（电力电子与电力传动专业论文）全数字直流调速技术在矿井提升机中的应用.pdf

s u b j e c t t h ea p p l i c a t i o no ff u l ld i g i t a ld c s p e e dm o d u l a t i o n t e c hn o l o g yi nm i n ee l e v a t o r s p e c i a l t y p o w e re l e c t r o n i c s p o w e r d r i v e r s n a m e s u nj i n g i n s t r u c t o r x uj u n a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e t h em i n ee l e v a t o ri so f t e nc a l l e db yt h ep e o p l et h ep h a r y n xa n dl a r y n xo fm i n e i s s h o u l d e r i n gt h eo r e t h em a t e r i a l t h ep e r s o n n e la n d s oo ni m p o r t a n tt r a n s p o r t a t i o n r e s p o n s i b i l i t y a tp r e s e n t o u rc a p a c i t y sm i n e r a lp r o d u c te l e v a t o rd ct r a n s m i s s i o ns y s t e m u s e st h et h y r i s t o r e l e c t r i cm o t o r 嬲p o w e rs u p p l y i t sc o n t r o ll o o pu s e st h es i m u l a t i o n e l e c t r o n i cc i r c u i tc o n s t i t u t i o n t h i sc a u s e sc o n t r o ll o o p sh a r d w a r ee q u i p m e n ta n dc o m p l e x a l o n gw i t hm i c r o p r o c e s s o r sa p p e a r a n c ea n do p e r a t i n gs p e e d se n h a n c e m e n t t h ec o n t r o l s y s t e mt r a n s i t sf r o mt h eo r i g i n a la n a l o g o u ss y s t e mt ot a k et h eh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s o r a s t h ec o r ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m c a u s e ss p e e dm o d u l a t i o ns y s t e mm a n yk i n d so ff u n c t i o n st ob e p o s s i b l et h r o u g hm i c r o c o m p u t e rp r o c e s s i n g r e a l i z e sw i t ht h es o f t w a r e t h i sa r t i c l er e s t so nt h ei n n e rm o n g o l i a nt a i x ig r o u po fh o n g s h a g a n gc o a lm i n e h a s d r a w nu pi t sa u x i l i a r ys h a f te l e v a t o r sd i g i t a lc o n t r o lt r a n s m i s s i o ns y s t e mp l a n f i r s th a s c a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h ed o u b l ec l o s e dl o o ps p e e dm o d u l a t i o ns y s t e m sm a t h e m a t i c a l m o d e l h a sd e s i g n e dt h ep ir e g u l a t o ro ft h es p e e da n dt h ec u r r e n t a n du s i n gt h em a t l a b s o f t w a r ea sl o g i cn o n l o o p c u r r e n ts rs y s t e mm o d e l a n dh a sd e s i g n e dd l c i t ss i m u l a t i o n r e s u l th a sp r o v i d e dt h ee s s e n t