电力拖动提升机单闭环调速系统 (2)

1、目目 录录1 概述.22 系统性能指标的确定.32.1 部件的选择 .32.2 各环节传递函数的确定 .53 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计.133.1 反馈控制闭环直流调速系统中的动态数学模型 .133.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 .144 动态校正.154.1 校正方案的选择 .154.2 校正装置的设计 .165 总结.186 心得体会.19参考文献：.20致谢.21电力拖动提升机单闭环调速系统1电力拖动提升机单闭环调速系统学生：*（指导教师：*）（皖西学院机械与电子工程学院）摘要：提升机产品介绍提升机适于输送粉状，粒状及小块状的无磨琢性及磨琢性小的物料，具有电动葫

2、芦和卷扬机的主要功能，规格 300-600KG 500-1000KG ,绳长：单吊 30 米，双吊 15 米，钢丝绳长度可根据用户所需加长订做。提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮） 、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。具有制动速度快，体积小，重量轻，结构紧凑，使用方便，维修简便的特点。关键词：自动控制系统 单闭环 提升机Electric traction hoist single loop speed control system*(Faculty Adviser：*)(College of Biological and Pharmaceut

3、ical Engineering, West Anhui University)Abstract: Hoist Products suitable for conveying powder, granular and small block of non-abrasive and abrasive materials small, with electric hoist and hoist the main features, specifications 300-600KG 500-1000KG, rope length: single hanging 30 meters, 15 meter

4、s double hanging, rope length can be customized according to user desired extension. Hoist mainly by the motor, reducer, drum (or friction wheel), brake systems, depth indication system, speed limiting system and steering system components, the use of AC or DC motor drive. With braking speed, small

5、size, light weight, compact, easy to use and easy maintenance features.Keywords: automatic control Single-loop system Hoist 电力拖动提升机单闭环调速系统21 概述提升机作为一种现代化必不可少的工具，不论是在建设，矿井，还是其他场合，都是不可或缺的，由于提升机的结构简单，便于控制，被常常用于各种场合。我国对提升机电控装置的研究设计，制造，使用上都取得了长足的进步。在 80 年代之前，绝大多数的提升机要采用绕线转子异步电动机转子回路船电阻的交流调速系统，而少数则采用发电机电动

6、机组直流调速系统，当前投产的重大型提升机多数采用晶闸管直流调速系统，也有采用交交变频调速的。本设计中采用的是单闭环直流调速系统，不仅价格便宜而且结构简单，控制精度也能达到。众所周知，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。直流电动机转速和其他参数之间的稳态关系可表示为 有上式可知，调节电动机的转速有三种方法：1）改变电枢供电电压 U.2）减弱励磁磁通 。3）改变电枢回路电阻 R。()UIRnCe电力拖动提升机单闭环调速系统32 系统性能指标的确定2.1 部件的选择控制系统的性能指标是设计控制系统的主要依据，是要求生产机械系统能够完成的目标，还应考虑到技术条件和经济性等因素来确

7、定。调速系统的性能指标一般有：调速范围和静差率。根据现在建筑工程中对提升机的要求，最高 nmax=1500r/min，最低转速nmin=300r/min，选择调速范围 D=5。为了保证工作过程中消除由于转速的变化太大所引起的震动，为了延长钢丝绳的使用寿命，要求转速基本保持稳定，静差率 S5%。2.1.1 电机的选择设计的电机选择直流电动机。与交流电动机相比，起优点在于：调速性能好，调速范围宽，才用电子控制下，能充分适应各种机械负载特性的需要。根据需要，选取中型直流电动机来拖动。其额定数据如下：220V 55A 1000r/min 采用 VM 系统，主电路总电阻 R=1,当负载在 10%100%

8、额定负载变化时转速静差率为 5%，调速范围 D=5，电枢电阻 Ra=0.5。2.1.2 调速系统的选择设计中选用闭环调速系统，原因是与开环调速系统相比，闭环系统有着很大的优越性，其具体表现在：（1）闭环系统的静特性可以比开环系统的机械特性硬的多。（2）闭环系统的静差率要比开环系统小的多。（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。取得上述优势要使用放大器，放大器的选择在后面介绍。2.1.3 直流调速系统的可控直流电源的选择（1）选用晶闸管电动机调速系统（简称 VM 系统） 。原理图如图 2 所示电力拖动提升机单闭环调速系统4图 1 选用 VM 系统原理图图 1 中 VT 晶闸

