（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的数字式可逆励磁调节器的研究与开发.pdf

哈尔滨r 科人学硕| 学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h eo p e r a t i o no f d i g i t a l p r o c e s s o rb e c o m e sm o r eq u i c ka n dp o w e r f u l ，a n di t sp r i c ei sc h e a p e r i nt h e d e s i g no f c o n t r o ls y s t e m m o r ea n dm o r ed e s i g n e r sp r e f e rt os e l e c td i g i t a lc o n t r o l s t r a t e g y w i t ha d v a n t a g e s o ff l e x i b l e c o n t r o l ，p o w e r f u l f u n c t i o n sa n d h i g h p r e c j s i o n c o m p a r e dt oa n a l o g u ec o n t r 0 1 d i g i t a lc o n t r o l l e ri su s e dw i d e l yi o i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n h o w e v e r , a n a l o g u e c o n t r o l l e ri sd o m i n a n ti ne l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mf o ru n d e r w a t e rs h i p t h e r e f o r e i ti s at a s ko ft o pp r i o r i t yt o d e v e l o pd i g i t a lc o n t r o l l e rs u b s t i t u t e df o ra n a l o g u ec o n t r o l l e ra se a r l ya sp o s s i b l e + f h i sp a p e rp r e s e n t sr e v e r s i b l ed i g i t a lf i e l dr e g u l a t o rw i t hd s pa n dl g bt w h i c h ；ss u b s t i t u t e df o rc u r r e n ta n a l o g u ef i e l dr e g u l a t o rw i t ht h y r i s t o r sa sp o w e r e l e m e n tb vp o w e r f u lo p e r a t i o nc a p a c i t ya n de x t e r n a ls e t t i n g so fd s p d i g i t a l c o n t r o l a l g o r i t h m i sr e a l i z e da n de l e c t r i cc i r c u i ti s s i m p l i f i e d m e a n w h i l e f u l l y c o n t r o l l e di g b te n a b l e sr e v e r s i b l ef l o wo ff i e l dc u r r e n ta n dr e d u c ei nt h e s i z eo f f c re l e m e n t so fm a i nl o o p s ot h a tt h ec o m p l e t eo fd e v i c eb e c o m e s s m a l l e ra n dl i g h t e r b e g r i m i n gw i t hm a t h e m a t i cm o d e l i n go f c o n t r o io n e c t t h ep a p - e rg i v e st h e d e s i g no fr e g u l a t o r si nc u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o po ft h es y s t e mb yi n t r o d u c i n g t y p i c a ls y s t e md e s i g nm e t h o d a f t e rt h a t 、h o w t oc o n f i g u r eh a r d w a r ec i r c u i to ft h e s v s t t 、r 1 ) 、i hd s pa n di ( ：；b tj sd i s c u s s e d a n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo f1 1 a r d w a r e c i r c u i ti si n t r o d u c e d s o