直流調(diào)速系統(tǒng)性能改善的根本手段 摘要:本文簡單敘述了直流調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)而引出性能優(yōu)異的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),先簡要說明系統(tǒng)組成及其工作原理,舉例分析說明系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。然后進(jìn)行仿真研究,包括仿真模型的建立過程描述,對系統(tǒng)起動過程、抗干擾過程的仿真分析以及常見操作錯誤對系統(tǒng)的影響。最終對系統(tǒng)靜特性、動特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 關(guān)鍵詞:雙閉環(huán)系統(tǒng)、性能指標(biāo)計(jì)算與分析、靜特性、動態(tài)性、仿真實(shí)驗(yàn)
0.引言 一般直流電動機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性,按類型主要分為直流有刷電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)。隨著新材料的出現(xiàn),技術(shù)的更新進(jìn)步,直流無刷電動機(jī)得到了迅速發(fā)展,逐漸克服了機(jī)械換向裝置的固有缺點(diǎn),憑其技術(shù)優(yōu)勢和性能優(yōu)勢在許多場合取代了其它種類的電動機(jī)。 圖0.1所示為直流電動機(jī)的電路原理圖。根據(jù)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式: 圖0.1 直流電動機(jī)的電路原理圖 (0.1) 可知,直流電機(jī)調(diào)速方案有三種: 1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U 2) 改變電動機(jī)主磁通φ 3) 改變電樞回路電阻R 簡單的可以用可控直流電源和直流電動機(jī)組成一個開環(huán)調(diào)速系統(tǒng),但它的性能并不能很好的滿足期望值,應(yīng)用范圍極小。因此可以設(shè)計(jì)一個具有轉(zhuǎn)速反饋控制的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),把轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量,檢測誤差,糾正誤差,這樣就可以有效地解決系統(tǒng)調(diào)速范圍和靜差率的矛盾。若采用比例積分調(diào)節(jié)器,還能實(shí)現(xiàn)無靜差,引入電流截止負(fù)反饋能限制電樞電流的沖擊,避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)還存在一個缺點(diǎn)—不能充分按照理想要求控制電流(或電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程),起動過程不是非常的理想。 按照反饋控制規(guī)律,若想控制某個變量便引入該變量的負(fù)反饋,因此可以組建一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)在起動過程中只有電流負(fù)反饋,沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋;達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,電流負(fù)反饋不再發(fā)揮作用。這樣便可以按照理想要求控制電流得到比較理想的起動過程。
1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理1.1系統(tǒng)的組成及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(1)系統(tǒng)的組成 為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器,分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行嵌套(串級)連接,如圖1.1所示。系統(tǒng)由ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,ACR—電流調(diào)節(jié)器,TG—測速發(fā)動機(jī),TA—電流互感器,UPE—電力電子變換器等組成。 圖1.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 —轉(zhuǎn)速給定電壓,Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓, —電流給定電壓,Ui—電流反饋電壓 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面,稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外面,稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)(雙閉環(huán)系統(tǒng))。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能,轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器。 (2)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示,圖中WASR(S)和WACR(S)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 圖1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1.2系統(tǒng)跟隨性能分析——優(yōu)異的起動特性 在恒定負(fù)載條件下轉(zhuǎn)速變化的過程的與電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩(或電流)有關(guān),圖1.3是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在帶有負(fù)載IdL條件下起動過程的電流波形和轉(zhuǎn)速波形。從電流與轉(zhuǎn)速變化過程所反映出的特點(diǎn)可以把起動過程分為電流上升,恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在三階段中經(jīng)歷快速進(jìn)入飽和,飽和及退飽和三種情況。 (1) Ⅰ階段(0-t1)是電流上升階段:突加給定電壓后,Uc,Ud0,Id都會上升,但由于Id<IdL電動機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)Id>IdL后,電動機(jī)開始緩慢轉(zhuǎn)動, 數(shù)值很大, 很快達(dá)到限幅值 ,強(qiáng)迫電樞電流Id迅速上升。直到 , ,ACR很快壓制了Id的增長。 (2) Ⅱ階段(t1-t2)是恒流升速階段:這個階段, ASR始終是飽和的,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán),系統(tǒng)成為 恒值電流給定 的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng),基本上保持電 圖1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程 流Id恒定,因而系統(tǒng)加速度恒定,轉(zhuǎn)速呈線性增長。 