雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)-

直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù)說明書某晶閘管供電的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)為：直流電動(dòng)機(jī)：,,，，電樞電路總電阻R=0.1Ω,電樞電路總電感,電流允許過載倍數(shù)，折算到電動(dòng)機(jī)軸的飛輪慣量。晶閘管整流裝置放大倍數(shù)，滯后時(shí)間常數(shù)電流反饋系數(shù)電壓反饋系數(shù)濾波時(shí)間常數(shù)；調(diào)節(jié)器輸入電阻。設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。目錄TOC\o"1-4"\h\z\u1設(shè)計(jì)任務(wù)與分析 2調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 3.1晶閘管-電動(dòng)機(jī)主電路的設(shè)計(jì) 3.1.1主電路設(shè)計(jì) 3.1.2主電路參數(shù)計(jì)算 3.2轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 3.2.1電流調(diào)節(jié)器 3.2.1.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 3.2.1.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 3.2.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 3.2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 4計(jì)算機(jī)仿真 4.1空載起動(dòng) 4.2突加負(fù)載 4.3突減負(fù)載5設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì) 6參考文獻(xiàn) 2調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR),分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速,故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán),以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓,把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán),把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖2-1所示：圖2-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理圖如圖2-2所示：圖2-2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，圖中還表示了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定后了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1晶閘管-電動(dòng)機(jī)主電路的設(shè)計(jì)3.1.1主電路設(shè)計(jì)晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖3-1所示：圖3-1V-M系統(tǒng)主電路原理圖圖中VT是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖3-2所示：圖3-2三相全控橋式整流電路通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。3.1.2主電路參數(shù)計(jì)算，取其中系數(shù)0.9為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，系數(shù)1-1.2為考慮各種因素的安全系數(shù)，這里取1.0。電動(dòng)勢系數(shù)額定勵(lì)磁下的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)s3.2轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示：圖3-3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號通道上加入一個(gè)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.2.1電流調(diào)節(jié)器3.2.1.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢變化的動(dòng)態(tài)影響，即E≈0。這時(shí)，電流環(huán)如圖3-4所示。圖3-4電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（忽略反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)影響）忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)作用的近似條件是式中ωc-------電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號改成U*i(s)/，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。圖3-5電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)）最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為T∑i=Ts+Toi查表1得，三相橋式電路的平均失控時(shí)間為，電流濾波時(shí)間常數(shù).三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1～2）=3.33ms，因此取=0.002s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑i=Ts+Toi=0.0037s。簡化的近似條件為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖3-6。圖3-6電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理）2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：式中Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇τi=Tl則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3-7所示的典型形式，其中（ab)圖3-7校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖b)開環(huán)對數(shù)幅頻特性電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.03s。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表2，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：τi=Tl=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，按表3應(yīng)取ξ=0.707，，因此ACR的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率：機(jī)電時(shí)間常數(shù)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-8所示：其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，為電力電子變換器的控制電壓。由圖3-8，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為KΩ，取22KΩ圖3-8PI型電流調(diào)節(jié)器，按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖3-7a忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為近似條件可由式求出式中cn-----轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖3-9所示。圖3-9轉(zhuǎn)速換的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)）和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號改成U*n(s)/，再把時(shí)間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)。其中電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)小時(shí)間常數(shù)0.0074+0.02=0.0274s則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化為圖3-10圖3-10轉(zhuǎn)速換的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理）按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Kn----轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n----轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為則不考慮負(fù)載繞動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-11圖3-11轉(zhuǎn)速換的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)）3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為5×0.0274=0.137s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益159.84ASR的比例系數(shù)4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足簡化條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-12所示：其中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。取，則KΩ，取443KΩ，圖3-12PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，取2圖3-12PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量查表，當(dāng)時(shí)，，不能滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。7.按ASR退飽和重新計(jì)算超調(diào)量過載倍數(shù)λ=1.5，理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，z=0查表得，h=5時(shí)，△Cmax/Cb=81.2%，則能滿足設(shè)計(jì)要求。4計(jì)算機(jī)仿真雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖4-1，增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號的濾波環(huán)節(jié)。圖4-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1空載起動(dòng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于圖4-2。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。第I階段（）是電流上升階段。突加給定電壓后，、、都上升，在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。直到，，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR不飽和。第II階段（）是恒流升速階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。第Ⅲ階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值，電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時(shí)間內(nèi)，，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一段振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值。圖4-2空載起動(dòng)特性4.2突加負(fù)載圖4-3突加負(fù)載