双闭环三相异步电动机调压调速系统课程设计

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第1章 绪论

现在社会工业化越来越体现着它的强大。工业化运行的前提是能源的有力支撑。调压调速是一种非常简单实用的调速方法。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的讨论和仿真，并探讨最经济实用的调压电路。找出最合理的调速方法，实现电机平稳运行，平滑调速，既能延长电机寿命，又可以有效节约能源。在现实社会具有相当高的研究价值。交流电动机的发明是由美国发明家特斯拉完成的，最早的交流电动机根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的直流电动机用途更广泛，它的发明让电动机真正进入了家庭电器领域。交流电动机问世之后，同步电动机、串激电动机、交流换向器电动机等也逐步被人们发明出来，并投入实际的生产，为人们的生活提供更多便利。电动机的发明和应用对人类来说具有极大的意义，可以说它为人类生活带来了翻天覆地的变化。

交流电动机，特别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，因此在工农业生产中得到了极广泛的应用。其突出的优点是：电机制造成本低，结构简单，维护容易，可以实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，并能获得和直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能。因此，人们对交流电机的研究也越来越深入。但是交流电机是一个复杂的、多变量、强耦合的非线性系统，在设计交流调速系统时完全用解析法是相当复杂的也是行不通的。构造实验系统进行分析研究是通常采用的办法，但由实验来分析研究，耗时长、投资大，且不便于分析系统的各种性能。因此，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的好办法，计算机仿真作为研究交流电机的一种重要手段，也越来越受到重视。

MATLAB 是目前最流行的科学计算语言之一。它是以复数矩阵作为基本编程单元的高级程序设计语言，提供了矩阵的运算与操作，拥有强大的绘图功能。同时还是高度集成的软件系统，解决工程计算、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、语言处理的方面都有涉及。MATLAB软件是一个非常优秀的软件，具有强大的仿真能力。仿真结果直观。

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第2章 双闭环三相异步电动机调压调速系统的工作原理

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的一种，由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。本设计采用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，系统控制原理图如下：

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所给出的电压，经运算放大器N组成的速度调节器送入移相触发电路。同时，N还可以得到来自测速发电机的速度负反馈信号或来自电动机端电压的电压反馈信号，以构成闭环系统，提高调速系统的性能。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 2.3 移相触发电路

双向晶闸管有4种触发方式。本系统采用负脉冲触发，即不论电源电压在正半周期还是负半周期，触发电路都输出负得触发脉冲。负脉冲触发所需要的门极电压和电流较小，故容易保证足够大的触发功率，且触发电路简单。TS是同步变压器，为保证触发电路在电源正负半波时都能可靠触发，又有足够的移相范围，TS采用DY11型接法。

移相触发电路采用锯齿波同步方式，可产生双脉冲并有强触发脉冲电源（+40V）经X31送到脉冲变压器的一次侧。

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第3章 主电路设计

3.1 调压电路的设计

改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的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与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。

Ua TUb TUc T2 TR N R T6

R

图3-1 调压电路原理图

3.2 开环调压调速设计

开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图如下：

图3-2 开环调压系统原理图

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。

3.3 闭环调压调速设计

速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理：将速度给定值与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，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的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。因此，改变了速度给定值就改变了电动机的转速。由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小。由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使调压器的输出电压提高，导致电动机的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值。

给定?Un+调节器UnUct-晶闸管U1调压装置异步电动机n转速反馈装置图5-9 调压调速系统静态结构框图图3-3 系统调速结构图

图3-4 闭环调速系统原理图

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第4章 控制回路设计

4.1电流调节器的设计

1.电流调节器的设计原理

电流环的控制对象又电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置，触发器，电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。电流环可以校正成典型Ⅰ型系统，也可以校正成典型Ⅱ型系统，校正成哪种系统，取决于具体系统要求。

由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而，在突加给定时不希望有超调，或者超调越小越好。从这个观点来说，应该把电流环校正成典型Ⅰ型系统。但是，典型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及时的调节功能，因此，为了提高其抗扰性能，又希望把电流环校正成典型Ⅱ型系统。

