双闭环串级调速系统设计.doc

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）2.1串级调速系统设计全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速，电流双闭环调速系统。对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大，从而限制了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控制，此时可以采用绕线转子异步电动机。常见的绕线转子异步电动机用转子回路串电阻调速，这种调速方法简单、操作方便且价格便宜，但在电阻上将消耗大量的能量，效率低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性能较好的绕线转子异步电动机转差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的转差功率加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。根据串级调速原理及资料查询，设计出串级调速系统主电路（如图2-1） 图2-12.2双闭环系统设计说到双闭环系统的调速，我们得首先来简要认识一下单闭环系统调速，单闭环调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台直流测速发电机TG，引出与转速成正比的电压Uf，与给定电压Ugd比较后，得偏差电压U，经过放大器FD，产生触发装置CF的控制电压Uk，用以控制电动机的转速。因为这里只有一个环，所以成为单闭环系统。采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了动态稳定性，又能做到无静差，很好地解决了系统中动、静态之间的矛盾。然而系统中只靠电流截止环节来限制启动和升速的冲击电流，其性能仍然不能令人满意。主要问题是，不能在充分利用电机过载能力的条件下获得最快的动态响应，甚至使启动和加速过程拖长。自动控制理论提示，进一步解决问题的唯一途径是对电流这个物理量也实行负反馈控制。同时在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量。这样，系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。这样的系统称为转速、电流双闭环调速系统。为了实现转速负反馈和电流负反馈在系统中分别起作用，又不致互相牵制而影响系统的性能，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流。它们之间实现串级联接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发 装置。它的原理框架结构图（如图2-2） 图2-2在图2-2反馈的结构来看，电流调节器ACR在里面，是内环；转速调节器在外面，成为载能力和系统对最大加速度的需要；电流调节器ACR的正限幅则表示对触发器装置的最小移相的限制或对晶闸管装置输出电压最大值的限制。采用运算放大器做调节器的时候，输出限幅可以采用上面图2-3电路。2.3实验调试 实验之初根据串级系统的主电路图（图2-1）、双闭环原理框架结构图（图2-2）和MCL实运行，发现转子电压低于二极管电压，无法实现整流，后来分别在转子三条回路中串入三个可调电阻，目的为了增大转子侧电压，使转子侧电压大于晶闸管电压。实验初期忽略了对晶闸管的监控，对它的允许最大电流没有考虑，结果导致运行一段时间后晶闸管烧毁，后来为了防止通过晶闸管的电流过大，在晶闸管和电流表之间加入一个可调电阻，对通过晶闸管的电流进行控制使其一直小于1安，之后没再发生烧毁器件的事故发生。实验初期 关于变压器的选择也出现了问题，理论上应该选择是63.8V/1.38A的且为星型连接但实际运行时发现仪器上要求为角型连接而且导致晶闸管端电压大于转子端的电压，并无法用调节电阻的办法改善情况。最后无奈之下采用56V/1.5A的，问题才得以解决但转速有所牺牲（考虑到当时的温度、各种损耗和误差应属合理范围）。最后成功的电路图为本文最后的电路图4-1。3.实验数据分析3.1三相异步电动机串级调速开环工作机械特三相异步电动机串级调速开环工作机械特性是指三相异步电动机串级调速系统中无闭环负反馈作用时电动机的转速n与转矩Tem之间的关系n =f（Tem）。三相异步电动机的转速n与转差率s之间存在一定关系： ，所以三相异步电动机的机械特性也往往用Tem =f（s）的形式表示。（实用表达式） 将Tm和代入即可得到机械特性方程式。转速n(r/min) 640 610 588 555 532 510晶闸管电流IG(A) 0.225 0.227 0.228 0.229 0.301 0.303晶闸管电压UG(V) 17 17 17 17 17 17负载转矩M(N.m) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 电源电压U(V)220 220 220 220 220 220给定电压(V) 3 3 3 3 3 3 表3-1 图3-1通过上述试验数据可以看出当触发电路导通后，电源电压不变，只改变系统负载的情况下晶闸管电流也随着变化，负载转矩增大，晶闸管电流也随之略有增大。 表3-2转速n(r/min)0516605673555532晶闸管电流IG(A)0.1290.2560.3580.4620.4440.389晶闸管电压UG(V)151515151515负载转矩M(N.m)000000 电源电压U(V)210210210210210210给定电压(V)0 12345 图3-2随着给定电压的变化，触发电路导通，晶闸管和转速也发生变化。