转速电流双闭环直流调速系统Word文件下载.doc
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由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。
因此,为了保持由浅入深的教学顺序,应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。
从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动自动控制系统有调速系统﹑位置系统等多种类型,各种系统往往都是通过控制转速来实现的,因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为
(1-1)
式中——转速(r/min)。
——电枢电压(V)。
——电枢电流(A)。
R——电枢回路总电阻(W)。
——励磁磁通()。
——由电机结构决定的电动势常数。
由式(1-1)可以看出,调节电动机的转速有三种方法:
1)调节电枢供电电压U。
2)减弱励磁磁通F。
3)改变电枢回路电阻R。
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,在基速(即电机额定转速)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。
变压调速是直流调速系统的主要方法,调节电枢供电电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。
接下来介绍几种主要的可控直流电源:
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)静止式可控整流器——用静止式的可控整流器,以获得可调的直流电压。
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,利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制,以产生可变的平均电压。
1.1.1转速控制的要求和调速指标
任何一台需要控制转速的设备,其生产工艺对调速性能都有一定的要求。
归纳起来,对于调速系统的转速控制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,以确保产品质量;
3)加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,以提高生产率;
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“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,用字母表示,即
(1-2)
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,例如精密磨床,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,即
(1-3)
或用百分数表示
(1-4)
显然,静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的,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。
在了解了这些后,再来介绍一下转速负反馈闭环直流调速系统。
1.2闭环调速系统的组成
根据自动控制原理,反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏差,它就会自动产生纠正偏差的作用。
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差,显然,引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。
图1-1带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。
在反馈控制的闭环直流调速系统中,与电动机同轴安装一台测速发电机TG,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压,与给定电压相比较后,得到转速偏差电压,经过放大器A,产生电力电子变换器UPE所需的控制电压,用以控制电动机转速。
图中,UPE是由电力电子器件组成的变换器,其输入接三相(或单相)交流电源,输出为可控的直流电压。
对于中、小容量系统,多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器;
对于较大容量的系统,可采用其他电力电子开关器件,如GTO、IGCT等;
对于特大容量的系统,则常用晶闸管触发与整流装置。
1.2.1反馈控制规律
介绍了以上这些之后,再来看下他的反馈控制规律:
转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统,它具有以下三个基本特征,也就是反馈控制的基本规律,各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。
1.被调量有静差
从原理图1-1中分析可以看出,由于采用了比例放大器,闭环系统的开环放大系数K值越大,系统的稳态性能越好。
然而,只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器,即=常数,稳态速差就只能减小,却不可能消除。
因为闭环系统的稳态速降为
(1-5)
只有,才能使,而这是不可能的。
因此,这样的调速系统叫做有静差调速系统。
实际上,这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。
2.抵抗扰动,服从给定
反馈控制系统具有良好的抗扰性能,它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用,但对给定作用的变化则唯命是从。
扰动——除给定信号外,作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。
调速系统的扰动源有:
1)负载变化的扰动(使变化)。
2)交流电源电压波动的扰动(使Ks变化)。
3)电动机励磁的变化的扰动(造成Ce变化)。
4)放大器输出电压漂移的扰动(使Kp变化)。
5)温升引起主电路电阻增大的扰动(使R变化)。
6)检测误差的扰动(使a变化)。
3.系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度
给定精度——由于给定决定系统输出,输出精度自然取决于给定精度。
如果产生给定电压的电源发生波动,反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。
因此,高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。
检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的,因此检测精度决定了系统输出精度。
1.2.2限流保护——电流截止负反馈
起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时,如果没有限流措施,会产生很大的冲击电流,这不仅对电机换向不利,对过载能力低的电力电子器件来说,更是不能允许的。
采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时,由于惯性,转速不可能立即建立起来,反馈电压仍为零,相当于偏差电压,差不多是其稳态工作值的(1+K)倍。
这时,由于放大器和变换器的惯性都很小,电枢电压一下子就达到它的最高值,对电动机来说,相当于全压起动,当然是不允许的。
堵转电流——有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。
