三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)速設(shè)計(jì)

1、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué)院：信息工程學(xué)院 姓名： 班級(jí)：11自動(dòng)化 學(xué)號(hào)： 題目：三相異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間：2014年6月20日 目 錄摘 要I1概述11.1三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法21.2調(diào)壓調(diào)速的簡(jiǎn)介31.3課程設(shè)計(jì)的要求52三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成53三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)83.1三相異步電動(dòng)機(jī)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(jì)算104三相異步電動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，早期多用于不可拖動(dòng)。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(dòng)機(jī)在可拖動(dòng)中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速有不少方法。研究電機(jī)調(diào)速，找出符合實(shí)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(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)是一種比較簡(jiǎn)單實(shí)用的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的運(yùn)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(jì)介紹了異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)(M)、測(cè)速發(fā)電機(jī)(TG)、晶閘管交流調(diào)壓器(TVC)的簡(jiǎn)單的工作原理。在了解異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的基本原理

3、的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了異步電動(dòng)機(jī)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(diǎn)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(jī)調(diào)速開(kāi)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(gè)問(wèn)題,使調(diào)速性能得到改善。最后，經(jīng)過(guò)理論分析建立模型后，基于Matlab語(yǔ)言開(kāi)發(fā)仿真軟件，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)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(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1概述直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)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(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī)，而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上

4、的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī)，這種分工在一段時(shí)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(wèn)世，并已獲得實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無(wú)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(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動(dòng)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(gè)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(guò)去大量的所謂“不變速交流拖動(dòng)”中

5、，風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康囊话胍陨希渲杏胁簧賵?chǎng)合并不是不需要調(diào)速，只是因?yàn)檫^(guò)去的交流拖動(dòng)本身不能調(diào)速，不得不依賴(lài)擋板和閥門(mén)來(lái)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(fèi)了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門(mén)上的能量節(jié)省下來(lái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、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(jī)械過(guò)去多用直流拖動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)，顯然能夠帶來(lái)不少的效益。但是，由于交流電機(jī)原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣

6、通過(guò)電樞電流施行靈活的實(shí)時(shí)控制。(3) 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機(jī)的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過(guò)106 /，超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。交流電機(jī)沒(méi)有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)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(diǎn)： l 容量大； l 轉(zhuǎn)速高且耐高壓； l 交流電動(dòng)機(jī)的體積、重量、價(jià)格比同等容量的直流電動(dòng)機(jī)小，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 經(jīng)濟(jì)可靠、慣性小； l 交流電動(dòng)機(jī)環(huán)境使用性強(qiáng)，堅(jiān)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(dòng)系統(tǒng)已達(dá)同直流拖動(dòng)系統(tǒng)一樣的性

7、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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，使得對(duì)交流調(diào)速的性能分析和研究變的更為方便。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真可以較容易地實(shí)現(xiàn)。如：matlab軟件已經(jīng)能夠在計(jì)算機(jī)中全過(guò)程地仿真交流調(diào)速系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程。matlab語(yǔ)言非常適合于交流調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的仿真及研究，能夠?yàn)槟承﹩?wèn)題的解決帶來(lái)極大的方便并能顯著提高工作效率。隨著新型計(jì)算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)必將在成本控制、工作效率、

8、實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面得到長(zhǎng)足進(jìn)步。 交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到今天，相對(duì)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(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)又提了新的要求，現(xiàn)代交流電機(jī)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(dòng)機(jī)的調(diào)速方法異步電機(jī)的調(diào)速方法有不少，根據(jù)異步電機(jī)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(duì)數(shù)。可知；異步電動(dòng)機(jī)有以下三種基本調(diào)速方法：(1) 改變定子極對(duì)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(jiǎn)介由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，在

9、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(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，由于電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)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(dòng)機(jī)，如專(zhuān)供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場(chǎng)合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)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管調(diào)

10、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(duì)晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)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(dòng)機(jī)調(diào)速方法中，變壓調(diào)速是異步電機(jī)調(diào)速方法中比較簡(jiǎn)便的一種。由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，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(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式 (1-3)其中 電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù),、電動(dòng)機(jī)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)子每

11、相漏感可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，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(jī)械特性，如圖2-2所示。在帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，可以得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖中的A，B，C點(diǎn)，其調(diào)速范圍較小，而帶風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載時(shí)，可得到較大的調(diào)速范圍，如圖1-1中的D，E，F(xiàn)點(diǎn)。 圖1-1 異步電動(dòng)機(jī)在不同定子電壓時(shí)的機(jī)械特性所謂調(diào)壓調(diào)速，就是通過(guò)改變定子外加電壓來(lái)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的13。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速范圍，使電機(jī)在較低速下穩(wěn)定運(yùn)行又不致過(guò)熱，可采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高電阻值時(shí)的機(jī)械特性。在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的交流力矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)械

