電力拖動課程設(shè)計講述

1、某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù) 據(jù)為：直流電動機：UN=440V, IN二365A,nN二950r/min, Ra=O. 04W,電樞回路總電阻 R二0. 0825W,電樞電路總電感L二3. OmH,電流允許過載倍數(shù)1=1. 5,折算到電動機 軸的飛輪慣量GD2二1292. 7Nm2o晶閘管整流裝置放大倍數(shù)Ks二40,滯后時間常數(shù)Ts二0.0017s電流反饋系數(shù) b二0 0274V/A(»15V/l. 5IN)電壓反饋系數(shù) a=0. 0158V min/r(»15V/nN)濾波時間常數(shù) Toi二0. 002s, Ton二0. 01sUnm

2、*二Uim*二Ucm二 15V;調(diào)節(jié)器輸入電阻 Ro=40kWo設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量si£5；采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋使 轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于0。目錄第一節(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第二節(jié) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析第三節(jié)雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié)基于MATLAB/SIMLTINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真第五節(jié)心得體會參考文獻(xiàn)第一節(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)-s采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原因采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件 下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但對于要求較高的動態(tài)性能的場合，山于單閉環(huán)系統(tǒng)中不能 完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，因而難以滿足控制需求。為了實現(xiàn)在最大電流受限制

3、的條件下調(diào)速系統(tǒng)最快起動過程，要求在充分利 用電機的允許過載能力，在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖 動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，乂讓電流立即降低下來, 使轉(zhuǎn)速和負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)。理想的起動過程波形如圖1-1所 示。采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)完全可以達(dá)到上述要求，在起動過程中只有電流負(fù)反饋, 而不讓他和朱安度負(fù)反饋圖施加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，乂幕 轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋作用，不再依黑電流負(fù)反饋起主要作用。圖1-1調(diào)速系統(tǒng)理想快速起動過程二.轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和

4、電流，二者之間實行串級連接，如圖1-1所示。這就是說，把轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器的輸岀當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再利用電流調(diào)節(jié)器的輸岀去控制晶閘管整 流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)器在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速還在外 變，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都釆用PI 調(diào)節(jié)器，其原理圖示與圖1-2。在圖上標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸岀點電壓的實際 極性，它們是按照觸犯裝置GT的控制電壓Uct為正電壓的情況標(biāo)岀的，并考慮 到運算放大器的倒相作用。圖中還表示岀，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都籾im是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的

5、輸出限幅（飽和）電壓是，它決定了電 流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓是Uctm,它限制 了晶閘管整流器輸岀電壓的最大值。第二節(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析一、靜特性和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-1 所示。他可以很方便的根據(jù)圖1-2的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸岀特 性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特 征。一般存在這樣兩種狀況：飽和一輸出達(dá)到限幅值；不飽和一輸岀未達(dá)到限幅 值。檔調(diào)節(jié)器飽和時。輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向輸 入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫

6、時隔斷了輸入和輸出之間 的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器的作用使輸入偏差電圧DU在穩(wěn)態(tài)時總是零。二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能1、動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示，圖中WASR(s)和WACR(s)分別 表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電動機的動態(tài)結(jié) 構(gòu)圖中必須把電樞電流Id顯露岀來。圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2、起動過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在但閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上的，實際的調(diào)速系統(tǒng)除要求 對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外，很多t產(chǎn)機械還提 出了加快啟動和制動過程的要求，這就 需要一個電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。山圖2-3啟動電流的變化特性可知

7、，在 電機啟動時，啟動電流很快加大到允許 過載能力值Idm,并且保持不變，在這E12-3孜閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時轉(zhuǎn)速和電流波形個條件下，轉(zhuǎn)速n得到線性增長，當(dāng)開到需要的大小時，電機的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流Ifz值，對 應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應(yīng)為IdmRa,隨著轉(zhuǎn)速n的上升, U=IdmRa+Cen也上升，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，U=IfzRa+Ceno3. 動態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件 下，表現(xiàn)岀很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，山于主電路的不可逆性，跟隨 性能變差。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)強調(diào)有良好的跟隨性能。4、

8、動態(tài)抗擾性能負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此在突 加（減）負(fù)載時，必然會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）。為減少動態(tài)速降（升人設(shè)計ASR 時必須要求系統(tǒng)有較好的抗擾性能指標(biāo)。同時，山于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動時可以通過電流 反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速之后才有所反應(yīng)。第三節(jié)雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計在進(jìn)行多環(huán)控制系統(tǒng)的的設(shè)計時，一般的設(shè)計原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一 環(huán)地逐步想外環(huán)擴展。在這里是，先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然 后把整個電流環(huán)看作是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再對轉(zhuǎn)速換進(jìn)行設(shè)計。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，它增加了濾波環(huán)節(jié)，包括

9、電流 濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定濾波環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量, 但同時也給反饋信號帶來延滯。為平衡這一遲滯作用，通常在給定信號通道中加 入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，乘坐給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號和 反饋信號經(jīng)過形同的延滯，是二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從兒帶來設(shè)計上的 方便。Q圖3-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖一、電流環(huán)的設(shè)計1. 時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)T。由電力拖動自動控制系統(tǒng)中表1-2查得，三相橋式電路的平均失控時間為 Ts=O. 0017s<>（2）電流濾波時間常數(shù)Toi二0. 002s（3）電流環(huán)小時間常數(shù)TSi按小時間常數(shù)近似處理，取