f t w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi s a n a l y z e d f u n c t i o n so f e v e r ym o d u l ei ns o f t w a r e s y s t e m a r e e x p l a i n e d ，a n d f l o w d i a g r a m o f s u b - p r o g r a m s i sg i v e n f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t h e s y s t e ma r eg i v e n i ti ss h o w nf r o mt e s tr e s u l t st h a t b yu s i n gd s pf o rd i g i t a lc o n t r o lo ff i e l d s y s t e m ， l a r d w a r ec i r c u i ti ss i m p l ea n dp r o g r a m m i n gi se a s y , i na d d i t i o n ，b yu s i n g i g b ti om a i nl o o po ft h es y s t e m c o n t r o ia n d o p e r a t i o no fp o w e r e l e m e n t si se a s y a n dr e l i a b l e a n dr e v e r s i b l ef l o wo ff i e l dc u r r e n tc a nb er e a l i z e d t e s ts h o w st h a t c o n t r nj s t r a t e g y i s p r a c t i c a b l e a n de f f e c t i v e 。a n d o p e r a t i o n o ft h es y s t e mi s r e l i a b l c k e yw o r d ：f i e l dr e g u l a t o r ，r e v e r s i b l e ，d s p , i g b t , d i g i t a lc o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 在发电机和电动机的控制中，我们都有可能需要一种装置来对电机的磁 场进行调宵，这种用于调节电机磁场的装置我们称之为励磁调节器。励磁调 节器在发电机中使用的目的主要是为了调节发电机的输出电压或输出电流； 在电动机中，励磁调节器的主要作用是为了在电源电压波动时保证电动机的 磁场稳定，或者是用于弱磁调速。 1 1 励磁技术发展的历史 励磁技术的发展和电力电子技术的发展是紧密相连的。在晶闸管出现以 前，人们通过在励磁回路中串接电阻的方法调节励磁电流。这种方法最大的 好处是线路简单、设备投入少、工作可靠性高。当励磁电流比较小时，用一 个小功率的可变电阻器就可以很方便的对励磁电流进行调节。因此在一些励 磁电流较小、控制要求不高的场合，这种方法至今仍在使用。但是当我们需 要较大的励磁电流时，这种方法就带来了很大的不方便。首先，由于励磁电 流较大，我们必须使用功率较大的电阻箱，而这些电阻箱的体积也会很大， 要占用相当大的安装空间，这在一些安装空间受限制的地方尤为不方便。其 次由于电流较大，电源提供的能量有很大一部分都浪费在调节电阻上了，尤 其在弱磁调速的情况下，这时电阻箱的散热也是一个难以处理的问题。第三 在大电流下，电阻箱电阻的平滑调节也不好实现。由于种种的不方便，现在 的励磁调节系统中已经很难见得到这种方式了，只是在某种特殊情况下，仍 把这种方式作为一种紧急备用。 1 9 5 8 年，美国通用电气公司研制成功第一个工业用的普通晶闸管，自此 拉开了半导体变流技术的序幕。这时候的励磁技术及时采用了电力电子技术 领域的新成就，将晶闸管变流技术用于励磁调节中，用单结晶体管和脉冲变 压器来实现对晶闸管的控制，同时用晶体三极管构成的放大电路来实现反馈 控制思想，初步实现了励磁调节的自动化。但由于晶体管的特性参数分散， 静态工作点整定麻烦，因此造成整个装置调试很麻烦，也不利于实现好的控 制思想，同时也使得整个装置的可靠性很差。随后出现的集成运算放大器使 这种情况有了很大程度的改观，集成运算放大器有很高的开环放大倍数，输 哈尔滨工程大学硕士学位论文 入阻抗很大而输出阻抗很小，只需配合很少的电阻电容元器件就可以构成各 种不同的控制器，而且调试非常简单。运用集成运算放大器可以很容易构成 p i 和p i d 调节器，而这两种调节器是工程领域用得最广泛的两种控制方式， 因此集成运算放大器一出现就被广泛的用于各种控制场合。采用运算放大器 构成的p i 调节器来控制励磁也成了当时最普遍的做法，这时的励磁调节器的 性能有了很大的改善，可靠性也得到了极大的提高。与此同时，触发电路也 有了进一步的发展，用单结晶体管来生成触发脉冲时，脉冲的占空比及频率 控制比较闲难。于是出现了用集成电路来产生触发脉冲的方法，其中5 5 5 定 时器是使用非常广泛的一种。利用5 5 5 定时器外加少量的元器件便可构成多 谐振荡器，振荡器的频率调整非常容易，而且输出脉冲的占空比可以由外加 电压来控制，从而使得晶闸管的控制更为方便。 在采用了运算放大器和改进了触发电路后，晶闸管的控制比以前方便了 很多，励磁调节器的性能也很稳定了。