（电力系统及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究.pdf

a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rs y s t e ma n dm o n i t o rt h e m ，m a n y e x p e r i m e n t sa n di n v e s t i g a t i o ns h o u l db ed o n e h o w e v e 毛b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t ya n d s e c u r i t yo fi t ，d o i n ge x p e r i m e n t si nt h ep o w e rs y s t e mi sg r e a t l yr e s t r i c t e d 。d y n a m i c s i m u l a t i o ni so n eo f t h ee f f e c t i v em e t h o d st os o l v et h i sp r o b l e m t h es i m u l a t i o no fp r i m em o v e ra n dg o v e r n o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h e p o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o na n di ti sa l s oap a r tt h a ts h o u l db ec o n s i d e r e dw h e n i n v e s t i g a t i n gt h eo p e r a t i o na n dt r a n s i t i o np r o c e s so ft h ep o w e rs y s t e m t h ep r i m em o v e r h a s ag r e a ti n f l u e n c eo nt h es t a t i cs t a b i l i t ya n dt r a n s i t i o np r o c e s so ft h ep o w e rs y s t e m a n dt h e g o v e r n o rh a st h ei n f l u e n c en o to n l yo nt h es t a t i cs t a b i l i t ya n dt r a n s i t i o np r o c e s sb u ta l s oo n t h ed y n a m i cs t a b i l i t yo f t h ep o w e rs y s t e m i no u ri n s t i t u t e ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nl a b o r a t o r yi sb e i n gr e b u i l ta n do n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t so fi ti st or e d e s i g na n dr e b u i l dt h ep r i m em o v e ra n dg o v e r n o rs i m u l a t i o n i n t h i sp a p e r , t h e o r i e so f t h es i m u l a t i o no f p r i m em o v e ra n dg o v e r n o rw e r ea n a l y z e dt h o r o u g h l y a n dan e wd e v i c eb a s e do nv t ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) w a sd e s i g n e d ， t h ed e v i c eo fp r i m em o v e ra n dg o v e r n o rs i m u l a t i o n ，w h i c hu s e sd i g i t a lc o n t r o lm o d e ， i ss e p a r a t e di n t ot h r e ep a r t s ，t h a ti s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n dc o n t r o ls i g n a l o u t p u t 。