基于異步電機(jī)近似線性機(jī)械特性的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)學(xué)院：水利電力學(xué)院 姓名： 班級(jí)：12級(jí)電氣2班 學(xué)號(hào)： 題目： 基于異步電機(jī)近似線性機(jī)械特性的閉環(huán)控制設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間：2015年11月18日 目錄1.概述31.1異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法31.2調(diào)壓調(diào)速的簡(jiǎn)介32.數(shù)據(jù)分析52.1三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電路52.2閉環(huán)調(diào)速的推導(dǎo)過(guò)程6（一）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr6（二）、晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置7（三）、測(cè)速反饋環(huán)節(jié)7（四）、異步電機(jī)近似傳遞函數(shù)71、異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性72、穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算73、微偏線性化73.matlab仿真103.1整體仿真圖形分析103.2系統(tǒng)中各元件詳解11

2、3.3仿真圖像14總結(jié)16參考文獻(xiàn)171.概述1.1異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法異步電機(jī)的調(diào)速方法有不少，根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 (1-1)其中為同步轉(zhuǎn)速(r/min);為定子頻率，也就是電源頻率(hz);為磁極對(duì)數(shù)?？芍划惒诫妱?dòng)機(jī)有以下三種基本調(diào)速方法：(1) 改變定子極對(duì)數(shù)調(diào)速。(2) 改變電源頻率調(diào)速。(3) 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。1.2調(diào)壓調(diào)速的簡(jiǎn)介由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，由于電

3、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場(chǎng)合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓器(tvc)等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。交流調(diào)壓器一般用三對(duì)晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)雙向晶閘管分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位控制改變輸出電壓。調(diào)在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法中，變壓調(diào)速是異

4、步電機(jī)調(diào)速方法中比較簡(jiǎn)便的一種。由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式 (1-3)其中 電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù),、電動(dòng)機(jī)定子相電壓和供電角頻率,轉(zhuǎn)差率,、定子每相電阻和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻,、定子每漏感和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。改變定子電壓可得到一組不同的人為機(jī)械特性，如圖2-2所示。在帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，可以得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖中的a，b，c點(diǎn)，其調(diào)速范圍較小，

5、而帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載時(shí)，可得到較大的調(diào)速范圍，如圖1-1中的d，e，f點(diǎn)。 圖1-1 異步電動(dòng)機(jī)在不同定子電壓時(shí)的機(jī)械特性所謂調(diào)壓調(diào)速，就是通過(guò)改變定子外加電壓來(lái)改變電磁轉(zhuǎn)矩，可得到較大的調(diào)速范圍，從而在一定的輸出轉(zhuǎn)矩下達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的13。2.數(shù)據(jù)分析2.1三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電路tg3m vtcgt asr給定圖2-1 單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 測(cè)速發(fā)電機(jī)tg測(cè)得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即測(cè)速發(fā)電機(jī)的un,當(dāng)nu,將u與給定電壓比較得到一個(gè)電壓變化值，將這個(gè)變化值作為放大器的輸入端，經(jīng)放大后的輸出為觸發(fā)器的發(fā)出信號(hào)，使觸發(fā)器發(fā)出一定相位的脈沖，晶閘管調(diào)壓器就輸出一定值的電壓，調(diào)節(jié)給定電壓的大

6、小就可以得到不同輸出電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 調(diào)壓調(diào)速即通過(guò)調(diào)節(jié)通入異步電動(dòng)機(jī)的三相交流電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法。理論依據(jù)來(lái)自異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式：其中，為定子每相電阻和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻,為定子每相漏感和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感,為電動(dòng)機(jī)定子相電壓和供電角頻率,p 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù),s 為轉(zhuǎn)差率其中， (3-1)式中， (3-2)在一般情況下，則c11,這相當(dāng)于將上述假定條件改為忽略鐵損和勵(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成 (3-3)同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速 (3-4)2.2閉環(huán)調(diào)速的推導(dǎo)過(guò)程閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，先繪出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

7、可以得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖:（一）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr常用pi調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動(dòng)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為 （二）、晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非線性的，在一定范圍內(nèi)可假定為線性函數(shù)，在動(dòng)態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣。傳遞函數(shù)可寫(xiě)成其近似條件是對(duì)于三相全波y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取ts = 3.3ms,對(duì)其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。（三）、測(cè)速反饋環(huán)節(jié)考慮到反饋濾波作用，測(cè)速反饋環(huán)節(jié)fbs的傳遞函數(shù)可寫(xiě)成（四）、異步電機(jī)近似傳遞函數(shù)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個(gè)傳遞函數(shù)來(lái)準(zhǔn)確地表示它的輸入輸

8、出關(guān)系是不可能的。所以可以先在一定的假定條件下，用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。1、異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性已知電磁轉(zhuǎn)矩為當(dāng) s 很小時(shí)，可以認(rèn)為 且2、穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算設(shè)a為近似線性機(jī)械特性上的一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，則在a點(diǎn)，在a點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)，te= tea+dte ，us = usa + dus ，而 s = sa + ds，代入上式。3、微偏線性化因?yàn)閷⑸鲜秸归_(kāi)，并忽略兩個(gè)和兩個(gè)以上微偏量的乘積，則兩式相減得：已知轉(zhuǎn)差率：其中w1是同步角轉(zhuǎn)速，w是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則得到：帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：同理：可得在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)a附近的微偏量運(yùn)動(dòng)方程式為得異步電

