双闭环直流调速系统的设计与matlab仿真Word下载.doc
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3.4.2转速调节器的设计 24
3.4.3转速环与电流环的关系 27
第四章Matlab仿真及结果分析 29
4.1工程设计举例 29
4.1.1电流环的设计 29
4.1.2转速环的设计 31
4.2在Simulink环境下的仿真及分析 32
4.2.1电流、转速双环 32
4.2.2起动过程分析 34
4.2.3电流环 36
4.2.4转速环 38
4.2.5开环调速系统及其存在的问题 40
4.2.6反馈闭环控制的优越性 40
4.2.7比例调节 42
4.2.8比例积分控制规律 43
4.3仿真结果分析总结 44
参考文献 46
致谢 47
第一章前言
转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好,应用最广的直流调速系统,采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的,它可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是,如果对系统的动态性能要求较高,例如:
要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足需要。
原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程,采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。
怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈,又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢?
转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。
转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
本设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计,要求绘制该调速系统的原理图,对调节器进行工程设计,选择调节器的参数。
要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理进行分析,弄清楚调速系统每个组成部分的作用,弄清楚转速环和电流环的工作原理,合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。
1.1直流拖动控制系统
直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内实现平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为
式中——转速(r/min);
——电枢电压();
——电枢电流();
——电枢回路总电阻();
——励磁磁通();
——由电机结构决定的电动势常数。
在上式中,是常数,电流是由负载决定的,因此调节电动机的转速可以有三种方法:
1)调节电枢供电电压。
2)减弱励磁磁通。
3)改变电枢回路电阻。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能实现有级调速;
减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在额定转速以上作小范围的弱磁升速。
因此,自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
第二章直流调速系统的闭环控制
2.1直流调速系统用的可控直流电源
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法,调节电枢供电电压或者改变励磁磁通,都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种:
1)旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。
2)静止可控整流器。
用静止的可控整流器,如汞弧整流器和晶闸管整流装置,产生可调的直流电压。
3)直流斩波器或脉宽调制变换器。
用恒定直流电源或不控整流电源供电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
本设计选用第二种静止可控整流器。
2.1.1静止式可控整流器
图2-1所示是晶闸管-电动机调速系统(简称-系统,又称静止的Ward-Leonard系统)原理图。
图中VT是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压,从而实现平滑调速。
图2-1晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(-系统)
-系统的问题:
1)由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。
2)晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感,若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。
3)由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变,殃及附近的用电设备,造成“电力公害”。
2.1.2晶闸管-电动机系统的机械特性
当电流连续时,-系统的机械特性方程式为
(2-1)
式中,——电机在额定磁通下的电动势系数,
△n=IdR/Ce
n
a
Id
IL
O
a
图2-2电流连续时V-M系统的机械特性,改变控制角,得一族平行直线,图中电流较小的部分画成虚线,表明这时电流波形可能断续,公式(2-1)已经不适用了。
只要电流连续,晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。
图2-2电流连续时-系统的机械特性
当电流断续时,机械特性方程要复杂得多。
以三相半波整流电路构成的-系统为例,电流断续时机械特性须用下列方程组表示
(2-2)
(2-3)
式中,——阻抗角,;
——电流脉波的导通角。
当阻抗角值已知时,对于不同的控制角,可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。
对于每一条特性,求解过程都计算到=2/3为止,因为角再大时,电流便连续了。
对应于=2/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。
图2-3完整的-系统机械特性
图2-3绘出了完整的-系统机械特性,其中包含了整流状态()和逆变状态(),电流连续区和电流断续区。
当电流连续时,特性比较硬;
断续段特性则很软,而且呈显著的非线性,理想空载转速翘得很高。
2.1.3晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数
在进行调速系统的分析和设计时,可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。
图2-4晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定
实际的触发电路和整流电路都是非线性的,只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。
用实验方法测出该环节的输入-输出特性,即曲线,图2-4是采用锯齿波触发器移相时的特性。
设计时,希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中,并有一定的调节余量。
这时,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定,计算方法是
(2-4)
如果不可能实测特性,只好根据装置的参数估算。
u
2
d
Uc
t
a1
Uc1
Uc2
a2
Ud01
Ud02
Ts
图2-5晶闸管触发与整流装置的失控时间
在动态过程中,可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节,其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。
图2-5晶闸管触发与整流装置的失控时间,失控时间是随机的,最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间,与交流电源频率和整流电路形式有关,
由下式确定:
(2-5)
式中,——交流电源频率;
——一周内整流电压的脉波数。
表2-1各种整流电路的失控时间(f=50Hz)
整流电路形式
最大失控时间(ms)
平均失控时间(ms)
单相半波
单相桥式(全波)
三相半波
三相桥式、六相半波
20
10
6.67
3.33
5
1.67
在一般情况下,可取其统计平均值,并认为是常数。
或者按最严重的情况考虑,取。
用单位阶跃函数表示滞后,则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为
(2-6)
按拉氏变换的位移定理,晶闸管装置的传递函数为
(2-7)
将该指数函数按台劳级数展开,则式(2-8)变成
(2-8)
考虑到Ts很小,可忽略高次项,则传递函数便近似成一阶惯性环节。
(2-9)
其动态结构图如图2-6
图2-6晶闸管触发与整流装置动态结构图
(a)准确的(b)近似的
2.2反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析
2.2.1转速控制的要求和调速指标
对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面:
1)调速—在一定的最高转速和最低转速范围内,分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速;
