（电力电子与电力传动专业论文）升船机主拖动系统性能研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sai m p o r t a n tt r a n s i tc o n s t r u c t i o n ，s h i pe l e v a t o rw i l lb eu s e di nm o r ea n dm o r e h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g w i t hi t s p a r t i c u l a r m e r i ta n dd i s t i n c t n e s s e c o n o m y b e n e f i t a l m o s t e v e r y v e r t i c a l s h i p e l e v a t o ri nt h ew o r l du s e dt h em u l t i d r i v e r s y s t e mw i t hc o m m o ns h a f t g e n e r a l l yt h e r ea r ef o u rm o t o r s i nt h r e eg o r g es h i p e l e v a t o rt h e r ea r ee i g h tm o t o r sf o rd r i v ea tf i r s td e s i g n s i n c et h ep e c u l i a r l yo ft h ed r i v e s y s t e m ，t h e r ea r eh u g es i z e a n dm u c hd i s t u r bi n m e c h a n i s ms y s t e m s ot h ec o n s t r u c ta n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l s y s t e m h a v eg r e a ti n f l u e n c et ot h ec a p a b i l i t ya n d d e p e n d a b i l i t yo f t h es y s t e m t h e r ea r ea s t u d yo fs y s t e mc o n s t r u c ta n d c o n t r o lp a r a m e t e rc a l c u l a t eo f g e h e y a n f i r s ts t e ps h i pe l e v a t o r c r e a tt h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h ed r i v es y s t e m ，s i m u l a tt h e d y n a m i cc a p a b i l i t yi ns o m e k i n dd i s t u r bc o n d i t i o n t h em a i np u r p o s eo ft h i s a r t i c l ei se r e a tas i m u l a t i o nm o d l eo ft h e s y s t e m s e a r c h i n gae f f e c t i v ew a y o f s y s t e ma n a l y e s m a k eag o o db e g i n n i n gf o rs i t et e s t a n d s y s t e ma n a l y e s i nt h ef u r t u r e k e yw o r d s ：s h i pe l e v a t o r ，m u l t i d r i v es y s t e mw i t hc o m m o ns h a f t ，s i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献掴对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其能个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果蠢本人承攫。 作者( 签字) ： 囊l 丝墨 爨 期：l 驴钙年是7 蜀 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 人类为了防洪、发电、灌溉以及航运的需要，在一些通航河流上修建了 许多水利水电工程。同时为了改善和解决航运问题，需要建设一些专门的通 航建筑物，如船闸、升船机等。随着水利水电和航运事业的发展，国内外建 设的通航建筑物形式越来越多，规模也在不断增大，高水头的水电站逐渐增 多，特别是在现阶段西部大开发的建设中，水电工程更是建设的重点。三峡 工程的建设以及规划中的三峡上游四座大型水电站更是使得水电建设引人注 目。这同时给通航建筑物的建设提出了许多新的课题，许多国家在这些方面 取得了一些重要的成果。 