双闭环三相异步电动机调压调速系统优秀课程设计.doc

第1章 绪论

现在社会工业化越来越表现着它强大。工业化运行前提是能源有力支撑。调压调速是一个很简单实用调速方法。本论文对异步电机开环控制调压调速系统及速度闭环控制调压调速系统讨论和仿真，并探讨最经济实用调压电路。找出最合理调速方法，实现电机平稳运行，平滑调速，既能延长电机寿命，又能够有效节省能源。在现实社会含有相当高研究价值。交流电动机发明是由美国发明家特斯拉完成，最早交流电动机依据电磁感应原理设计，结构比起直流电动机更为简单，同时也比起只能使用在电车上直流电动机用途更广泛，它发明让电动机真正进入了家庭电器领域。交流电动机问世以后，同时电动机、串激电动机、交流换向器电动机等也逐步被大家发明出来，并投入实际生产，为大家生活提供更多便利。电动机发明和应用对人类来说含有极大意义，能够说它为人类生活带来了翻天覆地改变。
交流电动机，尤其是鼠笼型异步电动机，结构简单，成本低，维护方便，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，对环境要求不高，所以在工农业生产中得到了极广泛应用。其突出优点是：电机制造成本低，结构简单，维护轻易，能够实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，并能取得和直流电机控制系统相媲美或愈加好控制性能。所以，大家对交流电机研究也越来越深入。不过交流电机是一个复杂、多变量、强耦合非线性系统，在设计交流调速系统时完全用解析法是相当复杂也是行不通。结构试验系统进行分析研究是通常采取措施，但由试验来分析研究，耗时长、投资大，且不便于分析系统多种性能。所以，利用计算机仿真技术去研究交流调速系统是一个省时省力好措施，计算机仿真作为研究交流电机一个关键手段，也越来越受到重视。
MATLAB 是现在最流行科学计算语言之一。它是以复数矩阵作为基础编程单元高级程序设计语言，提供了矩阵运算和操作，拥有强大绘图功效。同时还是高度集成软件系统，处理工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理等问题。MATLAB语言在自动控制、航天工业、汽车工业、生物医学工程、语言处理方面全部有包含。MATLAB软件是一个很优异软件，含有强大仿真能力。仿真结果直观。

第2章 双闭环三相异步电动机调压调速系统工作原理

2.1 双闭环三相异步电动机调压调速系统控制原理图

调压调速是异步电动机调速方法中一个，由三相异步电动机机械特征参数表示式可知，当异步电动机等效电路参数不变时，在相同点转速下，电磁转矩和定子电压平方成正比，所以，改变定子外加电压就能够机械特征函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下转速。本设计采取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，系统控制原理图以下：
图2-1 双闭环三相异步电动机调压调速系统原理图

2.2 控制电路

速度给定指令电位器BP1所给出电压，经运算放大器N组成速度调整器送入移相触发电路。同时，N还能够得到来自测速发电机速度负反馈信号或来自电动机端电压电压反馈信号，以组成闭环系统，提升调速系统性能。

2.3 移相触发电路

双向晶闸管有4种触发方法。本系统采取负脉冲触发，即不管电源电压在正半周期还是负半周期，触发电路全部输出负得触发脉冲。负脉冲触发所需要门极电压和电流较小，故轻易确保足够大触发功率，且触发电路简单。TS是同时变压器，为确保触发电路在电源正负半波时全部能可靠触发，又有足够移相范围，TS采取DY11型接法。
移相触发电路采取锯齿波同时方法，可产生双脉冲并有强触发脉冲电源（+40V）经X31送到脉冲变压器一次侧。

第3章 主电路设计

3.1 调压电路设计

改变加在定子上电压是经过交流调压器实现。现在广泛采取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和三相定子绕组之间经过调整晶闸管导通角大小来调整加到定子绕组两端端电压。这里采取三相全波星型联接调压电路。
Ua
Ub
Uc
T2
T3
T5
T4
T6
R
R
R
N

图3-1 调压电路原理图

3.2 开环调压调速设计

开环系统主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图以下：

图3-2 开环调压系统原理图
AT为触发装置，用于调整控制角大小来控制晶闸管导通角，控制晶闸管输出电压来调整加在定子绕组上电压大小。

3.3 闭环调压调速设计

速度负反馈闭环调压调速系统工作原理：将速度给定值和速度反馈值进行比较，比较后经速度调整器得到控制电压，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导通角，以控制晶闸管输出电压高低，从而调整了加在定子绕组上电压大小。所以，改变了速度给定值就改变了电动机转速。因为采取了速度负反馈从而实现了平稳、平滑无级调速。同时当负载发生改变时，经过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上电压大小。由速度调整器输出控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使调压器输出电压提升，造成电动机输出转矩增大，从而使速度回升，靠近给定值。