12、特性。圖1-2顯示此類(lèi)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)14。圖1-2交流力矩電機(jī)在不同定子電壓時(shí)的機(jī)械特性1.3課程設(shè)計(jì)的要求(1) 設(shè)計(jì)目的1. 通過(guò)對(duì)一個(gè)實(shí)用的三相異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，安裝，調(diào)試來(lái)綜合運(yùn)用科學(xué)理論知識(shí)，提高學(xué)生工程意識(shí)和實(shí)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(guò)系統(tǒng)建模和仿真，掌握用MATLAB/Simulink工具分析設(shè)計(jì)三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)性能。(2) 設(shè)計(jì)內(nèi)容1.理論設(shè)計(jì)：根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能，了解帶轉(zhuǎn)速外閉環(huán)的基礎(chǔ)

13、原理，解決積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問(wèn)題，采用工程設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)三相異步電動(dòng)機(jī)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(shí)踐：根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，利用MATLAB/Simulink建立各個(gè)組成部分相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，并對(duì)系統(tǒng)仿真進(jìn)行綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并進(jìn)行校正，得出正確的仿真實(shí)驗(yàn)波形和合適控制器參數(shù)，為搭建實(shí)際系統(tǒng)提供參考。3.動(dòng)手實(shí)踐：根據(jù)所設(shè)計(jì)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(yàn)臺(tái)的某些掛件），得出實(shí)物實(shí)際波形和系統(tǒng)動(dòng)，靜態(tài)性能。2三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速是一種典型的轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)

14、速系統(tǒng)。圖2-1為交流電機(jī)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)變壓調(diào)速的電路。圖2-1 交流電機(jī)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(jiǎn)便的調(diào)速方法。常見(jiàn)的異步電動(dòng)機(jī)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(cè)速發(fā)電機(jī)(TG)、三相異步電動(dòng)機(jī)(M)。這里主要介紹三相異步電動(dòng)機(jī)(M)的結(jié)構(gòu)，和測(cè)速發(fā)電機(jī)(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(dòng)機(jī)(M)三相異步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī),是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電動(dòng)機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī)按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為兩種形式

15、:有鼠籠式、繞線式異步電動(dòng)機(jī)。 作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的異步電機(jī)。因其轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱(chēng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)是各類(lèi)電動(dòng)機(jī)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(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)速的大小由電動(dòng)機(jī)極數(shù)和電源頻率而定。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。它與電網(wǎng)的頻率及電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P的關(guān)系為： (2-1)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中相對(duì)定子有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁場(chǎng)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子銅條有電流，在磁場(chǎng)中受到力的作用，轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。綜上所述可知，三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本工作原理。(1) 三相對(duì)稱(chēng)繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。(2) 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流。(3) 轉(zhuǎn)

16、子載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)距，驅(qū)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向始終與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向一致，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向又取決于異步電動(dòng)機(jī)的三相電流相序。因此，三相異步電動(dòng)機(jī)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(duì)調(diào)電動(dòng)機(jī)的兩根電源線，便可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。如果，轉(zhuǎn)子繞組與定子磁場(chǎng)之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則轉(zhuǎn)子繞組中無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流產(chǎn)生，可見(jiàn)是異步電動(dòng)機(jī)工作的必要條件。2.2交流測(cè)速發(fā)電機(jī)(TG)主要由內(nèi)定子、外定子及在它們之間的氣隙中轉(zhuǎn)動(dòng)的杯形轉(zhuǎn)子所組成。勵(lì)磁

17、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(shí)，勵(lì)磁后由杯形轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線垂直，輸出繞組不感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由杯形轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線重合，在輸出繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小正比于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而頻率和勵(lì)磁電壓頻率相同，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓相位也相反。杯形轉(zhuǎn)子是傳遞信號(hào)的關(guān)鍵，其質(zhì)量好壞對(duì)性能起很大作用。由于它的技術(shù)性能比其他類(lèi)型交流測(cè)速發(fā)電機(jī)優(yōu)越，結(jié)構(gòu)不很復(fù)雜，同時(shí)噪聲低，無(wú)干擾且體積小，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。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(guò)交流調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)的。目前廣泛

18、采用的交流調(diào)壓器由晶閘管等器件組成。它是將三個(gè)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(guò)調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角的大小來(lái)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(jī)繞組星型聯(lián)接時(shí)的三相分支雙向控制電路用三對(duì)晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)雙向晶閘管分別串接在每相的繞組上。調(diào)壓時(shí)用相位控制。當(dāng)負(fù)載電流流通時(shí)，至少有一相的正向晶閘管和另一相的反向晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，所以要求各晶閘管的觸發(fā)脈沖寬度都大于60?；蛘卟捎秒p脈沖觸發(fā)。最大移相范圍為150.移相調(diào)壓時(shí)，輸出電壓中含有奇次諧波，其中以奇次諧波為主。如果電機(jī)繞組不帶零線，則三次諧波電勢(shì)雖然存在，卻不

