三相交流調壓調速系統(tǒng)設計與仿真.doc

武漢理工大學華夏學院課程設計報告課程名稱 運動控制系統(tǒng) 題 目三相交流調壓調速系統(tǒng)設計與仿真專 業(yè) 自動化 班 級 1122 學 號 姓 名 成 績 _年_ 月_日目錄課 程 設 計 任 務 書3運動控制系統(tǒng)課程設計指導書6摘要9題目4: 三相交流調壓調速系統(tǒng)設計與仿真91概述101.1電機發(fā)展概述101.2 交流調速系統(tǒng)的應用領域主要有三個方面：101.3交流調速系統(tǒng)的分類112、異步電動機的機械特性112.1、異步電機固有機械特性112.2、異步電機調壓調速的機械特性123、調壓調速系統(tǒng)133.1調壓電路133.2速度閉環(huán)控制的調壓調速系統(tǒng)133.3 缺相保護154、Matlab仿真164.1調壓電路仿真模型164.2參數(shù)設置164.3仿真總電路圖174.4 仿真結果174.5結果分析185、小結19參考文獻19武漢理工大學華夏學院信息工程系課 程 設 計 任 務 書課程名稱： 運動控制系統(tǒng) 指導教師： 李文彥 班級名稱： 自動化1122 開課系、教研室： 自動控制 一、課程的性質、目的與任務課程設計是學習專業(yè)技術課所必需教學實踐環(huán)節(jié)。通過課程設計的教學實踐，使學生所學的基礎理論和專業(yè)知識得到鞏固，并使學生得到運用所學理論知識解決實際問題的初步訓練。通過課程設計使學生利用所學理論知識和設計方法完成某種運動控制系統(tǒng)設計。通過課程設計使學生掌握系統(tǒng)設計的步驟和一般方法，學會電路的設計，電器元件參數(shù)的計算、選型以及系統(tǒng)特性分析和評價標準。掌握從收集資料、方案比較論證到電路設計、計算的整個設計過程，獲得初步的實踐鍛煉，進一步提高學生的分析、綜合能力。二、課程設計內容及基本要求 指導教師負責學生的分組與課題選題，下達課程設計任務書，指導、督促、檢查學生課程設計的進行情況，并結合答辯情況負責課程設計完成后學生的成績考核。1 完成交直流調速系統(tǒng)電路（主電路、控制電路、保護電路等）的設計2 完成電路主要元件參數(shù)的計算及電氣元件的選擇3 進行系統(tǒng)特性分析和評價4 繪制電路圖，編制程序5 完成課程設計說明書三、課程設計選題課程設計題目一般由指導教師提供，也可以經(jīng)老師審查后自主選題；課程設計分組進行，每組完成的內容不能雷同。設計參考題目如下：1.雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計2.直流雙極式可逆PWM調速系統(tǒng)設計3.直流雙閉環(huán)有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)設計4.三相交流調壓調速系統(tǒng)設計5.異步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)設計與仿真 6. 配合控制直流雙閉環(huán)自然環(huán)流系統(tǒng)設計7.雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)設計8.直流單極式PWM調速系統(tǒng)設計四、課程設計步驟與方法1.根據(jù)課程設計任務書，在查閱文獻的基礎上，完成方案的分析和比較。2.在確定方案后，根據(jù)設計要求及指標，完成主電路，控制電路和保護電路的設計。（1）主電路：要確定電路形式，電力電子元件選擇，保證可靠合理。（2）控制電路：選擇驅動單元（模塊），滿足控制特性。（3）保護電路：選擇合理的保護單元，確定系統(tǒng)運行安全。3.進行主要元器件的參數(shù)計算，在計算基礎上完成元器件的選擇。4.根據(jù)設計結果，對系統(tǒng)特性分析，并作客觀評價。5.繪制電路圖或編制仿真程序。6.編制課程設計說明書。五、學時分配進度要求序號設計內容所用時間（天）1設計方案的分析、比較、查閱相關文獻資料22主電路、控制電路、保護電路的設計43電路主要元器件的參數(shù)計算和電氣元器件的選擇24系統(tǒng)特性分析和評價15繪制電路圖或編制程序36編制課程設計說明書2合 計14六、其它教學環(huán)節(jié)及考核方式1.設計說明書要求課程設計說明書應內容充實，層次清楚，文理通順，字數(shù)不少于6000字。撰寫總體方案設計說明書。對方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理；撰寫單元電路設計說明書。