电力拖动课程设计报告

电力拖动课程设计报告 1 电力拖动课程设计报告电力拖动课程设计报告 组别 电组别 电 XX 班第班第 XX 组组 姓名 姓名 XXX 学号 学号 XXXXX 同组成员 同组成员 XXX XXX XXX XXX 2010 年年 12 月月 电力拖动课程设计报告 2 目录 1 引言 1 1 1 双闭环系统核心 1 1 2 双闭环系统结构 2 1 3 双闭环系统理论基础 2 2 设计题目及要求 3 2 1 基本数据 3 2 2 具体设计要求及指标 3 3 设计原理 4 3 1 转速电流双闭环系统的组成 4 3 2 各主要环节及原理 4 3 2 1 ACR 电流调节器 4 3 2 2 ASR 转速调节器 5 3 2 3 V M 系统 6 3 2 4 限幅环节 6 3 2 5 检测环节 7 4 设计过程及参数整定 8 4 1 控制对象固有参数计算 8 4 2 ACR 设计及参数计算 8 4 2 1 电流环结构图的简化 8 4 2 2 电流调节器结构的选择 9 4 2 3 电流调节器的参数计算 9 4 2 4 电流调节器的实现 10 4 3 ASR 设计及参数计算 10 4 3 1 电流环的等效闭环传递函数 10 4 3 2 转速调节器结构的选择 10 4 3 3 转速调节器参数的选择 11 4 3 4 转速调节器的实现 12 4 4 校验近似条件 12 4 5 性能指标校验 13 5 系统仿真 13 6 转速超调的抑制 转速微分负反馈的引入 15 6 1 问题的提出 15 6 2 带转速微分负反馈双闭环系统的基本原理 15 6 3 转速微分反馈参数的工程设计方法 16 6 4 带转速微分负反馈双闭环调速系统抗扰性能 17 6 5 小结 19 7 结论及心得体会 20 参考文献 21 电力拖动课程设计报告 1 1 引言 在许多应用场合 为了充分发挥生产机械的效能 提高生产率 速度控制 系统经常处于起动 制动 反转以及突加负载等过渡过程中 所以要求速度控 制系统有较好的动态性能 对高性能动 静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性 起制动 较好的抗干扰特性和高可靠性 可瞬态过载但不过电流 对比电流截止负反馈 调速系统讨论为什么要引入转速 电流双闭环调速系统转速 电流双闭环调速系统 1 1 双闭环系统核心 双闭环系统的设计核心就是设计转矩控制环以获得高性能的转速动态响应 设计转矩控制环以获得高性能的转速动态响应 由机械子系统表达式可知 如果要调节转速最为有效的办法是调节电枢电流 也就是电磁转矩 所以要获得转速的高性能动态响应 首先要做好电磁转矩 电 枢电流 的控制 即需要构造转矩控制环 torque control 也就是电流环 以起动为例 如果系统中有电流控制环 则在过渡过程中可以始终保持电 流 转矩 为允许的最大值 Idm 使拖动系统尽可能用最大的加速度起动 而在 电动机起动到稳态转速后 电流控制环又让电流 转矩 立即降下来 使转矩 与负载转矩相平衡 从而进入稳态运行 这样的理想起动过程如下图图 b b 所示 起动电流呈方波形 转速是线性增长的 这种在最大电流 转矩 受限制条件 下调速系统能得到最快启动过程的控制策略称为 最短时间控制最短时间控制 图图 1 1 电机起动过程比较图电机起动过程比较图 电力拖动课程设计报告 2 1 2 双闭环系统结构 双闭环系统采用两级串联校正两级串联校正以使系统完成不同的控制目标 为了达到 通过调节电磁转矩来调节转速 的目的 必须在速度闭环的基础上增设电流 转矩 闭环 采用两级串联校正 cascade compensation 的方法 将两种 不同作用的反馈分开控制 这里速度调节器 ASR adjustable speed regulator 的输出就是为了消除速度误差所需要的电磁转矩指令 然后设置电 流调节器 ACR adjustable current regulator 构成电流闭环跟随电流指令 这样 两个闭环及其各自的调节器就可以分别完成上述不同的控制目标 转速调节器和电流 转矩 调节器的作用可以归纳如下 1 转速调节器的作用 1 