双闭环调速系统ASR和ACR 结构及参数设计Word下载.docx

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〔第3版〕陈伯时主编机械工业出版社

2.?

电力电子技术?

〔第4版〕王兆安黄俊主编机械工业出版社

3.?

自动控制理论?

刘丁主编机械工业出版社

4.?

电机及拖动根底?

〔第3版〕顾绳谷主编机械工业出版社

第一章绪论

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

对于采用转速负反响和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：

要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

在单闭环直流调速系统中，电流截止负反响环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流

以后，靠强烈的负反响作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

带电流截止负反响的单闭环直流调速系统起动过程中，起动电流到达最大值

后，受电流负反响的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。

一、转速、电流双闭环直流调速系统的组成

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

的恒流过程。

按照反响控制规律，采用某个物理量的负反响就可以保持该量根本不变，那么，采用电流负反响应该能够得到近似的恒流过程。

为了实现转速和电流两种负反响分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反响和电流负反响。

二者之间实行嵌套〔或称串级〕联接如以下图1-1所示。

图1-1转速、电流双闭环直流调速系统构造

ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机

TA—电流互感器UPE—电力电子变换器

图中，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UPE。

从闭环构造上看，电流环在里面，称作内环；

转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

二、双闭环直流调速系统的电路原理图

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于以下图1-2。

图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压

为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

图1-2双闭环直流调速系统电路原理图

图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。

转速调节器ASR的输出限幅电压

决定了电流给定电压的最大值；

电流调节器ACR的输出限幅电压

限制了电力电子变换器的最大输出电压

。

三、双闭环直流调速系统的稳态构造图

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态构造图，如以下图1-3。

它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。

分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。

图1-3双闭环直流调速系统的稳态构造图

—转速反响系数；

—电流反响系数

PI调节器的稳态特征一般存在两种状况，即饱和时输出到达限幅值和不饱和时输出未到达限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；

换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。

四、双闭环直流调速系统的动态构造图

在单闭环直流调速系统动态数学模型的根底上，考虑双闭环控制的构造，即可绘出双闭环直流调速系统的动态构造图，如以下图1-4所示。

图中WASR（s）和WACR（s）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反响，在电动机的动态构造框图中必须把电枢电流Id显露出来。

之后将要进展的典型系统的设计及动态性能指标的计算都是在此图根底上进展的。

图1-4双闭环直流调速系统的动态构造图

五、两个调节器的作用

经过分析，转速和电流调节器都具有非常重要的作用，归纳如下。

1.转速调节器的作用：

1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，那么可实现无静差。

2）对负载变化起抗扰作用。

3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2.电流调节器的作用：

1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压〔即外环调节器的输出量〕变化。

2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

六、调节器的工程设计方法

1．工程设计方法的根本思路

1〕选择调节器构造，使系统典型化并满足稳定和稳态精度。

2〕设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

2.典型系统

1〕典型I型系统传递函数：

式中T—系统的惯性时间常数；

K—系统的开环增益。

2〕典型Ⅱ型系统传递函数：

3．选择典型系统的依据

一般来说，在动态性能中典型I型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但抗扰性能稍差：

而典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能较好。

七、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器

1.系统设计对象

图1-5双闭环调速系统的动态构造图

双闭环调速系统的实际动态构造图绘于图1-5，它与前述的图1-4不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。

其中

—电流反响滤波时间常数

—转速反响滤波时间常数

2.系统设计原那么

从内环开场，逐步向外扩展。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器，最后进展转速超调量的校验。

第二章电流调节器的设计

2.1电流环构造图的简化

在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即

E≈0。

这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似构造框图，如以下图2-1所示。

忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：

〔2-1〕

图2-1电流环的动态构造图及其化简

如果把给定滤波和反响滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i（s）/，那么电流环便等效成单位负反响系统〔图2-2〕。