t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h es y s t e mi s ：t h es p e e da n dc u r r e n ts i g n a l so ft h ea l t e r e d d ce l e c t r o m o t o rm e a s u r e db ys e n s o r sa r es e n ti n t op ct h r o u g hd a t aa c q u i s i t i o nc a r da f t e r b e i n gm a n a g e db ys i g n a la d j u s t i n gd e v i c e i nt h ep c l a b v i e wc a l c u l a t e st h i sd a t u ma n d t h e nt h ec o n t r o ls i g n a li ss e n to u tt oc o n t r o l ls i l i c o nt r i g g e rb o a r d ，w h i c hc o n t r o l st h ed c e l e c t r o m e t e r , t h em a i np a r t so ft h ep a p e ra r eh o wt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i cm o d e lo fp r i m em o v e r a n dg o v e r n o ra n dh o wt or e a l i z et h em o d e l i nt h ep a r to fp r i m em o v e rs i m u l a t i o n ，t h e t e c h n i q u eo fa r m a t u r ec u r r e n tf e e d b a c kp l u ss p e e df e e d b a c ki sa d o p t e dt o a l t e rt h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e ro ft h ed ce l e c t r o m e t e r i nt h ep a r to fg o v e r n o rs i m u l a t i o n ，t h e m a t h e m a t i cm o d e l so fa l lp a r t so fr e a lg o v e r n o ra r cu s e d i no r d e rt ok e e pt h em o d e l s c o n s i s t e n tw i t ht h eg o v e r n o rp r o t o t y p et ot h em o s te x t e n t ，t h ei n e r t i ac o m p e n s a t i n gt a c h ea n d t h en e g a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fg o v e r n o ra 瑶i n t r o d u c e di nt h es i m u l a t i o ns y s t e m 。b i l i n e a r t r a n s f o r m a t i o ni sa d o p t e di nt h i sp a p e rt od i s c r e t et h em a t h e m a t i cm o d e lo f t h ew h o l ec o n t r o l s y s t e m c o n s i d e r i n gt h a tl a b v i e wi san o v e lg r a p h i cc o m p u t e rl a n g u a g e ，t h ep r a c t i c a l r e a l i z a t i o no f m a t h e m a t i c a lm o d e li nl a b v i e wi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l ti nm a t l a ba n d a b v l 嚣w t h i sd e s i g np r o v e st ob e c o r r e c t t h es y s t e mc a l ls i m u l a t et h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h er e a lp r i m em o v e ra n d g o v e m o ra n dc a nr e a l i z et h ef l e x i b l ea n da f f e c t i v ec o n t r o lo f p r i m em o v e r k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n p r i m em o v e rg o v e r n o rv i r t u a l i n s t r u m e n t s 武汉天攀嗽气王程攀硫 攀佼论文艨剞t 睦簿鞠 零久熬羹声鹅；掰鏊变熬睾潺颟攀链论文麓零久森簿鄹鹈鼹罨下猿纛避孬礴究 鼹彀褥豹麓究艘栗。