给定电压由0V到3V的过程中，转速随之逐渐变大，当给定电压从3V到5V，转速开始降低，同时晶闸管电流下降。3.2三相异步电动机单闭环ASR系统静特性闭环反馈控制系统是按被调量偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会通过负反馈作用来自动地纠正偏差，以抑制扰动对输出量的影响。3.2.1有静差引入转速负反馈只能减少静态转速降落，使转速尽可能维持接近恒定，而不可能完全回复到原来数值(即有误差)。这种维持被调节量(转速)近于恒值但又有静差的调节系统，通常称为有差恒值调节系统，简称有静差系统。 表3-3转速n(r/min) 668 645 595 565 512 470晶闸管电流IG(A) 0.389 0.390 0.391 0.392 0.393 0.395晶闸管电压UG(V) 15 15 15 15 15 15负载转矩M(N.m)0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 电源U（V） 200 200 200 200 200 200给定电压 3 3 3 3 3 3 图3-3通过上述试验数据可以看出当触发电路导通后，当电动机轴上的负载转矩加大时，负载电流增加，电枢主回路的总电阻电压降落 Ia 便增加，因为此时晶闸管整流装置输出的整流电压还没有变化，于是电动机的反电动势 EaKen 便减小，电动机转速随之下降。电动机转速下降后，负反馈电压 Un 也下降到 Unl，但这时给定电压 Un* 并没有改变，而 UUn*Unl，偏差电压便有所增加，它使晶闸管整流装置的控制角 减小，整流电压上升，电动机转速就回升了。但是，电动机的转速不能回升到原来的数值。因为假如电动机的转速已经回升到了原值，那么测速发电机的电压也要回升到原来的数值，由于偏差电压 UnUn*Un ，偏差电压又将下降到原来的数值，也就是说偏差电压U 没有增加，U 不增加，晶闸管整流装置的输出整流电压 UdoCOS 也不能作相应的增加，以补偿电枢主电路电阻所引起的电压降落，这样，电动机的转速又将重新下降到原来的数值，不能因引入转速负反馈而得到相应的提高了。3.2.2无静差有静差调速系统，进行给定信号和反馈信号综合的运算器是比例放大器（称为P调节器），其输出电压就是可控整流电源的控制电压。如果系统没有静差，给定电压和反馈电压相等，放大器就没有输出电压，可控整流电源也就没有输出电压，系统就不能工作，因此可以说系统是依靠误差而运行的。从静特性方程进行的推理可知，由于放大器的放大倍数不可能为无穷大，所以闭环转速降也不可能为0，在静态时其放大倍数接近无穷大，或静态时其输入电压为0，但仍保持有输出电压。 积分运算器的应用，实现了转速控制的无静差要求，但是，由于积分时间的影响，大大减慢了系统自动调节的速度，使系统的动态响应变慢。为此无静差转速控制系统常采用比例-积分运算器（称为PI调节器。） 表3-4转速n(r/min) 638 610 590 565 524 498晶闸管电流IG(A) 0.391 0.392 0.392 0.391 0.391 0.392晶闸管电压UG(V) 14 14 14 14 14 14负载转矩M(N.m) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5电源电压U（V） 200 200 200 200 200 200给定电压 3 3 3 3 3 3 图3-4从上述数据可以看出，在单闭环无静差转速控制系统中当负载转矩增大时，晶闸管电流有小幅波动但基本维持恒定不变，晶闸管电压不发生变化，而转速有所下降。通过图形可以看出单闭环无静差转速控制系统要比开环机械特性要硬。3.3双闭环串级调速系统的静态和动态特性3.3.1双闭环调速系统的静态特性分析 表3-5 转速n(r/min) 635 615 603 570 536 485晶闸管电流IG(A) 0.411 0.412 0.413 0.412 0.411 0.411晶闸管电压UG(V) 15 15 15 15 15 15负载转矩M(N.m) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 电源电压U（V） 210 210 210 210 210 210给定电压 2 2 2 2 2 2 图3-5从静态特性上看，电流负反馈有使静特性变软的趋势,但有转速反馈环包在外面，电流负反馈对于速度环来说相当于一个扰动作用，只要速度环的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就能受到抑制。何况速度环用的是PI 调节器，整个系统是无静差的调速系统. 也就是说，当速度环不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降被转速调节器的积分作用消除。一旦转速调节器饱和，速度环即失去作用，只剩下电流环起作用。这时，系统表现为恒流调节系统，静特性呈现下降趋势。3.3.2双闭环调速系统的动态特性分析 从动态响应过程来看,突加给定信号Ugn的瞬时，转速负反馈很小，近似为零，速度调节器很快处于饱和状态，输出恒值限幅电压Ugim ,经过电流调节器，使电动机很快地起动，起动后，虽然转速反馈电压Uf n增长了，但是由于速度环的积分作用，只要还是Uf n Ugn ,输入偏差电压U 变成负值,速度环退出饱和. 因此,在整个升速过程中,速度环一直处于饱和,这相当于使速度环处于开环状态,系统只在电流环的恒值作用下以最大电流起动. 