三相交流调压调速系统设计与仿真.docx
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三相交流调压调速系统设计与仿真
武汉理工大学华夏学院
课程设计报告
课程名称运动控制系统
题目三相交流调压调速系统设计与仿真
专业自动化
班级1122
学号
姓名
成绩_________________
_______年_______月_______日
武汉理工大学华夏学院信息工程系
课程设计任务书
课程名称：
运动控制系统指导教师：
李文彦
班级名称：
自动化1122开课系、教研室：
自动控制
一、课程的性质、目的与任务
课程设计是学习专业技术课所必需教学实践环节。
通过课程设计的教学实践，使学生所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步训练。
通过课程设计使学生利用所学理论知识和设计方法完成某种运动控制系统设计。
通过课程设计使学生掌握系统设计的步骤和一般方法，学会电路的设计，电器元件参数的计算、选型以及系统特性分析和评价标准。
掌握从收集资料、方案比较论证到电路设计、计算的整个设计过程，获得初步的实践锻炼，进一步提高学生的分析、综合能力。
二、课程设计内容及基本要求
指导教师负责学生的分组与课题选题，下达课程设计任务书，指导、督促、检查学生课程设计的进行情况，并结合答辩情况负责课程设计完成后学生的成绩考核。
1．完成交直流调速系统电路（主电路、控制电路、保护电路等）的设计
2．完成电路主要元件参数的计算及电气元件的选择
3．进行系统特性分析和评价
4．绘制电路图，编制程序
5．完成课程设计说明书
三、课程设计选题
课程设计题目一般由指导教师提供，也可以经老师审查后自主选题；课程设计分组进行，每组完成的内容不能雷同。
设计参考题目如下：
1.双闭环直流调速系统设计
2.直流双极式可逆PWM调速系统设计
3.直流双闭环有环流可逆调速系统设计
4.三相交流调压调速系统设计
5.异步电动机变压变频调速系统设计与仿真
6.配合控制直流双闭环自然环流系统设计
7.双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计
8.直流单极式PWM调速系统设计
四、课程设计步骤与方法
1.根据课程设计任务书，在查阅文献的基础上，完成方案的分析和比较。
2.在确定方案后，根据设计要求及指标，完成主电路，控制电路和保护电路的设计。
（1）主电路：
要确定电路形式，电力电子元件选择，保证可靠合理。
（2）控制电路：
选择驱动单元（模块），满足控制特性。
（3）保护电路：
选择合理的保护单元，确定系统运行安全。
3.进行主要元器件的参数计算，在计算基础上完成元器件的选择。
4.根据设计结果，对系统特性分析，并作客观评价。
5.绘制电路图或编制仿真程序。
6.编制课程设计说明书。
五、学时分配进度要求
序号
设计内容
所用时间（天）
1
设计方案的分析、比较、查阅相关文献资料
2
2
主电路、控制电路、保护电路的设计
4
3
电路主要元器件的参数计算和电气元器件的选择
2
4
系统特性分析和评价
1
5
绘制电路图或编制程序
3
6
编制课程设计说明书
2
合计
14
六、其它教学环节及考核方式
1.设计说明书要求
课程设计说明书应内容充实，层次清楚，文理通顺，字数不少于6000字。
撰写总体方案设计说明书。
对方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理；撰写单元电路设计说明书。
画出单元电路图，说明工作原理，给出元件计算书，列出元件清单。
2.图纸要求
画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号应符合国家标准，可采用计算机辅助设计。
3.评分标准
评定项目
评分成绩
1．态度认真，组织纪律性好（20分）
2．设计方案合理，论证充分,有创新（20分）
3．独立完成任务，设计正确，无原理性错误（20分）
4．设计说明书文理通顺，工整（10分
5．设计资料齐全，格式规范（10分）
6．答辩（20分）
总分
备注：
成绩等级：
优（90分—100分）、良（80分—89分）、中（70分—79分）、及格（60分—69分）、60分以下为不及格。
《运动控制系统》课程设计指导书
课程名称：
运动控制系统/MotionControlSystem
课程类别：
专业课
学时/学分：
10/2
开课单位：
信息工程系电子工程教研室
开课对象：
测控专业
选定教材：
《电力拖动自动控制系统》（第3版）陈伯时机械工业出版社2007.3
参考书：
运动控制系统，尔桂花，清华大学出版社，2002.10
一、目的和要求
1．课程设计是学习专业技术课所必需教学实践环节。
通过课程设计的教学实践，使学生所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步训练。
2．通过课程设计，使学生利用所学理论知识和设计方法完成某种运动控制系统设计。
3．通过课程设计使学生掌握系统设计的步骤和一般方法，学会电路的设计，电器元件参数的计算、选型以及系统特性分析和评价标准。
4．掌握从收集资料、方案比较论证到电路设计、计算的整个设计过程，获得初步的实践锻炼，进一步提高学生的分析、综合能力。
