双闭环直流调速2.docx
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双闭环直流调速2
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……………………………………………………1
1双闭环调速系统的动态数学模型……………………2
1.1直流电机数学模型…………………………………………….2
1.2整流装置的传递函数……………………………………..2
1.3电流调节器的设计……………………………………….3
1.4转速调节器的设计………………………………………3
2速度与电流双闭环调速系统……………………..5
2.1速度电流双闭环调速系统………………………………..5
2.2双闭环调速系统的组成和基本原理……………………….6
3双闭环控制并联逆变器的建模分析………………….7
4转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程…….9
4.1启动过程……………………………………………………………….9
4.2负载变化时的自动调速过程…………………………….9
4.3电动机堵转过程……………………………….9
4.4双闭环调速系统的特点…………………………10
5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系统的工作过程及其特点。
关键词:
直流调速系统;基本原理
1双闭环调速系统的动态数学模型
在工程实践中,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。
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,τi—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惯性环节,以使校正后系统的响应速度加快,取τi=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KiTΣi=0·5,由此可得:
1-5
1.4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,τn—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τn=hT∑n,其中h为中频宽,T∑n=Ton+2T∑i,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:
1-7
2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=IdmR∑+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。
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ΔUis=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ΔUci=-Us+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。
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，ω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
４转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程
４.1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,ΔUsi=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ΔUsi≥（即nLT的输入偏差电压ΔUic=-Us+Uif,由于此时-Us=-Usm,而Uif=βId,故ΔUci=-Usm+βId<0,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=βId=Usm（即ΔUic=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n此阶段是启动过程的主要阶段,也是LT在启动过程中发挥电流调节作用的主要阶段。
随着n的增加,电动机反电动势Ed增大,电流Id的调节过程为:
上述电流的不断调节过程,使电动机电枢电流Id始终保持最大值Idm,电动机以最大电磁转矩和最大加速度加速。
（3）转速调节阶段。
当电动机转速上升到期望转速n1后,便进入转速调节阶段。
此时,n=n1,ΔUsi=Ug-Unf=0,但由于ST的积分保持作用,仍使-Us=-Usm,Id=Idm,故转速继续增加,出现n>n1的转速超调现象。
但在n>n1后,由于Unf>Ug,故ΔUsi<0,ST的积分电容改变,使ST退出饱和,进入线性区,ST便开始进行转速调节,在ST进行转速调节时,由于ST的输出Us的变化,即LT的给定值发生变化,故LT也要进行电流调节,力图使Id尽快跟随ST的输出Us。
由于转速调节在外环,故ST起主导作用,最终使转速稳定在期望转速n1上。
双闭环调速系统启动时的转速和电流波形,见图4-1。
图4-1双闭环调速系统启动时的转速和电流波形
.
稳态时,ΔUsi=0,ΔUci=0,电动机的转速为期望速n=n1=Ug/αn,其电流也为稳定电流Id=Id1=Us1/βId。
当负载增大时,自动调速过程如下:
在自动调速过程中,转速环是主环,在稳速过程起主导作用,其主要作用是保持转速稳定,能将转速保持在给定值Ug/αn上。
电流环是副环,其主要作用是稳定电流,将影响和干扰转速的调节,但转速环的调节作用可以改变Us,使电流环跟随Us调节,故最终仍能消除转速偏差。
4.3电动机堵转过程
当电动机发生严重过载或机械部件被卡住时,转速将迅速下降,且Id>Idm。
此时,由于转速的迅速下降,使ΔUsi>>0,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Id>Idm,使ΔUci=-Usm+βId>0,故LT的输出Uc迅速下降,Ud和Id随之迅速下降,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=0·00167s,基本仿真数据如下。
直流电机:
220V,136A,1480r/min,允许过载倍数λ=1·5;电机轴上总飞轮力矩:
GD2=22·5N·m2;电枢回路总电阻:
R=0·5Ω;电枢回路总电感:
L=15mH;滤波时间常数:
Toi=0·005s,Ton=0·01s;晶闸管装置放大系数:
Ks=40。
由此可得:
电流环小时间常数T∑i=Ts+Toi=0·00667s;电磁时间常数T1=L/R=0·03s;电流反馈系数β=U*im/Idm=0·0392V/A;转速反馈系数α=U*nmax/nmax=0·00338V·min/r;Ki=0·717;τn=0·1167s;Kn=14·302,仿真结果如图5-2～5-8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5-3ASR的输出特性
图5-4ACR的输出特性图图5-5空载时电机电流特性
图5-6
=120A时电机电流特性图5-7
=120A时电机转速
节状态,而ACR只有一个线性调节状态,如图5-4所示。
图5-5所示为电机的启动特性已接近理想特性,且系统对负载的大幅突变具有良好的调节能力,如图5-7所示。
但系统性能指标与理论最佳设计存在一定的差距,特别是转速的超调量较大,如图5-2所示,这主要是对系统的非线性模型进行线性化所引起的,如果对系统的动态性能要求很高,可以在转速调节器上引入转速微分负反馈。
结论
本文基于直流电机基本方程,建立了直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型,给出了系统动态结构图并进行了仿真。
双闭环调速系统是基于“最短时间控制”的,在充分发挥电机过载能力的同时,可以获得良好的静、动态性能,在实际工程中有一定的应用价值。
设计体会
这次实验是最后一个课程设计了,所以做得特别认真,通过这次实验是我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理,也是我知道了一些他在工业中的一些应用,以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。
理合实际互相结合是我对电力拖动自动控制系统这门课有了进一步的认识。
同时还要感谢给我帮助的同学和在技术给我指导的老师。
参考文献
【1】陶永华,尹怡欣,芦 生·新型PID控制及其应用[M]·北京:
机械工业出版社,2001·
【2】薛定宇·反馈控制系统设计与分析———MATLAB语言应用[M]·清华大学出版社,2000·
【3】尔桂花,窦日轩·运动控制系统[M]·清华大学出版社
【4】梁亦铂,王正茂·全数字直流电机调速系统的原理及数学模型[J]·中小型电机,2001,
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