双闭环直流调速

1、课程设计名称： 电力拖动自动控制系统 题 目： 双闭环直流调速系统 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 辽宁工程技术大学课 程 设 计 成 绩 评 定 表学期第七学期姓名专业电气工程与自动化班级课程名称电力拖动自动控制系统设计题目双闭环直流调速系统评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时间 年 月 日备 注 目录引言11 双闭环调速系统的动态数学模型21.1直流电机数学模型.21.2整流装置的传递函数.21.3 电流调节器的设计.31.4转速调节器的设计32 速度

2、与电流双闭环调速系统.52.1速度电流双闭环调速系统.52.2 双闭环调速系统的组成和基本原理.63双闭环控制并联逆变器的建模分析.74 转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程.94.1启动过程.94.2负载变化时的自动调速过程.94.3电动机堵转过程.94.4 双闭环调速系统的特点105 仿真研究.11结论.13设计体会.14参考文献.15摘 要 在工业生产中, 需要高性能速度控制的电力拖动场合, 直流调速系统发挥着极为重要的作用。而采用速度、电流双闭环调速系统, 就可以充分利用电动机的过载能力来获得最快的动态过程。根据双闭环调速系统的组成和基本原理, 分析了转速与电流双闭环直流自动调速

3、系统的工作过程及其特点。关键词: 直流调速系统; 基本原理目录引言11 双闭环调速系统的动态数学模型21.1直流电机数学模型.21.2整流装置的传递函数.21.3 电流调节器的设计.31.4转速调节器的设计32 速度与电流双闭环调速系统.52.1速度电流双闭环调速系统.52.2 双闭环调速系统的组成和基本原理.63双闭环控制并联逆变器的建模分析.74 转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程.94.1启动过程.94.2负载变化时的自动调速过程.94.3电动机堵转过程.94.4 双闭环调速系统的特点105 仿真研究.11结论.13设计体会.14参考文献.15 双闭环调速系统的动态数学模型在工程

4、实践中,虽然交流电动机结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易。但由于直流电动机双闭环调速系统在理论和实践上都比较成熟,具有极好的运行和控制性能,在工业生产中仍占有相当的比例,其双闭环调速系统结构如图1-1所示。ASR速度调节器ACR电流调节器TA交流变换器TG测速发电机U*n给定速度信号Un速度反馈信号U*i给定电流信号Ui电流反馈信号图1-1直流电动机双闭环调速系统结构系统中电流内环的作用是使电机电枢电流Id服从它的给定值U*i,当U*i不变时,它表现为恒流调节,否则表现为随动调节。速度外环的输出为U*i,不直接推动后面的放大器,而是作为电流环的给定值,二者共同构成串级控制系统,不仅能控制转

5、速,而且能控制电流,可充分利用电机的过载能力,获得较快的动态响应。1.1 直流电机数学模型在电力拖动控制系统中,直流电机通常以电枢电压为输入量,以电机转速为输出量。假设电机补偿良好,忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的影响,并设励磁电流恒定,得直流电机数学模型和运动方程分别为: 1-1式中: Ud电枢电压; L、id、R分别为电枢回路电感、电流和总电阻; E电机的反电动势,且有E=Cen; Te、TL分别为电机的电磁转矩和负载转矩,且有Te=Cmid; GD2电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量。整理得电流与电压以及电动势与电流之间的传递函数分别为: 1-2式中: T1=L/R电枢回路

6、的电磁时间常数(s); IdL=TL/Cm负载电流(A); Tm电力拖动系统的机电时间常数(s)。考虑n=E /Ce,可得直流电机的动态结构图如图1-2所示。1.2 整流装置的传递函数图1-2直流电动机的动态结构图由于晶闸管整流装置总离不开触发电路,因此在分析系统时往往把它们看成一个整体,当作一个环节处理。从图1-1上可以看出,这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uct,输出量是电枢电压Ud。如果在一定的范围内将非线性特性线性化,就可以把它看成一个滞后时间较小的纯滞后环节,如式1-3。因传递函数中包含指数函数,使系统成为非最小相位系统,给分析和设计带来了麻烦,一般情况下,把它近似成一阶惯性环节