但是由于晶闸管导通后不能够在触发 极控制其关断，当将它用于直流斩波电路中时，必须在主回路中采用强迫换 流电路，使用起来还是很不方便。于是人们又开发出全控式的电力电子器件， 如g t o 、g t r 以及近年来得到普遍应用的i g b t 。这些全控型电力电子器件 的出现使得变流控制更容易实现，简化了励磁调节器主回路的设计。同期还 出现了许多集成的p w m 控制芯片，如l m 4 9 4 和s g 3 5 2 4 ，使用这些芯片可 以更方便地获得p w m 信号。使用了这些新的器件后，斩波器的频率和占空 比的控制变得更容易，从而使设计人员可以把更多的精力放在对控制算法的 优化上。 近二十年来，数字技术有了很大的发展，出现了很多性能优越而价格却 很便宜的单片机，越来越多的工程技术人员将数字技术用于工程设计中。借 助于数字技术，人们不但可以实现传统的p i d 控制，还可以将模糊控制技术、 神经网络技术、参数辨识技术等应用于工程控制中，设计出智能的控制器。 而近年来方兴末艾的网络技术更是给控制领域带来了全新的概念，网络技术 的应用将以前孤立工作的控制器连成了一体。连接于网络上的控制器不再只 完成指定的控制任务，而是可以根据网络上主机传来的命令执行不同的任务， 同时将各种运行参数传回主机显示或与其它控制器交换数据。设备控制者不 必亲到现场，而只需通过中央控室的上位计算机就可以掌握所有设备的工作 状态，控制设备的工作方式。可以想象，随着网络技术进一步的发展，设备 控制者甚至不必走进中央控制室，而只需通过一台连接于网络的p c 机，就 可以在任何地方监视和控制设备的运行。 实现这一美好梦想的一个重要环节是现场总线技术的应用，国外生产的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大部分控制器都已经配有现场总线接口，国内许多科研单位也在进行这方面 的研究，但国内生产的带现场总线接口的设备仍不是很多。可以肯定的是， 将数字技术和现场总线的概念用于励磁调节器的设计也必将是大势所趋。 1 2 励磁调节技术的国内外现状 随着电力电子技术、计算机技术和控制技术的发展，国外的交直流电机 调速产品已经全部都数字化了，组成系统的各部分功能被做成了通用化和标 准化的模块，可以根据不同的使用要求任意组合。励磁调节器也不再作为一 个单独的产品出现，而是电机调速产品的一个有机组成部分。这些产品在国 内的电机调速系统中被广泛地使用，并取得了良好的运行效果。 我国9 0 年代设计的某新型消磁船就采用了西门子公司的6 r a 2 4 型直流 调速装置进行励磁调节。该船的推进系统由两台直流电机构成，直流电动机 的供电由两套直流柴电机组完成。系统使用了四套6 r a 2 4 进行励磁调节，其 中两套6 r a 2 4 用于控制发电机的输出电流，以保证直流电动机的电枢电流恒 定；另两套6 r a 2 4 用于控制电动机的励磁电流，通过调节励磁电流就能实现 对电动机输出转速的控制。四套6 r a 2 4 的工作由上位的p l c 统一协调控制。 6 r a 2 4 使用的另一个例子是淄博矿务局许矿厂煤矿主井提升机的电控系 统。这套系统中提升电动机的额定功率为1 0 0 0 k w ，电机额定电压为6 6 0 v ， 额定电流为1 8 3 0 a ；励磁电压1 1 0 v ，励磁电流1 6 7 a ；电机额定转速为3 8 r p m 。 系统采用串联1 2 脉动晶闸管供电，电枢可逆，恒定励磁。电枢回路采用了两 套6 r a 2 4 进行控制，每套6 r a 2 4 控制一个整流柜。两套6 r a 2 4 按主从关系 连接仟何个整流柜发生故障时，由上位的p l c 将整流柜和相应的6 r a 2 4 从系统中切除，使系统降到半压下运行，另外用一套6 r a 2 4 控制电机的磁场 恒定。整个系统也是由上位的p l c 进行统一协调控制，但该系统在p l c 之 上另加了一个工控机进行监控显示。这套系统从1 9 9 8 年正式投入运行后一直 都工作可靠、性能稳定。 在6 r a 2 4 之后，西门子公司又于1 9 9 9 年推出新一代的直流驱动产品 6 r a 7 0 。与6 r a 2 4 相比，6 r a 7 0 从机械结构到软件特点都有重大突破。该系 统的机械结构更加紧凑，模板可自由配置，安装更为方便。装置的单机电流 达2 0 0 0 a ，扩展电流可达1 2 0 0 0 a ，可以实现单象限和四象限运行，供电电压 等级从4 0 0 v 8 3 0 v ，电枢电流范围1 5 a 2 0 0 a ，励磁电流范围3 a 4 0 a ， 过载能力可达1 5 0 。6 r a 7 0 采用了b i c o 技术，系统所有的功能模块均可 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过参数来连接。该系统采用了双c p u 来控制电枢和励磁回路，并在系统中 采用了f l a s h e p r o m ，使得软件的升级更为方便。6 r a 7 0 装置的硬件可 以以模板化的方式来扩展，扩展模板包括模拟量i o 板，开关量i o 板，装 置并联扩展板，针对p r o f i b u s d p 通讯协议的通讯板，针对s i m o l i n k 通 讯协议的通讯板，以及工艺控制板。装置可以在p c 机上通过s i m o v i s 软件 来调试。 2 0 0 0 年1 0 月，酒泉钢铁公司在对2 拌高炉的上料、布料、探尺系统的改 造中便选用了这套调速系统。