图3-3 系统调速结构图

图3-4 闭环调速系统原理图

第4章 控制回路设计

4.1电流调整器设计

1.电流调整器设计原理
电流环控制对象又电枢回路组成大惯性步骤和晶闸管整流装置，触发器，电流互感器和反馈滤波等部分小惯性步骤组成。电流环能够校正成经典Ⅰ型系统，也能够校正成经典Ⅱ型系统，校正成哪种系统，取决于具体系统要求。
因为电流环关键作用是保持电枢电流在动态过程中不超出许可值，所以，在突加给定时不期望有超调，或超调越小越好。从这个见解来说，应该把电流环校正成经典Ⅰ型系统。不过，经典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立即调整功效，所以，为了提升其抗扰性能，又期望把电流环校正成经典Ⅱ型系统。

2.电流环结构简化
电流环结构图4-1所表示。把电流环单独拿出来设计时，首先碰到问题是反电势产生反馈作用。在实际系统中，因为电磁时间常数T1远小于机电时间常数 Tm，电流调整过程往往比转速改变过程快得多，所以也比电势E改变快得多，反电势对电流环来说，只是一个改变缓慢扰动，在电流调整器快速调整过程中，能够认为E基础不变，即△E=0。这么，在设计电流环时，能够不考虑反电势改变影响，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步骤等效置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。最终，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，能够看成小惯性步骤处理。经过上述简化和近似处理后，电流环结构图最终可简化为图4-2所表示：

图4-1 电流环结构图

图4-2 电流环结构简化图
3.电流调整器结构选择
因为电流环中控制对象传输函数 Wi（s）含有两个惯性步骤，所以按经典Ⅰ系统设计话，应该选PI 调整器进行串联校正，其传输函数为

为了对消控制对象大时间常数，取 。此时，电流环结构图就成为经典Ⅰ型系统形式，图4-3所表示。

图4-3 电流环结构图
假如要求跟随性好，超调量小，可按工程最好参数KgT=0.5或=0.707选择调整器参数。电流环开环放大系数为=
令KT=0.5,所以有：=
且截止频率W为： W=K=
上述关系表明，按工程最好参数设计电流环时，截止频率W和T关系满足小惯性步骤近似条件W。
假如按经典Ⅱ型系统设计电流环， 则需要将控制对象中大惯性步骤近似为积分步骤，当T>hT时 ，而电流调整器仍可用 PI 调整规律。但积分时间常数应选得小部分，即= hT。
按最小峰值M选择电流环时，如选择工程最好参数 h=5，则电流环开环放大系数 KI为： K==
于是可得 K==而且W==
显然，按工程最好参数h=5确定W和T关系，也能够满足小惯性步骤近似条件。

4.2 转速调整器设计

1．电流环等效传输函数
电流环是转速环内环，设计转速环时要对电流环做深入简化处理，使电流成为一个简单步骤，方便按经典系统设计转速环。
假如电流环是按工程最好参数设计经典Ⅰ型系统，则其闭环传输函数为：
W（s）===
因为： K=, 所以有W（s）=
在双闭环调速系统设计中，转速外环截止频率W总是低于电流环截止频W，即W<< W.所以，设计转速环时能够把电流环看成是外环中一个小时常数步骤，并加以简化处理，即略去WBi(s)中分母高次项，得简化后传输函数为：
W（s）
近似条件为: W<<0.5T。
电流环这种近似处理产生效果能够用对数幅频特征来表示。电流环未作处理时阻尼比=0.707 ，自然振荡频率为二阶振荡步骤，当转速环截止频率较W低时，对于转速环频率特征来说，原系统和近似系统只在高频段有些区分。因为电流环在转速环内，其输入信号Ui。
所以，和电流环近似小步骤应为==，式中时间常数2T大小随调整器参数选择方法不一样而异。

2．转速调整器结构选择
为了实现转速无静差，必需在扰动作用点以前设置一个积分步骤，从图 2-7能够看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分步骤，故从静态无差考虑需要 II 型系统。从动态性能上看，考虑转速调整器饱和非线性后，调速系统跟随性能和抗扰性能是一致，而经典 II 型系统含有很好抗扰性能。所以，转速环应该按经典 II 系统进行设计。
要把转速环校正成经典 II 型系统，转速调整器 ASR也应该采取 PI 调整器，其传输函数为 W=K
式中K——转速调整器百分比系数；
——转速调整器超前时间常数
这么，调速系统开环传输函数为：
W（S）==
其中，转速开环增益为 K=
不考虑负载扰动时，校正后调速系统动态结构于下图（4-4）所表示。

