三相异步电动机调压调速系统设计与实验.pdf

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1、实验名称：三相异步电动机调压调速系统设计与实验姓名：迟学号：专业：自动化所在院系：化工学院化工机械系指导教师：曲实验时间：综合性设计型实验报告铭2007 级2010 年 12 月 1324 日综合性设计型实验报告综合性设计型实验报告系别：化工机械系系别：化工机械系班级：自动化班级：自动化20072007 级级20102010 20112011学年第学年第 1 1 学期学期学号学号实验名称实验名称0723105003姓名姓名迟 铭指导教师指导教师曲 瀛课程编号课程编号062030227课程名称课程名称综合设计型实验三相异步电动机调压调速系统实验类型实验类型综合设计型实验时间实验时间2010 年

2、12 月 1324 日实验地点实验地点化工机械系运动控制实验室实验内容：实验内容： （简述）（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

3、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：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

4、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：设计思路： （设计原理、设计方案及设计流程）（设计原理、设计方案及设计流程）一、设计原理一、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

5、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：Rr3UST Rr221LlsLlr1RSS2s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Te与定子电压US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U1、U1、U1 (U1U1U1)时的机械特性。asSmnmbcU”

6、1cbaU1U1U1”Temax通风机负载特性TL二设计方案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

7、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、设计流程三、设计流程1、系统主电路的参数计算系统控制电机的参数为：PN120W,UN 220V,IN 0.6A,nN1380r /minY 接晶闸管未导通时，均承受本相相电压，导通时电流为IN 0.6A，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：I 1220i(t)2dt (3-1)负载平均电流Id 0.6A，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W

8、MAKM1TMS为三相异步电动机的近似传函，这里KM为电动机的传递函数，Tjd为机电时间常数。Ui*UctU1UWASR(S)WACR(S)WGT-V(S)WMA(S)Un（S）(S)Unn(S)WFB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WGTV(S) 式中KS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WFBS(S) 因此，调节对象的总传递函数为KS（3-2）SS 1TonS 1（3-3）WdKSKmK（3-4）(1s)(1Tons)(

9、1Tms)(1s)(1Tms)式中K KsKm为调节对象总传递函数；Ton为时间常数。输入段加滤波器：Win111S用 PI 调节器：Wn Kp调节器电路图如图 3.2 所示。1TpS（3-5）TpSR2C1R5R3R1-+图 3.2 PI 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GD2GD2nTMkM() (3-6)375375M式中(nn)为负值，可由 Matlab 仿真曲线测出：()2800/0.13MM电动机与负载总飞轮惯性GD2取 0.01kgNm 则TM (由Km (TdTm) 得

10、2K2K0.012800 (3-7) 0.58s3750.13Km (0.58) 2.6(3-8)2522103（2）求晶闸管交流调压器的时间常数电路采用三相全波 Y 型接法调压电路，根据经验数据Ts可取 3.3ms。调压器输出电压为 0V220V,输出控制电压Uct为 0V7V 变动，所以放大倍数Ks=220/730 倍。（3）馈系数求速度反*Unm10V=0.00725V min/r（3-9）nmax1380r /min（4）求速度反馈滤波常数Ton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。Ton太小，滤波效果不佳，但Ton太大，又将影响系统性能，通常取1ms

11、10ms之间，这里取Ton10ms。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Toi电流滤波器时间常数Toi选取与速度调节器反馈时间常数ToiTon10ms。电流环小时间常数TI按小时间常数近似处理，取TIToiTS 0.010.0033 0.0133ms2）电流调节器选用 PI 型，其传递函数为WACR Kiis1（3-10）is3）选择电流调节器参数ACR 超前时间常数：iT10.58s电流环开环增益：要求5%时

12、，应取KIT I0.5,因此KI0.5/ TI0.5/ 0.013337.61/ s于是，ACR 的比例系数为Ki KIi/ KSKma37.610.58 7.170.0392.630 (3-11) 4）校验条件电流截止频率ci KI 37.6。小时间常数近似处理的条件:ci113TsToi现在，111159.03ci3TsToi3TSToi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R010K，各电阻和电容值计算如下：Ri KRi07.171071.7K（3-12）（3-13）0.586Ci10F 7.25F3Ri8010i（3-14）按照以上参数，电

13、流环可以达到的动态性能为：i% 4.3%5%，满足设4oi40.0033Coi106F 1.32F计要求。3R010103.2 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2TI 20.01330.0266s。 2） 转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton 0.01s。 3）转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取Tn 2TITon0.02660.010.0366s（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，应按典型型系统设计转速环。故 ASR 选用 PI 调节器，器传递函数为WASR(S) KnnS 1（

