直流调速系统设计与仿真论文草案毕业设计.doc

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 I 直流调速系统设计与仿真论文草案毕业设计直流调速系统设计与仿真论文草案毕业设计 第 1 章 绪论 5 1 1 直流调速系统的形成及发展概况 5 1 2 课题的提出及研究意义 6 1 3 课题分析与研究计划 8 1 4 社会经济效益 8 第 2 章 晶闸管直流调速系统开环特性 10 2 1 直流调速系统的动态指标 10 2 2 晶闸管电动机直流调速系统存在的问题 12 2 3 晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性 13 第 3 章 转速负反馈单闭环直流调速系统的分析 17 3 1 转速负反馈单闭环直流调速系统的问题的提出 17 3 2 闭环调速的特性 19 3 3 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系 20 3 4 转速负反馈控制的规律 22 3 5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析 24 3 6 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 25 3 7 关于 PI 调节器 25 3 8 无静差直流调速系统及其稳态参数计算 28 第 4 章 转速 电流双闭环调速系统及特性 31 4 1 转速 电流双闭环调速系统的工作原理 31 4 2 双闭环直流调速系统的组成 33 4 3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 34 4 4 双闭环直流调速系统的数学模型 35 4 5 双闭环直流调速系统的起动过程分析 36 4 6 双闭环直流调速系统的动态性能分析 38 4 7 双闭环直流调速系统两个调节器的作用 39 第 5 章 硬件实验部分 40 5 1 不可逆单闭环直流调速系统静特性实验 40 5 1 1 实验前的准备 40 5 2 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验 42 5 2 1 实验前的准备 42 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 II 5 2 2 实验的操作 43 第 6 章 直流调速系统的软件仿真部分 47 6 1 晶闸管开环直流调速系统仿真 47 6 1 1 系统的建模和参数设置 47 6 1 2 系统的仿真 仿真结果的输出及结果分析 52 6 1 3 仿真的结论 55 6 2 转速负反馈单闭环直流调速系统的仿真 55 6 2 1 转速负反馈有差直流调速系统仿真 55 6 2 2 转速负反馈无静差单闭环直流调速系统仿真 60 6 3 转速 电流双闭环直流调速系统仿真 62 6 3 1 系统的建模与仿真参数的设置 62 6 3 2 系统的仿真与结果分析 63 结论 65 参考文献 66 致 谢 67 附录 单闭环晶闸管不可逆直流调速实验接线图 68 附录 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验接线图 69 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 3 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 直流调速系统的形成及发展概况直流调速系统的形成及发展概况 1904 年出现了电子管 它能在真空中对电子流进行控制 并应用于通信和无线 电 从而开了电子技术之先河 后来出现了水银整流器 它把水银封于管内 利用 对其蒸汽的电弧可对大电流进行控制 其性能和晶闸管相似 在 30 年代到 50 年代 是水银整流器发展迅速并大量应用的时期 广泛用于电化学工业 电气铁道直流变 电所以及轧钢用直流电动机传动 甚至用于直流输电 这一时期 整流电路的理论 已经发展成熟并广为应用 在晶闸管出现以后的相当一段时期内 所使用的电路形 式仍然是这些形式 在这一时期 把交流变为直流的方法除水银整流器外 还有更 早的电动机 直流发电机组 即变流机组 和旋转变流机组相对应 静止变流器的称 呼从水银整流器开始而沿用至今 1947 年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管 引发了电子技术的革命 最先用 于电力领域的半导体器件是硅二极管 晶闸管出现后 由于其优越的电气性能和控 制性能 使之很快就取代了水银整流器和旋转交流机组 并且其应用范围也迅速扩 大 电化学工业 铁道电气机车 钢铁工业 轧钢用电气传动 感应加热等 电 力工业 直流输电 无功补偿等 的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步 电力 电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的 晶闸管 是通过对门极的控制能够将其导通而不能使其关断的器件 因而属于半控型器件 对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式 机组供电的直流调速系统在 20 世纪 60 年代以前曾广泛地使用着 但该系统需要旋 转变流机组 至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机 还要一台励磁发电 机 因此设备多 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 为了克服这些缺点 在 60 年代以后开始采用各种静止式的变压或变流装置来 替代旋转变流机组 采用晶闸管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 4 直流调速系统 它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点 而且还大大缩短了响应时 