的轉(zhuǎn)速和電流波形 另外ACR一般選用PI調(diào)節(jié)器,電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì),因此對斜坡擾動是無法實(shí)現(xiàn)消除靜差的。在這個階段中,電動機(jī)的反電動勢正是一個斜坡擾動,所以系統(tǒng)做不到無靜差,而是略低于Idm。為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用,起動過程中ACR不能飽和。 (3) Ⅲ階段(t2以后)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段:當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到n*時, ,電動機(jī)仍然在加速,出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)之后 為負(fù),使它退出飽和。由于Id>IdL,轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。直到Id=IdL,轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值(t3)。此后Id<IdL,電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速,直到穩(wěn)態(tài)。在這個階段最后,ASR和ACR都不飽和,ASR是主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,電流內(nèi)環(huán)是一個電流跟隨子系統(tǒng)。 1.3系統(tǒng)抗干擾性能分析——電流環(huán)的快速抗干擾雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)抗擾性能是一個重要的性能指標(biāo),主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 (1)抗負(fù)載擾動 由圖1.2可以看出,負(fù)載擾動出現(xiàn)在電流環(huán)之后,因此只能靠ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。 (2)抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也會產(chǎn)生擾動作用。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中,由于增加了電流內(nèi)環(huán),電壓波動在電流內(nèi)環(huán)的前向通路上,可以得到比較及時的調(diào)節(jié),不必等到它影響到轉(zhuǎn)速之后才反饋回來,因而擾動性能得到改善。 2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算2.1電流環(huán)的性能指標(biāo)計(jì)算 電流環(huán)ACR電路原理圖如圖2.1所示。 (1) 確定時間常數(shù) 1) 整流裝置滯后的時間常數(shù)Ts。 2) 電流濾波時間常數(shù)Toi。 3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i。 圖2.1 電流環(huán)ACR電路原理圖 按小時間常數(shù)處理,取T∑i=Ts+Toi (2.1) (2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) (3) 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):τi=TL 電流環(huán)開環(huán)增益根據(jù)表格計(jì)算為KI,于是ACR的比例系數(shù)為 (2.2) (4) 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率: Wci=KI (2.3) 1) 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 則滿足近似條件。 2) 校驗(yàn)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 < 滿足近似條件。 3) 校驗(yàn)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 則滿足近似條件。 (5) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.1所示: , , (2.4) 根據(jù)上述參數(shù),可以得到電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo) 2.2轉(zhuǎn)速環(huán)的性能指標(biāo)計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)ASR電路原理圖如圖2.2所示 (1) 確定時間常數(shù) 1) 電流環(huán)等效時間常數(shù) 。 2) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。 3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)之和T∑n。按小時 圖2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)ASR電路原理圖 間常數(shù)處理,取T∑n= 。 (2.5) (2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) (3) 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù) 按跟隨和抗干擾性能都較好的原則,取h=5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù): (2.6) 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 ,ASR的比例系數(shù)為 (2.7) (4) 檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率: (2.8) 1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 則滿足簡化條件 2) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 則滿足近似條件 (5) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3所示: , , (2.9) (6)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算 的基準(zhǔn)值是Cb=2FK2T,其中 , , (2.10) 因此, 的基準(zhǔn)值應(yīng)該是 ,令λ為電動機(jī)允許的過載倍數(shù),即 ; 為負(fù)載系數(shù), ; 為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降, ,將其帶入 表達(dá)式中得 。 (2.11) 作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量 ,其基準(zhǔn)值應(yīng)該是n*,則退飽和超調(diào)量: (2.12) 2.3計(jì)算實(shí)例在一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,己知電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)為:PN= 60kW,UN = 220 V,IN = 308 A,nN =1000 r/min,電動勢系數(shù)Ce=0.196V.min/r,主回路總電阻R =0.18Ω ,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=35。電磁時間常數(shù)TL =0.012s,機(jī)電時間常數(shù)Tm =0. 12s,電流反饋濾波時間常數(shù) Toi =0.0025s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton =0. 015s,額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓( )N=10V調(diào)節(jié)器ASR,ACR飽和輸出電壓 =8V,Ucm=6. 5V。系統(tǒng)的靜、動態(tài)指標(biāo)為:穩(wěn)態(tài)無靜差,調(diào)速范圍D=10,電流超調(diào)量 5%,空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 10%。試求: (1) 確定電流反饋系數(shù) (假設(shè)起動電流限制在1.1IN以內(nèi))和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。 (2) 試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR,計(jì)算其參數(shù)Ri、Ci、Coi。畫出其電路圖,調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R0=40kΩ (3) 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR,計(jì)算其參數(shù)Rn、Cn、Con。(R0=40kΩ) (4) 計(jì)算電動機(jī)帶40%額定負(fù)載起動到最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 。 解:由題意得 (1) (2) ACR的設(shè)計(jì) 查表2-2可知,三相零式晶閘管平均失控時間 Ts=3.33ms 又Toi=2.5ms,所以 因?yàn)?,按照I型系統(tǒng)設(shè)計(jì),選用PI調(diào)節(jié)器 WACR(s)= 其中 所以 電流環(huán)截止頻率: a) 檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件 ,滿足近似條件。 b) 校驗(yàn)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 = < 滿足近似條件。 c) 校驗(yàn)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 ,則滿足近似條件。 d) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.1所示,選擇R0=40K,則 ,選擇9K = , , (3) ASR的設(shè)計(jì) 1) 確定時間常數(shù) a) 電流環(huán)等效時間常數(shù) ,因?yàn)?。 所以 b) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.015s。 c) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)之和T∑n= 。 d) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),器傳遞函數(shù)為WASR(s)= 2) 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù) 按跟隨和抗干擾性能都較好的原則,取h=5則 , , , 3) 檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率: a) 轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 ,滿足簡化條件 b) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 ,滿足近似條件 c) 轉(zhuǎn)速超調(diào)量的檢驗(yàn)(表3-5,h=5時, ), 得到 ,因此上述設(shè)計(jì)不符合要求。 查表3-4可知,應(yīng)當(dāng)選擇小一些的h,h=3 當(dāng)h=3時 , , , 4) 再次檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率: a) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 ,滿足簡化條件 b) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 ,滿足近似條件 c) 轉(zhuǎn)速超調(diào)量的檢驗(yàn)(表3-5,h=3時, ), 得到 ,因此上述設(shè)計(jì)符合要求。 5) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3所示,選擇R0=40K,則 ,取310K , , (4) 帶40%額定負(fù)載起動到最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速時 解得 3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究3.1雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型的建立(1) 圖1.2為雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真框圖,根據(jù)計(jì)算實(shí)例中計(jì)算得到的參數(shù)可知 直流電動機(jī):額定電壓:UN= 220 V ,額定電流:IN=308 A ,額定轉(zhuǎn)速:nN=1000 r/min , 電動機(jī)電動勢系數(shù):Ce=0.196V.min/r。 1) 電樞回路總電阻:R =0.18Ω,電樞回路電磁時間常數(shù):TL =0.012s, 電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù):Tm=0. 12s。 2) 假定晶閘管整流裝置輸出電流可逆,裝置的放大倍數(shù):Ks=35。 3) 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=3.33ms;電流濾波時間常數(shù)Toi=0. 0025s ;電流反饋系數(shù):β=0.0236V/A;轉(zhuǎn)速反饋系數(shù): ;轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton =0. 015s;對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓:( )N=10V 4) 電流環(huán)傳函: (3.1) 5) 轉(zhuǎn)速環(huán)傳函: (3.2) (2) 建立Simulink圖(R2016a) 1) 電流環(huán) a) 打開模型編輯窗口 進(jìn)入MATLAB,依次單擊命令窗口工具欄中“新建” “ SIMULINK MODAL” →“simpleSIMULINK MODAL” →將現(xiàn)有元件全選刪除。 