二、课程设计内容
指导教师负责学生的分组与课题选题，下达课程设计任务书，指导、督促、检查学生课程设计的进行情况，并结合答辩情况负责课程设计完成后学生的成绩考核。
6．完成交直流调速系统电路（主电路、控制电路、保护电路等）的设计
7．完成电路主要元件参数的计算及电气元件的选择
8．进行系统特性分析和评价
9．绘制电路图，编制程序
10．完成课程设计说明书
三、课程设计进度要求
序号
设计内容
所用时间（天）
1
设计方案的分析、比较、查阅相关文献资料
2
2
主电路、控制电路、保护电路的设计
4
3
电路主要元器件的参数计算和电气元器件的选择
2
4
系统特性分析和评价
1
5
绘制电路图或编制程序
3
6
编制课程设计说明书
2
合计
14
四、课程设计步骤与方法
1．根据课程设计任务书，在查阅文献的基础上，完成方案的分析和比较。
2．在确定方案后，根据设计要求及指标，完成主电路，控制电路和保护电路的设计。
（1）主电路：
要确定电路形式，电力电子元件选择，保证可靠合理。
（2）控制电路：
选择驱动单元（模块），满足控制特性。
（3）保护电路：
选择合理的保护单元，确定系统运行安全。
3．进行主要元器件的参数计算，在计算基础上完成元器件的选择。
4．根据设计结果，对系统特性分析，并作客观评价。
5．绘制电路图或编制仿真程序。
6．编制课程设计说明书。
五、课程设计说明书与图纸要求
1．撰写总体方案设计说明书。
对方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。
2.撰写单元电路设计说明书。
画出单元电路图，说明工作原理，给出元件计算书，列出元件清单。
3.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准
4.课程设计说明书应内容充实，层次清楚，文理通顺，字数不少于6000字。
5.设计图纸应齐全，应按GB4728要求绘制，可采用计算机辅助设计。
6.设计不得抄袭或与他人类同，不得在网上下载整段内容作设计内容。
六、课程设计评分标准
评定项目
评分成绩
1．态度认真，组织纪律性好（20分）
2．设计方案合理，论证充分,有创新（20分）
3．独立完成任务，设计正确，无原理性错误（20分）
4．设计说明书文理通顺，工整（10分
5．设计资料齐全，格式规范（10分）
6．答辩（20分）
总分
备注：
成绩等级：
优（90分—100分）、良（80分—89分）、中（70分—79分）、
及格（60分—69分）、60分以下为不及格。
运动控制系统课设指导及答辩时间安排
自动化1122（指导老师：
李文彦）
周次
星期一
星期二
（星期三
星期四
星期五
第10周
时间
第1-2节（3个班全体设计前指导）
5-6节
地点
4-412
4-412
第11周
时间
第1-2节
第5-6，7-8节,
地点
4-412
4-412（答辩）
执笔：
李向明审核：
审定：
日期：
2015.11
摘 要
本课程设计介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，并着重讲述了三相异步电动机（M）、测速发电机（TG）、晶闸管交流调压器（TVC）的简单的工作原理。
在了解异步电动机调压调速的基本原理的基础上，设计了异步电动机单闭环调压调速系统的结构原理图。
还将调压调速与其他的调速方法相比，所具有的优点以及不足之处。
以转速单闭环调压调速系统为例，基于Matlab语言开发仿真软件，并进行仿真实验。
关键词:
调压调速；MATLAB；三相异步电动机
题目4:
三相交流调压调速系统设计与仿真
初始条件：
1.三相异步电机参数：
PN＝5.5KW，f＝50Hz，UAB＝380V，nN＝1470r/min，定子电流IS＝18A，电流过载倍数λ＝1.5
2.交流电源：
三相380V，频率50Hz
3.性能指标：
调速范围5：
1，转速稳态精度在10％以内，电网电压波动10％时，输出电压波动不大于5％。
要求完成的主要任务:
1.主电路设计（可使用双向晶闸管调压电路）
2.控制电路设计（电压或转速闭环，触发电路）
3.保护电路设计（如缺相保护）
4.其它电路设计（如电源、变压器等）
课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，杜绝抄袭，雷同现象。
满足如下要求：
1．对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。
2.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。
3.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。
1概述
1.1电机发展概述
直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。
在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。
交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。
直到20世纪60-70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。
