基于Matlab的双闭环三相异步电动机的串级调速仿真.docx

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基于Matlab的双闭环三相异步电动机的串级调速仿真

烟台烟台南山学院

电机与拖动课程设计

题目基于Matlab的双闭环三相异步电动机的串级调速仿真

姓名：

庞超

所在学院：

计算机与电气自动化学院

所学专业：

自动化

班级：

09自动化02班

学号：

200902010210

指导教师：

刘丽丽

完成时间：

2012-9-23

任务书

电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。

它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。

通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等。

电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。

一、设计课题

基于Matlab的异步电动机调压调速系统的仿真

二、课程设计的基本要求

1．使学生具有自主设计电路原理读图、查阅参考书籍和手册及资料文献的能力。

2．设计、计算、文件选取、画出设计电路图

3．撰写严谨的、有理论根据的、实事求是的、文理通顺的字迹端正的电机与拖动课程设计报告。

三、电机与拖动课程设计时间

1．设计电路原理读图、查阅参考书籍和手册及资料文献（1.5天）。

2．设计、计算、文件选取、画出设计电路图（1.5天）。

3．验收及校验（0.5天）

4．完成课程设计报告（1.5天）

四、课程设计报告要求

课程设计报告要求字迹工整、文字通顺；其撰写内容包括：

1．目录

2．课程设计所用的基本知识

3．参数计算、电路设计等。

4．总结

5.参考文献

摘要

本文所讨论的是双闭环三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。

对于一般交流电动机的调速，我们都是从电动机的定子侧引入控制变量（改变定子供电电压、频率）来实现的，这对于转子处于短路状态的交流鼠笼型转子异步电动机是唯一途径。

但是，对于绕线式异步电动机来说，由于改变其转子绕组控制变量以实现调速，转子侧的控制变量有电流、电动势、电阻等。

通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节；而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动势，这也是本文所要讨论的重点之一。

在发挥绕线式异步电动机转子的可控性优势的基础上，提高调速性能需要从两方面着手：

1从节能角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有

用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率。

2从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等指标的要求。

综合所述，利用串级调速系统，就是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办法。

用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态性能。

把这种用附加电动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。

这是本文所必须讨论的，也是本文的核心所在。

关键字：

双闭环、串级、调速

Abstract

Thispaperdiscussesthemechanismsandimplementationdetailsofconcatenationcontrolinathree-phaseasynchronousmotorwithdoubleclosedloop.Tocontrolspeedsforatypicalalternatingcurrentmotor,weusuallytakecontrolvariables（tochangevoltageandfrequencyofthestatorpowersupply）fromthestatorsideinanelectricmotor,whichisalsotheonlywayforsquirrel-cageasynchronousmotorwithrotorinashort-circuitstate.However,withwoundrotorseries,asynchronousmotorscanadjustspeedsthroughcontrolvariables,whichincludeelectriccurrent,electromotiveforceandresistance,etc.ontherotorside.Typically,therotorcurrentisdeterminedbytheloadandcannotbeadjustedfreely.Incontrast,adjustingrotor’sreturncircuitimpedancetendstoconsumemorepoweralongwithotherdisadvantages.Therefore,electromotiveforceshouldbetheonlycontrolvariableontherotorside,whichisalsooneofthemajorpointsdiscussedinthispaper.Inordertoincreasespeedcontrol,weneedtotakethefollowingtwomeasureswhilefullyutilizingtheadjustablenatureofrotorsinseries-woundasynchronousmotor:

1.Inordertosaveenergy,powerwastedonrotor’sadditionalresistanceshouldbeabsorbedandconvertedintootherformsofusableenergyorsentbacktoelectricgridtoincreasetheefficiencyoftransmissionsystems.

2.Consideringhighcontrolabilityandtheappliedcontroltheory,itshouldbeformedintoaclosed-loopcontrolsysteminordertomeettherequirementsofsuchcriteriaascontrolaccuracyanddynamicresponse.

Insummary,concatenationcontrolsystemisoneeffectivemeanstorealizehighcontrolabilityinseries-woundasynchronousmotors.Specifically,itisusedtoreplaceresistancewithrotor’selectromotiveforceandabsorbslippower;andtoenhancethestaticanddynamiccapabilitiesofthesystemusingdoubleclosedloop.Werefertothismethodofutilizingadditionalelectromotiveforcetorecycleslippowerasconcatenationcontrolwithdoublecloseloop,whichisalsothefocusofthispaper.

