雙閉環(huán)直流調(diào)速本科電拖課程設(shè)計[1]

1、課程設(shè)計名稱： 仿真課程設(shè)計 題 目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真實驗研究 專 業(yè)： 應(yīng)用電子技 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 目錄引言1一 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型2（一）直流電機數(shù)學(xué)模型.2（二）整流裝置的傳遞函數(shù).2（三）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計.3（四）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計3二 速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).5（一）速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).5（二） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和基本原理.6三雙閉環(huán)控制并聯(lián)逆變器的建模分析.7四轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)的工作.9（一）啟動過程.9（二）負載變化時的自動調(diào)速過程.9（三）電動機堵轉(zhuǎn)過程.9（四） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點10五 仿真研究.11結(jié)論.13

2、設(shè)計體會.14參考文獻.15摘 要在工業(yè)生產(chǎn)中, 需要高性能速度控制的電力拖動場合, 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用。而采用速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng), 就可以充分利用電動機的過載能力來獲得最快的動態(tài)過程。根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和基本原理, 分析了轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)的工作過程及其特點。關(guān)鍵詞: 直流調(diào)速系統(tǒng); 基本原理一 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在工程實踐中,雖然交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易。但由于直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟,具有極好的運行和控制性能,在工業(yè)生產(chǎn)中仍占有相當?shù)谋壤?其雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。ASR速度調(diào)節(jié)器

3、ACR電流調(diào)節(jié)器TA交流變換器TG測速發(fā)電機U*n給定速度信號Un速度反饋信號U*i給定電流信號Ui電流反饋信號圖1-1直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中電流內(nèi)環(huán)的作用是使電機電樞電流Id服從它的給定值U*i,當U*i不變時,它表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié),否則表現(xiàn)為隨動調(diào)節(jié)。速度外環(huán)的輸出為U*i,不直接推動后面的放大器,而是作為電流環(huán)的給定值,二者共同構(gòu)成串級控制系統(tǒng),不僅能控制轉(zhuǎn)速,而且能控制電流,可充分利用電機的過載能力,獲得較快的動態(tài)響應(yīng)。1.1 直流電機數(shù)學(xué)模型在電力拖動控制系統(tǒng)中,直流電機通常以電樞電壓為輸入量,以電機轉(zhuǎn)速為輸出量。假設(shè)電機補償良好,忽略電樞反應(yīng)、渦流效應(yīng)和磁滯的影響,并設(shè)勵磁

4、電流恒定,得直流電機數(shù)學(xué)模型和運動方程分別為: 1-1式中: Ud電樞電壓; L、id、R分別為電樞回路電感、電流和總電阻; E電機的反電動勢,且有E=Cen; Te、TL分別為電機的電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩,且有Te=Cmid; GD2電力拖動系統(tǒng)整個運動部分折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。整理得電流與電壓以及電動勢與電流之間的傳遞函數(shù)分別為: 1-2式中: T1=L/R電樞回路的電磁時間常數(shù)(s); IdL=TL/Cm負載電流(A); Tm電力拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)(s)。考慮n=E /Ce,可得直流電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示。1.2 整流裝置的傳遞函數(shù)圖1-2直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于晶閘管整

5、流裝置總離不開觸發(fā)電路,因此在分析系統(tǒng)時往往把它們看成一個整體,當作一個環(huán)節(jié)處理。從圖1-1上可以看出,這一環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct,輸出量是電樞電壓Ud。如果在一定的范圍內(nèi)將非線性特性線性化,就可以把它看成一個滯后時間較小的純滯后環(huán)節(jié),如式1-3。因傳遞函數(shù)中包含指數(shù)函數(shù),使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng),給分析和設(shè)計帶來了麻煩,一般情況下,把它近似成一階慣性環(huán)節(jié)。 1-3式中: Ts晶閘管整流裝置的失控時間(s)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計在設(shè)計電流環(huán)時,因T1比Tm小得多,故電流的調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多,因此在電流調(diào)節(jié)器快速調(diào)節(jié)過程中,可以認為反電動勢E基本不變。這樣在設(shè)計電流環(huán)時

6、,可以暫時不考慮反電動勢E圖1-4電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變化的影響而得到圖1-4所示的電流環(huán)近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。為了使電流環(huán)穩(wěn)態(tài)上做到無靜差以獲得理想的堵轉(zhuǎn)特性,動態(tài)上保持電動機電樞電流的不超調(diào),保證系統(tǒng)的跟隨性。把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為: 1-4 式中: Ki,i分別為電流調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和時間常數(shù)。根據(jù)“對消原理”,為了對消掉控制對象中時間常數(shù)較大的慣性環(huán)節(jié),以使校正后系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快,取i=T1;PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)Ki取決于系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。根據(jù)“電子最佳調(diào)節(jié)原理”中的“二階最佳系統(tǒng)”原理。取KiTi=05,由此可得: 1-51.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計圖1-5轉(zhuǎn)速環(huán)的

