具有双闭环控制的串级调速系统设计

交流调速课程设计（论文）题目： 具有双闭环控制的串级调速系统设计院（系）：专业班级学 号：学生姓名指导教师教师职称起止时间课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号设计题目 具有双闭环控制的串级调速系统设计设计技术参数该1900千瓦串级调速系统应用于无缝钢管车间轧制无缝钢管的穿孔轧机拖动电电动机中。生产工艺对该系统的技术指标要求为：1.调速范围应达到3：1；2.不要求可逆，稳速轧制穿孔，故没有快速制动要求；3.穿孔机承受重复短时工作制负载，要求调速装置在低速运转时，电动机具有较大的过载能力；4.要求系统静态速降和动态速降要小，以保证无缝钢管表面的加工质量和壁厚的均匀性。设计要求1.按已知条件设计一双闭环控制的串级调速系统。2.建立串级调速系统的数学模型，画出串级调速系统动态结构图。3.调速系统调节器参数的确定。要求电流环按典型I型系统、转速环按典型II型系统设计。4.画出双闭环控制的串级调速系统原理图。工作量1.完成整个系统的方案设计，并绘制原理图；2.建立系统的数学模型；3.选择调节器的参数；4.编写设计说明书。工作计划1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料。（1天）2、建立数学模型。（3天）3、调节器参数选择。（3天）4、绘制系统原理图。（1天）5、打印课程设计说明书。（1天）6、设计结果考核。（1天）参考资料1 李华德.交流调速控制系统.电子工业出版社，2003.3，61-642 陈伯时，陈敏逊著. 交流调速系统.机械工业出版社，19983 刘纯厚主编.近代交流调速，北京：冶金工业出版社，19954 陈国呈编著.PWM变频调速及软开关电力变换技术.北京：机械工业出版社，2001基础自动化、电气传动、电气自动化、电力电子技术等杂志。指导教师签字教研室主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、教研室、系部各一份。可加附页。年 6月10日2目 录第1章 方案论证4 1.1 概述41.2 课程设计目的 41.3 课程设计要求41.4 串级调速原理 5第2章 具有双闭环控制的串级调速系统设计72.1 双闭环控制串级调速系统的组成72.2异步电动机的选择及传递函数的实现72.3串级调速系统工作时的机械特性92.4建立串级调速系统的数学模型和动态结构图16第3章 参数设计与总结173.1选择调节器的参数；173.2 设计总结与体会19参考文献20第1章 方案论证1.1 概述 由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈和转速反馈的双闭环控制方式。由于串级条调速系统的转子整流器是不可控的，系统本身不能产生电气制动作用，所谓动态性能的改善只是指启动与加速过程性能的改善，减速过程只能靠负载作用自由降速。1.2 课程设计目的本课程的课程设计实际是自动化专业学生学习完交流调速系统控制课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对交流调速系统控制理论和基本知识的理解，掌握运用交流调速系统控制方法设计具有双闭环控制的串级调速系统设计，以及系统的调试和运行的基本方法。1.3课程设计的要求该1900千瓦串级调速系统应用于无缝钢管车间轧制无缝钢管的穿孔轧机拖动电动机中。生产工艺对该系统的技术指标要求为：1、调速范围应达到3:1；2、不要求可逆，稳速轧制穿孔，故没有快速制动要求；3、穿孔机承受重复短时工作制负载，要求调速装置在低速运转时，电动机具有较大的过载能力；4、要求系统静态速降和动态速降要小，以保证无缝钢管表面的加工质量和壁厚的均匀性。该晶闸管串级调速系统是应用于国内某钢厂大型不可逆轧机上1900千瓦电动机调速系统，要求具有良好的静动态性能。设计任务要求：1）、按已知条件设计一双闭环控制的串级调速系统；2）、建立串级调速系统的数学模型，画出串级调速系统动态结构图；3）、调速系统调节器参数的确定。要求电流环按典型型系统、转速环按典型型系统设计；4）、画出双闭环控制的串级调速系统原理图；5）、附设计说明书一份。1.4 串级调速系统的原理本设计采用串级调速方式对异步电动机进行调速。串级调速的基本原理是：转子感应电势通过不可控整流器变换为直流电压，然后用一个直流附加电势与之作用，也可以调节异步电动机的转速。在串级调速方式中，把交流可变频率电势转化为与频率无关的直流电压，使得分析和控制都比较方便。但同时也应为不可控整流器的引入，给系统带来了一些新问题。主要是转子电流畸变，附加电势的相位不可调，系统的功率因数较低及功率不能双向传递等问题。一种比较常见的电气串级调速系统原理图如图2.1所示。IM3IM3XDKUdUiIdU控控制IM3URSErUrTIrUI图2.1 电气串级调速系统原理图图中UR为不可控整流器，UI为工作在逆变状态的三相可控整流器，TI为逆变变压器，XDK为平波电抗器。异步电动机IM以转差率s在运行，其转子电势sEr经UR整流，输出直流电压Ud。附加电势由UI输出的直流电压Ui提供。Ud与Ui的极性以及电流Id的方向如图2.1所示。