异步电机调压调速系统设计与仿真.doc

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1、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、

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Ma

3、tlab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 目录第1章 绪论1第2章 异步电动机调压调速系统22.1 三相异步电动机的结构与基本原理22.1.1 三相异步电动机定子22.1.2 三相异步电动机转子22.1.3 三相异步电动机气隙32.1.4 三相异步电动机的基本工作原理32.2 转差率42.3 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63.1 开环调压调速63.2 单闭环调压调速系统93.3 双闭环调压调速系统13第4章 开环调压调速系统仿真154.1 交流仿真调压程序154.2 各部分参数设置16第5章 课程

4、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

5、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

6、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

7、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2.1 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。2.1.1 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。

8、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 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

9、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 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0.21.5mm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

10、f1及电机的磁极对数p的关系为：n1=60f1p (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

11、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nn1）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nn1,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，nn1,则转差率s0。（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

12、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n1。由此可知，区分这三种运行状态的依据是转差率s的大小。当0s，则C11,这相当于将上述假定条件的第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，

13、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。3

14、.3 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UnWASR(S)WACR(S)WGT-V(S)WMA(S)n(S)WFB图3.14双闭环调速动态图第4章 开环调压调速系统仿真4.1 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4.14.2 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4.22 晶闸管参数设置：Ron=0.04，Lon=0H，Vf=0V，Rs=10，Cs=4e-6F，如图4.3所示。图4.33 负载RLC分支，电阻性

15、负载时，R=20，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4.44 脉冲发生器：Pulse Generator1和Pulse Generator2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00.05s，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4.71 50时输出电流波形图4.72 50时输出电压波形图

16、4.81 80时输出电流波形图4.82 80时输出电压波形图4.91 130时输出电流波形图4.92 130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。参考文献1 陈坚，电力电子学电力电

17、子变换和控制技术M，北京：高等教育出版社，20022 胡寿松，自动控制原理M，北京，科学出版社，20003 何克忠.计算机控制系统M，北京：清华大学出版社，19994 李颖，Simulink 动态系统建模与仿真基础M，西安，西安电子科技大学出版社，20045 薛定宇，陈阳泉，.MATLAB高级仿真编程技术M，北京，清华大学出版社，2002.56 陈伯时，电力拖到自动控制系统M.北京：机械工业出版社，20037 周立求，计算机仿真在研究变频器制动中的应用J，计算机仿真，2003，20(10)：85-888 顾绳谷，电机及拖到基础M，北京，机械工业出版社9 王忠礼等，MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业中的应用M，北京，清华大学出版社，200710 贺益康，交流电机的计算机仿真M，北京，科学出版社，.1990