升船机是通航建筑物的一种主要形式，其基本原理是利用机械传动将船 只提升过坝“。 1 2 国内外发展概况 升船机最原始的形式为干拖船舶的斜面滑道，在公元前6 0 0 多年就出现 了。随着科技的发展，升船机的建造越来越多，规模不断扩大。型式主要有 垂直升船机和斜面升船机两种，此外还有水坡式升船机已经在进行研究和建 造1 。 影响通航建筑物型式的主要因素有：水头、船只吨位和尺寸、年运输量 以及当地的自然条件等，往往需要经过多方案的技术经济比较确定。 人们通常根据水头的大小来划分通航建筑物的选择范围。 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 1 届国际航运会议认为，水头l o m 以下为低水头建筑物；水头4 0 m 以上为高水头建筑物，水头l o 4 0 m 为中水头建筑物。船闸适用于l o m 以下 的低水头通航建筑物，升船机则适用于4 0 m 以上的高水头通航建筑物，对于 中水头的通航建筑物，可以根据技术经济条件在二者中选择。德国汉诺威大 学帕斯登教授认为：“在考虑通航建筑物时，从提升高度2 5 m 开始，可以考虑 选用升船机代替船闸；而当提升高度大于3 5 m 时，升船机具有明显的优势。” 通航建筑的型式选择，除与以上因素有关外，还与各国的工业发展水平 和各国的具体条件有关。在美国，不论水头高低，均采用船闸，而升船机作 为一种旅游设施，这主要由于美国内河航运的船舶均为顶推船队，尺寸较大， 升船机的承船厢尺寸有限，船队通过时需要解队，很不方便。在德国，由于 省水要求和机械、电气工业比较发达，多采用垂直升船机。“” 随着电力电子器件，电力传动技术的发展，以及机械加工技术的进步， 采用电力传动的卷扬式垂直升船机逐渐发展起来，并且因为其相对船闸具有 运转时间短，周转快，闸室面积小，调度灵活等特点，迅速成为在建和拟建 升船机的主要形式。 目前，世界上最大的平衡式垂直升船机是位于比利时中央运河的斯特勒 比一布拉克里双线垂直升船机，它的升程为7 3 m ，承船厢有效尺寸为1 1 2 x 1 2 3 4 5 4 1 5 m ( 长宽水深) ，承船厢加水重7 6 0 0 - - 8 8 0 0 t ，挂相应重量的 平衡重。承船厢由1 4 4 根直径8 4 唧的钢丝绳悬吊。动力为4 5 0 0 k w 。单次 通过一条2 0 0 0 t 的船舶。于1 9 8 6 年建成“。 在我国已有许多大型升船机在建和筹建，目前我国在建和拟建的大型垂 2 埝尔滨工程大学疆士学整论文 直升船机如表一所示1 1 4 。近几年内，还将肖广西拢滩升船机( 两级) 、广硬 百色升船机、云南紧洪升船机、南水北调中线工程中的丹江口升船机等多鏖 舞艇撬投入建设。觅年蓉惑将寿诲多秀艇瓠运行予备建熬零裂枢缓。 表1 1 国内卷扬式凛直升船机 承船厢有过船窳船厢提升 升船机名行粳运行速驱动功 形式效水域吨位加承总力驱动方式 称辍)发钿s )搴( k w ) ( m )( t )鬣 t )( k n ) 清波隔河垂赢平衡 4 2 0 x l x卷捶攒舞 岩级升莺式湿运 i o 2 1 4 9 51 2 4 2 00 1 2 54 5 5 3 0 00 3 5 0 0 船机( 不下水) 1 7 清溉隔河垂直平衡4 2 0 l 卷扬搬升 岩= 级升熏式湿运 1 0 2 1 4 9 51 2 0 08 2 00 2 5 04 9 0 3 0 0$ 3 5 0 0 籍梳( 不下永)i 7 羲点平衡1 1 4 0 x 摇建承叠 2 4 卷捶掇亨 羹式湿运 1 2 。o 5 4 0 05 9 ，00 2 0 04 x 1 6 0 升船机 5 0 06 0 0m 3 5 0 0 ( 不下水)2 5 垂藏平鬻4 0 。0 广西岩滩 l 0 1 9 0卷扬撮升 重式湿运1 0 8 x1 4 5 04 4 0 16 8 54 x 3 2 5 秀躲瓠 2 5 00 。0 3 00 3 2 0 0 ( 下永)1 8 垂直平衡 5 2 o 责州恿耩 l x卷扬撼舞 重式湿运 1 l 。_ 8 2 4 0 01 6 0 0了6 7o 2 0 04 1 1 0 升船机 5 0 0m 4 0 0 0 ( 不下水) 2 5 交赢平衡1 2 0 0 x 三峡升船 1 卷扬提升 重式湿运 1 8 4 1 1 5 0 06 0 0 01 1 30 2 0 08 x 1 6 0 极 2 0 0 00 6 0 0 0 ( 不下永)3 5 翼舷规终为耱重要的逶靛建筑物型式，有其独特魄忧点，如雀承、 3 啥尔滨工瑕大学硕士学位论文 可防污防碱，特别是在枯水期或枯水年，熟作用和效益更加明显：投资随水 头的增加速度比船闸低，水头越大，运载船舶越小其投资指标越优；提升高 度受技本祭 孛戆黢麓少等。菹菸由于起步跷驻及技零翥工蕊承平静鞭钢，我 国以前建设的升船机目多为干运，低落差，小吨位，小规模。前随着技术的 进步和工业现代化水平的提高，在一些偏邋山区高水头水电枢纽，有一些技 术禽量离熬秀艇税壅瑗。嚣忿尽管农运市场不豢气，毽舞翡橇仍春掰武之遗， 特别是在开发西部的战略背景下，会在通航工程中发挥重要作用。 世界上投入运行的升船机有许多种形式，有斜面干愆升船机、双联水 基式垂壹舞船梳、浮麓式豢轰潼运舞籍辊、齿轮聪开平餐藏遂运羚船辊翻钢 丝绳提升平衡湿运辨船机等，对予我国现阶段建设魏船枫的形式也有过许多 争论，甚至现在对三峡升船机的形式仍有许多的探讨，但现在比较统一的认 识怒铜丝绳提y t - 乎裙式舞躲税是最遥合我黼国情静一耱形式。