三相异步电动机的调压调速

摘要

我国工业不断发展。机械化对调速系统的性能和精度要求越来越高。实现电机调速有不少方法。研究电机调速，找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源，所以研究调压调速就显得很有必要。三相异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。

本设计分析了异步电机调速的原理，介绍了MATLAB的相关知识，并通过MATLAB软件分别对异步电机开环控制系统与速度反馈闭环控制系统进行了仿真。

电机调速开环控制系统调速范围较小，采用速度作为负反馈的闭环控制系统解决了这个问题。使调速性能得到改善。本设计对这两种系统分别进行可分析。

关键词：三相异步电机；调压调速；控制；仿真

目 录

摘要.................................................................1 前言.................................................................3 1三相异步电动机 ..................................................5

1.1 三相异步电动机基本工作原理 .................................5

1.2 异步电机的三种运行状态 ......................................6

1.3 转差率.......................................................7 2 设计方案选择及分析 .............................................8

2.1 三相异步电动机的调速方法....................................8

2.2 调压调速 ....................................................8

2.3调压调速特性及其调速性能 ....................................9

2.3.1 闭环调压调速特性................................... 12

3 基于MATLAB软件的仿真 ....................................... 13

3.1 异步电机开环调压调速系统的仿真 ........................... 13

3.2 异步电机速度负反馈闭环调压调速系统仿真 ................... 18 结束语 ............................................................ 20 参考文献 .......................................................... 21

前言

现在社会工业化越来越体现着它的强大。工业化运行的前提是能源的有力支撑。调压调速是一种非常简单实用的调速方法。本论文对异步电机开环控制调压调速系统及速度闭环控制调压调速系统的讨论和仿真，并探讨最经济实用的调压电路。找出最合理的调速方法，实现电机平稳运行，平滑调速，既能延长电机寿命，又可以有效节约能源。在现实社会具有相当高的研究价值。

交流电动机的发明是由美国发明家特斯拉完成的，最早的交流电动机根据电磁感应原理设计，结构比起直流电动机更为简单，同时也比起只能使用在电车上的直流电动机用途更广泛，它的发明让电动机真正进入了家庭电器领域。 交流电动机问世之后，同步电动机、串激电动机、交流换向器电动机等也逐步被人们发明出来，并投入实际的生产，为人们的生活提供更多便利。电动机的发明和应用对人类来说具有极大的意义，可以说它为人类生活带来了翻天覆地的变化。

交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，结构简单，成本低，维护方便，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，对环境要求不高，因此在工农业生产中得到了极广泛的应用。其突出的优点是：电机制造成本低，结构简单，维护容易，可以实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，并能获得和直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能。因此，人们对交流电机的研究也越来越深入。

但是交流电机是一个复杂的、多变量、强耦合的非线性系统，在设计交流调速系统时完全用解析法是相当复杂的也是行不通的。构造实验系统进行分析研究是通常采用的办法，但由实验来分析研究，耗时长、投资大，且不便于分析系统的各种性能。因此，利用计算机仿真技术去研究交流调速系统是一个省时省力的好办法，计算机仿真作为研究交流电机的一种重要手段，也越来越受到重视。。

MATLAB 是目前最流行的科学计算语言之一。它是以复数矩阵作为基本编程单元的高级程序设计语言，提供了矩阵的运算与操作，拥有强大的绘图功能。同时还是高度集成的软件系统，解决工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理等问题。MATLAB语言在自动控制、航天工业、汽车工业、生物医学工程、语言处理的方面都有涉及。MATLAB软件是一个非常优秀的软件，具有强大的仿真能力。仿真结果直观。

1三相异步电动机

1.1 三相异步电动机基本工作原理

三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场。转速的大小由电动机极数和电源频率而定。旋转磁场的转速n1称为同步转速。它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为：

n1=60f1∕p (1-1)

转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁场形成感应电动势。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用，转子就会旋转起来。

综上所述可知，三相异步电动机转动的基本工作原理。

（1）三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。

（2） 转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流。

（3） 转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。

异步电机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序。因此，三相异步电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向，只要改变电流的相序即可，即任意对调电动机的两根电源线，便可以实现电动机的反转。

异步电动机的转速恒小于旋转磁场的转速n1，只有这样，转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。如果n=n1，转子绕组与定子磁场之间无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见n

机工作的必要条件。由于电动机转速n与旋转磁场转速n1不同步，故称为异步电动机。

1.2 异步电机的三种运行状态

根据转差率的大小和正负，异步电机有三种运行状态。

（1）电动机运行状态

当定子绕组接至电源，转子就会在电磁转矩的驱动下旋转，电磁转矩即为驱动转矩，其转向与旋转方向相同，此时电机从电网电功率转变成机械功率，由转轴传输给负载。电动机的转速范围为n1＞n＞0,其转差率范围为0＜s≤1。