使电动机转速 n 跟随给定电压 UnUn 变化 保证输出转速稳态无静差 2 对负载扰动起到抑制 抗扰 作用 3 其输出限幅 饱和 值决定允许的最大电流 U Uimim 该值决定了最大输出转 矩 与电流环一起实现下述的第 3 4 条作用 2 电流 转矩 调节器的作用 1 在转速调节过程中 使电流 I Id d快速跟随其给定电压 U Ui i 变化 2 对电网电压等扰动及时地抑制 抗扰 作用 3 起动时保证获得恒定的最大允许电流 最大允许转矩 准时间最优控制 4 当电动机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起到快速的保护作用 挖土机特性 而一旦过载消失 系统立即自动恢复正常运行 1 3 双闭环系统理论基础 双闭环系统理论基础就是现代控制理论中的状态变量反馈 state variable feedback 由控制理论知 理想的控制方案是对各个状态变量 state variable 实施反馈控制 这样可以通过分别配置各个极点以得到理 想的系统的动静态特性 双闭环系统的被控对象电机的状态变量是电枢电流 Id 和转速 n 因此转速 电流双闭环系统就是实现了被控对象状态变量的全反馈 电力拖动课程设计报告 3 2 设计题目及要求 2 1 基本数据 直流电动机 220V 136A 1460r min 电枢电阻 0 2 允许过 N U N I N n a R 载倍数 1 5 晶闸管装置 0 00167s 放大系数 40 s T s K 平波电抗器 电阻 电感 1 0 P RmHLP4 电枢回路总电阻 R 0 5 电枢回路总电感 L 15mH 电动机轴上的总飞轮惯量 GD2 22 5N m2 电流调节器最大给定值 10 2V 转速调节器最大给定值 10 5V im U nm U 电流滤波时间常数 0 002s 转速滤波时间常数 0 01s oi T on T 2 2 具体设计要求及指标 稳态指标 转速无静差 动态指标 电流超调量 5 i 空载启动到额定转速的转速超调量 10 n 电力拖动课程设计报告 4 3 设计原理 3 1 转速电流双闭环系统的组成 图图 2 2 转速电流双闭环系统组成图转速电流双闭环系统组成图 双闭环系统主要由以下几部分组成 ASRASR 转速调节器 ACRACR 电流调节器 TGTG 测速发电机 TATA 电流互感器 UPEUPE 电力电子变换器 系统中两个调节器 ASRASR 和 ACRACR 嵌套 或称串级 联接 即把转速调节器的 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电力电子变换器 UPE 为了获得良好的动 静态性能 双闭环调速系统的两个调节器通常都采用 PI 调节器 且两个调节器输出都是带有限幅的 ASRASR 的输出限幅值 Uim 它决 定了电流调节器 ACRACR 的给定电压最大值 Uim 对应电机的最大电流 电流调节 器 ACRACR 输出限幅电压 Ucm 它限制了电力电子变换器的输出最大电压值 Udm 3 2 各主要环节及原理 把转速电流双闭环调速系统分为 ASR ACR V M 系统 限幅环节 检测环节 电力拖动课程设计报告 5 3 2 1 ACR 电流调节器 正如引言已经提到的 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大 及实现对转矩的有效控制问题 系统中必须有自动调节电枢电流的环节 为了 获得较好的动 静态性能 ACR 一般采用 PI 调节器 图图 3 3 ACRACR 基本组成及原理图基本组成及原理图 通过检测得到电枢电流实际值对应的电压信号 U Ui i 与 ASRASR 输出的给定值 U Ui i 做比较 得到偏差并进行比例积分调节 进而调整 UcUc 的值 同时改变电机 的供电电压 U Ud0d0 使电枢电流朝相反的方向变化 则电枢电流最终稳定在给定值 上 1 当 U Ui i0 0 U Uc c增大 U Ud d增大 电枢电流 I Id d增大 2 当 U Ui i U Ui i U UU Ui i U Ui i 0 0 U Uc