电力拖动课程设计报告

电力拖动课程设计报告电力拖动课程设计报告组别：电XX班第XX组姓名： XXX 学号： XXXXX 同组成员：XXX,XXX,XXX,XXX 2010年12月目录1.引言11.1双闭环系统核心11.2双闭环系统结构21.3双闭环系统理论基础22.设计题目及要求：32.1基本数据32.2具体设计要求及指标33.设计原理43.1. 转速电流双闭环系统的组成43.2. 各主要环节及原理43.2.1 ACR(电流调节器)43.2.2 ASR(转速调节器)53.2.3 V-M系统63.2.4 限幅环节63.2.5 检测环节74.设计过程及参数整定84.1控制对象固有参数计算84.2 ACR设计及参数计算84.2.1 电流环结构图的简化84.2.2 电流调节器结构的选择94.2.3 电流调节器的参数计算94.2.4 电流调节器的实现104.3 ASR设计及参数计算104.3.1 电流环的等效闭环传递函数104.3.2 转速调节器结构的选择104.3.3 转速调节器参数的选择114.3.4 转速调节器的实现124.4 校验近似条件124.5性能指标校验135.系统仿真136.转速超调的抑制转速微分负反馈的引入156.1问题的提出156.2带转速微分负反馈双闭环系统的基本原理156.3转速微分反馈参数的工程设计方法166.4带转速微分负反馈双闭环调速系统抗扰性能176.5小结197 结论及心得体会20参考文献21221.引言在许多应用场合，为了充分发挥生产机械的效能，提高生产率，速度控制系统经常处于起动、制动、反转以及突加负载等过渡过程中。所以要求速度控制系统有较好的动态性能。对高性能动、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性（起制动）、较好的抗干扰特性和高可靠性（可瞬态过载但不过电流）。对比电流截止负反馈调速系统讨论为什么要引入转速、电流双闭环调速系统。1.1双闭环系统核心双闭环系统的设计核心就是设计转矩控制环以获得高性能的转速动态响应。由机械子系统表达式可知,如果要调节转速最为有效的办法是调节电枢电流也就是电磁转矩。所以要获得转速的高性能动态响应,首先要做好电磁转矩(电枢电流)的控制,即需要构造转矩控制环（torque control），也就是电流环。以起动为例，如果系统中有电流控制环，则在过渡过程中可以始终保持电流（转矩）为允许的最大值Idm，使拖动系统尽可能用最大的加速度起动；而在电动机起动到稳态转速后，电流控制环又让电流（转矩）立即降下来，使转矩与负载转矩相平衡，从而进入稳态运行。这样的理想起动过程如下图b）所示，起动电流呈方波形，转速是线性增长的。这种在最大电流（转矩）受限制条件下调速系统能得到最快启动过程的控制策略称为“最短时间控制”。图1 电机起动过程比较图1.2双闭环系统结构双闭环系统采用两级串联校正以使系统完成不同的控制目标。为了达到“通过调节电磁转矩来调节转速”的目的，必须在速度闭环的基础上增设电流（转矩）闭环。采用两级串联校正（cascade compensation）的方法，将两种不同作用的反馈分开控制。这里速度调节器（ASR，adjustable speed regulator）的输出就是为了消除速度误差所需要的电磁转矩指令。然后设置电流调节器（ACR，adjustable current regulator）构成电流闭环跟随电流指令。这样，两个闭环及其各自的调节器就可以分别完成上述不同的控制目标。转速调节器和电流（转矩）调节器的作用可以归纳如下：（1）转速调节器的作用：1.使电动机转速n跟随给定电压Un*变化，保证输出转速稳态无静差。2.对负载扰动起到抑制（抗扰）作用。3.其输出限幅（饱和）值决定允许的最大电流Uim*。该值决定了最大输出转矩、与电流环一起实现下述的第3、4条作用。（2）电流（转矩）调节器的作用： 1.在转速调节过程中，使电流Id快速跟随其给定电压Ui*变化。2.对电网电压等扰动及时地抑制（抗扰）作用。3.起动时保证获得恒定的最大允许电流（最大允许转矩，准时间最优控制）。4.当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的保护作用（挖土机特性）；而一旦过载消失，系统立即自动恢复正常运行。1.3双闭环系统理论基础双闭环系统理论基础就是现代控制理论中的状态变量反馈（state-variable feedback）。