滁7 文孛黪鬟熬戳糟洼雩；惩缝癌餐终，零浚黛苓毯禽经嚣蒺窀个 入载集体熬经发袭躐撰写熬袋黎终灏。瓣零文熬鹾究终篷璧蘩燹懿熬个入帮熊接，瓣 纛褒义孛渡翡浚方式貅骥。零太宠垒蕊谖弼零声鹅瓣法德爨豢蠢零久承爨。 瓣签旗：墨叠 武汉大学硕士学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 国民经济和工业生产的迅速发展对电力系统提出了越来越高的要求，电力系统正 在不断的发生变化：发电机组的容量越来越大，远距离电力传输的电压越来越高，电 力网( 输电网和配电网) 的区域也越来越大。相应，在理论上和实践上出现了许多亟 待解决的问题：各种新型的理论需要加以验证，各种新技术和新设备需要进行试验等 等。而由于电力系统对其运行的安全性和可靠性有很高的要求，因此在实际电力系统 进行实验常常受到很多限制，不可能进行充分广泛的实验，有些实验甚至是不可能在 实际系统中进行。电力系统动态模拟是解决这一问题的重要方法之一。也是对实际电 力系统进行研究、设计、和运行的一个重要有力的实验工具【l 】。 电力系统动态模拟的内容很多，对原动机c z k 轮机、汽轮机) 及其调速系统的模 拟是其非常重要的一个环节，也是我们研究现代电力系统运行及其过渡过程时所必须 考虑的。 我校的动模实验室目前正在进行“2 11 ”工程的相关改造，目的是实现统一的实验 控制平台，提高试验教学和科研能力。其中的一个重要内容就是对原动机及其调速系 统模拟部分进行重新设计和研制。本文对原动机及其调速系统模拟的理论进行了较为 深入的分析，首次提出了采用虚拟仪器实现的模拟方案，并设计研制了基于虚拟仪器 的原动机及其调速系统模拟装置。 1 1 1 原动机模拟的必要性 原动机特性对电力系统静态稳定和动态稳定都有着很大的影响，因此，在研究电 力系统稳定运行和过渡过程时，原动机特性对电力系统的影响是必须考虑的。 原动机特性对电力系统过渡过程的影响与过渡过程本身所经历的时间长短有关。 在研究电力系统中与静态稳定联系的过程和波过程时，由于这些过程在百分之几秒内 就完成了。而原动机以及与其同轴的同步发电机的转子存在惯性，在这样短的时间内， 转子的速度是来不及发生变化的。这时原动机对系统的影响主要是它的机械惯性，因 此必须对原动机的机械惯性进行模拟。 在研究有关动态稳定问题时，同步发电机转子将在同步转速附近发生振动，转子 速度振动的范围一般不超过1 【6 】。在这种情形下，转子速度的振动可视为小的速度变 化，这时原动机在额定转速附近的线性特性对电力系统的影响起重要作用，因此，模 拟原动机在额定转速附近的线性特性也是必不可少的。 随着电力系统动态模拟应用范围的扩大，以及电力系统新的运行方式和新型自动 调节装置的大量采用，对原动机模拟的要求也相应提高。例如，调速系统的不断改进 武汉人学坝| + 学位论文基于虚拟仪器的脉动机及其调遮系统仿真研究 以及新型调速系统的采用，使得调速器动作的灵敏性明显提高，因此可利用原动机的 按程序调节，或按运行参数的偏差及其导数的调节来提高系统的动态稳定，这时，原 动机模拟仅仅考虑其静态特性是不够的，还必须考虑水锤效应( 水轮机) 和容汽惯性 ( 汽轮机) 等动态特性。 由于电力系统非同步运行、系统综合稳定和系统的综合自动控制等新研究课题的 提出，要求全面模拟原动机及其调速系统。在这种情况下，系统的过渡过程时间加长 ( 可达几秒到几百秒) ，电机转子的速度变化范围变大( 可以达到l o 2 0 嘲) 。这时 原动机及其调速系统的非线性可能对过渡过程产生较大的影响，因此，要求原动机和 调速系统的模拟能够正确地反应这些非线性过程拉4 】。 综上所述，在研究电力系统静态稳定运行和过渡过程时，对原动机的静态特性( 也 称自平衡特性) 和动态特性( 水锤效应和容汽惯性) 的模拟是非常必要的。 1 1 2 调速系统模拟的必要性 在全面的研究原动机模拟问题时，必须考虑到调速系统的模拟，因为它们具有最 直接的联系，共同组成一个完整的调速系统。 水轮机和汽轮机调速系统的作用在于维持机组的转速稳定，并实现机组的自动起 停或自动分配机组之间的负荷等。在近代大型电力系统中，调速系统已作为整个电力 系统中一个重要的环节来考虑。 调速系统的特性对整个电力系统的运行具有十分重要的影响：它不仅影响电力系 统中有功功率和频率的调节，而且影响非同步运行和动态稳定等过程。例如，应用汽 轮机功率的强力调节来提高具有弱联系的动力系统并联工作的可靠性问题；利用附加 控制信号( 按电力系统运行参数电流、电压、频率、和相角等量) 加入调速器实 现大功率汽轮机功率快速调节；以及利用调速系统改善异步运行过程等。特别是动力 系统综合自动控制的发展，要求系统中慢的变化过程和快的变化过程统一考虑，实现 整个系统的最佳控制，原动机的调速系统起着非常重要的作用【。因此，对于原动机 的调速系统进行模拟以研究其运行与控制特性具有十分重要的现实意义。随着电力系 统运行水平的进一步提高和研究工作的相继发展，对于调速系统的模拟越来越显示出 其重要性。 