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文档简介
1 双闭环直流调速系统的原理及组成 对于正反转运行的调速系统 缩短起 制动过程的时间是提高生产 率的重要因素 为此 在起动 或制动 过渡过程中 希望始终保持电 流 电磁转矩 为允许的最大值 是调速系统以最大的加 减 速度运 行 当到达稳态转速时 最好使电流立即降下来 使电磁转矩与负载转 矩相平衡 从而迅速转入稳态运行 实际上 由于主电路电感的作用 电流不可能突变 为了实现在允许条件下的最快起动 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 dm I 个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变 采用电流负反馈应该能够 得到近似的恒流过程 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用 可在系统中设置两个调 节器 分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流 二者之间 实行嵌套连接 如图 1 所示 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电力电子变换器 从闭环结构上看 电流环在里面 称做内环 转速环在外面 称做外环 这就形成了转速 电流负反馈直流调速系统 为了获得良好的静动态性能 转速和电流 两个调节器一般采用 PI 调节器 MASRACR G n GTV TA L n U n U n U i U i U i U ct U d I 0d U 图 1 双闭环直流调速系统原理图 2 双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的 起动过程 因此在分析双闭环调速系统的动态性能时 有必要先探讨它的起动 过程 双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时 转速和电流的过渡 n U 过程如图 4 所示 由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和 饱和 退 饱和三个阶段 整个过渡过程也就分为三个阶段 在图中表以 和 第 阶段 0 t1是电流上升阶段 突加给定电压后 上升 当小于 n U d I d I 负载电流时电机还不能动 当后 电动机开始转动 由于机电惯性 dL I dLd II 的作用 转速不会很快增长 因此转速调节器 ASR 的输入偏差电压 数值仍很大其输出电压保持限幅值 强迫电流迅速上升 nnn UUU im U d I 直到 时 电流调节器 ACR 很快压制了的增加 标志着这 dmd II imi UU d I 一阶段的结束 在这一阶段中 ASR 由不饱和很快达到饱和 而 ACR 一般应该不饱和 图 2 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形 第 阶段 t1 t2是恒流加速阶段 这一阶段是起动过程的主要阶段 在这 个阶段中 ASR 始终是饱和的 转速环相当于开环 系统成为在恒流给定 im U 下的电流调节系统 基本上保持电流恒定 因此系统是加速度恒定 转速呈 d I 线性增长 同时电机的电动势也按线性增长 对电流调节系统来说 正是一个 线性渐增的扰动量 为了克服它的扰动 和也必须基本上按线性增长才 d U c U 能保持恒定 当 ACR 采用 PI 调节器时 要使其输出量按线性增长 其输入 d I 偏差电压必须维持一定的 即应略低于 d I dm I 第 阶段 t2以后是转速调节阶段 当转速上升到给定值时 转速调节 n 器 ASR 的输入偏差减小到零 但其输出却由于积分作用 还维持在限幅值 im U 所以电机仍在加速 使转速超调 转速超调后 ASR 输入偏差电压变负 使它 开始退出饱和状态 和很快下降 但是 只要仍大于转速就继续上 i U d I d I dL I 升 直到转矩 则 dn dt 0 转速 n 才到达峰值 此时 dLd II Le TT 3 tt 此后电机开始在负载的阻力下减速 与此相应 在时间段为 直 43 tt dLd II 到运行稳定 第 阶段 ASR 和 ACR 都不饱和 ASR 起主导的转速调节作用 ACR 则力图使尽快跟随 即电流环是一个电流随动系统 d I i U 总上所述 双闭环调速系统的起动过程有三个特点 1 饱和非线性控制 在不同情况下表现为不同结构的线性系统 2 转速超调 按照 PI 调节器的特性 只有转速超调 ASR 的输入偏差电压 为负值 才能使 ASR 退饱和 这就是说 采用 PI 调节器的双闭环调速系 n U 统的转速必超调 3 准时间最优控制 其动态过程的主要阶段是第二阶段的恒流升速 其主要特 征是电流保持恒定 一般选择为电机允许的最大电流 以使充分发挥电机的过 载能力 使起动最快 这个阶段是有限制条件的最短时间控制 1 直流调速系统的理论设计直流调速系统的理论设计 1 1 系统组成及要求 本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统 其系统动态结构框图如图 1 所示 系统参数如下 电动机 VUN220 AIN136 rpmnN1460 rpmvCe 132 0 允许过载倍数 三相桥式整流装置放大倍数 