电机系统综合设计

1、东北石油大学课程设计课程 电机系统综合设计题目恒压频比控制电动机调速系统院系电气信息工程学院电气工程系专业班级电气15- 2班学生姓名刘旭学生学号 150603140210指导教师 高金兰孙文峰2018年10月26日东北石油大学课程设计任务书课程电机系统综合设计题目恒压频比控制电动机调速系统专业电气工程及其自动化 姓名 刘旭 学号 150603140210主要内容：设计恒压频比控制电动机调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成， 控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。 稳态指标是无静差，动态指标是电流超调量为5%以下，采用转速微分负反馈使转速超

2、 调量等于0。通过仿真验证系统具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。参考资料：1王毓东.电机学M.杭州:浙江大学出版社,1990. 任致程，任国雄.电动机软起动器实用手册M.中国电力出版社,2006.Endrejat F, Pillay P. The soft startersJ. Industry Applications Magazine, IEEE, 2008, 14(6): 27-37.刘利，王栋.电动机软起动器入门与应用实例M.中国电力出版社，2012.贝学威.异步电机软起动器设计与仿真D.武汉数字工程研究所，2013。完成期限 2018.10.15 至 2018.10.26指导教师高

3、金兰孙文峰专业负责人 徐建军 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1设计要求1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2系统设计方案的研究1 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.1系统的控制特性与系统要求1 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.2逆变主电路分析4 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 2.3系统实现方案分析5

4、HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3MATLAB模块设置及仿真6 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 3.1软件仿真6 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.2仿真结果8 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 4结论10 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 参考文献111设计要求1）可以调节同步频率、对数、转差率来调节异步电机的转速。2）调节时的机械特性也

5、会过软且呈现非线性。3）在负载一定的条件下，能保持气隙磁通的不变，所以能够很好的保持转差 率的不便，因此它的机械特性会比较硬，调速系统近似于直流电机，调速性能当 然能够保持的很好。2系统设计方案的研究2.1系统的控制特性与系统要求2.1.1电机转速设计根据异步电机的转速公式:（1）（2）n = 60f jn ,得到若是想可以调节同步频率、极对数、转差率来调节异步电机的转速，该系统运用的是变频调速，若是直接调节频率会导致气隙磁通的改变，导致过励磁，调节时的机械特性也会过软且呈现非线性，这里最主要的是保持气隙磁通在变频 的时候保持不变，这样转差率在气隙磁通不变的时候也会保持不变，这样才能保 证变频

6、调速的平滑线性，我们把U ,=恒定值的变频调速方式成为恒压频比的变 频调速。 S恒压频比控制电动机调速系统的变频调速是最基本的一种相对简单的控制方 式，能够满足一般系统的调速要求，使用起来也会变的方便。在低频段调速的时 候能够保持气隙磁通的恒定，在负载一定的条件下，能保持气隙磁通的不变，所 以能够很好的保持转差率的不便，因此它的机械特性会比较调速系统近似于异步 电机，调速性能当然能够保持的很好。从生产机械要求控制的物理量来看，电力 拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多 电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此， 调速系统是最基本的

7、电力拖动控制系统。电动机的转速和其它参量的关系用式（3）表示:（3）U - IRn =Ke式中:n电动机转速；U电枢供电电压；I电枢电流；R电枢回路总电阻，单位为Q ；K由电机机构决定的电势系数。在上式中，七是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可 以有三种方法：61）调节电枢供电电压U；2）减弱励磁磁通；3）改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方 式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速 的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁 升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改

8、变电压调速为主。根据生产机械的实际情况，为了实现无级调速，必须满足8 V 1%，a % 5%， 七% 10%的精度要求，选用晶闸管整流装置为电动机供电的方案。2.1.2异步电动机调速系统的性能指标根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态 调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范 围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系 统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。静态性能指标1）调速范围生产机械要求电动机在额定负载运

9、行时，提供的最高转速七密与最低转速 nmin之比，称为调速范围，用符号D表示，如式（4）所示：3nD x（4）nm i n2）静差率静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s来表示。具体 是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到 额定值时，对应的转速降落An与理想空载转速n之比，用式（5）表示： TOC o 1-5 h z ed0Ann n,、 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document s = x100% 构100%（5）nn显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，Aned越小，静差率就越小， 转速的稳定度

10、就越高。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性 的静差率是不同的。它们有相同的转速降落An =An ，但由于n *。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。在 1000r/min 时降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 时也降落 10r/min，就占 10%； 如果n只有10r/min，再降落10r/min时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。02.1.3动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指 标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入 信号的抗扰性能指标。1

11、.跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）人的作用下，系统输出量C的变化情况 可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通 常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程， 这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量七与稳态值七的 偏差越小越好，达到七的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升寸 间，超调量和调节时间：1）上升时间tr TOC o 1-5 h z 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值七所经过 的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。82）超调量Q %在典型的阶跃响应跟随系统中，输出

