异步电机调压调速控制系统的设计及仿真之欧阳学创编.docx

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异步电机调压调速控制系统的设计及仿真之欧阳学创编

摘要

时间：

2021.03.03

创作：

欧阳学

我国工业不断发展。

机械化对调速系统的性能和精度要求越来越高。

实现电机调速有不少方法。

研究电机调速，找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源，所以研究调压调速就显得很有必要。

异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。

   本设计分析了异步电机调速的原理，介绍了MATLAB的相关知识，并通过MATLAB软件分别对异步电机开环控制系统与速度反馈闭环控制系统进行了仿真。

电机调速开环控制系统调速范围较小，采用速度作为负反馈的闭环控制系统解决了这个问题。

使调速性能得到改善。

本设计对这两种系统分别进行可分析。

关键词：

异步电机；调压调速；控制；仿真

Abctract

ThecontinuousdevelopmentofChina'sindustry.Mechanizationofthespeedcontrolsystemperformanceandincreasingaccuracy.Therearemanywaystoachievemotorspeed.Ofmotorspeed,tofindrealisticmaximumspeedmethodcansaveenergy,soofpressureandspeedadjustmentbecomesnecessary.VoltageInductionMotorSpeedControlSystemisasimpleandpracticalspeedcontrolsystem,whichhasagoodrun,controlandeconomicperformance,showinggreatpotentialfordevelopment.

Thedesignandanalysisoftheprincipleofinductionmotorspeed,introducedtheMATLAB-relatedknowledge,respectively,throughtheMATLABsoftware,open-loopinductionmotorspeedcontrolsystemwithclosedloopfeedbackcontrolsystemissimulated.

Open-loopmotorspeedcontrolsystemforsmallspeedrange,usingspeedasanegativefeedbackloopcontrolsystemtosolvethisproblem.Toimprovespeedperformance.Thedesignofthesetwosystemscanbeanalyzedseparately.Keywords:

inductionmotor;pressureandspeedadjustment;control;simulation.

摘要I

AbctractII

目录III

前言1

1MATLAB简介3

1.1MATLAB的特点3

1.2Simulink简介6

2三相异步电动机7

2.1三相异步电动机的结构与基本工作原理7

2.1.1定子部分7

2.1.2转子部分7

2.1.3气隙7

2.1.4三相异步电动机的基本工作原理8

2.2转差率8

2.3异步电机的三种运行状态9

3设计方案选择及分析10

3.1三相异步电动机的调速方法10

3.2调压调速10

3.3调压调速特性及其调速性能11

3.3.1开环调压调速特性13

3.3.2闭环调压调速特性14

4基于MATLAB软件的仿真16

4.1异步电机开环调压调速系统的仿真16

4.2异步电机速度负反馈闭环调压调速系统仿真21

结束语24

致谢25

参考文献26

前言

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。

1MATLAB简介

1.1MATLAB的特点

MATLAB直观、简单的电气系统SimPowerSystems（实体图形化仿真模型）

在MATLAB的Simulink里，提供了一个实体图形化仿真模型，与数学模型相对应。

有文献把“SimPowerSystems”译成电力系统，笔者认为这有与强电领域的电力系统相混淆之弊，故在此译成电气系统。

实体图形化模型库中的模块就是实际工程里实物的图形符号，例如，代表电阻、电容、电感、电机、触发器与晶闸管整流装置、电压表等事物的特有图形符号，将这些实际物体的图形符号连接就能成为一个电路、一个装置或是一个系统，它不是真是的物体，而是实际物体的图形化模型。

这种实体图形化模型的仿真（有文献称为按系统原理图进行的仿真）更具有使用价值与低成本等特点。

编程效率高

MATLAB语言提供了丰富的库函数（称为M文件），既有成用的基本库函数，又有种类齐全、功能丰富多样的专用工具箱Toolbox函数。

函数即使预先编制好的子程序。

在编制程序时，这些库函数都可以被直接调用。

这无疑会大大提高编程效率。

MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比Basic、Fortran和C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。

因此，Matlab语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。

界面友好，用户使用方便

首先，Matlab具有友好的用户界面与易学易用的帮助系统。

用户在命令窗口里通过help命令可以查询某个函数的功能及用法，命令的格式极为简单（格式为help+命令或函数），这样，对初学者也不会望而生畏。

其次，Matlab语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前），它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。

