电压负反馈直流调速系统设计方案

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概述1.1调速的基本概念调速即速度控制，是指在传动系统中认为地或白动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法，来改变电动机的机械特性，从而改变它与工作机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度。速度调节，可以通过手动给定信号并通过中间放大、保护等环节来实现。电动机转速人为给定，不能白动纠正转速偏差的方式称为开环控制，在很多情况下还希望转速稳定，即转速不随负载及电网电压等外接扰动而变化。此时电动机转速应能白动调节，即采用闭环控制，这样的系统称为闭环系统1.2调速的分类1.2.1无级调速和有级调速无级调速，又称连续调速，是指电动机的转速可以平滑地调节。其特点是：转速变化均匀，适应性强而且容易实现调速白动化，因此在工业中被广泛使用。有级调速，又称间断调速或分级调速。它的转速只有有限的几级，调速范围有限且不易实现调速白动化。1.2.2向上调速和向下调速电动机未作调速时的固有转速，即为电动机额定负载时的额定转速，也称为基本转速或基速。一般地，在基速方向提局转速的调速称为向上调速。反之为向下调速1.2.3恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速：有很大一部分机械，其负载性质属于恒转矩类型，即在调速过程中不同的稳定速度下，电动机的转矩为常数。如果选择的调速方法能使电磁转矩T为常数，则在恒转矩负载下，电机无论在高速或低速下运行，其发热情况始终是一致的。这就使电动机容量能得到合理而充分的利用。这种调速方法称为恒转矩调速，例如，当磁通一定时，调节电动机的电枢电压或电枢回路电阻的方法就属于恒转矩调速方法。恒功率调速：具有恒功率特性的负载，是指在调速过程中负载功率P为常数，其负载转矩T=a/n(以为励磁调节系数)，这种调速方法称为恒功率调速。用恒功率调速方法去带动恒转矩负载是不合理的，在高速时会使电机过载。1.3调速系统的静态指标调速范围：生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围。通常用D表示，即(1-1)静差率(又称转速变化率)：电动机在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载所产生的转速降落与额定负载时转速之比，称为静差率S,常用百分数表示即(1-2)显然，静差率与机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小。静差率也与工作速度有关，速度越高，静差率越小，因此，调速范围和静差率这两项指标不是孤立的，必须同时提出才有意义。1.4调速系统的时域指标1.4.1阶跃响应性能指标图1-1是典型的闭环控制系统原理框图，图中R(t)为阶跃参考输入信号，N(t)为系统的扰动输入信号，系统的输出为C(t)。当给定信号变化方式不同时，输出相应也不一样，通常以输出量的初始值为零、给定信号为阶跃变化下的过度过程作为典型的跟随系统过程。这时的动态响应又称作阶跃响应，一般希望阶跃响应输出量与其稳态值的偏差越小越好，达到输出量的时间越快越好，主要的阶跃响应性能指标有：图1-1典型闭环系统1.上升时间tr在典型的阶跃响应过程中，输出量从零开始，到第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。见图1-3图1-3典型阶跃响应曲线超调量8%在典型的阶跃响应过程中，输出量超出稳态值的最大偏差量与稳态值之比，用百分数表示，即(1-4)超调量反映系统的相对稳定性。超调越小相对稳定性越好。调节时间ts调节时间又称过渡时间，它衡量系统整个调节过程的快慢，原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。但是对于线性控制系统来说，理论上要使时间t到无穷才真正稳定但是实际系统常取士5%的范围作为允许误差带，以响应曲线进入该误差带所需的最短时间定义为调节时间。1.4.2抗扰性能指标控制系统在稳态运行中，如果受到扰动，经历一段动态过程后，总能达到新的稳态，这以恢复过程标志这控制系统抵御扰动的能力。一般以系统运行时突加一个使输出量降低的扰动以后的过渡过程作为典型的抗扰过程，如图1-4恢复时间tv:从阶跃扰动作用开始到输出量恢复稳定，即进入距稳态值允许误差带所需的时间，称为恢复时间（见图1-4）,图中Cb称为抗扰指标中输出量的基准量。1.5电压负反馈加电流补偿的调速系统对调速系统来说，转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式，但是,要实现转速负反馈必须有转速检测装置，如测速发电机等。对模拟量控制来说，就是采用测速发电机作为反馈检测器件，安装测速发电机时，要求其轴和主电机轴严格同心，这不仅增加了设备成本，也增添了维护上的困难，对于调速指标要求不高的系统来说，可以采用电机端电压负反馈的方法来代替测速发电机的速度反馈方法，从而使系统加以简化，但是，电压负反馈调速系统不能克服电枢压降所造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈，因此，在电压负反馈的同时，对电枢压降加以补偿，即进行电流补偿控制。