12、量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之 比，用百分数表示，叫做超调量，用式（6）表示：c c _,一、C % = max 8 X 100%（6）c8超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响 应比较平稳。3）调节时间ts调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应 该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统 来说，理论上要到t = 8才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是 这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取5% （或2% ）的范围作为 允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调

13、节时间。抗扰性能指标一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗 扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复 时间：1）动态降落Ac %系统稳定运行时：突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最 大降落值A%叫做动态降落，用输出量原稳态值1的百分数来表示。输出量在 动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值七2，（C引-七s是系统在该扰动作用下的稳 态降落。动态降落一般都大于稳态降落:即静差）：调速系统突加额定负载扰动 时的动态降落称作动态降落An %。max2）恢复时间tf从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值七2之差进入某

14、基准量c的5% （或2% ）范围之内所需的时间，定义为恢复时间;，其中c称 bfb为抗扰指标中输出量的基准值。实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求 而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。2.2逆变主电路分析2.2.1三相逆变器输出电压和波形SPWM控制常用逆变主电路如图1所示图中T1到T6是逆变器的六个功率开关器件，各 有一个续流二极管与之反并联接，整个逆变器由三相整流器组成，并且由直流电 源来保证电枢电压。SPWM的触发电路是由三相对称的正弦电压信号与三角载波信 号比较而成，其中由三相对称正选电压信号的频率决定逆变器输出的基波频率。 三角波用来做载波

15、信号用来分别与每相参考电压比较后，给出施加触发信号，还 是不施加，从而产生SPWM脉冲序列波，这列矩形触发波形将会触发电路。当v （正弦波幅值）v （三角载波幅值）时和VT被驱动，同时和被截 rc14止，相反正弦波幅值三角载波幅时VT和VT被截止,VT和VT被驱动，根据图1 1424的电路以及驱动的方式便可以得到的输出波形，由图形可知输出的波形幅值相同， 宽度不同,根据冲量等效原理便可等效成正选电压波。电路图如下：2.2.2异步电机的变频调速原理基频以下调速由于采用的是恒压频比的调速方式，在基频以下时外加电压也 会随着频率的下降而下降，但是在低频时气 和 都比较小，定子电阻和漏感压 降就不能再

16、忽略，这时可以人为的把定子电!压U抬高一些，以做补偿，基本关系 图如下所示： 图2恒压频比控制特性此式表明，对于同一恒定负载要求，即以一定的转速在一定的负载转矩下运 行时，电压和频率可以有多种不同的组合，其中频率与输入电压要求比之一定恒 值，这也是最容易实现的。它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好， 能满足一般的调速要求。但是低速带载能力还较差，需对定子压降实行补偿。2.3系统实现方案分析首先采用三相双极性SPWM逆变电路产生三相交流电源，全控型器件可以选用 IGBT，这样通过调节外加直流电源的大小便可获的理想的输出交流电压源幅值， 然后通过改变给定的频率信号来变异步电机的转速，基本模

17、型如下图所示：图3原理框图SPWM脉宽调制过程，三角波与正弦波的交点决定脉宽电压的宽度。当改变 频率后，由于交点的改变，脉宽的宽度也相应的改变，从而改变输出的电压。异步电机的调速有多种方法，转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速 最基本的一种控制转速方式，在一般的变频调速装置里面都嵌入有这项功能，工 作方式为恒压频比的调速方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，使 用起来也相对方便，是通用变频器的基本模式。但在低压时候需要一定的补偿电 压，采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中的转差率会保持不变，电动机 的所以会机械特性会相对较硬，电动机有较好的调速性能。3 MATLAB模块设置及仿

18、真3.1软件仿真直流经过逆变后变成三相交流电，经过相位调节后送给电动机，通过示波器 可以观察转子电流，定子电流，转速和转矩的波形，也可以观察磁链动态变化图。 其中三相电动机用鼠笼式，在测量时可以用软件提供的模块测量相应的量。以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱，从元件库 中选取所需的元件，连接好原理图，加上激励源，如图4所示：图4电机调速系统图5脉宽电压的宽度该图为SPWM脉宽调制过程，三角波与正弦波的交点决定脉宽电压的宽度。 当改变频率后，由于交点的改变，脉宽的宽度也相应的改变，从而改变输出的电 压。正选脉冲宽度调制三相逆变电路，是一种以三角波做载波的应用冲量