其中上料系统选用了两台2 5 0 k w 、8 4 0 a 、3 3 0 v 、 4 0 0 1 0 0 r p m 的直流电机，用两套6 r a 7 0 进行控制，使电机能在四象限运行。 探尺系统选用了两台4 k w 、2 4 5 a 、2 2 0 v 、1 0 0 0 r p m 的直流电机，采用三套 6 r a 7 0 进行控制，一备两用。布料系统的角控制选用了一台8 k w 、4 3 a 、 2 2 0 v 、1 3 5 0 r p m 的直流机，b 角控制选用了一台1 7 k w 、9 2 ，2 a 、2 2 0 v 、1 1 7 0 r p m 的直流电机，每台电机各用两套6 r a 7 0 进行控制，一备一用。 在推出6 r a 7 0 直流控制器的同时，西门子公司还推出了一种被称之为 s i m a d y nd 的全数字控制器。该控制器沿用了西门子公司一贯所采用的硬 件模板和软件模块可自由配置的设计思想，并对用参数连接软件功能模块的 方式做了改进。在这套系统中，西门子公司提供了图形化的编程方式，系统 中所有的功能模块都可以用图形编程的方式进行连接。使用者在配置系统时 所面对的不再是枯燥难记的系统参数，而是意义清晰明了的图形符号，系统 配置因此变得更加轻松容易。该系统采用了多c p u 结构，因而系统精度和动 态性能较以往的控制器有了很大的提高。该系统不但可用于直流控制，还可 用于交流变频器的控制。我国水口升船机的主拖动系统就使用了这套系统， 升船机由四台直流电动机进行拖动，四台电动机通过刚性轴连接在一起，每 台电动机由一套s i m a d y n d 控制器进行控制，整个系统由上位的p l c 和工 控机来统一协调。 与国外的成熟产品比起来，国内的直流调速产品还有着相当大的差距， 虽然囱了部分数字化的产品，但控制器的性能仍难以和国外产品相比。近 年来比较常见的做法是：用进口的数字控制器来配国产的功率装置。 在我国水下舰船的电力推进系统中，所使用的电机调速产品几乎全部是 模拟控制方式。功率器件方面有的采用逆导可控硅，有的采用g t r ，最近也 有人用i g b t ，但控制回路几乎全部采用运算放大器来构成。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 课题的研究意义 在当今技术的发展中，数字控制技术由于其算法编制的灵活性、控制方 式的多样性，正以前所未有的速度普及到控制系统的各个领域。同时正是由 于控制器采用了数字控制技术，才使得网络技术得以运用到控制系统中，使 得系统的每个控制器不再工作于孤立的环境中，而是能够相互交换信息，从 而实现了系统的统一调度与安排，甚至可以进行远距离的遥控，整个系统更 加完整，更加成为一个整体。可以预言，现在开发的调速产品如果不是以数 字方式进行控制，如果不带上网络接口，那么它必定是一个没有生命力的、 没有市场的产品。而对老一代的模拟控制器进行数字化改造则是当务之急， 通过对老一代的模拟控制器进行改造，我们可以为以后设计通用型的控制器 打下基础，积累经验。 我国现有的水下舰船电力推进系统中，还在使用着大量的模拟控制器。 及早设计出数字控制器对目前使用的模拟控制器进行更新换代，并在数字控 制的基础上对整个电力推进系统进行优化设计，提高整个推进系统的控制性 能，使系统的智能化程度更高，方便操作者的使用，是我们目前面临的一个 现实问题。而数字化的可逆励磁调节器正是本着这样一种思想来设计的，希 望通过对这样一个课题的深入研究，领悟数字化的控制思想，掌握数字控制 器件的开发使用方法，熟悉数字控制器的设计方法，从而为今后全面地对推 进系统数字化打下基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章直流电机的励磁及调速 直流电机是历史上最早出现的电机，在1 9 世纪8 0 年代以前，直流传动 是唯一的电气传动方式。1 9 世纪末叶，出现了交流电机，并制成了经济实用 的笼式电机，从而交流电机在工业中逐步得到广泛应用。但在很长一段时间 里，交流电机都是不能调速的。因此工业应用领域长期以来的格局是：在需 要调速的地方使用直流电机，在不需要调速的地方使用交流电机。近年来， 随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，出现了许多交 流调速器，而且性能越来越好。但直流电机由于启动转矩大、调速性能好， 在精加工、冶金、交通等方面仍有着广泛的应用。因此将现代应用科技的成 就应用于直流电机，研究出新一代数字式的励磁调速装置仍有其实际意义。 2 1 直流电机的励磁方式 在直流电机中，由磁极的励磁磁通单独建立的磁场是电机的主磁场，也 称为励磁磁场。励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立 主磁场的问题。按励磁方式不同，直流电机可分为： 1 他励直流电机 他励直流电机是一种励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他电源对 励磁绕组供电的直流电动机，如图2 1 a 所示。 。寓目窗窝 图2 1 a ) 他励 2 并励直流电机 直流电机按励磁方式分类 b ) 荠励c ) 串励d ) 复励 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图2 1 b 所示。这种励磁绕 哈尔滨工程大学硕士学位论文 组所加的电压就是电枢电路两端的电压。 3 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图2 1 c 所示。