有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATAB仿真

1、摘 要對(duì)雙閉環(huán) = 配合控制有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究,運(yùn)用 matlab 的 simulink 和 power system工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法 ,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)= 配合控制有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。重點(diǎn)介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置,給出了直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結(jié)果,仿真結(jié)果非常接近實(shí)際情況,說(shuō)明了仿真模型的正確性。關(guān)鍵詞：環(huán)流；配合控制； 雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)；matlab仿真；調(diào)節(jié)參數(shù)；仿真模型緒 論配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)概述許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速的啟動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力

2、拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，即需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管整流器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)( 簡(jiǎn)稱 v-m系統(tǒng))。即采用兩組晶閘管整流裝置反向并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可逆運(yùn)行。但是，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流過(guò)負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱為環(huán)流， 加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)， 甚至導(dǎo)致晶閘管損壞。配合控制消除直流平均環(huán)流的原則是正組整流裝置處于整流狀態(tài)，即為正時(shí)，強(qiáng)迫使反組處于逆變狀態(tài)，即，且幅值相等，使逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。第 1 章 系統(tǒng)組成及原理直流調(diào)速系統(tǒng)中配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。其原理框圖如

3、圖 1-1所示?？刂齐娐凡捎棉D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。1.1配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的原理框圖示于圖1-1。圖中主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)電路， vf為正組整流裝置， vr為反組整流裝置， tm為三相變壓器，電動(dòng)機(jī)為它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，圖中勵(lì)磁繞組未畫(huà)出，主電路還有四個(gè)環(huán)流電抗器，和一個(gè)平波電抗器?？刂凭€路采用典型的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器 asr和電流調(diào)節(jié)器 acr 均為由反相輸入式運(yùn)算放大器組成的 pi 調(diào)節(jié)器，且都設(shè)置了雙向輸出限幅，以限制最大的動(dòng)態(tài)電流和最小控制角與最小逆變角，gtf為正組移相觸發(fā)裝置， gtr為反組移相觸發(fā)裝置， ar為反相器，為正組輸出電壓，

4、為反組輸出電壓。根據(jù)正反向運(yùn)行的需要，給定電壓應(yīng)有正負(fù)極性，由繼電器kf和 kr切換， kf接通時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)， kr接通時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。速度測(cè)量元件為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)tg ，電流測(cè)量元件 ta為霍爾電流變換器，轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均有正負(fù)極性的變化。圖1-1 =配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖1.2 asr 和 acr 的作用1. asr 的作用：(1) 使轉(zhuǎn)速 n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；(2) 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；(3) 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。2. acr的作用：(1) 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；(2) 起動(dòng)時(shí)保

5、證獲得允許的最大電流；(3) 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中 , 使電流跟隨其給定值的變化；(4) 當(dāng)電機(jī)處于過(guò)載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到快速的安全保護(hù)作用，如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。1.3 控制方式采用同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路時(shí)，移相控制特性是線性的，兩組觸發(fā)裝置的控制特性如圖 1-2所示。圖1-2 觸發(fā)裝置的移相控制特性該系統(tǒng)基本關(guān)系是，把后的控制角用來(lái)表示，并令其等于。，和分別為正組和反組晶閘管控制角；和分別為正組和反組晶閘管逆變角。當(dāng)控制電壓時(shí)，和都調(diào)整在。為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗， 出現(xiàn)“逆變顛覆”現(xiàn)象， 必須在控制電路中采用限幅作用，

6、形成最小逆變角保護(hù)。與此同時(shí)，對(duì) 角也實(shí)施保護(hù)，以免出現(xiàn)而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常取配合控制系統(tǒng)的移相控制時(shí)，如果一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，另一組便處于逆變狀態(tài)， 這是指控制角的工作狀態(tài)而言的。在配合控制下，負(fù)載電流可以迅速地從正向到反向（或從反向到正向）平滑過(guò)渡，在任何時(shí)候，實(shí)際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等待工作的狀態(tài)。1.4 工作過(guò)程系統(tǒng)在工作過(guò)程分為停轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，各狀態(tài)下人情況如表1-1所示。表 1-1 工作過(guò)程狀態(tài)表停轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)vf 整流_cu 0 vr 整流vf 逆變晶閘管 vf 或vr 只要是整流或待整流其極性為正， 只要是逆變或待逆變其極性相反。負(fù)載電流流過(guò)正組時(shí)，

7、 其電流反饋電壓為正，流過(guò)反組時(shí)，為負(fù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 和電流調(diào)節(jié)器 acr 均具有倒相作用， 同時(shí)都設(shè)置雙向輸出限幅以及限制最小控制角和最小逆變角。第 2 章系統(tǒng)仿真實(shí)例及分析2.1 simulink設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真模型控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是用傳遞函數(shù)方法來(lái)完成的，各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是將實(shí)際模型經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化而得到的，很多重要細(xì)節(jié)會(huì)被忽略power system 工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法與構(gòu)建實(shí)際電路相似，仿真結(jié)果非常接近于實(shí)際。有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如圖2-1所示。在仿真模型中，交 流電 源 (、) 兩 組反 并 聯(lián) 的 整流 器 (vf、 vr)和