间 但闸流管容量小 汞弧整流器造价较高 维护麻烦 万一水银泄漏 将会污染 环境 危害人身健康 1957 年 晶闸管 俗称可控硅整流元件 简称 可控硅 问 世 到了 20 世纪 60 年代 已生产出成套的晶闸管整流装置 逐步取代了旋转变流 机组和离子拖动变流装置 使变流技术产生了根本性的变革 通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc来移动触发脉冲的相位 即可改变平均整流电压 Ud 从而实现 平滑调速 和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比 晶闸管整流装置不仅在经济 性和可靠性上都有很大提高 而且在技术性能上也显示出较大的优越性 晶闸管可 控整流器的功率放大倍数在 10 以上 其门极电流可以直接用电子控制 不再象直 流发电机那样需要较大功率的放大器 在控制作用的快速性上 变流机组是秒级 而晶闸管整流器是毫秒级 这将会大大提高系统的动态性能 1 2 课题的提出及研究课题的提出及研究意义意义 按照传动电动机的类型来分 电气传动油直流传动和交流传动两大类 尽管目 前各种交流调速系统得到了普遍的重视和较快的发展 但因为直流电机具有较大的 启动转矩 良好的启动 制动性能 以及易于在宽范围内实现平滑调速 所以直流 调速系统至今仍然是自动调速系统的一种主要形式 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 以调节电枢供电电压的方式 为最好 改变电阻只能有级调速 减弱磁通虽然能够平滑调速 但调速范围不大 往往只是配合调压方案 在基速 即电机额定转速 以上作小范围的弱磁升速 因此 自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主 变压调速是直流调速系统的主要方法 调节电枢供电电压需要有专门的可控直 流电源 常用的可控直流电源有以下三种 1 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 获得可调的直流电压 2 静止式可控整流器 用静止式的可控整流器获得可调的直流电压 3 直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不控整流电源供电 利用 电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制 产生可变的平均电压 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 5 由交流电动机拖动直流发电机 G 实现变流 由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电 调节 G 的励磁电流 即可改变其输出电压 从而调节电动机的转速 这样 的调速系统简称 G M 系统 国际上通称 Ward Leonard 系统 为了给 G 和 M 提供励 磁电源 通常专设一台直流励磁发电机 GE 可装在变流机组同轴上 也可另外单用 一台交流电动机拖动 对系统的调速性能要求不高时 if可直接由励磁电源供电 要求较高的闭环调速系统一般都应通过放大装置进行控制 如交磁放大机 磁放大 器 晶体管电子放大器等 改变 if的方向时 U 的极性和 n 的转向都跟着改变 所 以 G M 系统的可逆运行是很容易实现的 无论正转减速还是反转减速时都能够实现 回馈制动 因此 G M 系统是可以在允许转矩范围之内四象限运行的系统 机组供电 的直流调速系统在 20 世纪 60 年代以前曾广泛地使用着 但该系统需要旋转变流机 组 至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机 还要一台励磁发电机 因此 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 为 了克服这些缺点 在 20 世纪 60 年代以后开始采用各种静止式的变压或变流装置来 替代旋转变流机组 晶闸管 电动机调速系统 简称 V M 系统 又称静止的 Ward Leonard 系统 图 1 1VT 是晶闸管可控整流器 通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发 脉冲的相位 即可改变整流电压 Ud 从而实现平滑调速 与 G M 系统相比较 晶闸管整流装置不仅在经济和可靠性上都有很大提高 而且在技术性能上也显 示出较大的优越性 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104以上 其门极电流可 以直接用晶体管来控制 不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器 在控制作 用的快速性上 变流机组是秒级 而晶闸管整流器是毫秒级 这将大大提高系统的 动态性能 正是因为晶闸管 电动机系统的先进性所以才显现出研究此系统的意义 本文着重对晶闸管电动机直流调速系统的开环工作机械特性 在此基础上进一 步分析单闭环晶闸管电动机直流调速有静差和无静差工作的系统静特性 以及双闭 环晶闸管电动机直流调速系统的机械特性和该系统闭环控制特性的实验研究 用计 算机仿真工具 MATLAB 及其 SIMULINK 工具箱建立串级调速系统的仿真模型 并 且用 MATLAB 对串级调速系统进行仿真研究 进一步分析直流调速系统的开环 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 6 单闭环 双闭环静 动特性 论证仿真模型的正确以及利用 MATLAB SIMULINK 进行系统建模与仿真的有效性和可行性 为今后深入研究提供有效手段 具有重要 的理论意义和实用价值 图 1 1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统 V M 系统 1 3 课题分析与研究计划课题分析与研究计划 本文内容主要分为五部分 第一部分说明晶闸管的整流技术 调速系统的性能 指标及直流调速系统的主要问题 V M 