i a lt h e o r yb a s i sf o rt h ea c t u a ls y s t e m t h i ss y s t e mt a k et h ea n n p r o c e s s o ra sac o r e s u b s t i t u t e sf o rs p e e da n dt h ec u r r e n tr e g u l a t o r t h et r i g g e ra n ds oo ni nt h e o r i g i n a ls i m u l a t i o n r e a l i z e dt h en u m e r i c a l c o n t r o ll o g i cn o n l o o p c u r r e n ts rs y s t e m t h e s o f t w a r ep a r tu s e sl a p d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t r e a l i z e dt h ed i g i t a lp ia d j u s t m e n t t h e d o u b l ec l o s e dl o o pv e l o c i t ym o d u l a t i o n l o g i cn o tt oh a v et h ec i r c u l a t i o nr e v e r s i b l ea n ds oo n t h es t r a t e g yc o n t r 0 1 t h es c e n ed e b u g g i n ga n dt h em o v e m e n tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i ss y s t e mm a ys a t i s f yt h e s c e n ep r o d u c t i o nm o v e m e n tt h er e q u e s t t h ee n t i r ed i g i t a ld cv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m w i d e l yw i l la p p l yi nt h em i n ep i te l e v a t o r sd i r e c t c u r r e n tv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m k e y w o r d s m i n ee l e v a t o rf u l ld i g i t a ld cs p e e dm o d u l a t i o n l o g i cn o n l o o p c u r r e n t s rs y s t e m t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要错技 k 学 学位论文独创 陛说明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果 尽我所知 除了文巾加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 b 磊 日期 如刁 夕 学位论文知识产权声明书 一躲枷岁 师琴二蟛月7 日 1 绪论 l 绪论 1 1 论文选题的背景 矿井提升机也称矿井卷扬机 是煤炭 有色金属矿石等生产过程中的大型关键设备 也是井上和井下的唯一输送通道 提升机主要用于升降人员和矿石 煤炭等 其性能和 安全可靠性直接影响着煤炭 矿石的生产及作业人员的生命安全 一旦发生事故必然导 致人员伤亡和设备的严重损坏 矿山正常生产中断 造成重大的经济损失 素有 矿山 咽喉 之称 矿井提升机种类繁多 按照井道结构分 有立井与斜井 按照传动电机分 为交流 传动和直流传动提升机 按容器功能分 则有箕斗和罐笼 按钢丝绳结构方式分 则有 单绳和多绳摩擦轮提升机 按矿井功能分为主井 输送矿产品 与副井 输送人员与材 料等 按提车点的多少分为单水平和多水平提升机 纵观电气传动系统的发展历程 它经历了从恒速到调速 从低性能到高性能 从单 机独立运行到多机系统控制等发展过程 随着技术的发展 对电气传动在起制动 正反 转以及调速精度 调速范围 静态特性 动态响应等方面都提出了更高的要求 这就要 求大量使用调速系统 在工程实践中 有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的 平滑调节 并且要求有良好的静 动态性能 几种提升机电气传动方案存在的不足 1 绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速系统 有级调速 调速性能差 能耗 大 运行效率低 运行状态的切换死区大 2 g m 直流可逆调速系统 运行效率较低 占地面积大 噪声大 维护工作量大 耗费金属量大 用电量大等 3 v m 直流可逆调速系统 晶闸管的过载能力较低 低速时功率因数较低 由于 高次谐波的影响 使电网电压波动加大并导致畸变 易引起 电网公害 4 交 交变频调速系统 必须有专用的变频电源 在恒转矩调速时 低速段电机的 过载倍数有所降低 高次谐波对电网有影响 