双闭环交流调速系统课程教学设计.doc

.\ 皖 西 学 院 课程设计任务书 系 别： 机电学院 专 业： 10电气 课程设计题目： 双闭环串级交流调速控制系统设计 学 生 姓 名： 张诚 学 号： 2010010694 起 迄 日 期: 6 月 17日 ~ 6 月28日 课程设计地点: 电机与拖动控制实验室 指 导 教 师: 刘世林 下达任务书日期: 6 月17日 摘 要 本设计介绍了交流调速系统的基本概况及其研究意义，同时提出了本设计所要研究解决的问题，接着对系统各部分所需元器件进行比较选择并进行总体设计，最后采用工程设计方法对双闭环交流调速系统进行辅助设计，进行参数计算和近似校验。 在调节器选择方面，本设计选择的PI调节器，使得线路大为简化，且性能优良、调试方便、运行可靠、成本降低。触发电路则采用一种新型高性能集成移相触发器（MC787）设计的触发电路，它克服了分立元件缺点，抗干扰性优良，具有输入阻抗高、移相范围宽、装调简便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果较好。 目 录 1 绪论 3 1.1 研究交流调速系统的意义 3 1.2本设计所做的主要工作 3 2 交流调速系统 3 2.1 交流电机常用的调速方案及其性能比较 3 2.2 三相交流调压调速的工作原理 4 2.3 双闭环控制的交流调速系统 5 2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成 6 2.3.2 稳态结构图和静特性................................6 3 电路参数计算 9 3.1 系统主电路的参数计算 .9 3.2 根据系统方块图进行动态计算 9 3.3 调节器的设计参数计算 ....11 3.3.1 电流调节器的参数计算 .12 3.3.2 转速调节器的参数计算 .14 4 控制系统硬件电路设计 .16 4.1 调节器的选择和调整 16 4.2触发电路的设计 16 4.3串级调速系统设计 18 4. 4双闭环系统设计 ........................ ............19 5 仿真........................................ ........21 6设计体会 22 1 绪论 1.1 研究交流调速系统的意义 随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速系统具有下面几个主要优点： 1、交流电动机特别是鼠笼异步电动机的价格远低于直流电动机。 2、交流电动机不易出现故障，维修非常简单。 3、交流电动机的使用场合没有限制。 4、交流电动机的单机容量可远大于直流电动机。 1.2 本设计中我们所做的主要工作 通过本次课程设计，让学生巩固所学的电力拖动自动控制系统的相关内容，加深对控制理论在电力拖动调速系统中应用的理解，并学会将所学的知识应用到实际中，达到在应用中掌握知识的目的。 2 交流调速系统 2.1 交流电机常用的调速方案及其性能比较 由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下： 　 (2-1) 式中——电动机定子绕阻的磁极对数； ——电动机定子电压供电频率； s——电动机的转差率。 从式（2-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。 1.改变电动机的磁极对数 由异步电动机的同步转速 (2-2) 可知，在供电电源频率不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数，即可改变异步电动机的同步转速，从而达到调速的目的。 2.变频调速 从式（2-1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率可以达到调速目的，电动机转速基本上与电源的频率成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。 3.变转差率调速 在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。 2.2 三相交流调压调速的工作原理 异步电动机的调压调速是指改变定子电压调速。如图2.1画出了定子电压为、、 ()时的机械特性。其特点是： 1) 变定子电压时，不变，也不变。 2) 最大转矩及启动转矩与定子电压的平方成正比。因此当定子电压降低时，和减小很小。 3) 定子电压越低，机械特性直线段的斜率越大，即特性越软。 图2-1画出了恒转矩负载特性和通风机特性。对于恒转矩特性，电动机只能在机械特性直线段(~段和0~)稳定运行。在不同电压下的稳定工作点分别为a、b、c。对于通风机负载，电动机在机械特性的全段范围（即转速~0段或转差率0~1段）都能稳定运行。在不同电压下的稳定工作点分别是a’、b’、c’。由图可见，当定子电压降低时，稳定运行时的转速将降低（,）,从而实现了转速的调节。 