双闭环三相异步电动机调压调速的系统设计与仿真课程设计

吉林建筑工程学院城建学院电气信息工学系课程设计(论文)第一章绪论1.1双闭环三相异步电动机调压调速系统的原理和结构调压调速是通过调节向异步电动机通电的三相交流电压的大小来调节转子的转速的方法。 理论基于来自异步电动机的机械特性方程式这里，p是电动机的极对数w1是定子电源角速度U1是定子电源相电压R2是换算成定子侧的各相的转子电阻R1是各相定子电阻l1是各相定子的泄漏感L12是换算成定子侧的各相的转子泄漏感s是滑坡率。图1-1异步电动机在不同电压下的机械特性从电机的原理可以看出，当滑动率s几乎恒定时，电机的电磁扭矩与定子电压的平方成比例。 因此，通过改变定子电压，可以得到不同的人为的机械特性，实现调节电动机的转速的目的1.2双闭环三相异步电动机调压调速系统的工作原理系统主电路采用3个双向晶闸管，体积小。 具有控制极布线简单等优点。 A.B.C是交流输入端，A 3.B3.C3是输出端，与异步电动机的定子线圈连接。 为了保护晶闸管，晶闸管的两端连接有电阻容器吸收装置和变阻器。1.2.1控制电路从速度指令卷BP1提供的电压通过包括运算放大器n的速度调节器被传送至移相触发电路。 同时，n得到来自测速发电机的速度负反馈信号和来自电动机端子电压的电压反馈信号，构成闭环系统，以提高调速系统的性能。1.2.2移相触发电路双向晶闸管有四种触发方式。 在本系统中，无论电源电压是正的半周期还是负的半周期，触发电路都采用输出负触发脉冲的负脉冲触发。 负脉冲触发所需的栅极电压和电流小，容易确保充分的触发功率，触发电路简单。 TS是同步变压器，该变压器具有足够的相移范围，以确保可以在电源的正负半波处可靠地触发触发电路，TS采用了DY11型连接法。移相触发电路采用锯齿波同步方式，产生双脉冲，可以经由X31向脉冲变压器的一次侧发送强触发脉冲电源(40V )第二章双闭环三相异步电动机调压调速系统的设计方案2.1主电路设计2.1.1调压电路改变施加在定子上的电压是通过交流稳压器实现的。 现在广泛采用的交流稳压器由晶闸管等器件构成。 在三相交流电源和三相定子线圈之间连接三个双向晶闸管，通过调整晶闸管的导通角的大小来调整施加在定子线圈两端的端子电压。 这里采用三相全波星形连接的调压电路。T1尤耶PS美联社T2T3T5T4T6rrrn图2-1调压电路的电路图2.1.2开环调压调速开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机构成。 电路图如下所示。图2-2开环调压系统的概念图AT是触发装置，通过调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管的输出电压，来调节施加给定子线圈的电压的大小。2.1.3闭环调压调速速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理：将速度给定值与速度反馈值进行比较，经由速度调节器得到控制电压，将该控制电压输入到触发装置，由触发装置的输出控制晶闸管的导通角，控制晶闸管的输出电压的高低，施加到定子线圈上的电流因此，如果改变速度的规定值，马达的旋转速度就会改变。 由于采用了速度负反馈，实现了平滑光滑的无级调速。 同时负载变化的情况下，通过速度负反馈，可以自动调整施加于电动机定子线圈的电压的大小。 从速度调节器输出的控制电压使晶闸管的触发脉冲前进，使调节器的输出电压上升，增大电动机的输出扭矩，使速度恢复，接近规定值。图2-3系统的调速结构图图2-4闭环调速系统概念图2.2控制电路设计2.2.1转速检测环节和电流检测环节的设计1 )电流调节器的设计原理电流环的控制对象由电枢电路构成的大惯性环和晶闸管整流装置、触发器、变流器、反馈滤波器等小惯性环组成。 电流环可以修改为典型的第一型系统，修改为典型的第二型系统，以及修改为哪一种系统取决于具体的系统要求。