雙閉環(huán)交流調速系統(tǒng)課程設計(DOC)

1、 皖 西 學 院課程設計任務書系 別：機電學院專 業(yè)：10電氣課程設計題目：雙閉環(huán)串級交流調速控制系統(tǒng)設計學 生 姓 名：張誠學 號：2010010694起 迄 日 期: 6 月 17日 6 月28日課程設計地點:電機與拖動控制實驗室指 導 教 師: 劉世林下達任務書日期: 6 月17日 摘 要本設計介紹了交流調速系統(tǒng)的基本概況及其研究意義，同時提出了本設計所要研究解決的問題，接著對系統(tǒng)各部分所需元器件進行比較選擇并進行總體設計，最后采用工程設計方法對雙閉環(huán)交流調速系統(tǒng)進行輔助設計，進行參數(shù)計算和近似校驗。在調節(jié)器選擇方面，本設計選擇的PI調節(jié)器，使得線路大為簡化，且性能優(yōu)良、調試方便、運行可

2、靠、成本降低。觸發(fā)電路則采用一種新型高性能集成移相觸發(fā)器（MC787）設計的觸發(fā)電路，它克服了分立元件缺點，抗干擾性優(yōu)良，具有輸入阻抗高、移相范圍寬、裝調簡便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果較好。目 錄1 緒論31.1 研究交流調速系統(tǒng)的意義31.2本設計所做的主要工作32 交流調速系統(tǒng)32.1 交流電機常用的調速方案及其性能比較32.2 三相交流調壓調速的工作原理42.3 雙閉環(huán)控制的交流調速系統(tǒng)5 2.3.1 轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成6 2.3.2 穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性.63 電路參數(shù)計算93.1 系統(tǒng)主電路的參數(shù)計算.93.2 根據(jù)系統(tǒng)方塊圖進行動態(tài)計算9

3、3.3 調節(jié)器的設計參數(shù)計算.113.3.1 電流調節(jié)器的參數(shù)計算.123.3.2 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算.144 控制系統(tǒng)硬件電路設計.164.1 調節(jié)器的選擇和調整164.2觸發(fā)電路的設計164.3串級調速系統(tǒng)設計18 4. 4雙閉環(huán)系統(tǒng)設計 . .19 5 仿真. .216設計體會221 緒論1.1 研究交流調速系統(tǒng)的意義 隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，為交流調速系統(tǒng)的開發(fā)研究進一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調速、各種類型的變頻調速，特別是矢量控制技術的應用，使得交流調速系統(tǒng)逐步具備了寬的調速范圍、較高的穩(wěn)

4、速精度、快速的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調速傳動到高精度、快響應、大范圍的調速傳動，從單機傳動到多機協(xié)調運轉，已幾乎都可采用交流調速傳動。交流調速系統(tǒng)具有下面幾個主要優(yōu)點：1、交流電動機特別是鼠籠異步電動機的價格遠低于直流電動機。2、交流電動機不易出現(xiàn)故障，維修非常簡單。3、交流電動機的使用場合沒有限制。4、交流電動機的單機容量可遠大于直流電動機。1.2 本設計中我們所做的主要工作通過本次課程設計，讓學生鞏固所學的電力拖動自動控制系統(tǒng)的相關內容，加深對控制理論在電力拖動調速系統(tǒng)中應用的理解，并學會將

5、所學的知識應用到實際中，達到在應用中掌握知識的目的。2 交流調速系統(tǒng)2.1 交流電機常用的調速方案及其性能比較由電機學知，交流異步電動機的轉速公式如下： (2-1)式中 電動機定子繞阻的磁極對數(shù)；電動機定子電壓供電頻率；s 電動機的轉差率。從式（2-1）中可以看出，調節(jié)交流異步電動機的轉速有三大類方案。1.改變電動機的磁極對數(shù)由異步電動機的同步轉速 (2-2)可知，在供電電源頻率不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變異步電動機定子繞組的磁極對數(shù)，即可改變異步電動機的同步轉速，從而達到調速的目的。2.變頻調速從式（2-1）中可以看出，當異步電動機的磁極對數(shù)一定，轉差率

6、s定時，改變定子繞組的供電頻率可以達到調速目的，電動機轉速基本上與電源的頻率成正比，因此，平滑地調節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無級地調節(jié)異步電動機的轉速。變頻調速調速范圍大，低速特性較硬，基頻以下，屬于恒轉矩調速方式，在基頻以上，屬于恒功率調速方式，與直流電動機的降壓和弱磁調速十分相似。且采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉矩。3.變轉差率調速在交流異步電動機中，從定子傳入轉子的電磁功率PM可以分成兩部分：一部分是拖動負載的有效功率，另一部分是轉差功率，與轉差率s成正比，它的去向是調速系統(tǒng)效率高低的標志。2.2 三相交流調壓調速的工作原理異步電動機

