三相异步电动机调压调速系统.docx
- 文档编号:29047411
- 上传时间:2023-07-20
- 格式:DOCX
- 页数:32
- 大小:1.66MB
三相异步电动机调压调速系统.docx
《三相异步电动机调压调速系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三相异步电动机调压调速系统.docx(32页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
三相异步电动机调压调速系统
摘 要 I
1 概述 1
1.1 三相异步电动机的调速方法 2
1.2 调压调速的简介 2
1.3 课程设计的要求 3
2 三相异步电动机调压调速系统的组成 4
3 三相异步电动机调压调速系统的设计和实现 7
3.1 三相异步电动机调压调速系统的电路 7
3.2 三相异步电动机在不同电压的机械特性 8
3.3 闭环调速结构图 9
3.4 系统各部分参数的计算 9
4 三相异步电动机调压调速系统的仿真 12
4.1MATLAB 仿真的介绍 12
4.2 三相异步电动机调压调速系统的仿真图 13
4.3 系统各部分的参数 14
4.4 仿真效果图 16
5 实物连线图 17
总结 18
参考文献 19
摘 要
本课程设计介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分,并着重讲述了
)
三相异步电动机(M 、测速发电机(TG)、晶闸管交流调压器(TVC)的简
单的工作原理。
在了解异步电动机调压调速的基本原理的基础上,设计了异步电
动机单闭环调压调速系统的结构原理图。
还将调压调速与其他的调速方法相比,
所具有的优点以及不足之处。
以转速单闭环调压调速系统为例,基于 Matlab 语言开发仿真软件,并进行
仿真实验。
关键词:
调压调速;MATLAB;三相异步电动机
1 概述
直流电力拖动和交流电力拖动在 19 世纪先后诞生。
在 20 世纪上半叶的年
代里,鉴于直流拖动具有优越的调速性能,高性能可调速拖动都采用直流电机,
而约占电力拖动总容量 80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机,这种分工在
一段时期内已成为一种举世公认的格局。
交流调速系统的多种方案虽然早已问
世,并已获得实际应用,但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。
直到 20 世纪 60-70 年代,随着电力电子技术的发展,使得采用电力电子变
换器的交流拖动系统得以实现,特别是大规模集成电路和计算机控制的出现,高
性能交流调速系统便应运而生,一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能
分工的格局终于被打破了。
交流调速系统的应用领域主要有三个方面:
●一般性能的节能调速
●高性能的交流调速系统和伺服系统
●特大容量、极高转速的交流调速
(1)一般性能的节能调速
在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中,风机、水泵等通用机械的容量几
乎占工业电力拖动总容量的一半以上,其中有不少场合并不是不需要调速,只是
因为过去的交流拖动本身不能调速,不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的
流量,因而把许多电能白白地浪费了。
如果换成交流调速系统,把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来,每台风机、
水泵平均都可以节约 20-30%以上的电能,效果是很可观的。
(2)高性能的交流调速系统和伺服系统
许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动,鉴于交流电机比直流
电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高,如果改成交
流拖动,显然能够带来不少的效益。
但是,由于交流电机原理上的原因,其电磁
转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。
(3)特大容量、极高转速的交流调速
直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过 106 kw r / min ,超过
这一数值时,其设计与制造就非常困难了。
交流电机没有换向器,不受这种限制,因此,特大容量的电力拖动设备,以
及极高转速的拖动,如高速磨头、离心机等,都以采用交流调速为宜。
1.1 三相异步电动机的调速方法
异步电机的调速方法有不少,根据异步电机的转速公式
n = n (1 - s ) = 60 f / p (1 - s ) (1.1)
11
其中 n 为同步转速(r/min); f 为定子频率,也就是电源频率(Hz); p 为磁极
11
对数。
可知;异步电动机有以下三种基本调速方法:
(1)改变定子极对数 p 调速。
(2)改变电源频率 f 调速。
1
(3)改变转差率 s 调速。
1.2 调压调速的简介
由电力拖动原理可知,当异步电机等效电路的参数不变时,在相同的转速下,
电磁转矩与定子电压的平方成正比,因此,改变定子外加电压就可以改变机械特
性的函数关系,从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
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。
为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型
