雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)精

/直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計1設計任務說明書某晶閘管供電的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(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：,,..電樞電路總電阻R=0.1Ω,電樞電路總電感,電流允許過載倍數(shù).折算到電動機軸的飛輪慣量。晶閘管整流裝置放大倍數(shù).滯后時間常數(shù)電流反饋系數(shù)電壓反饋系數(shù)濾波時間常數(shù)；調(diào)節(jié)器輸入電阻。設計要求：穩(wěn)態(tài)指標：無靜差動態(tài)指標：電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。目錄TOC\o"1-4"\h\z\u1設計任務與分析2調(diào)速系統(tǒng)總體設計3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設計3.1晶閘管-電動機主電路的設計主電路設計主電路參數(shù)計算3.2轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設計電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器設計電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇4計算機仿真4.1空載起動4.2突加負載4.3突減負載5設計小結(jié)與體會6參考文獻2調(diào)速系統(tǒng)總體設計為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別作用.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器,即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器<ASR>和電流調(diào)節(jié)器<ACR>,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接.且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)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。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速,故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán),以保證電動機的轉(zhuǎn)速準確跟隨給定電壓,把由電流負反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán),把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入.再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE.這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖2-1所示：圖2-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能.轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。這樣構成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理圖如圖2-2所示：圖2-2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成.圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定后了電流給定電壓的最大值.電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。其中主電路中串入平波電抗器.以抑制電流脈動.消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設計3.1晶閘管-電動機主電路的設計主電路設計晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)〔V-M系統(tǒng)主電路原理圖如圖3-1所示：圖3-1V-M系統(tǒng)主電路原理圖圖中VT是晶閘管可控整流器.它由三相全控橋式整流電路組成.如圖3-2所示：圖3-2三相全控橋式整流電路通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動脈沖的相位.即可改變平均整流電壓.從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。主電路參數(shù)計算.取其中系數(shù)0.9為電網(wǎng)波動系數(shù).系數(shù)1-1.2為考慮各種因素的安全系數(shù).這里取1.0。電動勢系數(shù)額定勵磁下的電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)電磁時間常數(shù)機電時間常數(shù)s3.2轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構圖如圖3-3所示：圖3-3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構圖由于電流檢測信號中常含有交流分量.為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入.需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示.其濾波時間常數(shù)按需要選定.以濾平電流檢測信號為準。然而.在抑制交流分量的同時.濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用.為了平衡這個延遲作用.在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié).稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波.因此也需要濾波.濾波時間常數(shù)用表示.根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理.在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里.首先設計電流調(diào)節(jié)器.然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié).再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器.1電流調(diào)節(jié)器設計1.電流環(huán)結(jié)構框圖的化簡在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時.可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響.即DE≈0。這時.電流環(huán)如圖3-4所示。圖3-4電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡〔忽略反電動勢的動態(tài)影響忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是式中ωc電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi).同時把給定信號改成U*i<s>/b.則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。圖3-5電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡〔等效成單位負反饋系統(tǒng)最后.由于Ts和Toi一般都比Tl小得多.可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié).其時間常數(shù)為T∑i=Ts+Toi查表1得.三相橋式電路的平均失控時間為.電流濾波時間常數(shù).三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms.為了基本濾平波頭.應有〔1～2=3.33ms.因此取=0.002s電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i=Ts+Toi=0.0037s。簡化的近似條件為電流環(huán)結(jié)構圖最終簡化成圖3-6。圖3-6電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡〔小慣性環(huán)節(jié)的近似處理2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構的選擇根據(jù)設計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量.可按典型I型系統(tǒng)設計電路調(diào)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(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：式中Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti—電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消.選擇τi=Tl則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構圖便成為圖3-7所示的典型形式.其中〔ab>圖3-7校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a>動態(tài)結(jié)構圖b>開環(huán)對數(shù)幅頻特性電樞回路電磁時間常數(shù)Tl=0.03s。檢查對電源電壓的抗擾性能：.參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表2.可知各項指標都是可以接受的。3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：τi=Tl=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時.按表3應取ξ=0.707..因此ACR的比例系數(shù)為4.檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率：機電時間常數(shù)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。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。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-8所示：其中為電流給定電壓.為電流負反饋電壓.為電力電子變換器的控制電壓。由圖3-8.按所用運算放大器取.各電阻和電容值為KΩ.取22KΩ圖3-8PI型電流調(diào)節(jié)器.按照上述參數(shù).電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為.滿足設計要求。.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié).為此.須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖3-7忽略高次項.上式可降階近似為近似條件可由式求出式中wcn轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi).電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為U*i<s>.因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應等效為2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構的選擇電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代電流環(huán)后.整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構圖便如圖3-9所示。圖3-9轉(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡〔用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣.把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi).同時將給定信號改成U*n<s>/a.再把時間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來.近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)。其中電流環(huán)等效時間常數(shù)則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)小時間常數(shù)0.0074+0.02=0.0274s則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構框圖可簡化為圖3-10圖3-10轉(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡〔等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理按照設計要求.選用PI調(diào)節(jié)器.其傳遞函數(shù)為式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。這樣.調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為則不考慮負載繞動時.校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構框圖如圖3-11圖3-11轉(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡〔校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)3.計算轉(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.則ASR的超前時間常數(shù)為5×0.0274=0.137s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益159.84ASR的比例系數(shù)4.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。2轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足簡化條件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-12所示：其中為轉(zhuǎn)速給定電壓.為轉(zhuǎn)速負反饋電壓.：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。取.則KΩ.取443KΩ.圖3-12PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.取圖3-12PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量查表.當時..不能滿足設計要求。應按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。7.按ASR退飽和重新計算超調(diào)量過載倍數(shù)λ=1.5.理想空載轉(zhuǎn)速時.z=0查表得.h=5時.△Cmax/Cb=81.2%.則能滿足設計要求。4計算機仿真雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構圖圖4-1.增加了濾波環(huán)節(jié).包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。圖4-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構圖4.1空載起動雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時.轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖4-2。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況.整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。第I階段〔是電流上升階段。突加給定電壓后.、、都上升.在沒有達到負載電流以前.電機還不能轉(zhuǎn)動。當后.電機開始起動.由于機電慣性的作用.轉(zhuǎn)速不會很快增長.因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大.其輸出電壓保持限幅值.強迫電流迅速上升。直到..電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長.標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中.ASR很快進入并保持飽和狀態(tài).而ACR不飽和。第II階段〔是恒流升速階段.ASR飽和.轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán).在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng).基本上保持電流恒定.因而系統(tǒng)的加速度恒定.轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時.電機的反電動勢E也按線性增長.對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說.E是一個線性漸增的擾動量.為了克服它的擾動.和也必須基本上按線性增長.才能保持恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時.要使其輸出量按線性增長.其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值.也就是說.應略低于。第Ⅲ階段〔以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當轉(zhuǎn)速上升到給定值時.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零.輸出維持在限幅值.電機仍在加速.使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后.ASR輸入偏差電壓變負.開始退出飽和狀態(tài).和很快下降。但是.只要仍大于負載電流.轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時.轉(zhuǎn)矩.則dn/dt=0.轉(zhuǎn)速n才到達峰值〔時。此后.電動機開始在負載的阻力下減速.與此相應.在時間內(nèi)..直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好.也會有一段振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi).ASR和ACR都不飽和.ASR起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用.而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值。圖4-2空載起動特性4.2突加負載圖4-