畫出單元電路圖，說明工作原理，給出元件計算書，列出元件清單。2.圖紙要求 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號應符合國家標準，可采用計算機輔助設計。3.評分標準評 定 項 目評分成績1態(tài)度認真，組織紀律性好（20分）2設計方案合理，論證充分,有創(chuàng)新（20分）3獨立完成任務，設計正確，無原理性錯誤（20分）4設計說明書文理通順，工整（10分5設計資料齊全，格式規(guī)范（10分）6答辯（20分）總分備注：成績等級：優(yōu)（90分100分）、良（80分89分）、中（70分79分）、及格（60分69分）、60分以下為不及格。運動控制系統(tǒng)課程設計指導書課程名稱：運動控制系統(tǒng)/ Motion Control System課程類別：專業(yè)課學時/學分：10/2開課單位：信息工程系電子工程教研室開課對象：測控專業(yè)選定教材：電力拖動自動控制系統(tǒng)（第3版） 陳伯時 機械工業(yè)出版社 2007.3參 考 書：運動控制系統(tǒng)，爾桂花，清華大學出版社，2002.10一、目的和要求1 課程設計是學習專業(yè)技術課所必需教學實踐環(huán)節(jié)。通過課程設計的教學實踐，使學生所學的基礎理論和專業(yè)知識得到鞏固，并使學生得到運用所學理論知識解決實際問題的初步訓練。2 通過課程設計，使學生利用所學理論知識和設計方法完成某種運動控制系統(tǒng)設計。3 通過課程設計使學生掌握系統(tǒng)設計的步驟和一般方法，學會電路的設計，電器元件參數(shù)的計算、選型以及系統(tǒng)特性分析和評價標準。4 掌握從收集資料、方案比較論證到電路設計、計算的整個設計過程，獲得初步的實踐鍛煉，進一步提高學生的分析、綜合能力。二、課程設計內容 指導教師負責學生的分組與課題選題，下達課程設計任務書，指導、督促、檢查學生課程設計的進行情況，并結合答辯情況負責課程設計完成后學生的成績考核。6 完成交直流調速系統(tǒng)電路（主電路、控制電路、保護電路等）的設計7 完成電路主要元件參數(shù)的計算及電氣元件的選擇8 進行系統(tǒng)特性分析和評價9 繪制電路圖，編制程序10 完成課程設計說明書三、課程設計進度要求序號設計內容所用時間（天）1設計方案的分析、比較、查閱相關文獻資料22主電路、控制電路、保護電路的設計43電路主要元器件的參數(shù)計算和電氣元器件的選擇24系統(tǒng)特性分析和評價15繪制電路圖或編制程序36編制課程設計說明書2合 計14四、課程設計步驟與方法1 根據(jù)課程設計任務書，在查閱文獻的基礎上，完成方案的分析和比較。2 在確定方案后，根據(jù)設計要求及指標，完成主電路，控制電路和保護電路的設計。（1）主電路：要確定電路形式，電力電子元件選擇，保證可靠合理。（2）控制電路：選擇驅動單元（模塊），滿足控制特性。（3）保護電路：選擇合理的保護單元，確定系統(tǒng)運行安全。3 進行主要元器件的參數(shù)計算，在計算基礎上完成元器件的選擇。4 根據(jù)設計結果，對系統(tǒng)特性分析，并作客觀評價。5 繪制電路圖或編制仿真程序。6 編制課程設計說明書。五、課程設計說明書與圖紙要求1撰寫總體方案設計說明書。對方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。2. 撰寫單元電路設計說明書。畫出單元電路圖，說明工作原理，給出元件計算書，列出元件清單。3. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準4.課程設計說明書應內容充實，層次清楚，文理通順，字數(shù)不少于6000字。5.設計圖紙應齊全，應按GB4728要求繪制，可采用計算機輔助設計。6.設計不得抄襲或與他人類同，不得在網(wǎng)上下載整段內容作設計內容。六、課程設計評分標準評 定 項 目評分成績1態(tài)度認真，組織紀律性好（20分）2設計方案合理，論證充分,有創(chuàng)新（20分）3獨立完成任務，設計正確，無原理性錯誤（20分）4設計說明書文理通順，工整（10分5設計資料齊全，格式規(guī)范（10分）6答辯（20分）總分備注：成績等級：優(yōu)（90分100分）、良（80分89分）、中（70分79分）、及格（60分69分）、60分以下為不及格。