图1-5电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图图1-5电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图设计方案2.1单闭环转速负反馈调速系统系统在调节过程中，当电动机在给定电压um空制下运行时，若负载转矩突然增大，使转速n下降，测速发电机的负反馈电压Um也成比例下降，偏差电压^Um增大，控制电压Uct增大，使晶闸管变流器的输出电压Udo加大，由于机械惯性，电动机电势E来不及变化，电枢电流Id及电磁转矩T随之增大，使转速n回升，从而减少了转速降落。当负载变化时，转速闭环负反馈引起系统前向通道各物理蜀变化的过程归结如下：丁疽f引+〜〜尘.tfUct,iSt对t<——*可见，单闭环转速反馈体统的反馈精度高，容易实现白动化，但是结构复杂，要求精度高，不易完成，设备成本高等缺点。图2-1转速负反馈闭环调速系统2.2电压负反馈调速系统如果略去电机的电枢压降，则电机电枢的两端的电压近似与速度成正比，所以电机端电压的负反馈是电机转速负反馈的一种近似,2-2是电压负反馈调速系统的原理图。图2-2电压负反馈调速系统的原理图由图可知电压负反馈调速系统的静态特性方程(2-1)式中，从静态特性方程可以看出，电压负反馈把被包围的变流器内阻等引起的稳态速降减小1/(1+的倍，因为扰动在电压负反馈环之外，系统对它引起的转速降落没有抑制作用，同样，对于电动机励磁变化所造成的扰动，电压负反馈也无法克服，因此，电压负反馈调速系统的稳态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大些，即稳态性能要差些。2.3电压负反馈加电流补偿的调速系统对调速系统来说，转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式，但是,要实现转速负反馈必须有转速检测装置，如测速发电机等。对模拟量控制来说，就是采用测速发电机作为反馈检测器件，安装测速发电机时，要求其轴和主电机轴严格同心，这不仅增加了设备成本，也增添了维护上的困难，对于调速指标要求不高的系统来说，可以采用电机端电压负反馈的方法来代替测速发电机的速度反馈方法，从而使系统加以简化，但是，电压负反馈调速系统不能克服电枢压降所造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈，因此，在电压负反馈的同时，对电枢压降加以补偿，即进行电流补偿控制。图1-5电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图。h虬图2-3电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图2.4方案分析方案一的转速负反馈调节系统的控制精度高，设备精良、复杂，容易实现白动化，但是综合给定任务，该任务不需要非常高的控制精度，故不采用方案二的电压负反馈调速系统由于不能对在电压负反馈环之外的扰动引起的转速降落产生抑制作用，并且，对于电动机励磁变化所造成的扰动，电压负反馈也无法克服，故不采用。方案三是电压负反馈加电流补偿的调速系统，该系统不但具有使处于电压负反馈环之外的扰动引起的转速降落产生抑制作用。而且设备相对简单，经济性好，适于本任务的设计系统的分析与计算3.1直流电动机的传递函数为了对调速系统进行稳定性和动态品质分析，须建立系统的数学模型。通常先根据系统中各环节的物理规律，列写出描述该环节动态过程的微分程，进而求出各环节的传递函数，然后，组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。下面将分别给出闭环调速系统各环节的传递函数和闭环调速系统的传递函数。图3-1他励直流电动机的等值电路图3-1给出了额定励磁下他励直流电动机的等值电路，规定的正方向如图箭头方向所示，设主电路电流连续，可写出微分程式Udo=R—+L号E(3-1)E=Cn2GDdn375dtCmld式中:E----额定励磁下的感应电动势;Te----额定励磁下的电磁转矩;Tl----包括电机空载转矩在内的负载转矩;gd2----电气传动系统运动部分分析算到电机轴上的飞轮量;Cm=30Ce额定励磁下的转矩电流比。将上述微分方程式加以整理可得以下方程UdoER(ldTldt1dLTmRdEdt式中：TlLR----电磁时间常数;TmGD2R375CeCm系统机电时间常数;IdlTLCm负载电流。在零初始条件下，取上述方程式两侧的拉氏反变换，分别得到如下述传递函数表达式Id(S)Udo(S)E(S)1/RTlS1(3-2)E(s)Id(s)IdL(s)TmS（3-3）根据式（3-2）和式（3-3）并考虑到n=E《Ce,即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图，如图（3-2）所示。