由控制理论知，理想的控制方案是对各个状态变量（state variable）实施反馈控制，这样可以通过分别配置各个极点以得到理想的系统的动静态特性。双闭环系统的被控对象电机的状态变量是电枢电流Id和转速n，因此转速、电流双闭环系统就是实现了被控对象状态变量的全反馈。2.设计题目及要求：2.1基本数据直流电动机=220V，=136A，=1460r/min，电枢电阻=0.2，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置=0.00167s，放大系数=40；平波电抗器：电阻、电感；电枢回路总电阻R=0.5；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5Nm2；电流调节器最大给定值=10.2V，转速调节器最大给定值=10.5V；电流滤波时间常数=0.002s，转速滤波时间常数=0.01s。2.2具体设计要求及指标稳态指标：转速无静差；动态指标：电流超调量；空载启动到额定转速的转速超调量；3.设计原理3.1. 转速电流双闭环系统的组成图2 转速电流双闭环系统组成图双闭环系统主要由以下几部分组成，ASR转速调节器，ACR电流调节器，TG测速发电机，TA电流互感器，UPE电力电子变换器。系统中两个调节器ASR和ACR嵌套（或称串级）联接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器通常都采用PI调节器，且两个调节器输出都是带有限幅的，ASR的输出限幅值Uim*，它决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对应电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm，它限制了电力电子变换器的输出最大电压值Udm。3.2. 各主要环节及原理把转速电流双闭环调速系统分为ASR，ACR，V-M系统，限幅环节，检测环节。3.2.1 ACR(电流调节器)正如引言已经提到的，为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大及实现对转矩的有效控制问题，系统中必须有自动调节电枢电流的环节。为了获得较好的动、静态性能，ACR一般采用PI调节器。图3 ACR基本组成及原理图通过检测得到电枢电流实际值对应的电压信号Ui，与ASR输出的给定值Ui*做比较，得到偏差并进行比例积分调节，进而调整Uc的值，同时改变电机的供电电压Ud0,使电枢电流朝相反的方向变化，则电枢电流最终稳定在给定值上。（1）当Ui0，Uc增大，Ud增大，电枢电流Id增大；（2）当Ui=Ui*,U=Ui*-Ui=0，Uc维持最大值，Ud也达到最大值，电枢电流Id最大值；（3）当UiUi*,U=Ui*-Ui0，Uc减小，Ud减小，电枢电流Id减小；最终调节的结果使电枢电流Id维持在给定值（ASR的输出）上。3.2.2 ASR(转速调节器)与ACR基本相同，只是把调节变量变为转速。为了获得较好的稳态性能及动态性能，采用PI调节器，根据实际转速对应的电压值Un和给定电压值Un*之间的大小关系实现调速。当Un0，ASR输出变大，结果导致转速n增大；当Un=Un*时,U=Un*-Un0,ASR输出维持不变，因此转速n不变；当UnUn*时,U=Un*-Un0，ASR输出减小，结果导致转速n减小；最终结果使转速n维持在给定电压值Un*对应的转速上。3.2.3 V-M系统图4 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）结构图晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。经济性可靠性等有了很大提高，并且动态性很好，但也存在着一些问题，如晶闸管对过电流过电压太敏感易损坏，以及造成电网电压畸变对附近用电设备的损害等等。3.2.4 限幅环节为了保证电枢电流不超过最大允许值，ASR输出电压为Ui的限幅是非常必要的。限幅的方法有两种，分别为二极管钳位的外限幅电路和稳压管钳位的外限幅电路如下图所示。其中对于稳压管钳位的外限幅电路原理比较简单，利用两个稳压管对接，使正限幅电压Uexm等于稳压管VS1的稳压值，负限幅电压Uexm等于稳压管VS2的稳压值。对于二极管钳位的外限幅电路，通过电路分析可知，限幅范围为Uexm=UM+UD,负限幅电压|Uexm|=|UN|+UD。