1 2 国内外现状 在国内外的电力系统动模实验室中，同步发电机大多都由直流电动机拖动。但是直 流电动机的转矩一转速特性与实际原动机( 汽、水轮机) 的特性相去甚远，而且其参 数也不能灵活的随实际要求而改变，这严重影响了电力系统模拟的真实性和灵活性。 原动机及其调速系统具有其特有的自平衡特性以及机组惯性时间常数和飞摆、错油门、 油动机、水锤或容汽惯性等环节，要准确的模拟这些特性与环节，需要配置一套能够 模拟其静、动态特性的专用直流电机调速系统，这也是从事动态模拟的专业人员所致 武汉大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 力研究的课题。 模拟原动机及其调速系统的研究是在直流调速系统的基础上，结合动模实验室的 实际情况发展起来的。6 0 年代，前苏联莫斯科动力学院将小型水轮机改造成物理模型。 但是这种物理模型韵结构复杂，需要一整套包括水轮机、压力导管、尾水管等复杂设 备的水利系统，这在运行上很不灵活。同时，这样复杂的模型造价过耐6 1 。 8 0 年代。随着运算放大器直流调速系统的普遍应用，出现了由模拟电路组成的原 动机及其调速系统。国内有些电力系统动模实验室采用了这种方式，但只是初步建立 了原动系统的模型，还没有实现调速系统物理特性的仿真。 9 0 年代，随着微型计算机技术和现代传感技术的飞速发展，尤其是稳定灵活的单 片机和工业用可编程器件的出现，直流调速开始向全数字化方向发展，这给模拟原动 机及其调速系统的发展带来了机遇。 在国外，从7 0 年代开始就对数字化的直流调速进行了研究。在欧美一些发达国家 已基本实现了全数字化的控制。在国内，这方面的研究工作比较缓慢。目前全国较大 的动模实验室基本上还是采用模拟电路对原动机及其调速系统进行控制。这种模拟直 流调速系统存在诸多弊端，例如：对于较复杂的数学模型，模拟电路较难实现：而且 其可靠性和精度也很难达到要求：同时在运行时，不能灵活地改变原动机的运行方式 和运行参数。而数字化的调速系统能很好地解决上述问题，因此，原动机及其调速系 统模拟的全数字化已成为一种发展趋势。在这方面国内有些高校和科研院所也进行了 研究和开发，并取得了一定的成果。 9 0 年代末期到本世纪初，随着虚拟仪器技术的不断成熟与发展，虚拟仪器技术在 各行业逐步得到了广泛的应用。基于p c 机的虚拟仪器系统，充分利用了p c 机强大的 数据处理能力和灵活的可编程功能，同时，p c 机的多媒体功能、网络功能、可视化和 友好的人机界面也使其具有很强的竞争力。因此，本文提出的基于虚拟仪器的原动机 及其调速系统的模拟方案，不但顺应了调速系统全数字化的发展趋势，实现更复杂的 数学模型和更高的精度，而且具有开发周期短、编程灵活、原动机运行方式和参数调 整更加方便、控制方案调整容易、调试方便、可扩充性强、可视化和人机界面友好等 优点。可以预见，虚拟仪器在各行业的实验室、设计研发和工程检测与控制方面都将 会发挥其优势，得到更广泛的应用。 1 3 本文所做的主要工作 文中首先详细介绍了原动机( 汽、水轮机) 在不同出力下的自平衡特性模拟方案、 机组机械惯性的补偿、水锤效应和容汽惯性的模拟以及调速器的模拟方案。在建立了 原动机及其调速系统数学模型的基础上，通过m a t l a b 仿真证明了模拟方案的正确性。 然后将离散化的数学模型在l a b v l e w 中实现，结合研华公司生产的p c l - - 8 1 8 l 数据 采集板卡和p c l d 一8 1 1 5 终端卡进行数据采集、控制运算以及原动机控制。最后对 m a r l a b 和l a b v i e w 的仿真结果进行了分析比较。本文的后续章节主要做了如下工作： 1 分析研究了原动机和他励直流电动机转矩一转速特性的差异，通过一系列模拟控制 武汉大学硕士学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 策略将直流电动机特性改造为原动机的特性。同时，对原动机的水锤、汽惯性也进 行了模拟。 2 分析研究了汽、水轮机调速器各环节的数学模型，结合实际的直流拖动系统确定了 模拟调速系统的框图。对功频电液式调速器的实现也进行了初步探讨。 3 介绍了虚拟仪器的概念和基于虚拟仪器的原动机及其调速系统的基本组成。对整个 调速系统各环节传递函数进行了数字离散化，并深入讨论了各环节在l a b v i e w 中 的实现方法，给出了整个控制系统的程序框图。 4 阐述了直流电动机转速、电枢电流的测量方法，以及相应传感器的选择。并对数据 采集卡和可控硅触发板进行了相应的介绍。 5 对整个模拟调速系统的数学模型在m a n a b 下进行了全面仿真，并将仿真结果与 l a b v i e w 下的实现结果进行了对比，对试验结果进行了讨论和分析。 1 4 本文的难点和创新点 原动机及其调速系统的仿真方法经历了三个阶段：第一阶段为采用实物模拟，第 二阶段为采用模拟电路进行模拟，第三阶段为采用单片机及其扩展电路组成的数字化 电路进行模拟。本人在认真学习前人研究成果和经验的基础上，顺应调速系统数字化 的发展方向，首次提出了一种新颖的数字化实现方法，即采用虚拟仪器进行模拟。这 也是本文的创新点所在。这种方法充分利用了p c 机强大的数据处理能力和友好的人机 对话能力，具有仿真参数调整调整容易、运行方式调整灵活、能够实现较复杂的控制 策略、控制精度高、开发周期短、二次开发能力强等优点。 