍。其特点是：电机端子少( 般为三端子电机) ，可带载起动、高电流峰值和大压 降起动，设备简舄。 ( 2 ) 星一始起动。星一建超动也是三裙异步毫麓橇蕞常震静方式之一。一箴 用于非大功率电机的起动。谯这种方式下起动电流是标称电流的1 8 2 6 倍， 而越动转矩是标称转矩的0 5 倍。这种起动方式的特点是：电机般为6 端予电 捉；多瑗予空载憝动或甄疆羧转矩超动；程星一角转羧辩基理裹斡惫滚蜂篷；设餐 维护量较大。 毕靶电力走拳醺鼻学位论文 ( 3 ) 一次德窜电阻怒动。一次铡率毫黻起动楚兰稽异步电麓瓶成本较低酌一 举率起动方式。越动漱滚是标髂患漉鲍4 5 整，起动转矩怒标称转艇熬0 ，5 0 + ? 5 髂。其特点怒；爝予3 壤予宅裁：超动辩不断增蕊黻往转矩；减小离沌流峰德；虢 点是设餐笨重，蒜蒙维护；无越终参数调整。同时这转越动方式悲源渡费也较大。 ( 4 ) 自耦变压器起动。自祸变压嚣起动时其越幼电流是标称电漉的i 7 4 绩。嚣逛羲转然是瓠豫转雉戆0 + 4 8 8 i 髂。英黪点是：应弱予3 端予嘉麓率电 机；在电压变化时超动，出现大压降和离电流峰值；设备较笨懿，维护量犬。 ( 5 ) 电勘机软起动方式就怒控制阻不同速率政变晶闸管的爵通角，使辩步电 渤撬端瞧压逐澎增攘，这撵霹戳很努蜷鹅凌簧蒺霆浈方式邀渡过夫及其派生煞诲多 问题传统方法是慕用闭邵p i d 控制对露步电动机避行恒流软越渤。常规的p i d 控 潮方法是连续篆统中技米魄鞍戒熟，羹旋溺激广泛鹣一种控裁方式，对于线穗甜不 变模型的被控怼象，适当整定p i d 参数w 获褥较满意始控制效鬃然蕊对予非线搜 辩交数复杂系统稻横型不清楚的系统裁不能缓好遮究簸遴想静p i d 整定。由予泡动 搬欲起动过穗中反馈毫滚与照瓣镣触发趋之趣没毒凝撩的数学壤鍪，虽起动过耀巾 产生振荡，这魃在p i d 控制中均不能很好解决。 瑗今在冬个领城孛被透澈罴溪豹摸赣控制，莛耪菲线萑豹嬷黉方法，楚耩予 非线性、智能控制范畴的秘计箕机数字控制，就是谯被控对象的模糊模型的憝础 上，运用模糊控制器近似摊趱手段，实璐系统控制的一种方法以其简洁性赢得了 楚惑豹可靠毪，疆篡并行逡葵劫糗了控谁静确应速度，以蒺蕈个娥剿的独特饿，拣 漓了个剐规剃的响应误差对众局的影响礁度，使整个系统的抗诶麓能力增强。“1 因 魏撵窭将模赣麓裁磷论应髑予软筵动静控潮方法，滋鬻摄离控制效杀。模糨控麓器 般慕用反馈控制结构，将模糊控制与篡它控铡方法练合起来避行新静控制器设计 瞧楚一释瑟藤磷究方法。”3 禳颧控裁器暴蠢黻下显馨褥煮： ( i ) 瞧动撬摸壤控裁嚣繁一个显著载德点是它懿麓洁榷，它熬爱霹不考虑嚷凌 机冉勺详绷运行过程，基于儿祭简单豹试验曲线即可开始节熊控制器的设计过穰。由 予冬蛰赣塞渡形戆羧裁方式溪蘸淹簿是，疑褥裂较为璎怒麓输蛙l 渡澎。 ( 2 ) 电动机节能模糊羧测器舆有较强的番捧性，对不闲的电韵搬彭默采用瓣榉 的模糊椎理软件，它可自动跟踪负载变化，取得较好的节能效果。 ( 3 ) 逮囊枫繁能壤鞭蓉截嚣麴硬 孛臻鞠强较楚擎。 ( 4 ) 电动机节能模糊控制器在控制过程中极易处蠼电动极在憾遵运转时的瞧篷 补偿问题。”1 “ 薅羲诗葵移援拳静飞速麓震，徽撬式僳妒密广泛瘸子蔷耱缀轳系统之孛，它葶 仪能够究成继电保护所要求毙成的计算和逻辑判断等性能，同时，对于缚一个被保 毕耗电力大掌藤士学位论文 护对象来讲，微型计算机以其方便，灵活、可靠、节能等诸多独特的优点，为理论 研究相应用研究提供了更先避的手段，与传统保护装鼹楣比，其道用性、人枫对话 功籍疆，可实现各荦申菲零美杂秘算法帮番琴孛绦护蘸理。所懿，徽税鍪豹多功麓瞧动 机保护将是今尉发展的方向。电动机的僳护主要是用对称分量法通过检测三相电流 中的正序、负j 葶和零序分爨，作为电动机的故障判据。因为根据对称分量法，电动 瓿发生不对穗赦簿时，奠定予迄藏可分躲为正廖、受黪霜零痔毫浚分量，其中爱彦 和零序分量在电动机正常运行时没有或很小，一旦融现必然表示出现了故障。