9、機(jī)在忽略電磁慣性時(shí)的微偏線性化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：3np1rr2usasa3npu 2sas2 rrnp jsustetlw+-如果只考慮du1到dw之間的傳遞函數(shù)，可先取dtl = 0，圖中小閉環(huán)傳遞函數(shù)可變換成：得到近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：3np1rr2usasausw所以，異步電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)為：化簡(jiǎn)得：式中 kma為異步電機(jī)的傳遞系數(shù)，tm為異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉(zhuǎn)體的機(jī)電慣性，異步電機(jī)便近似成一個(gè)線性的一階慣性環(huán)節(jié)，即將以上傳遞函數(shù)組合成系統(tǒng)，如下圖：ma異步電機(jī) fbs測(cè)速反饋環(huán)節(jié) wfbs(s) u*n(s)un(s)uc (s)-n(s)w

10、asr(s)wgt-v (s)wma (s)us(s)其中： ， ，。電機(jī)模型中各項(xiàng)參數(shù)為：額定電壓，額定電流 ，額定轉(zhuǎn)速 。電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。晶閘管的整流裝置的放大系數(shù) ，滯后時(shí)間常數(shù)。，,，,，。3.matlab仿真3.1整體仿真圖形分析 圖3-1圖3-1便是這次整體設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)，仿真圖形是一個(gè)單閉環(huán)調(diào)速的環(huán)；經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)倒換最后將異步電機(jī)的調(diào)速方式變?yōu)楹椭绷髡{(diào)速一樣，整個(gè)體統(tǒng)中通過(guò)異步電機(jī)傳輸調(diào)節(jié)器信號(hào)改變調(diào)速方式。3.2系統(tǒng)中各元件詳解圖3-2圖3-2為系統(tǒng)輸入電壓，在參數(shù)調(diào)節(jié)界面:step time中可以改變電壓輸出的延遲時(shí)間；in

11、itial value為電壓初值一般默認(rèn)為0；final value為最終電壓大小，同歸調(diào)節(jié)這項(xiàng)數(shù)據(jù)可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖3-3圖3-3為比例放大器，作用是通過(guò)改變參數(shù)將輸入的電壓值放大至一定比例圖3-4圖3-4為調(diào)節(jié)器，通過(guò)調(diào)節(jié)器將各個(gè)元件鏈接成一個(gè)整體的系統(tǒng)（因?yàn)橹绷麟姍C(jī)調(diào)速是單閉環(huán)調(diào)速時(shí)就只需要構(gòu)成一型系統(tǒng)，所以按章直流電機(jī)調(diào)速的結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)即可成為一型系統(tǒng)）。圖3-5圖3-5為積分環(huán)節(jié)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)調(diào)速時(shí)需要經(jīng)過(guò)一定比例的積分環(huán)節(jié)，在參數(shù)界面中可以調(diào)整式中分子和分母的大小，來(lái)改變整個(gè)積分環(huán)節(jié)的大小。圖3-6圖3-6為異步電機(jī)模型圖3-7圖3-7為反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速的大小在經(jīng)過(guò)該元件后相當(dāng)于乘以一個(gè)

12、系數(shù)反饋到(比較器)中，通過(guò)比較器收到的反饋與輸入比較得到一個(gè)差量，使系統(tǒng)完成自我調(diào)節(jié)，最終轉(zhuǎn)速得到穩(wěn)定。圖3-8圖3-8為示波器，整個(gè)系統(tǒng)最終由示波器表達(dá)轉(zhuǎn)速的大小，在不同的電壓下，最后圖像趨于穩(wěn)定，即代表轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，下圖分別為不同的電壓下圖像終值。3.3仿真圖像圖3-9 10v電壓下的仿真圖像圖3-10 15v電壓下的仿真圖像圖3-11 20v電壓下的仿真圖像最終可以得到如下結(jié)論：（1） 啟動(dòng)階段大約時(shí)間為0.18s，系統(tǒng)反應(yīng)速度比較快，上升時(shí)間比較短。（2） 利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和特性，使得系統(tǒng)保持恒定最大允許電流，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)建立轉(zhuǎn)速，在退飽和實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差特性

13、。（3） 由上圖可知，這個(gè)曲線結(jié)果和實(shí)際電機(jī)運(yùn)行的結(jié)果相似，系統(tǒng)的建模和仿真是成功的?？偨Y(jié)在這次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到很多東西，讓我對(duì)交流調(diào)速、電力電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)有了更深刻的理解，有些表面上看起來(lái)比較簡(jiǎn)單的東西，實(shí)際做起來(lái)的就不像那么簡(jiǎn)單了，要考慮諸多參數(shù)的配合。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)檎n題要求是調(diào)壓調(diào)速，先觀察帶電阻負(fù)載時(shí)，調(diào)壓器輸出的波形，通過(guò)修改參數(shù)終于使得調(diào)壓器輸出的波形與理論相同。接著，異步電動(dòng)機(jī)帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載開(kāi)環(huán)調(diào)壓調(diào)速。然后，確定調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的性能大大提高。熟練掌握matlab/simulink仿真軟件的使用，能夠根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型使用matlab軟件提供的電力系統(tǒng)工具箱建立控制系統(tǒng)仿真模型，熟練掌握調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字仿真方法與手段。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問(wèn)題，最后在