（2） 发电机运行状态

异步电机定子绕组仍接至电源，该电机转轴不再接机械负载，而用同一台原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速（n>n1）并顺旋转磁场的方向旋转。显然，此时电磁转矩方向与转子方向相反，起着制动作用，为制动转矩。为克服电磁转矩的制动作用而使转子继续旋转，并保持n>n1,电机必须不断从原动机吸收机械功率，把机械功率转变为输出的电功率。因此成为发电机运行状态。此时，n>n1,则转差率s

（3） 电磁制动运行状态

异步电机定子绕组仍接至电源，如果用外力拖着电机逆着旋转磁场的旋转方向转动。此时电磁转矩与电机旋转方向相反，起制动作用。电机定子仍从电网吸收电功率，同时转子从外力吸收机械功率，这两部分功率都在电机

内部以损耗的方式转化成热能消耗。这种运行状态称为电磁制动状态。此种情况下，n为负值，即n1。

由此可知，区分这三种运行状态的依据是转差率s的大小。①当0

1.3 转差率

同步转速n1与转子转速n之差（n1-n）和同步转速n1的比值称为转差率，用字母s表示，即

S=(n1-n)/n1 (1-2)

转差率s是异步电动机的一个基本物理量，它反映异步电动机的各种运行情况。对异步电动机而言，当转子尚未转动（如起动瞬间）时，n=0,此时转差率s=1;当转子转速接近同步转速（空载运行）时，n≈n1,此时转差率s≈0。由此可见，作为异步电动，转速在0～n1范围内变化，其转差率在0～1范围内变化。

异步电动机负载越大，转速就越慢，其转差率就越大；负载越小，转速就越快，其转差率就越小。故转差率直接反映了转子转速的快慢或电动机负载的大小。异步电动机的转速可以由（2-1）推算。

n=(1-s)n1 (1-3)

2 设计方案选择及分析

2.1 三相异步电动机的调速方法

异步电机的调速方法有不少，根据异步电机的转速公式

n=n1(1-s)=60f1/p(1-s)

(2-1)

可知：异步电动机有以下三种基本调速方法：

（1）改变定子极对数p调速。

（2）改变电源频率f1调速。

（3）改变转差率s调速。

2.2 调压调速

调压调速是变转差率调速的一种。

调压调压是异步电动机调速中比较简便的一种方法。由电机原理可知当转差率s基本保持不变时，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，从而达到调节电动机转速的目的。

改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间，通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。晶闸管三相交流调压电路的连结方式很多，各有其特点。这里采用三相全波星型联接的调压电路。如图2.1所示。

图2.1三相交流调压电路

电机绕组星型联接时的三相分支双向控制电路用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在每相的绕组上。调压时用相位控制。当负载电流流通时，至少有一相的正向晶闸管和另一相的反向晶闸管同时导通，所以要求各晶闸管的触发脉冲宽度都大于60°。或者采用双脉冲触发。最大移相范围为150°.移相调压时，输出电压中含有奇次谐波，其中以奇次谐波为主。如果电机绕组不带零线，则三次谐波电势虽然存在，却不会有三次谐波电流。由于电机绕组属于感性负载，电流波形会比电压波形平滑些。但仍含有谐波，从而产生脉动转矩和附加损耗等不良影响，这是晶闸管调压电路的缺点。

2.3调压调速特性及其调速性能

调压调速的机械特性如图2.2所示。由图可以看出，随着定子电压的降低，机械特性变软，而且最大转矩也减小很多，这样就降低了电机的过载能力。若负载稍有波动，电机就可能停转。因此对于恒转矩负载，其调速范围很小。若用于通风机类负载，可以得到较大的调速范围。

图2.2 电机调压调速机械特性

但在低速时磁通量较小，会使转子电流较大，电机发热问题就会变得严重。为了克服上述调压调速中存在的问题，通常采用以下方法。

（1）采用转子电阻较大的高转差率笼型电动机、实心转子电动机或双层转子电动机，以获得较宽的调速范围。

（2）对于笼型的电动机可采用速度负反馈闭环调压调速系统。如图2.3所示。这时的机械特性硬度较大，可以得到平滑调速和较大调速范围。

ASR-速度调节器； TG-测速发电机； AT-触发装置

图2.3 速度负反馈闭环调压调速系统

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。这种调速方法既不是恒转矩调速，也不是恒功率调速。如果拖动恒转矩负载，而转速又较低时，损耗将增加，不宜于长期低速运行。如果

拖动风机类负载，随着转速的降低负载转矩减小，电动机输出转矩也相应减小，从而减小了损耗，所以这种调速方法更适合于与风机类负载相配合。异步电动机调压调速通常适用于绕线型异步电动机。

