雙閉環(huán)三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)課程設計...doc

吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計第1章 緒論現(xiàn)在社會工業(yè)化越來越體現(xiàn)著它的強大。工業(yè)化運行的前提是能源的有力支撐。調(diào)壓調(diào)速是一種非常簡單實用的調(diào)速方法。本論文對異步電機開環(huán)控制調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及速度閉環(huán)控制調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的討論和仿真，并探討最經(jīng)濟實用的調(diào)壓電路。找出最合理的調(diào)速方法，實現(xiàn)電機平穩(wěn)運行，平滑調(diào)速，既能延長電機壽命，又可以有效節(jié)約能源。在現(xiàn)實社會具有相當高的研究價值。交流電動機的發(fā)明是由美國發(fā)明家特斯拉完成的，最早的交流電動機根據(jù)電磁感應原理設計，結構比起直流電動機更為簡單，同時也比起只能使用在電車上的直流電動機用途更廣泛，它的發(fā)明讓電動機真正進入了家庭電器領域。交流電動機問世之后，同步電動機、串激電動機、交流換向器電動機等也逐步被人們發(fā)明出來，并投入實際的生產(chǎn)，為人們的生活提供更多便利。電動機的發(fā)明和應用對人類來說具有極大的意義，可以說它為人類生活帶來了翻天覆地的變化。交流電動機，特別是鼠籠型異步電動機，結構簡單，成本低，維護方便，而且堅固耐用，慣量小，運行可靠，對環(huán)境要求不高，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了極廣泛的應用。其突出的優(yōu)點是：電機制造成本低，結構簡單，維護容易，可以實現(xiàn)高壓大功率及高速驅(qū)動，適宜在惡劣條件下工作，并能獲得和直流電機控制系統(tǒng)相媲美或更好的控制性能。因此，人們對交流電機的研究也越來越深入。但是交流電機是一個復雜的、多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)，在設計交流調(diào)速系統(tǒng)時完全用解析法是相當復雜的也是行不通的。構造實驗系統(tǒng)進行分析研究是通常采用的辦法，但由實驗來分析研究，耗時長、投資大，且不便于分析系統(tǒng)的各種性能。因此，利用計算機仿真技術去研究交流調(diào)速系統(tǒng)是一個省時省力的好辦法，計算機仿真作為研究交流電機的一種重要手段，也越來越受到重視。MATLAB 是目前最流行的科學計算語言之一。它是以復數(shù)矩陣作為基本編程單元的高級程序設計語言，提供了矩陣的運算與操作，擁有強大的繪圖功能。同時還是高度集成的軟件系統(tǒng)，解決工程計算、圖形可視化、圖像處理、多媒體處理等問題。MATLAB語言在自動控制、航天工業(yè)、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程、語言處理的方面都有涉及。MATLAB軟件是一個非常優(yōu)秀的軟件，具有強大的仿真能力。仿真結果直觀。第2章 雙閉環(huán)三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1 雙閉環(huán)三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖調(diào)壓調(diào)速是異步電動機調(diào)速方法中的一種，由三相異步電動機機械特性參數(shù)表達式可知，當異步電動機等效電路的參數(shù)不變時，在相同點的轉速下，電磁轉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機械特性的函數(shù)關系，從而改變電動機在一定負載轉矩下的轉速。本設計采用轉速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電流環(huán)在里邊，作為內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，作為外環(huán)，系統(tǒng)控制原理圖如下：圖2-1 雙閉環(huán)三相異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.2 控制電路速度給定指令電位器BP1所給出的電壓，經(jīng)運算放大器N組成的速度調(diào)節(jié)器送入移相觸發(fā)電路。同時，N還可以得到來自測速發(fā)電機的速度負反饋信號或來自電動機端電壓的電壓反饋信號，以構成閉環(huán)系統(tǒng)，提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。2.3 移相觸發(fā)電路雙向晶閘管有4種觸發(fā)方式。本系統(tǒng)采用負脈沖觸發(fā)，即不論電源電壓在正半周期還是負半周期，觸發(fā)電路都輸出負得觸發(fā)脈沖。負脈沖觸發(fā)所需要的門極電壓和電流較小，故容易保證足夠大的觸發(fā)功率，且觸發(fā)電路簡單。TS是同步變壓器，為保證觸發(fā)電路在電源正負半波時都能可靠觸發(fā)，又有足夠的移相范圍，TS采用DY11型接法。移相觸發(fā)電路采用鋸齒波同步方式，可產(chǎn)生雙脈沖并有強觸發(fā)脈沖電源（+40V）經(jīng)X31送到脈沖變壓器的一次側。第3章 主電路設計3.1 調(diào)壓電路的設計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。UaUbUcT2T3T5T4T6RRRN圖3-1 調(diào)壓電路原理圖3.2 開環(huán)調(diào)壓調(diào)速設計開環(huán)系統(tǒng)的主電路由觸發(fā)電路、調(diào)壓電路、電機組成。原理圖如下：圖3-2 開環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)原理圖AT為觸發(fā)裝置，用于調(diào)節(jié)控制角的大小來控制晶閘管的導通角，控制晶閘管輸出電壓來調(diào)節(jié)加在定子繞組上的電壓大小。