9、管可控整流电路，通过调节触发装置 GT 的控制电压来移cV动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。和旋转交流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 10 以上，其门极电流可以直接用电子控制，不再像支流发电机4那样需要较大功率的放大器，在控制作用上，交流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大的提高系统的动态性能。（2）整流电路的选择电力电子课程中我们了解到，三相桥式整流电路的整流效果最好。所以在此次设计中我选用三相桥式整流电路。其参数如下：晶闸管触发整流装置

10、：三相桥式可空整流电路，整流变压器 Y/Y 联结，二次电压，电压放大系数VU23021（3）抑制电流脉动的措施在 VM 系统中，脉动的电流回增加电极的发热，同时也产生脉动转距，对生产机械不利。为了避免和减轻这种影响，我们必须采用抑制电流脉动的措施。在本次设计中我们才用的是设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载是 电流连续的条件来选择的。通常44;sK 电力拖动提升机单闭环调速系统5首先给定最小电流，在利用他计算所需要的总电感量，减去电枢电感，既Id min得平拨电抗应有的电感值。对于我们选择的三相桥式整流电路 inIULdim2693. 0具体的计算我们将在后面的稳定性分析中再去计算

11、。2.2 各环节传递函数的确定晶闸管交流器环节的输出量是理想空载整流电压其输入量是触发电路0dU的控制电压，晶闸管变流器可以近似为一个具有纯滞后环节的放大环节，其ctU滞后时间是由晶闸管变流器的失控时间引起的。众所周知晶闸管一旦导通后控制电压的变化对他就不在起作用了，直到该元件承受反电压关断后为止。因此，造成了整流电压滞后于控制电压的状况。2.2.1 整流装置的传递函数 下面以单相全波纯电阻负载整流电路为例来讨论滞后的形成及滞后时间的大小，假设在 时刻，某一对晶闸管触发导通，控制角为，如果控制电压1t在时刻发生变化，从突降到，但是由于晶闸管已导通，控制电压ctU2t1ctU2ctU的改变，对它

12、已经不起作用了，平均整流电压，并不会立即改变，必须等01dU到时刻，该元件关断以后触发脉冲，才有可能控制另外一对晶闸管设对3t2ctU应的控制角，则另一对晶闸管在时刻才导通，平均整流电压变成假设24t2doU平均整流电压是在自然换相点变化的。则从变化到发生变化期间的时间ctU0dU使是滞后时间也称失控时间。显然，滞后时间的值是随机的，他的大小随sTsT发生变化的时刻而变化，最大可能失控时间就是两个自然换相点之间的时间ctU与交流电源频率和整流电路形式有关，可由下式确定max1sTmf式中: f:交流电源频率m:交流电源一周波内整流电压的波头数电力拖动提升机单闭环调速系统6图 2 晶闸管触发与整

13、流装置的失控时间相对于整个系统的响应时间来说是不大的.在一般情况下,可取其统计平均值sT,并认为是常数,下表列出了不同整流电路的失控时间。max12ssTT表 1 各种整流电路的失控时间（f=50HZ）整流电路形式平均失控时间/msST整流电路形式平均失控时间/msST单相半波10三相六波3.33单相桥式5三相桥六相半波1.61设控制电压为阶跃变化,则晶闸管变流器的输入和输出关系为ctU01()dsctSUK UtT利用拉氏变换的位移定理,则晶闸管装置的传递函数为WS(S)=0( )( )sT sdsctUsK eUs由于上式中包含有指数，它使系统成为非最小相位系统。分析和设计sT se都比较

