直流V-M雙閉環(huán)不可逆調速系統(tǒng)設計

1、武漢理工大學電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計說明書 直流V-M雙閉環(huán)不可逆調速系統(tǒng)設計1整體設計 直流電機的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進行整流，則本設計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖1.1設計的總框架。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動機整流供電雙閉環(huán)直流調速機驅動電路保護電路 圖1.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計總框架 本設計中直流電動機由單獨的可調整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動機的可調直流電源。通過調節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機M的電源電壓。由改變電源電壓調速

2、系統(tǒng)的機械性方程式: （1-1）注解：整流電壓 , 為整流裝置內阻，由此可知，改變，可改變轉速。2主電路結構設計 1957年晶閘管問世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖2.2晶閘管-電動機調速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過調節(jié)閥裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調速。和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也現(xiàn)實出較大的優(yōu)越性。圖2.1 VM系統(tǒng)原理圖 三相全控橋整流電路實際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯(lián)電路。三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進

3、行控制，控制角都是 。在一個周期內6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60。為了構成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通。晶閘管與按A相，晶閘管與按B相，晶閘管與按C相，晶閘管接成共陽極組，晶閘管接成共陰極組。在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。如圖2.3所示。 由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故

4、在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負載匹配的電壓，同時把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其他用電設備的干擾?？紤]到控制角增大，會使負載電流斷續(xù)，并且負載為直流電動機時，由于電流斷續(xù)和直流的脈動，會使晶閘管導通角減少，整流器等效內阻增大，電動機的機械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機的損耗，故在直流側串接一個平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù)。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流保護裝置。圖2.2 主電路原理圖3雙閉環(huán)不可逆調速系統(tǒng)設計 3.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖圖3.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖

5、+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMTGVRP1UnU*iLMMUPPPEASR轉速調節(jié)器ACR電流調節(jié)器， TG測速發(fā)電機，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，Un*轉速給定電壓，Un轉速反饋電壓，Ui*電流給定電壓，Ui電流反饋電壓 3.2轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的組成及靜特性 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個

6、調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。采用PI調節(jié)的單個轉速閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉速、電流雙環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流。二者之間實行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。把轉速調節(jié)

7、器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 圖3.2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構框圖轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構框圖分析： 1、轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓， 2、當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和； 3、當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。 4、對于靜特

8、性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調節(jié)器不進入飽和狀態(tài) 。 圖3-3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零 （3-1） （3-2） （3-3) (3-4) ASR輸出達到限幅值時，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對轉速環(huán)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 (3-5)3.3轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型與動態(tài)過程分析 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖2.8所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)

9、。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來，如圖2.8所示。 圖3-4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析 1、對調速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉速。2、跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應描述。3、能否實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式達到所要求的性能指標，是設置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求目標。3.4起動過程分析 圖3-5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形電流Id從零增長到Idm，然后在一段時間內維持其值等于Idm不變，以后又下降并經(jīng)調節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值IdL。轉速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調后，到

10、達給定值n*。起動過程分為電流上升、恒流升速和轉速調節(jié)三個階段，轉速調節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況。4雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計 4.1電流調節(jié)器的設計 4.1.1 時間常數(shù)的確定 表1 各種整流電路的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間Tsmax/ms平均失控時間Ts/ms單相半波20 10單相橋式 10 5三相半波 6.67 3.33 三相橋式3.33 1.67 系統(tǒng)電磁時間常數(shù)：電磁時間常數(shù) =0.03s 整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時間為=0.0017s。 電流濾波時間=0.002s， 電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，

11、電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取 =0.0037s (4-1) 4.1.2 電流調節(jié)器結構的選擇 根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為，電流調節(jié)器的比例系數(shù)，電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能： =0.03/0.0037=8.11，對照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。 電流調節(jié)器結構圖如圖4-1： 圖4-1 電流調節(jié)器結構圖 4.1.3 電流調節(jié)器的參數(shù)計算 電流調節(jié)器超前時間常數(shù)i=0.03s (4-2)電流開環(huán)增益：要求時，按表5應取=0.5， (4-

12、3)因此=0.5/ =0.5/0.0037= (4-4)取=75，而電流反饋系數(shù)=12V/1.5 =12/（1.5780）=0.01V/A， (4-5)于是ACR的比例系數(shù)為 (4-6)表2 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相對穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/

13、T 4.1.4 近似條件校驗 電流環(huán)截止頻率：。 (4-7) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件: ，滿足近似條件。 (4-8)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件: ，滿足近似條件。 (4-9) 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件: ，滿足近似條件。 (4-10) 4.1.5 電流調節(jié)器的實現(xiàn)按所用運算放大器取=40K，各電阻和電容值為Ri=KiR0=0.5440=21.6k，取22k； (4-11) Ci=i/Ri=0.03/（22103）1.3610-6F=1.36F，取1.4F； (4-12)Coi=4Toi/R0=40.002/40000=0.210-6F，取0.2F。 (4-13) 按照