c维持最大值 U Ud d也达到最大值 电枢电流 I Id d 最大值 3 当 U Ui i U Ui i U UU Ui i U Ui i 0 0 U Uc c减小 U Ud d减小 电枢电流 I Id d减小 最终调节的结果使电枢电流 I Id d维持在给定值 ASRASR 的输出 上 3 2 2 ASR 转速调节器 与 ACR 基本相同 只是把调节变量变为转速 为了获得较好的稳态性能及 动态性能 采用 PI 调节器 根据实际转速对应的电压值 Un 和给定电压值 Un 之 间的大小关系实现调速 当 UnUn0 0 ASRASR 输出变大 结果导致转速 n n 增大 当 UnUn UnUn 时 U UU Un n U Un n 0 0 ASRASR 输出维持不变 因此转速 n n 不变 当 UnUn UnUn 时 U UU Un n U Un n 0 0 ASRASR 输出减小 结果导致转速 n n 减小 电力拖动课程设计报告 6 最终结果使转速 n n 维持在给定电压值 U Un n 对应的转速上 3 2 3 V M 系统 图图 4 4 晶闸管晶闸管 电动机调速系统 电动机调速系统 V MV M 系统 结构图系统 结构图 晶闸管 电动机调速系统 简称 V MV M 系统 图中 VTVT 是晶闸管可控整流器 通过调节触发装置 GTGT 的控制电压 UcUc 来移动触发脉冲的相位 即可改变整流 电压 UdUd 从而实现平滑调速 经济性可靠性等有了很大提高 并且动态性很 好 但也存在着一些问题 如晶闸管对过电流过电压太敏感易损坏 以及造成 电网电压畸变对附近用电设备的损害等等 3 2 4 限幅环节 为了保证电枢电流不超过最大允许值 ASRASR 输出电压为 U Ui i的限幅是非常必 要的 限幅的方法有两种 分别为二极管钳位的外限幅电路和稳压管钳位的外 限幅电路如下图所示 其中对于稳压管钳位的外限幅电路原理比较简单 利用 两个稳压管对接 使正限幅电压 U Uexmexm等于稳压管 VSVS1 1的稳压值 负限幅电压 U Uexmexm 等于稳压管 VSVS2 2的稳压值 对于二极管钳位的外限幅电路 通过电路分析 可知 限幅范围为 U Uexmexm U UM M U UD D 负限幅电压 U Uexmexm U UN N U UD D 其中 U UM M和 U UN N分 别表示电位器滑动端 M M 点和 N N 点的电位 U UD D为二极管压降 电力拖动课程设计报告 7 图图 5 5 两种限幅电路两种限幅电路 3 2 5 检测环节 图图 6 6 电流检测电路图电流检测电路图 通过电流互感器 TA 检测电枢电流 再将得到的二次侧电流整流得到直流电流 再转 化为电压信号 图图 7 7 转速检测电路图转速检测电路图 根据直流电机 E CE CE n 的原理 反电动势大小与转速成正比 因此测速电机 的电压大小即反应出电机实际的转速大小 电力拖动课程设计报告 8 4 设计过程及参数整定 一般按照 先内环后外环 的原则来设计双闭环调速系统 即先设计电流 调节器 然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节 再设计转速调 节器 4 1 控制对象固有参数计算 由控制对象可得到以下固有参数 为调节器的设计及参数计算打好基础 a 电动势系数为 11 220 136 0 2 min 0 132 min 1460 NNa e N UIR CVrVr n b 转矩系数为 11 min 261 1min 132 0 55 9 55 9 rVrVCC em c 电磁时间常数为 3 15 100 03 0 5 L L Tss R d 机电时间常数为 ss CC RGD T me m 180 0 261 1 132 0 375 5 0 5 22 375 2 4 2 ACR 设计及参数计算 按照设计原则 首先设计 ACR 设计过程如下 4 2 1 电流环结构图的简化 简化内容包括忽略反电动势的动态影响 等效成单位负反馈系统 小惯性 环节近似处理 图图 8 8 电流环基本结构图电流环基本结构图 电力拖动课程设计报告 9 ssTTT