人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：

编辑、编译、连接以及执行和调试。

各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。

Matlab语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连接和执行融为一体。

它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。

再者，Matlab运行时，如直接在命令行输入Mailab语句（命令），包括调用M文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成绩译、连接和运行的全过程。

又如，将Matlab源程序编辑为M文件，由于Mat1ab磁盘文件也是M文件，所以编辑后的源文件就可直接运行，而不需进行编译和连接。

在运行M文件时，如果有错，计算机屏幕上会给出详细的出锗信息，用户经修改后再执行，直到正确为止。

所以可以说，Mat1ab语言不仅是一种语言，广义上讲是一种该语言开发系统，即语言调试系统。

扩充能力强

Matlab系统不仅为用户提供了可直接调用的丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且用户还可以根据需要，自行建立或扩充完成指定功能的M文件。

所以用户文件也可作为Matlab的库函数来调用。

因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。

另外，为了充分利用Fortran、C等语言的资源，包括用户已编好的Fortran，C语言程序，通过建立Me调文件的形式，混合编程，方便地调用有关的Fortran，C语言的子程序。

语句简单，内涵丰富

Mat1ab语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为「a，6，c……]=fun（d，e，f，……），即一个函数由函数名，输入变量d，e，f,……和输出变量a，b，c……组成，同一函数名F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义（有点像面向对象中的多态性。

这不仅使Matlab的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。

高效方便的矩阵和数组运算

Matlab语言象Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加“·”就可用于数组间的运算，另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。

在此基础上，高版本的Matlab已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。

因此，不久的将来，它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的”科学算法语言。

方便的绘图功能

Matlab提供了许多“高级”图形函数，可绘制出多只多彩的图形。

例如，绘制二维、三维曲线并对平面或空间多边形填充；绘制三维曲线面并对其进行复杂操作。

Matlab还开发了一些面向图形对象的“低级”图形函数，可以访问硬件系统建立各种“低级”图形对象，它们以图形句柄为界面。

用户使用图形句柄可以操作图形的局部元素。

Matlab有一系列绘图函数命令，适用于不同的坐标体系，例如，线性坐标、对数坐标、半对数坐标、极坐标及三维坐标，只需要调用不同的绘图函数命令，即可在图上标出图形的标题，X轴、Y轴的坐标，格（栅）绘制也只需调用相应的命令，简单易行。

另外，在调用绘图函数时，调整自变量可绘出不同的线形：

点线、实线、复线、或多重线；调整绘图函数的另一些自变量可绘出不同颜色的各种线条。

这就使得在Matlab环境下绘制的图形尤其清晰、精美、绚丽多彩。

利用Matlab提供的这些图形技术可以创造出无与伦比的彩色世界。

总之，Matlab语言的设计思想可以说代表了当前计算机高级语言的发展方向。

MATLAB的“活”笔记本功能

MATLAB的Notebook成功地把Microsiftword与MATLAB集成为一个集体，为文字处理、科学计算、工程设计构造了一个完美的统一的工作环境。

Notebook是一个能够解决各种计算问题的文字处理软件。

只要在命令窗口中执行Notebook或者在Word环境中建立M-book模板，就可以进入一个新环境：

在编辑科技文稿的同时可进行科学演算（数值的或者符号的）,还可以作图。

这些演算的结果可以即时显示于操作命令之后。

在这个环境中输入的一切命令能够随时被激活、修改、重新运算并更新原有结果。

故Notebook称为MATLAB的“活”笔记本。

这对于撰写科技论文的工程技术人员，对于编写理工学科教材的教师，对于演算理工学科习题的大学生，MATLAB的Notebook确实是一个极为理想的工具

1.2Simulink简介

Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持离散、连续及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。

在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直接的画出系统模型，然后直接进行仿真。

Simulink包含有Sinks（输出方式）、Source（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connectins（连接与接口）等子模型库，而且每个子模型库中包含相应的功能模块，用户也可以定制和创建自己的模块。