系统开环机械特性与动态特性 研究晶闸管 电动机系统的开环特性 逐一介绍自动控制系统的控制方式 研究直流调速系统的 关键因素 为后面研究直流调速系统单闭环 双闭环特性做基础 第二部分为单闭 环控制直流调速系统部分 研究单闭环 转速负反馈 有静差和无静差工作的系统 静特性并进行相关分析 第三部分为双闭环直流调速系统部分 完成双闭环直流调 速系统的机械特性和闭环控制特性研究 并进行相关分析 第四部为硬件实验部分 测量实际硬件数据 第五部分为软件仿真部分 用 MATLAB 软件对系统性能进行 仿真研究 并与实际理论值进行比较分析 1 4 社会经济效益社会经济效益 电气传动系统由电动机 控制装置及被拖动的生产机械所组成 电气传动是国 民经济中充满活力的基础技术和高新技术 它的发展和进步已成为更经济地使用材 料和能源 提高劳动生产率的合理手段 成为促进国民经济不断发展的重要因素 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 7 成为国家现代化的重要标志 从传动系统来讲 虽然近几年交流电动机调速技术迅 猛发展 在许多方面正向直流技术领域扩展 但是直流传动控制系统的一些理论仍 然是交流传动的基础 对于直流传动系统来说 它也在不断地更新和发展 如完全 数字化的控制装置已成功地用于生产 以微机作为控制系统的核心部件 并具有控 制 检测 监视 故障诊断处理等多功能电气传动系统正在形成和不断地完善 由于直流电动机具有良好的机械特性 能在大范围内平滑调速 启动 制动和 正反转等 目前在传动领域中仍占主要地位 现急需在以下几个方面提高我国直流 电气传动装置的水平 1 提高传动的单机容量 我国现有容量为 7000KW 国外则早已制成 14500KW 的传 动装置 2 提高电力电子器件的生产水平 增加品种 3 控制单元水平急需提高 目前国内的传动装置仍有小规模集成运算放大器和组件 触发装置甚至还是分离元件 国外的装置已实现完全数字化 采用 16 位或 32 位单 片机 实现数字触发 数字调节 故障自诊断 参数自寻优 状态监视 保护及自 复原等各种功能 4 应形成标准模块化的结构和一些列控制单元 便于工程设计人员选用 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 8 第第 2 2 章章 晶闸管直流调速系统开环特性晶闸管直流调速系统开环特性 2 12 1 直流调速系统的动态指标直流调速系统的动态指标 对于一个调速系统 电动机要不断地处于启动 制动 反转 调速以及突然加 减负载的过渡过程 此时 必须研究相关电机运行的动态指标 如稳定性 快速性 动态误差等 这对于提高产品质量和劳动生产率 保证系统安全运行是很有意义的 动态指标代表了系统发生过渡过程时的性能 动态指标分跟随指标和抗扰动指标 1 跟随指标 系统对给定信号的动态响应性能 称为 跟随 性能 一般用 最大超调量 超调时间 ts和震荡次数 N 三个指标来衡量 图 2 1 是突加给定作用 下的动态响应曲线 最大超调量反映了系统的动态精度 超调量越小 则说明系统 的过渡过程进行得平稳 不同的调速系统对最大超调量的要求也不同 一般调速系 统 可允许 10 35 轧钢机中的初轧机要求小于 10 连轧机则要求小于 2 5 而在张力控制的卷曲机系统 造纸机 则不允许有超调量 调整时间 ts 反映了系统的快速性 例如 连轧机 ts为 0 2s 0 5s 造纸机为 0 3s 振荡次数也反 映了系统的稳定性 例如 磨床等普通机床允许震荡 3 次 龙门刨与轧机则允许振 荡 1 次 而造纸机不允许有振荡 图 2 1 突加给定作用下的动态响应曲线 2 抗扰指标 对扰动量作用时的动态响应性能 称为 抗扰 性能 一般用 最大动态速降 nmax 恢复时间 tf和振荡次数 N 三个指标来衡量 用图 2 2 是突加 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 9 负载时的动态响应曲线 最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性 由 于最大动态速降与扰动量的大小是有关的 因此必须同时注明扰动量的大小 恢复 时间反映了系统的抗扰动能力和快速性 振荡次数 N 同样代表系统的稳定性与抗扰 动能力 图 2 2 突加负载时的动态响应曲线 跟随指标与抗扰指标都表征系统过渡过程的性能 之所以要分别列出 时由于 对同一个调速系统 其跟随指标和抗扰动指标并不相同 不同的生产机械对这两类 指标的要求也是不一样的 此外 当系统过渡过程结束后 稳态误差反映了系统的 准确性 一般来说 总是希望最大超调和最大动态速降小一点 振荡次数少一些 调整时间及恢复时间短一点 稳态误差小一点 即希望能达到稳 快 准 事实上 这些指标要求 在同一系统中往往是相互矛盾的 因此需要具体对象 所提出的要求 首先满足主要方面的性能指标要求 而适当降低其他方面的指标 3 直流调速系统中调速范围 静差率和额定速降之间的关系 在直流电动机变 压调速系统中 一般以电动机的额定转速 nN作为最高转速 若额定负载下的转速降 落为 nN 则按照上面分析的结果 该系统的静差率应该是最低速时的静差率 即 式 2 1 s ns n s n n N N N 1 min 于是 最低转速为 式 2 2 N NN nn n n n s minmin0 而调速范围为 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 10 式 2 3 minmin max n n n n D N 将上面的代入上式中 得 min n 式 2 4 1 sn sn D N N 式 2 4 表示变压调速系统的调速范围 静差率和额定速降之间所应满足的关 系 对于同一个调速系统 值一定 由式 2 4 可见 如果对静差率要求越严 即要求 s 值越小时 系统能够允许的调速范围也越小 一个调速系统的调速范围 是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围 2 2 晶闸管电动机直流调速系统存在的问题晶闸管电动机直流调速系统存在的问题 图 2 3 V M 系统的运行范围 