需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解 传统的晶闸管直流调速系统 其控制回路采用模拟电子线路构成 晶闸管触发器多 数还是采用分立元件组装成的 这就使得控制回路的硬件设备及其复杂 安装调整困难 相对故障率高 控制精度及可靠性较低 随着微处理器的出现及运算速度的提高 控制 系统由原来的以模拟量反馈 模拟控制器为核心的连续控制系统过渡到以数字量处理为 主 以高速信号处理器为控制核心的数字控制系统 使调速系统的控制 检测 监视 故障诊断等多种功能均可通过微机处理 借助软件来实现 西安科技大学硕士学位论文 数字调速系统与模拟调速系统相对比 技术性能有如下优点 1 常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替 从而简化系统结构 减 少了电子元件虚焊 接触不良和漂移等引起的一些故障 而且维修方便 2 静态精度高且能长期保持 3 动态性能高 且参数调整方便 4 调速范围宽 电压波动小 5 可采用数字反馈来提高系统的精度 6 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能 7 系统可以方便的设计监控 故障自诊断 故障自动复原程序 以提高系统的可 靠性 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 在中功率提升机中 部分发达国家如德国 瑞典等的提升机传动系统已基本上被晶 闸管一电动机 以下简称v m 系统所取代 大都采用低速直联式 省去减速机 使系统 大为简化 从7 0 年代开始 随着微机技术的发展 微机控制技术己逐步应用于矿井提 升机中 目前 国外已达到相当成熟的阶段 其应用主要体现在 提升工艺过程 提升行 程控制 提升过程监视 安全回路 制动系统的控制与监视 全数字化调速控制系统 8 0 年代 国外的一些公司相继推出了全数字直流调速系统 如德国a e g 公司的l o g i d y n d 3 2 位机 西门子公司的s i e m a d y nd 1 6 位机 以及a b b 公司的t y r a k 1 6 位机 系统 都已应用于提升机上工业发达国家的全数字直流调速装置已形成系列化的标准产品 并 且在电气传动领域的许多工业现场得到广泛应用 但是我国对数字控制技术的研究和应用起步相对较晚 直到9 0 年代才陆续开发 研制全数字直流调速装置 并且由于我国的工业基础比较低 研制同类产品在电子控制 板件上存在着器件质量 制造工艺等方面的诸多问题 一直未能推出自己的性能先进 质量可靠的全数字直流调速产品 1 3 本课题研究的意义 目前 世界上工业发达国家的全数字直流调速装置己形成系列化的标准产品 并且 在电气传动领域的许多工业现场得到广泛应用 全套直接引进国外全数字直流调速装置 需要大量的资金 在市场经济环境里缺乏竞争力 但是要将矿井电控系统建设成为安全 可靠 高效率 自动化程度高的系统 全部采用现有的国产提升机电控系统显然是无法 满足的 因此 利用国外先进的数字控制技术 设计一个数字控制器 取代原模拟调速 系统中的速度调节器 电流调节器 触发器等 实现逻辑无环流可逆调速 有着重要的 现实意义 2 1 绪论 由于直流电气传动技术已达到比较成熟的地步 在矿井提升系统中应用相当普遍 尤其是全数字直流系统的出现 更提高了直流调速系统的精度及可靠性 特别是当前现 场总线技术在工业领域的普及和发展 就更加确立了数字控制的主导地位 对于我国矿 井提升机电控系统可靠性有了极大的提高 增加了控制系统的安全性 并将广泛地应用 于机械传动的直流调速系统中 1 4 课题的主要工作 希望通过本课题的研究真正掌握全数字直流控制技术在矿井提升机传动系统中的 工作原理 并对提升机传动系统进行现场调试 以证明系统设计的正确性 保证系统运 行平稳 安全可靠 1 在分析和掌握矿井提升机运行机理和安全规范的基础上 完成数字控制的传动 系统总体方案确定 2 建立转速 电流双闭环调速系统和逻辑无环流直流可逆调速系统的数学模型 并利用m a t l a b 软件进行仿真 3 利用国外先进的数字控制技术 设计一个数字控制器 取代原模拟调速系统中 的速度调节器 电流调节器 触发器等 实现逻辑无环流直流可逆调速 4 系统调试 验证系统的正确性和可行性 3 西安科技大学硕士学位论文 2 1 矿井提升机的速度控制 2 系统方案设计 安全性 可靠性和高效性是对矿井提升机运行的基本要求 传统运行方式由于其速 度曲线在加减速和启停车都存在着严重的突变 极易在传动系统产生大电流冲击 造成 罐笼振动和设备故障 严重影响设备的安全运行和使用寿命 极大地增加设备的维护成 本 且无法满足人体对乘坐舒适感的基本要求 因此对提升机运行速度的控制 必须要 有一个按照速度的要求而确定的可靠的控制参考信号 即调节系统中的 速度给定信 号 才能保证安全和准确安全地完成提升任务 目前采用的方法有两种 即时间给定 v y o 给定参考以时间为函数 其减速点仍然以设定的某行程给出 行程给定 1 娟 给定参考值以行程为函数1 6 1 就时间给定方式而言 实际调速系统存在静态误差时 目前国内提升机动力制动调 速系统大部分属此类 将会出现如下问题 1 在下放重物时 提升容器到达井口速度加大 不安全 2 该方式受负载影响其减速时间变化较大 影响效率和安全 上述问题已在实践中得以证实 经进一步分析可知 即是系统不存在静态误差 现 代控制调速系统都可以满足其要求 