电机转子整流后的直流回路的电势平衡方程式为或 （2-1）式中，K1、K2为UR与UI两个整流装置的电压整流系数，如果它们都采用三相桥式连接，则K1=K2=2.34;Ud为整流器输出电压；Ui为逆变器输出电压；Id为直流回路电流；UrT为逆变变压器的次级相电压；为晶闸管逆变角；R为转子直流回路的电阻。式（2-1）是在未计及电动机转子绕组与逆变变压器的漏抗作用影响而写出的简化公式。从式中可以看出Ud是反应电动机转差率的量；控制晶闸管逆变角可以调节逆变电压Ui；Id与转子交流电流Ir间有固定的比例关系，它可以近似地反映电动机电磁转矩的大小。当电动机拖动恒转矩负载在稳态运行时，可以近似地认为Id为恒值。当增大时，则逆变电压Ui（相当于附加电动势）立即减小，但电动机转速因存在这机械惯性不会突变，所以Ud也不会突变。则转子直流回路电流Id增大，相应转子电流Ir也增大，电机的电磁转矩随之增大，电机就加速；在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流Id减小，直到电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小值可以使电机在较低的转速下运行。以上就是以电力电子期间组成的绕线式异步电动机串级调速系统的工作原理。由于串级调速装置的转子侧整流器都是不可控的，从图2.1中可以看出，转子整流电流和功率（UdId）只能单方向流动，即转差能量只能由电机流入变换器。第2章 具有双闭环控制的串级调速系统设计2.1双闭环控制串级调速系统的组成 上图为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲相位角为=min 。图中所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。2.2异步电动机的选择及传递函数的实现 1、异步电动机的传递函数由于串级调速系统一般运行于第一工作区，异步电动机的电磁转矩为电力拖动系统的运动方程式为 或式中，IL为负载转矩TL所对应的等效负载电流。由上式可得异步电动机在串级调速时的传递函数为 （2-22）式中，由于系数CT是电流Id的函数，因此TD也是电流Id的函数，而不是常数。2、触发逆变环节的传递函数触发逆变环节的输入是触发器的控制电压UK，输出是空载逆变电势Ui，这是一个纯滞后环节，由晶闸管电路只是可知，其传递函数为 (2-23)其中，Ks,Ts分别为晶闸管逆变器的放大倍数和时间常数；Ks是转子整流电压最大值Ui0和逆变器控制电压最大值UKmax的比值；Ts为0.0017s。3、电流反馈回路的传递函数由于电流检测信号常含有交流分量，需要滤波，同时也为防止干扰信号侵入，而在电流反馈回路加入电流反馈滤波器，其传递函数为 (2-24)式中，Kif为电流反馈系数；Tif为电流反馈滤波器的时间常数，一般取1-2s。4、转速反馈电路的传递函数同理在转速反馈回路中，也加入转速反馈滤波器。其传递函数为 (2-25)式中，Kif、Tif分别为转速反馈系数和转速反馈滤波器的时间常数。另外，为补偿反馈通道的惯性作用，在电流给定与转速给定通道中，也应加入相应的惯性环节，即给定滤波器。5、串级调速系统主电路（直流回路）的传递函数直流回路的输出量是转子空载整流电势sUd0和逆变器空载逆变电势Ui之差，输出量是Id ,它们之间的关系可以用直流回路的动态电压平衡方程式表示为（忽略管压降） （2-26）式中，Ui为逆变器输出的空载电压，；L为转子直流回路总电感， ；LD0为折算到转子侧的电动机每项漏感；LT为折算到二次侧的逆变变压器每相漏感；L为平波电抗器电感；R为转差率为s时的转子直流回路等效电阻，式（2-26）可写为 （2-27）将式（2-27）两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数为 （2-28）式中，TLn为转子直流回路的时间常数，；KLn为转子直流回路的放大倍数，。2.3串级调速系统工作时的机械特性在图2.1中，三相桥式整流器UR与电机转子三相绕组相连，转子绕组相当于整流变压器的二次绕组。因此，转子整流电路与一般整流变压器和三相桥式电路相似，但也存在如下的不同之处：1、电机转子三相绕组感应电动势的幅值和频率都是转差率的函数；2、转子电流的频率也是转差率的函数，因而转子的每相漏抗值也是转差率的函数；3、由于电机转子侧等效漏抗值较大，引起换相重叠现象严重，转子整流器会出现特殊的工作状态，即整流器的“强迫延迟导通”现象。因此，在分析串级调速系统转子整流器的工作时，必须注意以上因素。（1）三相桥式整流器的工作状态为便于分析，做出以下几点假设：直流回路的滤波电抗器的电感量足够大，能滤掉所有的谐波分量而得到平直的直流电流；忽略电机电阻对换相的影响；整流元件是理想的，导通时正向电阻为零，截止时反向电阻为无穷大。由于电动机漏抗的存在，使得环流过程中电流不能突变，会产生换相重叠。根据换相重叠角的大小和环流时工作元件的数目，可以把整流器的工作情况分为三种：如果重叠角小于60，整流电路有换流和不换流两种情况。不换流期间两个元件导通，换流期间有三个元件导通（换流组有两个元件导通，不换流组有一个元件导通）。