PI調(diào)節(jié)器控制的雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、目錄第一章 概述.2第二章、雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計.3 1.1雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成.3 1.2 轉(zhuǎn)子整流電路工作狀態(tài)的選擇.4 1.3系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立.6 1.4 異步電動機和轉(zhuǎn)子直流回路參數(shù)傳遞函數(shù)計算.91.5調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算與設(shè)計.10第三章、串級調(diào)速系統(tǒng)的simulink仿真與分析.13總結(jié).15附錄.15參考文獻.16第一章 概述 現(xiàn)代工業(yè)的電力拖動一般都要求局部或全部的自動化，因此必然要與各種控制元件組成的自動控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，而電力拖動則可視為自動化電力拖動系統(tǒng)的簡稱。在這一系統(tǒng)中可對生產(chǎn)機械進行自動控制。隨著近代電力電了技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的

2、應(yīng)用，自動化電力拖動正向著計算機控制的生產(chǎn)過程自動化的方向邁進。以達到高速、優(yōu)質(zhì)、高效率地生產(chǎn)。在大多數(shù)綜合自動化系統(tǒng)中，自動化的電力拖動系統(tǒng)仍然是不可缺少的組成部分。另外，低成本自動化技術(shù)與設(shè)備的開發(fā)，越來越引起國內(nèi)外的注意。特別對于小型企業(yè)，應(yīng)用適用技術(shù)的設(shè)備，不僅有益于獲得經(jīng)濟效益，而且能提高生產(chǎn)率、可靠性與柔性，還有易于應(yīng)用的優(yōu)點。自動化的電力拖動系統(tǒng)更是低成本自動化系統(tǒng)的重要組成部分。串級調(diào)速源于英語“cascade control”，意為“級聯(lián)控制”，系指當(dāng)時異步機轉(zhuǎn)子與外附的直流電動機兩級聯(lián)接所形成的調(diào)速，雖然后來改進，用靜止的電力電子變流裝置和變壓器取代直流電動機，但串級調(diào)速的

3、稱謂被習(xí)慣地沿用下來。繞線異步電動機在轉(zhuǎn)子回路中串接一個與轉(zhuǎn)子電動勢同頻率的附加電動通過改變值大小和相位可實現(xiàn)調(diào)速。這樣，電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)差率只有小部分被轉(zhuǎn)子繞組本身電阻所消耗，而其余大部分被附加電動勢所吸收，利用產(chǎn)生e的裝置可以把這部分轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)，使電動機在低速運行時仍具有較高的效率。這種在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串接附加電動勢的調(diào)速方法稱為串級調(diào)速。串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級調(diào)速可以將異步電動機的功率加以應(yīng)用（回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機械能送回到電動機軸上），因此效率高。串級調(diào)

4、速能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機械特性也比較硬，它完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的缺點，具有高效率、無級平滑調(diào)速、較硬的低速機械特性等優(yōu)點,是一種經(jīng)濟、高效的調(diào)速方法。 本次設(shè)計給定對象為某雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)電機，設(shè)計時要對各環(huán)節(jié)參數(shù)計算和pi控制器的設(shè)計。電流環(huán)按i型、轉(zhuǎn)速環(huán)按進行整定，并對pi控制器控制的串級調(diào)速系統(tǒng)進行仿真。 串級調(diào)速就是在異步電機轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個可變頻、可變幅的電壓。首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對電動機轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。根據(jù)以上兩點要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀

5、態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源。首先進行，串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型建立。其次求出，轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)、異步電動機的傳遞函數(shù)。最后，進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計。將異步電動機和轉(zhuǎn)子直流回路都畫成傳遞函數(shù)框圖，再考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)就可直接畫出雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，在matlab軟件中，將出雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中的每一個模塊用simulink作出，根據(jù)求出的參數(shù)進行參數(shù)值的修改，start simulation，雙擊示波器即可觀察調(diào)速時波形的變化。通過對轉(zhuǎn)速變化的分析，可以對調(diào)速系統(tǒng)性能進行分析。

6、第二章、雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計2 .1雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的組成圖2.1雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2.1中，晶閘管異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要由晶閘管三相全控橋式有源逆變器ui、三相橋式二極管轉(zhuǎn)子整流器ur、三相繞線式異步電動機m、逆變變壓器ti、平波電抗器ld等組成。繞線轉(zhuǎn)子異步電機，其轉(zhuǎn)子相電動勢經(jīng)三相不可控整流器 ur 整流，輸出直流電壓 。三相有源逆變器 ui 除提供可調(diào)的直流電壓以作為所需的附加直流電動勢外，還可將經(jīng) ur整流后輸出的異步電機轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)，從而實現(xiàn)高效、節(jié)能、無級的調(diào)速效果。2.2 串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路工作狀態(tài)的選擇1轉(zhuǎn)子整流電路：（如圖2.3