图2-2单位负反响系统

最后，由于Ts和T0i一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为

TΣi=Ts+Toi（2-2）

简化的近似条件为（2-3）

电流环构造图最终简化成图2-3。

图2-3电流环最终简化构造图

2.2电流调节器构造的选择

根据设计要求：

稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量i≤5%，有以下两种方案可供选择：

方案一：

典型Ⅱ型系统，可使电流无静差，抗扰性能好。

方案二：

典型I型系统，也能使电流无静差，跟随性能好，超调小。

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。

从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。

电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成

〔2-4〕

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。

由表2-1知，三相零式电路的平均失控时间TS33s。

表2-1各种整流电路的失控时间〔f=50Hz〕

又电流反响滤波时间常数Toi，按小时间常数近似处理，

Ti=TS+Toi=3358s

TL，易知m=Ti/TL58/0.012=0.48，参照表2-2的典型

I型系统动态抗扰性能，知其动态性能不是十分理想，但这不是主要因素，且各项指标都可以承受。

表2-2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系〔〕

2.3电流调节器的参数计算

为了使校正后的典型系统为典型I型系统，应有以下等式成立：

〔2-5〕

那么必须满足：

〔2-7〕

所以，电流调节器超前时间常数：

=0.012s；

电流环开环增益：

要求i≤5%时，按表2-2，应取

，因此

电流反响系数：

于是，ACR的比例系数：

2.4校验近似条件

电流环截止频率：

1.晶闸管整流装置传递函数的近似条件

>

满足近似条件。

2.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

<

3.电流环小时间常数近似处理条件

2.5电流调节器的实现

含给定滤波与反响滤波的PI型电流调节器的电路原理图如以下图2-4所示。

图2-4含给定滤波与反响滤波的PI型电流调节器

图中U*i为电流给定电压，-Id为电流负反响电压，Uc电力电子变换器的控制电压。

根据运算放大器的工作原理可以推导出以下公式：

〔2-8〕

〔2-9〕

〔2-10〕

由图2-4，按所用运算放大器R0=40kΩ，各电阻和电容值为：

，取9

按照上面参数，由表2-3可知，KT=0.5时超调量为4.3%<

5%，满足设计要求。

表2-3典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系KT

阻尼比

超调量

上升时间tr

峰值时间tp

相角稳定裕度

截止频率c

0%

°

T

1.5%

69.9°

4.3%

9.5%

59.2°

16.3%

51.8°

第三章转速调节器的设计

3.1电流环的等效闭环传递函数

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。

由典型I型系统

构造框图可知

〔3-1〕

忽略高次项，上式可降阶近似为

〔3-2〕

近似条件为

〔3-3〕

式中cn为转速环开环频率特性的截止频率。

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为

，因此电流环在转速环中应等效为

〔3-4〕

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，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。

3.2转速调节器构造的选择

用电流环的等效环节代替图1-5中的电流环后，整个转速控制系统的动态构造图便如图3-1所示。

图3-1转速环的动态构造图

和电流环中一样，把转速给定滤波和反响滤波环节移到环内，同时将给定信号改成

/，再把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个小惯性环节，其中

〔3-5〕

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，现在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Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

〔3-6〕

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。

这样，调速系统的开环传递函数为

〔3-7〕

令转速环开环增益为

〔3-8〕

那么

〔3-9〕

校正后的系统构造图如以下图3-2。

图3-2校正后系统构造图

确定各个时间常数：

1）电流环等效时间常数1/KI：

由电流调节器设计知，KI

0.5，那么

2）转速滤波时间常数Ton：

由可得Ton。

3〕转速环小时间常数：

0.0116s+0.015s=0.0266s。

3.3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Ⅱ型系统的参数关系，取h=5，有

ASR的超前时间常数：

=5

转速开环增益：

于是可得ASR的比例系数：

3.4检验近似条件

由式

〔3-10〕

知转速环截止频率为：

1〕电流环传递函数简化条件为

2）转速环小时间常数近似处理条件：

3.5转速调节器的实现

含给定滤波和反响滤波的PI型转速调节器原理图如图3-3所示，图中

为转速给定电压，-n为转速负反响电压，

的输出是电流调节器的给定电压。

根据运算放大器的特点得出各参数公式如下。

〔3-11〕

〔3-12〕

〔3-13〕

图3-3含给定滤波与反响滤波的PI型转速调节器

取R0=40k

，由公式〔3-11〕、〔3-12〕和〔3-13〕得：

，取285k

;

第四章转速调节器退饱和时转速超调量的计算

当h=5时，由表4-1查得，n=37.6%，不满足n≤10%的条件。

实际上，由于表3-1是按线性系统算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

如果调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大的范围内线性工作，那么双闭环系统启动时的转速过渡过程就会产生超调量较大。