其中UM和UN分别表示电位器滑动端M点和N点的电位，UD为二极管压降。图5 两种限幅电路3.2.5 检测环节图6 电流检测电路图通过电流互感器TA检测电枢电流，再将得到的二次侧电流整流得到直流电流，再转化为电压信号。图7 转速检测电路图根据直流电机E=CE*n的原理，反电动势大小与转速成正比，因此测速电机的电压大小即反应出电机实际的转速大小。4.设计过程及参数整定一般按照“先内环后外环”的原则来设计双闭环调速系统，即先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。4.1控制对象固有参数计算由控制对象可得到以下固有参数，为调节器的设计及参数计算打好基础。a.电动势系数为b.转矩系数为c.电磁时间常数为d.机电时间常数为4.2 ACR设计及参数计算按照设计原则，首先设计ACR，设计过程如下。4.2.1 电流环结构图的简化简化内容包括忽略反电动势的动态影响，等效成单位负反馈系统，小惯性环节近似处理。图8 电流环基本结构图4.2.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数形式为其中,Ki为电流调节器的比例系数；i为电流调节器的超前时间常数，为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择4.2.3 电流调节器的参数计算取电动机起动电流为则电流反馈系数为 至此ACR的被控对象参数均为已知。下面根据要求计算PI调节器参数Ki和i。 4.2.4 电流调节器的实现图9 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器模拟电路可以选择使R0=40K,经过计算得到Ri=40.52K，则Ci=0.75F，Coi=0.2F。4.3 ASR设计及参数计算4.3.1 电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。忽略高次项，上公式可以简化为这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 4.3.2 转速调节器结构的选择转速调节电路经等效和小惯性处理后，得到的电路图如下所示：图10 等效成单位负反馈和小惯性的近似处理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（见图 2-26b），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。为满足稳态要求，采用PI调节器其中，Kn为转速调节器的比例系数；n为转速调节器的超前时间常数，校正后为图11 校正为典型型系统后的转速环示意其中，为开环放大倍数，为时间常数。4.3.3 转速调节器参数的选择转速调节器的参数包括 Kn 和 n。按照典型型系统的参数关系一般取h=5，此时的跟随性和抗扰性均不错。4.3.4 转速调节器的实现图12 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器 可以取R0=40K，经过计算可得Rn=468K，Cn=0.185F，Con=1F。4.4 校验近似条件得到4.4.1晶闸管装置传递函数近似条件，因此满足条件。4.4.2 忽略反电动势对电流环的影响，因此满足条件。4.4.3 电流环小时间常数处理条件，因此满足条件。4.4.4 电流环闭环简化条件，因此满足条件。4.4.5转速环小时间常数近似条件，因此满足近似条件。4.5性能指标校验由于电流环校正成为典型型系统，且取KT=1/2，经查表，其输出Id的超调量为，调节时间符合设计要求；又由于转速环校正为典型型系统，并取h=5，由表可知，即可见，转速及电流理论上均符合设计要求。5.系统仿真由上面的分析可以得到以下仿真图，采用matlab中的simulink仿真如下：图13 双闭环调速系统simulink仿真结构图图中设置了限幅环节反馈环控制，其中反馈增益K为足够大的数，这是为了使限幅环节能够尽快退饱和，保证限幅环节左右两侧值相等。通过示波器观察得到的转速及电枢电流波形分别如下所示：图14 双闭环调速系统转速波形图图可见，系统的超调量约为,符合设计要求。图15 双闭环调速系统电流波形图可见，电流并未超过，也符合设计要求。6.