運動控制系統(tǒng)課設指導及答辯時間安排自動化1122（指導老師：李文彥） 周次星期一星期二（星期三星期四星期五第10周時間第1-2節(jié)（3個班全體設計前指導）5-6節(jié)地點4-4124-412第11周時間第1-2節(jié)第5-6，7-8節(jié),地點4-4124-412（答辯）執(zhí)筆：李向明 審核： 審定： 日期：2015.11摘要本課程設計介紹了異步電動機調壓調速系統(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）、晶閘管交流調壓器（TVC）的簡單的工作原理。在了解異步電動機調壓調速的基本原理的基礎上，設計了異步電動機單閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)的結構原理圖。還將調壓調速與其他的調速方法相比，所具有的優(yōu)點以及不足之處。以轉速單閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)為例，基于Matlab語言開發(fā)仿真軟件，并進行仿真實驗。關鍵詞:調壓調速；MATLAB；三相異步電動機題目4: 三相交流調壓調速系統(tǒng)設計與仿真初始條件：1.三相異步電機參數(shù)： PN5.5KW，f50Hz，UAB380V ，nN1470r/min，定子電流IS18A，電流過載倍數(shù)1.52.交流電源：三相380V，頻率50Hz3.性能指標：調速范圍5：1，轉速穩(wěn)態(tài)精度在10以內，電網(wǎng)電壓波動10時，輸出電壓波動不大于5。要求完成的主要任務: 1. 主電路設計（可使用雙向晶閘管調壓電路）2. 控制電路設計（電壓或轉速閉環(huán)，觸發(fā)電路）3. 保護電路設計（如缺相保護）4. 其它電路設計（如電源、變壓器等）課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。滿足如下要求：1對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。2. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。3. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。1概述1.1電機發(fā)展概述直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先后誕生。在20世紀上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調速性能，高性能可調速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總容量80%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已成為一種舉世公認的格局。交流調速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統(tǒng)相匹敵。直到20世紀60-70年代，隨著電力電子技術的發(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)，高性能交流調速系統(tǒng)便應運而生，一直被認為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調速性能分工的格局終于被打破了。1.2 交流調速系統(tǒng)的應用領域主要有三個方面：1.2.1 一般性能的節(jié)能調速在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中，風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總容量的一半以上，其中有不少場合并不是不需要調速，只是因為過去的交流拖動本身不能調速，不得不依賴擋板和閥門來調節(jié)送風和供水的流量，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。1.2.2 高性能的交流調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)許多在工藝上需要調速的生產機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、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，其電磁轉矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。