双闭环三相异步电动机调压调速系统设计

1、运动控制系统（课程设计） 教师：段志梅 姓名：杨绍军 学号：7 班级：10电气1班 摘 要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态

2、运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。与单向异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用。当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕阻，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用

3、下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。一、三相异步工作原理 三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场。转速的大小由电动机极数和电源频率而定。旋转磁场的转速n1称为同步转速。它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为：n1=60f1p 对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。交流异步电动机机械特性的参数表达式如下： 变压调速是异步电动机调速方法中的一种，由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，

4、当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。 本实验即采用定子调压调速系统，就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，即改变定子电压调速。如下图画出了定子电压为、 ()时的机械特性。 TLabcU”1cabnmsSmTemaxU1U1U1”通风机负载特性二、设计流程1电动机的选型:假设电动机工作于普通机床主轴传动系统中，设定最大转速为1440r/min，可选出电动机型参数如下：型号：Y132S-4 额定功率：5.5KW 满载时定子电流：12A满载时

5、转速：1440r/min 满载时效率：85.5% 满载时功率因数：0.84堵转电流/额定电流：7A 堵转转矩/额定转矩：2.2N.m 铁芯长度：115mm 气隙长度0.4mm 定子外径：210mm定子内径：136mm 定子线规根数-d：1-0.9mm每槽线数：47 绕组形式：单层交叉 节距：19mm定转子槽数Z1/Z2: 36/32 系统结构确定如图所示2主电路设计：系统接线图如图2-2所示：图2-3四. 控制单元调试同课题一，双闭环不可逆直流调速系统的设计中的一样。整个调速系统同样采用了速度、电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同，而电流环的作用则有所不同。系统在稳定运

6、行时，电流环对抗电网扰动仍有较大的作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正反转，反转和能动制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率Ps=SPm全部消耗在转子电阻中，使转子过热。调节器的调零将DJK04中调节器I所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到调节器I的4、5两端，用导线将5、6短接，使调节器I成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3,用万用表的毫伏档测量调节器7端的输出，使之输出电压尽可能接近于零。将DJK

7、04中调节器II所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到调节器I的8、9两端，用导线将9、10短接，使调节器I成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3,用万用表的毫伏档测量调节器11端的输出，使之输出电压尽可能接近于零。调节器正、负限幅值的调整直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压输出的任意两路接一电阻负载（D42三相可调电阻），放在阻值最大位置，用示波器观察输出的电压波形。当给定电压Ug由零调大时，输出电压U随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug，U的波形接近正弦波时，一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=

8、Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。把调节器I的5、6短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入5、6两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的3端，当加+5的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为-6V，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于零。把调节器I的9、10短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入9、10两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的4端，

9、当加+5的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为尽可能接近于零，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为Umax。1. 系统调试（1） 确定“电流调节器”和“速度调节器”的限幅值和电流、转速反馈的极性。（2） 将系统接成双闭环调压调速系统，电机转子回路仍每相串3欧姆左右的电阻，逐渐增大给定Ug，观察电机运行是否正常。（3） 调节“电流调节器”和“速度调节器”的外接电容和电位器，用双踪扫描示波器观察突加给定时的系统动态波形，确定较佳的调节器参数。2.1晶闸管的选择 晶闸管选择主要根据变流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的

10、型号规格。在设备使用中，一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流。（1）额定电压的选择考虑系统操作（如开关合闸）以及某些意外原因所导致短路时电压的值，所以应留有足够的裕量。根据使用经验,通常可以选择考虑23倍的安全裕量，通常按以下公式计算，=（23），则=V 式中指的是晶闸管可能承受的最大电压值。此处根据电动机的型号=220V。（2）额定电流的计算根据电动机的型号，=7A得出 根据、查的晶闸管的型号是KP102.2晶闸管的保护环节的设计2.2.1过电流保护过电流是晶闸管电路经常发生的故障，是造成器件损坏的主要原因之一，因此，过电流应当首先考虑。由于晶闸管承受过电流能力比一般电器

11、差的多，故必须在极短的时间将电源断开或把电流值降下来。在设计中可采用快速熔断器保护、电子线路控制的过电流保护以及过电流继电器保护。采用快速熔断器保护是最简单有效的过流保护器件，具有快速熔断的特性，在通常的发生短路中后，能快速熔断能保证在晶闸管损坏之前熔断自身而断开故障点，避免过电流烧坏管子。如图所示的接法对交流、直流侧过电流时均起作用，2.2.2过电压保护产生过电压原因晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其正向断态重复峰值电压一定值时，就会误导通，引起电路故障；当反向电压超过其反向断态重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏，因此，必须采取过电压保护。为了抑制晶闸管的过电压，采用在晶闸管两端并

