電力拖動(dòng)大作業(yè)

1、內(nèi)蒙工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院電力拖動(dòng)大作業(yè)前言雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。由于直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本人就直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，從直流電機(jī)的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，再進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)設(shè)計(jì)方案的研究，用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，并用所學(xué)的MATLAB進(jìn)行仿真，分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法中由于忽略和簡化造成的誤差。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)需從動(dòng)態(tài)校正的需要來解決，設(shè)計(jì)每個(gè)調(diào)節(jié)器是，都必須先求

2、該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，盡量縮短啟、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而裝入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一種應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和P

3、I調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯脹_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流、轉(zhuǎn)矩為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩

4、馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流、轉(zhuǎn)矩首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，電流負(fù)反饋不發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔貌煌碾A段。在設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種

5、負(fù)反饋分別起作用，需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、

6、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流、轉(zhuǎn)矩受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流、轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠

7、電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。所以選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于圖1-2。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。 圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE1.2 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的選擇：圖1-2表明

8、，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖1-3所示的典型形式，其中 圖1-2 小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖1-3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為第二章 整體電路

9、分析2.1電流環(huán)設(shè)計(jì)電流環(huán)參數(shù)的計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.00167s2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.005s3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti = Ts + Toi =0.00667s2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求i%=5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。（1）確定常數(shù)時(shí)間整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0016s,電流濾波時(shí)間Toi=0.005s,電樞回路電磁時(shí)間Tl=0.028s,常數(shù)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)Ti=Ts+Toi=0.00667s(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：i%=5 ，且T

10、lTi=0.028s0.00667s=4.197<10,可以選擇I型設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器可以選擇PI型。（3） 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)環(huán)開環(huán)時(shí)間ACR超前時(shí)間常數(shù)i=Tl=0.028s,電流增益KI=0.5 Ti=0.5s0.00667s=74.96s-1ACR的比例系數(shù)Ki=KI iRKs=74.9×0.028×0.86330×0.028=2.15（4） 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率ci=KI=74.96s-1(a)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件13Ts=13×0.00167=199.6s-1>ci，滿足近似條件。(b)忽略反電動(dòng)勢對(duì)電流環(huán)影響的條件31

11、TmTl=3×10.383s×0.028s=28.97s-1<ci滿足近似條件。(c)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件現(xiàn)為131TsToi=13×10.00167s×0.005s=115.35s-1>ci,滿足近似條件。2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)1） 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：2Ti=0.01334，轉(zhuǎn)速濾波常數(shù)：Ton=0.005s，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：Tn=2Ti+ Ton=0.01864s(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前的超前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=5×0.01834=0.0917s轉(zhuǎn)

12、速環(huán)開換成增益KN=h+12h2Tn2 =62×52×0.018342s-2=356.77s-2于是，可得ASR的比例系數(shù)為Kn=（h+1)CeTm2hRTn=6×0.028×0.228×0,3832×5×0.0041×0.863×0.01834=22.61（3） 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為：cn=Knn=22.16*0.0197=0.44s-1(4) 電流環(huán)傳遞幻術(shù)簡化條件：13KITi=13×74.960.00667s-1=35.34s-1>cn，滿足簡化條件。（5） 小時(shí)間常數(shù)近似條

13、件：13KITon=13×74.960.005s-1=40.81s-1>cn，滿足簡化條件。（6） 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí)，ASR不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。由下表可得Cmax/Cb=81.2%,理想空載時(shí)z=0,則n=(CmaxCb)nbn*=2(CmaxCb)(-z) nbn*TnTm=2×81.2%×1.2×136×0.8630.2281500×0.013840.383=2.42%<10%能滿足設(shè)計(jì)要求。2.3 典型I型系統(tǒng)介紹典型I型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2

14、-1其傳遞函數(shù)為其中，時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益K，也就是說K是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。 典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-1。典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-2表2-1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表2-2典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.4 典型型系統(tǒng)介紹典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

15、如圖2-2所示。圖 2-3 典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖其傳遞函數(shù)為 在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式中。與典型 I 型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè):K和 ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。為了分析方便起見，引入一個(gè)新的變量 ，令 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-3 表2-3 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如圖2-4圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.6 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路下圖圖2-5 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍

16、給定時(shí)，ASR不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。由表2-3可得Cmax/Cb=81.2%,理想空載時(shí)z=0,則n=(CmaxCb)nbn*=2(CmaxCb)(-z) nbn*TnTm=2×81.2%×1.2×136×0.8630.2281500×0.013840.383=2.42%<10%第三章 參數(shù)計(jì)算3.1 相關(guān)參數(shù)知參數(shù)：直流電動(dòng)機(jī)：, ， ；V-M系統(tǒng)主電路總電阻： ；電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)： ；系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)：；系統(tǒng)測速反饋系數(shù)；系統(tǒng)電流反饋系數(shù)；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)：；

17、三項(xiàng)橋式平均時(shí)空時(shí)間：；電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)：。 設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)電流超調(diào)量；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量。3.2 主要參數(shù)計(jì)算3.2.1 電流環(huán)參數(shù)計(jì)算1 確定時(shí)間常數(shù)：1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.00167s2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.005s3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti = Ts + Toi =0.00667s2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i%=5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： 參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可

18、以接受的。3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.028s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i%=5時(shí)，按照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，應(yīng)取KiTi=0.5，因此：于是，ACR的比例系數(shù)為4.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=74.96 1/S(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。(2)忽略反電動(dòng)勢變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件滿足近似條件。(3)電流環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i%=4.3%<5，按照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)條件。3.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算1.定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)時(shí)間常數(shù)1/KI。已取KITi=0.5則(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：Ton=0.005s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，器傳遞函數(shù)為3.計(jì)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h=5，則ASR得超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：ASR的比例系數(shù)