异步电机课程设计说明书模板.docx

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异步电机课程设计说明书模板

1.概述

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。

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。

转速闭环控制交流调速系统是性能很好、应用最广的交流调速系统。

根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。

基于设计题目，交流电动机调速控制器选用了转速闭环调速控制电路。

在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。

本文首先确定整个设计的方案和框图。

然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。

接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。

本文的重点设计交流电动机调速控制器电路，本文采用转速闭环交流调速系统为对象来设计交流电动机调速控制器。

为了实现转速负反馈起作用，可在系统中设置一个调节器，调节转速，即引入转速负反馈。

这就形成了转速闭环调速系统。

先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，最后画出了调速控制电路的电气原理图。

2.设计任务和要求

2.1任务和要求

2.1.1设计任务

1.总体方案的确定，画出系统组成结构图；

2.主电路的确定；

3.主电路功率管的参数计算与选择；

4.功率管的过电压、过电流保护电路的设计

5.功率管驱动电路设计；

6.控制电路所用电源的设计；

8.总体方案的确定，画出系统组成结构图；

9.异步电机数学模型设计；

10.异步电机仿真模型设计；

11.系统的MATLAB仿真

12.分析仿真结果

13.绘制系统的电气原理图

14.编写设计说明书

2.1.2设计要求

•静态指标：

–调速比D=nmax/nmin≥200；

–静差率s≤3%。

•动态指标

–起动超调量：

σn%≤10%,；

–扰动产生的动态偏差：

Δnmax/nmin≤10%；

–扰动产生的恢复时间：

tv≤0.3s；

2.2研究路线

1、系统主电路的参数计算

2、根据系统方块图进行动态计算

3、调节器的设计参数计算

（1）根据以上推导的异步电动机传递函数，首先计算它的参数

（2）求晶闸管交流调压器的时间常数

（3）求速度反馈系数

（4）求速度反馈滤波常数

3.1转速调节器的参数计算

（1）确定时间常数

（2）选择调节器参数

（3）校验近似条件

（4）计算调节器电阻和电容

4、基于MATLAB仿真

3.系统结构设计

3.1方案确定

对于开环调速系统，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，开环系统可以实现一定范围的无级调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。

例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，所以为了保证工件的加工精度和加工后表面光洁度，加工过程的速度就必须保持基本稳定，也就是说静差率不能太大，这就需要采用闭环控制。

闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；闭环系统的静差率要比开环系统小得多；如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。

系统控制原理图如下：

图3.1.1闭环调速结构图

图3.1.2闭环调速系统原理图

3.2硬件设计

控制系统由速度变换器、触发器等组成。

系统的主电路由三相晶闸管交流调压电路、电机组成。

3.2.1主电路设计

图3.2.1调压电路原理图

3.2.2选择ASR结构

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。

故ASR选用PI调节器。

加转速微分负反馈，加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。

在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图所示。

和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号

图3.2.2带转速微分负反馈的转速调节器

3.2.3晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。

触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕us。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

在本设计中最主要的是第1、2条。

理想的触发脉冲电流波形如图3.2.3。

图3.2.3理想的晶闸管触发脉冲电流波形

常用的晶闸管触发电路如图3.2.4。

它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。

当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。

VD1和R3是为了V1、V2由导通变为直截时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。

为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它的电路环节。

图3.2.4

图3.2.5KJ004同步型号为锯齿波的触发电路

本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优越的、每个触发单元的一个周期内输出两个相隔60°的脉冲的电路。

如图3.2.5中两个晶闸管构成一个“或”门。

当V5、V6都导通时，uc5约为-15V，使截止，没有脉冲输出，但只要中有V5、V6中一个截止就使得变为正电压，使得V7、V8导通就有脉冲输出。

所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60°），就可以产生符合要求的双脉冲了。

其中VD4和R17的作用，主要是防止双窄脉冲信号相互干扰。

此触发脉冲环节的接线方式为：

以VT1器件的触发单元而言，图3.2.5电路中的Y端应该接VT2器件触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60°。