也将会由于调速系统的误差 在使用中出现对安 全和效率不可忽视的影响 若再考虑在速度变化时所出现的跟随误差 其影响将会更加 不利 在等速段 减速段 当实际速度和加速度与设计值出现工业控制系统中所允许的 微小误差时 将会引起的最终位置的偏差 应该说 这些偏差值与停车精度的要求 士0 2 m 和过卷高度要求 0 5 m 相比 都是十分可观的数值 将会对提升安全和效率产生十分不 利的影响 时间给定控制方式特别是在减速段 因其积分作用可能产生较大的路程 速 度偏差而导致对提升安全极为不利的影响 所以 无论从工作原理或从使用角度 时间 给定方式都不适宜在提升控制中推广使用 本文采用行程给定方式 在提升机系统中 行程控制是关键技术之一 目前 国内 对行程控制的认识不一 实现行程控制的方法也多种多样 这种技术由计算机实现 全 参数可调 以行程为自变量 按行程自动生成设计速度图的速度给定值 控制提升拖动系 统运行 行程给定控制中的被控参量速度和加速度的误差和偏差出现后 会立即被调节 纠正 或是不再经积分而扩大 因此不会导致最终在累计值中出现不允许的偏差 因此 其控制精度较高 能够满足提升安全的要求 提升机在运行过程中要求高效 平稳 安全 副井提升机还应保证矿井上下人员的 舒适感 梯形速度图是我国提升机运行中广泛采用的一种速度图 能够基本满足控制要 4 2 系统方案设计 求 它根据加减速特性的不同可分为5 个阶段 包括启动加速段 匀速段 一减速段 匀速爬行段和二减制动段5 个阶段 构成了矿井提升机一次完整的运行周期 6 1 如图2 1 所示 其中 l 为启动加速段 t l t 2 为匀速段 t 2 一t 3 为一减速段 t 3 t 4 为匀速爬行段 t 4 t 5 为二减速段 图2 1 实际5 阶段速度图图2 2 非对称5 阶段理想s 形速度曲线 随着社会发展和技术的进步 人们对矿井提升机运行的安全 高效和乘坐舒适感等 特性要求越来越高 5 阶段速度图也体现出一些不足 一是对电网造成冲击 形成尖峰 负荷 影响整个电网系统的正常运行 二是对提升系统机械部分产生动态冲击 加剧钢 丝绳的摆动 对提升机的稳定运行造成不良影响 究其原因 主要是这种折线形速度图 的速度过渡不平滑 在速度的变化拐点处加速度变化率过大而造成突变 因此 为了解 决折线形速度曲线所产生的问题 实现速度图的平稳变化 利用计算机技术 实现提升 运行速度曲线的s 化 产生s 形速度给定曲线 并且通过修改有关提升控制参数 使得 无论是加速起动段 还是减速制动段 都可以产生所期望的速度给定曲线 其速度计算 是加速度的变化率对时间的双重积分 能给出每一计算周期内的实际给定值 从而产生 计算过程的运行曲线俨 廊 这样 用抛物线和直线综合成的速度曲线即可实现速度折 点处的平滑过渡 6 j 非对称5 阶段理想的s 形速度给定曲线如图2 2 所示 图中 o a b c 段为提升机罐笼的启动加速阶段 耐段提升机罐笼以额定速度1 l 作匀 速运行 速度曲线为水平直线段 d e f g 段为一减速段 罐笼从额定速度v l 减速到爬行速 度v 4 g h 段为提升机以额定速度 作匀速爬行段 办f 段为二减速停车段 矿井提升机的实际速度运行曲线是由其控制部分的给定速度曲线决定 所以 要实 现按理想s 形速度曲线运行 只需速度给定曲线是理想s 形速度曲线即可 在现代矿井 提升机的控制系统中 s 形速度的给定方式一般有2 种方式 第1 种直接给定所需速度 值 经过控制系统中传动装置的软件包中的斜坡函数发生器平滑后生成 第2 种s 形速 度给定方式 是通过软件方式直接生成所需的理想s 形速度给定曲线 一般由p l c 控 制实现 其特点是可根据用户需要进行编程 应用灵活 本文采用第二种速度给定方式 5 西安科技大学硕士学位论文 2 2 设计思想 本设计依据内蒙古太西煤集团红沙岗煤矿的技术要求 本着低成本 提升可靠性高 的原则 拟定了其副井提升机数字控制的传动系统方案 红沙岗煤矿技术要求 提升机 j k m 3 0 x 4 多绳摩擦轮提升机 提升方式 双罐笼 提升水平 二水平 提升任务 提升人 材料 矸石等 操作方式 手动 自动 半自动 检修 提升高度 约7 0 0 m 最大提升速度 9 2 1 m s 力h 减速度 0 7 m s 2 钢丝绳静张力差 9 5k n 摩擦轮 直径 3 0 m 电动机 低速直联电机 额定功率 1 5 0 0 k w 额定电枢电压 8 0 0 v 额定电流 2 1 6 4 a 额定转速 4 4 r m i n 图2 3 为红纱岗副井5 阶段速度图 图2 4 a b c d 分别为红纱岗副井带载 提升 下放的速度图和力图 1 0 0 5 0 图2 3 红纱岗副井5 阶段速度图 a 上提人速度图 力图 6 5 0 0 2 一 仁 5 1 0 r f k n v m b 下放人速度图 力图 2 系统方案设计 f k n v m s 1 0 1 0 0 2 0 0 o2 0 4 0 8 仁 1 5 ij 1 0 r1 r c 上提大件设备速度 力图 d 下放大件设备速度 力图 图2 4 红纱岗副井上提 下放的速度图与力图 设计思想 该项目传动系统拟采用并联1 2 脉动晶闸管 电动机直流供电方案 恒磁 4 象限运行 实现数字控制的逻辑无环流可逆调速 由软件实现系统功能 取代原双闭 环调速系统中的转速调节器 电流调节器 触发器等 从而使直流调速系统实现数字化 2 3 系统方案的选择 2 3 1 主回路方案的选择 结合几种提升机电气传动方案 目前 