7、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計時,可以把已經(jīng)設(shè)計好的電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象。由此得到轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-5所示。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,提高系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能,把轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計成典型II型系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為: 1-6式中: Kn,n分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例放大倍數(shù)和時間常數(shù)。根據(jù)II型典型系統(tǒng)參數(shù)確定的方法,有T1=hT2,于是有n=hTn,其中h為中頻寬, Tn=Ton+2Ti,根據(jù)“調(diào)節(jié)器最佳整定設(shè)計法”,一般取h=5。然后按典型II型系統(tǒng)的最小閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin準則,得: 1-72速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是 20 世紀 60 年代在國外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。7

8、0 年代以來, 在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié), 見圖2-1、圖2- 2。從擴大調(diào)速范圍的角度來看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求。但是, 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的, 從電機能承受的過載電流有一定限制來看, 要求啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。為達到這個目的, 采用電流截止負反饋的系統(tǒng), 它能得圖2-11單環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)方塊圖圖2-2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速圖2-3帶有電流截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形到啟動電流波形, 見圖2

9、-3 中實線所示。波形的峰值正好達到直流電動機所允許的最大沖擊電流 Idm, 其啟動時間為 t1。實際的調(diào)速系統(tǒng), 除要求對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機械還提出了加快啟動和制動過程的要求, 例如可逆軋鋼, 龍門刨床都是經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的, 為了提高生產(chǎn)率, 要求盡量縮短過渡過程的時間。從圖2- 3 啟動電流變化的波形可以看到, 電流只在很短的時間內(nèi)就達到了最大允許值 Idm, 而其他時間的電流均小于此值, 可見在啟動過程中,電機的過載能力并沒有充分利用。如果能使啟動電流按虛線的形狀變化, 充分利用電動機的過載能力, 使電機一直在較大的加速轉(zhuǎn)矩下啟動, 啟動時間就會大大縮短, 只要 t2

10、就夠了。上述設(shè)想提出一個理想的啟動過程曲線, 其特點是在電機啟動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值 Idm, 并且保持不變, 在這個條件下, 轉(zhuǎn)速 n 得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流 Izf 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 IdmR, 隨著轉(zhuǎn)速 n 的上升, U= IdmR+Cen 也上升, 達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時, Ud= IzfR+Cne。這就要求在啟動過程中, 把電動機的電流當作被調(diào)節(jié)量, 使之維持在電機允許的最大值 Idm, 并保持不變。這就要求有一個電流調(diào)節(jié)器來完成這個任務(wù)。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是

11、在這種要求下產(chǎn)生的。圖2-4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和基本原理圖2- 4 為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個 PI 調(diào)節(jié)器, 一個是用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ST) , 另一個是用于電流調(diào)節(jié)的電流調(diào)節(jié)器(LT) , 兩個調(diào)節(jié)器串級連接, 其輸出均有限幅, 輸出限幅值分別為 Usm 和 Umi。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被調(diào)量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán)( 主環(huán)) , 以保證電動機的轉(zhuǎn)速準確地跟隨給定值, 并抵抗外來的干擾; 把由電流負反饋組成的環(huán)作內(nèi)環(huán)( 副環(huán)) , 以保證動態(tài)電流為最大值并保持不變, 使電動機快速地起動、制動, 同時還能起限流

12、作用, 并可以對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。電動機轉(zhuǎn)速由給定電壓 Ug 來確定, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ST 的輸入 M偏差電壓為 Uis=Ug- Unf, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ST 的輸出電壓 Us 作為電流調(diào)節(jié)器 LT 的給定信號 (ST 輸出電壓的限幅值 Usm 決定了 LT 給定信號的最大值) ; 電流調(diào)節(jié)器 LT 的輸入偏差電壓為 Uci=- Us+Ufi, 電流調(diào)節(jié)器 LT 的輸出電壓 Uc 作為觸發(fā)電路的控制電壓 (LT 輸出電壓的限幅值 Umi 決定了晶閘管整流電壓的最大值 Udm) ; Uc 控制著觸發(fā)延遲角, 使電動機在期望轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。3雙閉環(huán)控制并聯(lián)逆變器的建模分析單相半橋逆變器由逆變橋和

13、 LC 輸出濾波器構(gòu)成，采用輸出電壓瞬時值和濾波電感電流瞬時值雙閉環(huán)反饋控制策略。電壓外環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器，控制輸出電壓跟蹤基準正弦電壓，PI 調(diào)節(jié)器的輸出作為電流給定；電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制方式，控制電感電流在正負滯環(huán)寬度范圍內(nèi)跟蹤給定電流變化。當逆變器的開關(guān)頻率遠大于輸出電壓頻率 fo，且 fo較低時，電流內(nèi)環(huán)可以等效為一個受控放大器。圖 3-1 為兩臺逆變器構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)等效輸出模型，其中 uo 是并聯(lián)交流母線電壓，uo1、uo2 分別為兩臺逆變器的輸出電壓，Z1 和 Z2 分別為兩臺逆變器與交流母線之間的線路阻抗，Ze為并聯(lián)系統(tǒng)負載，、 分別為兩臺逆變器的輸出電流，io 為負載電流。定

