電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計-異步電動機閉環(huán)控制晶閘管調壓調速系統(tǒng)設計

1、武漢理工大學電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計說明書異步電動機閉環(huán)控制晶閘管調壓調速系統(tǒng)設計摘要現(xiàn)代電力電子技術興起后，晶閘管調壓調速已經占據(jù)了異步電機調速的主導地位。在本系統(tǒng)設計過程中利用偏微分和近似線性化處理的方法來獲得異步電動機的等效數(shù)學模型，從而得到了異步電動機的線性一階慣性等效數(shù)學模型。閉環(huán)系統(tǒng)設計過程中調節(jié)器采用PI調節(jié)器以實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差以及動態(tài)性能的要求。最后用西門子最佳系統(tǒng)和系統(tǒng)的近似處理方法得到系統(tǒng)的系統(tǒng)，滿足所要求的系統(tǒng)各項要求。關鍵詞：異步電動機晶閘管調壓調速 西門子最佳 PI調節(jié)器I目錄摘要I1異步電動機晶閘管調壓調速閉環(huán)系統(tǒng)設計11.1晶閘管調壓裝置21.2異步電動機數(shù)學模型

2、21.3測速反饋環(huán)節(jié)31.4ASR轉速調節(jié)器32異步電動機晶閘管調壓調速閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計算43異步電動機晶閘管調壓調速閉環(huán)系統(tǒng)仿真5心得體會8參考文獻9附錄101異步電動機晶閘管調壓調速閉環(huán)系統(tǒng)設計交流調壓器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，這里采用相控方式的調壓方式改變輸出電壓。圖1-1 為利用晶閘管交流調壓器調壓調速的原理圖；圖1-1 晶閘管交流調壓器 圖1-2 晶閘管閉環(huán)控制調壓調速系統(tǒng)電氣原理圖圖1-2為異步電動機晶閘管閉環(huán)控制調壓調速系統(tǒng)電氣原理總圖；對應的系統(tǒng)靜態(tài)結構圖如圖1-3；圖1-3 異步電機變壓調速系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖在圖1-3中， 為晶閘管交流調壓器和

3、觸發(fā)裝置的放大系數(shù)； 為轉速反饋系數(shù)；ASR采用PI調節(jié)器； 表達異步電機的機械特性方程式，它是一個非線性函數(shù)；穩(wěn)態(tài)時，且 ；根據(jù)負載需要的和可由公式計算出或用機械特性圖解法求出所需的以及相應的。對系統(tǒng)進行動態(tài)分析和設計時，須先繪制出動態(tài)結構圖，由圖1-3所示的靜態(tài)結構圖可以得到動態(tài)結構圖，如圖1-4所示，圖1-4 異步電動機閉環(huán)變壓調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖MA-異步電動機 FBS-測速反饋環(huán)節(jié)1.1 晶閘管調壓裝置裝置的輸入輸出特性原則上是非線性的，在一定范圍內可以假定為線性函數(shù)，在動態(tài)中可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣，傳遞函數(shù)可以寫成， 1.2 異步電動機

4、數(shù)學模型異步電動機的動態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個傳遞函數(shù)來準確的表示它的輸入輸出關系是不可能的。在這里，可以先在一定的假設條件下，用穩(wěn)定工作點附近的偏微分線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。由異步電機的等效數(shù)學模型可知，電磁轉矩為 當很小時，可以認為 且 后者相當于忽略異步電機的漏感電磁慣性，在此條件下， 這就是在上述條件下異步電機的近似線性機械特性。如果只考慮和之間的傳遞函數(shù)，可先取得 由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉體的機電慣性，異步電機近似成一個線性的一階慣性環(huán)節(jié)，異步電機的近似線性化傳遞函數(shù)為 1.3 測速反饋環(huán)節(jié)考慮到反饋濾波的作用，測速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數(shù)可以

5、寫成 1.4 ASR轉速調節(jié)器轉速調節(jié)器ASR用PI調節(jié)器，用以消除靜差并改善動態(tài)性能，傳遞函數(shù)為 2異步電動機晶閘管調壓調速閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計算系統(tǒng)要求的技術數(shù)據(jù)為，晶閘管調壓裝置：；異步電動機額定數(shù)據(jù)：異步電動機：測速反饋環(huán)節(jié)：根據(jù)上述的異步電機閉環(huán)晶閘管調壓調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，可得開環(huán)傳遞函數(shù)為， (2.1)根據(jù)系統(tǒng)要求，滿足系統(tǒng)無靜差的要求，但系統(tǒng)要求超調小于5%，因此須將系統(tǒng)設計成典型型系統(tǒng)，再根據(jù)實際系統(tǒng)的高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理， (2.2)選取PI調節(jié)器的參數(shù), (2.3)將這個近似系統(tǒng)設計成西門子“最佳整定”方法的“模最佳系統(tǒng)”（超調量4.3%），能夠滿足超調量的要求，顯然也能

6、滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，由“模最佳系統(tǒng)”的參數(shù)，PI調節(jié)器的。選取PI調節(jié)器電阻，由，則。這樣的系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)無靜差的要求以及超調量小于5%的要求，由于是晶閘管相位控制的調壓調速方式，顯然能夠實現(xiàn)系統(tǒng)能夠平滑調速的要求，而且負載電機不可逆運行，系統(tǒng)在調速范圍內可以穩(wěn)定運行，由于采用的是晶閘管反并聯(lián)的方式，系統(tǒng)在5%負載以上的變化的運行范圍內可以實現(xiàn)電流連續(xù)的要求。3異步電動機晶閘管調壓調速閉環(huán)系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)的仿真在Matlab的Simulink環(huán)境下進行，具體操作如下：1） 打開模型編輯窗口：通過單擊Simulink工具欄中的新模型的圖標2） 復制相關模塊：雙擊所需子模塊庫圖標，則可打開它，以鼠