我国矿井提升机的调速传动系统根据电机容 量可分为以下几种情况 1 电机容量在3 0 0k w 以下的矿井提升机 电控系统一般采用交流调速系统 2 电机容量在3 0 0k w 至2 0 0 0k w 的电控系统一般采用电动机 晶闸管直流调速系 统 3 电机容量在2 0 0 0k w 以上的电控系统一般采用交一交变频交流调速系统 原因是 成本方面 直流调速系统成本低 只有三 四百万 交一交变频的调速系统成本 较高 高达上千万 交流调速的变流装置比直流调速的要贵 这是因为变流调速用变流 装置按电动机的电压电流峰值选择器件 当三相电流中某一相电流处于峰值时 另两相 电流只有一半 交流的大部分器件得不到充分利用 增加了成本 虽然交 交变频系统 的变流装置较贵 但其采用了同步电机 电机的低成本且不需过多的维护 可以补偿变 流装置增加的成本 调速方面 直流电动机具有良好的静 动态特性和控制性能 能按生产机械要求 在一定范围内进行速度的平滑调节 虽然直流系统的调速性能好 但交流传动矢量控制 7 西安科技大学硕士学位论文 直接转矩控制理论的应用 使交流调速系统的性能可与直流调速相媲美 且损耗大大降 低 但为了获得同样的性能 交流调速系统要比直流系统复杂 对电网的影响 可控整流直流调速对电网的污染较小 而交 交变频交流调速不 仅存在相对较大谐波 还有旁频 谱线数目增加等 应用方面 由于直流调速系统的成本低 且在理论上和实践上都已成熟 因此一 般应用于中容量的矿井提升机 然而 由于直流电机具有电刷和换向器 制造工艺复杂 等缺点 使之很难向高转速 高电压 大容量发展 又由于交一交变频器的输出频率最 大只能达到输入电源频率的1 3 左右 因此交 交变频器调速系统适用于低频 低速大容 量的矿井提升机场合 由于红纱岗副井的电机容量为1 5 0 0k w 其系统主回路拟采用 晶闸管 电动机 v 二m 直流调速系统 双变流器并联组成1 2 脉动整流 恒磁供电方案 见图2 5 通过调节触发器的触发角来改变晶闸管整理器的控制电压 即可改变其输出电压 从而实现电动机调速 该方案突出的优点是变流系统对电网的干扰小 特别是谐波分量 的减少 可以避免对电网系统的重度污染 有利于提高传动系统的调速性能和调速精度 并且系统简单 可靠 便于使用和维护 所以被广泛应用于直流调速系统中 图2 5 电动机 晶闸管并联1 2 脉动直流调速系统 该主回路由两组相位相差3 0 的6 脉波电枢可逆整流电路并联组成1 2 脉动电枢可逆 电路 主整流变压器可为一台三绕组变压器 联结组分别为 1 2 和a y 1 1 两绕组 之间相位相差3 0 两个二次绕组分别为两组三相整流桥供电 两组整流桥通过平波电 抗器进行并联后向直流电机供电 为了使两组整流电压的瞬时值相等 应加均流电抗器 使两台变流装置得以均流 保证两个回路间电流的平衡度 限制了环流 电路中使用两 台直流快速断路开关对电机进行保护 并联1 2 脉动方案一般用于需要全速半载的场合 如副井提升 当任一个并联回路 的某一回路故障时 可切除故障回路 变为6 脉动运行 即为全速半载运行 但在此场 合其整流变压器必须为两台双绕组变压器 以便切除故障 而串联1 2 脉波方案一般用 8 2 系统方案设计 于需要满载半速运行的场合 如主井提升 2 3 2 控制系统方案的选择 该控制系统主要由三部分组成 控制回路 驱动电路和检测电路 其结构框图如图 2 6 所示 采用a r m 处理器中的l m 3 s 6 1 5 芯片作为数字控制器 并用微机实现数字给 定 数字调节器及数字触发 将由电流互感器得到的电流反馈信号 由光电码盘测得的 转速反馈信号及转速给定经a d 转换后送入l m 3 s 6 1 5 微处理器 由其进行数字调节计 算 求出脉冲触发角 并将其转化成定时器定时时间常数 定时时间到产生触发脉冲 经脉冲放大板将触发脉冲进行放大 再经脉冲触发电路来驱动大功率整流电路 由 l m 3 s 6 1 5 芯片发出逻辑切换信号对正 反组整流桥进行切换控制 分别驱动正反两组 三相全控桥 构成并联1 2 脉动全数字调节 晶闸管直流供电 恒磁四象限运行的逻辑 无环流可逆调速系统 转速给定 电流反馈信号 转速反馈信号 触 静匾 冲 触发逻辑信号 2 4 本章小结 电流检测 正组6 脉冲 触发器 反组6 脉冲 触发器 转速检测 正组 整流桥 反组 整流桥 电动机 图2 6 全数字控制系统结构框图 本章主要在了解矿井提升机的速度控制技术后 提出了设计思想 并对传动系统的 主回路和控制系统方案进行了设计 为后续章节奠定了理论基础 9 西安科技大学硕士学位论文 3 双闭环直流调速系统 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的恒流过 程 按照反馈控制规律 采用某个物理量的负反馈可以保持该量基本不变 因此采用电 流负反馈得到近似的恒流过程 为了在启动过程中只有电流负反馈起作用以保证最大允 许恒定电流 不应让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端 到达稳定转速后希 望能使转速恒定 静差尽可能小 应只要转速负反馈 不再靠电流负反馈发挥主要作用 因此 需要一种调速系统使既有转速和电流两种负反馈作用 又使它们只能分别在不同 的阶段起主要作用 即转速 电流双闭环调速系统 3 1 双闭环直流调速系统的组成与工作原理 双闭环直流调速系统采用速度环 电流环双闭环控制系统 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 