图4-4 校正后调速系统动态结构

图4-5 调速系统动态结构
3．转速调整器参数选择
按跟随性能和抗扰性能最好标准，取h=5进行计算。
小惯性步骤近似处理条件: W

第5章 双闭环三相异步电动机调压调速系统仿真

5.1 调压电路设计

1.调压电器仿真模型

图5-1 调压电路搭建

图5-2 调压电路模型

2.参数设定
Frequency of synchronization voltages(hz)：同时电压频率（赫兹）50Hz
Pulse width(degrees)：触发脉冲宽度（角度）10
Double pulsing：双脉冲出发选择。
RLC负载参数设定：电阻100Ω，电感0H，电容值为inf
UA：峰值220v,f为50Hz,初相位为0°
UB：峰值220v,f为50Hz,初相位为-120°
UC：峰值220v,f为50Hz,初相位为-240°

3.电阻负载仿真图形

图5-3三相交流调压器输出电压波形
在电阻负载时三相交流调压器输出电压仿真结果图5-3所表示。其中左图为α=45°时调压器输出波形，右图所表示为α=60°时调压器输出波形。经过比较a)和b)能够发觉，伴随触发角增加，同时有三个晶闸管导通区间逐步减小，到α>=60°时，任何晶闸管全部只有两相晶闸管导通。

5.2 异步电动机带风机泵类负载开环调压调速模块

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 极对数为2对
容量为2238VA 同时转速为1800转/分钟
能够计算k=0.
UA：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5-4 开环系统仿真模型
（1）触发角α为60°时得到转速

图3-5 α=60°时 电机转速改变过程
由图中能够观察到当触发角为60°时，转速稳定在1712转/分钟，转速在0.9s时达成稳定状态。
（2）触发角α为75°时得到转速

图5-6 α=75°时 电机转速改变过程
由图中能够观察到当触发角为75°时，转速稳定在1660转/分钟，转速在1.6s时达成稳定状态。
经过比较图5-5和图5-6触发角α为60°和80°时能够发觉：伴随α增大，使得输出电压降低，使转速下降，从而达成调速目标。
（3）改变电源电压，电源电压为150v, 触发角α为60°时得到转速。

图5-7 电源电压为150v α=60°时 电机转速改变过程
由图中能够观察到当触发角为60°时，转速稳定在1660转/分钟，转速在1s时达成稳定状态。
经过比较图5-6和图5-7能够发觉，在相同触发角不一样电源电压下，电源电压降低会使转速下降。同时也能够得到经过改变电源电压大小来实现调速可行性。
2.闭环调压

图5-8 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仿真模型以下所表示，将速度给定值（1200）和速度反馈值进行比较，比较后经速度调整器得到控制电压，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导通角，以控制晶闸管输出电压高低，从而调整了加在定子绕组上电压大小。
PI设置：百分比环4， 环0.1，输出限幅[60，-60]，控制角调整范围0~120。

图 3-9 系统闭环转速特征仿真图
图5-10是电压为180v，转速给定为1420，从图中能够能够发觉转速给定为1420，转速在0.5s时达成稳定状态，转速维持在1420，从中能够得出转速跟随给定改变。
以下是给定1350在1.4S时给60阶跃转速、控制角、负载转矩。

图5-10 系统转速仿真图
从图5-11能够发觉转速在0.45s时达成稳定，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阶跃，能够发觉转速跟随给定改变。

图5-11 系统控制角仿真图
从图5-12能够直观看到控制角在伴随给定改变而改变，从而实现调速。

图5-12 系统转矩仿真图
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。伴随转速上升，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，增大电压提升转速，负载转矩随之增大，在1.6秒内保持稳定。

结 论

经过为期两周课程设计，我在这两周里受益匪浅，完成了全部设计要求内容，并在此基础上对所学习对应课程又进行了回顾复习。对于整个系统，我首先在设计中确定了三相异步电动机调速方法。其次，确定调速系统采取双闭环控制，整个系统能够实现电流、转速两个负反馈调整，使系统性能大大提升。在设计过程中，对于系统主电路进行了设计，在控制电路中，完成了对电流调整器，转速调整器设计。然后使用计算机仿真软件MATLAB对系统进行仿真，为实际操作提供一定理论依据，最终试验室亲手操作更是大大提升了我动手能力，真正做到了理论联络实际，并得到了需要试验结果，最终完成了此次设计。

致 谢

在这次课程设计撰写过程中，我得到了很多人帮助。
首先我要感谢我老师在课程设计上给我指导、提供给我支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计关键原因，更关键是老师帮我处理了很多技术上难题，让我能把系统做得愈加完善。在此期间，我不仅学到了很多新知识，而且也开阔了视野，提升了自己设计能力。在此次课程设计过程当中，能够将学到知识应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提升了独立思索能力。
感谢全部任课老师和全部同学给自己指导和帮助，是她们教会了我专业知识，教会了我怎样学习，教会了我怎样做人。正是因为她们，我才能在各方面取得优异成绩，在此向她们表示我由衷谢意。
最终，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议柏逢明老师表示感谢。

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