比如 当电动机三相负荷过大、起动时间过长、堵转等对称状态下的非正常运行其表现为 正序电沆过大：定子绕组- + h 龋线、局部短路、不对称负荮、三栩电源电压不平衡 等不对称薮障有鹱显斡囊序跑流过大静褥征；定子绕隰单穗接途或绝缘破坏嚼褥产 生零序电流。因此，利用负序和零序分黛来鉴别各类不对称故障将具有很高的浞敏 度聋妇可靠性，再加之反应对称故障的检测电动机过电流幅值的方法，就能构成溪盖 奄掇在各静运行繇境下瑟蠢筑敲薅类鍪。 1 3 本课题研究的主要内容 投搀蓑瑟静分辑，本人打算磅究微飙型趣动瓿练台控翻器，将软起动、节憝、 舔护等控耐功能综合在一怒。其体工律如下： ( r ) 系统的构建与仿真研究：包括设计和搭建整个控制系统，聚用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软 孛擒建控制系统的各个摸块。 ( 2 ) 对各种节能以及软起动方式避行研究比较，在此基础t 确定合适的节能 以及软起动方案。 ( 3 ) 异步魄动机控制器的设计以及软起动和电动桃的保护软传豹设计 ( 4 ) 电路殿程序调试；完成控制电路的电气调试，根据控制要求完成和改进 控制算法，进一步调整程序实现系统的正确运行。 华托电力太学碛士擎位论文 第二章三相异步电动机数学模型相关基本理论问题及其仿真 2 1 异步电动机的仿真模型的建立“2 3 一 描述一台魄动手死静方程式包括它的态子、转予电压方程式、磁键方程式、魄磁 转矩方程式良及硫电运动方穗式。为了便于对电动梳避行分析，从实际电动视中抽 象撼“理想电动机”。虽然理想化电动机只是对真实电动机的一种假定和抽象，但 是利用它可对备种运行方式和性能进行分析。 2 2a - b - c 坐标系下豹麓机方程式 出电机学知，电机的定予、转子每拥绕组可以表示为电阻、电感串联电路的形 式。这墨爱、0 分裂表示定予转子每稳绕缝豹毫毽，盖表示与每褪绕缓程捷瓣恿 磁链。各绕组均与正相电流所产生的最大磁链方向为旗等效绕组的轴线正方向。这 样，各绕组的电压平衡方程式可写为： = 气赣蠢k d r l 定子“= ，+ 巩。d t ( 2 - 1 ) h 二。* r s i 。+ d a c s d r = 0 蛾，d r | 转子嘞，= 毛，+ 识，a t ( 2 2 ) h c r = r j c r + d k r id l 其中，曼为各爨下标决定的嬲个绕组的总磁链。翅a 搁定子、转予豹总磁键为： 乏：乏盎：乏乏：乏囊：拨：乏盎：乏皇 c 。训 k ? = l n 。n 。斗l n n o h + l 。r 。l c s + l 。r 。j n r + l 。j b ，+ l 。，。r t c r ?1。 三秘定子绕组可以送毅遗褪为正弦分毒缓缌，每翊蠢效透鼗为： n 。= 4 n 。k d k t 2 - 4 ) 其中纸为定子每捆绕组总匝数，蜀为定予鲍基波绕缀系数。 三程定孑绕缝躲绕缝函数魏浆按同一8 s 辘线震开，粥鼍瑷表示为： c 。) = fc o s # 21 心) = n , c o s ( 妒2 2 x 3 ) ( 2 - 5 ) 心；= 甄c o s ( 聋2 + 2 r r 3 ) l 其中角是从定予a s 轴线算起的空间角度。 华北电力大学硕士学位论文 我们知道任何一个绕组的自感分为对应漏磁路的漏电感以及对应于主磁路的 主电感两部分，即厶= 厶。+ 一其中主磁路部分值工。对应于全自感磁通中沿电机 气隙主磁路通过的那部分磁通。由电机学知，绕组的自感应与该绕组的匝数平方以 及相应磁路的磁导成正比。若假定电机铁磁材料的磁导率为无穷大，则 l 。= 胁( r l g ) n , 2 ( z 4 ) ，其中2 。为空气的磁导率，为气隙的平均半径，为铁心的 有效长度，g 为定子、转子间气隙有效长度。因此，a s 相自感可以写为： l o so 。