非独立控制励磁的调速系统的研究.docx

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非独立控制励磁的调速系统的研究

非独立控制励磁的调速系统的研究

摘要

本文主要针对他励式直流电动机的调速系统，这是由于励磁控制的局限性和独特性所决定。

调节他励电动机的转速，除了调节励磁磁通外，还可以调节电枢电压，调节电枢电压只能从额定转速往下调，实现恒转矩调速。

在保持电枢电压为额定电压的情况下，减弱磁通只能从额定转速向上调，实现恒功率调速。

由于弱磁调速的允许范围有限，当负载要求调速范围较宽时，通常采用调压和弱磁联合调速方案。

这就是非独立控制励磁的调速系统，它是用同一电位器来操作的，能自动地满足励磁控制的原则，保证了较宽的调速范围和良好的调速性能，且操作方便，所以目前获得了广泛的应用。

关键词：

非独立控制弱磁调速直流电机

Abstract

Inthispaper,itmainlypointsthatDCmotorspeedcontrolsystem,whichisduetoexcitationcontrolofthelimitationsanduniquenessofthedecision.Motorandadjustitsspeed,inadditiontoregulatingexcitationflux,butalsothearmaturevoltagecanbeadjustedtoregulatethearmaturevoltagecanonlybereducedfromtheratedspeedtoachieveconstanttorquespeed.Inmaintainingthearmaturevoltageasaratedvoltageofthesituation,weakeningthemagneticfluxonlyfromtheratedspeedtobeadjustedupwardstoachieveconstantpowerspeed.Astheweakmagneticspeedcontroltoallowalimitedrange,whentheloaddemandsawiderangeofspeedregulation,itisusuallycombinedwithvoltageandtheweakmagneticspeedprogram.Thisisanon-independentcontrolofspeedexcitationsystems,Itisusingthesamepotentiometertooperate,andcanautomaticallysatisfytheprincipleofexcitationcontroltoensureawidespeedrangeandgoodspeedperformance,andeasytooperate,wenowhaveaccesstoawiderangeofapplications.

Keywords:

non-independentcontrolofaweakmagneticDCMotorSpeedControl

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第一章调速系统综述…………………………………….…..4

1.1直流调速系统综述……………………………………………..……4

1.2交流调速系统综述…………………………………………………..5

第二章弱磁控制的直流电机的特性………………………...8

2.1弱磁控制的直流调速系统……………………………………….…8

2.2他励直流电动机的机械特性……………………………………...10

2.3评价调速的指标…………………………………………………..12

第三章非独立控制励磁的调速系统…………………….…13

3.1弱磁与电枢电压控制的结合………………………………………13

3.2非独立控制励磁的调速系统的设计……………………...……….13

第四章双闭环非独立控制励磁的调速系统……………….16

4.1双闭环非独立励磁直流调速系统的动态数学模型…………..…..16

4.2建立数学模型………………………………………………………17

4.3起动过程分析……………………………………...………….……17

4.4动态抗扰性能分析…………………………………………………19

4.5调节器工程设计方法…………………………………………...….19

4.6双闭环非独立控制励磁的调速系统设计意义…………………....20

第五章结束语……………………………………………….22

参考文献…………………………………………………..….23

第一章调速系统综述

1.1直流调速系统综述

直流调速系统是传统的调速系统，它具有稳速精度高，调速比大，响应时间短等优点，故广泛地应用在轧钢，机床，轻工，计算机，飞机传动机构等领域。

其主要缺点是：

直流电机维修麻烦，机械的换向器影响了速度和容量的提高。

为了保证产品质量，对调速系统有一定的技术要求，即静态和动态性能指标，这也是设计调速系统的依据。

调速，在实际生产和生活中应用十分广泛，电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。

比如：

在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。

所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。

自晶闸管问世到今天，晶闸管－电动机调速系统（简称V-M系统）已经成为直流调速系统的主要形式。

目前广泛应用的直流调速设计方法是基于某些标准形式进行的，其优点是简单方便，但设计的系统性能指标是相同的，实际系统所要求的指标往往是不同的，所以采用双闭环调速系统的设计方法不一定都能得到满意的结果。

如果我们在按上述设计法确定调节器形式的基础上，再找出调节器参数改变时对应系统性能指标的变化趋势，那么在实际系统的设计和调试时就可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要求的动态响应。