电流环的重要作用是防止电枢电流在动态过程中超过允许值，所以在冲击定时过冲越不理想或过冲越小越好。 在这方面，应该将电流环修改为典型的1型系统。 但是，在典型的1型系统中，电磁惯性时间常数大，耐卷性就差。 恢复时间很长。 电流环路还考虑了电网的电压变动的及时调节功能，为了提高其抗干扰性能，我想将电流环路修改为典型的2型系统。2 )简化电流环的结构电流环的结构如图2-5所示。 单独设计电流环时，首先面临的问题是反电位的反馈作用。 在实际系统中，因为电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，所以电流调节过程比转速的变化过程快得多，所以比电位e的变化快得多，相反电位相对于电流环，只是变化缓慢的干扰，在电流调节器的快速调节过程中，e几乎不变化以这种方式，当设计电流环时，可以关闭电位反馈作用，而不考虑反向电位变化的影响，并且可以简化电流环结构。 并且，把所给的滤波器和反馈滤波器这两个环等效地放入环内，使电流环结构成为单位反馈系统。 最后，如果考虑反馈时间常数Ti和晶闸管变流器间常数Ts远小于T1，则可以作为小的惯性链路来处理。 经过上述简化和近似处理，电流环的结构图最终可以如图2图6所示那样简化图2-5电流环的结构图2-6电流环的结构简化图3 )电流调节器的结构选择电流环中的受控传递函数Wi(s )包含两个惯性环，因此在典型的I系统设计中应该选择PI调节器来进行串联校正为了取得取消对象的大时间常数。 此时，电流环的结构图成为典型的I型系统的形状，如图27所示。图2-7电流环的结构图如果追随性好，过冲量小，可以通过工程最佳参数KgT=0.5或=0.707选择调节器的参数。 电流环开环放大系数KiK=因为KT=0.5K=且截止频率w为W=K=上述关系表明，用工程的最佳参数设计电流环时，截止频率w和t的关系满足小惯性环的近似条件w。当在典型系统中设计电流环时，需要把控制对象中的大惯性环近似为积分环，而对于ThT，电流调整器可以用PI来调整规则。 但是，积分时间常数应较小，即=hT。在以最小峰值m选择电流环的情况下，如果选择工序最佳参数h=5，则电流环的开环放大系数KI如下K=就这样得到了K=W=显然，由工程最佳参数h=5确定的w和t的关系也能满足小惯性连杆的近似条件。2.2.2调速系统的静态参数分析1 )转速调节器的设计1 .电流环的等效传递函数电流环是转速环的内环，当设计转速环时，可以进一步简化电流环以使电流变得简单，并以典型系统设计转速环。如果电流环路是以工程的最佳参数设计的典型的I型系统，则可以从图2-6获得闭环传递函数，如下w(s)=K=，W(s)=在双闭环调速系统的设计中，转速环的截止频率w总是比电流环的截止频率w (即w )低。 因此，当设计转速环时，可以将电流环视为环中的恒定时间常数，并给出简单的处理，省略了WBi(s )分母的高阶项，并且简化传递函数可以W(s )近似条件为： W0.5T。电流环的该近似处理的效果可以用对数振幅特性来表示。 当未处理电流环路时，衰减比=0.707，自然振荡频率为2次振荡环路，旋转环路的截止频率低于w时，关于旋转环路的频率特性，原系统和近似系统仅在高频区区分。 因为电流环在转速环中，所以其输入信号Ui。因此，接近电流环的小环=、式中的时间常数2T的大小根据调节器的参数选择方法而不同。2 .调速器结构的选定为了实现转速没有静差，必须在干扰作用点之前设置积分环，从图2-7可以看出，由于负载干扰作用点之后有积分环，所以静态上没有差异，所以需要II型系统。 从动态性能来看，考虑到转速调节器的饱和非线性，调速系统的跟踪性能与抗扰性能一致，而典型的II型系统具有较高的抗扰性能。 因此，旋转环应该用典型的II系统来设计。