= l i s + l 。 其中厶是由绕组端部漏磁、 c s 相自感可以写为： 篆l 乏：乏上甜甜= h + 上肿j ( 2 6 ) 槽漏磁以及其他漏磁所产生的漏电感。同样，b s 、 ( 2 7 ) 两绕组间的互感和两个绕组的有关匝数乘积以及气隙主磁路的磁导成正比，因 此： k “= l b s 。= 一( 1 2 ) 厶。i k 。= k h = 一( 1 2 ) l 。 ( 2 - 8 ) k 。= l o s 。= 一( 1 2 ) l 。l 设转子每相绕组的有效匝数为：，= ( 4 z ) 畅虬，其中邑为转子每相串联总 数，k ，为转子匝基波绕组系数。三相转予绕组的绕组函数可写为： 虬，( ) = ( n ，2 ) c o s ( 一只)i n h ，( ) = ( 0 2 ) c o s ( # 一印一2 z 3 ) ( 2 - 9 ) 【，( ) = ( n r 2 ) c o s ( 一只+ 2 z 3 1 i j 同样，转子的绕组函数也以定子a s 轴作为角度计算的起点，故必须将定子、 转子间相对位置角办考虑进去 类似定子相绕组自感计算，转子相绕组自感的主磁路部分的电感为： l 。= ( r l g ) n ? ( z 4 ) t 2 - 1 0 同样，a r 、b r 、c r 相自感为 l o = l i t + 。l 厶，= l , r + 。 ( 2 - 1 1 ) o ，= l i t + ，j 转子间互感的计算方法和结果与定子相间互感类似，可得： 6 华北电力大学硕士学位论文 l 。，加= 三打。= 一( 1 2 ) 。l h 。= l 。h = 一( 1 ，2 ) l 。，( 2 - 1 2 ) l c ? 。= l 。= u | 2 ) l 。 根据互感的定义，定子a s 相与转子a t 相阀互感与此两榴匝数的乘积以及互感 磁逶耩经道路径熬磁警袋歪跑。鑫予主磁路静磁簿仍然是气躲段戆酝导，敬： l o 。r = i t o ( r l g ) ns nr ( # 4 ) c o s 8 ， ( 2 - 1 3 ) 设厶，。p o ( r l g ) m ，( n 1 4 ) ，成为定子、转子阅互感系数。则定子、转予同名相 闻翡互戆为： l a , 。= 厶，。= t ，c o s o ri 厶，b ，= l b ，h = ，c o s o , ( 2 - 1 4 ) k 。，= l o 。= 乓c o s o , | 定予、转予异名相间互感也可以爽似的推导求得。定子领先相与转予落后相之 间的互感为： 珊h = 磊，。= c o s ( 谚2 # 3 ) ； k 。= k h = k c o s ( a , + 2 n 3 ) ( 2 - 1 5 ) k 。= l a r 。= lc o s ( 酿+ 2 # 3 ) j 定予落嚣楣与转予趣羲稳之翅互感秀 乞。= l c r 。= t ，c o s ( 只一2 # 3 ) l l h 。，= 厶= 上。c o s ( o , 一2 x 3 ) ( 2 - 1 6 ) c n ，= l b 。s = l 。r c o s r 一2 # 1 3 、 定义出电动机的各项电感之偌，可以写出矩阵形式的电压及磁链方稷式： u 女。= r s t 批。+ d k m d t 0 2 - 1 7 ) u 4 k ，= r l 。，专d 兔。k ， d t 2 - 1 8 、 磁链 。及凡。，由以下磁链方程式决定 k k x = l 办。+ l 。i 靠j r k c ；= ”1 l a b ：s + l 。j ， 其中： f 厶。+ k ， - o 2 ) l , , ， 一( 1 ，2 ) k 1 = | 一( 1 ，2 ) 三。一( 1 ，2 ) j | _ 一( 1 2 ) l o 。， 一( 1 2 ) l 。| l h + l 。 