14、3-15）nS按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取h 5，则 ASR 的超前时间常数为n hTn50.03660.183s（3-16）Rn KnR011.1810111.8K转速环开环增益KNh16289.58s2222h Tn225(0.0366)（3-17）于是，ASR 的比例系数为KnKNn89.580.183 60.13K137.60.00725（3-18）（3）校验近似条件转速环截止频率：cn KNn 89.580.183 16.39s（1）电流环传递函数简化条件：cn现在15TI211满足简化条件。19.42 cn5TI50.0103（2）小时间常数近似条件：cn1132TiTon现

15、在1111 20.43 cn满足近似条件。32TiTon320.01330.01（4）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图 4.2RnUn*R0/2R0/2CnR3RR5-+ConR0/2R0/2UiCdConRdn图 4.2带给定滤波和反馈滤波的PI 调节器取R010K，各电阻和电容值计算如下：(3-19)(3-20)CnnRn0.183106F 1.525F312010(3-21)4on40.016Con10F 4F34、基于MATLAB仿真R01010 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

16、 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 MatlabSimulink 动态仿真模型，如下图所示：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 MatlabSimulink 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

17、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：关键技术分析：1 1、三相异步电动机调压调速方案的确定、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 2、晶闸管触发角选择与调试、晶闸管触发角选择与调试本实验即采用定子调压调速系统，即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。交流调压器采用三对晶闸管反并联分

18、别串接在三相电路中，如右图所示：通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力，在每半个周波内通过对晶闸管开相位的控制，可以方便的调节输出电压有效值，所以，在实验过程中如何有效地调节晶闸管的触发角是关键。M3 TVC实验过程：实验过程： （包括主要步骤、成果介绍、实验分析）（包括主要步骤、成果介绍、实验分析）一、主要步骤一、主要步骤1、DJK02和 DJK02-1上的“触发电路”调试（1）打开 DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。（2）将 DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“交流调速”侧（3）用10芯的扁平电缆，将 DJK

19、02的“三相同步信号输出”端和 DJK02-1“三相同步信号输入”端相连，打开 DJK02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。（4）观察 A、B、C 三相的锯齿波，并调节 A、B、C 三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧） ，使三相锯齿波斜率尽可能一致。（5）将 DJK04上的“给定”输出 Ug 直接与 DJK02-1上的移相控制电压 Uct 相接，将给定开关 S2拨到接地位置（即 Uct=0） ，调节 DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察 A 相同步电压信号和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形，使 a=180。（6）适当增加给定 Ug 的正电压输出

20、，观测 DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。（7）将 DJK02-1面板上的 U1f 端接地，用20芯的扁平电缆，将 DJK02-1的“正桥触发冲输出”端和 DJK02“正桥触发脉冲输入 ”端相连，并将 DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通” ，观察正桥 VT1VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。2、2、控制单元调试（1）调节器的调零将 DJK04中 “速度调节器” 所有输入端接地， 再将 DJK08中的可调电阻接到 “速度调节器”的“4” 、 “5”两端，用导线将“5” 、 “6”短接，使“电流调节器”成为 P（比例）调节器。调节面板上的调

21、零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零将 DJK04中 “电流调节器” 所有输入端接地， 再将 DJK08中的可调电阻接到 “速度调节器”的“8” 、 “9”两端，用导线将“9” 、 “10”短接，使“电流调节器”成为 P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“11”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零（2）调节器正、反限幅值的调整直接将 DJK04的给定电压 Ug 接入 DJK02-1移相控制电压 Uct 的输入端，三相交流调压输出 的任意两路接一电阻负载 （D42三相可调电阻） ， 放在阻值

22、最大位置，用示波器观察输出的电压波形。当给定电压 Ug 超过某一数值 Ug时，U 的波形接近正弦波时，一般可确定移相控制电压的最大允许值 Uctmax=Ug，即 Ug 的允许调节范围为0Uctmax。记录 Ug于下表中：把“速度调节器”的“5” 、 “6”短接线去掉，将 DJK08中的可调电容接入“5” 、“6”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器 RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整限幅电位器 RP1，使之输入出电压为最小值即可。把“电流调节器”的“8” 、 “9”短接线去

23、掉，将 DJK08中的可调电容接入“8” 、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器 RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器 RP1，使电流调节器的输出正限幅为 Uctmax 。（3）电流反馈的整定直接的将 DJK04的给定电压 Ug 接入 DJK02-1移相控制电压 Uct 的输入端，三相交流高压输出接三相线绕式异步电动机，测量三相线绕式异步电动机，测量三相线绕式异步电动机单相的电流值和电流反馈电压，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器 RP1，是电流的反

24、馈系数达到一个合理的数值。（4）转速反馈的整定直接将 DJK04的给定电压 Ug 接入 DJK02-1移相控制电压 Uct 的输入端，输出接三相线绕式异步电动机，测量电动机的转速值和转速反馈电压值，调节“速度变换”电位器 RP1，使 n=1300rpm 时的转速反馈电压为 Ufn=-6V。UgUgUctmax=UgUctmax=Ug6.39V 6.39V3、机械特性 n=f(T)测定（1）将 DJK04的“给定”电压输出直接接至 DJK02-1上的移相控制电压 Uct，电机转子回路接 DJ17-2转子电阻专用箱，直流发电机接负载电阻 R（D42三相可调电阻，将两个900接成串联形式） ，并将给

