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异步电动机调压调速系统的设计及仿真

辽宁工业大学

交流调速控制系统课程设计（论文）

题目：

异步电动机调压调速系统的设计及仿真

院（系）：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

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、在实验室分别实现开环、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

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，并着重讲述了三相异步电动机（M）、测速发电机（TG）、晶闸管交流调压器（TVC）以及软启动器的具体结构和简单的工作原理。

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，并且在实验室实现了异步电动机调压调速系统。

介绍了调压调速与其他的调速方法相比，所具有的优点以及不足之处。

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仿真语言

第1章绪论

在实际应用中，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。

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。

因此,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。

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,可靠性更高。

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。

以日本为例,1975年在调速领域,直流占80%,交流占20%;1985年交流占80%,直流占20%。

到目前为止,日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外,几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。

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。

由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，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改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。

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。

为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。

为了扩大稳定运行范围，当调速在2：

1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，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。

总之，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。

全新的数控技术已经使调速技术更加完善，更加以人为本，使控制技术更加先进合理，这种整体的组合将会带来很大的经济效益和社会效益。

第2章异步电动机调压调速系统

2.1概述

本次设计主要是综合应用所学知识，设计异步电动机调压调速系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。

能够较全面地巩固和应用“异步电动机交流调速”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握Matlab语言设计的基本方法。

应用场合:

应用异步电动机调压调速系统，一般工业场合以及特殊伺用机床。

系统功能介绍:

本系统以三相异步电动机的转速为被控对象，根据工业场合的具体需要，调节定子电压对电动机进行无级调速。

2.2异步电动机调压调速系统的组成

交流调压调速是一种比较简便的调速方法。

常见的异步电动机调压调速系统由以下六大基本部分组成：

转速调节器（ASR）、触发装置（GT）、晶闸管交流调压器（TVC）、测速发电机（TG）、软启动器以及三相异步电动机（M）。

这里主要介绍三相异步电动机（M）的结构，和测速发电机（TG）、晶闸管交流调压器（TVC）和软启动器四大部分的具体结构以及工作原理。

一、三相异步电动机

异步电动机（asynchronousmotor）又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。

异步电动机按照转子结构分为两种形式:

有鼠笼式、绕线式异步电动机。

作电动机运行的异步电机。

因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。

异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。

在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。

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。

异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。

以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。

和直流电机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子两大部分组成。

定子与转子之间有—个较小的气隙。

异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。

定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。

为了使异步电动机能产生较大的电磁转矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好的0.5mm厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成。

对于容量较大（10kW以上）的电动机，在硅钢片两面涂以绝缘漆，作为片间绝缘之用。

定子铁心上的槽形通常有三种‘半闭口槽，半开口槽及开口槽。

从提高电动机的效率和功率因数来看，半闭口槽最好。

定子绕组定子绕组是异步电机定子部分的电路，它也是由许多线圈按一定规律联接面成。

能分散嵌入半闭口槽的线圈由高强度漆包圆铜线或圆铝线绕成，放入半开口槽的成型线圈用高强度漆包扁沿线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。

开口槽也放入成型线圈，其绝缘通常采用云母带，线圈放入槽内必须与槽壁之间隔有“槽绝缘”，以免电机在运行时绕组对铁心出现击穿或短路故障。

一般根据定子绕组在槽内布置的情况，有单层绕组及双层绕组两种基本型式。

容量较大的异步电动机都采用双层绕组。

双层绕组在每槽内的导线分上下两层放置，上下层线圈边之间需要用层间绝缘隔开。

小容量异步电动机常采用单层绕组。

槽内定子绕组的导线用槽楔紧固。

槽楔常用的材料是竹、胶布板或环氧玻璃布板等非磁性材料。

机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。

中小型异步电动机一般都采用铸铁机坐，并根据不同的冷却方式而采用不同的机座型式。

例如小型封闭式电动机、电机中损耗变成的热量全都要通过机座散出。

为了加强散热能力，在机座的外表面有很多均匀分布的散热筋，以增大散热面积。

对于大中型异步电动机，一般采用钢板焊接的机座。

异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。

转子铁心也是电动机主磁通磁路的一部分，一般也由0.5毫米厚冲槽的硅钢片叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。

整个转子铁心的外表面成圆柱形。

转子绕组分为笼型和绕线型两种结构，下面分别说明这两种绕组结构型式的特点。

笼形绕组，由于异步电动机转子导体内的电流是由电磁感应作用而产生的，不需由外电源对转子绕组供电，因此绕组可自行闭合；绕组的相数亦不必限定为三相。

因此笼形绕组的各相均由单根导条组成，因为异步电动机正常运行时，旋转磁场与转子导条的相对转速不大，即转差率在5％之下，所以导条中的感应电动势不大，如导条与铁心之间不加绝缘，由导条与铁心之间的接触电阻来限制导条间的漏电流也是可以的，一般无须用绝缘材料把导条与铁心隔开，这样的绕组工艺极为简单。