12、联阻容保护电路的方法，如图所示电阻功率（W）为式中，f为电源频率50Hz，C为电容值，根据晶闸管额定电流查表得，电容为0.1 ，为晶闸管的工作电压峰值220V。因此=0.968W。2.3 主回路熔断器、接触器、热继电器选择由Y系列三相异步电机控制电器选择参考表得：型号为Y132S-4的异步电机的熔断器的型号为RLI30，接触器的型号为CJ20-25，热继电器的型号为JR20-16。2. 4主回路导线规格由电机的额定电流查表得：导线尺寸（直径）1.25mm 额定电流12.2A 熔断电流45A电阻/m，在20 C时电阻值为0.014 一米长度的电感是1.41 相近的标准线规格（SWG）18 相近的

13、美国线规格（AWG）162. 5主回路欠电压、漏电流等保护环节设计电气控制线路在事故情况下，应能保证操作人员、电气设备、生产机械的安全，并能有效地制止事故的扩大。为此，在电气控制电路中应采取一定的保护措施，为避免因误操作而发生事故。保护环节也是所有自动控制系统不可缺少的组成部分，常用的保护环节包括短路、过载、过流、过压、失压等保护环节，如下图为具有欠压、过流、过载、短路保护的控制电路。 控制电路的欠压、过流、过载、短路保护3控制电路设计3.1 电流调节器的设计-+R3R2R1C1R53.1.1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

14、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。在一般情况下，当控制系统的两个时间常数比时，典型型系统的恢复时间还是可以接受的，因此，一般按典型型系统设计电流环。此外，为了按典型系统设计电流环

15、，需要对电流环进行必要的工程近似和等效处理。3.1.2. 电流环的结构的简化电流环的结构如图（3.1） 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，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

16、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，并取 Ti=Toi+Ts。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（3.2）所示：图3.1图3.2 图3.33.1.3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：

17、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ThT时 ，而电流调节器仍可用 PI 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。PI型电流调节器结构图Ui*RdnCdnR5R4-+ConConUn*R0/2R0/2R0/2R0/2RnR3Cn3.2转速

18、调节器ACR的设计3.2.1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（3.4）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: W0.5T。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

19、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。3.2.2转速调节器结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 （3.5）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。

20、所以，转速环应该按典型 II 系统进行设计。由图（3.6）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，校正后的调速系统动态结构示于下图（3.6） 图3.4 图3.5 图3.6 3.2.3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: W3.2.4 电流环设计时，KT=0.5, 所以，5%。3.3调速系统静态参数分析分析双闭环调速系统静

21、特性的关键是掌握转速调节器PI的稳态特征，它一般存在两种状况。饱和 输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使转速调节器退出饱和，这时转速环相当于开环。不饱和 输出未达到限幅值，转速调节器使输入偏差电压在稳态时总是零。 当转速PI调节器线性调节输出未达到限幅值，则 由于积累作用使，即n= 保持不变直到，如图段所示。当转速PR调节器饱和输出为极限值，转速外环的输入量极性不改变，转速的变化对系统不再产生影响，转速PI调节器相当于开环运行，这样双闭环变为单闭环电流负反馈系统，系统由恒转速调节变为恒电流调节从而获得极好的下垂特性，如图中A-B段所示。 由上面分析可见，转速环要求电

22、流迅速响应转速n的变化，而电流环则要求维持电流不变。这不利于电流对转速的变化的响应，有使静特性变软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用相当转速环内部的一种扰动作用而已，不起主导作用。只要转速环的开环放大倍数足够大，最后仍然能靠转速调节器的作用消除转速的偏差。3.4控制回路导线规格20 时导线截面积2.5mm 管径16mm 40时导线截面积2.5mm 管径16mm 4触发电路设计5.控制单元调试同课题一，双闭环不可逆直流调速系统的设计中的一样。整个调速系统同样采用了速度、电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同，而电流环的作用则有所不同。系统在稳定运行时，电流环对抗电网扰

23、动仍有较大的作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正反转，反转和能动制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率Ps=SPm全部消耗在转子电阻中，使转子过热。调节器的调零将DJK04中调节器I所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到调节器I的4、5两端，用导线将5、6短接，使调节器I成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3,用万用表的毫伏档测量调节器7端的输出，使之输出电压尽可能接近于零。将DJK04中调节器II所有输

24、入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到调节器I的8、9两端，用导线将9、10短接，使调节器I成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3,用万用表的毫伏档测量调节器11端的输出，使之输出电压尽可能接近于零。5.1调节器正、负限幅值的调整直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压输出的任意两路接一电阻负载（D42三相可调电阻），放在阻值最大位置，用示波器观察输出的电压波形。当给定电压Ug由零调大时，输出电压U随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug，U的波形接近正弦波时，一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=Ug，即Ug的允