电动机,如专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。
为了扩大稳定运行范围,当调速在 2:
1 以上的场合应采用反馈控制以达到自动
调节转速目的。
调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源,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。
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
在异步电动机调速方法中,变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知,当异步电机等效电路的参数不变时,在相同的转速下,
电磁转矩与定子电压的平方成正比,因此,改变定子外加电压就可以改变机械特
性的函数关系,从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
调压调速的机械特性如图 3.2 所示。
由图可以看出,随着定子电压的降低,
机械特性变软,而且最大转矩也减小很多,这样就降低了电机的过载能力。
若负
载稍有波动,电机就可能停转。
因此对于恒转矩负载,其调速范围很小。
若用于
通风机类负载,可以得到较大的调速范围。
图 3.2 电机调压调速机械特性
但在低速时磁通量较小,会使转子电流较大,电机发热问题就会变得严重。
为了克服上述调压调速中存在的问题,通常采用以下方法。
(1)采用转子电阻较大的高转差率笼型电动机、实心转子电动机或双层转子
电动机,以获得较宽的调速范围。
(2)对于笼型的电动机可采用速度负反馈闭环调压调速系统。
如图 3.2 所示。
这时的机械特性硬度较大,可以得到平滑调速和较大调速范围。
1.3课程设计的要求
1) 了解并熟悉三相异步电动机调压调速系统的组成及原理;
2) 主回路设计;整流滤波电路设计计算;逆变桥主电路设计计算;
3) 控制回路的设计;
4) 元器件的选型和参数计算;
5) 系统应用与调试说明;
6) 按照要求完成课程设计报告。
2 三相异步电动机调压调速系统的组成
三相异步电动机转速单闭环调压调速是一种典型的转差功率消耗型调速系
统。
图 2.1 为交流电机转速单闭环变压调速的电路。
图 2.1 交流电机转速单闭环变压调速电路
交流调压调速是一种比较简便的调速方法。
常见的异步电动机调压调速系统
。
由以下六大基本部分组成:
转速调节器(ASR)、触发装置(GT)、晶闸管交流
调压器(TVC)、测速发电机(TG)、三相异步电动机(M)
这里主要介绍三相异步电动机(M)的结构,和测速发电机(TG)、晶闸管
交流调压器(TVC)的具体结构以及工作原理。
(1)三相异步电动机(M)
三相异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相
互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。
异
步电动机按照转子结构分为两种形式:
有鼠笼式、绕线式异步电动机。
作电动机
运行的异步电机。
因其转子绕组电流是感应产生的,又称感应电动机。
异步电动
机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种
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 n 称为同步转速。
它与电网的频
1
率 f 及电机的磁极对数 P 的关系为:
1
n
1
60 f / P
1
(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 n ,只有这样,转子绕组才能产生
1
电磁转矩,使电动机旋转。
如果 n = n ,转子绕组与定子磁场之间无相对运动,
1
则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生,可见 n ≤ n 是异步电动机工作的必
1
要条件。
(2)交流测速发电机(TG)
主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。
励磁
绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差 90°电角度。
杯形转子是由非磁性材
料制成。
当转子不转时,励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直,
输出绕组不感应电动势;当转子转动时,由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线
重合,在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速,而频率和励磁电
压频率相同,与转速无关。
反转时输出电压相位也相反。
杯形转子是传递信号的
关键,其质量好坏对性能起很大作用。
由于它的技术性能比其他类型交流测速发
电机优越,结构不很复杂,同时噪声低,无干扰且体积小,是目前应用最为广泛
的一种交流测速发电机。
(3)晶闸管交流调压器(TVC)
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 2.2 Y 型连接图
图 2.3△形连接
电机绕组星型联接时的三相分支双向控制电路用三对晶闸管反并联或三个
双向晶闸管分别串接在每相的绕组上。
调压时用相位控制。
当负载电流流通时,
至少有一相的正向晶闸管和另一相的反向晶闸管同时导通,所以要求各晶闸管的
触发脉冲宽度都大于 60°。