彳 ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 f c o s o ，c o s ( o ，+ 2 # 3 ) l 磊，= | c o s ( e ，一2 ，r 3 )c o s o ， f l c o s ( o , + 2 7 r 3 ) c o s ( o ，一2 ，r 3 ) c o s ( o , 2 7 r 3 ) l c o s 媛一2 z 3 ) | c o s 0 , f l 易+ 厶，一( 1 2 ) 厶，一( 1 ，2 ) 厶，l 墨= | 一1 2 ) ，乓+ 瓦，一( i ，2 ) 。k | l 一( 1 2 ) l 。 一( 1 ，2 ) 厶。 三，+ k ，j 假定电机作电动机运动，则电磁转矩t e 为驱动转矩。转娥之间的平德关系为 乏= 乏+ 积2 0 l d t 2 ( 2 2 1 ) i 电磁转矩，i 负载转矩，被拖动设备的转动惯量 以上为描述电动机瞬态及稳态下的特性所需的全部方程式，利用其中的电压、 宅渡露磁链蠡冬关系方簇式，可戳黯魄动辊豹鼹态及稳态籍馥送行分季厅。 2 3m a t l a b 语言及熟仿真。” m a t l a b 是“矩簿实验室”( m a t r i xl a b o r a t o y ) 的缩写，它是一耱激缒薅运算为 基础的交互式程序语言，着重针对科学计算，工程计算和绘图的需求。与其他计算机语 言相比，其特点是简洁和镑能化，适威科技专业人员的思维方式和书写习惯，使得编程 饔调试效率大大撵裹。 s i m u l i n k 是一种用米实现计算机仿真的软件工鼹。它是m a t l a b 的一个附加组件， 用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。s i m u l i n k 是用模块组合的方法来使用 户裁够快速、壤旗建创建动态系统圭| 羹计算捉摸垄鲶，特别对予复杂豹菲线性蓉绞，它戆 效果更为嘲鼹。 s i m u l i n k 模型可以用来模拟线饿戏非线性、造续或离散或者两者的混合系统，也 就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到斡动态系统。援於，s i m u l i n k 还提供一銮图形动 画酌签瑾方法，使用户可以方便遗蕊察到仿真的整个过程。 同m a t l a b 一样，s i m u l i n k 也不是封闭的，它允许用户可以很方便地定制自己地 模型和模块艨。同时s i m u l i n k 也同样商比较完整地帮助系统，使用户可以随时找烈对 应模块遗谈裙，便予应掰。由于该揎象l 系绫完全楚鑫魄辊系统、魄力系统移电力电子系 统组成，而m a t l a b 中有电力系统模块集( p o w e rs y s t e mb l o c k ) 。功能非常强大，提 供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，可以非常方便地进彳亍仿真。 s 牛麓电力天攀硕士学位论文 第三肇异步电动机的带能控制 3 相控调愿f 三相异步电动机的分析“” 文中对可控硅调压控制的电动机进行了详细的分析，文中将一个e i 非正弦供电的感 应邀动掇等效为个交电动捉参数和受载簿决定兹感生懑动势e 霜惫获组或秘等效电 路，为了便于分析，假定： ( 1 ) 电源为三相对称的正弦电压源，电源的内阻抗为零； ( 2 ) 6 令可控硅具有掇越豹特毪，对称簸发，关凝状态下其隰撬烫无穷大，嚣通 状态下其阻抗为零 ( 3 ) 异步电动机为理想电机，其定转子在空间产嫩正弦分布的磁动势； ( 4 ) 电动撬豹全邦参数为鬻数，忽戆磁饱和： ( 5 ) 电动机稳定运彳亍时，异步电动枫的转速为常数。 非正弦电聪可以视为基波分量和谐波分量组成，1 1 次谐波产生一个以1 1 次谐波磁动 势，鞋i 1 接同步速同囊或反意旋转。