三相異步電機閉環(huán)調(diào)速設(shè)計

1、 控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計報告 學(xué)院：信息工程學(xué)院 姓名： 班級：11自動化 學(xué)號： 題目：三相異步電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實踐 指導(dǎo)老師： 完成時間：2014年6月20日 目 錄摘 要I1概述11.1三相異步電動機的調(diào)速方法21.2調(diào)壓調(diào)速的簡介31.3課程設(shè)計的要求52三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成53三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)83.1三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電路83.2閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)圖103.3 系統(tǒng)各部分參數(shù)的計算104三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真134.1MATLAB仿真的介紹134.2電路的建模和參數(shù)設(shè)置134.3異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型164.4仿真效果圖17

2、總結(jié)22參考文獻(xiàn)23摘 要異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維修工作量小等優(yōu)點，早期多用于不可拖動。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，靜止式變頻器的誕生，異步電動機在可拖動中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)電機調(diào)速有不少方法。研究電機調(diào)速，找出符合實際的調(diào)速方法能最大限度的節(jié)約能源，所以研究調(diào)壓調(diào)速就顯得很有必要。異步電機調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)是一種比較簡單實用的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的運行、控制及經(jīng)濟(jì)性能，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?本課程設(shè)計介紹了異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的幾大組成部分，并著重講述了三相異步電動機(M)、測速發(fā)電機(TG)、晶閘管交流調(diào)壓器(TVC)的簡單的工作原理。在了解異步電動機調(diào)壓調(diào)速的基本原理

3、的基礎(chǔ)上，設(shè)計了異步電動機單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。還將調(diào)壓調(diào)速與其他的調(diào)速方法相比，所具有的優(yōu)點以及不足之處。以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，電機調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)速范圍較小，采用速度作為負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)解決了這個問題,使調(diào)速性能得到改善。最后，經(jīng)過理論分析建立模型后，基于Matlab語言開發(fā)仿真軟件，并進(jìn)行仿真實驗，并且對仿真結(jié)果進(jìn)行了一定的分析及改進(jìn)。關(guān)鍵詞: 調(diào)壓調(diào)速 MATLAB 三相異步電動機 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器241概述直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘?0%

4、以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。直到20世紀(jì)60-70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：l 一般性能的節(jié)能調(diào)速 l 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) l 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 (1) 一般性能的節(jié)能調(diào)速在過去大量的所謂“不變速交流拖動

5、”中，風(fēng)機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨?，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風(fēng)機、水泵平均都可以節(jié)約 20-30% 以上的電能，效果是很可觀的。(2) 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機

6、那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。(3) 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過106 /，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設(shè)備，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，交流調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點： l 容量大； l 轉(zhuǎn)速高且耐高壓； l 交流電動機的體積、重量、價格比同等容量的直流電動機小，且結(jié)構(gòu)簡單、 經(jīng)濟(jì)可靠、慣性?。?l 交流電動機環(huán)境使用性強，堅固耐用，可以在十分惡劣的環(huán)境下使用； l 高性能、高精度的新型交流拖動系統(tǒng)已達(dá)同直流拖動系統(tǒng)一樣

7、的性能指標(biāo)； l 交流調(diào)速系統(tǒng)能顯著的節(jié)能； 從各方面看，交流調(diào)速系統(tǒng)最終將取代直流調(diào)速系統(tǒng)。 計算機仿真技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，使得對交流調(diào)速的性能分析和研究變的更為方便。傳統(tǒng)的計算機仿真軟件包用微分方程和差分方程建模，其直觀性、靈活性差，編程量大，操作不便。隨著一些大型的高性能的計算機仿真軟件的出現(xiàn)，實現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的實時仿真可以較容易地實現(xiàn)。如：matlab軟件已經(jīng)能夠在計算機中全過程地仿真交流調(diào)速系統(tǒng)的整個過程。matlab語言非常適合于交流調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的仿真及研究，能夠為某些問題的解決帶來極大的方便并能顯著提高工作效率。隨著新型計算機仿真軟件的出現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)必將在成本控制、工作效