3.3 閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速設計速度負反饋閉環(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速。由于采用了速度負反饋從而實現(xiàn)了平穩(wěn)、平滑的無級調(diào)速。同時當負載發(fā)生變化時，通過速度負反饋，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，導致電動機的輸出轉矩增大，從而使速度回升，接近給定值。圖3-3 系統(tǒng)調(diào)速結構圖圖3-4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖第4章 控制回路設計4.1電流調(diào)節(jié)器的設計1.電流調(diào)節(jié)器的設計原理電流環(huán)的控制對象又電樞回路組成的大慣性環(huán)節(jié)與晶閘管整流裝置，觸發(fā)器，電流互感器以及反饋濾波等一些小慣性環(huán)節(jié)組成。電流環(huán)可以校正成典型型系統(tǒng)，也可以校正成典型型系統(tǒng)，校正成哪種系統(tǒng)，取決于具體系統(tǒng)要求。由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而，在突加給定時不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好。從這個觀點來說，應該把電流環(huán)校正成典型型系統(tǒng)。但是，典型1型系統(tǒng)在電磁慣性時間常數(shù)較大時，抗繞性能較差?；謴蜁r間長?？紤]到電流環(huán)還對電網(wǎng)電壓波動又及時的調(diào)節(jié)功能，因此，為了提高其抗擾性能，又希望把電流環(huán)校正成典型型系統(tǒng)。2.電流環(huán)的結構的簡化電流環(huán)的結構如圖4-1所示。把電流環(huán)單獨拿出來設計時，首先遇到的問題是反電勢產(chǎn)生的反饋作用。在實際系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù)T1遠小于機電時間常數(shù) Tm，電流調(diào)節(jié)過程往往比轉速的變化過程快得多，因而也比電勢E的變化快得多，反電勢對電流環(huán)來說，只是一個變化緩慢的擾動，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認為E基本不變，即E=0。這樣，在設計電流環(huán)時，可以不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋作用斷開，使電流環(huán)結構得以簡化。另外，在將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等效的置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)結構變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)。最后，考慮到反饋時間常數(shù) Ti 和晶閘管變流裝置間常數(shù) Ts 比 T1 小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理。經(jīng)過上述簡化和近似處理后，電流環(huán)的結構圖最終可簡化為圖4-2所示：圖4-1 電流環(huán)的結構圖圖4-2 電流環(huán)的結構簡化圖3.電流調(diào)節(jié)器的結構選擇由于電流環(huán)中的控制對象傳遞函數(shù) Wi（s）含有兩個慣性環(huán)節(jié)，因此按典型系統(tǒng)設計的話，應該選PI 調(diào)節(jié)器進行串聯(lián)校正，其傳遞函數(shù)為為了對消控制對象的大時間常數(shù)，取 。此時，電流環(huán)的結構圖就成為典型型系統(tǒng)的形式，如圖4-3所示。圖4-3 電流環(huán)的結構圖如果要求跟隨性好，超調(diào)量小，可按工程最佳參數(shù)KgT=0.5或=0.707選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為=令KT=0.5,所以有：=且截止頻率W為： W=K=上述關系表明，按工程最佳參數(shù)設計電流環(huán)時，截止頻率W與T的關系滿足小慣性環(huán)節(jié)的近似條件W。如果按典型型系統(tǒng)設計電流環(huán)， 則需要將控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)近似為積分環(huán)節(jié)，當ThT時 ，而電流調(diào)節(jié)器仍可用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律。但積分時間常數(shù)應選得小一些，即= hT。按最小峰值M選擇電流環(huán)時，如選用工程最佳參數(shù) h=5，則電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù) KI為： K=于是可得 K=并且W=顯然，按工程最佳參數(shù)h=5確定的W和T的關系，也可以滿足小慣性環(huán)節(jié)的近似的條件。4.2 轉速調(diào)節(jié)器的設計1電流環(huán)的等效傳遞函數(shù) 電流環(huán)是轉速環(huán)的內(nèi)環(huán)，設計轉速環(huán)時要對電流環(huán)做進一步的簡化處理，使電流成為一個簡單的環(huán)節(jié)，以便按典型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。 如果電流環(huán)是按工程最佳參數(shù)設計的典型型系統(tǒng)，則其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： W（s）=由于： K=, 所以有W（s）=在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計中，轉速外環(huán)的截止頻率W總是低于電流環(huán)的截止頻W，即W W.因此，設計轉速環(huán)時可以把電流環(huán)看成是外環(huán)中的一個小時常數(shù)環(huán)節(jié)，并加以簡化處理，即略去WBi(s)中分母的高次項，得簡化后的傳遞函數(shù)為： W（s）近似條件為: W=60時，任何晶閘管都只有兩相晶閘管導通。