自动控制原理课程设计---高压变频技术在水泥生产中的应用

1、精品文档1 现场工艺简介1.1 水泥生产工艺水泥的生产步骤，可分为以下八个步骤：原料的提取采矿原料的破碎原料的储存和预均化原料的粉磨球磨机生料的均化和储存煅烧生料通过旋风筒预热后再进入回转窑烘烤物料，煅烧成熟料水泥的粉磨根据水泥的品质，混合其他的化学原料粉磨水泥 的储存与运输 其中物料的粉磨工艺流程是：电动机通过减速机带动磨盘转动，物料从下料口落到磨盘中央，在离心力的作用下向磨盘边缘移动并受到磨辊的碾压，粉碎后的物料离开磨盘，被高速向上的气流带至与立磨一体的别离器，粗粉经别离器后返回到磨盘上，重新粉磨；细粉那么随气流出磨，在系统的收尘装置中收集下来。收尘风机的转速收尘器所需风量主要由管磨机内工

2、艺情况产量及粉的细度决定图1-1 水泥生产工艺图2 收尘风机的选择 收尘机参数： 电动机参数： 热变电阻柜参数： 变频器技术指标：型号：Y4-73 No31.5F 型号：Y6304-8 型号：HTR 5-2 型号：Harsvert-A06/220流量：456200m3/h 额定电压：6000V 额定功率：470KW 输入电压：6000V风压：352kPa 额定电流：55A轴转速：900r/min 额定频率：50Hz3 各环节传递函数分析 变频调节系统的传递函数分析不象直流调速系统那样概念清楚，解析直观，其推导过程相当复杂，只能借助于计算机去求解。为了简化推导过程，做了理想化假设：1.异步电动机

3、为理想的电机，即无铁耗、无风阻、无磨擦、各相磁势是正弦量，对应某频率时电机所有参量为常量。2.可控硅整流器和电抗器组成一个理想的可调电流原，其阻抗为无穷大。3.把逆变器看作一个理想开关，即假设其膦理想变频电流源。4.设给定不变，系统工作于某频率。5.动态时恒压频比关系仍存在，即气隙磁通始终保持不变，由于系统设置了微分校正环节，所以这种假设是成立的。由于作了以上假设，对于图1的系统，电压和频率是协调工作的两个通道，这样就可以在分析电压环时，不考虑频率通道。此时，函数发生器的输出电压相当于在变频调速中为保证电机恒压频比所需要的电压。电压调节器的输出作为电流给定值，控制电流闭环。可以认为依靠电流和电

4、压的反应调节作用调节电机的转矩，从而得到近似直流电动机调电枢电压调速时的特性。3.1 电流源动态传递函数逆就器给异步机供电时，对于120度导电型同时有两个可控硅导通，整流器也是如此，电流根本上总是同时流过整流变压器的电动机，如所示。RBLBRBLB整流变压器整流器逆变器电动机+ Ld-rdI1图3-1 变流器对电动机供电的等效电路图显然此环节输入量电压Ud，输出量是I1，其动态传递函数为： 3-1其中 反应信号为电压时电机等效传递函数从异步电动机的等值电路可得到： 3-2由前假设可知，在额定负载时，归算过来的转子电路根本上成为电阻性的，所以转子电路功率因数很高，在满载情况下，Im可以忽略，这时

5、有 3-3在电流型逆变器中，逆变器的可控量是异步电动机的定子电流。根据3-3式知道，确定了定子电流就确定了转子电流，也就确定了转矩。由于，所以异步电动机的转矩 3-4根据电动机机械运动方程式并考虑到3-4式可得 3-5又有U1E1=Ken 代入上式得对上式两边取拉氏变换即可得到电机的等效传递函数：I1-IfzS=TmU1SS即 3-6其中 ，是电动机积分时间常数。3.2 可控硅及触发电路传递函数可控硅及触发电路的传递函数和直流整流系统一样。整流器的整流电压是输出量，电流调节器输出即触发器的控制电压Uk是输入量，其传递函数为：WS=Ks/1+TsS其余反应五一节的传递函数和直流系统一样。通过以上

