双闭环串级调速系统设计Word格式文档下载.docx
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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。
为了实现转速负反馈和电流负反馈在系统中分别起作用,又不致互相牵制而影响系统的性能,在系统中设置了两个调节器,分别是转速和电流。
它们之间实现串级联接,即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。
它的原理框架结构图(如图2-2)
图2-2
在图2-2反馈的结构来看,电流调节器ACR在里面,是内环;
转速调节器在外面,成为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2-3电路。
2.3实验调试
实验之初根据串级系统的主电路图(图2-1)、双闭环原理框架结构图(图2-2)和MCL实运行,发现转子电压低于二极管电压,无法实现整流,后来分别在转子三条回路中串入三个可调电阻,目的为了增大转子侧电压,使转子侧电压大于晶闸管电压。
实验初期忽略了对晶闸管的监控,对它的允许最大电流没有考虑,结果导致运行一段时间后晶闸管烧毁,后来为了防止通过晶闸管的电流过大,在晶闸管和电流表之间加入一个可调电阻,对通过晶闸管的电流进行控制使其一直小于1安,之后没再发生烧毁器件的事故发生。
实验初期关于变压器的选择也出现了问题,理论上应该选择是63.8V/1.38A的且为星型连接但实际运行时发现仪器上要求为角型连接而且导致晶闸管端电压大于转子端的电压,并无法用调节电阻的办法改善情况。
最后无奈之下采用56V/1.5A的,问题才得以解决但转速有所牺牲(考虑到当时的温度、各种损耗和误差应属合理范围)。
最后成功的电路图为本文最后的电路图4-1。
3.实验数据分析
3.1三相异步电动机串级调速开环工作机械特
三相异步电动机串级调速开环工作机械特性是指三相异步电动机串级调速系统中无闭环负反馈作用时电动机的转速n与转矩Tem之间的关系n=f(Tem)。
三相异步电动机的转速n与转差率s之间存在一定关系:
,所以三相异步电动机的机械特性也往往用Tem=f(s)的形式表示。
(实用表达式)将Tm和代入即可得到机械特性方程式。
转速n(r/min)
640
610
588
555
532
510
晶闸管电流IG(A)
0.225
0.227
0.228
0.229
0.301
0.303
晶闸管电压UG(V)
17
负载转矩M(N.m)
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
电源电压U(V)
220
220
给定电压(V)
3
表3-1
图3-1
通过上述试验数据可以看出当触发电路导通后,电源电压不变,只改变系统负载的情况下晶闸管电流也随着变化,负载转矩增大,晶闸管电流也随之略有增大。
表3-2
516
605
673
555
532
0.129
0.256
0.358
0.462
0.444
0.389
15
210
1
2
3
4
5
图3-2
随着给定电压的变化,触发电路导通,晶闸管和转速也发生变化。
给定电压由0V到3V的过程中,转速随之逐渐变大,当给定电压从3V到5V,转速开始降低,同时晶闸管电流下降。
3.2三相异步电动机单闭环ASR系统静特性
闭环反馈控制系统是按被调量偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏差,它就会通过负反馈作用来自动地纠正偏差,以抑制扰动对输出量的影响。
3.2.1有静差
引入转速负反馈只能减少静态转速降落,使转速尽可能维持接近恒定,而不可能完全回复到原来数值(即有误差)。
这种维持被调节量(转速)近于恒值但又有静差的调节系统,通常称为有差恒值调节系统,简称有静差系统。
表3-3
668
645
595
565
512
470
0.389
0.390
0.391
0.392
0.393
0.395
15
电源U(V)
200
给定电压
图3-3
通过上述试验数据可以看出当触发电路导通后,当电动机轴上的负载转矩加大时,负载电流增加,电枢主回路的总电阻电压降落Ia便增加,因为此时晶闸管整流装置输出的整流电压还没有变化,于是电动机的反电动势Ea=Ken便减小,电动机转速随之下降。
电动机转速下降后,负反馈电压Un也下降到Unl,但这时给定电压Un*并没有改变,而U=Un*–Unl,偏差电压便有所增加,它使晶闸管整流装置的控制角减小,整流电压上升,电动机转速就回升了。
但是,电动机的转速不能回升到原来的数值。
因为假如电动机的转速已经回升到了原值,那么测速发电机的电压也要回升到原来的数值,由于偏差电压Un=Un*–Un,偏差电压又将下降到原来的数值,也就是说偏差电压U没有增加,U不增加,晶闸管整流装置的输出整流电压UdoCOS也不能作相应的增加,以补偿电枢主电路电阻所引起的电压降落,这样,电动机的转速又将重新下降到原来的数值,不能因引入转速负反馈而得到相应的提高了。
3.2.2无静差
有静差调速系统,进行给定信号和反馈信号综合的运算器是比例放大器(称为P调节器),其输出电压就是可控整流电源的控制电压。
如果系统没有静差,给定电压和反馈电压相等,放大器就没有输出电压,可控整流电源也就没有输出电压,系统就不能工作,因此可以说系统是依靠误差而运行的。
从静特性方程进行的推理可知,由于放大器的放大倍数不可能为无穷大,所以闭环转速降也不可能为0,在静态时其放大倍数接近无穷大,或静态时其输入电压为0,但仍保持有输出电压。
积分运算器的应用,实现了转速控制的无静差要求,但是,由于积分时间的影响,大大减慢了系统自动调节的速度,使系统的动态响应变慢。
为此无静差转速控制系统常采用比例-积分运算器(称为PI调节器。
)
表3-4
638
590
524
498
14
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
电源电压U(V)
图3-4
从上述数据可以看出,在单闭环无静差转速控制系统中当负载转矩增大时,晶闸管电流有小幅波动但基本维持恒定不变,晶闸管电压不发生变化,而转速有所下降。
通过图形可以看出单闭环无静差转速控制系统要比开环机械特性要硬。
3.3双闭环串级调速系统的静态和动态特性
3.3.1双闭环调速系统的静态特性分析
表3-5
转速n(r/min)
635
615
603
570
536
485
0.411
0.412
0.413
210
2
图3-5
从静态特性上看,电流负反馈有使静特性变软的趋势,但有转速反馈环包在外面,电流负反馈对于速度环来说相当于一个扰动作用,只要速度环的放大倍数足够大,而且没有饱和,则电流负反馈的扰动作用就能受到抑制。
何况速度环用的是PI调节器,整个系统是无静差的调速系统.也就是说,当速度环不饱和时,电流负反馈使静特性可能产生的速降被转速调节器的积分作用消除。
一旦转速调节器饱和,速度环即失去作用,只剩下电流环起作用。
这时,系统表现为恒流调节系统,静特性呈现下降趋势。
3.3.2双闭环调速系统的动态特性分析
从动态响应过程来看,突加给定信号Ugn的瞬时,转速负反馈很小,近似为零,速度调节器很快处于饱和状态,输出恒值限幅电压Ugim,经过电流调节器,使电动机很快地起动,起动后,虽然转
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