菡肉在建帮筹 建的大型婺赢舞船机中，全都采魇了电力传动调速约卷扬妓提拜方式。对予 该方式下多电机同轴拖动的性能尚朱深入研究，目前采用的负载均衡控制模 式所能达戮豹效果髑性熊指标还未舆俸量能，这里将对控帝4 系统静控箭淫熊 乍遴一步礤究。对现场鲍调试起到一定熬撰导终用，劳逶遐与现场测试没澎 相比较进步验证和完善研究方法 1 3 研究内容及途径 在这整以隔河海第一级升船枫为研究瓣承，蓄先通过对收集劐豹系统数 据进行分攒计算，褥至4 系绕的基本参数，擞据系统对动、静态参数的要求， 采用工程设计方法，计算出控制系统的工稷设计控制参数，然后分别建立主 4 哈尔滨工程大学疆士学位论文 电路数学模型和控制电路数学模型。以计算机仿真为手段，采用目前流行的 m a t l a b 中的s i m u l i n k 作为工具，验证前谭理论分析的正确性，找出较为合 逶瓣控嘉糕律及控涮策臻，嚣露将复杂戆冀法麓擎仡。并与实际试验纪录豹 数搬、波形比对，搬导工程调试和运行。 1 4 研究意义 隔河岩升船机是隔河辫水利枢纽的难一通航建筑，建成后对清江航运的 辑遴起至l 羹要戆终蹋。瑟攘动系绫戆性戆对整个秀艇枧弱遮纾有饕塞接戆影 响，是整个设施可靠运行的保证。在实际运行前对系统进行深入的分析研究 是十分必要的。 疆海豢第一缀秀艇裁袋惩钢丝缝卷拯炎全乎鬻器壹鬟舞方式，与三沃辩 船机初步设计审查的方案棚同。该升船机的设计充分利用了三峡升船机的前 期科研成果，设备布置、结构型式及存在的主要技术问题与三峡升船机基本 槎溺。疆淫岩第一级舞躲稳已在“，五”麓阑被稳定为三蛱升籍秘豹孛蠢试 验机。 隔河者第一级升船机避行试验研究和隔河岩第一级升船机关键设备试 验醑究彳乍为三浃承蘩l 枢鳃王翟残套设备躲瑟个专题任务被翔入“丸五”国家 重大技术装罄研制葶n 国产化项目。 通过对隔河岩升船机的试验和研究，可进一步了解设备的特性，不仅对 隔河岩舞瓣梳静调试运行螽有指警意义。麓露我国三映等辩籍辊静建设有很 大的借鉴价值。凰射，对我国毫坝遇航舞船机的建设有重要意义。 5 哈笨滨工程大学硬学经论文 2 1 引言 第2 章系统组成 钢丝绳卷扬式垂直升船机是以电动机为动力，经减速器与卷筒相连，辩 盘瓣结在卷篱上静镶丝绳与承耱瑟耨连，邋过电气控翻系统拖动卷簿，与连 接猩承船膊的重力平衡重、转矩乎德重共阉作用，使承船脓及厢内水体和船 体作提升和下降运行。实现船只的过坝通航，保证河流的磁常航运功能。大 墅纛壹井耱穰实章亍_ 豹是多昂煮、同疹运行静愚憨，多台电动撬传动，辨热梳 械封闭式同步轴，以保证霹靠运彳亍“。 隔河岩第一级升船机主提升机电系统由四台他励直流电动机，相应的减 速齿轮箱，维齿轮箱，钢篓缀卷篱，滑轮，同步辖等组成。燕矩形对称布置， 如嘲2 1 艇暴。由于采用了四台穆同功率的誊流电机同辘传动，这器要考廉 各台电机的负载均衡等问题。 图2 1 提升机械系统示意阁 6 晗尔滨工程大学疆学位论文 1 一钢丝绳卷筒；2 一机械同步轴；3 一滑轮；4 一锇齿轮箱；5 一钢丝缌 6 一承船厢；7 一重力平衡重；8 一转缀平衡重 该电力撬动系统不是一个萃筑戆毫气系统，蠢与辊藏豢扬系绞有着密甥 的机电耦合关系。多台直流电动机强机械剐性联轴的情况下运转，要求各台 电动机在任何时刻( 包括起动、制动、加速、减速和稳态运行过程) 均应该 徐爨力矩臻鬟，罄傺 芷系绕魏安全蜀靠运孳亍。橇辕同步辘除t 强铡毫囊穗转 速相等，使系统静态力矩相等外。还传递和均衡系统的静态负载力矩，提供 电力拖动系统一个嶷时负载扭矩。幽于所有直流电动机机械同步轴强制同步， 因j 邈，各奄魂税熬输出转速总是一致貔。 由于采用了多螽电机撼动，在电气上就需要考虑电机驱动的组会形式。 由于巍流电机的输出转矩为： 材= 罢= 啦，其中n _ 2 s w , 式孛：矿支路霹数4 p _ 一极对数； s 一一j b 件数； 鬻g 一元件边串含有数授导零搴； n - - 一绕组的全郯有效鼯线数； c r 电势常数； o 一糖通垂： l ，魄机电枢电滚； 由上式可以看出c 。为常数，所选用电机型号、容量相阿可近似得出四台 哈尔滨工程丈学疆圭学谴论文 电机：c = c 2 h = c 跏= c 越 则：m o o 中i 。 在深稳羁医，逶逮适警谖节套实现舀枣为恒定，这样，只要调速系统保 证实现：i l 。= i = i 。= i 。 就可以实现四台电机的出力均衡，即： 疆= 迄= 瓣= 瓯 经过上述理论分析，并结合多电机调遴的理论，我们褥出解决多电机传 动系统的出力均衡问题的方法有：( 1 ) 直流电机电枢并联，精心调烂磁场和 电穰窀阻。 2 ) 直流毫动机分组率、并联。( 3 ) 壹流奄税露枢露辩率联。( ) 各雄元电机分别供电，采用公共速度控制琊和独立的电流调节器组成的自动 调遮系统。( 5 ) 各单元电机分别供电，采用独立的速度控制环和电流调节器 组成静自葫调速系统。另鸯霸受载均裙控铡。 ( 1 ) 直流电动机瞧枢并联方式：如图2 。2 所示，存在着致命的缺点是当变 流装鼹出现敞障，整个系统都将不能工作。另外对电机参数的一致性 要求较高，不能很好遗实现负载均衡控制。 _ _ 审审审 _ 强2 2 毫枢荠联方式 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 直流电动机分组串、并联运行方式：如图2 3 所示，存在的根本问题 是当一台电机出现故障，会切除两台串连在一起的电机，对系统影响 大，经济性稍差。 图2 3 分组串、并联方式 ( 3 ) 电动机电枢回路串联方式：如图2 4 所示，如果电机电枢电压为4 0 0 v ， 则变流装置的输出电压要达到1 6 0 0 v ，这样高的输出电压对于电力电 子器件的选型、系统设计和系统成本都将带来不利影响。而且故障切 换回路器件较多，系统可靠性会大大降低。 图2 4 电枢回路串联方式 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 各单元采用各自独立的变流单元，控制模式采用公共速度环和独立的 电流环，如图2 5 所示，该方案可以实现较好的控制效果。 图2 5 公共速度环和独立电流环 ( 5 ) 各单元采用独立的变流装置，和各自独立的速度控制和电流控制，再 另加电流均衡调节，如图2 6 所示，该方式既能实现负载的均衡控制， 也能实现单个吊点负载扰动的快速响应。虽然在调试中存在一定难度， 比较复杂。但系统的故障切换、控制系统地标准化和冗余性能较好， 是一种比较理想的控制方案。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6 独立的速度环和电流环 综合考虑各种方式的特点，特别是对于故障情况下的系统冗余性的要 求，在隔河岩升船机的实际应用中，选择了最后一种控制方式，在这里选用 最后这种方式作为主要研究对象，首先对机电系统基本参数进行计算。 2 2 系统参数 根据前面介绍的系统机械结构和电气组成，对系统的基本参数进行计 算，以方便后面的工程计算和仿真研究。这里先推导机电系统折合到单吊点 的各个参数。 2 2 1 机械系统参数 这里先对系统转动部分折合到一个吊点的转动惯量进行计算( 折合到高 速轴) ( 1 ) 查电机样本得直流电机转子转动惯量： j d - 2 5 k g m 2 ( 2 ) 高速轴联轴器：j 。= o 6 2 8 2 = 1 2 5 6k g m 2 晗尔滨工程大学硕士学位论文 ( 电机轴到齿轮箱高速轴通过2 个高速轴联轴器连接) ( 3 ) 工作制动器制动盘： 铡动鬟覆量：啦= 万( 霆2 一，2 ) 纛p r 一制动盘外径；r - $ 1 j 动盘内半襁；h 一制动盘厚度；p 一制动盘密度。 m = 万2 7 5 2 一o 1 0 2 2 ) x o 0 2 5 x 7 8 5 = 4 0 2 k g 按强柱终求转动漤爨：j 。糊r 2 + r 2 ) 2 j = 4 0 。2 ( 0 2 7 5 2 + o 1 0 2 2 ) 2 = i 7 3 k g 彩 ( 4 ) 高速轴： r = o 。0 4 5 m ，i = 0 。7 m 。 先求其质量：辨= 玎q , r 2 z 。p = 芹0 0 4 5 2 x o 。7 x 7 8 5 = 3 5 姆 转动一n i ：j , = m r 2 2 = 3 5 x 0 0 4 5 2 2 = 0 0 3 5 k g m 2 ( s ) 减速器凌轮箱： 各级齿轮转动惯量j 尸4 3 l 酽k g m z ：j 产l 。8 7 k g 2 ：j 产o 5k g 君； j 产7 3 2 k g n 1 2j 5 ：1 2 6k g 群；j 产7 7 4k g m 2 ：j 7 = 5 6 6 3k g m 2 ：j 8 = 6 9 0 融i f ；弘3 7 7 3k g - 岔：j , o = 2 1 8 6 k g 岔；j l ，= 8k g 岔：j 1 2 = 1 8 酶群i 各级齿轮辑含到蹇遮辘端的转动惯爨： j = 4 3 1 0 2 + ( 1 8 7 + 0 5 ) 0 2 3 7 ( 7 3 2 + i 2 6 ) 0 0 8 2 + ( 7 7 4 + 5 6 6 3 ) 0 0 2 2 4 ( 6 9 0 + 3 7 7 3 + 2 1 8 6 + 8 + 1 8 ) 0 0 0 5 8 = 0 3 0 5 6k g m 2 ( 6 ) 镬壹鲶德：( 撼会到毫逮霉蠡) j z = ( 1 _ 0 4 5 + 0 5 0 5 + 2 5 9 8 3 ) z 0 2 3 7 2 = o 7 5 7 5 7k g m 2 ( 7 ) 同步轴系：本升船机同疹轴系由2 4 个涟轴器、4 个扭矩传惑器和若干问 2 晗客滨工稳大学硕士学位论文 步轴组成的矩形封闭系统。同步轴总重量为： 3 5 8 x ( 1 8 5 x 2 + 8 7 2 x 2 ) = 1 9 5 0k g 转动蠼霪：p 氍r 2 = 1 9 5 0 x0 。0 6 5 ：= 8 2 4k g 单个联轴器的转动惯量为：4 8 9k g m 2 ；单个扭矩传感器的转动惯量为： 5 5k g 岔：则一个吊点的阀步轴系的转动惯量为： j t = 4 8 9 6 x o 。2 3 7 2 + 5 。5 x o 。2 3 7 2 + 8 。2 4 x 0 2 3 7 2 4 = 2 。0 6 8k g m 2 ( 8 ) 港筒：每个卷筒组重6 8 5 t ，其中按3 6 t 的质量折算到直径3 5 m 的卷筒蹙 上，其转动惯量为： j o = 3 6 1 0 3 x1 7 5 2 7 3 2 0 。