25、许调节范围为0Uctmax。把调节器I的5、6短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入5、6两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的3端，当加+5的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为-6V，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于零。把调节器I的9、10短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入9、10两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的4端，当加+5的正给定

26、电压时，调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为尽可能接近于零，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为Umax。系统调试（1） 确定“电流调节器”和“速度调节器”的限幅值和电流、转速反馈的极性。（2） 将系统接成双闭环调压调速系统，电机转子回路仍每相串3欧姆左右的电阻，逐渐增大给定Ug，观察电机运行是否正常。（3） 调节“电流调节器”和“速度调节器”的外接电容和电位器，用双踪扫描示波器观察突加给定时的系统动态波形，确定较佳的调节器参数。5.2 系统特性参数测定及分析机械特性n=f（T）测定将DJK04的给的那个电压输出直接接至DJK02-1上的移相

27、控制电压Uct，电机转子回路接DJ17-3转子电阻专用箱，直流发电机接负载电阻R（D42三相可调电阻，将两个900欧姆接成串联形式），并将给定的输出调到零。直流发电机先轻载，调节转速给定电压Ug使电动机的端电压=Uct。采用直流发电机，转矩可按下式计算： =18式中，M为三相绕线式异步电机电磁转矩，IG为直流发电机电流，UG 为直流发电机电压，Rs为直流发电机电枢电阻，P0为机组空载损耗。.调节Ug，降低电动机端电压，在23Ue时重复上述实验，以取得一组机械特性。在输出电压为Ue时：n(r/min)140012001000800600400820UG(V)196156133123825240I

28、G(A)0.110.500.610.650.160.120.10M(N.m)0.421.521.601.321.111.080.95在输出电压为23Ue时：n(r/min)140012001000800600400UG(V)1881611381129260IG(A)0.080.180.200.250.300.34M(N.m)0.650.980.820.720.690.67 2.系统闭环特性的测定.调节Ug，使转速至n =1200r/min，从轻载按一定间隔做到额定负载，测出闭环静特性n =f(T)。n(r/min)1200120012001200119912001198UG(V)1661651

29、66163162160159IG(A)0.090.100.160.180.210.300.38M(N.m)1.181.341.461.531.661.962.03.测出n=800 r/min时的系统闭环静态特性n=f（T）才否n(r/min)800800899798798796UG(V)110108106105104102IG(A)0.060.100.200.300.340.40T(N.m)1.21.231.251.291.321.343.系统动态特性：图2-4通过实验数据及开环人为机械特性可知：当U g=Ue时负载在空载与额定值之间变化时，电动机的转速变化不大，此电动机表现的机械特性为硬特性

30、。当Ug=2/3Ue时，负载在空载与额定值之间变化时，电动机的转速变化较之前变大，此时电动机表现的机械特性逐渐由硬特性变为软特性。当Ug=1/3Ue时，电动机无法转动，此时电动机表现的机械特性为软特性。由实验数据以及绘制的曲线可以看出采用转速电流双闭环调压调速系统可以做到转速无静差调速，附图一的曲线上出现一个误差点，可能由于实验操作人员的粗大误差造成的，此点可以作为误差点去除，得到三相异步电动机在不同电压下的机械特性曲线；附图二的系统闭环静特性曲线n=f(T)略有下斜，是由于实验室仪器存在一定的微小误差造成的，不影响实验的整体效果。 双闭环三相异步电机调速系统设计一、 控制要求：1. 了解双闭

31、环三相异步电机调速系统的原理、组成及各主要单元元部件的原理2. 了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性3. 通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用二、 课题要求：1. 测定三相绕线式异步电动机转子串电阻时的机械特性2. 测定双闭环交流调压调速系统的静态特性3. 测定双闭环交流调压调速系统的动态特性三、 答辩基本问题：1 测定双闭环交流调压调速系统的原理2 要求按照原理图进行接线并测定和计算相关数据5.3系统电路控制图对于开环调速系统，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，开环系统可以实现一定范围的无级调速，但是，许多需要调速的

32、生产机械常常对静差率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，所以为了保证工件的加工精度和加工后表面光洁度，加工过程的速度就必须保持基本稳定，也就是说静差率不能太大，这就需要采用闭环控制。闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；闭环系统的静差率要比开环系统小得多；如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。对于单闭环控制系统，若要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环就不能满足需要，所以本设计采用转速电流双闭环调速系统。电流环在里边，作为内环；转速环在外边，作为外环，系统控制原理图如下：双闭环调压调速系统控制原理图设计一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速，电流双闭环调速系统中，预设计相关参数PN=60kw,UN=220V,电流测得IN=308A,预计要达到转速nN=1000r/min,电动势系数