对于直流调速系统来说也不例外，只是它作为一个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确定义。

A．稳态指标：

主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。

因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。

B．动态性能指标：

主要是平稳性和抗干扰能力。

在直流调速系统设计中，基于理论设计的基础上根据实际的系统情况作参数的调整是非常重要的，也是必不可少的，这是因为实际系统的参数，往往与计算值或铭牌数据有一定的差别，系统某些环节的非线性影响等因素存在，使系统在配置设计参数后并不能马上获得预期的性能指标。

传统的调试方法是将整个系统按理论设计的结果建立一个实际系统，然后将系统分成若干个控制单元，并对每个控制单元进行调试，最后将各个单元构成一个完整的系统，并进行调试，这种传统的调试方法在使用过程中不仅费时、费力且不易产生满意的结果。

1.2交流调速系统综述

由于半导体本身的发展及其应用技术的进步,以及微机的应用,使许多复杂的控制方式得以实现,提高了系统的控制性能,使交流调速系统的性能完全可以与直流调速系统相媲美.再加上异步电动机本身所具有的优点（结构简单,坚固耐用,经济可靠,动态响应性好等）,交流调速传动有取代直流调速传动的趋势.日本有人预言十年后直流机将被交流机所取代.国家科委已组成了电力电子技术发展战略研究组,为发展我国电力电子基础元器件和变频装置等发展规划提供科学依据。

国家计委已大量投资引进近20条元器件和装置的生产线。

我国在"八五"期间,将出现一个交流调速发展的新热潮。

新型电力电子元器件的发明,大大促进了交流调速技术的发展,使逆变器输出的正弦波和功率因数都得到了明显的改善,使系统的技术性能大大提高,体积大大缩小,重量大大减轻。

A.功率场控晶体管,简称功率管,它是一种单极型的电压控制器件,不但有自关断能力而且有驱动功率小,工作速度高,无二次击穿问题,安全工作区宽等显着优点。

B.绝缘栅极晶闸管,可以像晶体管一样控制,又具有很高的门极阻抗。

允许器件使用逻辑电平信号开关,并有正,反向阻断能力，电流密度大10倍,比双极晶体管大2倍.现已制造出1400.-1600/100--200的器件,并已商品化.其开关时间和工作频率可达50hz。

C.静电感应晶体管是一种具有非饱和特性的器件，输出功率大,输出阻抗高,失真小,开关特性和热稳定性好.既可用作大功率电流开关,也可用作功率放大,应用领域十分广泛.目前制造水平已达150/300,截止频率20-50hz。

同时静电感应晶闸管是一种性能优良的大功率器件.具有导通电阻小,正向压降小,开关速度快,开关损耗小等优点。

其使用频率一般在数百赫兹以上。

D.功率集成电路（简称）,在单片上至少有一个功率器件和一个独立功能电路。

它能把承受高电压,大电流的功率器件与起控制作用的逻辑电路,模拟电路或保护电路和传感检测电路等集成在一起,使器件具有检测,控制和保护功能。

它能接受并传递控制信息,对控制信号进行变换处理,实现某种设定的控制目标.它还能在运行时对功率器件是否工作在安全区以及结温是否正常进行监测,并对器件的功率耗散进行调整。

E.复合型器件是门极晶闸管的简称，它将高输入阻抗,低驱动功率与快开关速度特性和的高压大电流特性结合在一起,成为八十年代末最热门的器件之一。

这种器件的电流密度很大，其主要优点为电压,电流的容量大，通态压降小，开关速度快，开关损耗小，大大简化门极驱动电路的设计,增加装置的可靠性，即使关断失效,器件也不会损坏。

交流调速控制的类型，近代交流调速控制技术正在不断丰富,充实和发展中,大致有：

控制,滑差频率控制,脉宽调制控制,矢量变换控制，磁场控制——磁场轨迹法和异步机的磁场加速法,微机控制,直接转矩控制和多变量解耦控制等。

脉宽调制控制有：

正弦波，准正弦波,新双三角形调制，脉幅调制，矢量角，最佳开关角，电流跟踪改进型等。

现代控制理论的应用有：

自适应控制（磁通自适应，断续电流自适应，参数自适应，模型参数自适应等），观测控制及状态观测器（磁通观测器,力矩观测器等）。

目标函数优化控制，线性二次型积分控制，滑模变结构控制及模糊控制等。

不同的传动对象及其传动要求,应该选择相适应的调速装置。

因此在所有电动机的控制中，对转速的控制是一项非常重要的研究。

在20世纪的大部分时间里，约占有整个电力拖动容量的80%的不变速拖动系统都是采用的交流电动机，而只占20%的高控制性能可调速的电力拖动系统采用的是直流电动机。

这几乎已经成为一种举世公认的格局。

交流调速系统的调速方案虽然早已有多种发明并得到了实际应用，但由于其调速性能始终无法与直流调速系统相匹配，所以一直没有在高控制性能的调速中得以使用。

但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。

但作为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作原理，并加深对自动控制原理的理解这是十分有意义的。

