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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 I 的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理 dm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。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U *由静止状态起动时,转速和电流的过渡过程如 n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I、II和III。第I阶段:0_是电流上升阶段。突加给定电压U*后,I上升,当I小于1 n d d负载电流I时电机还不能动;当I I后,电动机开始转动,由于机电惯性的dL d dL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AU二U* -Un n n数值仍很大其输出电压保持限幅值U*,强迫电流I迅速上升。直到II ,im d d dmU沁U*时,电流调节器ACR很快压制了 I的增加,标志着这一阶段的结束。 i im d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II阶段:-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U*给定下 im的电流调节系统,基本上保持电流 I 恒定,因此系统是加速度恒定,转速呈线d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,U和U也必须基本上按线性增长才能保持 dcI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 d必须维持一定的,即I应略低于I 。d dm第III阶段:t2以后是转速调节阶段。当转速上升到给定值n *时,转速调节器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U* ,所 im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,U*和1很快下降,但是,只要I仍大于I转速就继续上升,i d d dL直到I二I转矩T二T,贝V dn/dt=O,转速n才到达峰值,此时t二t,此后电d dL e L 3机开始在负载的阻力下减速,与此相应,在tt时间段为I I,直到运行3 4 d dL稳定。第III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I尽快跟随U*,即电流环是一个电流随动系统。di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AUn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:U = 220V ; I 二 136A ; n 二 1460rpm ; C 二 0.132v/ rpm ;N N N e允许过载倍数:九=1.5 ;三相桥式整流装置放大倍数:K = 40 ;电枢回路总电阻:sR = 0.50 ;时间常数:T = 0.03s ; T = 0.18ss,电流反馈系数:0= 0.05V/ A ;乞lm转速反馈系数:a = 0.07V / rpm。设计要求:(1)稳态指标:无静差;(2)动态指标:电流超调量b 5%,启动到额定转i速时的转速超调量b 10% ;n1.2 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T三相桥式电路的平均失控时间T二0.0017s ; (2)电 ss流滤波时间常数T 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本滤平波头,应该有 oi(1 2)T = 3.33ms,因此取T = 0.002s ; (3)电流环小时间常数T 按小时间常数近似oioiXz处理,取 T = T + T = 0.0037s。Xis oin2:确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求:b 5%,而且T /T = 0.03/0.0037 = 8.11 10,因此设计成典il X i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W(s)二K (t s +1)/t s。ACRi ii4:选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数:t二T二0.03s ;电流开环增益:因要求b 5%,故 i li取KT = 0.5,因此K = 0.5/T = 0.5/0.0037 = 135.1s-1,于是电流调节器的比例系 I XiIX i数为 K 二 K t R / PK 二 1.013i I is5:校验近似条件电流环截止频率 = K = 135.1s-1ciI1) 校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足cissci,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: 3J1/T T,由于ci1m l3*:1/T T = 40.38s-1 v,满足近似条件;m lci3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件: (1/3.-1/TT,cis oi由于(1/3)$1/TT = 180.8s-i,满足近似条件。s oici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2T二0.0074s ; (2)电流滤波时间常数TLlon根据所用测速发电机纹波情况,取T二0.01s ;(3)转速环小时间常数T按小时间常数近onLn似处理,取 T = 2T + T = 0.0174s。LnLion2: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W (s)二K (t s +1)/t s。ASRn nn4: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t二hT二0.087s,转速开环增益为nLnh +1K 二丄二 396.4s-2N2h 2 T 2Ln所以转速调节器的比例系数为K 二(h + D 卩 二 11.7n2huRTLn5:校验近似条件转速环截止频率=K t = 34.5s-1cn N n1) 校验电流环传递函数简化条件是否满足 ,cnLiLicn满足简化条件;2) 校验小时间常数近似处理是否满足条件: w ,满足近似条件。on Licn3)核算转速超调量当 h=5 时,AC /C = 81.2%,而 An = I R/ C = 515.2rpm,因此max bN N ec % 二(AC/C ) x 2(九Z)(An T )/n*T 二 8.31% 10% 能满足设计要求。nmax bN L nm2 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:K = 0.83 , t = 0.022 ; K = 8.17 , t = 0.3。i i n 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,可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差, 逐步改进系统结构及参数,得到最优调节器参数,使得系统的调试得到简化,缩短了产品的 开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。参考文献:1 陈伯时.电力拖动自动控制系统(第三版). 北京:机械工业出版社, 2004;2 陈桂明等应用MATLAB建模与仿真.北京:科学出版社,2001。3 姬宣德等.基于matlab的矢量控制系统仿真.矿山机械2005.1。0.002S+1StepTransfer FenTransfer Fcn34flkJr0.0017s+1Transfer Fcn120.50.03s+10.18s+1Transfer Fcn20.05I|0.002S+1Transfer Fcn4
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