模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多基本工具箱及MATLAB的应用工具箱。

由于MATLAB和Simulink是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析、和修改。

Simulink非常实用，应用领域很广，可使用的领域很广，包括航空航天、电子、力学、数学、通信、影视和控制等。

2三相异步电动机

2.1三相异步电动机的结构与基本工作原理

三相异步电动机的结构主要由定子和转子两大部分组成。

转子装在定子腔内，定子、转子之间有一缝隙，称为气隙。

2.1.1定子部分

定子部分主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。

定子铁心是电机磁路的一部分，为减少铁心损耗，一般由0.5mm厚的导磁性较好的硅钢片叠成，安放在机座内。

定子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽，故又称为冲片。

中、小型电机的定子铁心和转子铁心都采用整圆冲片。

大、中型电机常采用扇形冲片拼成一个圆。

为了冷却铁心，在大容量电机中，定子铁心分为很多段，每两段之间留有径向通风槽，作为冷却空气的通道。

定子绕组是电机的电路部分，它嵌放在定子铁心的内圆槽内。

定子绕组分单层和双层两种。

一般小型异步电动机采用单层绕组，大、中型异步电动机采用双层绕组。

机座的作用是固定和支撑定子铁心及端盖，因此，机座应有较好的机械强度和刚度。

中、小型电动机一般用铸铁机座，大型电动机的机座则用铁板焊接而成。

2.1.2转子部分

转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。

整个转子靠端盖和轴承支撑着。

转子的主要作用是产生感应电流，形成电磁转距，以实现机电能量的转换。

转子铁心是电机磁路的一部分，一般也用0.5mm厚的硅钢片叠成，转子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽。

转子铁心固定在转轴或转子支架上。

2.1.3气隙

异步电机的气隙是均匀的。

气隙大小对异步电动机的运行性能和参数影响很大，由于励磁电流由电网供给，气隙越大，励磁电流也就越大，而励磁电流又属于无功性质，它要影响电网的功率因数，因此异步电动机气隙大小往往为机械条件所能允许的最小数值，中、小型电机气隙太小，一般为0.2~1.5mm左右。

2.1.4三相异步电动机的基本工作原理

三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场。

转速的大小由电动机极数和电源频率而定。

旋转磁场的转速n1称为同步转速。

它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为：

n1=60f1∕p（2-1）

转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁场形成感应电动势。

转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用，转子就会旋转起来。

综上所述可知，三相异步电动机转动的基本工作原理。

（1）三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。

（2）转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流。

（3）转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。

 异步电机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序。

因此，三相异步电动机的转向与电流的相序一致。

要改变转向，只要改变电流的相序即可，即任意对调电动机的两根电源线，便可以实现电动机的反转。

异步电动机的转速恒小于旋转磁场的转速n1，只有这样，转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。

如果n=n1，转子绕组与定子磁场之间无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见n

由于电动机转速n与旋转磁场转速n1不同步，故称为异步电动机。

2.2转差率

同步转速n1与转子转速n之差（n1-n）和同步转速n1的比值称为转差率，用字母s表示，即

S=（n1-n）/n1（2-2）

转差率s是异步电动机的一个基本物理量，它反映异步电动机的各种运行情况。

对异步电动机而言，当转子尚未转动（如起动瞬间）时，n=0,此时转差率s=1;当转子转速接近同步转速（空载运行）时，n≈n1,此时转差率s≈0。

由此可见，作为异步电动，转速在0～n1范围内变化，其转差率在0～1范围内变化。

异步电动机负载越大，转速就越慢，其转差率就越大；负载越小，转速就越快，其转差率就越小。

故转差率直接反映了转子转速的快慢或电动机负载的大小。

异步电动机的转速可以由（2-1）推算。

n=（1-s）n1（2-3）

2.3异步电机的三种运行状态

根据转差率的大小和正负，异步电机有三种运行状态。

（1）电动机运行状态

当定子绕组接至电源，转子就会在电磁转矩的驱动下旋转，电磁转矩即为驱动转矩，其转向与旋转方向相同，此时电机从电网电功率转变成机械功率，由转轴传输给负载。

电动机的转速范围为n1＞n＞0,其转差率范围为0＜s≤1。

（2）发电机运行状态

异步电机定子绕组仍接至电源，该电机转轴不再接机械负载，而用同一台原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速（n>n1）并顺旋转磁场的方向旋转。

