三相异步电动机调压调速系统设计与实验

综合性设计型实验报告实验名称：三相异步电动机调压调速系统设计与实验姓名：迟铭学号：0723105003专业：自动化2007级所在院系：化工学院化工机械系指导教师：曲瀛实验时间：2010年12月13—24日综合性设计型实验报告系别：化工机械系班级：自动化2007级2010—2011学年第1学期学号0723105003姓名迟铭指导教师曲瀛课程名称综合设计型实验课程编号062030227实验名称三相异步电动机调压调速系统实验类型综合设计型实验地点化工机械系运动控制实验室实验时间2010年12月13—24日实验内容：（简述）一、用Matlab仿真软件设计一个三相异步电动机转速电流双闭环调压调速系统二、实验室模拟三相异步电动机转速电流双闭环调压调速过程1、“触发电路”调试2、控制单元调试（1）调节器的调零（2）调节器正、反限幅值的调整（3）电流反馈的整定（4）转速反馈的整定3、机械特性n=f(T)测定（1）直流发电机先轻载，调节转速给定电压Ug使电动机的端电压=Ue。（2）调节Ug，降低电动机端电压，在2/3Ue时重复上述实验，取得一组机械特性。4、系统调试（1）确定电流调节器和速度调节器的限幅值和电流、转速反馈的极性。（2）将系统接成双闭环调压调速系统，电机转子回路仍每相串3欧姆左右的电阻，逐渐增大给定Ug，观察电机运行是否正常。（3）调节“电流调节器”和“速度调节器”的外接电容和电位器，用双踪扫描示波器观察突加给定时的系统动态波形，确定较佳的调节器参数。5、系统特性的测定（1）调节Ug使转速至1200rpm，从轻载按一定间隔调到额定负载，测出闭环静态特性n=f(T)。（2）测出n=800rpm时的系统闭环静态特性n=f(T)。6、绘制实验数据曲线实验目的与要求：一、实验目的：通过实验过程，运用Matlab仿真软件进行三相异步电动机调压调速系统的仿真实验，了解三相异步电动机调压调速原理；通过实验室实验，熟悉三相异步电动机调压调速系统组成，开环、转速单闭环和转速、电流双闭环系统性能。二、实验要求：1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成2、了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性。3、通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。设计思路：（设计原理、设计方案及设计流程）一、设计原理对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。交流异步电动机机械特性的参数表达式如下：变压调速是异步电动机调速方法中的一种，由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速下，电磁转矩eT与定子电压SU的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。本实验即采用定子调压调速系统，就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，即改变定子电压调速。如下图画出了定子电压为1U、'1U、1U('111UUU)时的机械特性。2'21'1'23lrlsrSrsLLSRRSRUT二．设计方案对于开环调速系统，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。对于单闭环控制系统，若要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环就不能满足需要，所以本设计采用转速电流双闭环调速系统。电流环在里边，作为内环；转速环在外边，作为外环，系统控制原理图如下：双闭环调压调速系统控制原理图三、设计流程TLa’b’c’U”1cabnmsSmTemaxU1U1’U1”通风机负载特性1、系统主电路的参数计算系统控制电机的参数为：min/1380,6.0,220,120rnAIVUWPNNNNY接晶闸管未导通时，均承受本相相电压，导通时电流为AIN6.0，流过晶闸管最大电流时，对应波形为全波，根据有效值I公式为：2201[()]2Iitdt(3-1)负载平均电流AId6.0，所对应的电流有效值'I应小于额定电流所对应的有效值电流。2、根据系统方块图进行动态计算图3.4中1MMAMKWTS为三相异步电动机的近似传函，这里MK为电动机的传递函数，jdT为机电时间常数。图3.1调速系统方块图晶闸管交流调压器和触发装置GT-V中可近似成一阶惯性环节，正如晶闸管触发与整流装置一样。传递函数可写成1)(SKSWSSVGT（3-2）式中SK为可控硅的传递函数；为可控硅的时滞或惯性环节的时间常数。反馈环节FBS考虑到反馈滤波的作用，其传递函数为1)(STSWonFBS（3-3）因此，调节对象的总传递函数为Un*△UUi*U1UctWASR(S)WACR(S)WGT-V(S)WMA(S)WFBS(S)n(S)Un（S）—mdonmm(1s)(1s)(1s)(1s)(1s)SKKKWTTT（3-4）式中smKKK为调节对象总传递函数；onT为时间常数。输入段加滤波器：in111WS用PI调节器：pnpp1TSWKTS（3-5）调节器电路图如图3.2所示。图3.2PI调节器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，首先计算它的参数电动机的机电时间常数近似认为与机械特性斜率kM成正比，即22()375375MMGDGDnTkM(3-6)式中()nM为负值，可由Matlab仿真曲线测出：()nM≈2800/0.13电动机与负载总飞轮惯性2GD取0.01kgN·m则0.012800()0.583750.13MTs(3-7)由()22dmmTTKKK得30.58()2.6252210mK(3-8)（2）求晶闸管交流调压器的时间常数-+R3R2R1C1R5电路采用三相全波Y型接法调压电路，根据经验数据sT可取3.3ms。