实际上，突加给定电压后，转速调节器很快进入饱和状态，输出恒定的限幅电压，使电动机在恒流的条件下起动，而转速那么按线性规律增长。

表4-1典型II型系统阶跃输入跟随性能指标

h

3

4

5

6

7

8

9

10

tr/T

ts/T

k

52.6%

43.6%

2

37.6%

33.2%

1

29.8%

27.2%

25.0%

23.3%

计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法处理。

当ASR饱和时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电压

，如果忽略电流环短暂的跟随过程，其输出量也根本上是恒值Idm，因而电动机根本上按照恒加速起动。

这一阶段完成时有

ASR退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，系统的构造框图如图4-1所示。

描述系统的微分方程和前面分析线性系统跟随性能时一样，只是初始条件不同了。

分析线性系统跟随性能时，初始条件为n（0）=0,Id（0）=0。

讨论退饱和超调时，其初始条件是

n（0）=

由于初始条件发生了变化，尽管两种情况的动态构造图和微分方程完全一样，过渡过程还是不同的。

图4-1ASR退饱和后系统构造框图

当ASR选用PI调节器时，上图电流作用点前面的环节可以归纳为

，由于对我们的目的有用的是在稳态转速

以上超调的局部，即只考虑实际转速与给定转速的差值

，相应的可以把图4-1的坐标原点转移，初始条件换为n（0）=0,

由于图4-2的给定为零，可以不画，而把

的负反响作用反映到主通道的第一个环节输出量上来，这里不再赘述

图4-2以转速超调值

为输出量的构造图

将图4-2和讨论典型Ⅱ型系统抗扰性能所用的构造图相比，不难发现它们完全一样，因此可以利用典型Ⅱ型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量。

在典型Ⅱ型系统抗扰性能指标中

〔4-1〕

比照图4-2知

，

而

〔4-2〕

所以

的基准值是

〔4-3〕

令

表示电机允许的过载倍数，即

〔4-4〕

z表示负载系数，那么

〔4-5〕

为调速系统的额定稳态速降，

=

，代入式〔4-3〕可得

〔4-6〕

作为转速的超调量

，其基准值应该是

，因此退饱和超调量可以由表4-2列出的

数据经基准值换算后求得，即

=2〔

〕

〔4-7〕

根据条件，由式〔4-4〕解得

由公式

知：

再由式〔4-5〕解得

由表4-2查得h=5时

=81.2%

所以，由式〔4-7〕解得：

10%

所以，能够满足设计要求。

表4-2典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

Cmax/Cb

tm/T

tv/T

72.2%

81.2%

84.0%

86.3%

88.1%

89.6%

90.8%

结论

本次电力拖动自动控制课程的课设题目为双闭环调速系统ASR和ACR构造及参数设计。

通过对双闭环调速系统的整体设计，不仅稳固了课程学习的内容，而且加深了我们对电力拖动这门课程的认识，亲身体会到了它在实际应用中的作用，更加是我们系统的理解了调速系统设计内容、步骤及一些本卷须知。

电力拖动在生活及生产中应用广泛，无论是离我们最近的代步汽车还是大型工厂里的生产机械都离不开电力拖动的相关知识，作为电力拖动的重要内容，调速系统更加显得重要，而应用最为广泛的双闭环直流调速系统更是其核心内容，它有着相比于单闭环调速系统的绝对的优势。

通过对双闭环直流调速系统的实际设计，使我们加深了对其的认知，包括电路原理图的环节组成及电气元器件的种类和连接等等。

认知过程中也遇到了一些困难，比方各局部电路如何连接，各局部元件的作用及参数推倒过程等等，但是我们没有就此停滞不前，积极的查阅书籍资料和网络资料，并展开小组讨论，最终根本上解决了所有的问题。

参考文献

1.陈伯时.电力拖动自动控制系统〔第3版〕.机械工业出版社.

2.王兆安〔第4版〕.机械工业出版社.

3.刘丁.自动控制理论.机械工业出版社.

4.顾绳谷.电机及拖动根底〔第3版〕.机械工业出版社.

5.胡寿松.自动控制原理简明教程〔第二版〕.科学出版社.

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