晶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 图 2 3a 全控整流电路可以实现有源逆变 允许电动机工作在反转制动状 态 因而能获得二象限运行 图 2 3b 必须进行四象限运行时 图 2 3c 只好 采用正 反两组全控整流电路 所用变流设备要增加一倍 晶闸管的另一个问题是对过电压 过电流和过高的 与 都十分敏感 其 dt du dt di 中任一指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏器件 因此必须有可靠的保护电 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 11 路和符合要求的散热条件 而且在选择器件时还应留有适当的余量 现代的晶闸管 应用技术已经成熟 只要器件质量过关 装置设计合理 保护电路齐备 晶闸管装 置的运行是十分可靠的 最后 谐波与无功功率造成的 电力公害 是晶闸管可控整流装置进一步普及的 障碍 当系统处于深调速状态 即在较低速运行时 晶闸管的导通角很小 使得系 统的功率因数很低 并产生较大的谐波电流 引起电网电压波形畸变 殃及附近的 用电设备 这就是所谓的 电力公害 在这种情况下 必须添置无功补偿和谐波滤 波装置 2 32 3 晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性 图 2 4 晶闸管直流调速系统电气原理图 图 2 5 闸管触发与整流装置动态结构图 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 12 晶闸管直流调速系统由整流变压器 晶闸管整流调速装置 平波电抗器 电动 机 发电机组等组成 在本系统中 整流装置的主电路为三相桥式电路 控制电路可 直接由给定电压 Ug作为触发器的移相控制电压 Uct 改变 Ug的大小即可改变控制角 从而获得可调电压 以实现直流电动机的调速 系统原理如图 2 4 1 系统的组成及调节原理 系统的组成图如 2 5 调节 改变移相角 改变 Ud n 改变 n U 2 触发脉冲的相位控制 调节触发装置 GT 输出脉冲的相位 即可很方便地改变可控整流器 VT 输出 瞬时电压 ud 的波形 以及输出平均电压 Ud 的数值 如果把整流装置内阻移到 装置外边 看成是其负载电路电阻的一部分 那么 整流电压便可以用其理想空载 瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示 瞬时电压平衡方程 式 2 5 dt di LRiEu d dd 0 式中 E 为电动机反电动势 id为整流电流瞬时值 L 为主电路总电感 R 主电 路等效电阻 对 ud0 进行积分 即得理想空载整流电压平均值 Ud0 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值 Ud0 是晶闸管整流器的特点 Ud0 与触发脉冲相位角 的 关系因整流电路的形式而异 对于一般的全控整流电路 当电流波形连续时 Ud0 f 可用下式表示 式 2 6 a m U m U md cossin 0 式中 a 为从自然换相点算起的触发脉冲控制角 Um为 0 时的整流电压波形 峰值 m 为交流电源一周内的整流电压脉波数 对于三相全波整流电路 其中 U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值 Um m 6 2 6UaUUdcos34 2 20 当 0 0 晶闸管装置处于整流状态 电功率从交流侧输送 到直流侧 当 2 max 时 Ud0 0 或 Tl Ts Tm Ts 1 K TlTs K TTT slm 1 K TT sm 1K TTT slm 1 整理后得 K 式 3 11 sl sslm TT TTTT 2 式 3 11 右边称作系统的临界放大系数 Kcr 当 K Kcr 时 系统将不稳定 对于一个自动控制系统来说 稳定性是它能否正常工作的首要条件 是必须保证的 3 73 7 关于关于 PIPI 调节器调节器 采用比例 P 放大器控制的直流调速系统 可使系统稳定 并有一定的稳定裕 度 同时还能满足一定的稳态精度指标 但是 带比例放大器的反馈控制闭环调速 系统是有静差的调速系统 现在着重分析采用积分 I 调节器或比例积分 PI 调 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 24 节器代替比例放大器 构成无静差调速系统 采用 P 放大器控制的有静差的调速系 统 Kp 越大 系统精度越高 但 Kp 过大 将降低系统稳定性 使系统动态不稳定 进一步分析静差产生的原因 由于采用比例调节器 转速调节器的输出为 Uc Kp Un Uc 0 电动机运行 即 Un 0 Uc 0 电动机停止 因此 在采用比例调节器控制的自动系统中 输入偏差是维系系统运行的基础 必然要产 生静差 因此是有静差系统 如果要消除系统误差 必须寻找其他控制方法 比如 采用积分 Integration 调节器或比例积分 PI 调节器来代替比例放大器 采用积分调节器 当转速在稳态时达到与给定转速一致 系统仍有控制信号 保持系统稳定运行 实现无静差调速 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现 状 而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史 从无静差的角度看积分 控制优于比例控制 但是另一方面 在控制的快速性上 积分控制却又不如比例控 制 在同样的阶跃输入作用之下 比例调节器的输出可以立即响应 而积分调节器 的输出却只能逐渐地变 如果既要稳态精度高 又要动态响应快 只要把比例和积 分两种控制结合起来就行了 这便是比例积分控制 1 PI 调节器 如果既要稳态精度高 又要动态响应快 只要把比例和积分两种控制结合起来 就行了 这便是比例积分控制 在模拟电子控制技术中 可用运算放大器来实现 线路如图 3 7 所示 图 3 7 比例积分 PI 调节器 2 PI 输入输出关系 按照运算放大器的输入输出关系 可得 