本文中的难点主要有以下四点： 1 、在用直流电动机模拟原动机时，采用电枢电流负反馈加转速负反馈的方法，对直流 电动机的机械特性进行改造。同时为了在控制系统前向通道中得到较大的增益值， 根据实际电机的参数设计了流调环节。 2 、在调速系统模拟中，为了使模型调速器的负向特性与原型保持一致，文中油动机正 负输出采用了不同的负载匹配系数，其中正、负负载匹配系数又有一定的比例关系。 这样，既保证了油动机输出负的最大值时完全抵消空载给定，又使油动机正、负向 行程所经历的时间与原型保持一致。 3 、为了方便的调整模拟机组的惯性时间常数，模型中增加了机组惯性补偿环节，由于 它是一个纯微分环节，所以无法进行离散化，为此采用了实际微分代替纯微分的方 法( 这种方法虽有一定的近似，但是可行的) ，从而保证了离散化后系统的稳定性。 4 、l a b v i e w 是一种新颖的图形化编程语言，其编程方法与编程思想与其它高级语言 有所不同，尤其是其多线程运行方式，虽然提高了计算速度，但在编程时必须非常 注意，否则会出现程序运行失控现象。 武汉大学硕士学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 第二章原动机的模拟 2 1 原动机模拟的要求 原动机动态模拟时，一般不研究原动机内部的过程和它的结构，因为我们的主要 目的是研究原动机的各种物理特性对电力系统中的静态运行和机电过渡过程的影响， 所以，对于原动机的模拟重要的是要求其轴上的转矩变化过程与原型相似，即模型与 原型静态特性和动态特性相似。因此，原动机的这种转矩变化特性完全可以采用直流 电动机进行模拟【6 】。 原动机特性对电力系统过渡过程的影响与过渡过程本身所经历的时间长短有关。 在研究电力系统静态稳定问题时，由于所经历的时间很短( 百分之几秒) ，转子的速度 来不及变化，因此，要求模型电机具有足够的机械惯性。机械惯性的补偿是原动机模 拟的一个方面。在研究电力系统动态稳定问题时，由于过渡过程时间较长，转子会在 同步转速附近l 发生振动，这时要求模型电机要能够模拟原动机在同步转速附近的自 平衡特性。当发电机的负荷发生较大变化而使调速器开始动作时，汽、水轮机的动态 特性也是需要模拟的。其中最主要的就是水轮机的水锤效应和汽轮机的容汽惯性模拟。 综上所述，原动机的模拟主要包括原动机自平衡特性的模拟，机组惯性时间常数 的补偿，以及汽、水管道的模拟【7 1 。 2 2 原动机转矩特性分析 直流电动机的转矩特性与原动机的转矩特性差别很大，下面将对它们的转矩特性 进行详细的分析。 无论是水轮机还是汽轮机，其转子运动方程都可以表示为 以譬= m t - - 肘。 ( 2 一1 ) “i 式中 为机组总的转动惯量；甜为机组转速；坼为原动机出力转矩：为阻力转矩 ( 包括发电机电磁转矩 露和机组空载转矩 而) 。 将上式写成标么值的形式，即 l 掣：l ，一a ( 2 2 ) 讲 式中l = 以导为机组总的惯性时间常数，它包括发电机和原动机转子的惯性时间常 坦占 数；伊：( d - - c d n s 为机组转速偏差的标么值：原动机出力标么值v ：警决定于水或蒸汽 武汉尤学壤壹掌往避文蓥予盎摄投嚣熬瓣动瓤聂菸调逮鬟统静嚣磺究 豹淡爨戳殿它鳃的暴力镣嚣素；毒= j 失利动转矩标么毽，窀燕麦嗣步毫橇襄毫秀系 掰e 统煞参数秽特性决定静。通鬻程漂型审 舔动橇静臻往辩蠲常数在梳缝葱的摸健薅阕常 数中所占的比重较小。黼在模型中原动机惯性时间常数的比重疑任意的，只凝保持机 疆慧熬缀秣簿蠲鬻数帮可。 下嚣转嬲讨论农轮飒帮汽羚飒故转矩特瞧。 2 2 。1 水轮机的转矩特性 求轮枫浆转矩特性十分复杂，在避度过裁中，它与水的流爨q 、永头搿、水轮机 熬转速1 5 9 、辍速度、瓣门懿羿瘦戳及畸片静蕉度( 瓣转桨式承耱橇瑟言) 等参数弯关。 在稳态运行情况下，水轮机的转矩可以表示如下 珥：零窆煞 甜 02 加 对q - - 7 d 1 2 - - 阴口j 仃1 生l 口j 题，将征p 节给以评列阴分析j t - e f t 2 3 1 电枢回路串联电阻 当直流电动机理想空载运行时，m = 0 ，f = h n ，7 ”为电动机额定转速。代入式( 2 1 9 ) 得 。= 警一半h c ：喇) 将式( 2 1 9 ) 减去( 2 - - 2 0 ) 得 m = 竿( u - u o ) 一竿( 。) ( 2 - 2 1 ) 再将式( 2 - - 2 1 ) 取标z , 值f 4 p = 哥一警妒( 2 - - 2 2 ) 式中y = 瓦m 为电动机转袒标么值：2 百u - u o 为电压相对偏差a 对照式( 2 - - 1 0 ) 和 ( 2 - - 1 7 ) ，可将上式写为v = a v 。一b 妒；要使直流电动机的转矩特性关系与原动机相 似廊当满足 武汉大学坝| 一学位论文基于虚拟仪器的原动机及韭训速系统仿真研究 肚磴叫，拈型笋如t ( 2 - - 2 3 r m ， 尼m ， 。 如图2 - - 3 c 为电枢回路串联电阻后直流电动机的转矩特性，可以看出当增大电枢回 路串联的电阻，可以将电动机的转矩特性改变成- - 4 5 。的斜线。 