7、。 1-3式中: Ts晶闸管整流装置的失控时间(s)。1.3 电流调节器的设计在设计电流环时,因T1比Tm小得多,故电流的调节过程比转速的变化过程快得多,因此在电流调节器快速调节过程中,可以认为反电动势E基本不变。这样在设计电流环时,可以暂时不考虑反电动势E图1-4电流环的动态结构图变化的影响而得到图1-4所示的电流环近似动态结构图。为了使电流环稳态上做到无静差以获得理想的堵转特性,动态上保持电动机电枢电流的不超调,保证系统的跟随性。把电流环校正成典型I型系统,其传递函数为: 1-4 式中: Ki,i分别为电流调节器的比例放大系数和时间常数。根据“对消原理”,为了对消掉控制对象中时间常数较大的

8、惯性环节,以使校正后系统的响应速度加快,取i=T1;PI调节器的比例放大系数Ki取决于系统的动态性能指标。根据“电子最佳调节原理”中的“二阶最佳系统”原理。取KiTi=05,由此可得: 1-51.4 转速调节器的设计图1-5转速环的动态结构图在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象。由此得到转速环的动态结构图如图1-5所示。为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型II型系统,其传递函数为: 1-6式中: Kn,n分别为转速调节器比例放大倍数和时间常数。根据II型典型系统参数确定的方法,有T1=hT2,于是有n=hTn,其中h为中频宽, Tn=Ton+

9、2Ti,根据“调节器最佳整定设计法”,一般取h=5。然后按典型II型系统的最小闭环幅频特性峰值Mrmin准则,得: 1-72速度与电流双闭环调速系统2.1速度电流双闭环调速系统速度与电流双闭环调速系统是 20 世纪 60 年代在国外出现的一种新型的调速系统。70 年代以来, 在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节, 见图2-1、图2- 2。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车

10、的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得图2-11单环系统静态方块图图2-2转速单闭环无静差直流调速图2-3带有电流截止负反馈系统启动电流波形到启动电流波形, 见图2-3 中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流 Idm, 其启动时间为 t1。实际的调速系统, 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图2- 3 启动电流变化的波形可以看到, 电流

11、只在很短的时间内就达到了最大允许值 Idm, 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要 t2 就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值 Idm, 并且保持不变, 在这个条件下, 转速 n 得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流 Izf 值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为 IdmR, 随着转速 n 的上升, U= I

12、dmR+Cen 也上升, 达到稳定转速时, Ud= IzfR+Cne。这就要求在启动过程中, 把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值 Idm, 并保持不变。这就要求有一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。图2-4转速、电流双闭环直流自动调速2.2 双闭环调速系统的组成和基本原理图2- 4 为转速、电流双闭环直流自动调速系统。该系统有两个 PI 调节器, 一个是用于转速调节的转速调节器(ST) , 另一个是用于电流调节的电流调节器(LT) , 两个调节器串级连接, 其输出均有限幅, 输出限幅值分别为 Usm 和 Umi。

13、由于调速系统的主要被调量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环( 主环) , 以保证电动机的转速准确地跟随给定值, 并抵抗外来的干扰; 把由电流负反馈组成的环作内环( 副环) , 以保证动态电流为最大值并保持不变, 使电动机快速地起动、制动, 同时还能起限流作用, 并可以对电网电压波动起及时抗扰作用。电动机转速由给定电压 Ug 来确定, 转速调节器 ST 的输入 M偏差电压为 Uis=Ug- Unf, 转速调节器 ST 的输出电压 Us 作为电流调节器 LT 的给定信号 (ST 输出电压的限幅值 Usm 决定了 LT 给定信号的最大值) ; 电流调节器 LT 的输入偏差电压为 Uci=- U

14、s+Ufi, 电流调节器 LT 的输出电压 Uc 作为触发电路的控制电压 (LT 输出电压的限幅值 Umi 决定了晶闸管整流电压的最大值 Udm) ; Uc 控制着触发延迟角, 使电动机在期望转速下运转。3双闭环控制并联逆变器的建模分析单相半桥逆变器由逆变桥和 LC 输出滤波器构成，采用输出电压瞬时值和滤波电感电流瞬时值双闭环反馈控制策略。电压外环采用 PI 调节器，控制输出电压跟踪基准正弦电压，PI 调节器的输出作为电流给定；电流内环采用滞环控制方式，控制电感电流在正负滞环宽度范围内跟踪给定电流变化。当逆变器的开关频率远大于输出电压频率 fo，且 fo较低时，电流内环可以等效为一个受控放大器