或者采用双脉冲触发。
最大移相范围为 150°.移相调
压时,输出电压中含有奇次谐波,其中以奇次谐波为主。
如果电机绕组不带零线,
则三次谐波电势虽然存在,却不会有三次谐波电流。
由于电机绕组属于感性负载,
电流波形会比电压波形平滑些。
但仍含有谐波,从而产生脉动转矩和附加损耗等
不良影响,这是晶闸管调压电路的缺点。
3 三相异步电动机调压调速系统的设计和实现
3.1 三相异步电动机调压调速系统的电路
给
定
ASR GT VTC
TG
3M
图 3.1 单闭环调压调速系统结构图
将
测速发电机 TG 测得电动机转速即测速发电机的 u∝n,当 n↑→u↑ u 与
给定电压比较得到一个电压变化值,将这个变化值作为放大器的输入端,经放大
后的输出为触发器的发出信号,使触发器发出一定相位的脉冲,晶闸管调压器就
输出一定值的电压,调节给定电压的大小就可以得到不同输出电压,从而达到调
速的目的。
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,
T =
e
3 pU 2 R' / s
1 2
ω [( R + R' / s)2 + ω2 ( L + L )2 ]
1 1 2 1 l1 l 2
R , R ' 为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻
12
'
L , L 为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感
l1l 2
U , ω 为电动机定子相电压和供电角频率
11
P 为电动机的极对数
S 为转差率
其中,I ' =U s
r
s1
式中,
2
(3.1)
C = 1 + Rs + jω1 Lls ≈ 1 +
1
1m
L
ls
L
m
(3.2)
在一般情况下, L >> L ' ,则 C1≈1,这相当于将上述假定条件改为忽略铁
mlr
损和励磁电流。
这样,电流公式可简化成
I ≈ I ' =U s
sr
同步机械角转速ω= ω
m1
p
1 ls lr
2
(3.3)
(3.4)
3.2三相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。
图 3.2 异步电动机在不同电压的机械特性
带恒转矩负载 TL 时,可得不同的稳定转速,如图 3.2 中得 A,B,C 点。
由
于普通异步电动机工作段转差率 S 很小,因此对轻负载来说调速范围很小。
对
风机泵类机械,采用调压调速则可得到较大的调速范围。
3.3 闭环调速结构图
给定
U n +
U n
调节器
U
ct
晶闸管 U
调压装置
1
异步
电动机
n
转速反馈装置
图 3.3 闭环调 静态 图
图5-9 调压调速系统速结构结构框图
调压调速,就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性的函数关系,达到
将
改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。
测速发电机 TG 测得电动机转速即测
速发电机的 u∝n,当 n↑→u↑ u 与给定电压比较得到一个电压变化值,将这
个变化值作为放大器的输入端,经放大后的输出为触发器的发出信号,使触发器
发出一定相位的脉冲,晶闸管调压器就输出一定值的电压,调节给定电压的大小
就可以得到不同输出电压,从而达到调速的目的。
3.4 系统各部分参数的计算
转速调节器 ASR 常用 PI 调节器,用以消除静差并改善动态性能,其传递
函数为
W
ASR
(s) = K
n
τ s + 1
n
τ s
n
(3.5)
晶闸管交流调压器的触发装置的输入 -输出关系原则上是非线性的,在一定
范围内可假定为线性函数,在动态中可以近似成一阶惯性环节,正如直流调速系
统中的晶闸管触发和整流装置那样。
传递函数可写成
W
GT -V
(s) = K s
T s + 1
s
(3.6)
其近似条件是
ω
c ≤ T (3.7)
s
考虑到反馈滤波作用,测速反馈环节 ASR 的传递函数可写成
W
ASR
(s) = α
on
交流电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的,要用一个传递函数来
准确地表示它的输入输出关系是不可能的。
在这里,可以先在一定的假定条件下,用稳态工作点附近的微偏线性化方法
求出一种近似的传递函数。
由式(3.9)已知电磁转矩为
T =3npU 2 Rr / s
e
11lslr
当 s 很小时,可以近似认为
2
(3.9)
R <<
s
R ' R '
+ L ) << r
1 ls lr
后者相当于忽略交流电机的漏感电磁惯性。
在此条件下,
T ≈ 3np
e
1r
U 2
s
(3.10)
这是在上述条件下交流电机近似的线性机械特性。
设 A 为近似线性机械特性上的一个稳态工作点,则在 A 点上
1r
p
ω R '
U 2 s (3.11)
sA
A 点附近有微小偏差时,Te= TeA+ΔTe,Us = UsA +ΔUs,而 s = sA + Δs,
代入式(3.11)得
ω R
T+ ∆T ≈ 3np
eAe
1
'
r
(U
sA
+ ∆U ) 2 (s + ∆s) (3.12)
s A
将上式展开,并忽略两个和两个以上微偏量的乘积,则
ω R '
T+ ∆T ≈ 3np
eAe
1r
(U 2 s + 2U s ∆U + U 2 ∆s) (3.13)
sA A sA A s sA
从式(3.13)减去(3.12),得
∆T ≈ 3np
e
1r
(2U s ∆U + U 2 ∆s) (3.14)
sA A s sA
已知转差率 s = 1 - ω ,其中 ω 是同步角转速,ω是转子角转速,则
ω1
1
∆s = - ∆ω
ω
1
