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

1、吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计（论文）第1章 绪论1.1 双闭环三相异步电动机调压调速系统的原理及组成调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式：其中，p为电机的极对数； w1为定子电源角速度； U1为定子电源相电压；R2为折算到定子侧的每相转子电阻；R1为每相定子电阻；L11为每相定子漏感；L12为折算到定子侧的每相转子漏感；S为转差率。图1-1 异步电动机在不同电压的机械特性由电机原理可知，当转差率s基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而

2、达到调节电动机转速的目的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，具有体积小。控制极接线简单等优点。A.B.C为交流输入端，A 3.B3.C3为输出端，接向异步电动机定子绕组。为了保护晶闸管，在晶闸管两端接有阻容器吸收装置和压敏电阻。1.2.1 控制电路速度给定指令电位器BP1所给出的电压，经运算放大器N组成的速度调节器送入移相触发电路。同时，N还可以得到来自测速发电机的速度负反馈信号或来自电动机端电压的电压反馈信号，以构成闭环系统，提高调速系统的性能。1.2.2 移相触发电路双向晶闸管有4种触发方式。本系统采用负脉冲触发，即不论电源电压在正半周期还是负

3、半周期，触发电路都输出负得触发脉冲。负脉冲触发所需要的门极电压和电流较小，故容易保证足够大的触发功率，且触发电路简单。TS是同步变压器，为保证触发电路在电源正负半波时都能可靠触发，又有足够的移相范围，TS采用DY11型接法。移相触发电路采用锯齿波同步方式，可产生双脉冲并有强触发脉冲电源（+40V）经X31送到脉冲变压器的一次侧第2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 调压电路改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定

4、子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。T1UaUbUcT2T3T5T4T6RRRN图2-1 调压电路原理图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、电机组成。原理图如下：图2-2 开环调压系统原理图AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。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，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的电压的大

5、小。因此，改变了速度给定值就改变了电动机的转速。由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小。由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使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。图2-3 系统调速结构图 图2-4 闭环调速系统原理图2.2 控制回路设计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又电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置，触发器，电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。电流环可以校正成典型1型系统，也可以校正成

6、典型2型系统，校正成哪种系统，取决于具体系统要求。由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而，在突加给定时不希望有超调，或者超调越小越好。从这个观点来说，应该把电流环校正成典型1型系统。但是，典型1型系统在电磁惯性时间常数较大时，抗绕性能较差。恢复时间长。考虑到电流环还对电网电压波动又及时的调节功能，因此，为了提高其抗扰性能，又希望把电流环校正成典型2型系统。2）电流环的结构的简化电流环的结构如图2-5 所示。把电流环单独拿出来设计时，首先遇到的问题是反电势产生的反馈作用。在实际系统中，由于电磁时间常数T1远小于机电时间常数 Tm，电流调节过程往往比转速的变化过程快得多，

7、因而也比电势E的变化快得多，反电势对电流环来说，只是一个变化缓慢的扰动，在电流调节器的快速调节过程中，可以认为E基本不变，即E=0。这样，在设计电流环时，可以不考虑反电势变化的影响，而将电势反馈作用断开，使电流环结构得以简化。另外，在将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效的置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。最后，考虑到反馈时间常数 Ti 和晶闸管变流装置间常数 Ts 比 T1 小得多，可以当作小惯性环节处理。经过上述简化和近似处理后，电流环的结构图最终可简化为图2-6所示：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由于电流环中的控制对象传递函数 Wi（s）含

8、有两个惯性环节，因此按典型系统设计的话，应该选PI 调节器进行串联校正，其传递函数为为了对消控制对象的大时间常数，取 。此时，电流环的结构图就成为典型型系统的形式，如图2-7所示。 图 2-7 电流环的结构图如果要求跟随性好，超调量小，可按工程最佳参数KgT=0.5或=0.707选择调节器的参数。电流环开环放大系数 Ki 为 K=令KT=0.5,所以有： K=且截止频率W为： W=K=上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率W与T的关系满足小惯性环节的近似条件W。如果按典型型系统设计电流环， 则需要将控制对象中的大惯性环节近似为积分环节，当T>hT时 ，而电流调节器仍可用 PI

9、 调节规律。但积分时间常数应选得小一些，即= hT。按最小峰值M选择电流环时，如选用工程最佳参数 h=5，则电流环开环放大系数 KI为： K=于是可得 K= W=显然，按工程最佳参数h=5确定的W和T的关系，也可以满足小惯性环节的近似的条件。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，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理，使电流成为一个简单的环节，以便按典型系统设计转速环。 如果电流环是按工程最佳参数设计的典型 I 型系统，则由图2-6可得其闭环传递函数为： W（s）=由于： K=, 所以有W（s）=在双闭环调速系统设计中，转速外环的

