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异步电机调压调速系统设计与仿真

学号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）题目

异步电动机调压调速系统的设计及仿真

课程设计（论文）任务

课题完成的功能：

分别完成异步电动机的开环、单闭环和双闭环调压调速系统的设计；在此基础上，开发开环调压调速系统的仿真软件，并进行仿真实验。

设计任务及要求：

1、设计开环、单闭环和双闭环调压调速系统的结构原理图；

2、设计开环、单闭环和双闭环调压调速系统的控制方案，并在实验室中分别实现开环、单闭环和双闭环调压调速系统；

3、以开环调压调速系统为例，开发仿真软件，仿真实验的结果与理论分析和实物实验相一致；

技术参数：

1、电动机的额定功率0.12Kw，额定电压220V，额定电流0.6A，额定转速1380pm。

2、速度控制系统的精度在±1%以内。

进度计划

1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计系统的结构原理图（2天）；

3、实现各种调速系统（3天）；4、仿真软件开发（1天）；5、撰写课设论文（1.5天）；

6、设计结果考核（0.5天）；

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

摘要

简单介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，分析了异步电机调速的原理，在了解异步电动机调压调速的基本原理的基础上，依次设计了异步电动机开环、单闭环、双闭环调压调速系统的结构原理图、控制方案，并且在实验室实现了异步电动机调压调速系统。

以开环调压调速系统为例，基于Matlab语言开发仿真软件，并进行仿真实验，记录仿真数据。

关键词：

异步电动机 调压调速 Matlab仿真

第1章绪论  1

第2章异步电动机调压调速系统  2

2.1三相异步电动机的结构与基本原理  2

2.1.1三相异步电动机定子  2

2.1.2三相异步电动机转子  2

2.1.3三相异步电动机气隙  3

2.1.4三相异步电动机的基本工作原理  3

2.2转差率  4

2.3异步电动机运行的三种状态  4

第3章异步电动机调压调速系统的设计  6

3.1开环调压调速  6

3.2单闭环调压调速系统  9

3.3双闭环调压调速系统  13

第4章开环调压调速系统仿真  15

4.1交流仿真调压程序  15

4.2各部分参数设置  16

第5章课程设计总结  22

参考文献  23

第1章绪论

目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,而交流变频调速装置的生产大幅度上升。

近几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。

交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低。

20世纪80年代以前,在变速传动领域中,直流调速一直占据主导地位。

长期以来,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。

直流电动机在额定转速以下运行时,保持励磁电流恒定,可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。

采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度.电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。

因此,调速技术一直是研究的热点。

直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。

研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。

不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。

在异步电动机调速方法中，变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。

目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压器（TVC）等几种。

晶闸管调压方式为最佳。

目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。

调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

全新的数控技术已经使调速技术更加完善，更加以人为本，随着现代新技术的发展，电气传动控制技术的发展极为迅速，控制手段不断更新，控制方式日趋优化，其控制技术和装置已成为现代生活的组成部分。