TL a’ b’ c’ U”1 c a b nm s Sm Temax U1>U1’>U1” 通风机负载特性 图2-1 异步电动机不同电压下的机械特性 2.3 双闭环控制的交流调速系统 2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成 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，二者之间实行串级联结，这就是说，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。从结构上来看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，要注意的是，考虑到运算放大器的输出是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。 2.3.2稳态结构图和静特性 对于静特性来说，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 这时，两个调节器都不饱和，稳定时，它们的输入偏差电压都是零。因此 （2-3） （2-4） 由式2-2第一个关系式可得 （2-5） 由上面的式子得到静特性图2-3的段。与此同时，由于 ASR不饱和，，从上述第二个关系式可知：。这是说 段静特性从（理想空载状态）一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。 （2）转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值，转速外环成开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 （2-6） 式中，最大电流是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是图2-3中的A-B段。这样的下垂特性只适合于的情况。因为如果，则，ASR将退出饱和状态。 图2-2 双闭环调速系统稳态结构图 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，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。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大、特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图2-3中虚线所示。 图2-3 双闭环系统的稳态特性 4.各变量的稳态工作点和稳态参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 （2-7） （2-8） （2-9） 上述关系表明，在稳态工作点上，转速ｎ是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而 PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。 3 电路参数计算 3.1 系统主电路的参数计算 已知系统控制电机(绕线式转子三相异步电动机)的参数为： ,,,,,cosφ=0.87,E2N=340V，I2N=81A，Δ/Y联结, λm=3，J=2.367kg.m2。 Y接晶闸管未导通时，均承受本相相电压，导通时电流为，流过晶闸管最大电流时，对应波形为全波，根据有效值I公式为： (3-1) 负载平均电流，所对应的电流有效值应小于额定电流所对应的有效值电流，即,这里取1A。 可选取KP1系列型号普通晶闸管作为主电路反并联调压器电路的导通管，其参数如下： 通态平均电流 额定结温 门极触发电流/电压 门极不触发电流/电压 1A 100℃ 3mA~30mA / ≤2.5V 0.4mA/0.3V 3.2 根据系统方块图进行动态计算 图3-1中为三相异步电动机的近似传函，这里为电动机的传递函数，为机电时间常数，它可以通过实验或者铭牌数据求取。 Un* △U Ui* U1 Uct WASR(S) WACR(S) WGT-V(S) WMA(S) WFBS(S) n(S) Un（S） — 图3-1 调速系统结构框图 晶闸管交流调压器和触发装置GT-V中可近似成一阶惯性环节，正如晶闸管触发与整流装置一样。传递函数可写成 （3-2） 式中 为可控硅的传递函数； 为可控硅的时滞或惯性环节的时间常数。 反馈环节FBS考虑到反馈滤波的作用，其传递函数为 （3-3） 因此，调节对象的总传递函数为 （3-4） 式中为调节对象总传递函数； 为时间常数。 输入段加滤波器： 用PI调节器： （3-5） 调节器电路图如图3-2所示。 - + R3 R2 R1 C1 R5 图3-2 PI调节器 3.3 调节器的设计参数计算 （1）根据以上推导的异步电动机传递函数，首先计算它的参数 电动机的机电时间常数近似认为与机械特性斜率kM成正比，即 (3-6) 式中为负值，可由试验测出：≈2800/0.13 电动机与负载总飞轮惯性取0.01kgNm则 (3-7) 由得 (3-8) （2）求晶闸管交流调压器的时间常数 电路采用三相全波Y型接法调压电路，根据经验数据可取3.3ms。调压器输出电压为0V~220V,输出控制电压为0V~7V变动，所以放大倍数=220/7≈30倍。 （3）求速度反馈系数 采用55CYD11系列永磁低速直流测速发电机，最大工作转速可达，当电动机额定转速运行时，,即得输出电压为5.4V，则 (3-9) （4）求速度反馈滤波常数 由于反馈输出均由波纹，在低速时尤为严重，一般都需要滤波，负责无法应用。