b) 復(fù)制相關(guān)模塊 在untitled窗體上點(diǎn)擊libraryBowser圖標(biāo),依次選擇下列圖標(biāo)并鼠標(biāo)左鍵將該模板拖入模型編輯窗口。“Source-Step(階躍輸入)”、“Mathoperations-Sum(加法器),gain(增益)”、“continuous-transfer fen(控制器),integrator(積分)”、“sinks-acop(示波器)”、“discontinue-saturation(非線性)” c) 修改模塊參數(shù) 雙擊模塊圖案,會出現(xiàn)該圖案的對話框,根據(jù)電流環(huán)的傳遞函數(shù)(式3.1)修改對話框內(nèi)容來設(shè)定模塊的參數(shù)。 d) 模塊連接 根據(jù)電流環(huán)仿真模型框圖如圖3.1所示中所需要的元件順序排序,鼠標(biāo)右鍵拖動模塊可以復(fù)制相同的模塊。以鼠標(biāo)左鍵單擊起點(diǎn)模塊輸出端,拖動鼠標(biāo)至終點(diǎn)模塊輸入端處,則可以在兩模塊之間產(chǎn)生 線。 圖3.1電流環(huán)仿真模型框圖 2) 轉(zhuǎn)速環(huán) 為了在示波器中反映出轉(zhuǎn)速電流的關(guān)系,增加“Signl Routing-Mux”模塊把兩個輸入聚合成一個向量輸出給Scope。并增加Step1模塊用來輸入負(fù)載電流。根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)(式3.2)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。 根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型如圖3-2所示。進(jìn)行模塊連接。 圖3-2 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型 其中,為了保證調(diào)速系統(tǒng)中電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全,需限制電動機(jī)的最大電流,這就需要對PI調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅。 3.2仿真結(jié)果分析 3.2.1起動過程的仿真(1) 按設(shè)計(jì)參數(shù)的起動過程仿真結(jié)果 按照理論設(shè)計(jì)參數(shù)起動的過程仿真波形圖如圖3.3所示。 其中,電流環(huán)仿真波形如圖圖3.4所示。計(jì)算得到 圖3.3轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動波形圖 (3.3) 因此是不滿足條件的,需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真波形如圖圖3.5所示。 (3.4) 因此不滿足設(shè)計(jì)要求需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 圖3.4 電流環(huán)仿真波形 (2) 起動過程的參數(shù)優(yōu)化 電流環(huán)參數(shù)優(yōu)化的方案:因?yàn)镃max的值與比例系數(shù)K有關(guān),K影響電流PI調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Ki,因此在仿真模型中改變系數(shù)Ki即可。 適當(dāng)減小Ki的值,直到計(jì)算出小于系統(tǒng)要求的 超調(diào)量,然后算出該參數(shù)與上一個參數(shù)的平均值 圖3.5 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真波形 這樣逐次逼近最優(yōu)的參數(shù)。在通過逆向求值的思想,計(jì)算出相應(yīng)的元件參數(shù),選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)稱值完成電流環(huán)參數(shù)優(yōu)化。 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)優(yōu)化的方案:因?yàn)榕c ∝ ,因此可以改變Kn的值得到最優(yōu)的 。(kn的優(yōu)化與Ki的優(yōu)化類似) 最終得出 Ki=0.174時σ= ;Kn= 8.5 時σ= 超調(diào)量以及各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 優(yōu)化參數(shù)起動的過程仿真波形圖如圖3.6所示。 圖3.6 優(yōu)化參數(shù)起動的過程仿真波形 (3) 仿真結(jié)果分析 經(jīng)過上面的分析可以看出按照設(shè)計(jì)參數(shù)仿真時結(jié)果并沒有達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,原因是由于在理論計(jì)算中采用了很多的近似處理已經(jīng)脫離了現(xiàn)實(shí)中的模擬情況,另外由于仿真軟件的局限性,與使用者的電腦主頻等參數(shù)相關(guān),所以要得到最優(yōu)的結(jié)果必須進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,逐次逼近最優(yōu)參數(shù)。 參數(shù)優(yōu)化后各個元件的選型: 電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.1所示,選擇R0=40K,則 ,選擇7.5K = ,選擇1.8uF ,選擇0.5Uf 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3所示,選擇R0=40K,則 ,選擇510K ,選擇05uF ,選擇18uF 3.2.2抗干擾過程的仿真1) 抗電網(wǎng)電壓波動的擾動 經(jīng)過起動過程的仿真和參數(shù)優(yōu)化后,系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓波動的性能指標(biāo)可以滿足要求。 2) 抗負(fù)載擾動 經(jīng)過起動過程的仿真和參數(shù)優(yōu)化后,系統(tǒng)負(fù)載擾動的性能指標(biāo)可以滿足要求。 3.3.拓展討論3.3.1反饋線接反的仿真結(jié)果1、轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線接反仿真圖如圖3.7所示。 2、電流環(huán)反饋線接反仿真圖如圖3.8所示。 圖3.7 轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線接反仿真圖 圖3.8 電流環(huán)環(huán)反饋線接反仿真圖 3.3.2反饋線掉線的仿真結(jié)果1、轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線掉線仿真圖如圖3.9所示。 2、電流環(huán)反饋線斷線仿真圖如圖3.10所示。 圖3.9 轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線掉線仿真圖 圖3.10 電流環(huán)環(huán)反饋線掉線仿真圖