图2 3 c 改变电枢回路电阻r l r 2 哦3 为获得模拟原动机转速转矩特性的自均衡系数值k c = 1 ，设电枢回路所串联的电阻 为b ，则有 尺州一：血型幺；上 ( 2 2 4 ) ： k ：mn lw k ： 或者 ln e ：= k ：i ：r + r i ) z k c l ；r x ( 2 - - 2 5 1 式中尺为电枢回路电阻，出于r r x ，当格= 1 时，电枢回路所消耗的功率( 砖足，) 约 等于电动机的电磁功率( k 层) 。由此看出，从供电电源送入的功率有近一半被附加电 阻凡消耗了。显然，这种模拟方式对于大功率的模型是非常不适应的。当模型发电机 的功率较大( 大于1 0 k w ) 时，附加电阻需要消耗大量的功率和增大电源的容量，同时 在实验室安装如此大的电阻需要良好的通风和散热，这使实验室在运行上变得复杂。 综上所述，电枢回路附加串联电阻的方案只适用于小容量的模型，对于大功率模 型是不适用的。 2 3 2 电枢电流反馈 由以上分析可知，采用上述较简单的方法将直流电动机的转矩特性改造为原动机 的转矩特性很难达到满意的效果，为此考虑采用自动控制中常用的负反馈控制来实现 对直流电动机转矩特性的改造。 额定励磁下他励直流电动机的等效电路如图2 4 所示，其中电枢回路电阻月和电 武汉大学硕士学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 感三包含整流装置内阻和平波电抗器电阻与电感，规定的正方向如图所示。 图2 4 直流电动机等效电路图 由图2 - - 4 可以列出微分方程如下【1 1 i u = r i h 等+ e e = e 聍 t t = 罴軎 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) t 。= c 。? jd(2-29) 式( 2 - - 2 6 ) 为主电路微分方程，假定电枢电流连续。其中u 为电动机外加电压， 可表示为u = 叻+ ，为理想空载电压，为负载电压。 式( 2 - - 2 7 ) 为额定励磁下的感应电势的表达式。 式( 2 - - 2 8 ) 为忽略粘性摩擦的直流电动机转矩平衡方程式。其中：疋为电动机电 磁转矩；死为包括电机空载转矩在内的负载转矩；g d 2 为电力拖动系统运动部分折算 到电机轴上的飞轮力矩。 式( 2 2 9 ) 为额定励磁下的电磁转矩表达式。式中c ，：一3 0 c 。为电动机额定励磁 下的转矩电流比，单位为n m a 。 为方便上述各式的简化运算，定义以下时间常数。 巧= 专一电枢回路电磁时间常数，其中l 包括了电枢电感和平波电抗器的电感值； l = 勇g 甄d 2 r 一电力拖动系统机电时间常数。 将力和l 带入微分方程式( 2 - - 2 6 ) 和( 2 - - 2 8 ) 并整理得 u e = r ( i d + t i ) l k = 鲁警 ( 2 _ 3 0 ) 式中如= 死c k 为负载等值电流。在零初始条件下，将上式取拉氏变换，得电压与电 武 叉大学坝= 卜学位论文基于虚拟仪器的腺动机驶儿调速系统仿真葡f 究 滚之闰夔转递蕊数为 毫滚与龟魂势之阕懿蒋递函数秀 生鲤：生 u ( 5 ) 一e ( s ) 巧s + 1 垒垃：生 l a s ) 一k ( j ) l j ( 2 3 1 ) ( 2 - - 3 2 ) 由式( 2 3 1 ) 帮( 2 3 2 ) ，并考虑n = e c 。，褥额定象磁下蠹浚亳囊程魂态羧髑 框图，如图2 5 所示。 踅2 5 额定融磁下鬟滤龟棼枫的动杰结搀露 为讨论问题方便越见，将框阉中的后两项仑并，得 rr 一= - - - _ _ h _ _ 。 强丽g d - r ，印 3 7 5 e c 。， 。 ：善。粤( 2 - 3 3 ) 望兰。o 。s 3 7 5 式中也= 了g d 万2 为首流电动机蹩个机械系统的转动惯量。 由于 m ，w 忽醛再，因此电动机控制系统框图可麓化为图2 - - 6 。 嘲z 一0且搋嗽列彤l 阉住攫制惟瑙 在瑾怒窒载鬏定转速绩激下，受载宅趱阮= 0 ，联怒空载毫流匀一，转速n r i n ， 则华端以= o ，i 放u , t 。= e 。在电机带负裁时，咐o ，n - - - - i l n + l l , 则 竺疋坚& 必= 乃，将u 。= 。舱代入蠡中，得 i d = 警上r 抽 3 4 ) 武汉大学坝i j 学位论文黼午虚拟仪器的睬动机及扎调速系统仿真研究 戏孛磁为受簸瞧压；c e = 瓣珐硝磊荛鬏定反龟势；n n 建额定转速。上式帮为壤动撬在 遭受干扰后的电枢电流方稷式雕8 1 。将上式写成标么假形式，得 。= 急一轰觇 c ：哨， 式中跏为扰渤后负载电流标么值，也怒扰动后转矩标么值，可以用v 表示；u d m , f 为 扰动前电枢负载电流标么慎，在磊为定值时，它实际也是扰动前转矩标么值，可以用 凌示；a n 安鼯就是妒。鞫就，式( 2 - - 3 5 ) 还可表示为 i = v 0 一蚩妒 q q 6 ) 将上式与式( 2 - - 1 0 ) 和( 2 - - 1 7 ) 对照，可得电动梳静鲁平衡系数为 。盖( 2 - - 3 7 ) 。 彤。 电动机的自平衡系数般较大，以某模撒梳缀为例，其磊= 1 5 2 5 v ，r - - 0 5 q ， 厶= 3 3 5 a ，则= 9 1 0 。 