太小，滤波效果不佳，但太大，又将影响系统性能，通常取之间，这里取。 3.3.1 电流调节器的参数计算 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望由超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型I型系统。 确定时间常数 电流滤波器时间常数 电流滤波器时间常数选取与速度调节器反馈时间常数相同。 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取 2）电流调节器选用PI型，其传递函数为 （3-10） 3）选择电流调节器参数 ACR超前时间常数： 电流环开环增益：要求时，应取, 因此 于是，ACR的比例系数为 (3-11) 4）校验条件 电流截止频率。 小时间常数近似处理的条件: 现在， 满足近似条件。 5）计算调节器电阻和电容 其原理图见图3.3所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取80 （3-12） （3-13） （3-14） 按照以上参数，电流环可以达到的动态性能为：，满足设计要求。 3.3.2 转速调节器的参数计算 1）确定时间常数 （1）电流环等效时间常数为。 （2）转速滤波时间常数。 根据所用测速发电机纹波情况，取。 （3）转速环小时间常数。 按小时间常数近似处理，取 2）选择调节器参数 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，器传递函数为 （3-15） 3）选择转速调节器参数 按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为 （3-16） 转速环开环增益 （3-17） 于是，ASR的比例系数为 （3-18） 4)校验近似条件 转速环截止频率： （1） 电流环传递函数简化条件： 现在 满足简化条件。 （2） 小时间常数近似条件： 现在， 满足近似条件。 5）计算调节器电阻和电容 转速调节器原理图如图3-3 Ui* Rdn Cdn R5 R4 - + Con Con Un* R0/2 R0/2 R0/2 R0/2 Rn R3 Cn 图3-3 带给定滤波和反馈滤波的PI调节器 取，各电阻和电容值计算如下： 取120 (3-19) (3-20) (3-21) 图4-1 异步电动机调速系统原理图 4 控制系统及其硬件电路设计 4.1 控制系统的控制原理 异步电动机变电压调速时，若采用普通电动机则调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电动机时，调速范围虽然可以大一些，但机械特性变软，负载变化的静差率太大。开环控制很难解决这个矛盾。对于恒转矩性质的负载，调速范围要求在D》2时，一般采用带转速负返馈的闭环控制。ASR ACR +△U SF 测速发电机 H 触发器 Uf — Uf 4.2 触发电路的设计 不同的触发电路有不同的结构特点，所发脉冲适用于不同的整流电路。在本课题中，触发电路采用一种新型高性能集成移相触发器（MC787）设计的触发电路，它克服了分立元件缺点，抗干扰性优良，具有输入阻抗高、移相范围宽、装调简便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果较好，对于电力电子产品的小型化和方便设计具有重要意义。MC787电路结构框图如图4-2 图4-2 MC787电路结构框图 该集成块由同步过零和极性检测电路、锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形成电路、脉冲分配及驱动电路组成。电路采用单电源供电，同步电压的零点设计在1／2电源电压处。三相同步电压信号经T形网络进入过零检测和极性判别电路，检测出零点和极性后，在锯齿波形成电路的、、三个电容上积分形成锯齿波。锯齿波形成电路由于采用集中式恒流源，相对误差很小，具有良好的线性和一致性。因此要求选取的积分电容的相对误差也应小。锯齿波在比较器中与移相电压比较取得交点，移相电压由脚4通过电位器调节或由外电路控制得到。移相电压为正极性，当移相电压增加时，输出控制角a增大。移相电压的调整范围可按积分电容的大小，在间选取。抗干扰电路具有锁定功能，在交点后，锯齿波和移相电压的波动不会影响电路的输出，直到下一个过零点，以保证交点的惟一与稳定，这对于防止因晶闸管换相所引起的干扰是非常必要的。MC787的最大绝对额定值和推荐工作条件见表4.1。 表4.1 MC787的最大绝对额定值和推荐工作条件 最大绝对额定值 推荐工作条件 电源电压 -0.5～18v 电源电压 8～18v 输入电压 -0.5～UDD 同步电压 UDD 工作温度 -40～85OC 控制输入电压 0～UDD 最大功耗 300mW 同步信号频率 10～1000HZ 存储温度 -65～150OC 最佳工作温度 -25～65OC 4.3串级调速系统设计 全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速，电流双闭环调速系统。 对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大，从而限制了调速范围[20]。