两者之间实 行串级联接 这就是说 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 转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直 流调速系统 其原理结构如图3 1 所示 其中 a c r 为电流调节器 a s r 为转速调节器 g t 为脉冲触发器 t g 为测速电机 t a 为电流互感器 图3 1 直流电动机双闭环调速系统原理图 双闭环控制直流调速系统的特点是 电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器 分别控制 且转速调节器的输出就是电流调节器的输入 因此电流环能够随转速的偏差 调节电动机电枢电流 当转速低于给定转速时 转速调节器的积分作用使输出增加 即 电流给定上升 并通过电流环调节使电动机电流增加 从而使电动机获得加速转矩 电 动机转速上升 当实际转速高于给定转速时 转速调节器的输出减小 即电流给定减小 并通过电流环调节使电动机电流下降 电动机将因为电磁转矩减小而减速 在当转速调 节器饱和输出达到限幅值时 电流环即以最大电流限制实现电动机的加速 使电动机的 1 0 3 双闭环直流调速系统 起动时间最短 在不可逆调速系统中 由于晶闸管整流器不能通过反向电流 因此不能 产生反向制动转矩而使电动机快速制动 双闭环调速系统的调节器均采用p i 调节器 比例积分调节器能够快速响应控制作 用并能消除静差 静 动态特性较好 抗干扰能力强 对整个系统能够起到安全保护作 用 提高了系统的稳定性 两个调节器的输出都是带限幅作用的 转速调节器a s r 的 输出限幅电压 决定了电流给定电压的最大值 电流调节器a c r 的输出限幅电压 限制了电力电子变换器的最大输出电压 当负载电流小于 时表现为转速无静差 转速负反馈起主要调节作用 当负载电流达到 时 对应于转速调节器的饱和输出 这时 电流调节器起主要调节作用 系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护 转速调节器的作用 使转速跟随给定变化 稳态无静差 对负载变化起抗扰作用 其输出的限幅值决定允许的最大电流 电流调节器的作用 对电网电压波动起及时抗扰 作用 起动时保证获得允许的最大电流 在转速调节过程中 使电流跟随其给定电压变 化 电机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 从而起到快速的保护作用 如果故 障消失 系统能够自动恢复正常 3 2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 3 2 1 双闭环直流调速系统的数学模型 双闭环直流调速系统的动态结构图 如图3 2 所示 图3 2 双闭环直流调速系统的动态结构框图 其中 以 为给定电压 u t 为a s r 的输出电压 为晶闸管整流器的控制电压 玩为晶闸管整流器的输出电压 玩为负载电流 a 为转速反馈系数 矽为电流反馈系数 晶闸管整流器是一个具有滞后的放大环节 其滞后时间瓦是由晶闸管整流器在两个 自然换相点间的失控引起的 实际工程计算中 将晶闸管整流环节的传递函数取为一阶 惯性环节 即 f 葶 l 3 1 西安科技大学硕士学位论文 式中乃一滞后时间 墨一晶闸管整流器的放大系数 直流电动机的电枢部分的传递函数可以等效于如下 c s 厶盟 j 王 u 0 s 一点0 s 1 乙s 式中k 广为电枢回路放大系数 一为电动机机电时间常数 驰 鼎2 石1 3 2 慧 乙 甓 w a s r s 和w a c r s 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数 丝t i 竽 业t n 学 3 3 s s 式中 k 和t i 分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数 k 和 分别为 转速调节器的比例放大系数和领先时间常数 3 2 2 双闭环直流调速系统的动态性能分析 y k i k 一 厂 l o 一 双闭环系统起动前处于停车状态 此时 0 0 移相角a 9 0 即触发脉冲 在初始相位上 整流电压 o 电动机转速 n o 知双闭环直流调速系统突加给定电压巩 由静止状态起动时 转速和电流的动态过程 示于图3 3 由于在起动过程中转速调节器 a s r 经历了不饱和 饱和 退饱和三种情况 整个动态过程就分成图中标明的i i i i i i 三个阶段 图3 3 双闭环直流调速系统起动过程 第1 阶段 o 1 是电流上升阶段 突加给定电压 后 以 u d 0 d 都上升 在 历没有达到负载电流玩以前 电机还不能转动 当历芝玩后 电机开始起动 由于机 电惯性的作用 转速不会很快增长 因而转速调节器a s r 的输入偏差电压 u u 一u 的数值仍较大 其输出电压保持限幅值 强迫电流历迅速上升 直到 d u 电流调节器很快就压制了历的增长 标志着这一阶段的结束 在这一阶段中 a s r 很快 进入并保持饱和状态 而a c r 不饱和 第1 i 阶段 r 1 吨 是恒流升速阶段 a s r 饱和 转速环相当于开环 在恒值电流给 定 下的电流调节系统 基本上保持电流历恒定 因而系统的加速度恒定 转速呈线 1 2 3 双闭环直流调速系统 性增长 与此同时 电机的反电动势e 