电力拖动与控制系统课程设计-异步电动机闭环控制晶闸管调压调速系统设计

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书异步电动机闭环控制晶闸管调压调速系统设计摘要现代电力电子技术兴起后，晶闸管调压调速已经占据了异步电机调速的主导地位。在本系统设计过程中利用偏微分和近似线性化处理的方法来获得异步电动机的等效数学模型，从而得到了异步电动机的线性一阶惯性等效数学模型。闭环系统设计过程中调节器采用PI调节器以实现系统无静差以及动态性能的要求。最后用西门子最佳系统和系统的近似处理方法得到系统的系统，满足所要求的系统各项要求。关键词：异步电动机晶闸管调压调速 西门子最佳 PI调节器I目录摘要I1异步电动机晶闸管调压调速闭环系统设计11.1晶闸管调压装置21.2异步电动机数学模型

2、21.3测速反馈环节31.4ASR转速调节器32异步电动机晶闸管调压调速闭环系统参数计算43异步电动机晶闸管调压调速闭环系统仿真5心得体会8参考文献9附录101异步电动机晶闸管调压调速闭环系统设计交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，这里采用相控方式的调压方式改变输出电压。图1-1 为利用晶闸管交流调压器调压调速的原理图；图1-1 晶闸管交流调压器 图1-2 晶闸管闭环控制调压调速系统电气原理图图1-2为异步电动机晶闸管闭环控制调压调速系统电气原理总图；对应的系统静态结构图如图1-3；图1-3 异步电机变压调速系统的静态结构图在图1-3中， 为晶闸管交流调压器和

3、触发装置的放大系数； 为转速反馈系数；ASR采用PI调节器； 表达异步电机的机械特性方程式，它是一个非线性函数；稳态时，且 ；根据负载需要的和可由公式计算出或用机械特性图解法求出所需的以及相应的。对系统进行动态分析和设计时，须先绘制出动态结构图，由图1-3所示的静态结构图可以得到动态结构图，如图1-4所示，图1-4 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构图MA-异步电动机 FBS-测速反馈环节1.1 晶闸管调压装置装置的输入输出特性原则上是非线性的，在一定范围内可以假定为线性函数，在动态中可以近似为一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样，传递函数可以写成， 1.2 异步电动机

4、数学模型异步电动机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确的表示它的输入输出关系是不可能的。在这里，可以先在一定的假设条件下，用稳定工作点附近的偏微分线性化方法求出一种近似的传递函数。由异步电机的等效数学模型可知，电磁转矩为 当很小时，可以认为 且 后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性，在此条件下， 这就是在上述条件下异步电机的近似线性机械特性。如果只考虑和之间的传递函数，可先取得 由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机近似成一个线性的一阶惯性环节，异步电机的近似线性化传递函数为 1.3 测速反馈环节考虑到反馈滤波的作用，测速反馈环节FBS的传递函数可以

5、写成 1.4 ASR转速调节器转速调节器ASR用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，传递函数为 2异步电动机晶闸管调压调速闭环系统参数计算系统要求的技术数据为，晶闸管调压装置：；异步电动机额定数据：异步电动机：测速反馈环节：根据上述的异步电机闭环晶闸管调压调速系统的数学模型，可得开环传递函数为， (2.1)根据系统要求，满足系统无静差的要求，但系统要求超调小于5%，因此须将系统设计成典型型系统，再根据实际系统的高频段小惯性环节的近似处理， (2.2)选取PI调节器的参数, (2.3)将这个近似系统设计成西门子“最佳整定”方法的“模最佳系统”（超调量4.3%），能够满足超调量的要求，显然也能

6、满足系统稳定性的要求，由“模最佳系统”的参数，PI调节器的。选取PI调节器电阻，由，则。这样的系统能满足系统无静差的要求以及超调量小于5%的要求，由于是晶闸管相位控制的调压调速方式，显然能够实现系统能够平滑调速的要求，而且负载电机不可逆运行，系统在调速范围内可以稳定运行，由于采用的是晶闸管反并联的方式，系统在5%负载以上的变化的运行范围内可以实现电流连续的要求。3异步电动机晶闸管调压调速闭环系统仿真本系统的仿真在Matlab的Simulink环境下进行，具体操作如下：1） 打开模型编辑窗口：通过单击Simulink工具栏中的新模型的图标2） 复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠

7、标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口，在本例中，需要把Source组中的Step模块拖入模型编辑窗口；把Math Operation组中的Sum模块和Gain模块分别拖入模型编辑窗口；把Continuous组中的Transfer Fcn模块拖入模型编辑窗口；把Sinks组中的Scope模块拖入模型编辑窗口，至此，把异步电动机闭环控制晶闸管调压调速系统的动态结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。3） 修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框的内容来设定模块的参数。在本例中，双击Sum模块，在List of Signs栏目描述的加法器的三路输入的符号，其中|表示该

8、路没有信号，本例需要的是减法器，用|+-取代原来的符号。双击Transfer Fcn模块，只需在其分子Numerator和分母Denominator栏目分别填写系统的分子多项式和分母多项式系数系数。双击Step模块可以Step time从默认的1改到0在本例中额定转速的给定是5.8V，可以把Final value从默认的1改到5.8。4） 模块连接：以鼠标左键单击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块的输出端处。反馈回路中的模块的输入端和输出端的方向位置不妥，应该把它水平翻转，单击该模块，按住Ctrl+R即可翻转90度。当一个信号要分送到不同模块的多个输入端时，需要绘制分支线，通常可以把鼠标移到分

9、支线的起点处，按住鼠标右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。得到了Matlab的Simulink仿真模型如图3-1所示：图3-1 异步电动机闭环控制晶闸管调压调速系统仿真框图仿真波形如图3-2所示：图3-2 异步电机闭环控制系统额定转速输出波形从仿真的转速结果输出波形来看，系统在0.1s时达到最高转速为1525r/min，稳定转速为1450r/min，稳态无静差，且超调量为5%，满足系统对超调量的要求，在0.23s时达到稳态转速，满足系统快速性的要求。改变Step的Final value为5，观察到的输出波形如图3-3所示：图3-3 异步电机

10、闭环控制系统调压转速出输出波形从仿真的转速结果输出波形来看，系统在0.1s时达到最高转速为1320r/min，稳定转速为1250r/min，稳态无静差，且超调量为5%，满足系统对超调量的要求，在0.23s时达到稳态转速，满足系统快速性的要求。同时可以看出当改变给定电压时，只是峰值和稳态值有所变化，但是超调量和稳态时间并无太大改变，可知当改变给定电压调速时是可以满足系统要求的。心得体会本次需要设计的系统是异步电动机闭环控制晶闸管调压调速系统，由于这个系统并不是课程所要求的内容，所以在拿到题目之后首先需要做的事就是查找文献，经过查阅资料，搞清楚如何将异步电动机的等效数学模型应用到系统之后，接下来就

11、是如何利用题目已知的参数来构造系统的等效数学模型。其中在研究异步电动机的等效数学模型的时候有很大的收获，它是利用电机的机械特性方程来构造异步电动机的数学模型，当负载恒定时，研究转速输出与输入电压之间的关系，用偏微分的方法和近似线性的数学模型来等效异步电动机。在构造整个系统时，也用到了平时所学的典型系统选择以及系统的近似处理方法，并用到了工程上用到了西门子最佳系统整定原则。本次课设并未要求仿真，但是出于对设计方法的正确性检验还是做了相关工作，仿真结果说明设计系统的正确性以及方法的合理性。在此次课设过程中用到了很多在课程学习过程中用到的东西，譬如西门子最佳系统和典型系统设计方法以及系统的近似处理方法，不仅对课上学习的知识的一种巩固，也对实际的系统设计有了更深的了解，而且学到了课本要求以外的知识，对于交流调速系统有了一定程度的认识，这对于我以后的学习和工作是很有帮助的。参考文献1陈伯时.自动控制系统M.北京：机械工业出版社，1981.2陈伯时.电力拖动自动控制系统M.2版.北京：机械工业出版社，1992.3陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.