将式(3.15)带入(3.14),得到
(3.15)
esA As
1 r
p
U 2
sA
ω
1
∆ω) (3.16)
ndt
ndt
式(3.16)就是在稳态工作点附近微偏量 ΔTe 与 ΔUs 和 Δω间的关系。
带恒转矩负载时的电力拖动系统运动方程式为
T - T = J dω(3.17)
eL
p
按照上述相同的方法处理,可以得到稳态工作点 A 附近的偏微量运动方程式
为
∆T - ∆T = J d(∆ω )(3.18)
eL
p
4三相异步电动机调压调速系统的仿真
4.1MATLAB 仿真的介绍
MATLAB 是由美国发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计
的高科技计算环境。
它将数值分析、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模
和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设
计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在
很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式,代表了当今国际科学
计算软件的先进水平。
MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作:
●数值分析
●数值和符号计算
●工程与科学绘图
●控制系统的设计与仿真
●数字图像处理技术
●数字信号处理技术
●通讯系统设计与仿真
特点;
1) 高效的数值计算及符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解
脱出来;
2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;
3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌
握;
4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提
供了大量方便实用的处理工具。
4.2三相异步电动机调压调速系统的仿真图
4.2.1 闭环调压调速系统仿真模型
图 4.2.1 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上图所示,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。
这种调速方法
既不是恒转矩调速,也不是恒功率调速。
如果拖动恒转矩负载,而转速又较低时,
损耗将增加,不宜于长期低速运行。
如果拖动风机类负载,随着转速的降低负载
转矩减小,电动机输出转矩也相应减小,从而减小了损耗,所以这种调速方法更
适合于与风机类负载相配合。
异步电动机调压调速通常适用于绕线型异步电动
机。
4.2.2 调压电路仿真模型
图 4.2.2 调压电路模型
晶闸管交流调压的触发电路在原理上与晶闸管整流所用的触发电路使相同
的,只是要使每周期输出的两个脉冲彼此没有公共点且要有良好的绝缘。
晶闸管进行调压时,负载电流为非正弦波。
非正弦波信号中必有谐波分量存
在,谐波分量不仅与触发角有关,还与电路的结构有关。
4.3系统各部分的参数
1.交流峰值电压为 220V,初相位为 0,频率为 50Hz,其他参数为默认值,
如下图所示。
图 4.3.1 电源参数
2.
触发脉冲宽度(角度)10 0 ,频率为 50Hz.
图 4.3.2 触发脉冲宽度参数图
3.PI 环节的参数如下图所示
图 4.3.3PI 的参数
定子相绕组电阻 RS=9.34 Ω 转子相绕组电阻 R =5.51 Ω
4.4仿真效果图
已知电机的参数;
电机功率 P=1.2KW,相电压 U=220V
r
定子绕组自感 Ls=0.521H转子绕组自感 Lr=0.495H
定转子之间的互感 Lm=0.438H极对数 P=2
转动惯量 J=0.0024kg.m2额定转速 ne=2400r/min
电压为 220v,转速给定为 1000 转每分钟,从图中可以发现转速给定为 1000
转每分钟,转速在 3S 时达到稳定状态,转速维持在 1000 转每分钟,只要负载
不变,转速不发生变换。
图 4.4 仿真结果图
5 实物连线图
按照原理图,在实验台上把各个部分的线连接好后,如下图所示。
图 5.1 实物连线图
总结
在这次为期两周的课程设计中,我学到很多东西,让我对交流调速、电力电
子技术、电机拖动有了更深刻的理解,,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。
熟练掌握 MATLAB/SIMULINK 仿真软件的使用,能够根据系统数学模
型使用 MATLAB 软件提供的电力系统工具箱建立控制系统仿真模型,熟练掌
握调速系统数字仿真方法与手段。
这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多编程问题,最后在老师
的辛勤指导下,终于迎刃而解。
同时,在老师的身上我学得到很多实用的知识,
在此我表示感谢!
同时,对给过我帮助的同学和老师再次表示忠心的感谢!
参考文献
[1]陈伯时,电力拖到自动控制系统[M].北京:
机械工业出版社,2003
[2]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,2002.5
[3]魏炳贵,电力拖动基础[M],上海,上海工程技术大学出版社,2000
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 三相 异步电动机 调压 调速 系统