电流转速双闭环直流调速系统的工作原理

电流转速双闭环直流调速系统的工作原理论文姓名：范洪峰班级：电气111学号：110551032014年9月18日电流转速双闭环直流调速系统的工作原理范洪峰（山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台，264005）摘要：转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速的无静差，但是对动态性能要求较高的系统，转速闭环系统很难对电流（转矩）进行控制。电机经常工作在启动、制动、反转等过渡过程中，启动和制动过程的时间在很大程度上决定了电机的效率。如何缩短这一部分时间，以充分发挥电机的效率，是转速控制系统首先要解决的问题。直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。控制系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接。关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器CurrentSpeedWorkingPrincipleofDoubleclosed-loopdcspeedRegulatingSystemFanHongfeng(Shandongprovinceindustrialandcommercialcollegeofinformationandelectronicengineeringinstitute,Yantai,Shandongprovince,264005)Abstract:thespeedclosed-loopspeedcontrolsystemcanguaranteethestabilityofthesystemunderthepremiseofimplementationspeedastatic,butsystemofhighdynamicperformancerequirements,itisdifficulttothecurrent(torque)oftheclosed-loopcontrol.Motoroftenworkintheprocessofstarting,brakingandreversetransition,intheprocessofstartingandbrakingtimetoagreatextent,determinestheefficiencyofthemotor.Howtoshortenthisparttime,inordertogivefullplaytotheefficiencyofthemotor,speedcontrolsystemistheproblemtobesolvedinthefirstplace.Dcmotorspeedcontrollertochoosethespeedandcurrentdoubleclosedloopspeedcontrolcircuit.Speedcontrolsysteminthedesignofmaincircuitadoptsthree-phasefully-controlledbridgerectifiercircuitforpowersupply.Tworegulatorsetinthecontrolsystem,adjustingtherotationalspeedandcurrentrespectively,anestedconnectionbetweenthem.Keywords:doubleclosedloop;Speedgovernor;Currentregulator1直流调速系统1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2研究的目的和意义在单闭环调速系统中，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。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得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。2双闭环调速系统的工作原理2.1转速控制的要求和调速指标（1）调速范围D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，即minmaxnnD(1)（2）静差率s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所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即%1000nnsnom(2)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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-2所示。图2-1调速系统启动过程的电流和转速波形a)单闭环调速系统的启动过程b)理想快速启动过程2.2调速系统的双闭环调节原理见图2-2，图2-3：图2-2双闭环调速系统的电路图Un*Un-WASR(s)WACR(s)Ui*Ui-UctUd01/1sTRl1STKssId-IdlsTRmnCe1图2-3双闭环调速系统的原理框图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nIdnIdlt0Idlnt级连接.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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。2.3双闭环调速系统的起动过程分析双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。从起动时间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。其起动过程波形如图2-4所示。图2-4双闭环调速系统起动时的转速和电流波形从图2-4知,整个起动过程分为三个阶段：第I阶段是电流上升阶段。突加给定电压Un*后,通过两个调节器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，当Id≥IdL后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压△Un=Un*-Un数值较大，其输出很快达到限幅值Uim*，强迫电流Id迅速上升。当Id≈Idm时，Ui≈Uim*，电流调节器的作用使I不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第II阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。第III阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ACR的给定电压Ui*立即从限幅值下来，主电流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到Id=IdL时，转距Te=TL，则dn/dt=0，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一小段小与IdL的过程，直到稳定。综上所述，双闭环调速系统有如下三个特点：1）饱和非线性控制：随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当ASR饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统，当ASR不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为不同结构的现行系统，这就是饱和非线性控制的特征。2）准时间控制：启动过程中主要阶段实第II阶段，即恒流升速阶段。它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能更快。这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。3）转速超调：由于采用了饱和非线性控制,启动过程结束进入第III阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压△Un为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调[6]。2.4转速和电流两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为（1）、转速调节器的作用：1）使转速n跟随给定电压Um*变化，稳态无静差；2）对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。（2）、电流调节器的作用：1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压Um*变化；4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。3双闭环调速系统主电路数学模型3.1额定励磁下的直流电动机的数学描述EdtdLRIIUddd0(3)(主电路,假定电流连续)nECe(4)(额定励磁下的感应电动势)ICTdme(5)(额定励磁下的电磁转矩)式中：TL—包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm；GD2—电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2；Cm=30Ce/Л—电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A；定义下列时间常数：TL=L/R—电枢回路电磁时间常数，单位为s；Tm=(GD2R)/(375CeCm)—电力拖动系统机电时间常数，单位为s。整理后得)(0dtIdTIUdlREdd(6)dtdERTIImdld(7)式中IdL=TL/Cm—负载额定电流.在零初始条件下，取等式两侧的拉式变换，得电压与电流间的传递函数11)()()(0