6、各环节动态传递函数分析，我们可以画出整个电压通道的的系统动态结构如图3-2所示。显然该系统为双闭环系统，内环为电流环，外环为电压环。从以上分析可见，根本思想是将异步机分析直流化。对于笼形电动机，它的励磁电流和有效电流均由定子电流产生，这里是忽略了励磁电流的影响，仅考虑其有效电流，它相当于直流电动机的电枢电源电流，从而得到与直流相近似的传递函数Ug + Ufv Ugi + Ufi Ui Ud I1 IfzU1 图3-2 电压通道的的系统动态结构框图3.3 系统的工程设计方法及举例由以上分析可见，变频调速系统的电压通道是和直流机调速系统相似的双闭环系统，因此其调节器的设计完全可以套用直流调速系统的

7、设计方法。现以轧机辊道传动交流电机变频可逆调速系统.为例进行说明，系统组成如图1-1所示，相应的动态结构如图3-2所示。系统参数为：异步电动机为JG2-52-13，20台并联，Ped=420，留余量取100KW；Ued=380V；Ied=11.420，取250A；ned=630r/min；f=50HZ；Y形接法；实测电机带辊道转动惯量GD2=20kgm2；rd=0.5，Ld=10Mh；r1+r2=2.5；L1+L2=7.04Mh；2rB=0.25；LB=0.14mh。给定值、电压调节器及电流调节器限幅值及对应电压反应和电流反应的额定值均整定为10V。4 系统的校正设计4.1 校正的根本方法动态

8、校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反应校正。串联校正比拟简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。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调节器构成的超前校正，可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；由PI调节器构成的滞后校正，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那么兼有二者的优点，可以全面

9、提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用 PD调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用PI或PID调节器。在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图 ，即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。正因为如此，伯德图是电力拖动自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法4.2 校正的根本原理在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指

10、标是：相角裕度 和以分贝表示的增益裕度 GM. 一般要求=3060，GM6dB保存适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着动态过程振荡弱、超调小。在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的，不同文献上的分割方法也不尽相同，这并不影响对系统性能的定性分析。图,.3绘出了自动控制系统的典型伯德图，从其中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：1中频段以.-40db/dec的斜率穿越0db线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，那么系

11、统的稳定性好。2） 截止频率 或称剪切频率!d越高，那么系统的快速性越好。3） 高频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。4） 高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。设计时往往须用多种手段，反复试凑。在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比拟满意的结果。采用微处理器数字控制后，控制器不一定是线性的，其结构也不一定是固定的，可以很方便地应用各

12、种控制策略，解决矛盾就容易多了，具体设计时，首先应进行总体设计，选择根本部件，按稳态性能指标计算参数，形成根本的闭环控制系统，或称原始系统。然后，建立原始系统的动态数学模型，画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态性能。如果原始系统不稳定或动态性能不好，就必须配置适宜的动态校正装置，使校正后的系统全面满足所要求的性能指标。4.3 调节器设计 图4-1 PI调节器线路图本次设计使用的是PI调节器，PI调节器的性能及原理为，调速系统的动态校正装置，常用 PI调节器。采用模拟控制时，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路图如图4-1所示。图中Uin和 Uex分别表示调节器输入和输出电压的绝对值，图中所

13、示的极性说明它们是反相的；Rbain为运算放大器同相输入端的平衡电阻，一般取反相输入端各电路电阻的并联值，按照运算放大器的输入输出关系，可得Uex= (4-1) 式中 调节器比例局部的放大系数， 调节器比例局部的放大系数，由此可见，PI调节器的输出电压 Uex由比例和积分两局部叠加而成。当初始条件为零时，取式4-1两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数W (4-2)在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如图4-2所示，从这个特性可以看出比例积分作用的物理意义。突加输入电压 Uin时，输出电压Uex首先突跳到 KpitUin，保证了一定的快速响应。但Kpit是小于稳态性能