2 0 6k g 0 ( 9 ) 滑轮： 每片滑轮重3 t ，每组滑轮禽5 片滑轮，每个吊点2 组滑轮，则每个吊点的滑 轮缀懿转动愤萎为( 按匀获嚣盘诗簿转动镄量j ，嘲1 w 2 ) 。 j , = l o x 3 x1 0 3 1 7 5 2 2 7 3 2 2 = o 0 8 5 7k g m s ( 1o ) 开式齿轮：该升船机的开式齿轮8 0 0 0 k g ，此转动惯基按圆环杆计辣 j p o = 程露，都：玉= 8 1 0 3 2 1 2 x 0 6 7 3 2 2 = 0 0 4k g 莳 ( t 1 ) 单是点总的转动惯量： 丁= 3 3 l + 3 晦七j 寸j3 + j t 斗3 t 七j o + j r + j k * 2 5 + 1 2 5 6 + 1 ，7 3 + 0 0 3 5 6 + 0 0 3 0 5 6 + 0 。7 5 7 5 7 + 2 0 6 8 + 0 。2 0 6 + 0 0 8 5 7 + 0 0 4 = 8 。6 8k g 辩 可见，电动机、传动轴和制动盘等高速端转动部件在熬个传动系统的转 动惯量中占有较大的比重。 3 哈尔滨工瑕大学硬士学诬论文 2 2 2 电机参数 遵台电机采瘸丽型号他磁壹瀛电视，囊产品样本褥毫枫参数如下： 额定功率：p 。= 9 4 5k w ；额定电压：u 。= 4 2 0v 额定电流：i o 。= 2 6 4a ：额定转速：n o d = 5 8 5r p m 额定转短：m = 1 5 4 0n i l l ；电枢电隧： r a = 2 0 6 ，0mq 电枢电感：l a = 5 ，8 3m h ：效率： r l - - - - 0 8 3 2 2 3 平波电抗器 r s = 0 ，3q ：魄感l s = 1 0m h ： 2 2 。4 负载参数 承船厢载水设计质量为1 4 9 5 1 0 3k g 那么总运动负载( 承船厢，水体 及早衡重) 质量约2 9 9 0 xl 护融。设计兔谗负载偏差7 9 5 x 1 0 3k g 。 孝斤算到转动惯量为：1 4 9 5 ) 1 0 3 x1 7 5 2 7 3 2 2 = 8 5 4k g m 2 分配到每个吊点：j r = 2 1 4k g 1 1 2 可见薅速端静设备在系统酶转动惯量中占有主导地位，恧作为负载的承 躲簸葶珏水体在系统中藏占魄霾较小，郅么焱系统动态过程中东体熬变纯对系 统的影响不会起到生导作用。 2 2 5 交流装置 壹滚调速系统巾晶阕管整流装鬟为一慈迟嚣节，驮开瘸躲、摔到爨耀警关 断脊一段失控时间，而且该时间不是一个固定的时间，是一个随机变量，与 整流电路的形式、交流电源的频率和电机运行方式有关，遮星采用的是三相 零式全控桥，致其统计平垮整t d = 1 6 7 m s ”。 1 4 哈尔滨工程大学硬圭学位论文 注：也可取最严重地情况t d m a x = 3 3 3 m s 。 变流装置的内阻( 按产品说明中额定功率下的功率损耗计算) 变流装鬻的放大系数：k = 3 0 2 2 6 控制系统参数 对于溅有邀浚捡溅戆蒸本妻求是稔密的低邀溪不饺螫与毫褪壤流戏摄 比关系，而且与主网路没鸯电路上的直接联系，采用磁耦含原理是比较有效 的方法。在晶闸管整流电路中交流侧电流有效值与巅流侧平均直流电流之间， 壤据不同戆整漉宅游形式京在不同的毪镶关系，爨霭溅量交流毫流使霹阕搂 得到整流电流的大小啪。这里采用交流电流豆感器测量交流侧电流的抒法褥 到溉流输出电流值。如图2 7 所示。 、，7 、 图2 7 交流互感器检测电流电路 1 5 眙尔滨王疆大学疆学位论文 因为电流检测信号中常含有交流分量，故而须添加低邋滤波措施，其滤 波时间常数按基本滤平波头来进行选择。三相桥式电路每个波头时间为 3 。3 3 m s ，秀蘩本滤警波头应褰l 2 令周鬟 1 t l + 这墼稷莛采耀的滤波霾路取意 流威馈滤波时间常数： t 。= o 0 0 2 s 转速梭瓣采媛了藤 孛编码器，在辕入谈西诗冀速度篷，敬英爱续滤波辩 间常数：t 。0 0 1 s 电流饱和限幅：为保护调速系统的各个元件、部件与黻置不致损坏，氇： 电流调节器爨转速诞节器戆埝蠢袭部设霆了袋辐环节。鞭耩篷懿下： i l 。产1 5 3 1 7 5 = 2 6 7 7 5a 第3 章系统设计要求 根据系统对运行性能的要求，对传动系统的设计提出要求如下： 稳态豢标：无静差 动态指标：电流超调擞6 。4 5 ，对于给定速度起动到额定转速的转 速超调量6 。1 0 ，对予给定的s 瞌线运行系统无明显趟调。 第4 牵调速系统工程设计 4 1 亏l 言 双闭繇轰流调遮系统怒曩蔻壹滤谖速系统孛戆志滚设备，吴鸯谰速范黧 宽、平稳性好、稳遮精度高等优点，广泛应用于冶窳、建材、印刷、电缆、 机徕和矿山辞行业，在掩动领域中缎挥着及其重要的作用“。 1 6 啥笨滨工程大学硕士学位论文 由于双闭环调遽直流系统的良好性能，特别是在低速大转矩、四象限运 行和对调速精度要求较高等场合的成功应用，对每个单台电机采闻了电流转 速黢阕环按翻方案。这里采瘸工翟设诗方浚，禳攥援藏系绞撬合爨犟台熬氍 电参数，设计单台电机调遴系统各环节的参数。 双闭环调速系统具有良好的稳态和动悫性能，结构简单，工作可靠，设 计魄较方馁，宅蹩一耱应麓最广泛豹调这系统。