7、）從圖2-1中可以看出，異步電動機相當(dāng)于轉(zhuǎn)子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側(cè)，則轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次側(cè)，與帶整流變壓器的整流電路非常相似，因而可以引用電力電子技術(shù)中分析整流電路的一些結(jié)論來研究串級調(diào)速時的轉(zhuǎn)子整流電路。 圖2.3 轉(zhuǎn)子整流電路 但是，兩者之間還存在著一些顯著的差異，主要是：整流電路的不同點: （1）一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的，而異步電動機轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的幅值與頻率都是變化的，隨電機轉(zhuǎn)速的改變而變化； （2）異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值也與轉(zhuǎn)子頻率或轉(zhuǎn)差率有關(guān)；（3）由于異步電動機折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值較大，所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電

8、路嚴(yán)重，從而在負(fù)載較大時會引起整流器件的強迫延遲換相現(xiàn)象。2. 電路分析：假設(shè)條件：（1） 整流器件具有理想的整流特性，管壓降及漏電流均可忽略；（2） 轉(zhuǎn)子直流回路中平波電抗器的電感為無窮大，直流電流波形平直；（3）忽略電動機勵磁阻抗的影響。換相重疊現(xiàn)象：換相重疊壓降 設(shè)電動機在某一轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)子三相的感應(yīng)電動勢為、當(dāng)各整流器件依次導(dǎo)通時，必有器件間的換相過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產(chǎn)生換相重疊壓降，如圖2.4所示。換相重疊角 圖2.4換相重疊波形根據(jù)電力電子技術(shù)中介紹的理論，換相重疊角為: (2-1)其中: :時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機定子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。由式2.1可知，

9、換相重疊角隨著整流電流的增大而增加。當(dāng) 較小，在之間時，整流電路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。當(dāng)電流增大到角大于時，器件在自然換相點處未能結(jié)束換流，從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強迫延遲換相現(xiàn)象，所延遲的角度稱作強迫延時換相角。由此可見，串級調(diào)速時的異步電動機轉(zhuǎn)子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。 轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài) （1）第一種工作狀態(tài)的特征是: , (2-2) 此時，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，可稱之為第一工作區(qū)。（2）第二種工作狀態(tài)的特征是: ， (2-3)這時，由于強迫延遲換相的作用，使得整流電路好似處于可控的整流工作狀

10、態(tài)，角相當(dāng)于整流器件的控制角，這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當(dāng)控制角為零時的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式來表示串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。 整流電流： 整流電壓：在0 60之間時，整流電路中各整流器件都在對應(yīng)相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。本次設(shè)計采用二極管整流，為不可控整流。所以，轉(zhuǎn)子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子整流電路工作在第一工作區(qū)= 0，= 0 60 。2.3串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在圖2.1所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖均與直流調(diào)速系統(tǒng)中相同。在異步電動機轉(zhuǎn)子

11、直流回路中，不少物理量都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，所以要單獨處理。(1)轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)根據(jù)圖2.2的等效電路圖可以列出串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式： (2-6) 式中: :當(dāng)時轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓, :逆變器直流側(cè)的空載電壓, = 2.34 cosb :折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動機每相漏感， :折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感， :平波電抗器電感, l :轉(zhuǎn)子直流回路總電感， l=2+2+ :轉(zhuǎn)差率為時轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻: 于是式(2.6)可改寫成: (2-7)將式(2.7)兩邊取拉氏變換，可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù): (2-8)式中： t:轉(zhuǎn)子直流回路的時間常數(shù): t= :轉(zhuǎn)

12、子直流回路的放大系數(shù): 轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。需要指出，串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)和放大系數(shù)都是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，它們是非定常數(shù)。圖2.4轉(zhuǎn)子直流回路動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(2) 異步電動機的傳遞函數(shù)異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為: (2-9) 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為: (2-10)或?qū)懗?: (2.11) 式中:負(fù)載轉(zhuǎn)矩,:所對應(yīng)的等效直流電流,由此可得異步電動機在串級調(diào)速時的傳遞函數(shù)為: (2.12)其中為機電時間常數(shù)，與、都有關(guān)系，所以也不是常數(shù)，而是和的函數(shù)。（3）串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖把圖2.1 中的異步電動機和轉(zhuǎn)子直流回路都畫成傳遞函數(shù)框圖，再考慮給定濾波環(huán)節(jié)

13、和反饋濾波環(huán)節(jié)就可直接畫出雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.5所示。圖2.5雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.4 異步電動機和轉(zhuǎn)子直流回路傳遞函數(shù)計算當(dāng)時轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓, ud0=2.34er0cop 折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動機每相漏感: = 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感: = 平波電抗器電感: 轉(zhuǎn)子直流回路總電感: 轉(zhuǎn)差率為時轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻: = 0.4 t:轉(zhuǎn)子直流回路的時間常數(shù): =:轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù): =電動勢系數(shù)： =3.4電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比: =ce=3.4=32.48電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù) =0.076轉(zhuǎn)差率： 空載轉(zhuǎn)速n： n=1