2.电流环的结构的简化

电流环的结构如图4-1所示。把电流环单独拿出来设计时，首先遇到的问题是反电势产生的反馈作用。在实际系统中，由于电磁时间常数T1远小于机电时间常数 Tm，电流调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比电势E的变化快得多，反电势对电流环来说，只是一个变化缓慢的扰动，在电流调节器的快速调节过程中，可以认为E基本不变，即△E=0。这样，在设计电流环时，可以不考虑反电势变化的影响，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环节等效的置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。最后，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，可以当作小惯性环节处理。经过上述简化和近似处理后，电流环的结构图最终可简化为图4-2所示：

图4-1 电流环的结构图

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图4-2 电流环的结构简化图

3.电流调节器的结构选择

由于电流环中的控制对象传递函数 Wi（s）含有两个惯性环节，因此按典型Ⅰ系统设计的话，应该选PI 调节器进行串联校正，其传递函数为

WACR(s)?Ki(?is?1)

?is为了对消控制对象的大时间常数，取?i?Tl 。此时，电流环的结构图就成为典型Ⅰ型系统的形式，如图4-3所示。

图4-3 电流环的结构图

如果要求跟随性好，超调量小，可按工程最佳参数KIgT?i=0.5或?=0.707选择调节器的参数。电流环开环放大系数Ki为Ki=

KiKs?i

?iR0.5?iR令KIT?i=0.5,所以有：Ki=

Ks?iT?i且截止频率Wn为： Wn=KI=

0.5 T?i 第7页 共20页

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率Wn与T?i的关系满足小惯性环节的近似条件Wn?1。 T?i1如果按典型Ⅱ型系统设计电流环， 则需要将控制对象中的大惯性环节近似

TLs?1为积分环节

1，当TL>hT?i时 ，而电流调节器仍可用 PI 调节规律。但积分时间常TLs数?i应选得小一些，即?i= hT?i。

按最小峰值Mpmin选择电流环时，如选用工程最佳参数 h=5，则电流环开环放大系数 KI为： KI=

KiKs?ih?1=2

?iRTL2hT?i(h?1)RTL0.6RTLh?10.6于是可得 KI==并且Wn==

2hT?iT?i2hks?T?iKs?T?i显然，按工程最佳参数h=5确定的Wn和T?i的关系，也可以满足小惯性环节的近似的条件。

4.2 转速调节器的设计

1．电流环的等效传递函数

电流环是转速环的内环，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理，使电流成为一个简单的环节，以便按典型系统设计转速环。

如果电流环是按工程最佳参数设计的典型Ⅰ型系统，则其闭环传递函数为：

KIId(s)?1s(T?is?1) WBi（s）===T sK2Ui(s)?iIs??11?KIs(T?is?1)KI110.5由于： KI=, 所以有WBi（s）= ?

T?i2T2?is2?2T?is?12T?is?1在双闭环调速系统设计中，转速外环的截止频率Wcn总是低于电流环的截止频Wn，

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 即Wcn<< Wn.因此，设计转速环时可以把电流环看成是外环中的一个小时常数环节，并加以简化处理，即略去WBi(s)中分母的高次项，得简化后的传递函数为：

1 WBi（s）?

2T?is2?1近似条件为: Wcn<<0.5T?i。

电流环的这种近似处理产生的效果可以用对数幅频特性来表示。电流环未作处理时阻尼比?=0.707 ，自然振荡频率为12T?i的二阶振荡环节，当转速环截止频率较Wcn低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有些区别。由于电流环在转速环内，其输入信号Ui。

Id(s)WBi(s)1?因此，与电流环的近似的小环节应为==，式中时间常数

Ui(s)?2T?is?12T?i的大小随调节器参数选择方法不同而异。

2．转速调节器结构的选择

为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图 2-7可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要 II 型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型 II 型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型 II 系统进行设计。

要把转速环校正成典型 II 型系统，转速调节器 ASR也应该采用 PI 调节器，其传递函数为 WASR=Kn?ns?1 ?ns式中Kn——转速调节器的比例系数；

?n——转速调节器的超前时间常数

这样，调速系统的开环传递函数为： Wn（S）=

Kn?nR(?is?1)?n?ice?Tms2(T?is?1)s2(T?is?1)=

KN(?ns?1)

Kn?nR其中，转速开环增益为 KN=

?n?nce?Tm不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构于下图（4-4）所示。

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图4-4 校正后的调速系统动态结构

图4-5 调速系统动态结构

3．转速调节器的参数选择

按跟随性能和抗扰性能最好的原则，取h=5进行计算。 小惯性环节近似处理条件: Wcn?