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 25 式 3 12 dtUUKdtU CR U R R U ininpiininex 11 100 1 式中 Kpi 为 PI 调节器比例部分的放大系数 R0C1为 PI 调节器的积分时 0 R Ri 间常数 由此可见 PI 调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成 3 PI 调节器的传递函数 当初始条件为零时 取式 3 12 两侧的拉氏变换 移项后 得 PI 调节器的传 递函数 式 3 13 1 1 sK s K sU sU sW pi pi in ex pi 令 1 Kpi R1C1 则传递函数也可以写成如下形式 式 3 14 s s K s s sW pipi 1 11 11 注意 式 3 14 表明 PI 调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来 表示 1是微分项中的超前时间常数 它和积分时间常数 的物理意义是不同的 4 PI 调节器输出时间特性 阶跃输入情况 在零初始状态和阶跃输入下 PI 调节器输出电压的时间特性示 于图 3 8a 从这个特性上可以看出比例积分作用的物理意义 突加输入信号时 由 于电容C1 两端电压不能突变 相当于两端瞬间短路 在运算放大器反馈回路中只剩 下电阻R1 电路等效于一个放大系数为 Kpi 的比例调节器 在输出端立即呈现 电压 Kpi Uin 实现快速控制 发挥了比例控制的长处 此后 随着电容C1 被充电 输出电压Uex 开始积分 其数值不断增长 直到 稳态 稳态时 C1 两端电压等于Uex R1 已不起作用 又和积分调节器一样了 这时又能发挥积分控制的优点 实现了稳态无静差 因此 PI 调节器输出是由比例 和积分两部分相加而成的 一般输入情况 图 3 8b 绘出了比例积分调节器的输入和输出动态过程 假设输 入偏差电压 Un 的波形如图所示 则输出波形中比例部分 和 Un 成正比 积分 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 26 部分 是 Un 的积分曲线 而 PI 调节器的输出电压 Uc 是这两部分之和 可 见 Uc 既具有快速响应性能 又足以消除调速系统的静差 除此以外 比例积分 调节器还是提高系统稳定性的校正装置 因此 它在调速系统和其他控制系统中获 得了广泛的应用 由此可见 比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点 又克服 了各自的缺点 扬长避短 互相补充 比例部分能迅速响应控制作用 积分部分则 最终消除稳态偏差 图 3 8 PI 调节器输出特性曲线 3 83 8 无静差直流调速系统及其稳态参数计算无静差直流调速系统及其稳态参数计算 1 系统组成与工作原理 图 3 9 是一个无静差直流调速系统的实例 采用比例积分调节器以实现无静差 采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流 他为检测电流的交流互感器 经 整流后得到电流反馈信号 当电流超过截止电流时 高于稳压管 VST 的击穿电压 使晶体三极管 VBT 导通 则 PI 调节器的输出电压接近于零 电力电子变换器 UPE 的输出电压急剧下降 达到限制电流的目的 2 稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时 上述系统的稳态结构图示如图 3 10 其中代表 PI 调节器的方框中无法用放大系数表示 一般画出它的输出特性 以表明是比例积 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 27 分作用 无静差系统的理想静特性如图 3 11 所示 当 Id Idcr 时 电流截止负反馈起作用 静特性急剧下垂 基本上是一条垂 直线 整个静特性近似呈矩形 必须指出 严格地说 无静差 只是理论上的 实际系统在稳态时 PI 调节器 积分电容两端电压不变 相当于运算放大器的反馈回路开路 其放大系数等于运算 放大器本身的开环放大系数 数值最大 但并不是无穷大 因此其输入端仍存在很 小的 而不是零 这就是说 实际上仍有很小的静差 只是在一般精度要求下可以 忽略不计而已 图 3 9 无静差直流调速系统 图 3 10 无静差直流调速系统稳态结构图 Id Idcr 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 28 图 3 11 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性 3 稳态参数计算 无静差调速系统的稳态参数计算很简单 在理想情况下 稳态时 Un 0 因 而 Un Un 可以按式 3 15 直接计算转速反馈系数 式 3 15 max max n U n 其中 nmax为电动机调压时的最高转速 U max 为相应的最高给定电压 电流截 止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值 Idcr 计算出 PI 调节器的参数 Kpi 和 可按动态校正的要求计算 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 29 第第 4 4 章章 转速 电流双闭环调速系统及特性转速 电流双闭环调速系统及特性 4 4 1 1 转速 电流双闭环调速系统的工作原理转速 电流双闭环调速系统的工作原理 双闭环 转速环 电流环 直流调速系统是一种当前应用广泛 经济 适用的 电力传动系统 它具有动态响应快 抗干扰能力强的优点 我们知道反馈闭环控制 系统具有良好的抗扰性能 它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效 的加以抑制 采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的 条件下实现转速无静差 但如果对系统的动态性能要求较高 例如要求起制动 突 加负载动态速降小等等 