这种状态成为整流器的“状态2-3”。当换相重叠角等于60时，负载电流再增加，重叠角将保持60不变，而整流器产生强迫延时换流角p。当p30时，共阴极组或共阳极组任何瞬间都有一组元件进行换流，即任何瞬间都有三个元件同时导通，这种工作状态称为整流器的“状态3”。在p30时，将大于60，这时大部分时间有三个元件导通，一部分时间共阴极和共阳极组同时换流。即共有四个元件导通，称为“状态3-4”。串级调速系统正常工作时，转子整流器一般工作在“状态2-3”和“状态3-4”，为了和后面机械特性工作段的划分一致。将整流器的“状态2-3”，“状态3”，“状态3-4”分别称为“第一工作状态”、“第二工作状态”、和“第三工作状态”。下面对这几种工作状态进行深入的分析。第一工作状态。原始状态为元件1和2导通，电流流通的路径为：era元件1XdkUi元件2ercO点。如果在图6-22上的t1时刻（=0）向元件3发出触发脉冲，则因erbera，元件3具有导通条件而触发导通，电流流通路径为：erb元件3XdkUi元件2ercO点。其间元件1和元件3换流，电流从a相换到b相。由于转子漏抗的存在，电流不能突变，而按照一定规律变化，产生换相重叠，每个元件导通的时间从120增加至120+。图2.3 换相时的等值电路换流期间，元件1、3同时导通，a、b两点等电位，所以两相电压的瞬时值相等，均为edv，即 （2-2）eraerberctti1i3i50ie0t1图2.4 三相桥式整流器的波形（60）由于假设滤波电抗足够大，所以负载上流过平直的电流Id，因次有，于是 即在两相同时导电时，整流电压瞬时值为同时导电的两相电压瞬时值之和的一半。整流器输出的电压波形如图中粗实线所示。当=60时，这是共阴极组（元件1、3）换流的终止点，正好是共阴极组（元件2、4）换流的起点，整流器始终处于换流转台，但还是在自然换流点换流。所以只要重叠角60，整流电路就有换流和不换流两种运行状态，属于整流器的“状态2-3”，称为第一工作状态。第二工作状态。在=60时，如果直流电流Id再增大，则换相将延迟一个角度p，这种现象称为“强迫延迟换流”。=60，0p30时为第二工作状态。第三工作状态。如果负载电流Id再增大，使p增大到30，则元件6向元件2换流没完，元件3的阳极电位就已高于阴极电位，元件3具有了导通的必要条件，这样就出现了四个元件同时导通的情况，属于整流器的“状态3-4”，称为第三工作状态。因此p=30是第二工作状态和第三工作状态的交界处。当 p30时，系统进入第三工作状态，在此状态下出现了共阳极和共阴极同时换流现象，使转子短路，是一种故障状态，在此状态下系统不能长期工作。所以串级调速系统正常运行时只工作在第一、第二工作状态。（2）转差频率PS由图2.4可知，电机转子相电势瞬时值为 （2-3）转子电流瞬时值表达式（2-4）为 则第一工作区的转差功率PsI为 （2-5）或写成 （2-6）式中，Ud0为转子整流器空载时的整流电压，;U为空载时由于换相重叠引起的换相压降，。所以在不计电动机转子损耗及转子整流器的损耗时，转差功率就是转子整流器输出的直流功率。用同样的方法可以求出第二工作区的转差功率PsII为 （2-7） （2-8）或写成直流功率的形式（2-9）式中，U为系统在第二工作区时由于换相重叠及换相压降，且有（3）转矩特性Tei=f（Id）串级调速系统第一工作区和第二工作区的转矩特性，可用式（2-5）和（2-6）代入下式 （2-10）得到 （2-11） （2-12）两段特性是否衔接两段特性交点在=60，p=0处时，第一工作区的最大转矩 （2-13）由式（2-7）和式（2-10）可得 （2-14）令p=0可得第二工作区转矩的起始值 （2-15）可见，TeiImax=TeiIIst ，因此两段特性在交点处（=60，=0）衔接。异步电动机串级调速时的过载能力由式（2-14）看出，当p=/12时，第二工作区的转矩最大。 （2-16）此值表示了异步电动机出串级调速时的过载能力。将它与异步电动机固有特性的最大转矩进行比较，看看有什么变化。异步电动机固有特性的最大转矩Teimax为 （2-17）如忽略定子电阻，并设Us=Es=KEr（K为电动机的变比），将（Xs+Xr）折算到转子侧，有则 （2-18） （2-19）可见，串级调速时，异步电动机的过载能力降低17左右。这是因为在串级调速情况下，电动机绕组的电流波形不是正弦波，它将产生附加损耗。因此，在同样的发热条件下，串级调速异步电动机的额定转矩将低于固有特性上的异步电动机额定转矩，所以是最大转矩降低，这是在为串级调速系统选择电动机时必须要注意的问题。电机额定运行时的工作区段将式（2-13）与式（2-18）比较，可得一般绕线式异步电动机的最大转矩Teimax=（1.8-2）TeiN，所以，TeiN=(1.29-1.43)TeiN。可见串级调速系统的额定工作点处于第一工作区。在设计串级调速系统是，利用第一工作区的转矩表达式即可。用标么值表示的转矩特性以固有特性的最大转矩Teimax为转矩基值，以直流短路电流Idk为电流Id的基值，有。 （2-20） （2-21）根据以上两个公式，可以绘制异步电动机串级调速时的转矩特性曲线，从转矩公式和转矩特性看出，异步电动机串级调速时，转矩大小只取决于直流电流Id的大小，而与转差率s无关，因此属于恒转矩调速。