也可简化成图（3-3）所示图3-2额定励磁下直流电动机的动态结构图lJ+I)1徊|NO)H_*一图3-3简化后的动态结构图3.2电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图图2-3是电压负反馈加电流补偿的调速系统的原理图，由图可知：（3-4）式中：——反馈系数当负载增大，稳态转速降落增加时，电流补偿信号（即电流反馈信号）增大，使整流电压增大，从而补偿转速降落。同时，随着负载加大，电枢电压降低，通过电压负反馈的作用，整流输出电压增大，也使转速降落减少，根据式（3-4）和系统结构，可以得到电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图，如图（3-4）所示。Y图3-1电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图由图3-1可以写出系统的静态特性方程（3-5）式中：由式（3-5）可知，电流补偿作用为正值，即正反馈作用，能补偿另两项的稳态速降，达到减少静差的目的。3.3系统稳定条件由式（3-5）可写出闭环调系统的特征方程式为TmTiTs3Tm(TiTs)2TmTsdsss11K1K1K(3-6)它的一般表达式为aosas32s33根据劳斯——古尔维茨稳定性判据,可求出系统稳定的充分必要条件为0>。,a1>0,a3>°,aia2a0&3式（3-6）或为（T整理后得K<的各项系数显然都是大于零的，因此系统稳定条件为Tm(T|Ts)(TmTs)TmTiTs1K1K1KTs)(TmTs)(1K)T|Ts2Tm(T|Ts)Ts2T|Ts任务实现电路4.1主电路由晶闸管VT1、VT2和整流二极管VD1VD2&成单相半控桥式整流电路，VD19为续流二极管，主回路接入平波电抗器L以改善电机的换向条件，VD4VD4组成桥式整流电路，给电机励磁供电。4.2放大及触发电路采用单结晶闸管触发电路，控制信号经VD13VD14限幅和C5C6C10滤波，由晶闸管VTR放大后作为移相控制信号，移相脉冲经脉冲变压器分别加到VT1或VT2的控制极，通过控制信号的变化可控制移相触发脉冲的相位，从而使主电路的桥式整流器的输出直流电压按要求无级变化。4.3给定与反馈电路电压负反馈信号由R&R4及电位器1取出，电流正反馈信号由电位器2取出，这两个反馈信号与给定信号串联相加，作为放大电路的出入。反馈量的大小分别通过电位器调节，由电阻R1、R2及C1组成的电压微分负反馈信号与给定信号并联，用以改善系统的动态性能，电流负反馈电路由三极管，稳压管，二极管，电阻，电容和电位器组成。4.4保护电路快速熔断器F1用作短路电流保护；压敏电阻分别为交流侧、晶闸管侧的过电压保护及换向浪涌电压保护，电阻R16和电容C7用作直流侧过电压保护图4-1任务实现线路图4.5校正电路在系统中，要实现无静差，系统必须在前向通道上（对扰动量,则在扰动作用点前）含有积分环节，故采用PI串联校正。图4-2串联校正框图图4-3串联校正对系统性能的影响结论对调速系统来说，转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式，但是,要实现转速负反馈必须有转速检测装置，如测速发电机或光电数字转速检测器等。对模拟量控制来说，就是采用测速发电机作为反馈检测器件，安装测速发电机时，要求其轴和主电机的轴严格同心，这不仅增加了设备成本，也增添了维护调试上的困难，对于调节器指标要求不高的系统来说，可以采用电机端电压负反馈的方法来替代测速发电机的速度反馈方法，从而使系统加以简化。从静特性方程式上可以看出，电压负反馈环把被反馈环包围的变流器内阻等引起的稳态速降减1/(k+1)倍，而由电枢电阻引起的速降仍和开环系统一样，因为扰动量处在电压负反馈环外，系统对它引起的转速降落无抑制作用，同样，对于电动机励磁变化所造成扰动，电压负反馈电压负反馈也无法无法克服，因此，电压负反馈调速成系统的稳态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大些，即稳态性能要差一些。在实际系统中，为了尽可能减小稳态速降，电压反馈应尽量靠近电动电枢两端。因此，在电压负反馈的同时，对电枢压降加以补偿，即进行电流补偿控制。晶闸管变流器的输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量。如把交流分量引到运算放大器的输入端，不仅不能起调作用，反而会产生干扰，严重时会造成放大器局部饱和，因此，电压反馈信号一般都要经地滤波处理。需要指出的是，电压负反馈加电流补偿的调速系统的负反馈电压信号直接取白接在电动机电枢两端的电位器上，这种连接方式虽然单向，担却把主电路的高电平和控制电路的低电平串在一起了。这从安全角度上看不合适的，容易发生事故，对于小容量调速系统这种连接方式仍可作为一项有效的措施，而对于较大容量的系统，通常应在负反馈回路中加入电压隔离变换器，使主电路和控制电路之间没有电的直接联系。体会通过此次设计，使我知道了如何避免直流可逆调速发生，使在不可逆的条件下保证各项工作正常进行，有效利用直流的作用进行工作，提高直流机的各项性能指标。使我们了解了调速的分类、调速系统的静态指标、调速系统的时域指标、开环和闭环调速系统的特点、晶闸管变流器转速负反馈调速系统、转速负反馈调速系统的动态分析、电压负反馈调速系统、电压负反馈加电流补偿的调速系统等等。并理解了电压负反馈加电流补偿的调速系统的功能，实现形式以及系统的优缺点。