14、指标所要求的比例放大系数 Kp的，因此快速性被压低了，换来对稳定性的保证。如果只有Kpit的比例放大作用，稳态精度必然要受到影响，但现在还有积分局部。在过渡过程中，电容 C1由电流j,恒流充电，实现积分作用，使 Uex线性地增长，相当于在动态中把放大系数逐渐提高，最终满足稳态精度的要求。如果输入电压 Uin一直存在，电容C1就不断充电，不断进行积分，直到输出电压 Uex到达运算放大器的限幅值 Uexm时为止，称作运算放大器饱和。为了保证线性放大作用并保护系统各环节，对运算放大器设置输出电压限幅是非常必要的。在实际闭环系统中，当转速上升到给定值时，调节器的 Uin=0，积分过程就停止了。4.4

15、利用PI调节器对系统校正原始系统的开环传递函数在这里， ，因此分母中可以分解成两个一次项之积，即根据稳态参数计算结果，闭环系统的开环放大系数取为于是，原始闭环系统的开环传递函数是相应的闭环对数幅频及相频特性绘于图4-2其中三个转折频率 或称交接频率分别为 由图4-2可见，相角裕度和增益裕度HN 都是负值，所以原始闭环系统不稳定。和用代数判据得到的结论是一致的。图4-2 原始闭环直流调速系统伯德图为了使系统稳定，设置PI调节器，设计时须绘出其对数频率特性。考虑到原始系统中已包含了放大系数为 Kp的比例调节器，现在换成PI调节器，它在原始系统的根底上新添加局部的传递函数应为相应的对数频率特性如图4

16、-3所示。鉴于Kpi1/Kp，所以对数幅频特图4-3调节器在原始系统根底上添加局部的对数频率特性性的 低 频 部 分 斜 率 首 先 是 积 分 环 节 的-20db/dec，在频率,1/Kp处穿越0db线，然后起作用的才是比例微分环节，在1/Kp处向上转折，斜率变成0db/dec。与此相应，可画出对数相频特性。将图4-2和图4-3画在同一张坐标纸上，然后相加，即得校正后系统的开环对数频率特性。由于必须在确定Kpi和值以后，才能具体画出图4-4实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵活的，有时须

17、反复试凑，才能得到满意的结果。 图4-3 PI调节器在原始系统根底上添加局部的对数频率特性图4-4 闭环直流调速系统的PI调节器校正原始系统的对数幅频和相频特性 校正环节添加局部的对数幅频和相频特性 校后系统的对数幅频和相频特性对于本例题的闭环调速系统，可以采用比拟简便的方法。由于原始系统不稳定，表现为放大系数 K过大，截止频率过高，应该设法把它们压下来。因此，把校正环节的转折频率1/Kpi设置在远低于原始系统截止频率&d,处 如图4-4所示。为了方便起见，可令 Kpi=T1使校正装置的比例微分项 原始系统中时间常数最大的惯性环节 对消 并 非必须如此，从而选定其次，为了使校正后的系统具有足够

18、的稳定裕度，它的对数幅频特性应以-20db/dec的斜率穿越0db线，必须把图4-4中的原始系统特性压低，使校正后特性的截止频率 这样，在 处，应有根据以上两点，校正环节添加局部的特性就可以确定下来了。由图4-4的原始系统对数幅频和相频特性可知因此代入数据，得取 为了使 在特性上查得相应的L1=3.15db,因而L2= -3.15从特性可以看出所以 因此 而且 于是，PI调节器的传递函数为最后，选择PI调节器的参数。 那么从图上可以看出，校正后系统的稳定性指标 和增益裕度GM都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度，而截止频率降到 快速性被压低了许多，显然这是一个偏于稳定的方案。5 体会通过此次课程设计的的经历，我既学会自动控制原理的有关理论，又在设计的