8、兩 組 觸發(fā) 器(synchronized 6-pulse generator)、 環(huán)流電抗器 ( lc1lc4 ) 、平波電抗器 ld和電動(dòng)機(jī)組成可逆系統(tǒng)的主電路?？刂苹芈酚赊D(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr 、電流調(diào)節(jié)器 acr 、倒相器 gain和移相控制器 shifter等模塊組成。 其中給定環(huán)節(jié)可以通過(guò)切換開(kāi)關(guān) (manual switch)選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，在需要改變轉(zhuǎn)向時(shí)，雙擊該開(kāi)關(guān)即可正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到正傳的給定切換。轉(zhuǎn)速和電流的反饋信號(hào)均取自電動(dòng)機(jī)測(cè)量單元的輸出。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 和電流調(diào)節(jié)器 acr 由帶輸出限幅的 pi調(diào)節(jié)器分支電路來(lái)完成。圖2-1 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)

9、整體的模型2.2 電力系統(tǒng) (power system)工具箱電力系統(tǒng)工具箱以simulink為運(yùn)行環(huán)境，涵蓋了電工學(xué)科中常用的基本元件庫(kù)。它由電源、基本元件、電力電子、電機(jī)、連接件、測(cè)量等6 個(gè)模塊庫(kù)組成，根據(jù)需要可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到有關(guān)模塊庫(kù)中。本實(shí)驗(yàn)采用 matlab 7.0.1版本中模塊庫(kù)，其控制子模塊庫(kù)中有6 脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫(kù)中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機(jī)子模塊庫(kù)中有直流電機(jī)模塊，如圖 4 所示。圖 2-2 六脈沖觸發(fā)器、三相晶閘管整流橋、直流電動(dòng)機(jī)2.3 帶限幅的pi 調(diào)節(jié)器的封裝仿真模型與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)構(gòu)圖的各個(gè)環(huán)節(jié)基本上是對(duì)應(yīng)的。需要指出的是。雙閉環(huán)

10、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸山限幅的pi 調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的上作情況，需要構(gòu)建考慮飽和輸出限幅的pi 調(diào)節(jié)器，過(guò)程如下 : 線性 pi 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為式中,為比例系數(shù) ;為積分系數(shù) ;。上述 pi 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用simulink 中的傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模塊。而考慮飽和和輸出限幅的pi 調(diào)節(jié)器模型如圖 4 所示。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積分調(diào)節(jié)器 integrate 的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊 saturation 設(shè)定。當(dāng)該調(diào)節(jié)器用作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr時(shí), 在起動(dòng)中由于開(kāi)始轉(zhuǎn)速偏

11、差大，調(diào)節(jié)器輸出很快達(dá)到輸出限幅值，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后首先積分器退飽和，然后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出才從限幅值開(kāi)始下降。為了使系統(tǒng)模型更簡(jiǎn)潔，利用了simulink 的打包功能 (great subsystem) 將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個(gè)分支模塊，如圖所示。圖 2-3 帶飽和和輸出限幅的pi 調(diào)節(jié)器及子系統(tǒng)模塊2.4 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的仿真參數(shù)給定信號(hào)：有兩個(gè)常數(shù)模塊和手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)組成。電源：交流 160v 50hz 直流 220v 電機(jī)參數(shù)：電樞電阻=0.21? ; 電樞電感=0.000543h; 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j=2.29; 勵(lì)磁電阻=14.7；勵(lì)磁電感=0h; 勵(lì)磁與電樞繞組互感=0.084h；其它為元件默認(rèn)值。a

12、sr 為 pi 調(diào)節(jié)器，其中=11.7; = 134.49 。acr 為 pi 調(diào)節(jié)器，其中 : =5.013; =33.8。電抗器：4 為 0.002h;的值為 0.035h。2.5 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)2.5.1 確定時(shí)間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)三相橋式電路的平均失控時(shí)間(2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 3.33ms ，為了基本濾平波頭，應(yīng)該有, 因此取。(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)處理，取2.5.2 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(pi) ，其傳遞函數(shù)為2.5.3 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)；電流開(kāi)環(huán)增益：取, 因此，于是電流

13、調(diào)節(jié)器 (acr)的比例系數(shù)為。2.6 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)2.6.1 確定時(shí)間常數(shù)(1) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為；(2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，??； (3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2.6.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型 ii 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(pi) ，其傳遞函數(shù)為2.6.3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和抗擾性能都較好的原則, 取， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 (asr)的比例系數(shù)為第 3 章仿真波形及分析對(duì)圖3所示的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行