例如,由于故障使机械轴被卡住,或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。
由于闭环系统的静特性很硬,若无限流环节,硬干下去,电流将远远超过允许值。
如果只依靠过流继电器或熔断器保护,一过载就跳闸,也会给正常工作带来不便。
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题,系统中必须有自动限制电枢电流的环节。
根据反馈控制原理,要维持哪一个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。
那么,引入电流负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。
以上就是关于转速负反馈闭环直流调速系统的一些内容,为了实现更好的控制效果,我们需要让电流负反馈和转速负反馈分别起作用,这就是我要设计的转速﹑电流双闭环直流调速系统。
下面一章就是关于此系统的介绍。
第二章转速﹑电流双闭环直流调速系统介绍
2.1转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性
对于一个完整的系统而言,系统所要达到的性能指标、整个系统的综合性价比以及系统的运行稳定性、工作的可靠性等都是相当重要的,这就要求我们考虑问题要非常周全,能够考虑到各方面因素对整个系统运行所产生的影响。
直流调速系统,传统上采用速度和电流的双闭环调速。
这是从单闭环自动调速系统发展起来的。
采用PI控制器的单闭环系统,虽然实现了转速的无静差调速,但因其结构中含有电流截止负反馈环节,限制了起制动的最大电流。
加上电机反电势随着转速的上升而增加,使电流达到最大值之后迅速降下来。
这样,电动机的转速也减小下来,使起动过程变慢,起动时间增长。
为了提高生产率和加工质量,要求尽量缩短过渡过程时间。
我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上,电动机输出最大转矩,从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。
另一方面,在一个调节器的情况下,输入端综合几个信号,各参数互相影响,调整也比较困难。
为获得近似理想的起动过程,并克服几个信号在一处的综合的缺点,经研究与实践,出现了转速、电流双闭环调速系统。
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,并不能很理想的控制电流的动态波形。
带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图2-1a)所示,起动电流突破以后,受电流负反馈的作用,电流只能再升高一点,经过某一最大值后,就降低下来,电机的电磁转矩也随之减小,因而加速过程必然拖长。
对于经常正﹑反转运行的调速系统,尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
为此,在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下,应该充分利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值,使电力拖动系统以最大的加速度起动,到达稳态转速时,立即让电流降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形示于图2-1b)。
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。
实际上,由于主电路电感的作用,电流不可能突跳,图2-1b)所示的理想波形只能得到近似的逼近,不可能准确实现。
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。
这就要求系统在起动过程中只有电流负反馈,没有转速负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速负反馈,不再让电流负反馈发挥作用,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?
只用一个调节器显然是不可能的,可以考虑采用转速和电流两个调节器,问题是在系统中应该如何联接。
a)带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程
b)理想的快速起动过程
图2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形
2.1.1转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成
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,如图2-2所示。
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;
转速环在外边,称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
图2-2转速﹑电流双闭环直流调速系统
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
—转速给定电压—转速反馈电压
—电流给定电压—电流反馈电压
为了获得良好的静﹑动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图2-3所示。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性,它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。
图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。
图2-3双闭环直流调速系统电路原理图
2.1.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性
Ks
a
1/Ce
U*n
Uc
Id
E
n
Ud0
Un
+
-
ASR
U*i
R
b
ACR
Ui
UPE
为了分析双闭环调速系统的静特性,必须先绘出它的稳态结构框图,如图2-4所示。
它可以很方便地根据原理图(见图2-3)画出来,只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。
分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征,一般存在两种状况:
饱和—输出达到限幅值,不饱和—输出未达到限幅值。
当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和;
换句话说,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,相当于使该调节环开环。
当调节器不饱和时,PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。
图2-4双闭环直流调速系统的稳态结构框图
a—转速反馈系数;
b—电流反馈系数
实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
1.转速调节器不饱和
这时,两个调节器都不饱和,稳态时,它们的输入偏差电压都是零,因此
由第一个关系式可得
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA段。
与此同时,由于ASR不饱和,,从上述第二个关系式可知。
这就是说,CA段特性从理想空载状态的一直延续到,而一般都是大于额定电流的。
这就是静特性的运行段,它是一条水平的特性。
2.转速调节器饱和
这时,ASR输出达到限幅值,转速外环呈开环状态,转速的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
稳态时
(2-2)
