直流V-M双闭环不可逆调速系统设计

武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书1直流V-M双闭环不可逆调速系统设计1整体设计直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图1.1设计的总框架。图1.1双闭环直流调速系统设计总框架本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械性方程式:0(/)/2danUCeRRTCeCT（1-1）注解：dU整流电压,0R为整流装置内阻，由此可知，改变dU，可改变转速n。2主电路结构设计1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图2.2晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节阀装置GT的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路图2.1V—M系统原理图武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书2三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6个触发脉冲相位依次相差60°。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按A相，晶闸管与按B相，晶闸管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。如图2.3所示。由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角α增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角θ减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。图2.2主电路原理图武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书33双闭环不可逆调速系统设计3.1双闭环调速系统电路原理图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，Un*—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui*—电流给定电压，Ui—电流反馈电压3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及静特性为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以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，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（串联）联接。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图3.1双闭环调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMTGVRP1UnU*iLMMUPPPE武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书4UPE。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3.2转速、电流双闭环直流调速系统结构框图转速、电流双闭环直流调速系统结构框图分析：1、转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，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，2、当调节器饱和时，输出达到限幅值，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；3、当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。4、对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态。图3-3双闭环直流调速系统的稳态结构图武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书5两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零（3-1）（3-2）（3-3)(3-4)ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。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(3-5)3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2.8所示。图中)(sWASR和)(sWACR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dI显露出来，如图2.8所示。图3-4双闭环直流调速系统的动态结构图diinnIUUnnUU*0*0*nUnndmdIIdmimdIUI*武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书6转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析1、对调速系统而言，被控制的对象是转速。2、跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。3、能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。3.4起动过程分析图3-5双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书74双闭环系统调节器的动态设计4.1电流调节器的设计4.1.1时间常数的确定表1各种整流电路的失控时间（f=50Hz）系统电磁时间常数1T：电磁时间常数1T=0.03s整流装置滞后时间常数sT：三相桥式电路的平均失控时间为sT=0.0017s。电流滤波时间oiT=0.002s，电流环小时间常数之和iT：按小时间常数近似处理，电流环小时间常数之和iT：按小时间常数近似处理，取isoiTTT=0.0037s(4-1)4.1.2电流调节器结构的选择根据设计要求5%i，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为1iiACRiKsWSs，iK—电流调节器的比例系数，i—电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：liTT=0.03/0.0037=8.11，对照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。电流调节器结构图如图4-1：整流电路形式最大失控时间Tsmax/ms平均失控时间Ts/ms单相半波2010单相桥式105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书8图4-1电流调节器结构图4.1.3电流调节器的参数计算电流调节器超前时间常数τi=1T=0.03s(4-2)电流开环增益：要求5%i时，按表5应取IiKT=0.5，(4-3)因此IK=0.5/iT=0.5/0.0037=1135.1s(4-4)取sK=75，而电流反馈系数β=12V/1.5NI=12/（1.5×780）=0.01V/A，(4-5)于是ACR的比例系数为54.001.0751.003.01.135siiKRKKI(4-6)表2典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比ξ1.00.80.7070.60.5超调量δ0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr∞6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp∞8.3T6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度γ76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率ωc0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T4.1.4近似条件校验电流环截止频率：1ciIK135.1s。(4-7)晶闸管整流装置传递函数的近似条件:1sci1/3T1/30.0017196.1s（）（）＞，满足近似条件。(4-8)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件:1-1-lm76.5903.0084.01313SSTTciW，满足近似条件。(4-9)武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书9电流环小时间常数近似处理条件:1-1-ois30.387002.003.01313SSTTci＞，满足近似条件。(4-10)4.1.5电流调节器的实现按所用运算放大器取0R=40KΩ，各电阻和电容值为Ri=KiR0=0.54×40=21.6kΩ，取22kΩ；(4-11)Ci=τi/Ri=0.03/（22×103）≈1.36×10-6F=1.36μF，取1.4μF；(4-12)Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10-6μF，取0.2μF。(4-13)按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%＜5%(4-14)（见表5），满足设计要求。4.2转速调节器的设计4.2.1时间常数的确定电流环等效时间常数1/KI：已取IiKT=0.5，(4-15)则1/KI=2T∑i=2×0.0037=0.0074s。(4-16)转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.02s。转速环小时间常数T∑n：按小时间近似处理,T∑n=1/KI+Ton=0.0074+0.02=0.0274s(4-17)4.2.2转速调节器结构的选择按照设计要求，选用典型Ⅱ型系统的PI调节器，其传递函数为1nnASRnKsWSs(4-18)转速调节器结构图如图4-2：图4-2转速调节器结构图武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书104.2.3转速调节器的参数计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为τn=hT∑n=5×0.0274=0.137s，(4-19)可求得转速环开环增益22222284.1590274.052621ssThhKnN，(4-20)因为Ce=1.92V•min/r，α=12V/nN=12/375=0.032V•r/min，于是(4-21)可得ASR的比例系数：110274.01.0032.052084.092.10