笼型绕组就可以由插入每个转子中的导条和两端的环形端环组成。

如果去掉铁心，整个绕组的外形就象一个关松鼠的笼子，所以具有这种笼型绕组的转子，习惯上称为笼型转子。

为了节约用铜和提高生产率，小容量笼型异步电动机一般都采用铸铝转子。

这种转子的导条和端环一次铸出。

对容量大于100kW的电机，由于铸铝质量不易保证，常用铜条插入转子内，在两端焊上端环，构成笼形绕组。

笼型转子上既无集电环，又无绝缘，所以结构简单、制造方便、运行可靠。

绕线型绕组，它与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，并接到转轴上三个集电环，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。

这种转子的特点是，通过集电环和电刷可在转子回路中接入附加电阻或其它控制装置，以便改善电动机的起动性能或调速特性。

为了减小电刷的磨损与摩擦损耗，中等容量以上的异步电动机还装有一种提刷短路装置。

这种装置当电动机起动以后而又不需要调节速度时，移动其手柄，可使电刷提起，与集电环脱离接触，同时使三只集电环彼此短接起来。

异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型电机—般为0.2～2mm。

气隙的大小与异步电动机的性能关系极大。

气隙愈大，磁阻也愈大。

磁阻大时，产生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。

励磁电流是无功电流（与变压器中的情况一样），该电流增大会使电机的功率因数变坏。

然而，磁阻大可以减少气隙磁场中的谐波含量，从而可减少附加损耗，且改善起动性能。

气隙过小，会使装配困难和运转不安全。

如何决定气隙大小，应权衡利弊，全面考虑。

一般异步电动机的气隙以较小。

二、交流测速发电机（TG）

交流测速发电机有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机和同步测速发电机3种。

空心杯转子异步测速发电机：

主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。

励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90°电角度。

杯形转子是由非磁性材料制成。

当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。

反转时输出电压相位也相反。

杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。

由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。

笼式转子异步测速发电机：

与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。

同步测速发电机：

以永久磁铁作为转子的交流发电机。

由于输出电压和频率随转速同时变化，又不能判别旋转方向,使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测量用。

三、晶闸管交流调压器（TVC）

结构图如图2.1：

图2.1

晶闸管单相交流调压器，把三对反并联的晶闸管与负载相串联，然后接到交流电源上，通过控制晶闸管的导通角，调节负载上的电压和功率，这一装置称为晶闸管交流调压器。

晶闸管交流调压器在电炉的温度控制、舞台的灯光控制及中小功率异步电动机的转速调节中得到广泛应用。

交流调压器的输出仍是交流电压，因此它可以通过变压器再进行调压，但是它的输出电压波形与自耦式或感应式交流调压器不同，不再是正弦波形。

其中谐波分量较大，功率因数也较低（与导通角有关）。

交流调压器的晶闸管控制通常采用两种方式：

通断控制。

即把晶闸管作为开关将负载电路与电源接通几个周波，然后再断开一定周波数。

通过改变通断时间比达到调压的目的。

这里晶闸管起到一个通断频率可调的快速开关的作用。

相位控制。

将晶闸管作为这样一个开关，在电源电压每一周期中，在选定的时刻将负载电路与电源接通，改变选定的时刻即可达到调压的目的。

在交流调压器中，相位控制应用得较多，故下面主要介绍以相位控制的交流调压器。

通常在大功率或者为完成对某些负载控制方式时采用三相交流调压器。

三相交流调压器接线形式很多，这些电路各有特点，现分别叙述如下：

晶闸管三相全波星形或三角形调压电路如图2.2：

图2.2

 这是一种三相三线制的线路结构。

采用这种线路时，可任意选择所需要的负载形式，即可用三角形或者星形。

这种电路连接的优点之一，就是它的输出谐波分量低。

由于线电流对称，因而只有奇次谐波，其中3次谐波被抵消了。

所以这种电路对邻近通讯电路干扰小，从而减轻了滤波问题。

但是这种电路必须保证有两相晶闸管同时导通，负载上才有电流通过。

因此触发脉冲必须采用宽脉冲或双窄脉冲，移相范围为150°。

晶闸管三相星型三角形调压电路，如图2.3：

图2.3

此电路用三个晶闸管元件接成三角形方式，放在星形连接的中点，所以称为星点三角形调压电路，其原理图如图所示。

其中晶闸管的移相范围为210°，触发脉冲宽度大于30°，晶闸管触发次序为T1、T2、T3。

 此电路中只用了三个晶闸管元件，电路简单，但由于元件的单向导电性，又被接成三角形，故为不对称控制方式，正、负半波的波形不同（面积相同），所以输出负载上有偶次谐波。

四、软启动器

软起动器是继自耦减压起动器、星-角减压起动器等之后，采用电子半导体器件（晶闸管）和单片机控制的智能化程度较高的一种新型电机起动装置，而且工作性能优于上述减压起动器。