调压器输出电压为0V~220V,输出控制电压ctU为0V~7V变动，所以放大倍数sK=220/7≈30倍。（3）馈系数求速度反min/138010max*rVnUnm=0.00725rVmin/（3-9）（4）求速度反馈滤波常数onT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。onT太小，滤波效果不佳，但onT太大，又将影响系统性能，通常取1~10msms之间，这里取10onTms。3.1电流调节器的参数计算电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望由超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型I型系统。确定时间常数电流滤波器时间常数oiT电流滤波器时间常数oiT选取与速度调节器反馈时间常数10oionTTms。电流环小时间常数IT按小时间常数近似处理，取0.010.00330.0133IoiSTTTms2）电流调节器选用PI型，其传递函数为1iACRiisWKs（3-10）3）选择电流调节器参数ACR超前时间常数：10.58iTs电流环开环增益：要求5%时，应取0.5IIKT,因此0.5/0.5/0.013337.61/IIKTs于是，ACR的比例系数为37.610.58/7.170.0392.630iIiSmaKKKK(3-11)4）校验条件电流截止频率37.6ciIK。小时间常数近似处理的条件:113cisoiTT现在，111159.0333cisoiSoiTTTT满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容其原理图见图3.3所示，按所用运算放大器取010RK，各电阻和电容值计算如下：07.171071.7iiRKRK（3-12）（3-13）（3-14）按照以上参数，电流环可以达到的动态性能为：%4.3%5%i，满足设计要求。3.2转速调节器的参数计算（1）确定时间常数1）电流环等效时间常数为220.01330.0266ITs。2）转速滤波时间常数onT。根据所用测速发电机纹波情况，取0.01onTs。3）转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取20.02660.010.0366nIonTTTs（2）选择调节器参数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，器传递函数为1()nASRnnSWSKS（3-15）630440.0033101.321010oioiCFFR630.58107.258010iiiCFFR按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取5h，则ASR的超前时间常数为50.03660.183nnhTs（3-16）转速环开环增益22221689.582225(0.0366)NnhKshT（3-17）于是，ASR的比例系数为13.6000725.06.37183.058.891KKKnNn（3-18）（3）校验近似条件转速环截止频率：289.580.18316.39cnNnKs（1）电流环传递函数简化条件：15cnIT现在1119.42550.0103cnIT满足简化条件。（2）小时间常数近似条件：1132cnionTT现在111120.4332320.01330.01cnionTT满足近似条件。（4）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图4.2图4.2带给定滤波和反馈滤波的PI调节器取010RK，各电阻和电容值计算如下：Ui*RdnCdnR5R4-+ConConUn*R0/2R0/2R0/2R0/2RnR3Cn(3-19)(3-20)(3-21)4、基于MATLAB仿真4.1机械特性的仿真根据双闭环调压调速系统的调速原理编写Matlab仿真程序，仿真出异步电机在不同电压下的机械特性，程序见附表1，机械特性图如下：4.2调速系统电流及转速仿真根据双闭环调压调速系统的动态结构图和计算出的相关参数，首先建立开环调压调速系统的Matlab／Simulink动态仿真模型，如下图所示：630440.011041010ononCFFR011.1810111.8nnRKRK630.183101.52512010nnnCFFR开环调压调速系统仿真模型图开环调速系统转速仿真波形开环调速系统电流仿真波形根据双闭环调压调速系统的动态结构图和计算出的相关参数，建立转速电流双闭环调压调速系统的Matlab／Simulink动态仿真模型，如下图所示双闭环交流调速系统的仿真模型图转速电流双闭环调速系统转速仿真波形M3~~TVCM3~~TVCM3~~TVC转速电流双闭环调速系统电流仿真波形在仿真过程中会出现电流波形的超调特别大的情况，这是不符合实际要求的，符合实际要求的波形应该是具有较小的超调量。经过分析知道是给定滤波时间常数太小造成的，改变给定滤波时间常数，得到以上较理想的波形。关键技术分析：1、三相异步电动机调压调速方案的确定开环调压调速系统可以实现一定范围的无级调速，但是无法满足生产机械对静差率要求高的场合，因此采用闭环调速，单纯的闭环调压调速又无法满足快速启动与制动，所以，在闭环的基础上选择转速电流双闭环调压调速系统。2、晶闸管触发角选择与调