1.2交流调速系统的应用领域主要有三个方面：
1.2.1一般性能的节能调速
在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。
如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20-30% 以上的电能，效果是很可观的。
1.2.2高性能的交流调速系统和伺服系统
许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。
但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。
1.2.3特大容量、极高转速的交流调速
直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kwr/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。
交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。
1.3交流调速系统的分类
1.3.1转差功率消耗型
这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。
在三类异步电动机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
1.3.2转差功率馈送型
在这类系统中，一部分转差功率被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用，转速越低，能回收的功率越多，这类系统的效率是比较高的，但要增加一些设备。
1.3.3转差功率不变型
在转差功率中，转子铜损是不可避免的，在这类系统中，无论转速高低，转差功率的转子铜损部分基本不变，因此效率也较高。
其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速。
2、异步电动机的机械特性
2.1、异步电机固有机械特性
根据电机学原理，在下述三个假定条件下：
忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损。
交流电机的稳态等效电路示于图2.5。
图2.1异步电机稳态等效电路
异步电动机的机械特性方程式：
其中，p为电机的极对数；w1为定子电源角速度；U1为定子电源相电压；R2’为折算到定子侧的每相转子电阻；R1为每相定子电阻；L11为每相定子漏感；L12为折算到定子侧的每相转子漏感；S为转差率。
当s很小时，忽略分母中含s各项，则
当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项，则
所以，当s很小时，机械特性
近似为一条直线；当s较大时，机械特性
时一段双曲线，如图2.2所示。
图2.2异步电机固有机械特性
2.2、异步电机调压调速的机械特性
电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。
因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，如图2.3所示，从而达到调节电动机转速的目的。
图2.3异步电机调压调速的机械特性
带恒转矩负载TL时，降压调速的稳定工作范围为0，调速范围有限，如图2.3中得A,B,C点为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。
如果带风机泵类负载运行，调速范围可稍大一些，如图2.3中的D,E,F点为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。
3、调压调速系统
3.1调压电路
要改变交流电流一般使用晶闸管交流调压器。
晶闸管交流调压器用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串联接在三相电路中，用相位控制改变输出电压。
我选择使用三对晶闸管反并联，电路如图3.1所示。
图3.1晶闸管交流调压器
3.2速度闭环控制的调压调速系统
如果要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围，往往需采用带转速反馈的闭环控制系统如图3.2所示。
图3.2速度负反馈闭环调压调速系统图3.3ASR（PI调节器）
速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理：
将速度给定值与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置，由触发装置输出来控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。
因此，改变了速度给定值就改变了电动机的转速。
由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。
同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小。
