V-M双闭环直流调速系统建模与仿真

武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书1V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1.主电路选型和闭环系统1.1调速系统组成原理V-M双闭环直流调速系统，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足要求，但电流环只是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。在实际工作中，缩短起、制动的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动、制动的过程中，希望能够始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。，到达稳定转速后，最好让电流立即降下来，使电磁转矩马上与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动（制动）过程波形如图1-1所示，这时，起动电流成矩形，而转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能得到的最快的起动（制动）过程。图1-1调速系统时间最优理想过渡过程武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书2实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dmI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，采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用。为了达到以上目的系统采用转速、电流双闭环直流调速系统。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1-2所示。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,电流反馈控制直流调速系统。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。图1-2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图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---电流反馈电压本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用了闭环控制，武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书3使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。系统组成的原理框图如图1-3所示：图1-3双闭环直流调速系统原理框图1.2稳态结构图双闭环直流调速系统稳态结构如图1-4所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图2-1中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。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。此时，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调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱和和不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书4出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。图1-4双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数β——电流反馈系数1.3V-M系统分析图1-5晶闸管整流器-电动机调速系统原理图图1-5绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得了优越的性能武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书5oiSciTT1312.电流环设计2.1电流环的简化双闭环系统调节器的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，因此，转速的变化往往比电流变化慢的多。对于电流环来说，反电势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即△E≈0。这样，就可以暂时把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图2-1a所示。简化的近似条件是：如果把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*（s）/β，则电流环等效成单位负反馈系统（见图2-1b），从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。由于Ta和Toi一般都比Tl小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为：oiSiTTT，则电流环结构图最终简化成图2-1c，简化的近似条件是：，a）lmciTT13武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书6b）c）图2-1电流环的动态结构图及其化简a）忽略反电动势的动态影响b）等效为单位负反馈系统c）小惯性环节近似处理在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-1可以看出来，采用Ι型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用作用时有太大的超调，以保证电流动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ι型系统。2.2时间常数的计算（1）三相桥式电路的平均失控时间Ts按课本中表2-2给出，如下所示，可得Ts＝0.0017s武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书7表2-1晶闸管整流器的失控时间（2）电流滤波时间常数Toi任务书已给出：Toi＝0.002s（3）电流环小时间常数Tεi按小时间常数近似处理，取oisTTTi＋＝0.0017s+0.002s＝0.0037s（4）电磁时间常数Tl=电枢回路总电感/电枢回路总电阻(5)机电时间常数Tm（6）ACR超前时间常数ii＝Tl＝0.07s2.3选择电流调节器结构电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过容许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，因此还要提高其抗扰性能。s07.085.22.0lT1321.0150025.15.17220NaNNenRIUCsCCRGDTmem161.01321.0301321.037585.253.33752武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书8由于设计要求超调量δi≤5％并且保证系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续，有好的动态性能，我们采用典型I型来设计电流调节器。电流调节器选用PI型。令电流调节器的传递函数为ssKsWiiiACR1)(检查对电源电压的抗扰性能：1092.180037.007.0ilTT但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计。2.4计算调机器参数ACR超前时间常数ii＝Tl＝0.07s由于超调量δi≤5％，查表课本表3-1得iITK=0.5因此，电流环的开环增益为1.1350037.05.05.0iITK1s－电流反馈系数β，电流调节器限幅值为10V,则AVIU/286.05.17210dli于是ACR的比例系数为:36.240286.085.207.01.135siIiKRKK2.5近似条件验算电流环截止频率11.135sKici，武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书9(1)检验晶闸管装置传递函数近似条件：sciT31，1.1351.1960017.03131sTs满足近似条件；(2)检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：,13lmciTTcilm26.2807.0161.01313TT满足近似条件；(3)检验电流环小时间常数近似处理条件：oisciTT131，cioisTT1s8.180002.00017.0131131满足近似条件。由于iITK=0.5电流环可以达到的动态指标为：%5%3.4%，也满足设计要求。2.6计算电流调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如图2-2所示。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书10图2-2含给定滤波及反馈滤波的PI型电流调节器其中，UGi为电流调节器的给定电压，－βId为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压UK。按所用运算放大器取R0＝40KΩ，各电阻和电容值计算如下Ri＝KiR0＝2.36×40KΩ＝94.4KΩ(取100KΩ)uFFRCi7.0101010007.0＝63ii(取0.7μF)6oi3o440.002100.24010oiTCFFR＝(取0.2μF)2.7电流调节器的作用结合以上所述，电流调节器ACR的主要作用如下：(1)对电网电压波动起抗干扰作用；(2)启动时保证获得容许的最大电流Idm；(3)在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化；(4)当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书113.转速环设计3.1转速环的简化图3-1典型I型系统的电流环的动态结构图在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节器的一个环节，为此必须求出它的等效传递函数。图3-1给出了校正成典型I型系统的电流环的结构图，其闭环传递函数为:11)1(1)1()(2IIiiIiIcliKssKTsTsKsTsKsW若按IεiKT=0.5选择参数，则1211221)(22sTsTsTsWiiicli已知电流闭环传递函数为/)()()(sUsIsWGidcli因此电流环的等效环节应相应地改成121)()(sTsUsIiGid原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是Tl和εiT，闭环后，整个电流环等效近似为只有小时间常数εi2T的一阶惯性环节。这就表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书12用电流环的等效环节代替图2-1的电流闭环后整个转速调节系统的动态结构图就如图3-2所示。图3-2转速环的动态结构图与电流环相似，我们可以将转速环结构图化简为图3-3图3-3转速环的动态结构图的化简按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统选用设计PI调节器。其传递函数为:ssKsWnnnASR1)(3.2时间常数的计算武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书13（1）电流环等效时间常数IK1:已取iITK=0.5，则：（2）转速滤波时间常数根据所用测速发电机波纹情况，任务书给出:TON=0.01s（3）转速环小时间常数按小时间