所以当VT2触发单元的V4由截止变导通时，本身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元V6的管截止，给VT1器件补送一个脉冲。

同理，VT1器件触发单元的X端应接VT6器件触发单元的Y端。

依次类推，可以确定六个器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的相互接线。

图3.2.5中脉冲变压器TP主要用于完成触发脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路（触发回路）和强电回路（晶闸管主电路）之间的电隔离。

晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。

由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。

对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。

本设计采用三相同步绝对式触发方式。

根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。

然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。

本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：

VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路。

如图3.2.6。

图3.2.6三相全控桥整流电路的集成触发电路

图3.2.7整体系统图

4.系统设计

4.1.1确定时间常数

求速度反馈滤波常数

由于反馈输出均由波纹，在低速时尤为严重，一般都需要滤波，负责无法应用。

太小，滤波效果不佳，但

太大，又将影响系统性能，通常取

之间，这里取

。

电流滤波时间常数Toi

整流装置滞后时间Ts，根据桥式电路取，通常取0.17ms

电流环小时间常数

=0.01+0.00017=0.01017s

4.1.3计算ACR参数

开环增益：

σn%≤10%,；

（取

）Ki=1/

=1/0.01017=98.3284/s

4.2速度调节器（ASR）设计

4.2.1确定时间常数

电流环等效时间常数

=2*0.01017=0.02034s

转速环小时间常数

。

=

+Ton=0.02034+0.01=0.03034s

4.2.3计算ASR参数

转速反馈系数

=0.00725

ASR超前时间常数

（取h=5）

=5*0.03034=0.1517s

开环增益

=6/（2*25*0.030342）=130.43s-2

ASR速度环比例

4.2.4计算ACR阻容

取

，各电阻和电容值计算如下

5.系统仿真

5.1系统模型

图5.1.1利用单个晶闸管元器件搭建的三相交流调压器的仿真模型

图5.1.2调压电路仿真模型

图5.1.3开环仿真模型

图5.1.4闭环仿真模型

5.2仿真结果

图5.2.1闭环转速特性

图5.2.1电压为220v，转速给定为1420，从图中可以可以发现转速给定为1420，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。

图5.2.2控制角

从图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。

图5.2.3转矩

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。

5.3仿真总结

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。

将速度给定值（1450）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。

因此，改变速度给定值就改变了电机的转速。

由于采用了速度负反馈从而实现了平稳平滑的无级调速。

同时负载发生变化时，通过速度负反馈，能制动调整加在定子绕组上的电压的大小，由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲迁移，是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。

6.总结

通过两个星期的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了闭环交流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。

本设计的主要工作是设计交流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，详细地介绍了器件的保护、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的设计，最后得到整个调速控制的电路原理图。

设计期间，借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料，学会了如何使用现有的图书馆资料，让我真正的把在大学里学的课程运用到实践的生活中，让我也体会到理论的重要。

在指导老师的指导下，并与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与指导老师沟通，在老师的指点和自己的努力，最后完成了整个设计。

设计中，通过查阅书籍，在了解的情况下运用公式按要求设计出所要的型号。

通过做课程设计，我从中得了不少收获。

不仅在理论上，知道课本的理论知识的最要性，而且也知道实践如何运用理论，理论联系实践。

虽然，在做设计的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，但是我坚持到底，尽自己的力量做到最好。

相信通过这次的设计将在以后的工作中给我不少的启发。

我也会在今后更多的时间学习各种新知识。

给自己不断的充电，增值。

感谢指导老师和我们组同学的指导帮忙，让我认识到自己在设计中的不足，一遍一遍的改掉课程设计中的很多不足。

7.参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：

机械工业出版社，2009

[2]李华德.交流调速控制系统.北京：

电子工业出版社，2004

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清华大学出版社，2003

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清华大学出版社，1993

[5]刘竞成.交流调速系统.上海：

上海交通大学出版社，1996

[6]刘纯厚.近代交流调速.北京：

冶金工业出版社，1995

[7]梅丽凤.单片机原理及接口技术.北京：

清华大学出版社，2009