8、率、實時監(jiān)控等方面得到長足進(jìn)步。 交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到今天，相對而言已經(jīng)比較成熟，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著一些新的電力電子器件和一些新的控制策略的出現(xiàn)，工業(yè)應(yīng)用對交流調(diào)速系統(tǒng)又提了新的要求，現(xiàn)代交流電機調(diào)速技術(shù)的研究和應(yīng)用前景十分廣闊。1.1三相異步電動機的調(diào)速方法異步電機的調(diào)速方法有不少，根據(jù)異步電機的轉(zhuǎn)速公式 (1-1)其中為同步轉(zhuǎn)速(r/min);為定子頻率，也就是電源頻率(Hz);為磁極對數(shù)。可知；異步電動機有以下三種基本調(diào)速方法：(1) 改變定子極對數(shù)調(diào)速。(2) 改變電源頻率調(diào)速。(3) 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。1.2調(diào)壓調(diào)速的簡介由電力拖動原理可知，當(dāng)異步電機等效電路的參數(shù)不變時

9、，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。當(dāng)改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動機難以應(yīng)用。為了擴大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴大穩(wěn)定運行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘

10、管調(diào)壓器(TVC)等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。交流調(diào)壓器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位控制改變輸出電壓。調(diào)在異步電動機調(diào)速方法中，變壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡便的一種。由電力拖動原理可知，當(dāng)異步電機等效電路的參數(shù)不變時，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。根據(jù)異步電動機的機械特性方程式 (1-3)其中 電動機的極對數(shù),、電動機定子相電壓和供電角頻率,轉(zhuǎn)差率,、定子每相電阻和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻,、定子每漏感和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)

11、子每相漏感可見，當(dāng)轉(zhuǎn)差率一定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。改變定子電壓可得到一組不同的人為機械特性，如圖2-2所示。在帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，可以得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖中的A，B，C點，其調(diào)速范圍較小，而帶風(fēng)機泵類負(fù)載時，可得到較大的調(diào)速范圍，如圖1-1中的D，E，F(xiàn)點。 圖1-1 異步電動機在不同定子電壓時的機械特性所謂調(diào)壓調(diào)速，就是通過改變定子外加電壓來改變電磁轉(zhuǎn)矩，可得到較大的調(diào)速范圍，從而在一定的輸出轉(zhuǎn)矩下達(dá)到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的13。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴大調(diào)壓調(diào)速范圍，使電機在較低速下穩(wěn)定運行又不致過熱，可采用電動機轉(zhuǎn)子繞組有較高電阻值時的機械特性。在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的交流力矩電動機的

12、機械特性。圖1-2顯示此類電動機的調(diào)速范圍增大了，而且在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩下工作也不致燒毀電動機14。圖1-2交流力矩電機在不同定子電壓時的機械特性1.3課程設(shè)計的要求(1) 設(shè)計目的1. 通過對一個實用的三相異步電動機閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，安裝，調(diào)試來綜合運用科學(xué)理論知識，提高學(xué)生工程意識和實踐技能，達(dá)到素質(zhì)和創(chuàng)新能力進(jìn)一步提升，是學(xué)生獲得控制技術(shù)工程的基礎(chǔ)訓(xùn)練。2. 通過系統(tǒng)建模和仿真，掌握用MATLAB/Simulink工具分析設(shè)計三相異步電動機速度控系統(tǒng)的方法。3. 進(jìn)一步掌握各種交流調(diào)速系統(tǒng)的性能，尤其是動態(tài)性能。(2) 設(shè)計內(nèi)容1.理論設(shè)計：根據(jù)所學(xué)的理論知識和實踐技能，了解帶轉(zhuǎn)速外閉環(huán)的