4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究 4.1雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)1) 實(shí)驗(yàn)原理分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理參照第1節(jié)為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時控制和快速跟隨,希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài),因此,對于靜特性而言,只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 此時,兩個調(diào)節(jié)器均不飽和,穩(wěn)態(tài)時,它們的輸入偏差電壓為零。 (4.1) (4.2) 式中 —分別為轉(zhuǎn)速和電流的反饋系數(shù)。 由式1.1可得 (4.3) 從而得到圖4.2所示靜特性的AB段。 同時,由于ASR不飽和, ,由式1.2可知:Id<Idm。因此AB段靜特性從立項(xiàng)空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm,而Idm一般都大于額定電流IDn的。這就是靜特性的運(yùn)行段,它是水平的特性。 2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ASR輸出達(dá)到限幅值 時,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài),轉(zhuǎn)速的變化對轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 (4.4) 式中Idm是由設(shè)計(jì)者選定的,取決于電動機(jī)的容許過載能力和系統(tǒng)要求的最大加速度。式4.2描述得表示圖1.4中的BC段,它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合n<n0的,否則 <Un ,ASR將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出 ,這時,電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用, 圖4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,起到過電流的自動保護(hù)作用。 圖1.4也反映了ASR調(diào)節(jié)器退飽和的條件。當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時,Id=Idm,若負(fù)載電流減小,IdL<Idm,使轉(zhuǎn)速回升,n>n0,△n<0,ASR反向積分,從而使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和,又回到線性調(diào)節(jié)狀態(tài),使系統(tǒng)回到靜特性AB段。 2) 實(shí)驗(yàn)步驟 1)按圖4.3雙閉環(huán)機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)電路圖接線,渦流測功機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)至最小。 MEL-002T“三相交流電源”,即按下主控制屏綠色“閉合”開關(guān)按鈕, 首先調(diào)節(jié)NMEL-18/2使電動機(jī)勵磁電流為額定勵磁電流100mA,然后調(diào)節(jié)側(cè)面調(diào)壓器調(diào)節(jié)旋鈕使主控制屏U、V、W端有輸出220V。 圖4.3雙閉環(huán)機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)電路圖 2)逐漸增加給定電壓Ug,使電機(jī)起動、升速,調(diào)節(jié)Ug和渦流測功機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,使電動機(jī)轉(zhuǎn)速nN=1500r/min,Id=IN=1.1A,然后逐步減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩直到空載,測取6~8點(diǎn),即可測出系統(tǒng)的靜特性n=f (Id)。 其中,實(shí)驗(yàn)主回路接線圖如圖4.4所示 圖4.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主回路接線圖 雙閉環(huán)系統(tǒng)控制回路接線圖如圖4.5所示,實(shí)驗(yàn)接線圖如圖4.6所示。 圖4.5 雙閉環(huán)系統(tǒng)控制回路接線圖 圖4.6 雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)接線圖 4.2雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性實(shí)驗(yàn) 用二蹤慢掃描示波器觀察動態(tài)波形,用數(shù)字示波器記錄動態(tài)波形。在不同的調(diào)節(jié)器參數(shù)下,觀察,記錄下列動態(tài)波形: (1)突加給定起動時,電動機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形。 調(diào)整給定電壓Ug,以及轉(zhuǎn)矩設(shè)置按鈕,使電動機(jī)空載轉(zhuǎn)速達(dá)到1500rpm。關(guān)斷給定電壓Ug,在轉(zhuǎn)速環(huán)以及電流環(huán)輸出位置連接好示波器,接通給定電壓Ug,調(diào)整示波器,使轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)輸出波形緩慢變化并重合在一起。再次關(guān)斷給定電壓Ug,無輸出后,接通 圖4.7 突加給定起動時,電動機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形 給定電壓,觀察波形。重復(fù)以上步驟, 直到獲得比較理想的波形為止。突加給定起動,電動機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形如圖4.7所示。 (2)突加額定負(fù)載時,電動機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形。 設(shè)置轉(zhuǎn)矩為1,按照(1)中的調(diào)整 圖4.8電動機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形 步驟,突加給定電壓,觀察電動機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形如圖4.8所示。
5.結(jié)論 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)是靜,動態(tài)性能優(yōu)良、抗擾性能良好,應(yīng)用廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。從開環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)到閉環(huán)系統(tǒng),V/M系統(tǒng)到雙閉環(huán)系統(tǒng)的理論計(jì)算、仿真分析、實(shí)驗(yàn)研究均表明直流調(diào)速系統(tǒng)性能改善的根本手段是引入了電流控制。
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