单闭环系统就难以满足要求 这主要是因为在单闭环系统 中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩 在单闭环系统中 只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的 但它只是 在超过临界电流值以后 靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击 并不能很理想的 dcr I 控制电流的动态波形 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波 形如图4 1a所示 当电流从最大值降低下来以后 电机转矩也随之减小 因而加速 过程必然拖长 在实际工作中 我们希望在电机最大电流 转矩 受限的条件下 充分利用电机 的允许过载能力 最好是在过渡过程中始终保持电流 转矩 为允许最大值 使电 力拖动系统尽可能用最大的加速度起动 到达稳定转速后 又让电流立即降下来 使转矩马上与负载相平衡 从而转入稳态运行 这样的理想起动过程波形如图2 1b 所示 这时 启动电流成方波形 而转速是线性增长的 这是在最大电流 转矩 受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程 实际上 由于主电路电感的作 用 电流不能突跳 为了实现在允许条件下最快启动 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就可以保 dm I 持该量基本不变 那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程 问题是希望在启 动过程中只有电流负反馈 而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端 到达稳态转速后 又希望只要转速负反馈 不再靠电流负反馈发挥主作用 因此我 们采用双闭环调速系统 这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 30 们作用在不同的阶段 a 带 电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 b 理想快速起动过程 图 4 1 调速系统起动过程的电流和转速波形 图 4 2 双闭环直流调速系统原理框图 转速电流双闭环直流调速系统的原理如图 4 2 在启动时 加入给定电压 U n 速度调节器 automatic speed regulator ASR 和 电流调节器 automatic current regulator ASR 以饱和限幅值限幅值输出 使得电动机以限定的最大启动 电流加速启动 直到电动机转速达到给定转速 并在出现超调后 ASR 和 ACR 退 出饱和 最后稳定在给定转速下运行 在调速系统工作时 要先给电动机加励磁 ASR 的输出作为 ACR 的输入 利 用 ASR 的输出限幅可达到限制启动电流大小的目的 ACR 的输出作为 触发电路 的控制电压 Uc 利用 ACR 的输出限幅可以限制整流桥的最大导通角 max IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n a b 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 31 总的来说 双闭环调速系统中两个调节器的作用为 1 ASR 的作用 使转速 n 跟随给定电压 U n变化 稳态无静差 对负载变 化起抗扰作用 其输出限幅值决定允许的最大电流 2 ACR 的作用 在电动机起动时 保证获得最大电流 起动时间短 使系 统具有较好的动态特性 在转速调节过程中 使电流跟随其给定电压 U i变化 当 电动机过载甚至堵时 限制电枢电流的最大值 起到安全保护作用 在故障消失后 系统能够自动回复正常 对电网电压波动起快速抑制作用 4 24 2 双闭环直流调速系统的组成双闭环直流调速系统的组成 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 二者之间实行串级连接 如图4 3所示 即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 转速环在外面 叫做外环 这样 就形成了转速 电流双闭环调速系统 该双闭环系统的两个调节器ASR和ACR一般 采用PI 调节器 因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度 使系统在稳态运 行时得到无静差调速 又能提高系统的稳定性 作为控制器时又能兼顾快速响应和 消除静差两方面的要求 一般的调速系统要求以稳和准为主 采用PI调节器便能保 证系统获得良好的静态和动态性能 n ASR ACR U n Un Ui U i Uct TA Ud Id UPE M TG 环 n i 外环 内环 图 4 3 转速 电流双闭环直流调速系统 ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 32 TA 电流互感器 UPE 电力电子变换器 4 34 3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 Ks 1 Ce U nUct Id E nUd0 Un ASR U i IdR R ACR Ui UPE 图4 4双闭环调速系统的稳态结构图 首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图 4 4 分析双闭环调速系统静特性的关 键是掌握 PI 调节器的稳太特征 一般存在两种状况 饱和 输出达到限幅值 不 饱和 输出未达到限幅值 当调节器饱和时 输出为恒值 输入量的变化不再影 响输出 相当与使该调节环开环 当调节器不饱和时 PI 作用使输入偏差电压 在稳态时总是为零 实际上 在正常运行时 电流调节器是不会达到饱和状态U 的 因此 对静特性来说 只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 