13、基礎(chǔ)原理，解決積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題，采用工程設(shè)計的方法設(shè)計三相異步電動機閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)（包括主電路和控制電路，選擇的元器件，系統(tǒng)等電器原理圖）。2.仿真實踐：根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)，利用MATLAB/Simulink建立各個組成部分相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，并對系統(tǒng)仿真進(jìn)行綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進(jìn)行校正，得出正確的仿真實驗波形和合適控制器參數(shù)，為搭建實際系統(tǒng)提供參考。3.動手實踐：根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)，完成單元電路安裝，系統(tǒng)組裝，單元及系統(tǒng)調(diào)試（可利用試驗臺的某些掛件），得出實物實際波形和系統(tǒng)動，靜態(tài)性能。2三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成三相異步電動機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速是一種典型的轉(zhuǎn)差功率消耗

14、型調(diào)速系統(tǒng)。圖2-1為交流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)變壓調(diào)速的電路。圖2-1 交流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)變壓調(diào)速電路交流調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡便的調(diào)速方法。常見的異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)由以下六大基本部分組成：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)、觸發(fā)裝置(GT)、晶閘管交流調(diào)壓器(TVC)、測速發(fā)電機(TG)、三相異步電動機(M)。這里主要介紹三相異步電動機(M)的結(jié)構(gòu)，和測速發(fā)電機(TG)、晶閘管交流調(diào)壓器(TVC)的具體結(jié)構(gòu)以及工作原理。2.1三相異步電動機(M)三相異步電動機又稱感應(yīng)電動機,是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換為機械能量的一種交流電動機。 異步電動機按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為兩種

15、形式:有鼠籠式、繞線式異步電動機。 作電動機運行的異步電機。因其轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱感應(yīng)電動機。異步電動機是各類電動機中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種三相繞組接通三相電源產(chǎn)生的磁場在空間旋轉(zhuǎn)，稱為旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)速的大小由電動機極數(shù)和電源頻率而定。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。它與電網(wǎng)的頻率及電機的磁極對數(shù)P的關(guān)系為： (2-1)轉(zhuǎn)子在磁場中相對定子有相對運動，切割磁場形成感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子銅條有電流，在磁場中受到力的作用，轉(zhuǎn)子就會旋轉(zhuǎn)起來。綜上所述可知，三相異步電動機轉(zhuǎn)動的基本工作原理。(1) 三相對稱繞組中通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。(2) 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電動勢和電流。(3)

16、 轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)距，驅(qū)使電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。異步電機的旋轉(zhuǎn)方向始終與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致，而旋轉(zhuǎn)磁場的方向又取決于異步電動機的三相電流相序。因此，三相異步電動機的轉(zhuǎn)向與電流的相序一致。要改變轉(zhuǎn)向，只要改變電流的相序即可，即任意對調(diào)電動機的兩根電源線，便可以實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)。異步電動機的轉(zhuǎn)速恒小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，只有這樣，轉(zhuǎn)子繞組才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機旋轉(zhuǎn)。如果，轉(zhuǎn)子繞組與定子磁場之間無相對運動，則轉(zhuǎn)子繞組中無感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流產(chǎn)生，可見是異步電動機工作的必要條件。2.2交流測速發(fā)電機(TG)主要由內(nèi)定子、外定子及在它們之間的氣隙中轉(zhuǎn)動的杯形轉(zhuǎn)子所組成。

17、勵磁繞組、輸出繞組嵌在定子上,彼此在空間相差90電角度。杯形轉(zhuǎn)子是由非磁性材料制成。當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，勵磁后由杯形轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場與輸出繞組軸線垂直，輸出繞組不感應(yīng)電動勢；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由杯形轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場與輸出繞組軸線重合，在輸出繞組中感應(yīng)的電動勢大小正比于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而頻率和勵磁電壓頻率相同，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。反轉(zhuǎn)時輸出電壓相位也相反。杯形轉(zhuǎn)子是傳遞信號的關(guān)鍵，其質(zhì)量好壞對性能起很大作用。由于它的技術(shù)性能比其他類型交流測速發(fā)電機優(yōu)越，結(jié)構(gòu)不很復(fù)雜，同時噪聲低，無干擾且體積小，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種交流測速發(fā)電機。2.3晶閘管交流調(diào)壓器(TVC)改變加在定子上的電壓是通過交流調(diào)壓器實現(xiàn)的。目前