2)稳速—以一定的精度在所需转速上稳定运行,在各种干扰下不允许有过大的转速波动;
3)加、减速—频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起,制动尽量平稳。
为了进行定量的分析,可以针对前两项要求定义两个调速指标,叫做“调速范围”和“静差率”。
这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
1.调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围,用字母D表示,即(2-10)
其中,和一般都指电机额定负载时的最高和最低转速,对于少数负载很轻的机械,也可用实际负载时的最高和最低转速。
2.静差率
当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落,与理想空载转速之比,称作静差率s,即
(2-11)
或用百分数表示
(2-12)
TeN
Te
n0a
n0b
b
∆nNa
∆nNb
图2-7不同转速下的静差率
静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。
它和机械特性的硬度有关,特性越硬,静差率越小,转速的稳定度就越高。
然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。
对于同样硬度的特性,理想空载转速越低时,静差率越大,转速的相对稳定度也就越差。
3.调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系
调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义,调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。
静差率应该是最低速时的静差率,即
(2-13)
最低转速为
(2-14)
而调速范围为
(2-15)
将上面的式代入,得
(2-16)
调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系,一个调速系统的调速范围,是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
2.2.2限流保护——电流截止负反馈
1.问题的提出
直流电动机起动时,会产生很大的冲击电流,堵转时,电流将远远超过允许值。
解决办法:
引入电流截止负反馈。
Ud
VD
Ucom
-
+
M
Rs
Ui
接放大器
VST
Ubr
2.电流截止负反馈环节
b)利用稳压管产生比较电压
A)利用独立直流电源作比较电压
图2-8电流截止负反馈环节
如图2-8所示,为临界的截止电流,当电流大于时,将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于时,将电流反馈切断。
3.带电流截止负反馈闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性
IdRs-Ucom
图2-9带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图
系统稳态结构图2-9,当时,电流负反馈被截止,静特性只有转速负反馈调速系统的静特性,即
(2-17)
后,引入了电流负反馈,静特性变成
(2-18)
D
对应式(2-17)和式(2-18)静特性示于图2-10,电流负反馈被截止的CA段,它就是闭环调速系统本身的静特性,显然是比较硬的。
电流负反馈起作用后,相当于图中的AB段。
AB段特性和CA段相比有两个特点:
图2-10带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性
1)电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻,因而稳态速降极大,特性急剧下垂。
2)比较电压与给定电压
的作用一致,好象把理想空载转速提高到D点。
这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性,
令n=0,得(2-19)
一般,因此(2-20)
应小于电机允许的最大电流,一般为(1.5~2)。
从调速系统的稳态性能上看,希望稳态运行范围足够大,截止电流应大于电机的额定电流,一般取(1.1~1.2)。
2.3反馈控制闭环直流调速系统的动态分析
引入了转速负反馈,且放大系数足够大时,就可以满足系统的稳态性能要求。
然而放大系数太大又可能引起闭环系统不稳定,这时应再增加动态校正措施,才能保证系统的正常工作,此外,还须满足系统的各项动态指标的要求。
2.3.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型
建立系统动态数学模型的基本步骤如下:
1)根据系统中各环节的物理规律,列出描述该环节动态过程的微分方程;
2)求出各环节的传递函数;
3)组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。
图2-11他励直流电动机等效电路
构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。
不同电力电子变换器的传递函数,它们的表达式是相同的,都是
(2-21)
他励直流电动机在额定励磁下的等效电路绘于图2-11,动态电压方程为
(2-22)
忽略粘性磨擦及弹性转矩,电机轴上的动力学方程为
(2-23)
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为
(2-24)
和(2-25)
整理后得(2-26)
(2-27)
式中——负载电流,。
在零初始条件下,取等式两侧的拉氏变换,得电压与电流间的传递函数
(2-28)
电流与电动势间的传递函数
(2-29)
c)直流电动机的动态结构图
图2-12额定励磁下直流电动机的动态结构图
a)电压电流间结构框图b)电流电动势间结构框图
a)b)=0
直流电动机有两个输入量,一个是施加在电枢上的理想空载电压,另一个是负载电流。
前者是控制输入量,后者是扰动输入量。
如果不需要在结构图中显现出电流,可将扰动量的综合点移前,再进行等效变换,得下图2-13a。
如果是理想空载,则=0,结构图即简化成下图2-13b。
图2-13直流电动机的动态结构图的变换和简化
直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节,它们的响应都可以认为是瞬时的,因此它们的传递函数就是它们的放大系数,即
比例放大器(2-30)
测速反馈环节(2-31)
闭环直流调速系统的动态结构图,如图2-14所示。
带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作是一个三阶线性系统。
图2-14反馈控制闭环调速系统的动态结构图
反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是
(2-32)
式中。
设=0,从给定输入作用上看,闭环直流调速系统的闭环传递函数是
(2-33)
2.3.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件
反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为
(2-34)
一般表达式为
系统稳定的充分必要条件是
各项系数显然都是大于零的,因此稳定条件就只有
或
整理后得(2-35)
临界放大系数,时,系统将不稳定。
第三章转速、电流双闭环直流调速系统
和调节器的工程设计方法
3.1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
第2章中表明,采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
1.主要原因:
是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,但它只能在超过临界电流值以后,靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想地控制电流的动态波形。
b)
a)
图3-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形
a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统b)理想的快速起动过程
2.性能比较:
1)带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图3-1a所示,起动电流达到最大值后,受电流负反馈的作用降低下来,电机的电磁转矩也随之减小,加速过程延长。
2)理想起动过程波形如图,这时,起动电流呈方形波,转速按线性增长。
这是在最大电流(转矩)受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。
3.解决思路:
为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。
按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
4.希望结果:
1)起动过程,只有电流负反馈,没有转速负反馈;
2)稳态时,只有转速负反馈,没有电流负反馈。
3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成
1.系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套(或称串级)联接如下图3-2所示。
图3-2转速、电流双闭环直流调速系统结构
ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机
TA—电流互感器UPE—电力电子变换器
图中,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;
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