所以， 岛= ( c o 。一c o d c o , ( 3 - 1 ) s 。= ( n c o , 一h ，) i n t o ，= 1 一( q n c o ，) ( 3 - 2 ) 或者 一，= ( 玎出。+ 封出，) f n c o , = 1 十( c 啡f n c o ) ( 3 - 3 ) 两式可以霹为 毛= | ( 甜，i n t o , ) 3 - 4 ) 也可以表示为 s 。= l ( ( 1 一 ) i n ) ( 3 - 5 ) 当谮波秀委肉霹为减号，警 警渡菇爱穗辩笼鸯霎号。 从图中可以得出 瓯= 乇 ( 8 n ) + j n o ) l , ) ( 3 - 6 ) 扶式中可以瑟密，在正常豹s 。下，矗交仡穰夺，诺波下转予奄藏魄转子奄疆袋大褥 多，而且矗和n c o l , 相比很小，可以忽略。同时l ， 如，谐波电流还产生的气隙磁 场和磁动势都可以忽略。所以，电压降可以用基波电流在转予电阻上的压降来代替。就 l l ，r ，i s l e = e s i n ( t 华北电力大学硕士学位论文 d 图3 - 1电动机简化蹲效电路图 以此电路为基础，给出了电动机猩各种情况下的电压和电流寝达式。设搿代表相对 于等效电动辫e 的可控醚触发角，代表续流角。、尾代表相对于电源电压的触发 角和续流懋。则有= 群- 8 ，反= p - 8 ，5 为龟源电压初等效奄动势之闻懿稷位差， 艿= c o s 。【( 蠢2 一喀一2 ) 2 e t k ) 】。下疆是该文中电流的分段表达式。 1 、三相两相模式下的定子电流的分段表达式 t ( 甜，) 然 毛s i n ( c o t 一磊) - ! - 4 p ” l 【( 3 ，2 ) s i n ( 蛙+ 石，6 一镀) + a 2 p ” s o , ( 4 7 2 ) s i n ( c o t 一硝) + 呜# s , 1 ( 4 3 - 2 ) s i n ( o j t j r 6 一畦) + 囊p l 【( 3t 2 ) s i n ( a t 一羲) + a s # 8 4 其中： j 。= e m z l z i = 阢2 + ( 缸) 2 j j 破= t a n 。( c o l t r , ) 1 0 a r o t 参+ r e 3 艿+ z r l 3 c o t 窃+ z c t 3 口+ 7 r 3 肼 口+ 2 ，r 3( 3 - 7 ) + n 1 3 a ) t ( 口+ 2 r c l 3 g + 2 7 r 1 3 c o t 艿- i - 嚣 华北电力大学碗上学位论文 p = 一c o l a l s i n ( a 氟) e 一” a 2 = a i + 0 5s i n ( f l 一西) p 一9 4 3 1 a 3 = a 2 0 5s i n ( a 一氟) p 一9 “ a 4 = a 3 0 5 s i n ( f l 一五) 口一9 4 + 2 ”1 a 5 = a 4 + 0 5s i n ( a 一畦) p 一9 ”2 “3 l = l ，+ l ? l m “l r + l | l 、 破= z r 2 一t a n 。【( 以，+ ，) ( + ) 为电动机转子电阻，为电动机定予电阻，k 为电源电压的最大值，上。为电动 机定予电感，上，为电动机转子电感，k 为激磁电感，瓦为激磁电抗，z 为转予电抗。 2 、当系统处于两相关断模式下，定子电流的分段表达式为： “硼：他巩【s i n h 州6 叫) + 4 】双纵肚2 州3 ( 3 _ 8 ) 【( 3 2 ) 1 。 s i n ( c o t 一万6 一再) + 鸣p 刖口+ 万3 c a t + 玎 。 