oisi 00367 0002 0 00167 0 4 2 2 电流调节器结构的选择 从稳态要求上看 希望电流无静差 以得到理想的堵转特性 采用 I 型系 统就够了 从动态要求上看 实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太 大的超调 以保证电流在动态过程中不超过允许值 而对电网电压波动的及时 抗扰作用只是次要的因素 为此 电流环应以跟随性能为主 应选用典型 I 型 系统 电流环的控制对象是双惯性型的 要校正成典型 I 型系统 显然应采用 PI 型的电流调节器 其传递函数形式为 s sK sW i ii ACR 1 其中 K Ki i为电流调节器的比例系数 i i为电流调节器的超前时间常数 为 了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消 选择 R KK K i si I l T i 4 2 3 电流调节器的参数计算 取电动机起动电流为 1 5 136204 dm IIAA A 则电流反馈系数为 10 2 0 05 204 im dm U VAVA I 至此 ACR 的被控对象参数均为已知 下面根据要求计算 PI 调节器参数K Ki i和 i i 0 03 il Ts 0 03 0 5 1 022 22 0 05 40 0 00367 l i S T R Ks K T 电力拖动课程设计报告 10 4 2 4 电流调节器的实现 图图 9 9 含给定滤波和反馈滤波的含给定滤波和反馈滤波的 PIPI 型电流调节器模拟电路型电流调节器模拟电路 可以选择使 R R0 0 40K 经过计算得到 R Ri i 40 52K K 则 C Ci i 0 75 F F C Coi oi 0 2 F F 4 3 ASR 设计及参数计算 4 3 1 电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节 为此 须求出它的闭环传递函 数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 II 2 I i i I i I i d cli s K s K s K T sTs K sTs K sU sI sW 忽略高次项 上公式可以简化为 100734 0 20 1 1 1 I cli i d s s K sW sU sI 这样 原来是双惯性环节的电流环控制对象 经闭环控制后 可以近似地等 效成只有较小时间常数的一阶惯性环节 022 1 0 i i R R K 03 0 iii CR 002 0 4 1 oi0oi CRT 电力拖动课程设计报告 11 4 3 2 转速调节器结构的选择 转速调节电路经等效和小惯性处理后 得到的电路图如下所示 图图1010 等效成单位负反馈和小惯性的近似处理等效成单位负反馈和小惯性的近似处理 为了实现转速无静差 在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节 它应 该包含在转速调节器 ASR 中 见图 2 26b 现在在扰动作用点后面已经有了 一个积分环节 因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节 所以应该设计 成典型 型系统 这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求 为满足 稳态要求 采用PI调节器 s sK sW n nn ASR 1 其中 K Kn n为转速调节器的比例系数 n n为转速调节器的超前时间常数 校正后为 图图1111 校正为典型校正为典型 型系统后的转速环示意型系统后的转速环示意 其中 为开环放大倍数 men n N TC RK K 为时间常数 ssTT K T i 01734 0 01 0 2 1 on I n 11 min 00719 0 min 1460 5 10 rVrV n U N nm 电力拖动课程设计报告 12 4 3 3 转速调节器参数的选择 转速调节器的参数包括 Kn 和 n 