10、Ti二Ts+Toi二0. 0037so a2. 選著電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：si二5,而且Tl=L0. 003=0. 036sR0. 0825T10. 036=9. 738<10Ti0. 0037a因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為WACR（s）二Kitis+ltis3. 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：ti二T1二0. 036s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求si二5時，應(yīng)取 KITSi=0. 5 （見表 2-2）,因此KI=0. 50. 51=135. ls-1 TSiO. 0037s于是，ACR的比例系數(shù)為Ki=KItiR0. 036'0. 082

11、5二135. l?bKsO. 0274'400.3664. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率wci二KI二135. ls-1（1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：wci£l 3Ts現(xiàn)在，11=196. l>w,滿足近似條件。=ci3Ts3z0. 0017（2則Cm二3030Ce二？0. 448p3. 144. 28Nym/A即有GD2R1292. 7'0. 0825Tm=s=0.148s375CeCm375 創(chuàng) 0. 4484. 28現(xiàn)在04& ().036滿足近似條件。3?-141. ls-l<wci 無）小時間常數(shù)近似處理條件：wci£現(xiàn)在1?

12、3滿足近似條件。4計算調(diào)節(jié)器電阻和電容-1180. 8s-l>wci圖3-2含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：wci二根據(jù)題意，得 Ce=UN-INRa440-365 0. 04二Vyniin/r二0. 448V/min/rnN950 電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-2,按所用運算放大器取Ro二40kW，各電阻和電容 值計算如下Ri二KiRo二0. 366 暇 40k二14. 64kW, 取 15kWCi二tiO. 0366二？10mF3Ril5'102. 4mF, 取 2. 4mFCoi二4Toi4 0. 002=?106mF3Ro40z 100.

13、 2mF,取 0. 2mF 按照上述參數(shù)，電流環(huán) 可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為:si=4. 3<5 (見表2-2),滿足設(shè)計要求。二、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計1確定時間常數(shù)(1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)為2Ti=2?0. 0037sa(2) 轉(zhuǎn)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二0.01s(3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)TSn按小時間常數(shù)近似處理，取TSn二2TSi+Ton二00174s2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；乂根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng) 按典型X型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR(s)=Kntns+l tnsO. 0074s3.

14、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取25,則ASR的超前時間常數(shù)為 tn=hTan=5?0. 0174s0. 087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN二h+16-2-2二s二396. 4s2h2Tn22 創(chuàng) 250. 01742a 于是，ASR的比例系數(shù)為Kn=(h+l)bCeTm6 創(chuàng) 0.02740.448 0. 148=48. 12haRTn2 創(chuàng) 50.0158 創(chuàng)0. 08250. 0174a4. 校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為wcn=KNl=KNtn=396. 4?0. 087wls34. 5s-l(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：wcn£現(xiàn)在1 5Tia11 二sT二54.

15、lsT>wcn 5Ti5# 0. 037a滿足簡化條件。(2)小時間常數(shù)近似處理條件:wcn£現(xiàn)在點幾J2 創(chuàng)).0037 0,011?3滿足近似條件。38. 75>won5. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖3-3帶微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-3,取Ro=40kW，則Rn二KnRo二48. 1 暇 40k=1924kW 取 1900kWCn二tnO. 0876二？10mF3Rnl900'100. 0458mF 取 0. 05mFCon二4Tn4'0. 01二？106mF3Ro40'104h+2TSnh+llmF 取mF tdn s=0?4

16、?52?0. 01745+10. 0638Cdn二tdnO. 06386二？10R040'1031. 595uF 取 1. 5uFRdn二TodnTonO. 01二二二6. 27kW 取 6. 2kW -6CdnCdnl. 59510至此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器設(shè)訃完畢。第四節(jié)基于MATLAB/SINfULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真一、仿真軟件介紹利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進(jìn)行 系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的 模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程

17、，同時將結(jié)果在 示波器上顯示出來。掌握了強大的SIMULINK工具后，會大大增強用戶系統(tǒng)仿真 的能力。在工程設(shè)計時，首先根據(jù)典型I型系統(tǒng)或典型II型系統(tǒng)的方法計算調(diào)節(jié)器參 數(shù)，然后利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，靈活修正調(diào)節(jié)器參數(shù)，直至 得到滿意的結(jié)果。也可用MATLAB仿真軟件包的設(shè)計工具箱設(shè)計其它各種控制規(guī) 律的調(diào)節(jié)器，鑒于篇幅不一一展開。二. 仿真設(shè)計通過對整個控制電路的設(shè)計，用MATLAB/SIMULINK對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以參考該系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu) 形式，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如3-1圖所示。仿真模型與系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)

18、圖的各個環(huán)節(jié)基本上是對應(yīng)的，需要指出的是，雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸出限幅的 PI調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的工作悄況，需 要構(gòu)建考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個通道,其中積分調(diào)節(jié)器intergrate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 限幅值有飽和模塊saturation設(shè)定。當(dāng)該調(diào)節(jié)器用作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR時，在起 動中山于開始轉(zhuǎn)速偏差大，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始下降。為了是系統(tǒng)更簡潔, 利用了 SIMULINK的打包功能將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個分支模塊。三. 仿真結(jié)果基于Matlab-Simulink仿真軟件的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模擬圖 如圖4T所示。Brs戒 *«>坨«sIrEw電 0*2L 由 ft31八r圖4-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速波形圖4-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)電流輸出波形第五節(jié)心得體會兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識, 也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，乂如何完成一件事情。在 設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互