其中,最大电流是由设计者选定的,取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。
式(2-2)所描述的静特性对应于图2-5中的AB段,它是一条垂直的特性。
这样的下垂特性只适合于的情况,因为如果,则,ASR将退出饱和状态。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到时,对应于转速调节器的饱和输出,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。
这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。
然而,实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。
静特性的两段实际上都略有很小的静差,见图2-5中的虚线。
总之,双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统,在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统,发挥了转速和电流两个调节器的作用,获得了良好的静、动态品质。
图2-5双闭环直流调速系统的静特性
第三章双闭环直流调速系统的基本原理
3.1双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
3.1.1双闭环直流调速系统的动态数学模型
由双闭环控制的结构(见图2-4),即可绘制出双闭环直流调速系统的动态结构框图,如图3-1所示。
图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈,在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。
图3-1双闭环直流调速系统的动态结构框图
3.1.2双闭环调速系统的起动过程分析
我们知道设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于图2-1b)所示的理想起动过程,因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时,有必要首先探讨它的起动过程。
双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时,转速和电流的动态过程如图3-2所示。
由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况,整个动态过程就分成图中标明的I、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。
第I阶段是电流上升的阶段(0~)
突加给定电压后,经过两个调节器的跟随作用,﹑﹑都跟着上升,当时,电机还不能转动。
当后,电机开始起动,由于机电惯性作用,转速不会很快增长,因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大,其输出电压保持限幅值,强迫电枢电流迅速上升。
直到,,,电流调节器很快就压制了的增长,标志着这一阶段的结束。
在这一阶段中,ASR很快进入并保持饱和状态,而ACR一般不饱和。
第Ⅱ阶段是恒流升速阶段(~)
在这个阶段中,ASR始终是饱和的,转速环相当于开环,系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统,基本上保持电流恒定,因而系统的加速度恒定,转速呈线性增长。
与此同时,电动机的反电动势E也按线性增长见图3-2,对电流调节系统来说,E是一个线性渐增的扰动量,为了克服这个扰动,和也必须基本上按线性增长,才能保持恒定。
当ACR采用PI调节器时,要使其输出量按线性增长,其输入偏差电压必须维持一定的恒值,也就是说,应略低于。
恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。
为了保证电流环的主要调节作用,在起动过程中ACR是不应饱和的,电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地,这些都是设计时必须注意的。
第Ⅲ阶段是转速调节阶段(以后)
当转速上升到给定值时,转速调节器ASR的输入偏差减少到零,但其输出却由于积分作用还维持在限幅值,所以电动机仍在加速,使转速超调。
转速超调后,ASR输入偏差电压变负,使它开始退出饱和状态,和很快下降。
但是,只要仍大于负载电流,转速就继续上升。
直到时,转矩,则dn/dt=0,转速n才到达峰值(t=时)。
此后,电动机开始在负载的阻力下减速,与此相应,在时间内,,直到稳定。
如果调节器参数整定得不够好,也会有一段振荡过程。
在最后的转速调节阶段内,ASR和ACR都不饱和,ASR起主导的转速调节作用,而ACR则力图使尽快地跟随其给定值,或者说,电流内环是一个电流随动子系统。
图3-2双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
3.1.3双闭环直流调速系统起动过程的特点
由上一节所述,我们得到起动过程的特点有以下三点:
1)饱和非线性控制。
随着ASR的饱和与不饱和,整个系统处于完全不同的两种状态,在不同情况下表现为不同结构的线性系统,只能采用分段线性化的方法来分析,不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程,也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。
2)转速超调。
当转速调节器ASR采用PI调节器时,转速必然有超调。
转速略有超调一般是允许的,对于完全不允许超调的情况,应采用其他控制方法来抑制超调。
3)准时间最优控制。
在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统,在电动机允许过载能力限制下的恒流起动,就是时间最优控制。
但由于在起动过程I、Ⅲ两个阶段中电流不能突变,实际起动过程与理想起动过程相比还有一些差距,不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分,无伤大局,可称作“准时间最优控制”。
采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略,在各种多环控制系统中普遍也得到应用。
最后,应该指出,对于不可逆的电力电子变换器,双闭环控制只能保证良好的起动性能,却不能产生回馈制动,在制动时,当电流下降到零以后,只好自由停车。
必须加快制动时,只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。
必须回馈制动时,可采用可逆的电力电子变换器。
3.1.4动态抗扰性能分析
1.抗负载扰动
一般来说,双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。
对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能。
主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
图3-3直流调速系统的动态抗负载扰动作用
由动态结构图中可以看出,负载扰动作用在电流环之后,因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。
在设计ASR时,应要求有较好的抗扰性能指标。
2.抗电网电压扰动
由图3-4a)和3-4b)对比分析可知
1)单闭环调速系统中,电网电压扰动的作用点离被调量较远,调节作用受到多个环节的延滞,因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。
a)单闭环系统
b)双闭环系统
图3-4直流调速系统的动态抗扰作用
2)双闭环系统中,由于增设了电流内环,电压波动可以通过电流反馈
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