按照典型 型系统的参数关系 sshT0867 001734 0 5 nn 435 11 01734 0 5 000719 0 52 18 0 132 0 05 0 6 2 1 n me n RTh TCh K 一般取 h 5 此时的跟随性和抗扰性均不错 4 3 4 转速调节器的实现 图图1212 含给定滤波和反馈滤波的含给定滤波和反馈滤波的PIPI型转速调节器型转速调节器 0 n n R R K nnn CR on0on 4 1 CRT 可以取R R0 0 40K K 经过计算可得RnRn 468K K C Cn n 0 185 F F C Conon 1 F F 4 4 校验近似条件 11 24 136 2 1 ss T K i I 22 222 101 399 01734 0 252 6 2 1 ss Th h K n 得到 1 24 136 sKI ci 11 1 602 340867 0 101 399 ssK K n I 4 4 14 4 1 晶闸管装置传递函数近似条件晶闸管装置传递函数近似条件 电力拖动课程设计报告 13 因此满足条件 600 199 00167 0 3 1 3 1 24 136 s ci T 4 4 24 4 2 忽略反电动势对电流环的影响忽略反电动势对电流环的影响 因此满足条件 24 136825 40 180 003 0 1 3 1 3 ci lmT T 4 4 34 4 3 电流环小时间常数处理条件电流环小时间常数处理条件 因此满足条件 ci fisT T 24 136392 182 002 000167 0 1 3 11 3 1 4 4 44 4 4 电流环闭环简化条件电流环闭环简化条件 因此满足条件 cn i T 602 34496 54 00367 0 5 1 5 1 4 4 54 4 5 转速环小时间常数近似条件转速环小时间常数近似条件 因此满足近似条件 cn fniT T 602 34907 38 01 0 00367 0 2 1 3 1 2 1 3 1 4 5 性能指标校验 由于电流环校正成为典型 型系统 且取 KT 1 2 经查表 其输出 Id 的超调 量为 调节时间符合设计要求 5 3 4 i sTt is 0152 014 4 又由于转速环校正为典型 型系统 并取 h 5 由表可知 即Z 2 81 10 28 8 01365 1 132 018 0 1460 5 001734 0 2 2 81 2 2 81 2 81 Ndm emN n IzI CTn RT Z 可见 转速及电流理论上均符合设计要求 5 系统仿真 由上面的分析可以得到以下仿真图 采用 matlabmatlab 中的 simulinksimulink 仿真如下 电力拖动课程设计报告 14 图图 1313 双闭环调速系统双闭环调速系统 simulinksimulink 仿真结构图仿真结构图 图中设置了限幅环节反馈环控制 其中反馈增益 K 为足够大的数 这是为 了使限幅环节能够尽快退饱和 保证限幅环节左右两侧值相等 通过示波器观 察得到的转速及电枢电流波形分别如下所示 图图 1414 双闭环调速系统转速波形图图双闭环调速系统转速波形图图 可见 系统的超调量约为 符合设计要求 电力拖动课程设计报告 15 图图 1515 双闭环调速系统电流波形图双闭环调速系统电流波形图 可见 电流并未超过 也符合设计要求 AIN2041365 1 6 转速超调的抑制 转速微分负反馈的引入 6 1 问题的提出 由以上的分析及仿真可以看出 双闭环调速系统具有良好的稳态特性和动 态性能 而且结构简单 工作可靠 设计也很方便 实践证明 它是一种应用 最为广泛的调速系统 然而 其动态性能的不足之处就是转速必然会超调 而 且抗扰性能的提高也受到一定的限制 在某些不允许转速超调 或对动态抗扰 性能要求特别严格的地方 仅仅采用两个 PI 调节器的双闭环系统就显得力不从 心了 针对这个问题的方法就是在转速调节器上引入转速微分负反馈 加入这一环节 可以抑制转速超调到消灭超调 同时可以大大降低动态速降 6 2 带转速微分负反馈双闭环系统的基本原理 带转速微分负反馈的双闭环系统与普通双闭环系统的区别仅在转速调节器 