7、的調壓調速是指改變定子電壓調速。如圖2.1畫出了定子電壓為、 ()時的機械特性。其特點是：1) 變定子電壓時，不變，也不變。2) 最大轉矩及啟動轉矩與定子電壓的平方成正比。因此當定子電壓降低時，和減小很小。3) 定子電壓越低，機械特性直線段的斜率越大，即特性越軟。圖2-1畫出了恒轉矩負載特性和通風機特性。對于恒轉矩特性，電動機只能在機械特性直線段(段和0)穩(wěn)定運行。在不同電壓下的穩(wěn)定工作點分別為a、b、c。對于通風機負載，電動機在機械特性的全段范圍（即轉速0段或轉差率01段）都能穩(wěn)定運行。在不同電壓下的穩(wěn)定工作點分別是a、b、c。由圖可見，當定子電壓降低時，穩(wěn)定運行時的轉速將降低（,）,從而實

8、現(xiàn)了轉速的調節(jié)。TLabcU”1cabnmsSmTemaxU1>U1>U1”通風機負載特性圖2-1 異步電動機不同電壓下的機械特性2.3 雙閉環(huán)控制的交流調速系統(tǒng)2.3.1 轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 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，二者之間實行串級聯(lián)結，這就是說，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。從結構上來看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器一般都采用PI

9、調節(jié)器，要注意的是，考慮到運算放大器的輸出是帶限幅的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅（飽和）電壓是，它決定了電流調節(jié)器給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。2.3.2穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性對于靜特性來說，有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)定時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此 （2-3） （2-4）由式2-2第一個關系式可得 （2-5）由上面的式子得到靜特性圖2-3的段。與此同時，由于 ASR不飽和，從上述第二個關系式可知：。這是說 段靜特性從（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是

10、靜特性的運行段。（2）轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)成開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 （2-6）式中，最大電流是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式中所描述的靜特性是圖2-3中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于的情況。因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖2-2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采

11、用了兩個PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大、特別是為了避免零點漂移而采用“準PI調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如圖2-3中虛線所示。圖2-3 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性4.各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系 （2-7） （2-8） （2-9）上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于n和，或者說，同時取決于和。這些關系反映了PI調節(jié)器

12、不同于P調節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI調節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。3 電路參數(shù)計算3.1 系統(tǒng)主電路的參數(shù)計算已知系統(tǒng)控制電機(繞線式轉子三相異步電動機)的參數(shù)為：,cos=0.87,E2N=340V，I2N=81A，/Y聯(lián)結,m=3，J=2.367kg.m2。Y接晶閘管未導通時，均承受本相相電壓，導通時電流為，流過晶閘管最大電流時，對應波形為全波，根據(jù)有效值I公式為： (3-1)負載平均電流，所對應的電流有效值應小于額定電流所對應的有效值電流，即,這里取

13、1A?？蛇x取KP1系列型號普通晶閘管作為主電路反并聯(lián)調壓器電路的導通管，其參數(shù)如下：通態(tài)平均電流 額定結溫 門極觸發(fā)電流/電壓 門極不觸發(fā)電流/電壓 1A 100 3mA30mA / 2.5V 0.4mA/0.3V 3.2 根據(jù)系統(tǒng)方塊圖進行動態(tài)計算圖3-1中為三相異步電動機的近似傳函，這里為電動機的傳遞函數(shù)，為機電時間常數(shù)，它可以通過實驗或者銘牌數(shù)據(jù)求取。Un*UUi*U1Uct WASR(S) WACR(S) WGT-V(S) WMA(S) WFBS(S)n(S)Un（S）圖3-1 調速系統(tǒng)結構框圖晶閘管交流調壓器和觸發(fā)裝置GT-V中可近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如晶閘管觸發(fā)與整流裝置一樣。傳遞

14、函數(shù)可寫成 （3-2）式中 為可控硅的傳遞函數(shù)； 為可控硅的時滯或慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。反饋環(huán)節(jié)FBS考慮到反饋濾波的作用，其傳遞函數(shù)為 （3-3）因此，調節(jié)對象的總傳遞函數(shù)為 （3-4）式中為調節(jié)對象總傳遞函數(shù)； 為時間常數(shù)。輸入段加濾波器：用PI調節(jié)器： （3-5）調節(jié)器電路圖如圖3-2所示。-+R3R2R1C1R5圖3-2 PI調節(jié)器3.3 調節(jié)器的設計參數(shù)計算（1）根據(jù)以上推導的異步電動機傳遞函數(shù)，首先計算它的參數(shù)電動機的機電時間常數(shù)近似認為與機械特性斜率kM成正比，即 (3-6)式中為負值，可由試驗測出：2800/0.13電動機與負載總飛輪慣性取0.01kgN·m則 (3-7