使控制技术更加先进合理，在不断的发展过程中，技术的进步将对人类的发展带来更大的飞跃。

第2章异步电动机调压调速系统

三相异步电动机的结构与基本原理

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。

三相异步电动机定子

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。

三相异步电动机转子

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。

三相异步电动机气隙

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。

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。

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）

异步电动机运行的三种状态

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

第3章异步电动机调压调速系统的设计

异步电动机调压调速系统分为开环、单闭环、双闭环调压调速系统。

开环调压调速

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3.1开环调压调速系统结构图

图3.2开环调压调速系统

GT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。

根据图3.1所示的原理图，可以画出静态结构图，如图3.3所示。

图中，

Ks=Us/Uc 为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；

=Un/n  为转速反馈系数；

n=f（Us,Te） 是所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。

稳态时， Un*=Un=n Te=TL

根据负载需要的n和TL可由计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以

及相应的Uc。

图3.3异步电机开环变压调速系统的静态结构图

下面对系统进行动态分析，由图3.3的静态结构图可以得到动态结构图，如图3.4所示。

图3.4异步电动机开环变压调速系统的动态结构框图

装置的输入--输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。

传递函数可写成

   （3-1）

其近似条件是

               （3-2）

对于三相全波Y联结调压电路，可取Ts=3.3ms

对其他型式的调压电路则须另行考虑。

单闭环调压调速系统

图3.5单闭环调压调速结构原理图

图3.6单闭环调压调速系统

调压电路以晶闸管为开关信号，采用晶闸管交流调压器（TVC）,图3.7为TVC硬件电路

图3.7晶闸管交流调压器硬件电路

图3.8交流电机稳态等效电路

其中，

、

——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；

、

——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；

——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；

、

——定子相电压和供电角频率；

s——转差率。

可以推导出

           （3-3）

式中，

在一般情况下，

>>

，则C1≈1,这相当于将上述假定条件的第③条改为忽略铁损和励磁电流。

这样，电流公式可简化成

（3-4）

令电磁功率       

            （3-5）

同步机械角转速      

             （3-6）

式中

——极对数，则交流电机的电磁转矩为

（3-7）   

上式就是交流电机的机械特性方程式。

它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。

这样，不同电压下的机械特性便如图3.9所示，图中，

表示额定定子电压。

图3.9交流电机不同电压下的机械特性

图3.10系统静态结构原理图

对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。

由静态结构图可以得到动态结构图，如图3.11所示。

MA——交流电机

FBS——测速反馈环节

图3.11忽略电磁惯性时交流电机微偏线性化的近似动态结构图

交流电机转速单闭环调压调速系统启动

视起动时所带负载的大小，起动电流可在（0.5-4）

之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。

负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。

软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。

图2.11为交流电机的启动过程与电流冲击比较。

双闭环调压调速系统

图3.12双闭环结构原理图

图3.13双闭环调压调速系统

图3.14双闭环调速动态图

第4章开环调压调速系统仿真

交流仿真调压程序

在MATLAB模块库中找到相应的模块进行电气连线得到单相交流调压器仿真程序，如图4.1所示：

图4.1

各部分参数设置

1．交流峰值电压为200V、初相位为0、频率为60Hz、其他参数为默认值，如图4.2所示。

图4.2

2．晶闸管参数设置：

Ron=0.04Ω，Lon=0H，Vf=0V，Rs=10Ω，Cs=4e-6F，如图4.3所示。

图4.3

3．负载RLC分支，电阻性负载时，R=20Ω，L=0.00001H（由调试结果可知：

电感值可以接近于0，但不能等于0），C=inf（无穷大），如图4.4所示。

图4.4

4．脉冲发生器：

PulseGenerator1和PulseGenerator2模块中的脉冲周期为0.04s，脉冲宽度设置为脉宽的30％，脉冲高度为1，脉冲移相角通过“相位角延迟”对话框设置，如图4.5和图4.6所示。

5．

图4.5

图4.6

仿真算法选择为ode15s算法，仿真时间设置为0~0.05s，运行仿真程序。

当移相控制角等于100°时，负载上的电流、电压波形以及触发脉冲波形，如图4.7和图4.8所示

图4.7150°时输出电流波形

图4.7250°时输出电压波形

图4.8180°时输出电流波形

图4.8280°时输出电压波形

图4.91130°时输出电流波形

图4.92130°时输出电压波形

第5章课程设计总结

在将近二周的课程设计，在不断的学习中，让我对交流调速、电机拖动有了更深刻的理解，特别是双闭环交流调速系统的设计，掌握并学习了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，分析了异步电机调速的原理，在了解异步电动机调压调速的基本原理的基础上，依次设计了异步电动机开环、单闭环、双闭环调压调速系统，我不仅分析了系统的设计，而且查阅了大量资料，学到了书本上学不到的知识，让我动手动脑的深刻理解自己的专业知识，也特别感谢老师的指导与帮助。

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