基于PLC的双闭环串级调速系统的设计

1、摘要摘要 本文用电源反相序和动力制动的方法设计了双闭环串级调速系 统的可逆和制动控制线路。双闭环调速系统的性能很好，具有调速 范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动 系统中得到了广泛的应用。 本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型 式，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(asr) 和电流调节器(acr), 分别调节转速和电流。接着详细介绍了电流调 节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工 程设计参数指标。并阐述了串接附加电阻在切换过程中的重要性。 对其电气操作线路用可编程序控制器予以实现。 关键词：可编程序控制器、调速系统

2、、程序控制器、异步电动机 第第 1 章：引言章：引言 .- 3 - 第第 2 章：双闭环串级调速系统的可逆和制动方案章：双闭环串级调速系统的可逆和制动方案 .- 4 - 第第 3 章：串级调速系统的动态数学模型章：串级调速系统的动态数学模型 .- 6 - 3.1 转子直流回路的传递函数.- 6 - 3.2 异步电动机的传递函数.- 8 - 3.3 串级调速系统的动态结构框图.- 9 - 第第 4 章：调节器参数的设计章：调节器参数的设计 .- 10 - 4.1 电流环的设计.- 10 - 4.2 转速环的设计.- 12 - 第第 5 章章 串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式 .- 1

3、5 - 5.1 间接起动.- 15 - 5.2 直接启动.- 17 - 第第 6 章：操作控制电路章：操作控制电路 .- 18 - 6.1 plc 的选择.- 18 - 6.2 可编程序控制器的 i/o 接口 .- 18 - 6.3 操作线路图的梯形图.- 19 - 6.4 可编程序控制器程序清单.- 21 - 结束语结束语 .- 24 - 参考文献参考文献 .- 25 - 第第 1 章：引言章：引言 由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统 只能用于对调速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度，并 获得较好的动态特性，须采用闭环控制，通常采用具有电流反馈与 转速反馈的双闭环控

4、制方式。由于串级调速系统的转子整流器是不 可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只 是指起动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降 速。 第第 2 章：双闭环串级调速系统的可逆和制动方案章：双闭环串级调速系统的可逆和制动方案 系统组成方框图如图所示 图 1 双闭环控制串级调速系统主电路图 图 1 所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，转速反 馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自 逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取 自转子直流回路。为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器 acr 输 出电压为零时，应整定触发脉冲输出相

5、位角为 。图 1 所示的 系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流 的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实 现的。 本系统采用电源反相序进行可逆控制。它由接触器 km2、km3、km4、km5 组成电气控制线路。图中附加电阻 r1， 是为了解决在切换过程中及时启动时冲击电流过大的问题。制动控 制器采用晶闸管串级调速制动方式进行，它由接触器 km2、km5、km6 和制动变压器 t2，三相整流桥组成。 第第 3 章：串级调速系统的动态数学模型章：串级调速系统的动态数学模型 在图 1 所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的 动态结构框图均与直流调速系

6、统中相同。在异步电动机转子直流回 路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。 3.1 转子直流回路的传递函数转子直流回路的传递函数 根据下图 2 的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路 的动态电压平衡方程式 图 2 串级调速系统 a）主电路 b）等效电路 式中 ud0 当 s=1 时转子整流器输出的空载电压， ； ui0 逆变器直流侧的空载电压，； l 转子直流回路总电感，l = 2ld + 2lt + ll ld 折算到转子侧的异步电动机每相漏感，； lt 折算到二次侧的逆变变压器每相漏感，； ll 平波电抗器电感； r 转差率为 s 时转子直流回路等效电阻， 。 于是，式(1)

7、可改写成 将式(2)两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数 式中 tlr 转子直流回路的时间常数， ； ki 转子直流回路的放大系数，。 转子直流回路的动态结构框图如下图 3 所示。需要指出，串级调速 系统转子直流回路传递函数中的时间常数 tlr 和放大系数 klr 都 是转速 n 的函数，它们是非定常的。 图 3 转子直流回路动态框图 3.2 异步电动机的传递函数异步电动机的传递函数 异步电动机的电磁转矩为 电力拖动系统的运动方程式为 或写成 式中 il负载转矩 tl 所对应的等效直流电流。 由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为 其中， 为机电时间常数，tm 与 r、ce、cm

8、都有 关系，所以也不是常数，而是 id 和 n 的函数。 3.3 串级调速系统的动态结构框图串级调速系统的动态结构框图 把图 1 中的异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再 考虑给定滤波环节和反馈滤波环节就可直接画出双闭环控制串级调 速系统的动态结构框图，如下图 4 所示。 图 4 双闭环控制串级调速系统动态结构图 第第 4 章：调节器参数的设计章：调节器参数的设计 双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主要按抗扰性能考虑， 即应使系统在负载扰动时有良好的动态响应。在采用工程设计方法 进行动态设计时，可以像直流调速系统那样，电流环按典型 i 型系 统设计，转速环按典型型系统设计。 4.1

9、 电流环的设计电流环的设计 图5 电流环的动态结构图 电流环设计及参数计算： 1、时间常数的确定 （1）整流装置滞后时间常数:st 由附录知三相桥式电路的平均失控时间 0.0017s s t （2）电流滤波时间常数:由给定数据知 oi t =0.003s it0 （3）电流环小时间常数 i t 按小时间常数近似处理，取 =+=0.0017s+0.003s =0.0047s it stit0 :整流装置滞后时间常数,:电流滤波时间常数 s t oi t 2、选择电流调节器结构 由附录表 2 知 kt=0.5 时,电流调节器超调量 而且对电源电压抗压性能: = i l t t 4.04 0047