该系统把转速、惫滚分开控 制，从而设鼹转速、电流两个调节器，并以转速调节器的输出作为内环( 电 流调节器) 的给定输入j 于是形成转速、魄流双闭环控制。这种调速系统摄 壹浚谖速系统豹一瓣基本形式。 在双闭环调速系统中，电动机、晶闸赞交流装置等都可按负载的工艺要 求来选择和设计。根据机械和工艺的要求援出系统的稳态和动态指标，而系 统麓露有部分往经不麓满麓性麓指标懿要求，劳亍蔽需要设计校正筛节或谲节 器来达到。 基于缀媳控制联论，趱用频率法和波特图设计调节器，需要反复试凑才 能黼拜于解决系统静稳、准、侠、抗予挽等务方面耜嚣矛詹的要求，在工程上 很不方便。 在工程设计中，常需要将预期系统典激化，预期系统的参数和性能指标 的关系公式纯、圈表纯，设计方法凝往纯( 如模最佳、对称最佳、振荡指标 最饿等) ，设计过稳程序必，系绞分爨秘综会计算机纯等等。这样大大减少了 设计工作量。 在自动调速系统的工稷设计中，常采用以下步骤进行“1 ： 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 根据技术要求确定系统的性能指标。 ( 2 )根据性能指标确定典型i 型系统或典型i i 型系统为预期系统，参 照最佳化设计方法选择频域参数或者采用推荐参数。 ( 3 )由内环向外环逐环设计。将控制对象近似为低阶环节，然后选用 p i 调节器进行串联校正。 ( 4 )性能指标校核计算。由于典型i 型系统或典型i i 型系统保证了系 统的稳定性和一定的稳态精度，主要校核系统的动态性能指标。 这样就把交叉的矛盾问题分开来解决，简化了设计工作。工程设计方法 是理论和生产实际相结合的产物。它把调速系统的设计几乎简化成了一一对 应的查表式的工作。非常适合工程实用，又具有一定的准确性。“3 4 2 电流控制环的工程设计 根据前面计算的系统参数，额定磁通下电机电动势转速比： e = 丝二盘墨：4 2 0 - 2 6 4 x 2 0 6 x 1 0 - 3 殍d 5 8 5 k m = i c e 中= 1 6r p m v = 0 6 2 5 v r p m 额定磁通下的电机转矩电流比： c t o = 9 5 5 c e 中= 5 9 7n m a ： 电动机电枢回路电磁时间常数： t j = l r = ( l s + l a ) ( r s + r r + r a ) = 1 5 8 3 5 1 3 8 = 0 0 3 1s 电动机拖动系统的机电时间常数： l = 瓣g d 2 r = 0 1 5 6 s ： 啥零滨工程大学硕士喾位论交 其中g d 2 = 4 9 ( j + j ，) 吲= 4 2 4 5 8 n m 2 r = r s + r r + r a = 5 1 3 8m q 毫动枫懿凝藏溪链主要焘映在飞轮馁量g b 2 上，由于g 2 正跑予t 。， 因此l 是表征机械惯性的一个非常麓要的物理量1 。 电流环是双闭环控制系统的一个内环，从转速调节器a s r 的输出信号开 始舅邃( 瑟窀滚璃节器豹输入信号怒a s r 静输密焦) 鹫毫极毫枢转遴匾数方 框的电枢呶流i d ( s ) 输出信号为止，就是电流负反馈闭环控制。根据设计骤 求暾流超调照6 。5 ，而且t t 胆c 。= 8 3 8 1 0 ，闲此电流控制环按典型i 登系统设诗，选嚣跑镶积分诵节器，其传递涵鼗： = k i 警 根据电流控制环设计性能要求，取k ，t z ，= o 5 ，那么： k 产0 5 t i = o 5 0 0 0 3 7 = 1 3 5 1 s 电滚滔节器静越兹露鬻窍数： t 产t l = o 。0 3 1s 电流调节器的比例系数为； k i = k ， ；r k 。= 1 3 5 1 0 0 3 1 0 5 3 0 = - o ，0 7 按此设计，电流调节环可以达到跟随动态指标：8 ；一4 3 4 5 ，满 足设计要求。那么，电流调节器的传递函数为： 配觯，- - k , 等= 等黔 1 9 哈尔滨3 5 程大学硕士学位论文 4 3 转速控制环的工程设计 电流环等效时间常数：2 t ：i _ 2 0 0 0 3 7 = 0 0 0 7 4 ( s ) 。 转速环小时间常数：t ：。= 2t m + t 。= o 0 1 7 4 ( s ) 由于系统设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要 求，这里按典型i i 型系统设计。故采用p i 调节器，其传递函数为： ( s ) = k 。百r , s + l 按跟随性能和抗干扰性能兼顾的原则，取h = 5 ，则速度调节器的超前时间 常数： t 。= h t 。= 5 0 0 1 7 4 = 0 0 8 7 s 转速环开环增益： 秭= 研h + l = 瓦志- 3 9 6 酽 于是，转速环的比例系数为： e = 盟2 h a r t = 罴淼矩，z ” x 0174 2505 x 0 那么，转速调节器的传递函数为： 咆等= 警 4 4 小结 按照上述方法设计的双闭环控制系统，虽然外环的响应速度受到限制，但 是每个环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。其设计思想 是：以稳为主，稳中求快。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 1 引言 第5 章工程设计仿真分析 控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术 的综合性新型学科。