7、標左鍵選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口，在本例中，需要把Source組中的Step模塊拖入模型編輯窗口；把Math Operation組中的Sum模塊和Gain模塊分別拖入模型編輯窗口；把Continuous組中的Transfer Fcn模塊拖入模型編輯窗口；把Sinks組中的Scope模塊拖入模型編輯窗口，至此，把異步電動機閉環(huán)控制晶閘管調壓調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口。3） 修改模塊參數(shù)：雙擊模塊圖案，則出現(xiàn)關于該圖案的對話框，通過修改對話框的內容來設定模塊的參數(shù)。在本例中，雙擊Sum模塊，在List of Signs欄目描述的加法器的三路輸入的符號，其中|表示該

8、路沒有信號，本例需要的是減法器，用|+-取代原來的符號。雙擊Transfer Fcn模塊，只需在其分子Numerator和分母Denominator欄目分別填寫系統(tǒng)的分子多項式和分母多項式系數(shù)系數(shù)。雙擊Step模塊可以Step time從默認的1改到0在本例中額定轉速的給定是5.8V，可以把Final value從默認的1改到5.8。4） 模塊連接：以鼠標左鍵單擊起點模塊輸出端，拖動鼠標至終點模塊的輸出端處。反饋回路中的模塊的輸入端和輸出端的方向位置不妥，應該把它水平翻轉，單擊該模塊，按住Ctrl+R即可翻轉90度。當一個信號要分送到不同模塊的多個輸入端時，需要繪制分支線，通常可以把鼠標移到分

9、支線的起點處，按住鼠標右鍵，看到光標變?yōu)槭趾?，拖動鼠標直至分支線的終點處，釋放鼠標按鈕，就完成了分支線的繪制。得到了Matlab的Simulink仿真模型如圖3-1所示：圖3-1 異步電動機閉環(huán)控制晶閘管調壓調速系統(tǒng)仿真框圖仿真波形如圖3-2所示：圖3-2 異步電機閉環(huán)控制系統(tǒng)額定轉速輸出波形從仿真的轉速結果輸出波形來看，系統(tǒng)在0.1s時達到最高轉速為1525r/min，穩(wěn)定轉速為1450r/min，穩(wěn)態(tài)無靜差，且超調量為5%，滿足系統(tǒng)對超調量的要求，在0.23s時達到穩(wěn)態(tài)轉速，滿足系統(tǒng)快速性的要求。改變Step的Final value為5，觀察到的輸出波形如圖3-3所示：圖3-3 異步電機

10、閉環(huán)控制系統(tǒng)調壓轉速出輸出波形從仿真的轉速結果輸出波形來看，系統(tǒng)在0.1s時達到最高轉速為1320r/min，穩(wěn)定轉速為1250r/min，穩(wěn)態(tài)無靜差，且超調量為5%，滿足系統(tǒng)對超調量的要求，在0.23s時達到穩(wěn)態(tài)轉速，滿足系統(tǒng)快速性的要求。同時可以看出當改變給定電壓時，只是峰值和穩(wěn)態(tài)值有所變化，但是超調量和穩(wěn)態(tài)時間并無太大改變，可知當改變給定電壓調速時是可以滿足系統(tǒng)要求的。心得體會本次需要設計的系統(tǒng)是異步電動機閉環(huán)控制晶閘管調壓調速系統(tǒng)，由于這個系統(tǒng)并不是課程所要求的內容，所以在拿到題目之后首先需要做的事就是查找文獻，經過查閱資料，搞清楚如何將異步電動機的等效數(shù)學模型應用到系統(tǒng)之后，接下來就

11、是如何利用題目已知的參數(shù)來構造系統(tǒng)的等效數(shù)學模型。其中在研究異步電動機的等效數(shù)學模型的時候有很大的收獲，它是利用電機的機械特性方程來構造異步電動機的數(shù)學模型，當負載恒定時，研究轉速輸出與輸入電壓之間的關系，用偏微分的方法和近似線性的數(shù)學模型來等效異步電動機。在構造整個系統(tǒng)時，也用到了平時所學的典型系統(tǒng)選擇以及系統(tǒng)的近似處理方法，并用到了工程上用到了西門子最佳系統(tǒng)整定原則。本次課設并未要求仿真，但是出于對設計方法的正確性檢驗還是做了相關工作，仿真結果說明設計系統(tǒng)的正確性以及方法的合理性。在此次課設過程中用到了很多在課程學習過程中用到的東西，譬如西門子最佳系統(tǒng)和典型系統(tǒng)設計方法以及系統(tǒng)的近似處理方法，不僅對課上學習的知識的一種鞏固，也對實際的系統(tǒng)設計有了更深的了解，而且學到了課本要求以外的知識，對于交流調速系統(tǒng)有了一定程度的認識，這對于我以后的學習和工作是很有幫助的。參考文獻1陳伯時.自動控制系統(tǒng)M.北京：機械工業(yè)出版社，1981.2陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.2版.北京：機械工業(yè)出版社，1992.3陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)M.