5.2 異步電動機帶風機泵類負載開環(huán)調(diào)壓調(diào)速模塊 1.參數(shù)設定由公式Tz=kn 可推出k=Tz/n 電機參數(shù)額電壓220v 頻率為60Hz 極對數(shù)為2對容量為2238VA 同步轉速為1800轉/分鐘可以計算k=0.000003665UA：峰值180v,f為60Hz,初相位為0UB：峰值180v,f為60Hz,初相位為-120UC：峰值180v,f為60Hz,初相位為-240圖5-4 開環(huán)系統(tǒng)仿真模型（1）觸發(fā)角為60時得到的轉速圖3-5 =60時 電機轉速變化的過程由圖中可以觀察到當觸發(fā)角為60時，轉速穩(wěn)定在1712轉/分鐘，轉速在0.9s時達到穩(wěn)定狀態(tài)。（2）觸發(fā)角為75時得到的轉速圖5-6 =75時 電機轉速變化的過程由圖中可以觀察到當觸發(fā)角為75時，轉速穩(wěn)定在1660轉/分鐘，轉速在1.6s時達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過比較圖5-5和圖5-6的觸發(fā)角為60和80時可以發(fā)現(xiàn)：隨著的增大，使得輸出電壓降低，使轉速下降，從而達到調(diào)速的目的。 （3）改變電源電壓，電源電壓為150v, 觸發(fā)角為60時得到的轉速。圖5-7 電源電壓為150v =60時 電機轉速變化的過程由圖中可以觀察到當觸發(fā)角為60時，轉速穩(wěn)定在1660轉/分鐘，轉速在1s時達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過比較圖5-6和圖5-7可以發(fā)現(xiàn)，在相同的觸發(fā)角不同的電源電壓下，電源電壓的降低會使轉速下降。同時也可以得到通過改變電源電壓的大小來實現(xiàn)調(diào)速的可行性。 2.閉環(huán)調(diào)壓 圖5-8 閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型異步電動機速度負反饋閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如下所示，將速度給定值（1200）與速度反饋值進行比較，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。PI設置：比例環(huán)4， 環(huán)0.1，輸出限幅60，-60，控制角調(diào)節(jié)范圍0120。圖 3-9 系統(tǒng)閉環(huán)轉速特性仿真圖圖5-10是電壓為180v，轉速給定為1420，從圖中可以可以發(fā)現(xiàn)轉速給定為1420，轉速在0.5s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，轉速維持在1420，從中可以得出轉速跟隨給定變化。以下是給定1350在1.4S時給60階躍的轉速、控制角、負載轉矩。 圖5-10 系統(tǒng)轉速仿真圖從圖5-11可以發(fā)現(xiàn)轉速在0.45s時達到穩(wěn)定，在0.45s到1.4s時轉速穩(wěn)定在1350轉/分鐘，到1.4s時給了一個終值為60的階躍，可以發(fā)現(xiàn)轉速跟隨給定變化。 圖5-11 系統(tǒng)控制角仿真圖從圖5-12可以直觀的看到控制角在隨著給定的變化而變化，從而實現(xiàn)調(diào)速。 圖5-12 系統(tǒng)轉矩仿真圖開始時，轉速為0，負載轉矩為0，反饋因輸出限幅為-60，經(jīng)60偏置使得輸入控制角為0，定子繞組電壓為電源電壓。隨著轉速的上升，負載轉矩增大，反饋在一定范圍內(nèi)依舊為0.經(jīng)0.6秒后轉速穩(wěn)定在1350，負載轉矩、控制角也保持穩(wěn)定。再過0.8秒，給定增加60，經(jīng)反饋，減小控制角，增大電壓提高轉速，負載轉矩隨之增大，在1.6秒內(nèi)保持穩(wěn)定。結 論經(jīng)過為期兩周的課程設計，我在這兩周里受益匪淺，完成了全部的設計要求內(nèi)容，并在此基礎上對所學習的相應課程又進行了回顧復習。對于整個系統(tǒng)，我首先在設計中確定了三相異步電動機的調(diào)速方式。其次，確定調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)電流、轉速兩個負反饋調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的性能大大提高。在設計過程中，對于系統(tǒng)的主電路進行了設計，在控制電路中，完成了對電流調(diào)節(jié)器，轉速調(diào)節(jié)器的設計。然后使用計算機仿真軟件MATLAB對系統(tǒng)進行仿真，為實際操作提供一定的理論依據(jù)，最后的實驗室親手操作更是大大提高了我的動手能力，真正做到了理論聯(lián)系實際，并得到了需要的實驗結果，最終完成了本次設計。 致 謝在這次課程設計的撰寫過程中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設計上給予我的指導、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設計的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。在本次課程設計過程當中，能夠?qū)W到的知識應用到實踐中，增強了我們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考的能力。感謝所有任課老師和所有同學給自己的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得優(yōu)異的成績，在此向他們表示我由衷的謝意。最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議的柏逢明老師表示感謝。參考文獻1孫余凱，電動機基礎與技能實訓教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2007.62李榮生，電氣傳動控制系統(tǒng)設計指導M.北京：機械工業(yè)出版社，2004.63袁任光，電動機控制電路選用與258實例M.北京：機械工業(yè)出版社，2004.74方大千，異步電動機使用與維修M.北京：人