14、麻烦。为了简化，将按台劳级数展开，考虑到相对于系统其他时sT sesT间常数是较小的原故，忽略其高次项，则传递函数近似为一阶惯性环节。WS(S)=1ssKT S 电力拖动提升机单闭环调速系统7其动态近似结构框图如下图所示。 ( )ctUs 0( )dUs 图 3 晶闸管触发与整流装置动态近似结构图2.2.2 电动机的传递函数他励直流电动机在额定励磁下的等效电路，其中电枢总电阻 R 和电感 L 包含电子变换器内阻、电枢电阻和电感。图 4 他励直流电动机在励磁下的等效电路假定主电路电流连续，动态电压方程为 Udo =RId + LdId/dt +E忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为T

15、e Tl =GD2 dn/375dt额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为E =Cen和 Te =CmId式中 TL包括电动机空载转矩在内负载转矩（N m） ；GD2电力拖动系统折算到电动机轴的飞轮惯量（N m2） ；Cm额定励磁下电动机的转矩系数（N m/A）,Cm =30Ce/。再定义下列时间常数TL 电枢回路电磁时间常数 TL =L/R;1ssKT S 电力拖动提升机单闭环调速系统8Tm电力拖动系统机电时间常数 ,Tm =GD2 R/375CeCm。代入式中并整理后得 Ud0 E = R（Id +TldId/dt） Id IdL = TmdE/Rdt 式中 IdL=TL/Cm。再零初始条

16、件下，取等式两边取拉氏变换，得到电压与电流间的传递函数) 1(1)()()(0STRSESuSILdod电流和电动势的传递函数STRSIsIsEMdld)()(将两个动态式子结构图连在一起，并考虑到 n =E/ Ce 。可得额定励磁下直流电动机的动态框图，如图所示。图 5 直流电动机的动态结构框图再进行等效变换，可以知道额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。G（s）=) 1(12STSTTCMMLe知道各环节的传递函数，将它们按照一定内在联系组成系统。画出直流调速的动态结构图。带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作一个三阶线性系统电力拖动提升机单闭环调速系统9kpKs-Ts+11/Ce

17、-TmTls2+TmS+1aUn*（S）Un（S）n（S）R(TlS+1)Idl(S)图 6 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图从图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数G（s）= ) 1)(1(2STSTTTKMLMS其中 K=KPKSa/Ce设 IdL =0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 2.2.3 运算放大器传递函数给定电压与速度反馈电压合成产生偏差电压 ，并且放大 Kp 倍即传递函数 其中KpSG)(12RRKpR1R2图 7 运算放大电路图2.2.4 测速发电机传递函数KsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsUsnsWmlms

18、espmlmsespmlmsespncl) 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)()()(222*111)(1)1 (23sKTTsKTTTsKTTTKCKKsmslmslmesp电力拖动提升机单闭环调速系统10测速发电机是由于测量角速度并将它转化成电压量的装置。在控制系统中常用的有直流和交流测速发电机，图是永磁式直流测速发电机的原理图测速发电机的转子与带测量相连接，电枢两端的输出电压与转子角速度成正比。dttdtwtu)()()(式中 是转子角速度位移， 是角速度，是测速发)(t)()()(tdtdtw电机的输出斜率，表示单位角速度的输出电压，在零初始条件下取拉氏变换可得到直流测

19、速发电机的传递函数。)()()(ssUSG2.3 闭环直流调速稳态参数的计算用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统如图所示，主电路是由晶闸管供电的 V-M 系统。M TGRSRP1R0R1RB1RP2R0RP2LVS图 8 转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统电动机：额定数据为 10kW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻 Ra=0.5；晶闸管触发整流装置：三相桥式可空整流电路，整流变压器 Y/Y 联结，二次电压，电压放大系数VU23021;44sKV-M 系统电枢回路总电阻 R=1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为 23.1W，110V，0

20、.21A，1900r/min；直流稳压电源15V。若生产机械要求调速范围 D=5，静差率 s5，试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的启动问题） 。1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为电力拖动提升机单闭环调速系统1110.52r/minmin/31. 0)02. 01 (10002. 01500)1 (1rSDSnnNc2）求闭环系统应用的开环放大系数 0.1925Vmin/rrvnRIUCNaNnemin/.1133. 015005 . 0100220则开环系统的额定转速为287.5r/minmin/3 .881133. 01 . 0100rCRIneNop闭环系统