第二章弱磁控制的直流电机的特性

2.1弱磁控制的直流调速系统

2.1.1弱磁调速的概念

1、在直流电机理论中，改变直流电机转速的方法，有改变电枢电压调速，还有就是减小励磁电流、减弱主极磁通Φ调速；

2、在直流电机机械特性里，经常提到弱磁飞车事故，就是当励磁电流为零时，即主极磁通Φ弱磁时，电机的转速会非常高，出现不可控的局面；

3、在变频器对异步电机的调速中，当变频器的输出频率高于电机额定频率时，电机铁芯磁通Φ开始减弱，电机转速高于额定转速，此时我们称电机进入弱磁调速。

2.1.2“电机空载运行，弱磁区的电流比低速的还小”

1、电机空载时，电流主要是励磁电流，也有要克服转子空转时的摩擦阻力做功的转矩电流；

2、当电源频率f升高时，同步转速升高，转子转差率S增大，转子电流增大，转矩增大加速；

3、当电源频率f升高时，同步转速升高，定子绕组端电压不变，根据电势平衡方程式，磁通Φ减弱；

4、2和3都说明电流增大，才有转矩增大加速；

5、由于电机低速空转与高速空转相比，高速运转所需的转矩要大，电流要大。

2.1.3直流电机弱磁调速系统原理图（如图图1所示）

图1.直流电动机弱磁调速系统原理图

2.2他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：

。

由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：

实际空载转速

，直流电机的机械特性如图图2所示。

当

时的机械特性称为固有机械特性：

图2.直流电机机械特性

由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。

减弱励磁磁通时的人为特性：

保持

不变，只改变励磁回路磁通时的人为特性：

如图图3所示。

图3.直流电机在变磁通后的人为特性

弱磁升速：

减弱磁通后，理想空载转速上升,曲线的斜率值增大。

如图图4所示，磁场越弱，转速越高。

因此电机运行时励磁回路不能开路。

图4.直流电机弱磁后的机械特性

电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。

起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为：

起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。

过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。

一般直流电动机不允许直接起动。

为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。

2.3评价调速的指标

A．调速范围：

B．静差率（相对稳定性）

静差率指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。

δ%越小，相对稳定性越好；δ%与机械特性硬度和n0有关。

D与δ%相互制约:

δ越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的δ指标的前提下,要扩大D,须减少Δn,即提高机械特性的硬度。