上 这时转速调节器的原理图如下 和普通转速调节器相比 增加了电容 C Cdndn和电阻 R Rdndn 即在转速负反馈的基 础上叠加一个转速微分负反馈信号 在转速变化过程中 两个信号一起与给定 信号 U Un n 相抵 将在比普通双闭环系统更早一些的时刻达到平衡 使转速调节器 电力拖动课程设计报告 16 输入等效偏差信号提前改变极性 从而使转速调节器退饱和时间提前 进而能 够抑制超调 图图 1616 带微分负反馈的转速调节器电路图带微分负反馈的转速调节器电路图 可知 CdnCdn 的作用主要是对转速信号进行微分 因此称作微分电容 而 RdnRdn 的主要作用是滤去微分后带来的高频噪声 可以叫做滤波电阻 在分析带微分负反馈转速调节器的动态结构时 先看一下微分反馈支路的电流 因此 转速调节器中的虚地点的电流平衡方程为 整理后得 式中 RoCdndn 转速微分时间常数 转速微分滤波RdnCdnTodn 时间常数 为了分析方便 可取 与普通的双闭环系统相比 只是TonTodn 在转速反馈通道中增加了项 1 dn s s Todn 根据上式可以绘出带转速微分负反馈的转速环动态结构图 如下所示 n Un Ui 电力拖动课程设计报告 17 图图 1717 带微分负反馈的转速调节器结构图带微分负反馈的转速调节器结构图 6 3 转速微分反馈参数的工程设计方法 根据动态结构图和已知的初始条件 可以用数字仿真求解退饱和后系统的 过渡过程 从而获得其动态性能 但是这样做比较费事 为了工程应用方便起 见 最好能找到一种简单的近似计算方法 对于按典型 II 型系统设计未加微分负反馈的转速调节器 已知 h Tn n 参考微分反馈时间常数的近似工程计算公式 TTTionn 2 dn 式中 用小数表示的允许超调量 如果要求无超调 则 0 式 2 中的第一项即为所需的值 如果 dn 大于此值 过渡过程更慢 仍为无超调 因此 无超调时的微分时间常数 dn 应该是 此设计中 按典型 II 系统设计 取 h 5 且 则s TTTionn 01734 02 无超调时应满足 则同时调节参数和可以实现调节系统超调的功能 dnTodn 电力拖动课程设计报告 18 6 4 带转速微分负反馈双闭环调速系统抗扰性能 带转速微分负反馈的双闭环调速系统在受到负载扰动时其结构图可以绘成 图如下 图图 1818 带转速微分负反馈双闭环调速系统在负载扰动下的结构图带转速微分负反馈双闭环调速系统在负载扰动下的结构图 对于不同的 值 得带转速微分负反馈的双闭环系统的抗扰性能指 标 列于下表 表表 带转速微分负反馈的双闭环调速系统抗扰性能指标 带转速微分负反馈的双闭环调速系统抗扰性能指标 h 5h 5 00 51 02 03 04 05 0 81 2 67 7 58 3 46 3 39 1 34 3 30 7 2 852 953 003 454 004 454 90 8 8011 2012 8015 2517 3019 1020 70 表中恢复时间是指衰减到 5 以内的时间 从表中可以看 tv nb n 电力拖动课程设计报告 19 出 引入转速微分负反馈后 动态速降大大降低 越大 动态速 dn 降越低 但恢复时间稍微拖长 其物理意义是很明显的 利用 siminlink 仿真的转速及电流波形图的效果也说明了这个问题 图图 1919 带转速微分负反馈的双闭环调速系统转速波形图带转速微分负反馈的双闭环调速系统转速波形图 图图 2020 带转速微分负反馈的双闭环调速系统电流波形图带转速微分负反馈的双闭环调速系统电流波形图 可见 不仅实现了转速无超调 而且电流的特性也比原系统要好 6 5 小结 1 直流双闭环调速系统引入转速微分负反馈后 构成加速度负反馈 可使突 电力拖动课程设计报告 20 加给定起动时转速调节器提早退饱和 从而有效地抑制以至消除转速超调 同 时也增强了调速系统的抗干扰能力 在负载扰动下的动态速降大大降低 但恢 复时间有点延长 2 微分反馈必须带滤波电阻 否则将引入新的干扰 3 作为调节器工程设计方法的延伸 给出了微分反馈时间常数的近似计算 公式 并且给出了指定条件下不同 dn值所对应的抗扰性