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1、 综合性设计型实验报告 实验名称：三相异步电动机调压调速系统设计与实验 姓 名：迟 铭 学 号：0723105003 专 业：自动化 2007 级 所在院系：化工学院化工机械系 指导教师：曲 瀛 实验时间：2010 年 12 月 1324 日 综合性设计型实验报告综合性设计型实验报告 系别：化工机械系系别：化工机械系 班级：自动化班级：自动化 2007 级级 2010 2011 学年第学年第 1 学期学期 学号学号0723105003姓名姓名 迟 铭指导教师指导教师曲 瀛 课程名称课程名称 综合设计型实验课程编号课程编号 062030227 实验名称实验名称 三相异步电动机调压调速系统 实验类
2、型实验类型综合设计型 实验地点实验地点 化工机械系运动控制实验室实验时间实验时间2010 年 12 月 1324 日 实验内容：（简述）实验内容：（简述） 一、用 Matlab 仿真软件设计一个三相异步电动机转速电流双闭环调压调速系统 二、实验室模拟三相异步电动机转速电流双闭环调压调速过程 1、 “触发电路”调试 2、控制单元调试 （1）调节器的调零 （2）调节器正、反限幅值的调整 （3）电流反馈的整定 （4）转速反馈的整定 3、机械特性 n=f(T)测定 （1）直流发电机先轻载，调节转速给定电压 Ug 使电动机的端电压=Ue。 （2）调节 Ug，降低电动机端电压，在2/3Ue 时重复上述实验
3、，取得一组机械 特性。 4、系统调试 （1）确定电流调节器和速度调节器的限幅值和电流、转速反馈的极性。 （2）将系统接成双闭环调压调速系统，电机转子回路仍每相串3欧姆左右的电 阻，逐渐增大给定 Ug，观察电机运行是否正常。 （3）调节“电流调节器”和“速度调节器”的外接电容和电位器，用双踪扫 描示波器观察突加给定时的系统动态波形，确定较佳的调节器参数。 5、系统特性的测定 （1）调节 Ug 使转速至1200rpm，从轻载按一定间隔调到额定负载，测出闭环 静态特性 n=f(T)。 （2）测出 n=800rpm 时的系统闭环静态特性 n=f(T)。 6、绘制实验数据曲线 实验目的与要求：实验目的与
4、要求： 一、实验目的：通过实验过程，运用 Matlab 仿真软件进行三相异步电动机调 压调速系统的仿真实验，了解三相异步电动机调压调速原理； 通过实验室实验，熟悉三相异步电动机调压调速系统组成，开 环、转速单闭环和转速、电流双闭环系统性能。 二、 实验要求： 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成 2、了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机 械特性。 3、通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系 统中电流环和转速环的作用。 设计思路：（设计原理、设计方案及设计流程）设计思路：（设计原理、设计方案及设计流程） 一、设计原理一、设计原理 对于可调速的
5、电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速 系统两类。所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能机械能的转换装 置，并对其进行控制以产生所需要的转速。 交流异步电动机机械特性的参数表达式如下： 变压调速是异步电动机调速方法中的一种，由三相异步电动机机械特性参 数表达式可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速下，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机械特性 e T S U 的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。 本实验即采用定子调压调速系统，就是在恒定交流电源与交流电动机之间接 入晶闸管作为交流电压控制器，即改变定子电压调速。如下图
6、画出了定子电压为 、 ()时的机械特性。 1 U 1 U 1 U 111 UUU 2 2 1 1 2 3 lrls r S r s LL S R R S R U T TL a b c U”1 c a b nm s Sm Temax U1U1U1” 通风机负载特性 二设计方案二设计方案 对于开环调速系统，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，开环 系统可以实现一定范围的无级调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对静差 率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有 波动，所以为了保证工件的加工精度和加工后表面光洁度，加工过程的速度就必 须保持基本稳定，也就是说静差率
7、不能太大，这就需要采用闭环控制。闭环系统 静特性可以比开环系统机械特性硬得多 ； 闭环系统的静差率要比开环系统小得多 ； 如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。对于单闭环控制 系统，若要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环就不能满足需要， 所以本设计采用转速电流双闭环调速系统。电流环在里边，作为内环；转速环在 外边，作为外环，系统控制原理图如下： 双闭环调压调速系统控制原理图 三、设计流程三、设计流程 1、系统主电路的参数计算 系统控制电机的参数为： min/1380,6 . 0,220,120rnAIVUWP NNNN Y 接晶闸管未导通时，均承受本相相电压，导通时