1 转速调节器不饱和 此时两个调节器都不饱和 稳态时 他们的输入偏差电 压都为零 即 式 4 1 nUU nn 式 4 2 dii IUU 式4 3 0 n U n n 从而得到图4 5静特性的n0 A段 由 且ASR不饱和 dii IUU 得 说明n0 A段静特性从 理想空载状态 一直延续到 imi UU dmd II 0 d I 而一般都大于额定电流的 dmd II dm I dnom I 2 转速调节器饱和 此时 ASR 输出达到限幅值 转速外环呈开环状态 imU 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 33 转速的变化对系统不再产生影响 双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统 稳态 时有 式4 4 dm im d I U I 从而得到图4 5静特性的A B段 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时 dm I 表现为转速无静差 转速负反馈起主要调节作用 当负载电流达到后 转速调节 dm I 器饱和 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 图 4 5 双闭环调速系统的静特性 4 44 4 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型 U n Uct IdL n Ud0 Un Ui WASR s WACR s Ks Tss 1 1 R Tl s 1 R Tms U iId 1 Ce E 图 4 6 双闭环直流调速系统的动态结构框图 双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 34 系统动态结构图 双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4 6所示 图中 和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数 为了引出电流反 sW ASR sW ACR 馈 在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来 d I 4 54 5 双闭环直流调速系统的起动过程分析双闭环直流调速系统的起动过程分析 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 析双闭环直流调速系统的动态性能时 有必要首先探讨它的起动过程 双闭环直流 调速系统突加给定电压由静止状态起动时 转速和电流的动态过程如图4 7所示 i U 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 整个动态 过程就分成图中标明的I II III三个阶段 1 第I阶段 0 t1 是电流上升阶段 突加给定电压后 通过两个调节器的跟随作用 使 都上升 n U ct U 0d U d I 但是在没有达到负载电流之前 电动机还不能转动 当后 电动机开 d I dL I dLd II 始转动 由于机电惯性的作用 转速不会很快增长 因而转速调节器ASR的输入偏差 电压的数值仍较大 其输出电压保持限幅值 强迫电枢电流 nnn UUU imU 迅速上升 直到 电流调节器很快就压制了不再迅速增长 d I dmd II imiUU d I 标志着这一阶段的结束 在这一阶段中 ASR很快进入并保持饱和状态 而ACR一般 不饱 2 第II阶段 t1 t2 是恒流升速阶段 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段 在这个阶段中 ASR 始终是饱和的 转速环相当于开环 系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统 基本上 imU 保持电流恒定 因而系统的加速度恒定 转速呈线性增长 图 4 7 与此同时 d I 电动机的反电动势 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 图 4 7 为了克服这个扰动 和也必须基本上按线性增长 才能保持 0d U c U Id恒定 当 ACR 采用 PI 调节器时 要使其输出量按线性增长 其输入偏差电压 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 35 必须维持一定的恒值 也就是说 应略低于 此外还应指出 iimi UUU d I dm I 为了保证电流环的这种调节作用 在起动过程中 ACR 不应饱和 3 第 III 阶段 t2以后 是转速调节阶段 当转速上升到给定值时 转速调节器 ASR 的输入偏差减少到零 但其 0 nn 输出却由于积分作用还维持在限幅值 所以电动机仍在最大电流下加速 必然 imU 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 输出 电压和主电流也因而下降 但是 由于仍大于负载电流 转速将在一段 iU d I d I dL I 时间内继续上升 直到 时 转矩 则 dn dt 0 转速 n 才能到达峰值 d I dL I e T L T 此后 电动机开始在负载的阻力下减速 与此相应 电流出现一段小于的过程 直 dL I 到稳定 图 4 7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 双闭环直流调速系统起动过程的三个特点 1 饱和非线性控制 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 ASR n O O t t Idn IdL Id III III t4 t3 t2 t1 n 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 36 不饱和时 转速环闭环 整个系统是一个无静差系统 而电流内环则表现为电流随 动系统 2 准时间最优控制 在恒流升速阶段 系统电流为允许最大值 