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控制，此时可以采用绕线转子异步电动机。常见的绕线转子异步电动机用转子回路串电阻调速，这种调速方法简单、操作方便且价格便宜，但在电阻上将消耗大量的能量，效率低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑调速。为了克服上述缺点，必须寻求一种效率较高、性能较好的绕线转子异步电动机转差功率同馈型调速方法，串级调速系统就是一个很好的解决方案。 根据串级调速原理及资料查询，设计出串级调速系统主电路如图4.5所示。 图4.3 串级调速系统主电路图 串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速的。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的转差功率加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。 4.4 双闭环系统设计 说到双闭环系统的调速，我们得首先来简要认识一下单闭环系统调速，单闭环调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台直流测速发电机TG，引出与转速成正比的电压Uf，与给定电压Ugd比较后，得偏差电压ΔU，经过放大器FD，产生触发装置CF的控制电压Uk，用以控制电动机的转速。因为这里只有一个环，所以成为单闭环系统。采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了动态稳定性，又能做到无静差，很好地解决了系统中动、静态之间的矛盾。然而系统中只靠电流截止环节来限制启动和升速的冲击电流，其性能仍然不能令人满意。主要问题是，不能在充分利用电机过载能力的条件下获得最快的动态响应，甚至使启动和加速过程拖长。自动控制理论提示，进一步解决问题的唯一途径是对电流这个物理量也实行负反馈控制。同时在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量。这样，系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。这样的系统称为转速、电流双闭环调速系统。 图4.4 输出限幅电路图 在组成双闭环系统时必须解决的一个问题，就是调节器的限幅的整定问题。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流调节器ACR给定电流的最大值，它完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需要；电流调节器ACR的正限幅则表示对触发器装置的最小移相α的限制或对晶闸管装置输出电压最大值的限制。采用运算放大器做调节器的时候，输出限幅可以采用上面图4.4电路[16]。 5 系统仿真 5.1 主电路的仿真设计 本系统采用MATLAB进行仿真。主电路由三相对称交流电压源、二极管转子整流器、晶闸管逆变器、电抗器、逆变变压器、绕线式交流异步电动机、电动机信号分配器等部分组成。如图5.1所示。 对三相对称交流电压源的设置，打开参数设置对话框，设置的主要参数有交流峰值电压、相位和频率。三相电源的相位互差120角。设置交流峰值电压为220V，频率为50Hz。 在“PowerSystem”工具箱中有一个电动机模块库，他包含了直流电动机、异步电动机、同步电动机级其他各种电动机模块。其中，模块库中有两个异步电动机模型，一个是标幺值单位制（PU unit）下的异步电动机模型，另一个是国际单位制（SI unit）下的异步电动机模型，本设计采用后者。 串级调速系统主电路图 通过对主电路和控制电路的模块设计以及每个模块的参数进行设置，最终得到了双闭环串级调速系统的仿真图如图5.15所示。 双闭环串级调速系统的仿真图 5.2 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 仿真所选择的算法为ode23tb；仿真“Start time”设置为0，“Stop time”设置为5。 设计体会 本次毕业设计选择的题目是双闭环三相异步电动机调压调速控制系统的设计，我选择本题目的目的主要是交流调速系统是自动调速系统的重要要形式，需要我们去做深入的研究。整个系统可以实现电流、转速两个负反馈调节，使系统的性能大大提高。通过这次设计，我对交流调速有了更深的了解，也锻炼了我查阅资料和应用知识的能力。总之，这次设计我收获颇多。 参考文献 [1] 周渊深. 交直流调速系统 中国电力出版社 [2] 何建平. 电气传动 重庆大学出版社 [3] 天津电气传动设计研究所编著.电气传动自动化技术手册 机械工业出版 社 [4] 王兆安、黄俊.电力电子技术 机械工业出版社 [5] 陕西高科电力电子有限责任公司 [6] 陈伯时．电力拖动自动控制系统 机械工业出版社 [7] 范正翘．电力传动与自动控制系统 北京航空航天大学出版社 [8] 胡寿松. 自动控制原理 科学出版社 [10] 余发山等. 自动控制系统 中国矿业大学出版社 [11] 杨仲平.自动控制系统 煤炭工业出版社 [12] 徐银泉.交流调速系统及其应用 纺织工业出版社