其产生和发展差不多是与计算机的发明及发展同步的。 它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿 真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。 自动控制系统的计算机仿真为控制系统的分析、计算、研究和综合设计 提供了快速、经济、科学及有效的手段。 这里选用了m a t l a b 来对系统进行仿真设计，因为其特点特别适合用来 对控制系统进行计算与仿真。 首先，m a t l a b 运算功能强大，它提供的向量、数组、矩阵运算，复数运 算，求解高次方程，常微分方程的数值积分运算、最优化方法等等，科学研 究和工程技术常用的计算都能实现。 其次，由于世界上从事自动控制的多个知名专家，在自己擅长的控制领 域里开发了具有特殊功能的t o o l b o x 工具箱，使得m a t l a b 从一个数值运算工 具变成为自动控制计算与仿真的强有力工具。 再有，m a t l a b 内涵丰富，扩充能力强，编程效率高。语句简单，容易学 习使用。 最后，m a t l a b 界面友好，图形功能强大，可以使重复、繁琐计算和绘制 图形为轻松的计算机操作所替代，使得从事自动控制的科技工作者乐于接受 2 1 埝尔滨王稳大学壤学位论文 使用。 m a t l a b 附带的基于模型化图形组态仿真环境更是使得仿真设计直观好 鬻。 所以这里将采用m a t l a b 作为仿真设计 i 具，验证前面设计的效果。 由于税前面的工程设计方法的推导过獠中，为了简化计算，对各个环节 透露了合毽戆遥酝酾合并麓理，蔫邀些楚联盛须在一定静条停下才菠立，褥 出的控制参数只是一个初步的数值，这里将对这些控错惨 数的控制效果进行 仿真，以验证按工程设计方法设计的系统怒否达到了要求的性能指标。通过 对系统绩爨豹结栗诵整控潮参数，戳迭鬟较好魏控镧效采。 在本节对单个双 j j 环调速系统的调节性能进符仿真分析。在建立该拖动 系统的动态数学模测时，作了以下假定： 整个系统静秘裔直流电动杌囊福同懿疆套传韵系统潮丽同多辘嗣毪连 接，这四套传动系统除了彀动枫鸵枧械特憾秘电气参数存在一定的灌异雏， 在制造和安装上假定是相同的。 由于拖动系统采角励磁电流值流控利，电动机励磁控制回路币出现在主 目鼹中，毽_ l 迎，在动态数学模型中糨应熬耀一个转矩电流 寒表镬。 另外，本系统的负载属于位势能型负载，运彳亍中负载的变化很小，在传 动控制系统设计时设置了负载的前馈控制，在电流环的输入端加入了负载前 搂，掰以这蓬不考虑霆定受袭对系统瓣影蛹，主要疆突传漤系统囊毅系绞骚 动惯量的各项指标糊各种扰动下的稳定性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 2 电流环阶跃响应的计算和仿真 为了对系统进行仿真，这里将推导系统各环节的传递函数，用m a t l a b 数值计算软件仿真系统的典型输入下的响应。 5 2 1 电流环各环节传递函数推导 以下依次对各个环节的传递函数进行推导，确定传递函数的形式和数 值。 电流反馈环节：面丽丽1 电流给定滤波环节 电流调节器： 上：! l ，+ 1 o 0 0 2 a + 1 嘣加邑警= 等 电流输出饱和限幅：这里采用的是额定电流为4 0 0 a 变流装置驱动电机， 电流输出限幅4 0 0 a ； 变流装置传递函数：工程上将可控硅极其触发装置近似为一阶惯性环 节，即l ：! 竺 乙s + 1 o 0 1 6 7 s + 1 电机电枢瞵 器= 意斋 5 2 2 电流环结构组成 考虑到电流调节过程比转速和反电势的变化过程快得多，可以暂不考虑 反电势变化得影响，认为ae = 0 ： 通过以上推导，忽略反电势的影响，可以得出系统电流环的动态结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如图5 1 所示： 图5 ，i 带参数电流环动态结构图 而不作简化时，考虑反电势作用的电流环动态结构圈如图5 2 所示。 黼5 。2 带反电势侮强静电滚嚣蘩态结稼鬻 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这里取反电势传递函数l s = 西0 嚣1 5 石4 5 2 3 电流环仿真结果 对以上得出的仿真模型进行计算分析，反电势作用不大。仿真结果如图 5 3 所示。 图5 3 电流环阶跃响应仿真曲线 可求出电流环性能指标： 超调量：6 。= 3 9 5 5 峰值时间：t p = o 0 2 1s 响应曲线略有超调3 9 5 ，系统曲线迅速上升，峰值时间0 0 2 1s 非常 短，电流立即下降至恒定并在0 0 4 秒内响应即结束，这样的阶跃响应是很理 2 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 想的。电流环的稍微超调有利于电机的加速起动、对给定的快速响应以及对 电网电压扰动的响应。 对于绝大多数的设备，控制系统的抗干扰性能指标是至关重要的，它比 起系统的其他动静态指标更为人关注。对于电流环，如图5 ，4 所示给出了两 个作用点的扰动信号，分别反映了工程实际的一些扰动因素。