C．调速的平滑性

在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。

相邻两级转速之比，为平滑系数

越接近1，平滑性越好，当

时，称为无级调速，即转速可以连续调节。

调速不连续时，级数有限，称为有级调速。

第三章非独立控制励磁的调速系统

3.1弱磁与电枢电压控制的结合

在实际的调速系统中，调节他励电动机的转速，除了调节励磁磁通外，还可以调节电枢电压，调节电枢电压只能从额定转速往下调，实现恒转矩调速。

在保持电枢电压为额定电压的情况下，减弱磁通只能从额定转速向上调，实现恒功率调速。

由于弱磁调速的允许范围有限，当负载要求调速范围较宽时，通常采用调压和弱磁联合调速方案。

3.2非独立控制励磁的调速系统的设计

针对于他励直流电机的调速结构，考虑到将调压和弱磁结合，实现非独立控制励磁的调速系统。

3.2.1设计思路

非独立控制励磁的调速系统的调压和弱磁是用一个电位计来控制的，其电枢回路和励磁回路是通过反电势调节器ET连接在一起的。

励磁控制回路采用两个调节器，按照串级连接方式分别构成反电势调节环和激磁磁通调节环。

激磁磁通调节环是内环，反电势调节环是外环。

为了实现反电势和激磁磁通的无静差调节，所以两个调节器均采用PI调节器。

3.2.2本次设计的系统框图

如图图5所示。

图５.非独立控制励磁调速系统结构图

图中Ue是反电势给定值，它是一个固定的数值，通常整定在90%--95%的额定电压值，并且不再调节。

这样，非独立控制励磁的调速系统在调速时只需调节速度给定电位器节可以了。

反电势反馈信号通过间接的方法得到：

根据Ea=Ud-Ia*Ra的关系式，分别测得Ua和Id以后，再通过反电势运算器EY进行减法运算，就可获得反电势反馈信号Ufe。

反电势调节器ET的输出电压作为磁通调节器

T的给定电压Ug，其反馈量Ufg是将测得励磁电流信号Ufl经过函数发生器MN转换而得到的。

MN实际上是磁化曲线的模拟单元。

3.2.3分析非独立控制励磁的调速系统的调速过程

先讨论从额定转速向下调节的情况。

反电势给定值Uge整定后，调节速度给定电位器就能改变电动机的转速，只要转速小于95%额定转速，则反电势反馈信号Ufe就小于反电势给定值Uge，反电势调节器ET总是处于饱和限幅值，相当于反电势环开环。

此时ET的输出限幅值就是磁通调节器的满磁给定值，依靠磁通调节器

T的调节保证额定励磁电流不变，所以额定转速以下的励磁回路是恒流调节状态。

而电枢电路电压随着随着速度给定电压Ugn而改变，转速调节过程和一般双闭环调速系统一样。

当速度给定电压继续升高，使转速升高到95%额定转速以上时，反电势反馈电压Ufe就超过了Uge的值，这是ET的输入偏差电压变负，使ET输出Ug减小而退出饱和，同时磁通调节器的输出也减小，开始弱磁调速。

在弱磁调速阶段内，反电势环也起调节作用，只要实际转速还没有达到给定值，则通过电枢区的串级控制，使电枢回路电压继续升高，反电势反馈量继续升高。

经过反电势调节器，磁通调节器使励磁电流继续减小，因而转速继续上升，直至稳态。

在稳态时，Ufn=Ugn，如ET采用PI调节器，则Ufe=Uge，反电势调节也是无静差的，可见弱磁升速过程也是维持电机反电势Ea为恒值的调速过程。

在弱磁升速过程中，反电势调节器ET的输出已减少到与弱磁电流相应的电压值。

综上所述，在额定转速调速时，保持励磁电流不变，在额定转速以上调速时，保持反电势Ea恒定。

上述励磁控制回路是控制反电势和磁通两个参量，采用了两个调节器，也可以称为双闭环非独立控制励磁的调速系统，调试起来比较方便。

第四章双闭环非独立控制励磁的调速系统

4.1双闭环非独立励磁直流调速系统的动态数学模型

在控制励磁的同时，对于直流调速系统来说，我添加了电流环ACR，作为内环控制，同时添加了速度环ASR，作为外环控制，这增加了控制装置的成本，但使得调速的综合性能得到较好的改善，随后可绘出双闭环非独立励磁直流调速系统的动态结构图，如下图图６所示。

图６.双闭环直流调速系统的动态结构图

4.2建立数学模型：

图６中WASR（s）和WACR（s）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

均采用PI调节器，则有

4.3起动过程分析

首先设置双闭环非独立控制励磁的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。

在刚启动时，电流环起作用，保证回路中没有过大的电流冲击，在稳态时，速度环起主要作用，保证转速在规定的范围内，有较小的波动，负载的变化不会对转速造成很大的影响。

起动过程由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成I、II、III三个阶段。

A.第I阶段电流上升的阶段（0~t1）突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。

当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id迅速上升。

直到，Id=Idm，Ui=U*im电流调节器很快就压制Id了的增长，标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。

B.第II阶段恒流升速阶段（t1~t2）在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。

当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。

恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。

为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。

C.第Ⅲ阶段转速调节阶段（t2以后），当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。

转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i和Id很快下降。

但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。

直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。

此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3~t4），Id

在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id尽快地跟随其给定值U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

4.4动态抗扰性能分析

一般来说，非独立控制励磁和双闭环结合组成的控制系统，具有比较满意的动态性能。

对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。

主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

4.5调节器工程设计方法

4.5.1转速调节器和电流调节器的作用：

转速调节器的作用：

1.转速调节器时调速系统的主导调节器，它使转速n很快地给定电压Un*变化，稳态时可以减小转速误差，如果使用PI调节器，理论上可以实现无静差。

2.对负载变化起抗扰作用。

3.其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

电流调节器的作用：

1.作为内环的调节器，在转速外环调节的过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*变化。

2.对电网电压的波动及时起抗扰作用。

3.在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。

4.当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速自动保护作用。

考虑到上述两个调节器的作用，体现出设计转速和电流调