15、。图 3-1 为两台逆变器构成的并联系统等效输出模型，其中 uo 是并联交流母线电压，uo1、uo2 分别为两台逆变器的输出电压，Z1 和 Z2 分别为两台逆变器与交流母线之间的线路阻抗，Ze为并联系统负载，、 分别为两台逆变器的输出电流，io 为负载电流。定义环流 3-1由 3-1可以得到 3-2所以，对于由两台逆变器构成的并联系统，一台逆变器承担一半的负载电流加环流量，另一台逆变器承担一半的负载电流减环流量。如果忽略逆变器和并联交流母线之间的线路阻抗，可认为两台逆变器输出电压 uo1 和 uo2 相等。因为两台逆变器电路参数不可避免地存在误差，因此环流必定存在。所以处于并联工作时的电压电流

16、双闭环控制逆变器单模块系统电路模型如图3- 2 所示。该模型考虑了环流因素，与单独工作的逆变器相比，多了虚线框所示部分。uref 为基准正弦波，uvf 为反馈电压，Kvf 为电压反馈系数，KP、KI 为 PI 调节器的比例和积分系数，iref 为电流给定，iL 为电感电流，K 为电流环放大倍数，Go 为输出滤波电容 Cf 与负载并联的传递函数， 为输出角频率。图3- 1 两台逆变器并联系统等效输出模型图3- 2 并联工作的双闭环控制逆变器单模块电路模型逆变器输出电压为 3-3要让两台逆变器在参数不一致时输出电压相等，即 uo1=uo2，有 3-4转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程.1

17、启动过程双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下 3 个阶段。(1) 电流上升阶段。开始启动时, n=0, Ufn=0, Usi=Ug, 故 ST 的输入值很高, 使 ST 的输出 Us 迅速达到饱合限幅值- Usm, 在此后的启动升速过程中, 只要 Usi( 即 nn1)Ug/n, 则 ST 就将保持该饱和值而不能起调节作用。LT 的输入偏差电压 Uic=- Us+Uif, 由于此时- Us=- Usm, 而 Uif=Id, 故Uci=- Usm+Id0, LT 的积分作用将使 Uc 快速上升, 电流 Id 以最快速度上升, 电动机获得较大的启动转矩, 加快了电动机的启动。直到 Ufi=I

18、d=Usm( 即 Uic=0) 时, Uc 不再增加, Ud 也不再增加, 电动机电流 Id 达到所允许的最大电流 Idm。(2) 电流保持恒值, 电动机恒加速阶段。此阶段从 Id 刚上升到 Idm 开始, 到 n 达到其期望值 n1 为止。在此阶段中, 由于 nn1 的转速超调现象。但在 nn1 后, 由于 UnfUg, 故 UsiIdm。此时, 由于转速的迅速下降, 使 Usi0, 故 ST 迅速饱和, 而不再起转速调节作用, ST 的输出为饱和限幅值- Usm; 同时, 由于 IdIdm, 使Uci=- Usm+Id0, 故 LT 的输出 Uc 迅速下降, Ud 和 Id 随之迅速下降,

19、 转速急剧下降, 但 LT 的调节作用将使 Id 维持 Idm 不变, 直到堵转为止。因此, 双闭环调速系统的堵转电流 ID 与转折电流 IB 相差很小, 这样便获得了比较理想的“挖土机特性”。4.4 双闭环调速系统的特点双闭环调速系统的特点, 一是系统的调速性能好; 二是能获得较理想的“挖土机特性”; 三是有较好的动态特性, 过渡过程短, 启动时间短,稳定性好; 四是抗干扰能力强; 五是两个调节器分别设计和整定, 调试方便。5 仿真研究基于以上分析,得双闭环调速系统的动态结构图如图5-1所示,其中包括了电流、转速滤波和两个给定滤波环节。仿真中采用三相桥式全控整流电路供电,Ts=000167s

20、,基本仿真数据如下。直流电机:220V, 136A, 1480r/min,允许过载倍数=15;电机轴上总飞轮力矩: GD2=225Nm2;电枢回路总电阻: R=05;电枢回路总电感: L=15mH;滤波时间常数: Toi=0005s, Ton=001s;晶闸管装置放大系数: Ks=40。由此可得:电流环小时间常数Ti=Ts+Toi=000667s;电磁时间常数T1=L/R=003s;电流反馈系数=U*im/Idm=00392V/A;转速反馈系数=U*nmax/nmax= 000338Vmin/r; Ki= 0717;n=01167s; Kn=14302,仿真结果如图5-25-8所示。图5-1双闭环调速系统动态结构图由仿真结果来看, ASR从起动到稳速运行经历了两个状态,如图5-3所示,即饱和限幅输出与线性调 图5-2 电机转速 图5-3A