软起动器的一般电路构成如图2.4：

图2.4

软起动器的主电路，一般也由六只正反向并联的单向晶闸管组成，在三相调压电路上并联有旁路接触器的三组主触点。

旁路接触器一般均由用户外置，由控制线路控制其通断，部分中、小功率软起动器机型，也有装置内部自置旁路接触器的，外围控制线路也相对简化。

控制板是以单片机（或称CPU）为核心的由模拟及数字集成电路构成的控制电路，包括CPU的基本电路、同步信号电路、输入电压、输出电流检测电路、脉冲触发电路，控制端子（模拟、数字输入/输出控制信号）电路、和控制电源、操作显示面板电路等单元电路，往往排列于1~3块线路板上。

其中控制电源电路，同步信号采样电路和脉冲触发电路，输入电压、输出电流检测的前级电路会安排于同一块线路板上，这块线路板又称为触发板；而其它电路和输入电压、输出电流检测的后级电路则安排于另一块线路板上，这块线路板又称为CPU主板。

软起动器的主电路形式如图2.5：

图2.5

软起器的主电路，一般采用3只正反向并联的晶闸管模块，构成三相交流调压的电路形式，晶闸管主电路输出可控交流起动电压，起动过程结束后，交流接触器KM闭合，电动机进入运行阶段，同时晶闸管主电路停止输出。

在这里KM又称为旁路接触器。

由TA1、TA2、TA3检测运行电流信号，输入控制电路，用于运行电流显示、过载报警、停机保护等。

同时软起动器的停车方式，也有如下两种：

1）自由停车。

在这种停机模式下，软起动器接到停止命令后即断开旁路接触器并禁止晶闸管的调压输出，电机依负载惯性逐渐停车。

适用于对停车时间和停车距离无要求的负载设备。

2）软停车。

在这种停机模式下，电动机的供电由旁路接触器切换到晶闸管调压输出，输出电压由全压逐渐减小，使电机转速平稳降低，直至停止。

适用于对停车时间有要求和柔性停机要求的泵类负载等场合。

第3章异步电动机调压调速系统的设计与实现

异步电动机调压调速系统的工作原理

异步电动机调压调速工作原理：

当异步电动机电路参数不变时，在一定转速下，异步电动机的电磁转矩TM与定子电压U1的平方成正比。

因此，改变定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变异步电动机在一定输出转矩下的转速。

异步电动机的电磁转矩为：

它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与电压的平方成正比。

这样不同电压下的机械特性便如下图所示，图3.1中

表示额定电压。

图3.1异步电动机在不同电压下的机械特性

3.2异步电动机调压调速系统的结构原理图以及系统实现

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。

异步电动机开环、单闭环、双闭环调压调速系统结构原理图以及系统实现图，依次如下：

3

图3.2开环调压调速系统结构图

图3.3开环调压调速系统

3

—

图3.4单闭环调压调速系统结构图

图3.5单闭环调压调速系统

3

—

图3.6双闭环调压调速系统结构图

图3.7双闭环调压调速系统

第4章开环调压调速系统的仿真设计

4.1交流调压仿真程序

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仿真程序

4.2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。

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60°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4.7输出电流波形

图4.8输出电压波形

第5章课程设计总结

本文概述了异步电动机调压调速控制系统内容总结，以及相关学科的关系，包括各个方面的发展。

从中可以看出,现代的交流调压调速控制系统已经不同于原有的电气传动控制系统的概念,它是综合电力电子技术和微电子技术、电机原理和自动控制理论、计算机仿真的一门新兴学科,必须学习许多新的知识才能从事这一学科的研究与开发,以及产品的更新换代。

我国在运动控制系统的许多方面是落后的。

产品与研究开发能力落后于发达国家，包括电力电子器件和微电子器件，还有装置生产中工艺和基础设备。

作为一名大学生21世纪新型人才，我们必须努力学习先进科学知识，促进我国运动控制系统的发展

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