15、)由得 (3-8)（2）求晶閘管交流調壓器的時間常數(shù)電路采用三相全波Y型接法調壓電路，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)可取3.3ms。調壓器輸出電壓為0V220V,輸出控制電壓為0V7V變動，所以放大倍數(shù)=220/730倍。（3）求速度反饋系數(shù)采用55CYD11系列永磁低速直流測速發(fā)電機，最大工作轉速可達，當電動機額定轉速運行時，,即得輸出電壓為5.4V，則 (3-9)（4）求速度反饋濾波常數(shù)由于反饋輸出均由波紋，在低速時尤為嚴重，一般都需要濾波，負責無法應用。太小，濾波效果不佳，但太大，又將影響系統(tǒng)性能，通常取之間，這里取。3.3.1 電流調節(jié)器的參數(shù)計算電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)中不超過允許值

16、，因而在突加控制作用時不希望由超調，或者超調量越小越好。從這個觀點出發(fā)，應該把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。確定時間常數(shù)電流濾波器時間常數(shù)電流濾波器時間常數(shù)選取與速度調節(jié)器反饋時間常數(shù)相同。電流環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取2）電流調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 （3-10）3）選擇電流調節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應取,因此于是，ACR的比例系數(shù)為 (3-11)4）校驗條件電流截止頻率。小時間常數(shù)近似處理的條件: 現(xiàn)在，滿足近似條件。5）計算調節(jié)器電阻和電容其原理圖見圖3.3所示，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取80 （3-12） （3-13） （3

17、-14）按照以上參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)性能為：，滿足設計要求。3.3.2 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算1）確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為。（2）轉速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取。（3）轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取2）選擇調節(jié)器參數(shù)由于設計要求無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應按典型型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。故ASR選用PI調節(jié)器，器傳遞函數(shù)為 （3-15）3）選擇轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為 （3-16）轉速環(huán)開環(huán)增益 （3-17）于是，ASR的比例系數(shù)為 （3-18）4)校驗近似條件轉速環(huán)截止頻率：（

18、1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：現(xiàn)在 滿足簡化條件。（2） 小時間常數(shù)近似條件：現(xiàn)在，滿足近似條件。5）計算調節(jié)器電阻和電容轉速調節(jié)器原理圖如圖3-3Ui*RdnCdnR5R4-+ConConUn*R0/2R0/2R0/2R0/2RnR3Cn圖3-3 帶給定濾波和反饋濾波的PI調節(jié)器取，各電阻和電容值計算如下： 取120 (3-19) (3-20) (3-21)圖4-1 異步電動機調速系統(tǒng)原理圖4 控制系統(tǒng)及其硬件電路設計4.1 控制系統(tǒng)的控制原理異步電動機變電壓調速時，若采用普通電動機則調速范圍很窄，采用高轉子電阻的力矩電動機時，調速范圍雖然可以大一些，但機械特性變軟，負載變化的靜差率太大。開

19、環(huán)控制很難解決這個矛盾。對于恒轉矩性質的負載，調速范圍要求在D2時，一般采用帶轉速負返饋的閉環(huán)控制。ASRACR+USF 測速發(fā)電機H觸發(fā)器UfUf4.2 觸發(fā)電路的設計不同的觸發(fā)電路有不同的結構特點，所發(fā)脈沖適用于不同的整流電路。在本課題中，觸發(fā)電路采用一種新型高性能集成移相觸發(fā)器（MC787）設計的觸發(fā)電路，它克服了分立元件缺點，抗干擾性優(yōu)良，具有輸入阻抗高、移相范圍寬、裝調簡便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果較好，對于電力電子產品的小型化和方便設計具有重要意義。MC787電路結構框圖如圖4-2圖4-2 MC787電路結構框圖該集成塊由同步過零和極性檢測電路、

20、鋸齒波形成電路、比較電路、抗干擾鎖定電路、調制脈沖發(fā)生器、脈沖形成電路、脈沖分配及驅動電路組成。電路采用單電源供電，同步電壓的零點設計在12電源電壓處。三相同步電壓信號經(jīng)T形網(wǎng)絡進入過零檢測和極性判別電路，檢測出零點和極性后，在鋸齒波形成電路的、三個電容上積分形成鋸齒波。鋸齒波形成電路由于采用集中式恒流源，相對誤差很小，具有良好的線性和一致性。因此要求選取的積分電容的相對誤差也應小。鋸齒波在比較器中與移相電壓比較取得交點，移相電壓由腳4通過電位器調節(jié)或由外電路控制得到。移相電壓為正極性，當移相電壓增加時，輸出控制角a增大。移相電壓的調整范圍可按積分電容的大小，在間選取。抗干擾電路具有鎖定功能，