18、廣泛采用的交流調(diào)壓器由晶閘管等器件組成。它是將三個雙向晶閘管分別接到三相交流電源與三相定子繞組之間通過調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)加到定子繞組兩端的端電壓。這里采用三相全波星型聯(lián)接的調(diào)壓電路。圖2-2 Y型連接圖圖2-3 形連接電機繞組星型聯(lián)接時的三相分支雙向控制電路用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在每相的繞組上。調(diào)壓時用相位控制。當(dāng)負(fù)載電流流通時，至少有一相的正向晶閘管和另一相的反向晶閘管同時導(dǎo)通，所以要求各晶閘管的觸發(fā)脈沖寬度都大于60。或者采用雙脈沖觸發(fā)。最大移相范圍為150.移相調(diào)壓時，輸出電壓中含有奇次諧波，其中以奇次諧波為主。如果電機繞組不帶零線，則三次諧波電勢雖然存在，

19、卻不會有三次諧波電流。由于電機繞組屬于感性負(fù)載，電流波形會比電壓波形平滑些。但仍含有諧波，從而產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和附加損耗等不良影響，這是晶閘管調(diào)壓電路的缺點。3三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)3.1三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電路TG3M VTCGT ASR給定圖3-1 單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 測速發(fā)電機TG測得電動機轉(zhuǎn)速即測速發(fā)電機的un,當(dāng)nu,將u與給定電壓比較得到一個電壓變化值，將這個變化值作為放大器的輸入端，經(jīng)放大后的輸出為觸發(fā)器的發(fā)出信號，使觸發(fā)器發(fā)出一定相位的脈沖，晶閘管調(diào)壓器就輸出一定值的電壓，調(diào)節(jié)給定電壓的大小就可以得到不同輸出電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 調(diào)壓調(diào)速即通過調(diào)

20、節(jié)通入異步電動機的三相交流電壓大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法。理論依據(jù)來自異步電動機的機械特性方程式：其中，為定子每相電阻和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻,為定子每相漏感和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感,為電動機定子相電壓和供電角頻率,P 為電動機的極對數(shù),S 為轉(zhuǎn)差率其中， (3-1)式中， (3-2)在一般情況下，則C11,這相當(dāng)于將上述假定條件改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成 (3-3)同步機械角轉(zhuǎn)速 (3-4)3.2閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)圖圖3.3 閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)圖 速度負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的工作原理：將速度給定值與速度反饋值進(jìn)行比較，比較后經(jīng)速度調(diào)節(jié)器得到控制電壓，再將此控制電壓輸入到觸發(fā)裝置

21、，由觸發(fā)裝置輸出來控制晶閘管的導(dǎo)通角，以控制晶閘管輸出電壓的高低，從而調(diào)節(jié)了加在定子繞組上的電壓的大小。 因此，改變了速度給定值就改變了電動機的轉(zhuǎn)速。由于采用了速度負(fù)反饋從而實現(xiàn)了平穩(wěn)、平滑的無級調(diào)速。同時當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，通過速度負(fù)反饋，能自動調(diào)整加在電動機定子繞組上的電壓大小。由速度調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓使晶閘管觸發(fā)脈沖前移，使調(diào)壓器的輸出電壓提高，導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，從而使速度回升，接近給定值。3.3 系統(tǒng)各部分參數(shù)的計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為 (3-5)晶閘管交流調(diào)壓器的觸發(fā)裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非線性的，在一定范圍內(nèi)可假定為