由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使调压器的输出电压提高，导致电动机的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值。
当系统带负载
在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用会自动提高定子电压，使闭环系统工作在新的A`工作点。
同理，当负载降低时，反馈控制作用会降低定子电压，使系统工作在A``，如图3.3所示。
图3.3转速闭环控制的交流一调压调速形同静特性
3.3缺相保护
三相电动机在运转过程中，如果电路中任一相出现断电，都将造成其它两相电流急剧增大，如果三相电动机没有及时停止运转，在缺相的情况下继续运转，三相电动机绕组温度会在很短的时间内急剧升高，直至相间击穿，烧坏电动机。
三相电动机断相保护就是使接触器C在三相电动机出现断相时能及时断电释放，迅速切断三相电动机电源，避免烧坏三相电动机。
三相电动机断相保护原理如下图2：
在交流接触器触点C1，下侧A相和B相之间、B相和C相之间分别串接中间继电器1C和2C，把中间继电器1C和2C的常开触点1C1和2C1串接到控制回路交流接触器C的自保回路中，如图3.4所示。
图3.4三相电动机断相保护
三相电动机断相保护过程如下：
闭合隔离开关GK，控制变压器B工作，按下启动按钮QA，交流接触器的线圈C得电吸合，接触器触点C1，接通主回路，电动机有电运转，同时接触器触点C2接通，中间继电器1C和2C得电吸合，触点1C1和2C1接通，交流接触器C自保，维持三相电动机正常运转。
三相电动机停止工作时，按下停止按钮TA交流接触器C失电释放，交流接触器触点C1断开，三相电动机断电，停止工作。
交流接触器触点C1断开，中间继电器1C和2C失电释放，触点1C1和2C1断开。
三相电动机工作中，如出现A或C相断相，则中间继电器1C或2C失电释放，如B相断相则中间继电器1C和2C同时失电释放，触点1C1，2C1断开交流接触器C的自保回路，交流接触器C断电释放，三相电动机断电停止工作。
因此，无论三相电源中任何一相断电，三相电动机都能立即断开电源停止工作，从而达到三相电动机的断相保护作用。
4、Matlab仿真
4.1调压电路仿真模型
4.1.1三对晶闸管反并联交流调压器
图4.1晶闸管反并联交流调压器及其封装
4.1.2调压电路
图4.2三相调压电路
4.2参数设置
4.2.1异步电动机参数
PN＝5.5KW，f＝50Hz，UAB＝380V，nN＝1470r/min，定子电流IS＝18A，电流过载倍数λ＝1.5
4.2.2交流电源
三相380V，频率50Hz
4.2.3性能指标
调速范围5：
1，转速稳态精度在10％以内，电网电压波动10％时，输出电压波动不大于5％。
4.3仿真总电路图
图4.5仿真总图
4.4仿真结果
4.4.1电压给定为12负载20时，经过0.6s达到最大转速1280转/分钟，经过4.7s转速达到稳定转速1200转/分钟，转速波动为仿真如图4.6所示。
图4.6电压给定为12，负载20，电机变化过程
4.4.2电压给定为16负载20时，经过0.5s，速度在1470转/分钟，附近波动，仿真如图4.7所示。
图4.7电压给定为16，负载20，电机变化过程
4.4.3电压给定为12，负载30时，经过0.5s，速度在1470转/分钟，附近波动，仿真如图4.8所示。
图4.8压给定为12，负载30，电机变化过程
4.5结果分析
通过对比图4.6和图4.7时可以发现，在给定为12时，转速波动为2/1200=0.16%；在给定为16时，转速波动范围为40/1480=2.7%，转速调节达到设计要求，但是转速调速范围未能达到5：
1。
在负载不变的情况下，当在一定范围内增大给定时，转速会随之上升；但当给定大过一定值后，给定继续增加，转速也不会再随之增加，保持在额定转速运行。
通过对比图4.6和图4.8时可以发现，在电压给定不变负载改变的情况下，随负载增大，电机转速上升时间增大，最终速度都稳定在1200转/分钟。
在给定不变负负载改变且载转矩不超过启动转矩时，转速动能达到稳定。
5、小结
经过这次课程设计，让我巩固了课上所学的内容，也加深了合作的意识，在一个人难完成时，合作是个很好的选择，将任务细化，在分配后任务就不再多了，问题也能在各种尝试中得到一定的解决，比如在电机参数的选择上，我们查找了一个程序，可以通过输入定转子阻值和电抗，频率一定，就可以画出机械特性，通过不断的调整参数，最后选出符合要求的参数。
更加熟悉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。
参考文献
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[17]徐用茂.工业过程模型化及控制.北京.清华大学出版社.1991
课程设计评分表
评分项目
评分成绩
1．选题合理、目的明确（10分）
2．设计方案论证严谨、正确（30分）
3．设计过程阐述清晰（25分）
4．设计报告整理规范（10分）
5．答辩（25分）
总分（100分）
答辩记录：
指导教师综合评语：
指导教师（签名）
日期：
年月日
升级会员 