电枢回路总电阻 5 1 40 s K 时间常数 电流反馈系数 5 0RsTl03 0 ssTm18 0 AV 05 0 转速反馈系数 rpmV 07 0 设计要求 1 稳态指标 无静差 2 动态指标 电流超调量 启动到额定 5 i 转速时的转速超调量 10 n 1 2 电流调节器设计 1 确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数 三相桥式电路的平均失控时间 2 s TsTs0017 0 电流滤波时间常数 三相桥式电路每个波头的时间是 3 33ms 为了基本滤平波头 应该 oi T 有 因此取 3 电流环小时间常数 按小时间常数msToi33 3 2 1 sToi002 0 i T 近似处理 取 sTTT oisi 0037 0 ASRACR 1 ST K s s 1 1 ST R lST R m e C 1 dL I n U i U n U i U n 0d U 图 1 直流双闭环调速系统动态结构图 2 确定将电流环设计成何种典型系统 根据设计要求 而且 因此设计成 5 i 1011 8 0037 0 03 0 il TT 典型 I 型系统 3 电流调节器的结构选择 电流调节器选用比例积分调节器 PI 其传递函数为 ssKsW iiiACR 1 4 选择电流调节器参数 电流调节器超前时间常数 电流开环增益 因要求 故sTl i 03 0 5 i 取 因此 于是电流调节器的比例系5 0 iIT K 1 1 1350037 0 5 0 5 0 sTK iI 数为013 1 siIi KRKK 5 校验近似条件 电流环截止频率 1 1 135 sKI ci 1 校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足 因为 sci T3 1 cis sT 1 1963 1 所以满足近似条件 2 校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足 由于 lmci TT 13 满足近似条件 cilm sTT 1 38 40 13 3 校验小时间常数近似处理是否满足条件 oisci TT 1 3 1 由于 满足近似条件 ciois sTT 1 8 180 1 3 1 按照上述参数 电流环满足动态设计指标要求和近似条件 1 3 速度调节器设计 1 确定时间常数 1 电流环等效时间常数为 2 电流滤波时间常数sT i 0074 0 2 根据所用测速发电机纹波情况 取 3 转速环小时间常数按小时间 on TsTon01 0 n T 常数近似处理 取 sTTT onin 0174 0 2 2 确定将转速环设计成何种典型系统 由于设计要求转速无静差 转速调节器必须含有积分环节 又根据动态设计要求 应 按典型 II 型系统设计转速环 3 转速调节器的结构选择 转速调节器选用比例积分调节器 PI 其传递函数为 ssKsW nnnASR 1 4 选择转速调节器参数 按照跟随和抗扰性能都较好的原则取 h 5 则转速调节器的超前时间常数为 转速开环增益为shT nn 087 0 2 22 4 396 2 1 s Th h K n N 所以转速调节器的比例系数为 7 11 2 1 n me n RTh TCh K 5 校验近似条件 转速环截止频率 1 5 34 sK nNcn 1 校验电流环传递函数简化条件是否满足 由于 icn T 5 1 cni sT 1 1 545 1 满足简化条件 2 校验小时间常数近似处理是否满足条件 ioncn TT 2 1 3 1 由于 满足近似条件 cnion sTT 1 75 382 1 3 1 3 核算转速超调量 当 h 5 时 而 因此 2 81 max b CCrpmCRIn eNN 2 515 能满足设计要求 10 31 8 2 max mnNbn TnTnZCC 2 系统仿真系统仿真 1 1 理论计算参数仿真分析 根据理论设计结果 构建直流双闭环调速系统的仿真模型 如图 2 所示 在额定转速和空载下 对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形 如图 3 图 2 直流双闭环调速系统的仿真模型 图 3 额定转速空载时转速仿真波形 图 4 调整后的转速仿真波形 从图 3 中可知 1 转速超调量为 25 转速超调量过大 系统相对稳定性弱 2 整个起动过程只需 0 6 秒 系统的快速性较好 1 2 仿真调试分析 通过以上仿真分析 与理想的电动机起动特性相比 仿真的结果与理论设计具有差距 为什么会出现上述情况 从理论的设计过程中不难看出 因为在 典型系统的最佳设计法 时 将一些非线性环节简化为线性环节来处理 如滞后环节近似为一阶惯性 调节器的限 幅输出特性近似为线性环节等 经过大量仿真调试 改变电流和转速环调节器的参数 兼 顾电流 转速超调量和起动时间性能指标 找出最佳参数为 83 0 i K022 0 i 17 8 n K3 0 n 其转速波形如图 4 所示 从图 4 中可知 1 转速环超调量为 6 超调量符合要求 2 整个起动过程约为 0 8 秒 系统的快速性仍较好 3 结论结论 以上分析表明 利用 matlab 仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能 分析过程简单 通过对系统进行仿真 可
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