19、會(huì)有三次諧波電流。由于電機(jī)繞組屬于感性負(fù)載，電流波形會(huì)比電壓波形平滑些。但仍含有諧波，從而產(chǎn)生脈動(dòng)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(diǎn)。3三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1三相異步電動(dòng)機(jī)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(cè)速發(fā)電機(jī)TG測(cè)得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即測(cè)速發(fā)電機(jī)的un,當(dāng)nu,將u與給定電壓比較得到一個(gè)電壓變化值，將這個(gè)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(hào)，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(guò)調(diào)節(jié)通

20、入異步電動(dòng)機(jī)的三相交流電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法。理論依據(jù)來(lái)自異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)定子相電壓和供電角頻率,P 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)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(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成 (3-3)同步機(jī)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，由

21、觸發(fā)裝置輸出來(lái)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于采用了速度負(fù)反饋從而實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。同時(shí)當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)速度負(fù)反饋，能自動(dòng)調(diào)整加在電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)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(dòng)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)可假定為線性

22、函數(shù)，在動(dòng)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(xiě)成 (3-6)其近似條件是 (3-7)考慮到反饋濾波作用，測(cè)速反饋環(huán)節(jié)ASR的傳遞函數(shù)可寫(xiě)成 (3-8)交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個(gè)傳遞函數(shù)來(lái)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(diǎn)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(shí)，可以近似認(rèn)為且后者相當(dāng)于忽略交流電機(jī)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(jī)近似的線性機(jī)械特性。設(shè)A為近似線性機(jī)械特性上的一個(gè)

23、穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，則在A點(diǎn)上 (3-11)A點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)，Te= TeA+Te，Us = UsA +Us，而s = sA + s，代入式(3-11)得 (3-12)將式（3-12）展開(kāi)，并忽略?xún)蓚€(gè)和兩個(gè)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(diǎn)附近微偏量Te與Us和w間的關(guān)系。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)A附近的偏微量運(yùn)動(dòng)方程式 (3-

24、18)4 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1MATLAB仿真的介紹MATLAB是由美國(guó)發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)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(jì)語(yǔ)言的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB產(chǎn)品族可以用來(lái)進(jìn)行以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿

25、真 特點(diǎn)；1) 高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)； 2) 具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)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(yǔ)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(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實(shí)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(duì)稱(chēng)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(dòng)機(jī)、電機(jī)信號(hào)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(dòng)機(jī)、電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器的建模和參數(shù)設(shè)置問(wèn)題16。4.2.1 三相交流電源的建模和

26、參數(shù)設(shè)置首先從圖3-1中的電源模塊組中選取一個(gè)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(gè)電壓源模塊，并把模塊名稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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(duì)反并聯(lián)的晶閘管元件組成，單個(gè)晶閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網(wǎng)自然換流。圖

27、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?yàn)閂1V2V3V4V5V6，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(gè)整體來(lái)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)器符號(hào)

28、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(dòng)，以得到最穩(wěn)定的輸出特性以及動(dòng)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(gè)較大和較小的值進(jìn)行仿真，弄清它們對(duì)系統(tǒng)性能影響的趨勢(shì)，據(jù)此逐步將參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此仿真中，經(jīng)過(guò)不斷地變化改動(dòng)，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(shí)間常數(shù) (Integral)為0.1；(3) 微分時(shí)間常數(shù)(Derivative)為0(PI控制)。4.3 異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖4

29、-5三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速整體仿真模型圖異步電動(dòng)機(jī)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(lái)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(jī)的轉(zhuǎn)速。由于采用了速度負(fù)反饋從而實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。同時(shí)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)速度負(fù)反饋，能制動(dòng)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(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，從而使速度回升，接近給定值。這種調(diào)速方法既

30、不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也不是恒功率調(diào)速。如果拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，而轉(zhuǎn)速又較低時(shí)，損耗將增加，不宜于長(zhǎng)期低速運(yùn)行。如果拖動(dòng)風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載，隨著轉(zhuǎn)速的降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電動(dòng)機(jī)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(jī)類(lèi)負(fù)載相配合。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速通常適用于繞線型異步電動(dòng)機(jī)。4.4仿真實(shí)現(xiàn)已知電機(jī)的參數(shù)；電機(jī)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(duì)數(shù)P=2轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)參數(shù)額電壓460v 頻率為60

31、Hz 極對(duì)數(shù)為2對(duì)容量為3730VA 同步轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分鐘可以計(jì)算k=0.最終，將參數(shù)一一設(shè)定好并將各模塊調(diào)節(jié)好后，運(yùn)行仿真模型，并根據(jù)所出圖形對(duì)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(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-7 三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)矩輸出圖4-8三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速電磁轉(zhuǎn)矩輸出同時(shí)，為了驗(yàn)證模型調(diào)壓調(diào)速模型的通用性以及通過(guò)調(diào)節(jié)相電壓測(cè)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(shí)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(shí)三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-10相電壓為480V時(shí)三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-11相電壓為460V時(shí)三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-12相電壓為410V時(shí)三相異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)速輸出圖4-13相電壓為380V時(shí)三相異步電機(jī)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(dòng)階段大約時(shí)間為0.18s，系統(tǒng)反應(yīng)速度比較快，上升時(shí)間比較短。（2） 利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)