2.3.1 闭环调压调速特性

以前用饱和电抗器，现在广泛采用晶闸管调压电路。在前面所述的开环系统的调速中，其机械特性软，调速范围较窄。加转速负反馈系统环节后成了调压调速的闭环控制系统。调速范围变大了。

测速发电机TG测得电动机转速即测速发电机的u∝n,当n↑→u↑,将u与给定电压比较得到一个电压变化值，将这个变化值作为放大器的输入端，经放大后的输出为触发器的发出信号，使触发器发出发出一定相位的脉冲，晶闸管调压器就输出一定值的电压，调节给定电压的大小就可以得到不同输出电压，从而达到调速的目的。

3 基于MATLAB软件的仿真

根据自动控制系统的理论，传统惯用的自耦调压器与饱和电抗器已过时，这里采用三对反并联的晶闸管分别串联在三相交流电源线路中，再接到交流电机定子绕组上，通过控制晶闸管的导通角，得到可调的交流调压电源，这样来改变电机的端电压，实现其调压调速的目的。这里主要介绍异步电机速度负反馈闭环调压调速的仿真。

3.1 异步电机开环调压调速系统的仿真

根据电机拖动的理论，当异步电机拖动恒转矩负载时，改变定子端电压的人为机械特性，其稳定工作点的转差率的变化范围不大。调速范围也很小。异步电机开环调速系统的稳定精度也不高，所以这种开环调压调速系统应用不多，只作为讨论闭环调压调速系统的仿真基础。

交流电机开环调压调速系统的仿真模型如图3.1所示，

图3.1 异步电机开环调压调速系统的仿真模型

其三相交流调压器子系统Subsystem如图3.2所示。由图3.1可知，输出的转速信号没有反馈到输入端，所以系统是开环的。

由图3.2可以清楚地看到，三对反并联的晶闸管分别串联在三相交流电源线路上，同步6脉冲触发器的输出脉冲出发六个晶闸管，触发器的同步电压取自于三相电源的线电压。交流电机拖动恒定负载。测量信号分配器仅仅测量电机转速并输出，三相电源与交流电机定子电压用示波器检测波形。

图3.2 Subsystem子系统

仿真模型中使用的模块与提取路径是：

异步电机Asynchronous Machine：

Simulink\SimpoweSystem\Machines\Asynchronous Machine

异步电机测试信号分配器Machine Measurement Demux：

Simulink\SimpoweSystem\Machines\Machine

Demux

Measurement

晶闸管Thy1-Thy6参数设置如图3.3所示。

图3.3 调压器晶闸管的参数设置

测量信号分配器的参数设置如图3.4所示。

图3.4 测量信号分配器的参数设置

在仿真参数设置里，仅仅设置仿真开始时间为0，停止时间为3秒，其他参数采用系统默认设置。

3.2 异步电机速度负反馈闭环调压调速系统仿真

将以上开环系统的转速输出端信号反馈到输入端与给定值进行比较的控制即构成速度反馈控制系统，这就是反馈控制系统。

交流电机速度反馈闭环调压调速系统的仿真模型如图3.5所示。仿真模型的模块提取路径及其参数设置如下

传递函数模块Transfer Simulink\Continuous\ Transfer Fcn

增益模块Gain Simulink\Commonly Used Blocks\Gain

代数求和模块Sum Simulink\Commonly Used Blocks\Sum

常数模块Constant Simulink\Commonly Used Blocks\ Constant 输出转速模块Out1 Simulink\Commonly Used Blocks\ Out1

晶闸管Thy1-Thy6参数设置如图3.3所示，测量信号分配器的参数设置如图3.4所示。

图3.5 异步电机速度反馈调压调速系统的仿真

在仿真参数设置里，仅仅设置仿真开始时间为0，停止时间为3秒，其他参数采用系统默认设置。对图3.5的模型进行仿真，电机以转速输出但无示波器显示。使用输出转速模块将仿真输出信息返回到Matlab命令窗口中，操作同上，输出转速仿真波形如图3.6所示。由图可知，电机转速平滑上升并趋于稳速运行，即系统的实际速度能够对给定速度的较好跟踪。

图3.6 速度反馈调压调速系统输出转速波形

结束语

二十一世纪，工业化正在突飞猛进的向前发展，随着我国工业的不断成熟，机械化程度加深。对调速系统的性能和精度要求越来越高。有不少方法可以实现电机调速。研究电机调速，找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源，所以研究调压调速就显得很有必要。异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。

走高效节能的路子是工业化发展的必然，怎样才能运用有限的的资源创造出更多的利益，是社会普遍关注的问题。只有不断完善各种技术，找出最佳的方法才能创制出更多的利益。

本论文能顺利的完成，首先应该感谢尹进田老师。在这次论文的写作过程种遇到不少问题，多亏尹老师的悉心指导我才顺利完成这次论文。

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参考文献

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