1.2.3 特大容量、極高轉速的交流調速直流電機的換向能力限制了它的容量轉速積不超過106kwr/min，超過這一數(shù)值時，其設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備，以及極高轉速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調速為宜。1.3交流調速系統(tǒng)的分類1.3.1 轉差功率消耗型這種類型的全部轉差功率都轉換成熱能消耗在轉子回路中。在三類異步電動機調速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低的（恒轉矩負載時）?？墒沁@類系統(tǒng)結構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。1.3.2 轉差功率饋送型在這類系統(tǒng)中，一部分轉差功率被消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或轉化成機械能予以利用，轉速越低，能回收的功率越多，這類系統(tǒng)的效率是比較高的，但要增加一些設備。1.3.3 轉差功率不變型在轉差功率中，轉子銅損是不可避免的，在這類系統(tǒng)中，無論轉速高低，轉差功率的轉子銅損部分基本不變，因此效率也較高。其中變極對數(shù)調速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調速應用最廣，可以構成高動態(tài)性能的交流調速系統(tǒng)，取代直流調速。2、異步電動機的機械特性2.1、異步電機固有機械特性根據(jù)電機學原理，在下述三個假定條件下：忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損。交流電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖2.5。圖2.1 異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機的機械特性方程式：其中，p為電機的極對數(shù)；w1為定子電源角速度； U1為定子電源相電壓； R2為折算到定子側的每相轉子電阻； R1為每相定子電阻； L11為每相定子漏感； L12為折算到定子側的每相轉子漏感； S為轉差率。當s很小時，忽略分母中含s各項，則當s較大時，忽略分母中s的一次項和零次項，則所以，當s很小時，機械特性近似為一條直線；當s較大時，機械特性時一段雙曲線，如圖2.2所示。圖2.2異步電機固有機械特性2.2、異步電機調壓調速的機械特性電動機的電磁轉矩與定子電壓的平方成正比。因此，改變定子電壓就可以得到不同的人為機械特性，如圖2.3所示，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。圖2.3異步電機調壓調速的機械特性帶恒轉矩負載TL時，降壓調速的穩(wěn)定工作范圍為0s，調速范圍有限，如圖2.3中得A,B,C點為恒轉矩負載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。如果帶風機泵類負載運行，調速范圍可稍大一些，如圖2.3中的D,E,F點為風機類負載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。3、調壓調速系統(tǒng)3.1調壓電路要改變交流電流一般使用晶閘管交流調壓器。晶閘管交流調壓器用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串聯(lián)接在三相電路中，用相位控制改變輸出電壓。我選擇使用三對晶閘管反并聯(lián)，電路如圖3.1所示。圖3.1晶閘管交流調壓器3.2速度閉環(huán)控制的調壓調速系統(tǒng)如果要求帶恒轉矩負載的調壓系統(tǒng)具有較大的調速范圍，往往需采用帶轉速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.2所示。圖3.2速度負反饋閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)圖3.3 ASR（PI調節(jié)器）速度負反饋閉環(huán)調壓調速系統(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)、平滑的無級調速。同時當負載發(fā)生變化時，通過速度負反饋，能自動調整加在電動機定子繞組上的電壓大小。