Keywords:

double-loop,cascade,governor

1绪论

电力传动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置。

它广泛应用在精密设备和精密机构、加工和再加工机器以及运输工具中，也广泛应用在原材料工业以及其他工业部门的传送、预选、一般生产装置和辅助装置等凡是需要动力的场合中。

目前，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦，转速从每小时几转到每分钟几十万转，调速范围在无变速机构情况下可达1：

10000。

在生产的总电能中，大约有2/3用在电力传动上。

电力自动控制系统的特征是，他可以完成能量变换和控制所需要的信息处理。

因此，采用自动传动方法，一方面可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，另一方面也可以把人们从信息处理的工作中解脱出来。

这样，总的来看，其结果就是改善人们在生产过程中的工作条件，并且大幅度提高全社会生产和再生产的效率，电力传动自动控制系统是提高劳动生产率的合理手段和促使国民经济不断增长的重要因素。

因而，正确采用电力传动控制系统并使之进一步向前发展，对我国的国民经济的发展具有十分重要和特别现实的意义。

如今节约能源、更加合理地、有效地利用能源是一项艰巨、利国利民造福子孙的长期工作，也是我国的一项基本国策。

随着我国改革开放不断深入和国民经济、科学技术的飞速发展，国家大量拨款加速建设，现在已经取得了很大的进步，有部分项目已经达到了实用化阶段，相信在不久的将来我国在这方面一定会赶上或进一步缩小与发达国家之间的差距。

2串级调速的原理

2.1异步电动机转子附加电动势时的工作情况

首先作这样一个设想：

若在绕线式异步电动机转子回路中串入与转子电动势同频率的附加电动势，通过改变附加电动势的幅值大小和相位，从而实现调速。

这样，电动机在低速运行时，转子中的转差率只是小部分在转子绕组上消耗掉，而转差功率的大部分被串入的附加电动势所吸收。

再利用产生附加电动势的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈入电网，就能使电动机在低速运转时仍具有较高的效率如图2.1。

这种在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电动势的高效率调速方法，就是串级调速。

图2.1转子附加电势的装置

下面分析异步电动机转子附加电动势时的工作情况。

异步电动机运行时其转子相电动势为：

（2.1）

式中S--异步电动机的转差率；

E20---绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称开路电动势，转子额定电压值。

转子电动机E2值与其转差率S成正比，同时它的频率f2也与S正比，f2=Sf1按常规接线时，转子相电流的方程式为：

（2.2）

R2为转子绕组每相电阻；X20为S=1时转子绕组每相漏抗。

现在在转子回路中引入一个可控的交流附加电动势Eadd，并与转子电动势E2串联。

Eadd应与E2有同频率，但与E2同相或反相。

（2.3）

当电力传动的负载转矩M1为恒定时，可认为转子电流I2也为恒定。

设在未串入附加电动势前，电动机原在S=S1的转差率下稳定运行。

当加入反相的附加电动势后，由于负载转矩恒定，因此电动机的转差率必须加大。

这个过程也可描述为，由于反相附加电动势的引入瞬间，转子回路总的电动势减少，转子电流也随之减小，使电动机电磁转拒也减少；由于负载转拒没有变，所以电动机就减速，直至S=S2时，转子电流有恢复到原来的数值，电动机进入新的稳态工作。

此时关系式为：

（2.4）

同理，加入同相附加电动势Eadd可使电动机转速增加。

所以，当绕线转子异步电动机转子侧引入一可控的附加电动势时，即可对电动机实现转速的调节。

2.2串级调速系统的工作原理

下面按起动、调速与停车三种情况来分析串级调速系统的工作。

对电气传动装置而言，实质上是否获得加减速时所必需的电磁转矩[8]。

讨论中认为电动机轴上带有反抗性的恒转矩负载。

电动机能从静止状态起动的必要条件是能产生大于轴上负载转矩的电磁转矩。

对电气串级调速系统而言，就是应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后的直流电流Id，为此，转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。

异步电动机在静止不动时，其转子电动势为Er0;控制逆变角β，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id,以满足所需的电磁转矩，但有不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩状态下加速起动。