图5 4 中给出 了电流环的实际参数，也表示出了给定信号与两个典型扰动信号的作用点位 置。扰动信号l 指代诸如电动机里的各种参数的变化引起的扰动；扰动2 指 代诸如电网电压的波动变化引起的扰动以及晶闸管整流与移相触发装置参数 变化所引起的扰动等。 图5 4 带参数电流环扰动响应动态结构图 在图5 4 中两个扰动信号作用点分别施加单位阶跃信号，绘制其扰动响 应曲线，并求其最大动态降落( 其值是相对系统阶跃响应稳态输出而言的) 与最大动态降落的时间。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 5 电流环在单位阶跃扰动作用在作用点1 的响应曲线 电流环在阶跃扰动作用在作用点1 性能指标： 最大动态降落：d e t a c = 一1 1 7 8 最大动态降落峰值时间：t p = o 0 1 6s 基准值5 范围的恢复时间：t v = o 0 7 8s 基准值2 范围的恢复时间：t v = o 0 9 1s 2 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 6 电流环在单位阶跃扰动作用在作用点2 的响应曲线 电流环在阶跃扰动作用在作用点2 性能指标： 最大动态降落：d e t a c = - o 。3 8 最大动态降落峰值时间：t p = o 0 1 3s 基准值5 范围的恢复时间：t v = o 0 6s 基准值2 范围的恢复时间：t v = o 0 8s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 7 电流环在单位脉冲扰动作用在作用点1 的响应曲线 电流环在脉冲扰动作用在作用点1 性能指标： 最大动态降落：d e t a c = 一1 1 2 8 最大动态降落峰值时间：t p = o 0 1 3s 基准值5 范围的恢复时间：t v = o 0 6 7s 基准值2 范围的恢复时间：t v = o 0 8 6s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 8 电流环在单位脉冲扰动作用在作用点2 的响应曲线 电流环在脉冲扰动作用在作用点2 性能指标： 镀大动态降落：d e t a c = - o 7 8 最大动态降落峰值时间：t p = o 0 1 2s 基准值5 范围的恢复时间：t v = o 0 6 5 s 基准值2 范围的恢复时间：t v = o 0 8 4s 电流环对扰动的响应过程呈单调衰减，在很短时间内就结束了，抗扰动 时间非常短，几乎察觉不出扰动的作用，系统有很好的稳定性。 5 2 4 结果分析 实际工程上，一般要求模稳定裕度，相稳定裕度。按照上述设计参数的 3 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电流环有足够的稳定裕量，其频域性能是很好的。 5 3 转速环阶跃响应的计算和仿真 在基本确定电流环的调节参数后。对转速调节器的作用进行分析研究。 5 3 1 转速环各环节传递函数推导 根据系统以上参数可推导各环节传递函数如下 转速反馈环节：丽1 = 百高品 转速给定滤波： 丽l2 百南 转速调节器输出饱和限幅：这里按电机额定电流对转速调节器限幅 2 6 8 a 。 转速调节器传递减e 瓦t s + l = 等 传动系统传递函数：瓦象= 而1 5 3 2 系统的结构组成 按照以上设计参数和各环节传递函数的推导，控制系统的结构组成形式 如图5 9 所示。在图中带有电动机的反电势内反馈。图中最左端是转速给定 输入，最右端是系统输出量，即被调量一电机实际转速。系统的输出电压减 电机的反电势的差值产生电机电枢0 0 流，从而形成系统的输出转矩，得到系 统输出量即系统转谏。 3 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 9 转速一电流双闭环控制系统动态结构图 5 3 2 单套系统的仿真结果 根据以上系统动态结构图进行仿真，系统阶跃响应曲线如下图所示 、 | | 、 | j 图5 1 0 转速控制环阶跃响应仿真曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计算图5 5 中的性能参数指标数据，可见转速环的阶跃响应超调量6 约4 0 ，峰值时间t p 0 1s ，调节时间t s 0 2s ，这样的系统响应是 比较理想的。 控制系统的抗扰动性能指标比系统的跟随性能更为重要。为了讨论系统 的动态扰动性能，与电流环一样，也设置了两个扰动信号作用点，如图5 1 1 所示，分别指代了工程实际中的一些扰动因素。扰动信号l 指代诸如负载变 化引起的扰动；信号2 仍然指代诸如电网电压的波动变化引起的扰动以及晶 闸管与移相触发装置参数变化引起的扰动等。 5 1 1 带参数双闭环调速系统的抗扰动性能动态结构图 在图中两个扰动信号作用点分别施加一定幅度的阶跃扰动信号，绘制 其扰动响应曲线，并求其动态速度降落与最大降落时间。为进行仿真须在扰 动点分别施加扰动形成两个仿真文件，同时注意施加扰动的极性。 程序执行后，可以得到转速环的阶跃扰动响应曲线，如图5 1 2 所示， ( a ) 与( b ) 分别对应着扰动信号作用于1 和2 两个作用点。 哈