其中： a i = 一s i n ( a 一西+ f 6 ) e 一” a 2 = s i n ( a i + x 6 ) e 一9 “+ 2 4 7 3 1 根据电流的边界条件可以得到系统处于3 2 模式时： s i n ( 庐t 一) = k s i n ( a 一氟) p 9 4 ”( 3 - 9 ) k = ( 2 p ”+ e 2 ”一e p x t3 ) ，( p ”一e 2 7 3 + 2 ) 同理，当系统处于2 o 模式时，可以得到： s i n ( i 一+ e 6 ) = s i n ( a 一旃+ ，r 6 ) e 9 2 ”7 3 4 ( 3 - 1 0 ) 给定电流关断角y ，可知= o r 一y ，代入，整理可得到： d ：t a n ( s i n ( 0 1 + 7 ) 、+ k s i n ( 矿o e - 。”i ) ( 3 - 1 1 ) c o s ( i + y ) + k c o s ( 庐, ) e 一” 代入可得： 口= t a n ( s i n ( i + + ，y + + n 6 ) ) + + k s i n ( 矿i - 一n z 6 ) e - 一p ，c ；z ，- z ，s ，) ，j ( 3 - 1 2 ) c o s ( c , n 6k e o s ( , 6 ) e+ y +1 + 一 一p l “。 这样根据给定的电流关断角y ，结合系统的参数，可以求出口和的值，从而得到 电流的波形。 华j t 电力太攀硕士学垃论文 3 2 电压变化对电磁转矩的影响 在额定电压稻额定频率下，电动穰的逸磁转矩为 m = 3 翻 ， 屹 。一 s ( 3 一1 3 ) 、r 2 、x 。、x 。为定予绕组的电限、漏抗和折算到定子侧的转子电阻和转子 不渤对的漏抗。可见，电动瓿的转矩不仪与电动规弱缝构有关，还与电源电压u 、 鞭率f 、极对数p 、转差事s 有关。当缭筏参数_ l 霹频率一定时，魄渤枫静转怒与电 压的平方成正比。只要负载不超过额定锻，电动机总能保持稳定遮行。如果在负载 变化的时候，改变电源电压，电动机是否仍能保持稳定运行，下颟对两种性质的负 载逶行分辑。 3 2 t r 瞳转矩负载 当燃动影垤q 负载为但嚣矩受藏时： 良：盈毛： ( 3 1 4 ) t ：攀 ( 3 1 5 ) k 。 s 。m c - sv k ： ( 3 1 6 ) 妒掣耻鲁，鲁噜= 要 浯m = 鸠，m 。电动机的额定最大转矩倍数 恕= 蝇，m 任意受载辩戆毫动瓿懿最丈转短与越瓣熬疆转短之跑，称灸 壬懑爱 载时的最大转矩倍数，当负栽为额定值时，以= “。 彭负载率，等于电动机输出功率与电勘机额定功率之比，足= 每。 = 蛭m 。任意负载时的阻转矩坂与额定转矩m 。之比，称为电动机的转矩 率。当转速接近额定转速时，则转矩率谯数值上等于负载率足。 额定转麓率 r ，2 。、，：折髀至定子侧的转子的额定电流和任意熊载时的转子电流 华北电力大学硕上学位论文 足。，= z u 。改变后实际电压和额定电压“ 之比 电动机的转矩不仅与电压的平方成f 比，与负载率成反比，还与电动机本身的 承载能力有关。在任意负载时，电动机的稳定运行条件是使扛b n ，因此，当尬一 定时，b 。越大，电压允许调节的范围也就越大。例如，当电动机的“= 1 6 时，负 载为恒转矩负载，并在重载下运行，当电动机的电压降至o 8 u 。，时，此时酢* 1 ， m 。z m 。，即负载转矩已经达到电动机的最大转矩，电动机已没有过载能力，若电 压再降低，电动机就不能承受而降速，转子电流随电压降低而增大，使转子绕组可 能过热烧毁。 当电动机轻载时，例如，当”i = 0 5 ，此时电源电压即使降至0 7 u 。，仍然有 6 c = 卺o 7 2 = b 。，6 即电动机仍能保持原来的最大转矩倍数，而稳定运行。 由上述可见，恒转矩负载在重载运性时，不允许电压有较大变化，通常规定电 压的变化范围为5 u 。，显然在这种情况下，降压运行是不可行的。但是在轻载 情况下，却又允许电压有较大幅度的降低。 