热蔚所遮，电抠回路审联电阻虽可敬变霹，但终必会抬离可控硅整漉电源的输出 曦压，可能遍缓整流电源工作在菲线靛区域；丽嚣魄发热浪费能豢；葬置当模羧容量 ( 厶) 不同时，其所串联的电阻也不同，因此不宣采用这种方法。如果采用电枢电流负 反馈的方法，效果会好一然。直流电机采用电流反馈的简化框图如图2 - - 7 所永( 不包 撼虚线部分) 。图孛繁甄瓣反镶巧节鄂为电抠逸滚受反续。玛+ 尹叠蔻调速器输出，其 标么值整定为童流电动枫所期直流电魇的标么值。 强2 - - 7 壹漉电动援热爱绶瑟簿纯控鬟框匿 由图2 - - 7 可得受扰动偌电枢电流方程式 毛= 羔一志”( 2 - - 3 8 ) 将式( 2 - - 3 8 ) 取标么值，并对照式( 2 - 1 0 ) 和( 2 - 1 7 ) ，得此时直流电动机的 武汉大学硕士举位论文旗子虚拟仪器的燎动机及其调遮系统仿真研究 自平衡系数麓蟛2 百赫4 可觅，电流负反馈拦赫起到了奄枢回路串联奄隘静作 用。但是，崴流电机采用电流反馈后，其秽值与k 值相关，因此，k 值的不稳定和非 线性将会绘爨孚饕特性黟攮羧豢来不楚影稳。霹辩必保证窖瞧为1 ，当模掇容量( 五) 不同时，足俊需要随之作楮应的修改。为解决上述问题，在采用宅枢电流负反馈后， 再加上转速负反馈，形成双反馈自动控制系统【7 9 1 。 2 3 。3 电椴电流反馈烟转速反馈 双反馈藏流电机自动控制系统的樵图如图2 - - 7 所示( 包括菇中的虚线部分，即采 用电枢电流负反馈后再加上转速负反馈) 。由图可樗负载电流受扰动后的方稔式为 ，产爨一互丝矗撵( 2 3 9 ) r + k 式，r + 式k ， 同样，将上式取标么值，并对照式( 2 - - 1 0 ) 和( 2 - 1 7 ) ，得直流电动机的自平衡 系数女：= 苇寒器。警鬈- 手o 。辩，g 窝霆爵渡怒旗，粼穆爵疆牮麓纯必 ：墨生( 2 - - 4 0 ) 由此可既，在石足够大时，电动机的自平衡系数与芷值无关。只要正定端啦= 酶， 就可以满足原动机模拟的自均衡系数k = 1 i ”。 综上所述，我们介绍了愿动机自警餐特性模拟的兰耱方法，l 、奄抠露路枣电阻法； 2 、电躯奄滚受反馈法；3 、宅枢电流受蔑缓霾转滁缀瑟馕。蘧遴瓣孩童各种方法的分 析，很显然铺兰种蠢法撼畿缓躲避是蠛势i 篱诵媳玉第嚣种方法的关键所在是如何得到 较大的k 值使落一曲。下面将进一步讨论如何确定参数k 的相关问题。 2 。3 4 流调方案酶选择_ 帮参数确定 为了得到足够大的k 值，可以借鏊直流电动机双环恒速自动控制系统。此系统主 要由流调环釉速调环组成，其流调环鼹一p i 调节嚣，通常被整怒为近似三阶对称最佳 秘。p i 诱繁器豹毪髓辍警予一个能避瀵羧交放大镶数静宠髑调繁嚣，在动态避疆之耪 放大倍数很小。而后很快过渡到稳定商放状态，慕放大倍数可黼达十几万。p i 调节器 的高放特性可以很好的满足式( 2 - - 4 0 ) 的假设条件，即k _ 争a 。 下嚣讨论砖子实骣熬电动掇如短途溺藏调方寨，劳将其整定梵兰验对称鬣蓬。 由图2 5 可得直流魄动机输入电压u ( s ) 与电枢电流矗( s ) 的传递函数为l l l l 1 a ( s ) 一三! 堡( 2 - - 4 1 、 u 0 )气r , s 2 4 - 爻s + 1 6 武汉犬学硕士学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 由于直流电动机的乃 r ，电流的调节过程往往比转速变化过程快的多，也即比反电 动势e 变化快得多，因此。在电流调节过程中可近似的认为e 基本不变。在设计电流 环时，暂不考虑反电动势变化的作用，将电动势的反馈断开。其原理也可从自动控制 的理论来加以证明：根据高阶系统的降阶的处理方法【1 l 】，在乃 瓦， 由大惯性环节近似处理方法【l l 】可将其简化为 害笋垂妥：熹，其中足：墨冬也，丁：瓦。近似条件为皱3 乃( 近似条件 正j ( t j + 1 ) s ( 7 s + 1 ) 。正 ” 。 。 3 ) 。这样得到整个闭环控制系统的开环传递函数为 忡竺玺型：盟坠( 2 - - 4 4 ) 以。= 锦旨厂5 群 下面根据我校动模实验室直流电动机的相关参数来整定流调环的参数。直流电动 机由可控硅供电，采用三相桥式整流电路。电机的相关参数为：型号z 2 7 l ；励 磁方式他励；功率1 7 k w ；励磁电压2 2 0 v ；额定电压2 2 0 v ；额定电 流9 0 a ；额定转速1 5 0 0 r m i n ：工作方式连续；绝缘等级定子b ，转子 b ；生产厂家西安电机厂。 通过实验和计算得以下参数： 可控硅整流电路放大系数k s = 4 0 ；电枢回路总电阻r = 0 2 q ；电枢回路时间常数 7 i = 0 0 3 s ；转子惯性时间常数l = o 1 8 s ：瓦= 0 0 0 1 7 s 电流环反馈系数局= 0 0 5 ：转 速反馈系数为= o 0 0 3 。 要将整个闭环系统整定为三阶对称最佳，则流调器的参数应整定为 = 4 丁= o 0 0 6 8 s ：k e = 1 ( 8 t 2 ) = 4 3 2 5 2 6 - = 争_ 0 8 8 2 3 。 