25、定的输出调到零。（2）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。（3）调节 Ug，降低电动机端电压，在2/3Ue 时重复上述实验，以取得一组机械特性。在输出电压为 Ue 时：N(rpm)N(rpm)U2=UG(V)U2=UG(V)I2=IG(A)I2=IG(A)T(N.m)T(N.m)14031960.10.4213801900.170.8313311800.31.0412801690.41.2812041560.51.5210741350.61.648131230.651.3620840.161.12585770.141.08333430.10.95在输出电压为2/3

26、Ue 时：N(rpm)N(rpm)U2=UG(V)U2=UG(V)I2=IG(A)I2=IG(A)T(N.m)T(N.m)13061810.090.6813021780.11 0.7412361680.150.9211941610.180.9811791590.201.0410261370.210.838701280.240.75600920.290.69380530.320.684、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

27、“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)N(rpm)N(rpm)U2=UG(V)U2=UG(V)I2=IG(A)I2=IG(A)T(N.m)T(N.m)（2）测出 n=800rpm 时的系统闭环静态特性 n=f(T)N(rpm)N(rpm)U2=UG(V)U2=UG(V)8001108001090.17991060.21.257981050.31.277971040.341.297971010.41

28、.31796980.51.3412001660.0912001650.112001640.161.4711991630.181.5311991610.201.6811991590.301.9811981570.402.011.181.31I2=IG(A)I2=IG(A)0.06T(N.m)T(N.m)二、成果介绍成果介绍1.21.23由以上实验数据做出三相异步电动机在不同电压下的机械特性曲线，如附图（1）所示，做出 n=1200rpm 时的系统闭环静态特性 n=f(T)和 n=800rpm 时的系统闭环静态特性 n=f(T)，如附图（2）所示。分析曲线可知本次实验结果满足了设计的具体目的与要求

29、。三、实验分析三、实验分析由实验数据以及绘制的曲线可以看出采用转速电流双闭环调压调速系统可以做到转速无静差调速，附图一的曲线上出现一个误差点，可能由于实验操作人员的粗大误差造成的，此点可以作为误差点去除，得到三相异步电动机在不同电压下的机械特性曲线；附图二的系统闭环静特性曲线 n=f(T)略有下斜，是由于实验室仪器存在一定的微小误差造成的，不影响实验的整体效果。实验总结实验总结为期两周的综合性设计实验结束了，本人在这两周里受益匪浅，完成了全部的实验要求内容，并在此基础上有所创新。对于整个系统，我首先在设计中确定了三相异步电动机的调速方式，其次，确定调速系统采用双闭环控制，整个系统可以实现电流、

30、转速两个负反馈调节，使系统的性能大大提高。然后使用计算机仿真软件 MATLAB对系统进行仿真，为实际操作提供一定的理论依据，最后的实验室亲手操作更是大大提高了我的动手能力，真正做到了理论联系实际并得到了比较满意的实验结果学生签名：年月日评语与成绩：评语与成绩：教师签名：年月日附表一三相异步电动机不同电压下的机械特性仿真程序 %Mechanical characteristic with U1=U1nclcclearsyms U1n Nph Poles Fe0 Nn R1 R2p X10 X20p R0 X0 Nsn Sn Zeq Z1 F1 Ns X1X2p Xm.S Nrl Teml a b

31、;U1n=380/sqrt(3);Nph=3;Poles=4;Fe0=50;Nn=1380;R1=1.03;R2p=1.03;X10=1.03;X20p=4.4;R0=7;X0=90;for b=1:4if b=1U1=220;elseif b=2U1=200;elseif b=3U1=170;elseif b=4U1=140;endNs=25*U1n/Poles;X1=X10*(U1n/U1);X2p=X20p*(U1n/U1);Xm=X0*(U1n/U1);F1=Fe0;for a=1:2000S=a/2000;Nrl=Ns*(1-S);Teml=Nph*Poles/(4*pi)*(U1/

32、F1)2*F1*R2p/S/(R2p/S)2+(X1+X2p)2);plot(Teml,Nrl);hold on;endhold on;endxlabel(TorqueN.m);ylabel(Speedr/min);title(Mechanical characterristic with Fe0=50);xlim(0,105);text(70,700,u=220V);text(50,900,u=200V);text(30,1000,u=170V);text(10,1200,u=140V);附图一实验数据绘制三相异步电动机在不同电压下的机械特性曲线附图二实验数据绘制 n=1200rpm 时的系统闭环静态特性 n=f(T)n=800rpm 时的系统闭环静态特性 n=f(T)