这种电机的 励磁电流就是电枢电流，若有调节电阻与励磁绕组并联，则为电枢电流的一 部分。 4 复励直流电机 这种直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联( 称 为并励绕组) ，然后再和另一个励磁绕组串联( 称为串励绕组) ，如图2 1 d 。 也可以一个励磁绕组与电枢绕组串联后，再和另一个励磁绕组并联。若串励 绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同则称为和复励。若两个 磁通势方向相反，则称为差复励。 直流电机的运行特性随着励磁方式的不同而有很大差别。电动机的励磁 方式前述四种均可采用。直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和复 励式。 2 2 直流电机的调速指标 为了使生产机械以最合理的高速进行工作，从而提高生产效率和保证产 品有较高品质。大量的生产机械要求在不同的情况下以不同的速度工作，这 就要求我们采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要， 这种方法通常称为调速。 调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法。在用机械方法调 速的设备上，速度的调节是用改变传动机构的传动比来实现的，但机械变速 机构较复杂；用电气方法调速，电动机在一定负载情况下可获得多种转速， 电动机可与工作机构同轴，或其间用一套变速机构，机械上较简单，但电气 上可能较复杂；在机械电气配合的调速设备上，用电动机获得几种转速，配 合用几套机械变速机构来调速。究竟用何种方案，以及机械电气如何配合， 要对各种方案的技术经济指标进行比较后才能决定。 由电枢电压平衡方程可得 u 。= id + c 净n ( 2 1 ) 如果忽略电阻压降，则式( 2 1 ) 可写成 n 。旦( 2 2 ) g 中 哈尔滨工程人学硕士学位论文 由式( 2 2 ) 可知，欲改变电动机的转速，可以改变电枢端电压u 或改 变励磁磁通中。 由于提高电动机的电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，根据规定，只 允许比额定电压提高3 0 ，因此提高玑的可能范围不大，实际上改变乩应 用在降压方向，从额定转速向下调。 至于改变励磁磁通，增加的可能性不大，因为一般电动机的额定磁通已 设计得使铁心接近饱和。因此改变一般应用在减弱的方向，称之为弱磁调速， 使转速从额定值向上调节。 在调速范围要求较宽的情况下，可以结合应用上述两种方法。即在额定 转速以下降压，而在额定转速以上弱磁。 选择调速方法，必须考虑技术指标及经济指标。 ( 一一) 调速的技术指标 ( 1 1调速范围调速范围代表机械可能运行的最大转速h m “与最小 转速n 。i 。之比，即 d ：塑( 2 3 ) nr a i n 由d 的表达式可见：要扩大调速范围，必须设法尽可能地提高珂与降 低n 。电动机的n m 驭受机械强度换向方向的限制，一般在额定转速以上， 转速提高的范围是不大的。降低一。受到运行相对稳定性的限制，所谓稳定 性是指负载转矩变化下转速的变化程度，转速变化愈小。相对稳定性愈好， 能得到的 愈小，d 也就愈高。 ( 2 )静差率相对稳定性的程度用静差率6 表示。其定义为：在 一条机械特性上运行时，电机由理想空载加到额定负载，所出现的转速降落 a n 。与理想空载转速之比。用百分数表示为 6 ：盟1 0 0 ：竺二鱼1 0 0 ( 2 - 4 ) 以0n 0 显然，电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。静差 率与调速范围是互有联系的两项指标，系统可能达到的最低转速”m m 决定于 低速特性的静差率。因此，调速范围d 显然也受低速特性的静差率6 的制 约。 f 3 )平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多则认为调速愈平 滑。平滑程度用平滑系数母来衡量，它是相邻两极( 如f 与i l 极) 转速之比， 即 哈尔滨工程大学硕士学位论文 币：旦 ( 2 5 ) n j - 1 ( p 值愈接近于1 ，则平滑系数愈好。( p = 1 时称为无极调速，即转速连续 可调，级数接近于无穷多，此时平滑性最好。电动机的调速方式不同，可能 得到级数的多少与平滑性的程度也是不同的。 ( 4 )调速时的容许输出( 或调速时的功率与转矩)容许输出是指电 动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩， 对于不同类型的电动机采用不同的调速方法时，容许输出的功率与转矩转速 变化的规律是不同的。另外电动机稳定运行时实际输出功率与转矩是由负载 的需要来决定的，不同负载需要的功率r 与转矩l 也是不同的，应该使调速 方法适应负载的要求。 ( 二) 调速的经济指标 调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又 决定于调速过程的损耗。它可用设备的效率1 1 来说明。 n = 志 ( 2 6 ) 式中，p 厂一电动机的轴上功率： 卜调速时的损耗功率： 各种调速方法的经济指标极为不同，例如，它励直流电动机电枢串电阻 的调速方法经济指标低，因电枢电流较大，串接电阻的体积大，所需投资多， 运行时产生大量损耗，效率低。而弱磁调速方法则经济得多，因为励磁电流 较小，励磁电路的功率仅为电枢电路功率的1 5 。 