随着异步电机转速的提高，其转子电动势减少，为了维持加速过程中动态转矩基本恒定，必须相应地增大β角以减少Ui值，维持（Ud-Ui）基本恒定。

当电动机加速到所需转速时，不再调整β角，电动机即在此转速下稳定运行。

设此时的S=S1,β=β1,则有

（2.5）

其中IdL为对应于负载转矩的转子直流回路电流。

改变β角的大小就可以调节电动机的转速。

当增大β角使β=β2>β1时，逆变电压就会减少，但电动机的转速不能立即改变，所以Id将增大，电磁转矩也增大，因此产生的动态转矩使电动机加速。

随着电动机转速的增高，K1S1Er0减少，Id回降，直到产生下式所示的平衡状态，电动机乃在增高了的转速下稳定下运行。

（2.6）

其中，β2>β1，S2

同理，减少β角时可使电动机在降低了的转速下稳定运行。

电动机的停车有制动停车和自由停车两种。

对于处于次同步转速下运行的双馈调速系统，必须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制动。

在串级调速系统中与转子连接的是不可控整流装置，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不可能向转子输入电功率。

因此串级调速系统没有停车制动功能。

只能靠减小β角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。

根据以上对串级调速系统工作原理的讨论得出下列结论：

（1）串级调速系统能够靠调节逆变角β实现平滑无级调速；

（2）系统能把异步电动机的转差功率馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效的利用，大大提高了调速系统的效率。

3实验原理

调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。

理论依据来自异步电动机的机械特性方程式：

其中，p为电机的极对数；

w1为定子电源角速度；

U1为定子电源相电压；

R2为折算到定子侧的每相转子电阻；

R1为每相定子电阻；

L11为每相定子漏感；

L12为折算到定子侧的每相转子漏感；

s为转差率。

图3.1异步电动机在不同电压的机械特性

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。

3.1调压电路

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。

图3.2调压电路原理图

3.2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3.3开环调压系统原理图

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

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。

图3.4闭环调速结构图

图3.5闭环调速系统原理图

4、仿真内容

4.1、调压电路

4.1.1、调压电器的仿真模型

（a）仿真模型（b）图的封装模型

图4.1调压电器的仿真模型

4.1.2、调压电路的搭建

图4.2调压电路模型

4.1.3、参数的设定

Frequencyofsynchronizationvoltages（hz）：

同步电压频率（赫兹）50Hz

Pulsewidth（degrees）：

触发脉冲宽度（角度）10

Doublepulsing：

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°

4.1.4电阻负载的仿真图形

a）触发角α为45°b）触发角α为60°

图4.3三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4.3所示。

其中图4.3a为α=45°时调压器输出的波形，图4.3b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。

4.2、异步电动机带风机泵类负载开环调压调速模块

4.2.1参数设定

由公式Tz=kn²可推出k=Tz/n²

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°

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4.4开环系统仿真模型

触发角α为60°时得到的转速

图4.5α=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。

触发角α为75°时得到的转速

图4.6α=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。

分析：

通过比较图4.6和图4.7的触发角α为60°和75°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。

改变电源电压，电源电压为150v,触发角α为60°时得到的转速如图4.7：

图4.7电源电压为150vα=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。

分析：

通过比较图4.7和图4.9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。

4.2.2闭环调压

图4.8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。

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。

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4.9闭环转速特性

图4.10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，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4.10转速

从图4.11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4.11控制角

从图4.12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。

图4.12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总结体会

通过基于Matlab的双闭环三相异步电动机的串级调速仿真设计，我学到很多东西，有些表面上看起来比较简单的东西，实际做起来的就不像那么简单了，要考虑诸多参数的配合。

对于整个系统，因为课题要求是调压调速，所以首先从调压器开始设计，使用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，再将该模块进行封装。

先观察带电阻负载时，调压器输出的波形，通过修改参数终于使得调压器输出的波形与理论相同。

接着，异步电动机带风机泵类负载开环调压调速。

然后，确定调速系统采用闭环控制，整个系统可以实现转速负反馈调节，使系统的性能大大提高。

通过此次设计让我对matlab的simulink模块有了更深的了解，对调压调速的特性也有了更深层次的认识。

参考文献

1.陈伯时.电力拖动自动控制系统.[M].北京：

机械工业出版社，2003.

2.郭建军.串级调速的发展与现状[R].贵州：

贵州鑫晟煤化有限公司，2008.

3.郑益飞．新型串级调速系统的研究与应用[D]．安徽：

安徽理工大学，2009．

4.陈伯时，谢鸿鸣.交流传动系统的控制策略[J].电工技术学报，2000（5）

5.李发海.电机及拖动基础[M].北京：

清华大学出版社,2005.

6.李华德.交流调速控制系统[M].北京：

电子工业出版社,2003.

7.张克农.数字电子技术基础[M].西安：

高等教育出版社，2003.

8.王兆安、黄俊主编.电力电子技术[M].北京：

机械工业出版社，2000.

9.魏炳贵.电力拖动基础[M].机械工业出版社，2002.

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