10、. 0 019 . 0 因此可按典型 i 型系统设计。电流调节器选用 pi 型，其传递函 数为： s s ksw i i iacr 1 )( 3电流调节器参数的计算 acr 超前时间常数： =t =t =0.019si llr ,因此，电流环开环增益:0.5 ii k t k =106.38 s-1 i i ii t tk 0047 . 0 5 . 0 于是，acr 的比例系数为： k =0.46 i ks irki 011. 0160 4 . 0019 . 0 38.106 所以，电流调节器传递函数为： =)(sacrw s s k i i i 1 s s 019 . 0 019 . 0 0

11、087 . 0 电流调节器的原理图如图 6 所示： 图 6 含给定滤波与反馈滤波的 pi 型电流调节器原理图 4.2 转速环的设计转速环的设计 图 7 转速环动态结构框图 转速环设计及参数计算： 1时间常数的确定 （1）电流环等效时间常数为: = ki 1 it2s0094 . 0 0047 . 0 2 （2） 转速滤波时间常数为: =0.01snt0 （3）转速环小时间常数为: =+=nt ki 1 nt0s0194 . 0 01 . 0 0094 . 0 2.选择转速调节器结构 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 p

12、i 调节 器，其传递函数为： s s ksw n n nasr 1 )( 3.转速调节器参数的计算 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5, asr 超前时间常数为： =n0.097s0.0194s5nht 转速换开环增益： =s-1 nk ntnthh h 2 1 318.85 0194 . 0 0194. 0 . 0252 15 因此 asr 的比例系数为： =nk t2 ) 1h n rh cetm （ 10 0194 . 0 4 . 0022. 052 076 . 0 4 . 3011. 06 所以，转速调节器的传递函数为： = )(swasr s s k n n n 1 s s 0

13、97 . 0 1097 . 0 转速调节器的原理图如图 8 所示： 图 8 含给定滤波与反馈滤波的 pi 型转速调节器 第第 5 章章 串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式 串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统 工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。 总的原则是在起动时必须使逆变器先于电机接上电网，停车时则比 电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，而使晶闸管无法关断， 造成逆变器的短路事故。 串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。 5.1 间接起动间接起动 大部分采用串级调速的设备是不需要从零速到额定转速作全范 围调速的，特别对

14、于风机、泵、压缩机等机械，其调速范围本来就 不大，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。为了使串级 调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子 先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计 最低转速时，才把串级调速装置投人运行。由于这类机械不经常起 动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。 从串电阻起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用 时间原则自动控制。 图 9 串级调速系统简介启动控制原理图 图 9 所示是间接起动控制原理图。起动操作顺序如下：先合上 装置电源总开关 s，使逆变器在 min 下等待工作。然后依次接通 接触器

15、k1，接人起动电阻 r，再接通 k0，把电机定子回路与电网 接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。待起动到所设计的 nmin(smax)时接通 k2，使电动机转子接到串级调速装置，同时 断开 k1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续 加速到所需的转速运行。不允许在未达到设计最低转速以前就把电 动机转子回路与串级调速装置联通，否则转子电压会超过整流器件 的电压定额而损坏器件，所以转速检测或起动时间计算必须准确。 停车时，由于没有制动作用，应先断开 k2，使电动机转子回路与 串级调速装置脱离，再断开 k0，以防止当 k0 断开时在转子侧感 生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。 如果生产

16、机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动 机在串电阻方式下起动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要 求调节到所需要的转速运行。这种起动方式可以保证整流器与逆变 器不致受到超过定额的电压，工作安全。但电动机要先升到最高转 速，再通过减速达到工作转速，对于有些生产机械是不允许的。 5.2 直接启动直接启动 直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级 调速系统。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后 使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因 电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使 转子回路与整流器接通。在图 5 中，接触器的工作

17、顺序为 sk0 k2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压 小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。待发出给定 信号后，随着 的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才 逐渐加速，直至达到给定转速。 第第 6 章：操作控制电路章：操作控制电路 6.1 plc 的选择的选择 plc 产品的种类繁多。plc 的型号不同,对应着其结构形式、性 能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也 各有侧重。因此,合理选用 plc,对于提高 plc 控制系统的技术经济 指标有着重要意义。 plc 的选择主要应从 plc 的机型、容量、i/o 模块、电源模块、 特殊功

18、能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。plc 机型选择 的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争 最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式 的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量 统一等因素。 综合以上因素，我们选择三菱系列的 plc。 6.2 可编程序控制器的可编程序控制器的 i/o 接口接口 由控制电路可知，需要 7 个 pc 输入接口，6 个输出接口。故 选择具有 24 个输入接口，16 个输出接口的 f-40mr 可编程序控制 器，i/o 接口图如下图 10 所示。 图 10 f-40mr 控制输入/输出接线图 6.3

19、 操作线路图的梯形图操作线路图的梯形图 （1）pc 机执行程序是从头到尾扫描的，速度很快。而继电器、接 触器动作从吸合到释放有一段延时，否则会引起主电路短路，编程 时考虑到这一点。2c、fc 之间的切换时增加了由 t450，t451 构 成的延时 1s 的延时保护。 （2）控制电路图中的中间继电器和时间继电器都用 pc 软件中的中 间继电器和时间继电器代替。 图 11 操作控制线路梯型图 6.4 可编程序控制器程序清单可编程序控制器程序清单 根据梯形图编写程序清单如下： 0 ldi x400 1 or y430 2 and x4o1 3 ani x402 4 out y430 5 ld y430 6 ani y434 7 out y431 8 ldi x403 9 mc n0 m100 11 ld x404 12 or m101 13 ani x405 14 ani x406 15 ani m102 16 out m101 17 ld m101 18 out t450 k10 22 ldi x402 23