21、在交點后，鋸齒波和移相電壓的波動不會影響電路的輸出，直到下一個過零點，以保證交點的惟一與穩(wěn)定，這對于防止因晶閘管換相所引起的干擾是非常必要的。MC787的最大絕對額定值和推薦工作條件見表4.1。表4.1 MC787的最大絕對額定值和推薦工作條件最大絕對額定值推薦工作條件電源電壓-0.518v電源電壓818v輸入電壓-0.5UDD同步電壓UDD工作溫度-4085OC控制輸入電壓0UDD最大功耗300mW同步信號頻率101000HZ存儲溫度-65150OC最佳工作溫度-2565OC4.3串級調速系統(tǒng)設計全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，選擇最適合設計要求的虛擬控制電路。根據(jù)系

22、統(tǒng)實際，選擇轉速，電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。對于交流異步電動機轉差功率消耗型調速系統(tǒng)，當轉速較低時轉差功率消耗較大，從而限制了調速范圍20。如果要設法回收轉差功率，就需要在異步電動機的轉子側施加控制，此時可以采用繞線轉子異步電動機。常見的繞線轉子異步電動機用轉子回路串電阻調速，這種調速方法簡單、操作方便且價格便宜，但在電阻上將消耗大量的能量，效率低，經(jīng)濟性差，同時由于轉子回路附加電阻的容量大，可調的級數(shù)有限，不能實現(xiàn)平滑調速。為了克服上述缺點，必須尋求一種效率較高、性能較好的繞線轉子異步電動機轉差功率同饋型調速方法，串級調速系統(tǒng)就是一個很好的解決方案。根據(jù)串級調速原理及資料查詢，設計出串級調速系統(tǒng)主

23、電路如圖4.5所示。圖4.3 串級調速系統(tǒng)主電路圖串級調速是通過繞線式異步電動機的轉子回路引入附加電勢而產生的。它屬于變轉差率來實現(xiàn)串級調速的。與轉子串電阻的方式不同，串級調速可以將異步電動機的轉差功率加以應用（回饋電網(wǎng)或是轉化為機械能送回到電動機軸上），因此效率高。它能實現(xiàn)無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調速系統(tǒng)，技術難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應用。4.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)設計說到雙閉環(huán)系統(tǒng)的調速，我們得首先來簡要認識一下單閉環(huán)系統(tǒng)調速，單閉環(huán)調速系統(tǒng)是指只有一個轉速負反饋構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動機軸上裝一臺直流測速發(fā)電機TG，引出與轉速成正比的電壓Uf，

24、與給定電壓Ugd比較后，得偏差電壓U，經(jīng)過放大器FD，產生觸發(fā)裝置CF的控制電壓Uk，用以控制電動機的轉速。因為這里只有一個環(huán)，所以成為單閉環(huán)系統(tǒng)。采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)，既保證了動態(tài)穩(wěn)定性，又能做到無靜差，很好地解決了系統(tǒng)中動、靜態(tài)之間的矛盾。然而系統(tǒng)中只靠電流截止環(huán)節(jié)來限制啟動和升速的沖擊電流，其性能仍然不能令人滿意。主要問題是，不能在充分利用電機過載能力的條件下獲得最快的動態(tài)響應，甚至使啟動和加速過程拖長。自動控制理論提示，進一步解決問題的唯一途徑是對電流這個物理量也實行負反饋控制。同時在電流控制回路中設置一個調節(jié)器，專門用于調節(jié)電流量。這樣，系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和

25、電流。這樣的系統(tǒng)稱為轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。圖4.4 輸出限幅電路圖在組成雙閉環(huán)系統(tǒng)時必須解決的一個問題，就是調節(jié)器的限幅的整定問題。轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流調節(jié)器ACR給定電流的最大值，它完全取決于電動機的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要；電流調節(jié)器ACR的正限幅則表示對觸發(fā)器裝置的最小移相的限制或對晶閘管裝置輸出電壓最大值的限制。采用運算放大器做調節(jié)器的時候，輸出限幅可以采用上面圖4.4電路16。 5 系統(tǒng)仿真5.1 主電路的仿真設計本系統(tǒng)采用MATLAB進行仿真。主電路由三相對稱交流電壓源、二極管轉子整流器、晶閘管逆變器、電抗器、逆變變壓器、繞線式交流異步電動機、電動機信號分