2.4建立串级调速系统的数学模型和动态结构图第3章 参数设计与总结3.1选择调节器的参数。3.11 电流调节器的设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型系统，显然应采用PI型的电流调节器，则电流环结构图可简化成下图所示：其传递函数可以写成： （2-29）式中 Ki电流调节器的比例系数；i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i=Tl （2-30）则电流环的动态结构框图便成为典型形式，其中 （2-31）电流调节器的参数计算由式（2-29）可以看出，电流调节器的参数是Ki和i，其中i已选定，见式（2-30），待定的只有比例系数Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量i5%，可选=0.707，KITi=0.5，则 （2-32）再利用式（2-30）和（2-31）得到 （2-33）如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（2-32）和式（2-33）当然应作相应的改变。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。3.12 转速调节器的设计控制对象为双惯性环节的电流环，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数1/KI的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电路的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。1、转速调节器结构的选择把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，再把时间常数为1/KI和T的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T的惯性环节，其中 （2-34）则转速环结构图可简化成图2.5所示。ASR-+图2.5 转速环的动态结构框图等效成单位负反馈系统和小习惯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2.5）。现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。至于其阶跃响应超调量较大，那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 （2-35）式中，Kn-转速调节器的比例系数； n-转速调节器的超前时间常数。2、转速调节器的参数计算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，由有 （2-36）再由，有 （2-37）因此 （2-38）至于中频带h应选择多少，要看动态性能的要求决定，无特殊要求时，一般以选择h=5为好。 3.2 设计总结与体会本设计为“电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究”，经过调试证明设计的双闭环系统能满足设计指标的要求，完成了设计任务。实验结果表明经过该设计系统改进，与其为单闭环系统相比：机械特性偏硬，快速起制动，突加负载动态速将小。因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。通过这一周的课程设计，我感觉有很大的收获。首先，通过这次的课程设计使自己对课本上的知识有了更深的了解，可以将书本上的知识应用于实际，使理论与实际相结合，同时也锻炼了我个人的动手能力。其次，还能够充分利用图书馆的资料，通过对图书馆相关资料的翻阅，也增加了许多课本以外的知识。我认为我们现在做课设的过程就是对资料的查找，然后根据具体要求将他们整合使之成为对我们有用的资料。对我们来说，理论与实际同样重要，这也是我们以后在学习和工作中认识自己、提高自己的一个重要标准。但是该课设中也存在一定的问题，因此再以后还须改进。在本次课程设计中也遇到了许多问题，除了查找资料外，还得到了老师和同学的帮助，特此感谢。参考文献1 黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社2 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，1999.5 2792833 刘竞成.交流调速系统.上海：上海交通大学出版社，1996.3 61644 交流调速系统实验指导书5 李华德.交流调速控制系统.电子工业出版社，2003.3，61-646 陈伯时，陈敏逊著. 交流调速系统.机械工业出版社，19987 刘纯厚主编.近代交流调速，北京：冶金工业出版社，19958 陈国呈编著.PWM变频调速及软开关电力变换技术.北京：机械工业出版社，2001基础自动化、电气传动、电气自动化、电力电子技术等杂志。23