14、仿真， 得到調(diào)速系統(tǒng)在幅值為 10的正、負(fù)階躍給定信號(hào)下，得到電樞轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形如圖7所示。圖中電流和轉(zhuǎn)速為相對(duì)值。圖 3-1 整流電壓波形圖圖 3-2 正轉(zhuǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線圖 3-3 反轉(zhuǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線圖 3-4 正轉(zhuǎn)過(guò)程變換到反轉(zhuǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線通過(guò)圖形分析可得02s為系統(tǒng)的正轉(zhuǎn)啟動(dòng)過(guò)程，23.1s為系統(tǒng)的加載過(guò)程，3.15s為系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)過(guò)程。 在啟動(dòng)過(guò)程中可以看到， 系統(tǒng)經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后電流迅速下降并且出現(xiàn)負(fù)向電流，這與不可逆調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程不同，因?yàn)椴豢赡嬲{(diào)速系統(tǒng)不能產(chǎn)生反向電流，而可逆系統(tǒng)反轉(zhuǎn)整流器可以提

15、供反向電流，并加快啟動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程。 因?yàn)槭抢硐氲目蛰d啟動(dòng)， 啟動(dòng)結(jié)束時(shí)電樞電流為零。 在其后電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載， 轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)，并且電流增加，經(jīng)過(guò)1s左右時(shí)間的調(diào)整， 系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到 1450r/min ，電流上升到 150a 。在啟動(dòng)后 3.8s 轉(zhuǎn)速給定從“ +”切換到“ -” ，系統(tǒng)進(jìn)入反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)狀態(tài)。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負(fù)的最大值，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也由正變負(fù)，系統(tǒng)經(jīng)歷了本橋逆變和反接制動(dòng)兩個(gè)階段。在2.75s之后，電樞電流開(kāi)始改變方向，并反向增加，反組橋進(jìn)入整流，系統(tǒng)開(kāi)始反接制動(dòng)階段， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。 在2.76s 左右，系統(tǒng)開(kāi)始反向超調(diào)，這是在系統(tǒng)電流環(huán)的調(diào)節(jié)

16、下反組調(diào)節(jié)器變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)一步減小， 電動(dòng)機(jī)的慣性儲(chǔ)能釋放， 并經(jīng)反組整流器流回電網(wǎng)， 這是系統(tǒng)的回饋制動(dòng)階段。在3.75s 轉(zhuǎn)速下降為零是回饋制動(dòng)階段結(jié)束，系統(tǒng)又開(kāi)始反向恒流啟動(dòng)過(guò)程，直到電動(dòng)機(jī)進(jìn)入反轉(zhuǎn)穩(wěn)定運(yùn)行階段。從仿真曲線知，當(dāng)系統(tǒng)給定信號(hào)變極性時(shí)：（1）輸出轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，過(guò)渡過(guò)程性能較好； 轉(zhuǎn)速極性也隨著給定信號(hào)改變極性； 由于電機(jī)有機(jī)械慣性的濾波作用，速度輸出響應(yīng)曲線諧波成分較少。（2）隨著給定信號(hào)改變極性電樞電流也改變極性( 圖中有正、 負(fù)變化 ) ，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動(dòng)態(tài)性能較好（3）由于 =配合控制的直流可逆調(diào)

17、速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速回饋制動(dòng)，轉(zhuǎn)速換向時(shí)減速很快，換向性能較優(yōu)，速度仿真曲線很好地證明了這一點(diǎn)。設(shè)計(jì)心得在兩周的課程設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)， 我在盧老師的指導(dǎo)、 同學(xué)的幫助和自己的努力下，成功的完成了 =配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)在matlab 里面的建模與仿真。本文設(shè)計(jì)的是 =配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)。需要用到電力拖動(dòng)自動(dòng)控制原理、 電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制原理等課程的內(nèi)容，而且要求能夠熟練的運(yùn)用 matlab 這一功能強(qiáng)大的專業(yè)軟件。仿真結(jié)果分析說(shuō)明在matlab仿真的基礎(chǔ)上， 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制進(jìn)行研究更加方便，準(zhǔn)確。能很快了解所控制電機(jī)的特性，有利于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)控制。雖然我按照課題要求

18、完成了此次課程設(shè)計(jì)，但由于非線性環(huán)節(jié)線性化處理、近似處理、調(diào)節(jié)器的飽和非線性等因素還是會(huì)使工程設(shè)計(jì)與性能要求有差距，從而，仿真出來(lái)的波形、超調(diào)量、抗擾性能并不是特別很理想。所以在系統(tǒng)的仿真過(guò)程中， 必須經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試， 適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù)， 才能得出超調(diào)量較低、抗擾性能較好的 =配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)。完成本設(shè)計(jì)用到了很多電力拖動(dòng)以外的知識(shí)，單用電力拖動(dòng)書(shū)本上的知識(shí)是設(shè)計(jì)不出來(lái)的， 現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會(huì)涉及到多方面的知識(shí)，因此學(xué)好書(shū)本上的基本知識(shí)點(diǎn)以后還要做相應(yīng)的拓展學(xué)習(xí)，將其他的與之相關(guān)的內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，對(duì)開(kāi)闊我們的知識(shí)面有很大的幫助?？傊?，在這次設(shè)計(jì)中讓我對(duì)運(yùn)動(dòng)控制這門(mén)課有了更深入的了解，也使我認(rèn)識(shí)到自己的不足之處。在此，對(duì)盧老師表示誠(chéng)摯的感謝！參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí) .電力拖動(dòng)