也按线性增长 对电流调节系统来说 e 是一个 线性渐增的扰动量 为了克服它的扰动 u a o 和以也必须基本上按线性增长 才能保持 厶恒定 当a c r 采用p i 调节器时 要使其输出按线性增长 输入偏差电压 x u 一m 必须维持一定的恒值 也就是说 历应略低于 第1 i i 阶段 龟以后 是转速调节阶段 当转速上升到给定值刀 刀 时 转速调节器 a s r 的输入偏差减小到零 输出维持在限幅值 电机仍在加速 使转速超调 转速 超调后 a s r 输入偏差电压变负 开始退出饱和状态 奶 和历很快下降 但是 只要 历仍大于负载电流玩 转速就继续上升 直到历嘞时 转矩t p t l 则d n d t o 转速 刀才到达峰值 t t 3 时 此后 电动机开始在负载的阻力下减速 与此相应 在t 3 t 4 时间内 i a i d l 直到稳定 如果调节器参数整定得不够好 也会有一段振荡过程 在这 最后的转速调节阶段内 a s r 和a c r 都不饱和 a s r 起主导的转速调节作用 而a c r 则力图使厶尽快地跟随其给定值u 3 3 双闭环直流调速系统的工程方法设计 直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器 调节器的设计一般包 括两个方面 第一选择调节器的结构 以确保系统稳定 同时满足所需的稳态精度 第二选 择调节器的参数 以满足动态性能指标 本文根据计算调节器的时间常数 选择调节器的 结构 再通过计算确定两个调节器的参数 最后采用s i m u l i n k 进行仿真 红沙岗煤矿的基本参数如下 直流电动机 额定功率p n 1 5 0 0 k w 额定电枢电压u 8 0 0 v 额定电枢电流 i 口t v 2 1 6 4 a 额定转速n s 4 4 r m i n 电枢转动惯量j 1 5 3 0 0 k g m 2 电枢额定转矩 t n 3 2 5 7 k n m 电枢回路总电阻r 0 1 f 2 电枢回路电感厶 3 2 5 m h 允许电流过载倍 数2 2 倍 励磁电压l l o v 转速反馈系数仅 0 2 2 7 v m i n r 电流反馈系数 l 1 2 2 0 4 5 v a 电流给定和反馈滤波时间常数 一般取1 3 m s 这里取毛 o 0 0 1 s 转 速给定和反馈滤波时间常数 一般取5 2 0 m s 这里取 o 0 1 s 设计要求 无静差 电流超调量仉 1 0 空载启动到额定转速时的转速超调量 吒 5 设计时 先从电流环入手 首先设计好电流调节器 然后把整个电流环看作是转速调 节器的一个环节 再设计转速调节器 对于双闭环v m 调速系统 电流环通常按照典型 i 型系统设计 而转速环按典型i i 型系统设计 这是因为i 型系统的跟随性能较好一些 而i i 型系统抗干扰性能略差 3 3 1 电流调节器的设计 取三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间为0 0 0 1 7 s 电流坏小时间常数为0 0 0 3 7 s 1 3 西安科技大学硕士学位论文 电磁时间常数为0 0 7 2 s 根据性能指标要求q 1 0 且丢 导器蒡 8 7 8 1 0 因此电流环按典型i 型 系统设计 电流环按典型i 型系统设计 电流调节器选用p i 调节器 其传递函数为 形4 衄 j 趔 3 4 f j 其中 k 和l 分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数 为了将电流环校正成典型i 型系统 电流调节器的领先时间常数瓦应对消控制对象 中的大惯性时间常数乃 即取0 互 0 0 3 2 5 s 为了满足q 1 0 的要求 应取蟛乏 0 6 9 于是可以求得a c r 的比例放大系 数为 k 堕丝 1 8 6 4 9 x 0 0 3 2 5 x 0 1 0 0 1 5 8 3 5 二一 一 i j p l 0 4 5 x 8 5 则电流调节器传递函数为 w a c r j o 0 1 5 8 0 0 面3 2 5 s 1 3 6 经检验设计后电流环可以达到的动态指标为仉 8 9 4 1 0 由于转速环的截止频率远高于电流环的截止频率 且电枢电流环闭环传递函数分母 中的 项的系数远小于s 项的系数 因此电枢电流环闭环传递函数分母中的二次项可被 忽略 则电枢电流闭环传递函数可以等效成一个惯性环节 即 c j 而0 丽 0 0 2 鬲 3 7 3 3 2 转速调节器的设计 取转速环小时间常数为0 0 1 7 4 s 由于设计要求无静差 因此转速调节器必须含有积分环节 又考虑到动态要求 转 速调节器采用p i 调节器 按典型i i 型系统设计转速环 转速调节器的传递函数为 s 她 3 8 r s 其中 疋和l 分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数 综合考虑动态抗扰性能和起动动态性能 取中频宽h 4 按肋赢准则选择参数 则 a s r 的超前时间常数为 1 4 3 最甩环直海调连幕境 h t t 4 x 0 0 1 7 4 0 0 6 9 6 s 3 9 转逮调节嚣比倒系数为 k l i 2 警 i 一 7 4 6 2 x 4 x o 2 2 7 x o x o 0 1 7 4 6 1 3 4 3 1 0 2 船 气 一 则电流调节器传递函数为 矽 7 6 4 4 1 3 4 盟篙半 3 1 1 经检验 吒 2 7 8 3 满足 s 