直至超调后,速度环才真正发挥作用,使转速渐趋稳定. 这样,就巧妙地利用了速度调节器的饱和非线性,在一段时间内使它的作用隔断,使系统在起动过程中基本上表现为恒流调节。双闭环调速系统突加给定电压Ugn后，由静止状态启动时转速和电流的过渡过程波形如以下的图中所示。由于在启动过程中转速调节器经历了不饱和、饱和、退出饱和三个阶段，因此，整个过度过程也分为三个阶段如图3-6。 图3-6第一阶段是电流的上升阶段，突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，是Uk、Udo、Id都上升。当IdIfz后，转速N开始增长。由于电动机机电惯性较大，转速和转速反馈增长较慢，因而转速调节器ASR的输入偏差电压Un=Ugn-Ufz数值较大其输出电压很快达到了限幅值，并输送给电流调节器ACR，使其输出Uk迅速增大，从而使触发脉冲从90度初始位置快速前移，迅速地使整流电压Udo增大，进而使电流Id迅速增大。当Id=Idm时，Ufi=Ugim,电流调节器的作用使Id不再增长，而保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器ST由不饱和很快达到饱和，而电流调节器LT一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。这些都是设计时予以保证的。第二阶段是恒流升速阶段，即以最大电流给定升速。这一段是电流上升到最大值Idm开始，到转速上升到给定值Ned（即静特性上的N0）为止，是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Ugim作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数）。与此同时，在电流环实现恒流调节的过程中，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，反电势E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动。Uk和Udo也必须基本上按线性增长，才能保证Id恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压Ui=Ugim-Ufi必须维持一定的恒值，也就是说Id应略低于Idm。上述情况表明，电流恒值调节过程同时伴随着对反电动势扰动的调节过程，反电动势扰动对电流的影响被电流调节器的积分作用所补偿。因此，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中，电流调节器是不饱和的，而且要求电流调节器的积分常数和调节对象的时间常数要互相配合，这正是电流调节器在设计的时候需要解决的问题。同时，还要求整流装置的最大电压Udm必须留有余地，即晶闸管装置也不应该出现饱和，以保证提供足够大的整流电压满足调节能力的需要。第三阶段是转速调节阶段。在这个阶段开始时，转速已经达到了给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零（即Ugn=Ufn,Un=0）。但其输出却由于转速调节器ASR的积分作用还维持在限幅值上，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，转速调节器ST的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压也就是电流ACR的给定电压Ugi立即从限幅值降下来，主电路电流Id也随之迅速减小。但是，由于Id仍大于负载电流Ifz，在一段时间内，转速仍继续上升，直到Id=Ifz时，转矩M=Mfz，则转速N达到峰值。以后，电动机才开始在负载转矩Mfz的作用下减速。与此相应，电流Id也出现一段小于Ifz的过度过程，直到进入稳态。综合上述可知，在这一段内，转速调节器ASR和电流调节器ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速环在外环，转速调节器处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使得系统稳定；电流调节器的作用则是力图使Id尽快地跟随转速调节器ASR的输出Ugi的变化，也就是说，电流内环的调节过程是速度外环支配的，故而形成了一个电流随动系统。综合上述，双闭环调速系统的启动过程具有三个特点：1、 饱和非线性控制；2、转速超调；3、准时间最优控制。随着转速调节器ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当不饱和时，转速形成闭环，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系统，这就是饱和非线性控制特征。转速环开环后，转速的动态响应一定有超调。只是在转速超调后，转速调节器ASR退出饱和，才真正发挥线性调节作用。从另一个角度看，在ASR饱和期间，它也并不是没有作用的，而是起着饱和的非线性控制作用。启动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定。一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快，这个阶段电流受到限制条件下的最短时间控制，或者称“时间最优控制”，但整个启动过程与理想快速启动过程还是有差别的，主要表现为第二，第三阶段的电流不是突变。不过这两段的时间只占全部启动时间的很小的一部分，已经无关大局，所以双闭环调速系统的启动过程