华侨大学
电气工程及其自动化课程设计
题 目 :异步电动机调压调速 MATLAB 仿真 班 级:电气 C 班 学 号:0915331063 学生姓名:朱少斌 指导教师:黄老师 2013年 5月 4号 一、 设计任务
1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK,熟悉相关的模块功能。
3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 二、 设计要求
1、利用 SIMULINK 建立闭环调速系统仿真模型。
2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 三、 实验设备 1、计算机一台 2、 MATLAB 仿真软件 四、 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;
R 2’为折算到定子侧的每相转子电阻; R 1为每相定子电阻; L 11为每相定子漏感;
L 12为折算到定子侧的每相转子漏感; S 为转差率。
图 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。
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 2 调压电路原理图 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 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、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 4 闭环调速结构图
图 5 闭环调速系统原理图 五、 仿真内容 1、调压电路 1 、调压电器的仿真模型
图 5-9 调压调速系统静态结构框图
图 6 (a 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 (b图的封装模型 2 、调压电路的搭建
图 7 调压电路模型 3 、参数的设定
Frequency of synchronization voltages(Hz:同步电压频率(赫 兹 50Hz Pulse width(degrees:触发脉冲宽度(角度 10 Double pulsing: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 0F 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 +120° 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 8 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 8所 示。其中图 8a 为 α=45°时调压器输出的波形,图 8b 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。
2、 异步电动机带风机泵类负载开环调压调速模块 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 50Hz 极对数 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 +120°
图 9 开环系统仿真模型 1触发角 α为 60°时得到的转速
图 10 α=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。
2触发角 α为 75°时得到的转速
图 11 α=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 10和图 11的触发角 α为 60°和 80°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。
3 改变电源电压, 电源电压为 150v, 触发角 α为 60°时得到的转
速
图 12 电源电压为 150v α=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 11和图 13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。
3、闭环调压
图 13 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,电流环 0.1,输出限幅 [60, -60]。 控制角调节范围 0~120.
图 14 闭环转速特性
图 14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 14 转速
从图 15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 15 控制角
从图 16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 17 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。
六、 总结体会
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。
七、 参考文献
【 1】王忠礼,段慧达,高玉峰。 MATLAB 应用技术 [M].北京 :清华大 学出版社, 2007.1
【 2】阮毅,陈伯时主编。电力拖动自动控制系统 [M].北京:机械工 业出版社, 2009.8
【 3】马宏忠,方瑞明,王建辉。电机学 [M].北京:高等教育出版社, 2009.1