21、的开环放大系数应为26.1283131. 03 .8811copnnK3）转速反馈环节的反馈系数和参数转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数和其输出电位器的etgC2RP分压系数，即2 = 2etgC根据测速发电机的的额定数据，有 rvrVCetgmin/.059. 0min/1900110试取=0.2。如测速发电机与主电动机直接接触，则在电动机最高转速21000r/min 时，测速反馈电压为1000r/min=0.20.05791000V=11.58VVCUetgn37.170579. 015002 . 015002稳态时很小，只要略大于即可。现有支流稳压电源为，完全nU*nUnUV15能够

22、满足给定的电压的需要。因此=0.2 是正确的。于是，转速反馈系数的计2算结果是: rVCetgmin/.01158. 00579. 02 . 02电压器的选择方法如下：为了使测素发电机的电枢降压对转素检测信号2RP的线性度没有显著的影响，去测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的 20%，则电力拖动提升机单闭环调速系统1213799 .206721. 02 . 015000579. 02 . 02NtgNetgRPInCR此时所消耗的功率为 2RP2.43WWWInCWNtgNetgRP6 . 321. 02 . 015000579. 02 . 02为了不致使电位器的温度很高，实选的电位器

23、的瓦数应为所消耗的一倍以上，故可将选为 10W，1.5K的可调电位器。2RP4）运算放大器的放大系数和参数根据调速性能指标要求，开环放大系数，则运算放大器的放大系数283K应为: 20.14pK93.631133. 0/4401158. 0283/espCKKK实取 Kp=21。运算放大器的参数计算如下：根据所用运算放大器型号，取，则KR400KKRKRp840402101闭环系统的方框图如下图所示图 9 闭环调速系统电力拖动提升机单闭环调速系统133 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计前面已经计算过了转速闭环直流调速系统的各项为态参数。计算了放大系数，如果其足够大时就可以满足系统的 稳

24、态性能要求。但如果放大系数太大与会使闭环系统不稳定，此时需要动态校正，以保证系统正常工作。并且还要满足系统的各项动态性能指标的要求。3.1 反馈控制闭环直流调速系统中的动态数学模型构成闭环支流调速系统的的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。其中，电力电子变换器的传递函数为min)(dssIKsW近似为一个惯性环节。根据电力拖动自动控制系统运动控制系统可以查得，直流电动机的方框图为1/R-TlS+1R-TmS1-CeUdoId（s）Idl（s）图 10 直流电动机框图传递函数为1/1)(2sTsTTCsWmlme系统中还有比例放大器和测速反馈环节，下面依次是它们的传递函数pncaKsUsUsW

25、)()()()()(snUsWnfn电力拖动提升机单闭环调速系统14把上述各系统集合起来，边得到直流调速系统的方框图。如下图所示kpKs-Ts+11/Ce-TmTls2+TmS+1aUn*（S）Un（S）n（S）R(TlS+1)Idl(S)图 11 直流调速系统的方框图由上图可知，反馈控制闭环直流调速系统的开换传递函数为) 1)(1()(2sTsTTTKsWmlms闭环传递函数为 W(s)111)(1)1 (231KTTsKTTTsKTTTKCKKWsmslmslmespc3.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件比例控制闭环系统的特征方程为据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条

26、件是整理后得K 愈小，稳定性越好，这与静特性对 K 的要求是矛盾的。（1）确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。对于 VM 系统，为使主电路电流连续，应设置平波电抗路，在我们选择的三相桥式可控整流电路中，为了保证最小电流%时电流仍能连续，计算电枢回路总电感量10mindIdI0111)(123sKTTsKTTTsKTTTsmslmslm0322130asasasa0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(电力拖动提升机单闭环调速系统15min2693. 0dIUL 已知VVUUl8 .132322则16.73mHmHVL2 . 91 . 01008

27、.132693. 0我们取 L=17mH=0.017H。(2)计算系统中各环节的时间常数电磁时间常数 0.017s sRLTl09. 01 . 0009. 0机电时间常数0.019ssCCRGDTmEm22. 01133. 030.1133. 03751 . 0103752对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为:sTs00167. 0为保证系系统稳定，开环放大系数必须满足稳定条件： 132 .1300167. 009. 00016. 0)0016. 009. 0(022. 0)(22SlslmTTTsTTTK但是系统稳态调速性能指标要求 K21，因此，系统不稳定。4 动态校正由前面的