22、線性函數(shù)，在動態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣。傳遞函數(shù)可寫成 (3-6)其近似條件是 (3-7)考慮到反饋濾波作用，測速反饋環(huán)節(jié)ASR的傳遞函數(shù)可寫成 (3-8)交流電機的動態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個傳遞函數(shù)來準(zhǔn)確地表示它的輸入輸出關(guān)系是不可能的。 在這里，可以先在一定的假定條件下，用穩(wěn)態(tài)工作點附近的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。由式(3-9)已知電磁轉(zhuǎn)矩為 (3-9)當(dāng)s很小時，可以近似認(rèn)為且后者相當(dāng)于忽略交流電機的漏感電磁慣性。在此條件下， (3-10)這是在上述條件下交流電機近似的線性機械特性。設(shè)A為近似線性機械特性上的

23、一個穩(wěn)態(tài)工作點，則在A點上 (3-11)A點附近有微小偏差時，Te= TeA+Te，Us = UsA +Us，而s = sA + s，代入式(3-11)得 (3-12)將式（3-12）展開，并忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積，則 (3-13)從式(3-13)減去式(3-12)，得 (3-14)已知轉(zhuǎn)差率 ，其中是同步角轉(zhuǎn)速，w 是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則 (3-15)將式(3-15)帶入式(3-14)，得到 (3-16)式(3-16)就是在穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏量Te與Us和w間的關(guān)系。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時的電力拖動系統(tǒng)運動方程式為 (3-17)按照上述相同的方法處理,可以得到穩(wěn)態(tài)工作點A附近的偏微量運動方程式 (

24、3-18)4 三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1MATLAB仿真的介紹MATLAB是由美國發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號計算 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字信號處理技術(shù) 通訊系統(tǒng)設(shè)計

25、與仿真 特點；1) 高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運算分析中解脫出來； 2) 具有完備的圖形處理功能,實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化; 3) 友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；4) 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實用的處理工具。4.2電路的建模和參數(shù)設(shè)置主電路主要由三相對稱交流電壓源、晶閘管、晶閘管三相交流調(diào)壓器、交流異步電動機、電機信號分配器等部分組成。下面分別討論三相交流電源、三相交流調(diào)壓器、同步脈沖觸發(fā)器、交流異步電動機、電機測試信號分配器的建模和參數(shù)設(shè)置問題16。4.2.1 三相交流電源的建

26、模和參數(shù)設(shè)置首先從圖3-1中的電源模塊組中選取一個交流電壓源模塊，再用復(fù)制的方法得到三相電源的另兩個電壓源模塊，并把模塊名稱分別修改成A相、B相、C相。圖4-1三相交流電壓源模塊A相得參數(shù)設(shè)置分別是：幅值(peak amplitude)取400V、初相位(Phase)設(shè)置成、頻率(Frequency)設(shè)置為60HZ，其他為默認(rèn)值。B、C的參數(shù)設(shè)置方法與A相相同，除了將初相位設(shè)置成互差以外，其它參數(shù)都與A相相同。由此可得到三相對稱交流電源。4.2.2 晶閘管三相交流調(diào)壓器的建模與參數(shù)設(shè)置晶閘管三相交流調(diào)壓器通常是采用三對反并聯(lián)的晶閘管元件組成，單個晶閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網(wǎng)自然換流

27、。圖3.4中所示為晶閘管三相交流調(diào)壓器的仿真模型。圖4-2晶閘管三相交流調(diào)壓器仿真模型子系統(tǒng)觸發(fā)脈沖的順序為V1V2V3V4V5V6，其中V1V3V5之間和V4V6V2之間互差120度，V1V4之間、V3V6之間、V5V2之間互差180度。將以上調(diào)壓器封裝后模塊如圖4-3所示。圖4-3 三相交流調(diào)壓器子系統(tǒng)封裝圖4.2.3 同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置通常，工程上將觸發(fā)器和晶閘管整流橋作為一個整體來研究，所以，在此處討論同步脈沖觸發(fā)器。同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器需要三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。同步電源與6脈沖觸發(fā)器