总之，在满足一定的技术指标下，确定调速方案时，应力求设备投资少。 电能损耗小，而且维修方便。 2 3 电枢电压的调节方法 一般来说对电枢电压的改变总是往减少的方向进行调节，而减小电枢 电压可以有两种方法来实现。 ( 一) 电枢串联电阻 电枢串联电阻后，在电阻中流过电枢电流产生压降，电枢端电压随之减 低。电枢端电压的数值受负载影响很大，由图2 2 可见，转速受负载的影响 也很大，在空载时几乎没有调速的作用。在负载转矩t 下，电枢串联不同电 哈尔浜工程大学硕士学位论文 阻可得到不同的转速，图2 2 中n l h 2 h 4 现以转速由_ 降为九：说明系统的调速过程。当电枢电阻由兄突增至r 。 时，”及乜一开始不能突变，l 及r 减小，在图2 2 中，运行点即在相同的 转速下由a 点过渡到b 点，转速由r 下降为丁7 ，t = t r ，( d r g d t ) 为负， 系统减速。随着以及e 的下降，。及t 不断增高( 。= p e 。) r ) ，( t t ) 仍为负，系统继续减速，但减速度在不断减小( 因i t t i 在减小) ，直到门 降到n ：时，r 增至t ，转矩新的平衡又建立，系统以较低的转速疗：稳定运行， 调速过程终了。 图2 2电枢串联电阻调速 这种方法的调速指标不高，调速范围不大( 低速时机械特性较软，不能 满足一般生产机械对静差率的要求) ，调速的平滑性不高，并且是有极调速。 现在分析一下串接电阻调速的经济性： 电动机由电网吸取功率b 为 丑= 呱= e 。+ ：胄( 2 - 7 ) 式中，r 电枢电路的总电阻。 损耗p 为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 廿= e r = u i o - e a l 。= 呱( t 一号) = e ( 一器h 警) 效率n 为 q = 半小n o f - ni n ( 2 8 ) ( 2 9 ) 如电机带额定恒转矩负载，i a = i 。、e = 只。= u 。n 。为定值，随着n 的降低，损耗增大，效率降低。如当行= o 2 时，由式( 2 - 8 ) 及式( 2 9 ) 可 见，a p = 8 2 ，r l = 0 5 ，即转速仅调到行= m 2 时，由电网吸取功率的一半 消耗在电枢总电阻上，效率仅为5 0 。 可见，这种调速是方法很不经济的。优点是方法较简单，控制设备不复 杂。一般用于串励或复励直流拖动的电动车、炼钢车间的浇铸吊车等生产机 械上。 有时为了提高机械特性的硬度，在串接电阻的同时，再在电枢两端并 联电阻r 。，见图2 3 a 。现用等效电源法求出等效电路2 3 b ，等效电源电压是 电枢两端的开路电压 如忸。+ r b ) 】u ，等效串联电阻是电源短路时从电枢两 端看进去的电阻，即如与如并联，为r 。( r 。+ 如) 。从等效电路可得机 械方程式为 墨里 尼+ 墨曼墨丑 n ：犋一二7 竽丁：月；一l y t ( 2 - l o ) c 。mc c ，巾 ” 按式( 2 1 0 ) 可画出机械特性如图2 4 中实线所示，为了便于比较，在 该图上用虚线画出固有特性及电枢不并联电阻r 。有串接电阻如时的人为特 一陛。 与只串r 。的特性比较：当只串r 。时，疗。= u ( c 。) ，则”； ；斜率 p = ( r 。4 - 如) c 。c r 0 2 ，即p p ，由此可见，串联电阻使特性的理想空载转 速降低，而硬度则提高了。但此时仍不能平滑调速，低速的电能损耗仍然较 大。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 电机串并联电阻调速 a ) 电枢电路 b ) 等效电路 图2 4 电机串并联电阻的机械特性 ( 二) 降低电源电压 调节电动机的电枢电压有以下几种手段： 1 ) 旋转变流机组 图2 5 中给出了旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。由交 流电动机( 异步电动机或同步电动机) 拖动直流发电机g 实现变流。由发电 机给需要调速的直流电动机m 供电，调节发电机的励磁电流i ，即可改变其输 出电压u ，从而调节电动机的转速珂。这样的调速系统简称为g m 系统，在 国际上通称w a r d l e o n a r d 系统。为了供给直流发电机和电动机的励磁，通常 专门设置一台直流励磁发电机g e ，可装在变流机组同轴上，也可另外单用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一台交流电动机拖动。 对系统的调速性能要求不高时，f ，可直接由励磁电源供电，要求较高的 闭环调速系统一般都通过放大装置进行控制。g m 系统的放大装置多采用电 机型放大器( 如交磁放大机) 和磁放大器，需要进一步提高放大系数时还可 增设电子放大器作为前级放大。如果改变f ，的方向，则u 的极性和片的转向 都跟着改变，所以g m 系统可逆运行是很容易实现的。图2 6 绘出了采用变 流机组供电时电动机可逆运行的机械特性。由图可见，无论正转减速还是反 转减速时都能实现回馈制动。因此g - m 系统是可以在允许转矩范围内四象限 运行的系统。 图2 5旋转变流机组供电的直流调速系统( g m 系统) 图2 6g m 系统的机械特性 机组供电的直流调速系统在5 0 年代曾广泛地使用着，至今在某些地方仍 沿用这种系统。由于该系统需旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量相当的旋转电动机，还要一台励磁发电机，因而设备多、体积大、费用高、 效率低、安装须打地基、运行有噪声、维护不方便。