14、義環(huán)流 3-1由 3-1可以得到 3-2所以，對于由兩臺逆變器構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)，一臺逆變器承擔一半的負載電流加環(huán)流量，另一臺逆變器承擔一半的負載電流減環(huán)流量。如果忽略逆變器和并聯(lián)交流母線之間的線路阻抗，可認為兩臺逆變器輸出電壓 uo1 和 uo2 相等。因為兩臺逆變器電路參數(shù)不可避免地存在誤差，因此環(huán)流必定存在。所以處于并聯(lián)工作時的電壓電流雙閉環(huán)控制逆變器單模塊系統(tǒng)電路模型如圖3- 2 所示。該模型考慮了環(huán)流因素，與單獨工作的逆變器相比，多了虛線框所示部分。uref 為基準正弦波，uvf 為反饋電壓，Kvf 為電壓反饋系數(shù)，KP、KI 為 PI 調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)，iref 為電流給定，iL

15、 為電感電流，K 為電流環(huán)放大倍數(shù)，Go 為輸出濾波電容 Cf 與負載并聯(lián)的傳遞函數(shù)， 為輸出角頻率。圖3- 1 兩臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng)等效輸出模型圖3- 2 并聯(lián)工作的雙閉環(huán)控制逆變器單模塊電路模型逆變器輸出電壓為 3-3要讓兩臺逆變器在參數(shù)不一致時輸出電壓相等，即 uo1=uo2，有 3-4轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)的工作過程.1 啟動過程雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程可分為以下 3 個階段。(1) 電流上升階段。開始啟動時, n=0, Ufn=0, Usi=Ug, 故 ST 的輸入值很高, 使 ST 的輸出 Us 迅速達到飽合限幅值- Usm, 在此后的啟動升速過程中, 只要 Usi

16、( 即 nn1)Ug/n, 則 ST 就將保持該飽和值而不能起調(diào)節(jié)作用。LT 的輸入偏差電壓 Uic=- Us+Uif, 由于此時- Us=- Usm, 而 Uif=Id, 故Uci=- Usm+Id0, LT 的積分作用將使 Uc 快速上升, 電流 Id 以最快速度上升, 電動機獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩, 加快了電動機的啟動。直到 Ufi=Id=Usm( 即 Uic=0) 時, Uc 不再增加, Ud 也不再增加, 電動機電流 Id 達到所允許的最大電流 Idm。(2) 電流保持恒值, 電動機恒加速階段。此階段從 Id 剛上升到 Idm 開始, 到 n 達到其期望值 n1 為止。在此階段中, 由于

17、 nn1 的轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。但在 nn1 后, 由于 UnfUg, 故 UsiIdm。此時, 由于轉(zhuǎn)速的迅速下降, 使 Usi0, 故 ST 迅速飽和, 而不再起轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用, ST 的輸出為飽和限幅值- Usm; 同時, 由于 IdIdm, 使Uci=- Usm+Id0, 故 LT 的輸出 Uc 迅速下降, Ud 和 Id 隨之迅速下降, 轉(zhuǎn)速急劇下降, 但 LT 的調(diào)節(jié)作用將使 Id 維持 Idm 不變, 直到堵轉(zhuǎn)為止。因此, 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的堵轉(zhuǎn)電流 ID 與轉(zhuǎn)折電流 IB 相差很小, 這樣便獲得了比較理想的“挖土機特性”。4.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點, 一是系統(tǒng)的調(diào)速

18、性能好; 二是能獲得較理想的“挖土機特性”; 三是有較好的動態(tài)特性, 過渡過程短, 啟動時間短,穩(wěn)定性好; 四是抗干擾能力強; 五是兩個調(diào)節(jié)器分別設(shè)計和整定, 調(diào)試方便。5 仿真研究基于以上分析,得雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示,其中包括了電流、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定濾波環(huán)節(jié)。仿真中采用三相橋式全控整流電路供電,Ts=000167s,基本仿真數(shù)據(jù)如下。直流電機:220V, 136A, 1480r/min,允許過載倍數(shù)=15;電機軸上總飛輪力矩: GD2=225Nm2;電樞回路總電阻: R=05;電樞回路總電感: L=15mH;濾波時間常數(shù): Toi=0005s, Ton=001s;晶閘管裝置放大系數(shù): Ks=40。由此可得:電流環(huán)小時間常數(shù)Ti=Ts+Toi=000667s;電磁時間常數(shù)T1=L/R=003s;電流反饋系數(shù)=U*im/Idm=00392V/A;轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=U*nmax/nmax= 000338Vmin/r; Ki= 0717;n=01167s; Kn=14302,仿真結(jié)果如圖5-25-8所示。圖5-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由仿真結(jié)果來看, ASR從起動到穩(wěn)速運行經(jīng)歷了兩個狀態(tài),如圖5-3所示,即飽和限幅輸出與線性調(diào) 圖5-2 電機轉(zhuǎn)速 圖5-3ASR的輸出特性 圖5-4ACR的輸出特性圖 圖5-5空載時電機電流特性 圖5-6=120