11

32T?iTon

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第5章 双闭环三相异步电动机调压调速系统的仿真

5.1 调压电路设计

1.调压电器的仿真模型

图5-1 调压电路的搭建

图5-2 调压电路模型

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 2.参数的设定

Frequency of synchronization voltages(hz)：同步电压频率（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负载的参数设定：电阻100Ω，电感0H，电容的值为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.电阻负载的仿真图形

图5-3三相交流调压器的输出电压波形

在电阻负载时三相交流调压器的输出电压仿真结果如图5-3所示。其中左图为α=45°时调压器输出的波形，右图所示为α=60°时调压器输出的波形。通过比较a)和b)可以发现，随着触发角的增加，同时有三个晶闸管导通的区间逐步减小，到α>=60°时，任何晶闸管都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 同步转速为1800转/分钟 可以计算k=0.000003665

UA：峰值180v,f为60Hz,初相位为0°

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 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°时得到的转速

图3-5 α=60°时 电机转速变化的过程

由图中可以观察到当触发角为60°时，转速稳定在1712转/分钟，转速在0.9s时达到稳定状态。

（2）触发角α为75°时得到的转速

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图5-6 α=75°时 电机转速变化的过程

由图中可以观察到当触发角为75°时，转速稳定在1660转/分钟，转速在1.6s时达到稳定状态。

通过比较图5-5和图5-6的触发角α为60°和80°时可以发现：随着α的增大，使得输出电压降低，使转速下降，从而达到调速的目的。

（3）改变电源电压，电源电压为150v, 触发角α为60°时得到的转速。

图5-7 电源电压为150v α=60°时 电机转速变化的过程

由图中可以观察到当触发角为60°时，转速稳定在1660转/分钟，转速在1s时达到稳定状态。

通过比较图5-6和图5-7可以发现，在相同的触发角不同的电源电压下，电源电压的降低会使转速下降。同时也可以得到通过改变电源电压的大小来实现调速的可行性。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 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的仿真模型如下所示，将速度给定值（1200）与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，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的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上电压的大小。

PI设置：比例环4， 环0.1，输出限幅[60，-60]，控制角调节范围0~120。

图 3-9 系统闭环转速特性仿真图

图5-10是电压为180v，转速给定为1420，从图中可以可以发现转速给定为1420，

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 转速在0.5s时达到稳定状态，转速维持在1420，从中可以得出转速跟随给定变化。

以下是给定1350在1.4S时给60阶跃的转速、控制角、负载转矩。

图5-10 系统转速仿真图

从图5-11可以发现转速在0.45s时达到稳定，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的阶跃，可以发现转速跟随给定变化。

图5-11 系统控制角仿真图

从图5-12可以直观的看到控制角在随着给定的变化而变化，从而实现调速。

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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。随着转速的上升，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，增大电压提高转速，负载转矩随之增大，在1.6秒内保持稳定。

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结 论

经过为期两周的课程设计，我在这两周里受益匪浅，完成了全部的设计要求内容，并在此基础上对所学习的相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的调速方式。其次，确定调速系统采用双闭环控制，整个系统可以实现电流、转速两个负反馈调节，使系统的性能大大提高。在设计过程中，对于系统的主电路进行了设计，在控制电路中，完成了对电流调节器，转速调节器的设计。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的理论依据，最后的实验室亲手操作更是大大提高了我的动手能力，真正做到了理论联系实际，并得到了需要的实验结果，最终完成了本次设计。

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致 谢

在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。在本次课程设计过程当中，能够将学到的知识应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

感谢所有任课老师和所有同学给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得优异的成绩，在此向他们表示我由衷的谢意。

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议的柏逢明老师表示感谢。

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参考文献

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