从图2-9可以看出，为了将旋转环修正为典型的II型系统，需要转速调整器ASRPI调节器也应该采用，其传递函数是W=K公式中K转速调整器的比例系数转速调节器的前进时间常数这样，调速系统的开环传递函数W(S)=但是，转速开环增益为K=在不考虑负载紊乱的情况下，校正后的调速系统的动态结构如下图2-8所示图2-8校正后的调速系统的动态结构图2-9调速系统的动态结构3 .转速调节器的参数选择按照性能和抗干扰性能最好的原则，按h=5来计算。小惯性链路近似处理条件：w4 .电流环设计时，KT=0.5，因此为5%。2.3触发电路设计晶闸管的触发电路的作用是产生符合要求的门触发脉冲，保证晶闸管在必要时从关断变为导通。 晶闸管触发电路通常包括控制触发定时的相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。 调压电路要求依次输出的触发脉冲依次隔开60个间隔。 触发的顺序是？vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6，晶闸管必须严格按号码顺序导通，6个触发脉冲的相位各相差60O。第三章双闭环三相异步电动机调压调速系统的仿真3.1调压电路3.1.1调压电器的仿真模型图3-1调压电路的构筑图3-2调压电路模型3.1.2参数的设定频率同步电压(Hz ) :同步电压频率(hz)50hz脉冲宽度(度) :触发脉冲宽度(角度) 10双脉冲：用双脉冲进行选择。RLC负载的参数设定：电阻100、电感0H、电容器的值为infUA :峰值220v，f为50Hz，初始相位为0UB :峰值220v，f为50Hz，初始相位为-120UC :峰值220v，f为50Hz，初始相位为-2403.1.3电阻负载的模拟模式图3-3三相交流稳压器的输出电压波形电阻负载时三相交流稳压器的输出电压模拟结果如图3-3所示。 其中左图表示=45时的调节器输出波形，右图表示=60时的调节器输出波形。 如果比较a )和b )，随着触发角变大，三个晶闸管导通的区间逐渐变小，当=60时，可知所有晶闸管都只有两相晶闸管导通。3.2带异步电动机风机的泵类负载开环调压调速模块3.2.1参数设定可以从公式Tz=kn中计算出k=Tz/n电机参数额定电压220v的频率是60Hz极对数是两对容量2238VA同步转速为1800转/分钟可以计算k=0。UA :峰值180v，f为60Hz，初始相位为0UB :峰值180v，f为60Hz，初始相位为-120UC :峰值180v，f为60Hz，初始相位为-240图3-4开环系统的仿真模型1 )触发角为60时得到的转速图3-5 =60时的电机转速变化的过程从图中可以看出，当触发角为60时，转速以1712转/分钟稳定，并且转速以0.9s稳定。2 )触发角为75时得到的转速图3-6 =75时的电机转速变化的过程从图中可以看到，当触发角为75时，转速稳定为1660转/分钟，并且转速稳定为1.6s。将图35和图36的触发角与60和80进行比较，可知随着变大，输出电压降低，旋转速度降低，实现了调速的目的。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3-7电源电压为150v =60时的电机转速变化的过程从图中可以看出，当触发角为60时，转速稳定为1660转/分钟，转速稳定为1s。比较图3-6和图3-7可知，在相同触发角不同的电源电压下，由于电源电压的降低，旋转速度降低。 同时，还可以通过改变电源电压的大小来实现调速。3.2.2闭环调压图3-8闭环调压调速系统的仿真模型异步电动机速度负反馈闭环调速系统的仿真模型如下所述，比较速度给定值(1200 )和速度反馈值，比较后经由速度调节器得到控制电压，将该控制电压输入到触发装置中，用触发装置的输出控制晶闸管的导通角，从而控制晶闸管的导通角因此，如果改变速度的给定值，电机的转速就会改变。 通过采用速度负反馈，实现了平滑的无级调速。 同时，负载变化的情况下，通过速度负反馈，可以通过制