5 的设计要求 3 4 双闭环直流调速系统的建模与仿真 3 4 1 基于数学模型的双闭环直流调速系统仿真 依据系统的动态结构框图 通过工程设计的方法建立的转速 电流双闭环调逮系统 确定了控制嚣的结构及参数 叩得到了双闭环谓速系统的数学模型 如图3 4 所示 其 中给定为额定转速4 4 r m i n 系统空载起动 在3 3 后突加1 2 额定负载 仿真结果如图 3 5 3 6 所示 圈3 4 基于数学模型酶取闭环直流调速系统模型 i 耋 兰盔 2 竺耋圣 幽3 6 电枢电流曲线 基丁数学模型的双闭环调速系统仿真结果的动态分析 1 肩动特性分析 双闭环系统起动前处于停车状态 此时 o u o 移相角 9 0 即触发脉冲 在初始相位上 整流电压 o 电动机转速 0 当电枢电流到达负载电流时 电动机 开始起动 由图35 3 6 可看出 系统起动经历了3 个阶段 电流上升阶段 a s r 很快进入 并保持饱和状态 而a c r 不饱和 恒流升速阶段 转速调节器饱和 电流调节器作用 使电枢电流基本保持恒定 使转速上升 和转速调节阶段 转速调节器退出饱和 电枢 电流慢慢下降直至负载电流 电机稳态运行 2 抗干扰性能分析 系统窄载起动 在3 s 后突加1 2 额定负载 实现电动机的负载变化 由于突加负载 使电动机的电流上升转速下降 经过02 s 左右的调节时间后 转速饿复到原系统输出值 电动机输出电流则由空载电流变至负载电流 直至到达稳态 由此说明 系统对负载变 化有很好的抵抗能力 34 2 基于电气原理图的双闭环直流调速系统仿真 基于电气原理图的6 脉冲触发的双闭环控制直流调速系统的仿真模型如图3 7 所示 模型由晶闸管 电动机组成的主回路和由转速 电流调节器组成的控制回路两部分构成 其中主回路部分由交流电源 晶闸管整流器 同步6 脉冲触发器 移相控制环节和电动 机等环节构成 控制部分主要是出转速 电流调节器 以及反馈滤波环节构成 模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速 电流输出端 减少了转 速和电流榆测环节 这不会影响仿真的真实性 电流调节器的输出端接移相控制模块的 输入端 而电流调节器的输出限幅就决定了触发脉冲的控制角 其中系统给定为额定转速4 4 r m i n 仿真结果如图3 g 和图3 9 所示 6 詈至三苎 兰耋兰 图37 基于电气原理图的取闭环直流调速系统 圈3 8 电动机转速曲线 图3 9 电动机电枢电流曲线 西安科技大学硕士学位论文 仿真结果分析与比较 从图3 8 和图3 9 可以看出 0 1 8 s 左右电动机起动过程结束 电枢电流下降到零 转速到达额定转速 在o 4 s 加1 2 的额定负载 使电动机的电流上升转速下降 经过o 2 s 左右的调节时间后 转速恢复到原系统输出值 电动机输出电流则由空载电流变至负载 电流 直至到达稳态 尽管转速已经超调 电流给定变负 但本系统为不可逆调速系统 晶闸管整流装置 不能产生反向电流 这时电枢电流为零 电动机的电磁转矩也为零 没有反向制动转矩 比较基于数学模型调速系统 图3 6 和基于电气原理图调速系统 图3 9 的仿真 结果 在图3 6 中 由于晶闸管整流器的传递函数是线性的 输出电压可以变负 所以电 动机电枢电流响应出现负值 并且由于动态结构图中把晶闸管整流器 电机等器件理想 化 所以仿真曲线理想 光滑且调节速度较快 但在实际中由于器件误差的存在 仿真 曲线曲折且调节速度较慢 3 5 本章小结 本章主要介绍了转速 电流双闭环直流调速系统的组成及其工作原理 并在模型建 立的基础上 对系统进行了仿真研究 依据红沙岗煤矿的技术要求 按照工程方法设计 了双闭环直流调速系统 分别基于数学模型和电气原理图对双闭环直流调速系统进行了 建模与仿真 并对其仿真结果进行了动态分析 1 8 4 直流可逆调速系统 4 直流可逆调速系统 4 1 直流调速系统的可逆运行 直流电动机的可逆运行需要电动机产生正 反向转矩 由电动机转矩公式 乃 g 矽厶 改变电动机电磁转矩疋的方向有两种方法 一是改变电动机电枢电压的极 性 即改变电枢电流历的方向 二是改变电动机励磁矽的方向 即改变励磁电流的方向 与此对应 晶闸管一电动机系统的可逆线路就有两种方式 即电枢可逆线路和励磁可逆 线路 电枢可逆系统由于电枢回路电感较小 反向过程进行得快 因此适用于频繁起 制 动 要求过渡过程尽量短的生产机械 而磁场可逆系统只适应于对快速性要求不高 正 反转不太频繁的大容量可逆传动系统中 一般认为容量在2 0 0 0 k w 及以下使用电枢可逆 方案 容量超过2 0 0 0 k w 以上使用磁场可逆方案 比较合理 本文主要讨论电枢可逆调 速系统 如图4 1 所示 在晶闸管 直流电动机系统供电的电枢可逆调速系统中 因为晶 闸管整流器的单向导电性能 不能产生反向电流 因此在要求频繁快速正反转的生产机 械上 经常采用的是两套晶闸管整流装置直接反并联组成的可逆线路 在每个桥臂上 将正反向两个晶闸管压在一套散热器上 组成一个可逆单元组件 用6 套这种组件就可 组成电枢可逆直接反并联线路 如图4 2 所示 该可逆系统靠正反向两组晶闸管实现主 电路电流双向可逆运行 电流换向时通过换向逻辑控制电路的一定时序 选择和释放晶 闸管的触发脉冲 切换正 反向晶闸管导通 实现主电流方向可逆 满足四象限内电动机 频繁起 制动等状态运转的要求 图4 1 电枢可逆调速系统 图4 2 直接反并联可逆电路 在要求电动机正反转的可逆系统中 正组和反组晶闸管在不同情况下