由速度調節(jié)器輸出的控制電壓使晶閘管觸發(fā)脈沖前移，使調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。當系統(tǒng)帶負載在A點運行時，如果負載增大引起轉速下降，反饋控制作用會自動提高定子電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)工作在新的A工作點。同理，當負載降低時，反饋控制作用會降低定子電壓，使系統(tǒng)工作在A，如圖3.3所示。圖3.3轉速閉環(huán)控制的交流一調壓調速形同靜特性3.3 缺相保護三相電動機在運轉過程中，如果電路中任一相出現(xiàn)斷電，都將造成其它兩相電流急劇增大，如果三相電動機沒有及時停止運轉，在缺相的情況下繼續(xù)運轉，三相電動機繞組溫度會在很短的時間內急劇升高，直至相間擊穿，燒壞電動機。三相電動機斷相保護就是使接觸器C在三相電動機出現(xiàn)斷相時能及時斷電釋放，迅速切斷三相電動機電源，避免燒壞三相電動機。三相電動機斷相保護原理如下圖2：在交流接觸器觸點C1，下側A相和B相之間、B相和C相之間分別串接中間繼電器1C和2C，把中間繼電器1C和2C的常開觸點1C1和2C1串接到控制回路交流接觸器C的自?；芈分?，如圖3.4所示。圖3.4三相電動機斷相保護三相電動機斷相保護過程如下：閉合隔離開關GK，控制變壓器B工作，按下啟動按鈕QA，交流接觸器的線圈C得電吸合，接觸器觸點C1，接通主回路，電動機有電運轉，同時接觸器觸點C2接通，中間繼電器1C和2C得電吸合，觸點1C1和2C1接通，交流接觸器C自保，維持三相電動機正常運轉。三相電動機停止工作時，按下停止按鈕TA交流接觸器C失電釋放，交流接觸器觸點C1斷開，三相電動機斷電，停止工作。交流接觸器觸點C1斷開，中間繼電器1C和2C失電釋放，觸點1C1和2C1斷開。三相電動機工作中，如出現(xiàn)A或C相斷相，則中間繼電器1C或2C失電釋放，如B相斷相則中間繼電器1C和2C同時失電釋放，觸點1C1，2C1斷開交流接觸器C的自?；芈罚涣鹘佑|器C斷電釋放，三相電動機斷電停止工作。因此，無論三相電源中任何一相斷電，三相電動機都能立即斷開電源停止工作，從而達到三相電動機的斷相保護作用。4、Matlab仿真4.1調壓電路仿真模型4.1.1三對晶閘管反并聯(lián)交流調壓器圖4.1晶閘管反并聯(lián)交流調壓器及其封裝4.1.2調壓電路圖4.2三相調壓電路4.2參數(shù)設置4.2.1 異步電動機參數(shù)PN5.5KW，f50Hz，UAB380V ，nN1470r/min，定子電流IS18A，電流過載倍數(shù)1.54.2.2 交流電源三相380V，頻率50Hz4.2.3性能指標調速范圍5：1，轉速穩(wěn)態(tài)精度在10以內，電網(wǎng)電壓波動10時，輸出電壓波動不大于5。4.3仿真總電路圖圖4.5 仿真總圖4.4 仿真結果4.4.1電壓給定為12負載20時，經(jīng)過0.6s達到最大轉速1280轉/分鐘，經(jīng)過4.7s轉速達到穩(wěn)定轉速1200轉/分鐘，轉速波動為仿真如圖4.6所示。圖4.6電壓給定為12，負載20，電機變化過程4.4.2 電壓給定為16負載20時，經(jīng)過0.5s，速度在1470轉/分鐘，附近波動，仿真如圖4.7所示。圖4.7電壓給定為16，負載20，電機變化過程4.4.3電壓給定為12，負載30時，經(jīng)過0.5s，速度在1470轉/分鐘，附近波動，仿真如圖4.8所示。圖4.8壓給定為12，負載30，電機變化過程4.5結果分析通過對比圖4.6和圖4.7時可以發(fā)現(xiàn)，在給定為12時，轉速波動為2/1200=0.16%；在給定為16時，轉速波動范圍為40/1480=2.7%，轉速調節(jié)達到設計要求，但是轉速調速范圍未能達到5：1。在負載不變的情況下，當在一定范圍內增大給定時，轉速會隨之上升；但當給定大過一定值后，給定繼續(xù)增加，轉速也不會再隨之增加，保持在額定轉速運行。通過對比圖4.6和圖4.8時可以發(fā)現(xiàn)，在電壓給定不變負載改變的情況下，隨負載增大，電機轉速上升時間增大，最終速度都穩(wěn)定在1200轉/分鐘。在給定不變負負載改變且載轉矩不超過啟動轉矩時，轉速動能達到穩(wěn)定。5、小結經(jīng)過這次課程設計，讓我鞏固了課上所學的內容，也加深了合作的意識，在一個人難完成時，合作是個很好的選擇，將任務細化，在分配后任務就不再多了，問題也能在各種嘗試中得到一定的解決，比如在電機參數(shù)的選擇上，我們查找了一個程序，可以通過輸入定轉子阻值和電抗，頻率一定，就可以畫出機械特性，通過不斷的調整參數(shù)，最后選出符合要求的參