将以上相关参数代入式( 2 - - 4 4 ) 中，得实际系统中流调器的传递函数应为 w a c r ( 5 ) = o 8 8 2 3 x 裂 ( 2 4 5 ) 如此以来，整个电流闭环控制系统被整定为三阶对称最佳1 。 由于在流调器传递函数的推导过程中，进行了如上文所述的三种近似变换( 近似 条件1 、2 、3 ) ，因此对实际确定的流调环节必须进行参数校验。 先求得系统的截止频率国。：l g - ( 堕竺堡竺) ：1 4 0 0 3 ，校验结果如下： i 、校验晶闸管近似条件：吐s 百1 = 1 9 6 1 0 ，满足： 2 、校验忽略反电动势对电流环节得影响：婢3 j 瓦1 万= 4 0 8 2 , 满足： 3 、校验大惯性环节近似条件：国。3 7 ；, = 1 0 0 ，满足。 武汉大学硕十学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 通过上述校验结果可知流调器的设计和参数整定都是正确的。 2 4 机组惯性时间常数的补偿 机组的惯性时间常数对于原动机动、静态特性的模拟以及整个调速系统的稳定性 都是至关重要的。较小的惯性时间常数无法模拟原动机的静态特性，同时也可能使整 个调速系统进入不稳定区；较大的机械惯性使机组的动态过程缓慢，对转速的快速调 节不利。因此有必要对模拟机组的惯性时间常数进行正、负补偿。通常补偿的方法有 两种：其一是增、减转轴上的飞轮片；其二是通过转速正、负反馈实现。 机组的机械惯性时间常数t m = j n 。0 。改变，可以通过增减飞轮叶片从而直接 改变机组的转动惯量( ) 的方法来实现，但这种方法存在许多弊端。如：在增加机组 转动惯量以时，增加飞轮叶片的方法虽然比较容易实现，但很难达到足够的精度，同 时如果加的叶片太多还会使主轴应力分布情况发生恶化；在减少机组转动惯量 时， 当飞轮叶片已全部减除后，转动惯量以将无法继续减小。 采用转速反馈构成的闭环自动调节系统可以方便的实现机组惯性时间常数焉的 f 、负补偿1 7j 。其原理和具体实现方法见如下分析。 设机组原有的转动惯量为 ，则直流电动机电流一转速动态控制框如图所示。 雠 图2 - 9 直流电动机电流一转速动态控制框图 由图可知，电动机力矩平衡方程式为 c ，( l l u ) = j 。册 ( 2 4 6 ) 式中c 卅似剧为转矩增量，其中，肠为负荷等值电流，c , = c j l 0 3 ：j = g d 2 3 7 5 ，5 玎 = d n d t 。 假设要补偿惯性时间常数为原来的a 倍，则补偿后的力矩平衡方程式为 g ( l 一如) = ( 1 口) 以s r l ( 2 4 7 ) 式中4 - 表示为正补偿或负补偿，为了实现补偿，将上式作相关变换，得 c ：( l 一厶) + a j s n = 以5 行 ( 2 4 8 ) 式中a j s n 可称之为惯补力矩，在控制系统框图中其相应部分称为惯补环节。为了 将惯补环节具体实现到控制系统中去，首先流调环必须已整定为近似三阶对称最佳， 从而可以简化为惯性时间常数相对可略的小惯性环节l l 2 1 ，即l 4 t 1 s k + jl i ：其次按照满载 武汉火学硪士学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究 自平衡特性模拟的要求，正定了k , , n e = k s l e * 在具备以上条件以后，将惯性环节移位， 变成以k n 为输入量，以惯补功率信号巴为输出量的反馈环节，其方程式如下， p a = k 旦。，a 1 s t n = 1 0 3 2 l ( j 匪 n 订； 疋疗= 1 2 1 口l 蚂n ( 2 - - 4 9 ) 式中e 。l = s bc o s = 0 8 5 s s = 只为机组输出的额定有功功率，乙= d n n ；s n 为补偿前 机组惯性时间常数。 图2 1 0 直流电动机加反馈和惯补环节后简化控制框图 图2 一l o 中的被虚线框包围的部分即为惯补环节。由图可见，惯性补偿环节只需 从转速反馈中抽出k n ，再经过一个比例微分( p d ) 环节，2 1 a 丁。反馈到前端的功率 输入即可。这种惯性时间常数补偿方法方便且灵活，只需要在数字化实现时做一些近 似的改动即可【7 j l ”j 。 2 5 原动机汽、水管道的模拟 原动机汽、水管道的模拟主要包括两个方面，一是水轮机水锤效应的模拟；二是 汽轮机气缸容积效应的模拟。 2 5 1 水轮机水锤效应的模拟 当无限大容量的高水源经过引水管和水轮机流入无限大的低水源时( 如图2 1 1 ) ， 在稳态情况下，引水管内的水的流速和压力是一定的。但是，当调节水阀的位置突然 改变，水的流量相应变化时，由于水的惯性，引水管内的各点的压力将发生显著的变 化，导致水轮机的功率也发生变化( 如图2 1 2 ) 。例如：当阀门关小时，由于水的惯 性，瞬时水轮机的功率不是减小反而增加；反之，当阀门突然开大时，瞬时水轮机的 输出功率反而会减小，这种现象称之为水锤效应1 6 】。 水锤效应的大小与导管的长度和阀门开闭的速度有关。设调速器输出的水门开度 为“，水锤效应输出为厶，则水锤效应的模拟可以用以下的传递函数表示 生：! 二王：! t1 + 0 5 l s 2 0 ( 2 5 0 ) 武汉大学颤j j 学位论文基于虚拟仪器的原动机及其调速系统