10、截止频率W总是低于电流环的截止频W，即W<< W.因此，设计转速环时可以把电流环看成是外环中的一个小时常数环节，并加以简化处理，即略去WBi(s)中分母的高次项，得简化后的传递函数为： W（s）近似条件为: W<<0.5T。电流环的这种近似处理产生的效果可以用对数幅频特性来表示。电流环未作处理时阻尼比=0.707 ，自然振荡频率为的二阶振荡环节，当转速环截止频率较W低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有些区别。由于电流环在转速环内，其输入信号Ui。因此，与电流环的近似的小环节应为=，式中时间常数2T的大小随调节器参数选择方法不同而异。2转速调节器结

11、构的选择为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图 2-7可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要 II 型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型 II 型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型 II 系统进行设计。由图2-9可以明显地看出，要把转速环校正成典型 II 型系统，转速调节器 ASR也应该采用 PI 调节器，其传递函数为 W=K式中K转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数这样，调速系统的开环传递函数为： W（S）=其中，转速开环增益为 K=不考虑负载扰动时，校

12、正后的调速系统动态结构于下图2-8 图 2-8 校正后的调速系统动态结构 图 2-9的调速系统动态结构3转速调节器的参数选择 按跟随性能和抗扰性能最好的原则，取h=5进行计算。 小惯性环节近似处理条件: W4. 电流环设计时，KT=0.5, 所以，<5%。2.3 触发电路设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要时由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。 对于调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。触发顺序依次为VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉

13、冲相位依次相差60O。第3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 调压电路的搭建 图 3-2 调压电路模型3.1.2 参数的设定Frequency of synchronization voltages(hz)：同步电压频率（赫兹）50HzPulse width(degrees)：触发脉冲宽度（角度）10Double pulsing：双脉冲出发选择。RLC负载的参数设定：电阻100，电感0H，电容的值为infUA：峰值220v,f为50Hz,初相位为0°UB：峰值220v,f为50Hz,初相位为-120°UC：峰

14、值220v,f为50Hz,初相位为-240°3.1.3电阻负载的仿真图形 图 3-3三相交流调压器的输出电压波形在电阻负载时三相交流调压器的输出电压仿真结果如图3-3所示。其中左图为=45°时调压器输出的波形，右图所示为=60°时调压器输出的波形。通过比较a)和b)可以发现，随着触发角的增加，同时有三个晶闸管导通的区间逐步减小，到>=60°时，任何晶闸管都只有两相晶闸管导通。3.2 异步电动机带风机泵类负载开环调压调速模块3.2.1 参数设定由公式Tz=kn ²可推出k=Tz/n ²电机参数额电压220v 频率为60Hz 极对数

15、为2对容量为2238VA 同步转速为1800转/分钟可以计算k=0.000003665UA：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 3-4 开环系统仿真模型1）触发角为60°时得到的转速图3-5 =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。2）触发角为75°时得到的转速图3-6 =75°时 电机转速变化的过程由图中可以观察到当触发

16、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。通过比较图3-5和图3-6的触发角为60°和80°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。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 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。通过比较图3-6和图3-7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

17、大小来实现调速的可行性。3.2.2闭环调压 图3-8 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

18、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。控制角调节范围0120. 图 3-9 闭环转速特性图3-10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3-10 转速从图3-11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 图3-11 控制角从图3-12可以直观的看到控制角

19、在随着给定的变化而变化，从而实现调速。 图3-12 转矩开始时，转速为0，负载转矩为0，反馈因输出限幅为-60，经60偏置使得输入控制角为0，定子绕组电压为电源电压。随着转速的上升，负载转矩增大，反馈在一定范围内依旧为0.经0.6秒后转速稳定在1350，负载转矩、控制角也保持稳定。再过0.8秒，给定增加60，经反馈，减小控制角，增大电压提高转速，负载转矩随之增大，在1.6秒内保持稳定。第4章 总结为期两周的设计终于告一段落了，在这两周的课程设计中，我学到很多东西，有些表面上看起来比较简单的东西，实际做起来的就不像那么简单了，要考虑诸多参数的配合。对于整个系统，因为课题要求是调压调速，所以首先从调压器开始设计，使用利用单个晶闸管