28、符號如圖4-4所示.圖4-4閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型4.2.4 速度調(diào)節(jié)器的建模和參數(shù)設(shè)置速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制，比例和積分參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果不斷地變化改動，以得到最穩(wěn)定的輸出特性以及動態(tài)特性。限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)也一樣。具體方法是分別設(shè)置這些參數(shù)的一個較大和較小的值進(jìn)行仿真，弄清它們對系統(tǒng)性能影響的趨勢，據(jù)此逐步將參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此仿真中，經(jīng)過不斷地變化改動，最終確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為(1) 比例常數(shù)(Proportional)為4；(2) 積分時間常數(shù) (Integral)為0.1；(3) 微分時間常數(shù)(Derivative)為0(PI控制)。4.3 異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

29、圖4-5三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速整體仿真模型圖異步電動機速度負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如上圖所示，將速度給定值與速度反饋值進(jìn)行比較，比較后經(jīng)速度調(diào)節(jié)器得到控制電壓，再將此控制電壓輸入到觸發(fā)裝置，由觸發(fā)裝置輸出來控制晶閘管的導(dǎo)通角，以控制晶閘管輸出電壓的高低，從而調(diào)節(jié)了加在定子繞組上電壓的大小。因此，改變速度給定值就改變了電機的轉(zhuǎn)速。由于采用了速度負(fù)反饋從而實現(xiàn)了平穩(wěn)平滑的無級調(diào)速。同時負(fù)載發(fā)生變化時，通過速度負(fù)反饋，能制動調(diào)整加在定子繞組上的電壓的大小，由速度調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓使晶閘管觸發(fā)脈沖遷移，是調(diào)壓器的輸出電壓提高，導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，從而使速度回升，接近給定值。這種調(diào)速方

30、法既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也不是恒功率調(diào)速。如果拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，而轉(zhuǎn)速又較低時，損耗將增加，不宜于長期低速運行。如果拖動風(fēng)機類負(fù)載，隨著轉(zhuǎn)速的降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電動機輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，從而減小了損耗，所以這種調(diào)速方法更適合于與風(fēng)機類負(fù)載相配合。異步電動機調(diào)壓調(diào)速通常適用于繞線型異步電動機。4.4仿真實現(xiàn)已知電機的參數(shù)；電機功率P=3.7KW， 相電壓U=460V 定子相繞組電阻RS=1.11 轉(zhuǎn)子相繞組電阻=1.083 定轉(zhuǎn)子之間的互感Lm=0.438H 極對數(shù)P=2轉(zhuǎn)動慣量J=0.02kg.m2 額定轉(zhuǎn)速ne=2400r/min由公式Tz=kn 可推出k=Tz/n 電機參數(shù)額電壓460v 頻率為

31、60Hz 極對數(shù)為2對容量為3730VA 同步轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分鐘可以計算k=0.000003665最終，將參數(shù)一一設(shè)定好并將各模塊調(diào)節(jié)好后，運行仿真模型，并根據(jù)所出圖形對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最后得到仿真結(jié)果。具體的仿真結(jié)果圖分別如下：圖4-6 三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-7 三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)矩輸出圖4-8三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速電磁轉(zhuǎn)矩輸出同時，為了驗證模型調(diào)壓調(diào)速模型的通用性以及通過調(diào)節(jié)相電壓測試不同相電壓下模型的調(diào)速效果，建立了380V、410V、460V、480V、520V五種不同情況下的仿真模型，并根據(jù)的到的仿真結(jié)果分析達(dá)到最佳效果時的相電壓大小。以下是具體的仿真結(jié)果圖：圖4-9相電壓為520V時三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-10相電壓為480V時三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-11相電壓為460V時三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-12相電壓為410V時三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-13相電壓為380V時三相異步電機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出最終可以得到如下結(jié)論：（1） 啟動階段大約時間為0.18s，系統(tǒng)反應(yīng)速度比較快，上升時間比較短。（2） 利用轉(zhuǎn)速調(diào)