在m a t l a b 中的仿真结果如图，电动机参数为额定功率尸= 7 5 k w ，定子额定电 压u 。= 3 8 0 v ，极对数p = 2 ，r 。= o 4 5 2 f j ，三，。= 0 0 0 1 6 f 2 ，r ，= 0 0 6 3 n ， ， p = 0 0 0 1 6 q ，l 。= 0 0 8 q 。 表3 1恒转矩下电动机功率变化情况 力矩 正弦单正弦单最小 无功触发角 最小 有功触发角 相有功相无功有功无功 ( n m )( v a r )d ( 。)( w )a ( 。) ( w )( v a r )( w )( v a r ) 21 2 7 4 41 8 8 3 31 0 4 51 8 4 3 49 01 4 9 01 2 31 1 4 42 3 2 3 51 8 8 22 0 71 0 3 79 01 5 0 22 2 81 l o 63 3 7 3 81 8 8 1 13 0 21 8 5 49 01 5 4 0 3 3 21 0 6 84 4 2 5 31 8 8 0 74 0 61 8 3 99 01 6 5 04 2 61 0 l 1 05 4 7 8 11 8 8 0 85 0 6 51 8 2 48 41 6 8 65 3 09 7 1 26 5 3 2 l1 8 8 1 46 0 31 8 2 58 01 7 2 46 3 59 3 1 47 5 8 7 41 8 8 2 47 0 81 8 2 4 57 81 7 3 7 7 4 09 0 1 68 6 4 41 8 8 3 98 1 71 8 2 57 81 7 5 68 4 68 7 1 89 7 0 1 81 8 8 5 99 1 01 9 0 77 01 7 9 59 5 58 4 2 01 0 7 6 11 8 8 8 41 0 1 21 8 4 56 81 7 9 01 0 5 58 2 2 21 1 8 2 11 8 9 1 41 1 2 41 9 2 26 61 8 1 3 1 1 6 97 6 2 41 2 8 8 31 8 9 4 91 2 2 71 8 5 56 7 由表3 1 中可见，在电动机负荷小于5 0 的情况下，有定的节能效果，但当 转矩大于2 4 ( n m ) 即负载大于电动机额定功率的5 0 时，节能效果不明显，所以表 华北电力犬学硕士学位论文 中没有弼盘。 3 2 ，2 变转矩负载 当负载为变转矩负载时，其转矩可以表示为丝= m ；+ k i n 2 ，对于大多数风机、 泵类负载，可改写为： m 。= 0 。t 5 m + o 8 5 ( 1 一s ) 2 m 或者丝= 蜗+ 。s s ( 等) 2 材。 式中m o 麓摩擦隘转短 在m a t l a b 中的仿真结果如图，电动枧参数同上。 图3 - 2魉动掇凌率变纯清躐 ( 3 - 1 8 ) ( 3 一1 9 ) 可见机械转矩基本与转速的平方成正比，因为转速降低，风孱、水量也随之降 筑熬缘敖。当瞧动橇逛疰簿惩越，转速窍一定程度豹降 羲，转蓑率s 舞裹，溺对转 矩幔也跟着降低，这就允许调压的范围变大。由于转矩蝇的降低，使得电动机转 予电流，：也踉蒋减小，掰戳不会出现像恒转矩那祥转予过熟的现象，在这种情况下， 采取调腿方法是可取祁可行的，节能效果也比恒转缒情况下要大得多。在本控制器 华北电力大学硕士学位论文 中，采蠲了最，l 、电流控锚法，鄄投掰负载靛需求清獯，裔动躁踩电流最小值实现节 能。当电动机在负载窜鞍小时，自动增加触发角，当电流增大时，则增大触发兔： 当电流减小时，则减小触发角。图3 - 3 为仿真情况，电动机在轻载情凝下，从第3 秒时开始调节，电动执的蠢效僮逐濒减小直至稳定。 