显然，此时电磁转矩方向与转子方向相反，起着制动作用，为制动转矩。

为克服电磁转矩的制动作用而使转子继续旋转，并保持n>n1,电机必须不断从原动机吸收机械功率，把机械功率转变为输出的电功率。

因此成为发电机运行状态。

此时，n>n1,则转差率s<0。

（3）电磁制动运行状态

异步电机定子绕组仍接至电源，如果用外力拖着电机逆着旋转磁场的旋转方向转动。

此时电磁转矩与电机旋转方向相反，起制动作用。

电机定子仍从电网吸收电功率，同时转子从外力吸收机械功率，这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗。

这种运行状态称为电磁制动状态。

此种情况下，n为负值，即n<0,则转差率s>1。

由此可知，区分这三种运行状态的依据是转差率s的大小。

①当0

3设计方案选择及分析

3.1三相异步电动机的调速方法

异步电机的调速方法有不少，根据异步电机的转速公式

n=n1（1-s）=60f1/p（1-s）（3-1）

可知：

异步电动机有以下三种基本调速方法：

（1）改变定子极对数p调速。

（2）改变电源频率f1调速。

（3）改变转差率s调速。

3.2调压调速

调压调速是变转差率调速的一种。

调压调压是异步电动机调速中比较简便的一种方法。

由电机原理可知当转差率s基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。

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。

晶闸管三相交流调压电路的连结方式很多，各有其特点。

这里采用三相全波星型联接的调压电路。

如图3.1所示。

图3.1三相交流调压电路

电机绕组星型联接时的三相分支双向控制电路用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在每相的绕组上。

调压时用相位控制。

当负载电流流通时，至少有一相的正向晶闸管和另一相的反向晶闸管同时导通，所以要求各晶闸管的触发脉冲宽度都大于60°。

或者采用双脉冲触发。

最大移相范围为150°.移相调压时，输出电压中含有奇次谐波，其中以奇次谐波为主。

如果电机绕组不带零线，则三次谐波电势虽然存在，却不会有三次谐波电流。

由于电机绕组属于感性负载，电流波形会比电压波形平滑些。

但仍含有谐波，从而产生脉动转矩和附加损耗等不良影响，这是晶闸管调压电路的缺点。

3.3调压调速特性及其调速性能

调压调速的机械特性如图3.2所示。

由图可以看出，随着定子电压的降低，机械特性变软，而且最大转矩也减小很多，这样就降低了电机的过载能力。

若负载稍有波动，电机就可能停转。

因此对于恒转矩负载，其调速范围很小。

若用于通风机类负载，可以得到较大的调速范围。

图3.2电机调压调速机械特性

但在低速时磁通量较小，会使转子电流较大，电机发热问题就会变得严重。

为了克服上述调压调速中存在的问题，通常采用以下方法。

（1）采用转子电阻较大的高转差率笼型电动机、实心转子电动机或双层转子电动机，以获得较宽的调速范围。

（2）对于笼型的电动机可采用速度负反馈闭环调压调速系统。

如图3.3所示。

这时的机械特性硬度较大，可以得到平滑调速和较大调速范围。

ASR-速度调节器；TG-测速发电机；AT-触发装置

图3.3速度负反馈闭环调压调速系统

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。

这种调速方法既不是恒转矩调速，也不是恒功率调速。

如果拖动恒转矩负载，而转速又较低时，损耗将增加，不宜于长期低速运行。

如果拖动风机类负载，随着转速的降低负载转矩减小，电动机输出转矩也相应减小，从而减小了损耗，所以这种调速方法更适合于与风机类负载相配合。

异步电动机调压调速通常适用于绕线型异步电动机。

3.3.1开环调压调速特性

定子电压U1变化时：

临界转差率不变，同步转速n1不变，由于转矩T正比于定子电压U1的平方，所以U1↓→n↓→s↑,机械特性如图3.4所示。

可见转子电阻为正常值。

图3.4电机开环调压调速机械特性

如一般的鼠笼型异步电动机，对恒转矩负载，调速范围很小，实用价值不高。

对风机类负载，调速范围较大，但存在低速时功率因数低，电流大的问题。

所以降压调速只适用于高转差率鼠笼电机或是绕线式异