转速超调的抑制转速微分负反馈的引入6.1问题的提出由以上的分析及仿真可以看出，双闭环调速系统具有良好的稳态特性和动态性能，而且结构简单，工作可靠，设计也很方便，实践证明，它是一种应用最为广泛的调速系统。然而，其动态性能的不足之处就是转速必然会超调，而且抗扰性能的提高也受到一定的限制。在某些不允许转速超调，或对动态抗扰性能要求特别严格的地方，仅仅采用两个PI调节器的双闭环系统就显得力不从心了。针对这个问题的方法就是在转速调节器上引入转速微分负反馈，加入这一环节可以抑制转速超调到消灭超调，同时可以大大降低动态速降。6.2带转速微分负反馈双闭环系统的基本原理带转速微分负反馈的双闭环系统与普通双闭环系统的区别仅在转速调节器上，这时转速调节器的原理图如下：和普通转速调节器相比，增加了电容Cdn和电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上叠加一个转速微分负反馈信号。在转速变化过程中，两个信号一起与给定信号Un*相抵，将在比普通双闭环系统更早一些的时刻达到平衡，使转速调节器输入等效偏差信号提前改变极性，从而使转速调节器退饱和时间提前，进而能够抑制超调。Ui*Un*-n图16 带微分负反馈的转速调节器电路图可知，Cdn的作用主要是对转速信号进行微分，因此称作微分电容；而Rdn的主要作用是滤去微分后带来的高频噪声，可以叫做滤波电阻。在分析带微分负反馈转速调节器的动态结构时，先看一下微分反馈支路的电流 因此，转速调节器中的虚地点的电流平衡方程为： 整理后得式中， 转速微分时间常数；转速微分滤波时间常数。为了分析方便，可取，与普通的双闭环系统相比，只是在转速反馈通道中增加了项。根据上式可以绘出带转速微分负反馈的转速环动态结构图，如下所示。图17带微分负反馈的转速调节器结构图6.3转速微分反馈参数的工程设计方法根据动态结构图和已知的初始条件，可以用数字仿真求解退饱和后系统的过渡过程，从而获得其动态性能。但是这样做比较费事，为了工程应用方便起见，最好能找到一种简单的近似计算方法。对于按典型II型系统设计未加微分负反馈的转速调节器，已知h=，参考微分反馈时间常数的近似工程计算公式：式中，用小数表示的允许超调量。如果要求无超调，则=0，式（2）中的第一项即为所需的值。如果大于此值，过渡过程更慢，仍为无超调。因此，无超调时的微分时间常数应该是： 此设计中，按典型II系统设计，取h=5，且,则无超调时应满足: 则同时调节参数和可以实现调节系统超调的功能。6.4带转速微分负反馈双闭环调速系统抗扰性能带转速微分负反馈的双闭环调速系统在受到负载扰动时其结构图可以绘成图如下：图18 带转速微分负反馈双闭环调速系统在负载扰动下的结构图 、 、 对于不同的值，得带转速微分负反馈的双闭环系统的抗扰性能指标，列于下表：表 带转速微分负反馈的双闭环调速系统抗扰性能指标（h=5）00.51.02.03.04.05.081.2%67.7%58.3%46.3%39.1%34.3%30.7%2.852.953.003.454.004.454.908.8011.2012.8015.2517.3019.1020.70表中恢复时间是指衰减到5%以内的时间。从表中可以看出，引入转速微分负反馈后，动态速降大大降低，越大，动态速降越低，但恢复时间稍微拖长，其物理意义是很明显的。利用siminlink仿真的转速及电流波形图的效果也说明了这个问题：图19 带转速微分负反馈的双闭环调速系统转速波形图图20带转速微分负反馈的双闭环调速系统电流波形图可见，不仅实现了转速无超调，而且电流的特性也比原系统要好。6.5小结（1）直流双闭环调速系统引入转速微分负反馈后，构成加速度负反馈，可使突加给定起动时转速调节器提早退饱和，从而有效地抑制以至消除转速超调。同时也增强了调速系统的抗干扰能力，在负载扰动下的动态速降大大降低，但恢复时间有点延长。 （2）微分反馈必须带滤波电阻，否则将引入新的干扰。 （3）作为调节器工程设计方法的延伸，给出了微分反馈时间常数的近似计算公式，并且给出了指定条件下不同dn值所对应的抗扰性能指标。7 结论及心得体会结论：V-M调速系统使用转速电流双闭环调速控制器后，通过MATLAB仿真观察得知，转速及电流控制效果很好，可以在要求的时间范围内达到并稳定在转速给定值，超调较小，并且能够很好的实现对电枢电流的控制，限流的同时实现快速起动；在此基础上，增加转速微分负反馈环节，可以减小转速超调甚至消除超调，在特定场合非常适用。心得体会：本次课程设计旨在双闭环V-M调速系