因而逐步被更为经济可 靠的晶闸管整流器所代替。 2 ) 静止可控整流器 晶闸管的出现使变流技术发生了根本性的变革。今天，晶闸管电动 机调速系统( 简称v m 系统) 已成为直流调速系统的主要形式。图2 7 是 v m 系统的简单原理图，图中v 是晶闸管可控糇流器，它可以是单相、三相 或更多相数。半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置g t 的控 制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压虬，从而实现平滑调速。 和旋转变流机组相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的 提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流装置的功 率放大倍数在1 0 4 以上，其门极电流可以直接用晶体三极管来控制，不再象 直流发电机那样需要较大功率的放大装置。在控制作用的快速性方面，变流 机组是秒级，而晶闸管整流装置是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。 图2 7 晶闸管可控整流供电的直流调速系统 品闸管整流器也有它的缺点。首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允 许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。由半控整流电路构成的v m 系统 只允许单象限运行。全控整流电路可以实现有源逆变，允许电机工作在反转 制动状态，因而能够获得两象限运行。必须实现四象限运行时，只好用正、 反两组整流电路，所用的交流设备要多一倍。 晶闸管的另一个缺点是：元件对过电压、过电流以及过高的d u d t 和d i d t 都十分敏感，其中任何一项指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件， 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时应留 有足够的余量。 最后，系统低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很 低，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。 3 )直流斩波器和脉宽调制变换器 在由直流电源供电的场合下，常采用晶闸管构成的直流斩波器来控制电 枢电压。 “崮； i 嘲 图2 8 斩波器电动机系统的原理图和电压波形 a ) 原理图b ) 电压波形 采用晶闸管的直流斩波起基本原理示于图2 8 a 中。与整流电路不同的是， 在这里晶闸管v t 不是受相位控制，而是工作在开关状态。当v t 被触发导 通时，电源电压u 。加到电动机上，当v t 关断时，直流电源与电动机断开， 电动机经过二极管v d 续流，两端电压接近于零。如此反复，得电枢电压波 形“= ( f ) 如图2 8 b 所示，好象是电源电压u 在一段时间( r t o ) 内被斩断 后形成的。这样，电动机得到的平均电压为 r = 等u = p 玑( 2 - 1 0 ) 式中，卜晶闸管的开关周期： 。_ v t 开通时间： p = 乙。r = f 。f 占空比； 广一开关频率。 晶闸管一旦导通，就不能再用门极触发信号来使它关断，若要关断，必 哈尔滨工程大学硕士学位论文 须在阳、阴极间施加反压，这就需要一种附加的强迫关断电路。受晶闸管关 断时间的限制，由普通晶闸管构成的斩波器的开关频率只能是1 0 0 2 0 0 h z 。 为了缩小装置的体积，可用逆导可控硅代替普通晶闸管和反向二极管，同时 开关频率也可适当提高。 由晶闸管构成的斩波器开关频率不高，因而输出电流脉动较大。调速范 围有限。此外，附加的强迫关断电路增加了装置的体积和复杂性。因此人们 又研究了许多既能控制导通又能控制关断的全控式电力电子器件，如g t o 、 g t r 、电力m o s f e t ，1 g b t 和m c t 等。全控式器件的关断时间短，因而由 它们构成的斩波器其工作频率可以提高到1 4 k h z ，甚至达到2 0 k h z 。采用 全控器件进行开关控制时，多采用脉冲宽度调制的方式，形成近年来应用日 益广泛的p w m 装置电动机系统，简称p w m 调速系统。 与v m 系统相比，p w m 调速有以下优点： 1 ) 开关频率高，仅靠电枢电感滤波作用就可获得脉动很小的直流电流， 电枢电流容易连续，系统低速运行平稳，调速范围较宽，可达1 ：1 0 0 0 0 左右。 由于电流波形比v m 系统好，相同输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。 2 ) 同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得 很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。 3 1 由于电力电子器件只工作于开关状态，主电路损耗较小，装置效率 较高。 2 4 弱磁调速 减弱磁通，小容量系统可在励磁电路中串接可调电阻饧来实现，容量大 时则用单独的晶闸管整流装置或直流斩波器向电动机的励磁回路供电，如图 2 9 所示。