14、233.33r/min轉(zhuǎn)差電壓擾動： 所以，轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)： = 異步電動機的傳遞函數(shù)： =2.5 調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算與設(shè)計圖2.6電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)設(shè)計及參數(shù)計算：1、時間常數(shù)的確定（按附錄表1） （1）整流裝置滯后時間常數(shù): 由附錄知三相橋式電路的平均失控時間 （2） 電流濾波時間常數(shù): 由給定數(shù)據(jù)知 （3）電流環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)近似處理，取 =+ :整流裝置滯后時間常數(shù),:電流濾波時間常數(shù)2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由附錄表2知kt=0.5時,電流調(diào)節(jié)器超調(diào)量si=4.3% 而且對電源電壓抗壓性能: = 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： 3電

15、流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算acr超前時間常數(shù)： =t=t=0.019s ,因此，電流環(huán)開環(huán)增益: k=106.38 s-1 于是，acr的比例系數(shù)為： k=0.46所以，電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為： =電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.7所示： 圖2.7 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器原理圖 圖2.8轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計及參數(shù)計算：1時間常數(shù)的確定（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為: = (2) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)為: =0.01s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為: =+= 2.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)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故asr選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函

16、數(shù)為： 3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,asr超前時間常數(shù)為： = 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： =s-1 因此asr的比例系數(shù)為： = 所以，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： = 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.9所示：圖2.9 含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 第三章、串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真 系統(tǒng)仿真的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖：圖3.1串級調(diào)速動態(tài)結(jié)構(gòu)仿真圖 在simulink中做出上述原理圖，并輸入相關(guān)參數(shù)，不加負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動，系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置為仿真start time設(shè)為1s；stop time設(shè)為10s。點擊start,雙擊示波器輸出結(jié)果如圖3-2所示的仿真曲線。圖3.2不加擾動仿真結(jié)果

17、圖由圖3.2可看出超調(diào)量在要求允許范圍內(nèi)，上升時間大約在0.2秒，響應(yīng)速度比較快，調(diào)節(jié)時間約為0.3秒。 圖3.3 突加擾動仿真結(jié)果圖當(dāng) 1.5s時突加擾動仿真圖如圖3.3，轉(zhuǎn)速先降后升，大約0.4s恢復(fù)平穩(wěn)，然后穩(wěn)定運行。根據(jù)以上仿真結(jié)果可知，該晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)快、超調(diào)量小、精度高、抗擾動性強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。所以，調(diào)速系統(tǒng)有一定的抗擾動能力，基本達到要求的調(diào)速指標(biāo)?？偨Y(jié) 本設(shè)計通過變流系統(tǒng)將調(diào)節(jié)繞組從主繞組感應(yīng)過來的電勢串入電機的轉(zhuǎn)子繞組，改變其串入電勢的大小來實現(xiàn)調(diào)速。即將內(nèi)反饋串級調(diào)速電動機的部分轉(zhuǎn)子能量取出以改變電動機轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)調(diào)速的。同時調(diào)節(jié)繞組吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，并通

18、過與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生正向的拖動轉(zhuǎn)矩，這就使電機從電網(wǎng)吸收的有功功率減少，主繞組的有功電流隨轉(zhuǎn)速成正比變化，達到調(diào)速節(jié)能的目的。采用串級調(diào)速方法可以實現(xiàn)感應(yīng)電機的平滑無級調(diào)數(shù)。由于串級調(diào)速系統(tǒng)中把轉(zhuǎn)差功率加以調(diào)速方法。本裝置在的繞線式感應(yīng)電動機上運行, 控制效果良好。通過本次設(shè)計，加強了我對調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用知識的掌握，同時了解了目前工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)字化系統(tǒng)的重要性，鞏固了我的專業(yè)課知識，使自己受益匪淺?？傊?，通過本次設(shè)計不僅進一步強化了專業(yè)知識，還掌握了設(shè)計系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。同時我要感謝吳老師和我同組同學(xué)的幫助，有了他們的幫助我才更快完成本次課程設(shè)計。 附錄整流電路形式平均失控時間（ms）單相半波10單相橋式（全波）5三相半波3.33三相橋式，六相半波1.67表1各種整流電路的失控時間（f=50hz）參數(shù)關(guān)系kt0.250.39 0.50.691.0阻尼比z超調(diào)量s 上升時間 tr峰值時間tp 相角穩(wěn)定裕度 截止頻率c 1.0 0 % 76.3 0.243/t 0.8 1.5% 6.6t 8.3t 69.90.367/t