19、等效原 理而获得理想交流电源的电路装置，在调制比与载波比一定的条件下，通过调节 外加直流电源的大小就可以获得在额定频率下产生额定电压的正选电压波，通过 调节正弦波的频率就可以得到理想的电压频率波，而且调节输入正弦波的频率能 得到线性的输出电压幅值。MATLAB在电气领域中的运用随处可见，在这里可以 运用MATLAB里的simulink仿真出具体的模型，通过示波器来观察具体的波形，从而进行进一步的分析。笼式三相异步电动机结构相比绕线式异步电机而言结构简单、运行可靠、重 量轻、最为关键的是价格要相对便宜，从而使用量很大，但其主要问题是调速问 题一直得不到很好的解决。正由于此，通过此的课程设计，来加

20、深对三相异步电 机的变频变压调速问题的认识，深化理论知识的学习。3.2仿真结果输入频率选择为50HZ，该模块为模拟输入频率信号。其中三角载波为双极 性，频率为750Hz。仿真参数：逆变器直流输入电压621V，逆变器采用IGBT和 续流二极管反并联构成的三该图为Out示波器的仿真波形，有图形可以看出，当 输入频率选择为50HZ时，前2s的时间里输出波形从0到50线性变化，有仿真模 块可以计算出由于饱和上线为10，后面存在积分环节，输入信号为50，110dt = 50， 可知t=5s。相桥式电路，异步电动机采用MATLAB/Simulink模块集中默认异步 电动机（SI）模型，额定负载转矩为14.

21、795N.m，仿真采用周期为T=1e-005s.观 察图形可知系统比较稳定，并且可以通过电压频率协调控制调节转速，符合设计 要求。交流变频调速系统是恒转矩调速，但交流变频调速调速范围比较大，调速 性能比较好，效率也更高。图6磁链输出波形图7V示波器图像通过仿真可知：以近似为一条直线，0.2秒左右时的稳定速度为1400左右， 定子电流小于负载电流时速度开始下降，到1000左右后稳定，电磁转矩的仿真图， 由于异步电机负载很小，所以电磁转矩近似为0。电磁转矩的仿真图，由于异步电机没有负载的存在所以电磁转矩近似为0Uab 的有效值波形，由该图可知，随着时间的增加，频率的上升，Uab有效值也随之上 升，

22、这样才能证U/F的值保持恒定，仿真结果与分析结果相同。Uab实际输出波形，符合双极性SPWM输出波形的规律。实际波形非常接近于理 论分析的波形，根据三相调制信号，PWM发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器 得到频率跟幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定的要求起动和运行。在给 定频率为5 0Hz，起动时间为2s的情况下，仿真结果如以上各图所示，由波形 可以得到，在频率变化的边界上，正玄调制的信号和转速波形都发生了不同程度 的畸变，这是因为频率变化的时刻不一定发生在一个调制信号的周期末尾，在周 期信号还未结束的时候，频率就已经发生了跳变，就可能使得下一个信号的前半 个周期变得宽或者窄，是相应的一周

23、期频率变小或者变大，观察图形可知系统比 较稳定，并且可以通过电压频率协调控制调节转速，符合设计要求。交流变频调速系统是恒转矩调速，但交流变频调速调速范围比较大，调速性 能比较好，效率也更高。交流调频调速属于转差不变型调速系统，无论转速高低， 转差功率的消耗基本不变。所以变频调速应用更广，可以构成高动态性能的交流 调速系统，取代直流。4结论本课程设计就恒压频比控制电动机调速系统进行原理图设计，使用MATLAB 软件进行了仿真，验证了设计的合理性和可行性。具体内容包括：设计了基于恒压频比控制电动机调速系统的模型，包括速度环和电流环的 设计；在负载一定的条件下，能保持气隙磁通的不变，所以能够很好的保

24、持转差 率的不便，因此它的机械特性会比较硬，调速系统近似于直流电机，调速性能当 然能够保持的很好，及参数的计算；利用MATLAB软件进行了仿真，仿真结果表明：转速和电流满足设计所 需的静、动态性能指标，满足设计要求；通过这次设计，我基本掌握了基于恒压频比控制电动机调速系统的设计。并 掌握了 ASR的作用，它是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差的，其输出限 幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压 的波动。此次双闭环不可逆直流调速系统的设计使我受益匪浅。参考文献王毓东.电机学M.杭州:浙江大学出版社,1990.任致程,任国雄.电动机软起动器实用手册M.中国电力出版社,2006.Endrejat F, Pillay P. The soft startersJ. Industry Applications Magazine, IEEE, 2008, 14（6）: 27-37.刘利，王栋.电动机软起动器入门与应用实例M.中国电力出版社，2012.贝学威.异步电机软起动器设计与仿真D.武汉数字工程研究所，2013。郭永亮.达拉特发电厂330MW机组低加疏水调速系统应用研究D.华北电 力大学（河北）,2010.陈伯时.电力拖动自动控制系统（第三版）M.机械工业出版社，2