28、讨论可以看出，系统是不稳定的。原因是动态性能指标与稳态性能指标发生矛盾。所以，必须设计合适的动态校正装置来改造系统，是系统同时满足动态性能指标和稳态性能指标二者的要求。4.1 校正方案的选择动态校正的方法很多，而且在系统能中，校正的方法也是不唯一的。就电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正与反馈校正。其中一串联校正比电力拖动提升机单闭环调速系统16较容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统中。由于其传递函数的阶次较低，一般采用 PID 串联校正方法就能实现动态校正的任务。PID 调节器中有比例微分（PD） ，比例积分（PI） ，和比例积分微分（PID）三种类型。由 PD 调节器构成

29、的超前校正，可以提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；用 PI 调节器构成的滞后环节，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；用 PID 调节器实现的滞后超前校正则兼有二者的优点，可以全面的提高系统的控制性能，但是具体实现要复杂一些。由于一般的调速系统以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求可以差一些，所以采用 PI 调节器。如下所示：R0R1RPUiUo图 12 比例积分调节线路图即用运算放大器来实现 PI 调节器。参照电力拖动自动控制系统运动控制系统 ，PI 调节器的传递函数式为ssKsWpipi111)(4.2 校正装置的设计伯德图为主要的设计校

30、正工具。原因在于他的绘制方法简便，可以确切的提供稳定性和稳定裕度的的信息，而且还能大致的衡量闭环系统稳态和动态的性能。所以，伯德图是电力拖动自动控制设计和应用中普遍使用的方法。我们分析一下如何使用伯德图来判别系统的稳定性。我们定性的分析闭环系统的性能时，通常将伯德图分为低、中、高三个频段，如下图所示：电力拖动提升机单闭环调速系统17中频段高频段低频段/图 13 伯德图从上图的三个频段的特性可以判断系统的稳定性。特征如下： （1）中频段-20的斜率穿越 0，而且这一斜率能覆盖足够的频decdB/dB带宽度，则系统的稳定性越好。（2）截止频率越高，则系统的快速性越好。cW（3）低频段的斜率陡，增益

31、高，说明系统的稳态精度越高（4）高频段衰减月快，即高频段特性负分贝值越低，说明系统的抗高频噪声干扰能力越好。从以上四点可以看出，它们互相矛盾，我们要用各种手段，反复试凑，在稳、准快和抗干扰这四个矛盾中取得折中，来取得令人满意的效果。下面我们开始根据上述原则来计算并设计 PI 调节器。从前面的分析中，我们已经得到了原始系统的开环传递函数) 1)(1()(2sTsTTTKsWmlms已知，0.017s，0.019ssTs00167. 0sTl09. 0sTm022. 0闭环系统的放大系数取为55.583 .2831133. 001158. 04463/espCKKK相应的三个中频段为58.82s-

32、11117 .66015. 011sTW电力拖动提升机单闭环调速系统1852.63s-11229 .142007. 011sT 011sT 011sTW而55.58=34.98dB49283lg20lg20k相应的闭环对数幅频和相频特性曲线如下图所示： /图 14 闭环对数幅频和相频特性曲线为了使系统稳定，设置 PI 调节器。考虑到原始系统中包含了放大系数的比例调节器，现在换成 PI 调节器。他在原始系统的基础上新添加部分的pK传递函数应为sKsKsWKppipip1)(1经过验证系统的各个性能指标都满足了设计要求，系统符合要求后，开始进行模拟仿真，最后进行系统调试和样机生产。5 总结本次的课程设计以电力拖动自动控制系统课程所学内容为主线，我们基本能按要求进行，结果在实验允许误差以内，通过上面的设计可知：电力拖动提升机通过电机的调速方法，对其进行调速，这种方法在实际应用中非常实用。理论知识在实际中得到应用和强化，我们理解到了，学习的东西要用到工作中。提升及应用了自动控制理论知识，因此，我们就可以通过电机的控制方法来控制提升机。电力拖