基于异步电机近似线性机械特性的闭环控制设计.doc

电力拖动自动控制系统-运动控制系统课程设计学院：水利电力学院 姓名： 班级：12级电气2班 学号： 题目： 基于异步电机近似线性机械特性的闭环控制设计 指导老师： 完成时间：2015年11月18日 目录1.概述31.1异步电动机的调速方法31.2调压调速的简介32.数据分析52.1三相异步电动机调压调速系统的电路52.2闭环调速的推导过程6（一）、转速调节器asr6（二）、晶闸管交流调压器和触发装置7（三）、测速反馈环节7（四）、异步电机近似传递函数71、异步电机近似的线性机械特性72、稳态工作点计算73、微偏线性化73.matlab仿真103.1整体仿真图形分析103.2系统中各元件详解113.3仿真图像14总结16参考文献171.概述1.1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 (1-1)其中为同步转速(r/min);为定子频率，也就是电源频率(hz);为磁极对数。可知；异步电动机有以下三种基本调速方法：(1) 改变定子极对数调速。(2) 改变电源频率调速。(3) 改变转差率调速。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。根据异步电动机的机械特性方程式 (1-3)其中 电动机的极对数,、电动机定子相电压和供电角频率,转差率,、定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻,、定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见，当转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性，如图2-2所示。在带恒转矩负载时，可以得到不同的稳定转速，如图中的a，b，c点，其调速范围较小，而带风机泵类负载时，可得到较大的调速范围，如图1-1中的d，e，f点。 图1-1 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，可得到较大的调速范围，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的13。2.数据分析2.1三相异步电动机调压调速系统的电路tg3m vtcgt asr给定图2-1 单闭环调压调速系统结构图 测速发电机tg测得电动机转速即测速发电机的un,当nu,将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，为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻,为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感,为电动机定子相电压和供电角频率,p 为电动机的极对数,s 为转差率其中， (3-1)式中， (3-2)在一般情况下，则c11,这相当于将上述假定条件改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成 (3-3)同步机械角转速 (3-4)2.2闭环调速的推导过程闭环变压调速系统的近似动态结构图对系统进行动态分析和设计时，先绘出动态结构图。由静态结构图可以得到动态结构图:（一）、转速调节器asr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 （二）、晶闸管交流调压器和触发装置装置的输入-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。传递函数可写成其近似条件是对于三相全波y联结调压电路，可取ts = 3.3ms,对其他型式的调压电路则须另行考虑。（三）、测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节fbs的传递函数可写成（四）、异步电机近似传递函数异步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。所以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。1、异步电机近似的线性机械特性已知电磁转矩为当 s 很小时，可以认为 且2、稳态工作点计算设a为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在a点，在a点附近有微小偏差时，te= tea+dte ，us = usa + dus ，而 s = sa + ds，代入上式。3、微偏线性化因为将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则两式相减得：已知转差率：其中w1是同步角转速，w是转子角转速，则得到：带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为：同理：可得在稳态工作点a附近的微偏量运动方程式为得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图：3np1rr2usasa3npu 2sas2 rrnp jsustetlw+-如果只考虑du1到dw之间的传递函数，可先取dtl = 0，图中小闭环传递函数可变换成：得到近似动态结构图如下：3np1rr2usasausw所以，异步电机的近似线性化传递函数为：化简得：式中 kma为异步电机的传递系数，tm为异步电机拖动系统的机电时间常数，由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即将以上传递函数组合成系统，如下图：ma异步电机 fbs测速反馈环节 wfbs(s) u*n(s)un(s)uc (s)-n(s)wasr(s)wgt-v (s)wma (s)us(s)其中： ， ，。电机模型中各项参数为：额定电压，额定电流 ，额定转速 。电枢回路的电磁时间常数，电力拖动系统机电时间常数。转速反馈系数。晶闸管的整流装置的放大系数 ，滞后时间常数。，,，,，。3.matlab仿真3.1整体仿真图形分析 图3-1图3-1便是这次整体设计的电路系统，仿真图形是一个单闭环调速的环；经过一系列的数学倒换最后将异步电机的调速方式变为和直流调速一样，整个体统中通过异步电机传输调节器信号改变调速方式。3.2系统中各元件详解图3-2图3-2为系统输入电压，在参数调节界面:step time中可以改变电压输出的延迟时间；initial value为电压初值一般默认为0；final value为最终电压大小，同归调节这项数据可改变电机转速。图3-3图3-3为比例放大器，作用是通过改变参数将输入的电压值放大至一定比例图3-4图3-4为调节器，通过调节器将各个元件链接成一个整体的系统（因为直流电机调速是单闭环调速时就只需要构成一型系统，所以按章直流电机调速的结构来调即可成为一型系统）。图3-5图3-5为积分环节，因为直流电机调速时需要经过一定比例的积分环节，在参数界面中可以调整式中分子和分母的大小，来改变整个积分环节的大小。图3-6图3-6为异步电机模型图3-7图3-7为反馈系数，转速的大小在经过该元件后相当于乘以一个系数反馈到(比较器)中，通过比较器收到的反馈与输入比较得到一个差量，使系统完成自我调节，最终转速得到稳定。图3-8图3-8为示波器，整个系统最终由示波器表达转速的大小，在不同的电压下，最后图像趋于稳定，即代表转速达到稳定，下图分别为不同的电压下图像终值。3.3仿真图像图3-9 10v电压下的仿真图像图3-10 15v电压下的仿真图像图3-11 20v电压下的仿真图像最终可以得到如下结论：（1） 启动阶段大约时间为0.18s，系统反应速度比较快，上升时间比较短。（2） 利用转速调节器的饱和特性，使得系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。（3） 由上图可知，这个曲线结果和实际电机运行的结果相似，系统的建模和仿真是成功的。总结在这次课程设计中，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，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