并保持恒定 使系统最快起动 即 在电流受限制条件下使系统最短时间内起动 3 转速超调 由于 PI 调节器的特性 只有使转速超调 即在转速调节阶段 ASR 的输入偏差 电压为负值 才能使 ASR 退出饱和 所以采用 PI 调节器的双闭环直流调速系统 n U 的转速动态响应必然有超调 4 64 6 双闭环直流调速系统的动态性能分析双闭环直流调速系统的动态性能分析 一般来说 双闭环调速系统具有比较满意的动态性能 动态性能可分为动态跟 随性能和动态抗扰性能两种 其中动态抗扰性能对于调速系统更为重要 它主要表 现为抗负载扰动和抗电网电压扰动 一 动态跟随性能 双闭环调速系统在起动和升速过程中 能够在电流受电 机过载能力约束的条件下 表现出很快的动态跟随性能 在减速过程中 由于主电 路电流的不可逆性 跟随性能变差 在设计 ACR 时 应强调具有良好的跟随性能 1 Ce U n IdL n Un ASR 1 R Tl s 1 R Tms Id Ks Tss 1 ACR U i Ui E Ud0 图 4 8 双闭环直流调速系统的抗负载扰动 二 动态抗扰性能 1 抗负载扰动 由图 4 8 可以看出 负载扰动作用在电流环之后 因此只能靠 转速调节 ASR 来产生抗负载扰动的作用 在突加 突减 负载时 必然会引起动态 速降 速升 为了减少动态速降 速升 所以要求 ASR 具有较好的抗扰性能 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 37 2 抗电网电压扰动 由于电网电压扰动和负载扰动在系统结构图中作用的位置 不同 系统对它们的动态抗扰效果就不同 如图 4 9 所示的双闭环系统中 电网电 压扰动和负载扰动都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上 就静特性 d U dL I 而言 系统对它们的抗扰效果是一样的 从动态性能上看 负载扰动作用在被调 dL I 量n的前面 可以通过测速发电机检测出来 使负载扰动通过转速负反馈得到及时 调节 而电网电压扰动作用在离被调量n更远的位置 转速调节器 ASR 不能及时对 它进行调节 但是因为它作用在被电流负反馈环包围的前向通道上 使电压波动可 以直接通过电流反馈得到及时的调节 不必等它影响到转速以后才能反馈回来 抗 扰性能高 在双闭环系统中 由电网电压波动引起的转速动态变化比起单闭环系统 小得多 1 Ce U n n Ud0 Un ASR 1 R Tl s 1 R Tms Ks Tss 1 ACR U i Ui E Ud IdL Id 图 4 9 直流调速系统的动态抗扰作用 4 74 7 双闭环直流调速系统两个调节器的作用双闭环直流调速系统两个调节器的作用 1 转速调节器的作用 1 使转速n跟随给定电压变化 当偏差电压为零 m U 时 实现稳态无静差 2 对负载变化起抗扰作用 3 其输出限幅值决定允许的 最大电流 2 电流调节器的作用 1 在转速调节过程中 使电流跟随其给定电压变 i U 化 2 对电网电压波动起及时抗扰作用 3 起动时保证获得允许的最大电流 使系统获得最大加速度起动 4 当电机过载甚至于堵转时 限制电枢电流的最大 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 38 值 从而起大快速的安全保护作用 当故障消失时 系统能够自动恢复正常 第第 5 章章 硬件实验部分硬件实验部分 5 15 1 不可逆单闭环直流调速系统静特性实验不可逆单闭环直流调速系统静特性实验 5 1 1 实验前的准备实验前的准备 1 本实验的目的及进行试验前需了解的知识 本实验目的为研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作 研究直流 调速系统中速度调节器 ASR 的工作及其对系统静特性的影响 学习反馈控制系统的 调试技术 之前应了解速度调节器在比例工作与比例 积分工作时的输入 输出特 性 弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理 实验线路及原理见附录 2 实验设备及仪表 MCL 系列教学实验台主控制屏 MCL 18 组件 适合 MCL 或 MCL 31 组件 适合 MCL MCL 33 A 组件或 MCL 53 组件 MEL 11 挂箱 MEL 03 三相可调 电阻 或自配滑线变阻器 电机导轨及测速发电机 直流发电机 M01 或电机导轨 及测功机 MEL 13 组件 直流电动机 M03 双踪示波器 3 注意事项 直流电动机工作前 必须先加上直流激磁 接入 ASR 构成转速负反馈时 为了 防止振荡 可预先把 ASR 的 RP3 电位器逆时针旋到底 使调节器放大倍数最小 同时 ASR 的 5 6 端接入可调电容 预置 7 F 测取静特性时 须注意主 电路电流不许超过电机的额定值 1A 三相主电源连线时需注意 不可换错相序 电源开关闭合时 过流保护发光二极管可能会亮 只需按下对应的复位开关 SB1 即 可正常工作 系统开环连接时 不允许突加给定信号 Ug起动电机 起动电机时 需 把 MEL 13 的测功机加载旋钮逆时针旋到底 以免带负载起动 改变接线时 必须 先按下主控制屏总电源开关的 断开 红色按钮 同时使系统的给定为零 双踪示 波器的两个探头地线通过示波器外壳短接 故在使用时 必须使两探头的地线同电 位 只用一根地线即可 以免造成短路事故 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 39 5 1 2 实验的操作实验的操作 1 移相触发电路的调试 主电路未通电 a 用示波器观察 MCL 33 的双脉冲观察孔 应有双脉冲 且间隔均匀 幅值 相同 观察每个晶闸管的控制极 阴极电压波形 应有幅值为 1V 2V 的双脉冲 b 触发电路输出脉冲应在 30 90 范围内可调 可通过对偏移电压调节 单位器及 ASR 输出电压的调整实现 2 求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性 a 断开 ASR 的 3 至 Uct的连接线 G 给定 直接加至 Uct 且 Ug 调至零 直流电机励