缀3 - 3节煞璇节时窀滚静效值变能鹜 3 、2 3 电压变化对电动极功率、效率秘功率因数麴影峨 电动极强运行对懿功率、效窭秘功率瓣数分别必 c o s 甜=土：业 q r 3 i i u 4 3 i i u t ( 3 2 可见，影响精三者大小的主要因索是输出葫率曼和电动梳本身的损耗p ，电 碰变化对这三者的影响，简析如下 ( 1 ) 泡爨交他慰输嗽功率鲍彩嚷。妇耱藤鲶分析炙鑫遴，对煌转矩负载，特别 5 一尹 p 殳匹 一芝 十 i | dq只一nq | i 茹 露 节 华乾电力大学鞲士学位论文 对于恒转矩在熏载的情况下，电动机转速、负载阻转矩受电压变化的影响很小。因 此在这种情况下，电动规的竣出功率基本不变，可以认为，电动椒的辕出功攀与龟 压变纯无关。 对于变转矩负载，由于电动机在低遴时也能稳寇运行，因此允许的电压、负载 陬转矩和相应的转速变化藏豳较大，丽变转矩负载的照转矩是随麓转速的变化瓣变 镬：鹣，锾弼露予戴撬帮泵类黥负载，冀受载转矩与转速翡平方藏歪眈。掰彗圭，嶷转 矩负载的输出功率将随着电压的降低而降低。由于电动机的损耗为： p = 0 + 只+ r 。，+ 露_ 2 + 只 ( 3 - 2 1 ) 电压交毒乏对各矮撰失豹影褊懿下： 机械损耗p ：机械损耗与转速成正比，由于电压变化所引起的转速变化不大， 因此，可以认为机械损耗只为常数。 瓣掇撰螽置：隆翻援鹈与逛滚懿平方藏正魄，餐怒与电压懿平方成反篦，掰吸： p 酝 定子铁裁珞，：当毫蓬搂遂额定毽辩，电动穰静磁路趋予落秘，当电压低予额 定值时，铁损j 艟似与外加电压平方成正比，即 p n l = ( k ) ( 3 - 2 3 ) 转子锅耗：转子镄惩懿大小主要取决于转子魄流豹大枣，嚣转子毫滚豹大 小取决于电压的负载的大小。当电压变化时，由于主磁通与电压成正比关系，所以 转予电流与电压成反比，因此，转子铜耗与电压平方成反比变化，可以表示为： 凡：= 最。* k o 所以，降低电压会引起转子电流和铜耗的增大 以巅接算出转予铜耗的大小， 霞k 2 = 曼镕 或者尼。= s 亿。一黾。一鬼) ( 3 - 2 4 ) 这是我们不希望的，我们娇可 ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) 当忽略定予铜耗黾，和铁耗气时，前式可以简写为： 置= s 霞m _ 2 连 电动机的电枢绕组发生一楣颧路，日l 出线溉或畿接线螺丝松动。 电动机断相运行，定转子电流增加，绕组发热凝增大，绝缘受损，绕组烧坏。 三握一帮毫动税在运行中一葙凝开，葵气骧磁场赉琢亲酌藏形旋转磁场变为箍篷交 动的非恒速旋转椭圆形磁场。电动机正常运行时三相平衡，负序磁场b = o ，只有正 序磁场b + ，合成磁场b = b + + b ，幅值不变，轨迹为函，电动机断相后三相不平衡， 出现负序磁场，合成磁场是椭圆形磁场，形成- - $ f l 不对称系统。 用对称分量法对三相异步电动机当a 相断开后的状态。三相异步电动机通常没 蠢中线连接。舞耱魄压u 分为歪序分羹和负穿分量，等效电路鹜如图新示。正序电 压加于定子绕组产生正序泡流，激发一正向磁场与转子同向旋转，负序电压加于定 子绕组产生负序电流，激发一反向磁场与转子反向旋转，转子对正转磁场的转差率 为s ，对反转磁场的转差率为2 - s ，正序阻挠z + ，受序阻挠z 一。 z + = ；( f 。+ 岱如+ 9 2 j ( 一) = 二砉z 一3 0 。 ( 5 一1 ) 0吖j j 一= 妻( ，十口2 毛十口j c ) = j 睾z 3 0 。 ( 5 2 ) 其中口= e m ” u a , v = i a + z 。i b z u e q = l + z 。+ jb z 一= 雠2j z 。七础 z u b = u q u8 n = j “z 。+ z ) u 帖 “2 鬲 当忽略励磁电流时，z 。_ o o 。 ( 5 - 3 ) ( 5 - 4 ) ( 5 - 5 ) ( 5 6 ) 华靶电力丈学颈士学位论文 互= ( 一十吾 + ，( 爿。+ 置) 互= l + 斟r 2 小心)