14、上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 =4.3%5% (4-14)（見表5），滿足設計要求。4.2 轉速調節(jié)器的設計 4.2.1 時間常數(shù)的確定 電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI：已取=0.5， (4-15) 則1/KI=2Ti=20.0037=0.0074s。 (4-16) 轉速濾波時間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.02s。轉速環(huán)小時間常數(shù)Tn：按小時間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.02=0.0274s (4-17) 4.2.2 轉速調節(jié)器結構的選擇按照設計要求，選用典型型系統(tǒng)的PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (4-18) 轉速調節(jié)器結構圖如圖4-

15、2： 圖4-2轉速調節(jié)器結構圖4.2.3 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為n=hTn=50.0274=0.137s， (4-19) 可求得轉速環(huán)開環(huán)增益， (4-20) 因為Ce=1.92Vmin/r，=12V/ nN =12/375=0.032Vr/min，于是 (4-21)可得ASR的比例系數(shù)： (4-22)4.2.4 近似條件校驗 由式K=1c得轉速環(huán)截止頻率為： (4-23)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： ，滿足簡化條件 (4-24) 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： ，滿足近似條件 (4-25)4.2.5 轉速調節(jié)器的實現(xiàn) 取R0=40k

16、，則Rn=KnR0=1140=440k； (4-26) Cn=n/Rn=0.137/（440103）0.311410-6F=0.3114F，取0.31F； (4-27)Con=4Ton/R0=40.02/（40103）=210-6=2F，取2F。 (4-28)4.2.6校核轉速超調量當h=5時，由表6查得，=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于表四是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。 表3 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按Mmin準則確定參數(shù)關系）h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%2

17、9.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0，已知=1.5，IN=780A，nN=375r/min，Ce=1.92Vmin/r，Tm=0.084s，Tn=0.0274s。當h=5時，由表7查得，Cmax/Cb=81.2%，而調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降nN=INR/ Ce=7800.1/1.92=40.625 r/min，代入式， (4-29)計算得：n= 能滿足設計要求。表4 典型型系統(tǒng)

18、動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.855系統(tǒng)仿真 5.1仿真設計 5-1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路圖 由于本文只進行了理論性設計，故在系統(tǒng)安裝與調試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統(tǒng)在階躍輸入和負載擾動情況下的動態(tài)響應（主要為轉速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用

19、面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結構圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。5.2仿真波形用simulink繪制電路圖后，進行仿真，得到如下波形。 5-2電流環(huán)仿真圖 5-3轉速環(huán)仿真圖 5-4雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真圖5.3仿真結果分析 圖上部為電機轉速曲線，下部為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(huán)將電機速度提高，并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉速換起主要作用，保持轉速的穩(wěn)定。 5.3.1電機轉速曲線 在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器ASR飽和，電流調節(jié)器ACR起主要作用。轉速一直上

20、升。當?shù)竭_恒流升速階段時，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機轉速呈線性增長直至給定轉速。使系統(tǒng)在最短時間內完成啟動。當轉速上升到額定轉速時，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導致轉速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉速超調。轉速超調后，極性發(fā)生了變化，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動機在負載的阻力作用下減速，轉速在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當突加給定負載時，由于負載加大，因此轉速有所下降，此時經(jīng)過ASR和ACR的調節(jié)作用后，轉

21、速又恢復為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負載能力很強。 5.3.2電機電流曲線直流電機剛啟動時，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器ASR飽和，達到限幅值，迫使電流急速上升。當電流值達到限幅電流時，由于電流調節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當負載突然增大時，由于轉速下降，此時轉速調節(jié)器ASR起主要的調節(jié)作用，因此，電流調節(jié)器ACR電流有所下降，同啟動時一樣，當轉速調節(jié)器ASR飽和，達到限幅值，使電流急速上升。但是由于電流值達到限幅電流時，電流調節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當擾動取電以后，電流調節(jié)器ACR電流又有所增加，此后，電動機在負載的阻力作用下減速，電流也在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。 6心得體會 本次電力拖動課設，我選中了一道難度適中的題目，在課設之前，仔細把書上的知識點回顧了一遍。作為一名普通的大學生，本次課設的內容可能是以后我們參加工作后要掌握的東西，這次設計對我們來說無疑一次巨大的挑戰(zhàn)，但也提供了一個明確的前進方向。在此次課程設計中，學會了查閱各種資料對于我來說也是一筆財富，特別是知道了一些與我們專業(yè)相關的學習網(wǎng)站，對我的幫助特別大。自動化行業(yè)的發(fā)展是十分迅速的，我們必須一直堅持不懈的努力，掌握學習新知識的能力與方法。并刻