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 9 弱磁调速系统示意图 a ) 小容量系统b ) 较大容量系统 弱磁调速时，机械特性方程为 疗：黑一害丁 ( 2 - 1 1 ) e me c r 中2 、 。 当中减弱时，理想空载转速n = u 缸m ) 将升高，特性的斜率 p = r 。( c 。c ，中2 ) 将增大。但比p r 增加得快，因此一般情况下，o 的减弱 使转速”升高，即从额定转速向上调速。 弱磁调速范围对于普通电动机来说最多为d _ 2 ；对于特殊设计的额定转 速较低的调磁电动机d = 3 4 。主要原因是弱磁调速在额定转速以上调节，电 动机的n 。不可能太高，它受电动机的机械强度及换向的限制。另外，为了 保证在”。时有一定的转矩输出，调磁电动机的电枢绕组必须按较大韵电流 设计( 因为疗。时中小，一定时，l 必须较大) 。 在低速时，中较大，为了使电动机的磁路不致饱和，电动机的体积及耗 费的材料又需大为增多，显得不经济。 弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能 量耗损小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降 压调速配合应用，以扩大调速范围。 应该注意的是，如果它励电动机在运行过程中励磁电路突然断开，中变 成很小的剩磁，此时不仅使电枢电流大大增加，而且由于严重弱磁，转速将 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上升到危险的飞逸转速，甚至可以把整个电枢破坏，必须有相应的保护措施。 从功率和转矩的角度来看，电枢电压调速方案适用于恒转矩的场合。弱 磁调速方案适用于恒功率场合。在选择系统的调速方案时，要注意这一点。 2 5 本章小结 本章首先对直流电机的四种励磁方式作了一个简单的介绍，然后给出了 选择调速方案时所要考虑的技术指标和经济指标，接着讨论了电枢电压调速 的方法，最后对弱磁调速的特点作了一个简要的说明。 堕玺遗三墨盔堂堡主堂堡堡塞 第3 章系统的数学模型和调节器计算 设计一个控制系统时，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模 型是描述系统内部物理量之间关系的数学表达式，在静态条件下，描述变量 之间关系的代数方程叫静态数学模型；而描述变量各阶导数之间的关系的微 分方程叫动态数学模型。有了微分方程，就能对系统输出进行量化分析，从 而获得系统的动、静态性能。因此，建立系统微分方程是设计控制系统的首 要任务。 建立系统的数学模型有分析法和实验法两种方法。分析法是对系统各部 分的运动机理进行分析，根据它们所依据的物理规律或化学规律分别列出相 应的运动方程。实验法是人为地给系统施加某种测试信号，记录其输出响应， 并用适当的数学模型去逼近，这种方法称之为系统辩识。由于直流电机的运 动规律已经很清楚，所以本文采用第一种方法建立数学模型。 3 1 控制对象的参数 要对系统进行量化分析，首先要获得控制对象的特性参数。本系统的控 制对象为直流电机，电机为双励磁双电枢结构，电机参数如下： 励磁绕组电阻：r 。= 7 0 9 q ( 7 5 时) 励磁绕组电感：l m = 3 3 9 4 h ( i ，= 1 9 5 4 a 时) 励磁绕组电压：u 。= 6 4 0 v 电枢回路电压：u a = 7 7 0 v 8 4 0 v 电枢额定电流：i a _ 3 0 7 9 a 电机的转速范围：2 2 r m i n 2 1 6 r m i n 电机轴飞轮力矩：g d 2 = 1 8 6 9 0 k g m 2 3 2 直流电机的数学模型 本系统控制的直流电机为专门设计的电机。虽说使用的是调磁通的方式 来调节电机转速，但由于负载为螺旋浆，而螺旋桨产生的阻力与其转速的平 方成正比，因此电机减弱磁通时，输出功率不但不恒定，相反还要成倍增加。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实际上电机在设计时，其额定功率下的磁通选得较低，调速时，电机磁通实 际上是从额定磁通向上调节，速度是从额定转速往下调，这一点与普通弱磁 调速的概念是非常不同的。 3 2 1 励磁回路的传递函数 + 图3 1 励磁回路的等效电路 励磁回路实际上就是一个感性负载，由图3 1 可列出微分方程如下 = m r m + 厶鲁 对式( 3 - 1 ) 进行拉氏变换后整理得 盟：j 整 u 。( s ) 1 + s 式中， 如励磁回路电阻； l ，励磁回路电感： 瓦= 三。r ，励磁回路的电磁时间常数。 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2 励磁电流对输出转速的传递函数 直流电机电枢回路的等效电路如图3 2 所示 图3 2 直流电机电枢回路的等效电路 1 )首先计算电磁转矩与励磁电流的关系 电枢回路的感应电动势按下式计算 e = t 中n = e 厶i 。n 式中， c 。电动势常数； l 励磁回路电感 ，。励磁回路电流： 中电动机励磁磁通； r t 电动机转速。 令q = c , l 。，则上式可写成 e = c i r o n 电枢回路的电压平衡方程为： u a - i 凡地+ e 式中，虬电枢端电压： 2 l ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j 。电枢电流； l 电枢电感； r 。电枢回路总电阻。 在弱磁调速时，由于励磁电流l 的变化相对于电枢电流的变化是比较慢 的，因此