8、电流为，流过AIN6 . 0 晶闸管最大电流时，对应波形为全波，根据有效值 I 公式为： (3-1) 2 2 0 1 () 2 Iitd t 负载平均电流， 所对应的电流有效值应小于额定电流所对应的有AId6 . 0 I 效值电流。 2、根据系统方块图进行动态计算 图 3.4 中为三相异步电动机的近似传函，这里为电动机的传 1 M MA M K W T S MK 递函数，为机电时间常数。jdT Un * U Ui*U1Uct WASR(S)WACR(S)WGT-V(S)WMA(S) WFB S(S) n(S) Un （S） 图 3.1 调速系统方块图 晶闸管交流调压器和触发装置 GT-V 中可
9、近似成一阶惯性环节，正如晶闸管 触发与整流装置一样。传递函数可写成 （3-2） 1 )( S K SW S S VGT 式中 为可控硅的传递函数；SK 为可控硅的时滞或惯性环节的时间常数。 反馈环节 FBS 考虑到反馈滤波的作用，其传递函数为 （3-3） 1 )( ST SW on FBS 因此，调节对象的总传递函数为 （3-4） m d onmm(1s)(1s)(1s)(1s)(1s) SK KK W TTT 式中为调节对象总传递函数；smKK K 为时间常数。onT 输入段加滤波器： in 1 1 1 W S 用 PI 调节器： （3-5） p np p 1 T S WK T S 调节器电
10、路图如图 3.2 所示。 - + R3 R2 R1 C1 R5 图 3.2 PI 调节器 3、调节器的设计参数计算 （1）根据以上推导的异步电动机传递函数，首先计算它的参数 电动机的机电时间常数近似认为与机械特性斜率kM成正比，即 (3-6) 22 () 375375 MM GDGDn Tk M 式中为负值，可由 Matlab 仿真曲线测出：2800/0.13() n M () n M 电动机与负载总飞轮惯性取 0.01kgNm 则 2 GD (3-7) 0.01 2800 ()0.58 375 0.13 MTs 由得() 22 dm m TT K KK (3-8) 3 0.58 ()2.6
11、2 5 22 10 mK （2）求晶闸管交流调压器的时间常数 电路采用三相全波 Y 型接法调压电路，根据经验数据可取 3.3ms。调压器sT 输出电压为 0V220V,输出控制电压为 0V7V 变动，所以放大倍数=220/7ctUsK 30 倍。 （3）馈系数求速度反 =0.00725 （3-9） min/1380 10 max * r V n Unm rVmin/ （4）求速度反馈滤波常数onT 由于反馈输出均由波纹，在低速时尤为严重，一般都需要滤波，负责无法应 用。太小， 滤波效果不佳， 但太大， 又将影响系统性能， 通常取onTonT110msms 之间，这里取。10onTms 3.1
12、电流调节器的参数计算 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态中不超过允许值，因而在突 加控制作用时不希望由超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电 流环校正成典型 I 型系统。 确定时间常数 电流滤波器时间常数oiT 电流滤波器时间常数选取与速度调节器反馈时间常数oiT 。10oionTTms 电流环小时间常数IT 按小时间常数近似处理，取0.01 0.00330.0133IoiSTTTms 2）电流调节器选用 PI 型，其传递函数为 （3-10） 1i ACRi i s WK s 3）选择电流调节器参数 ACR 超前时间常数：10.58iTs 电流环开环增益：要求时，应取,5%
13、0.5IIKT 因此0.5/0.5/0.013337.61/IIKTs 于是，ACR 的比例系数为 (3-11) 37.61 0.58 /7.17 0.039 2.6 30 iIiSmaKKK K 4）校验条件 电流截止频率。37.6ciIK 小时间常数近似处理的条件: 11 3 ci soiT T 现在， 1111 59.03 33 ci soiSoiT TT T 满足近似条件。 5）计算调节器电阻和电容 其原理图见图 3.3 所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值010RK 计算如下： （3-12）07.17 1071.7iiRKRK （3-13） （3-14） 按照以上参数，电流环可以
14、达到的动态性能为 ：，满足设%4.3%5%i 计要求。 3.2 转速调节器的参数计算 （1）确定时间常数 1）电流环等效时间常数为。 22 0.01330.0266ITs 2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。onT0.01onTs 3）转速环小时间常数。nT 按小时间常数近似处理，取 20.02660.010.0366nIonTTTs （2）选择调节器参数 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应 按典型型系统设计转速环。故 ASR 选用 PI 调节器，器传递函数为 （3-15） 1 ( ) n ASRn n S WSK S 按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取，则 ASR 的超前时间常数为5h 6 3 0 44 0.0033 101.32 10 10 oi oiCFF R 6 3 0.58 107.25 80 10 i i i CFF R （3-16） 5 0.03660.183nnhTs 转速环开环增益 （3-17） 2 222 16 89.58 22 25 (0.0366) N n h Ks h T 于是，ASR 的比例系数为 （3-18） 13.60 00725 . 0 6 . 37 183. 058.89 1
