（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于dsp的數(shù)字式可逆勵磁調節(jié)器的研究與開發(fā).pdf

哈爾濱r 科人學碩| 學位論文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h eo p e r a t i o no f d i g i t a l p r o c e s s o rb e c o m e sm o r eq u i c ka n dp o w e r f u l ，a n di t sp r i c ei sc h e a p e r i nt h e d e s i g no f c o n t r o ls y s t e m m o r ea n dm o r ed e s i g n e r sp r e f e rt os e l e c td i g i t a lc o n t r o l s t r a t e g y w i t ha d v a n t a g e s o ff l e x i b l e c o n t r o l ，p o w e r f u l f u n c t i o n sa n d h i g h p r e c j s i o n c o m p a r e dt oa n a l o g u ec o n t r 0 1 d i g i t a lc o n t r o l l e ri su s e dw i d e l yi o i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n h o w e v e r , a n a l o g u e c o n t r o l l e ri sd o m i n a n ti ne l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mf o ru n d e r w a t e rs h i p t h e r e f o r e i ti s at a s ko ft o pp r i o r i t yt o d e v e l o pd i g i t a lc o n t r o l l e rs u b s t i t u t e df o ra n a l o g u ec o n t r o l l e ra se a r l ya sp o s s i b l e + f h i sp a p e rp r e s e n t sr e v e r s i b l ed i g i t a lf i e l dr e g u l a t o rw i t hd s pa n dl g bt w h i c h ；ss u b s t i t u t e df o rc u r r e n ta n a l o g u ef i e l dr e g u l a t o rw i t ht h y r i s t o r sa sp o w e r e l e m e n tb vp o w e r f u lo p e r a t i o nc a p a c i t ya n de x t e r n a ls e t t i n g so fd s p d i g i t a l c o n t r o l a l g o r i t h m i sr e a l i z e da n de l e c t r i cc i r c u i ti s s i m p l i f i e d m e a n w h i l e f u l l y c o n t r o l l e di g b te n a b l e sr e v e r s i b l ef l o wo ff i e l dc u r r e n ta n dr e d u c ei nt h e s i z eo f f c re l e m e n t so fm a i nl o o p s ot h a tt h ec o m p l e t eo fd e v i c eb e c o m e s s m a l l e ra n dl i g h t e r b e g r i m i n gw i t hm a t h e m a t i cm o d e l i n go f c o n t r o io n e c t t h ep a p - e rg i v e st h e d e s i g no fr e g u l a t o r si nc u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o po ft h es y s t e mb yi n t r o d u c i n g t y p i c a ls y s t e md e s i g nm e t h o d a f t e rt h a t 、h o w t oc o n f i g u r eh a r d w a r ec i r c u i to ft h e s v s t t 、r 1 ) 、i hd s pa n di ( ：；b tj sd i s c u s s e d a n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo f1 1 a r d w a r e c i r c u i ti si n t r o d u c e d s o f t w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi s a n a l y z e d f u n c t i o n so f e v e r ym o d u l ei ns o f t w a r e s y s t e m a r e e x p l a i n e d ，a n d f l o w d i a g r a m o f s u b - p r o g r a m s i sg i v e n f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t h e s y s t e ma r eg i v e n i ti ss h o w nf r o mt e s tr e s u l t st h a t b yu s i n gd s pf o rd i g i t a lc o n t r o lo ff i e l d s y s t e m ， l a r d w a r ec i r c u i ti ss i m p l ea n dp r o g r a m m i n gi se a s y , i na d d i t i o n ，b yu s i n g i g b ti om a i nl o o po ft h es y s t e m c o n t r o ia n d o p e r a t i o no fp o w e r e l e m e n t si se a s y a n dr e l i a b l e a n dr e v e r s i b l ef l o wo ff i e l dc u r r e n tc a nb er e a l i z e d t e s ts h o w st h a t c o n t r nj s t r a t e g y i s p r a c t i c a b l e a n de f f e c t i v e 。a n d o p e r a t i o n o ft h es y s t e mi s r e l i a b l c k e yw o r d ：f i e l dr e g u l a t o r ，r e v e r s i b l e ，d s p , i g b t , d i g i t a lc o n t r o l 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第1 章緒論 在發(fā)電機和電動機的控制中，我們都有可能需要一種裝置來對電機的磁 場進行調宵，這種用于調節(jié)電機磁場的裝置我們稱之為勵磁調節(jié)器。勵磁調 節(jié)器在發(fā)電機中使用的目的主要是為了調節(jié)發(fā)電機的輸出電壓或輸出電流； 在電動機中，勵磁調節(jié)器的主要作用是為了在電源電壓波動時保證電動機的 磁場穩(wěn)定，或者是用于弱磁調速。 1 1 勵磁技術發(fā)展的歷史 勵磁技術的發(fā)展和電力電子技術的發(fā)展是緊密相連的。在晶閘管出現(xiàn)以 前，人們通過在勵磁回路中串接電阻的方法調節(jié)勵磁電流。這種方法最大的 好處是線路簡單、設備投入少、工作可靠性高。當勵磁電流比較小時，用一 個小功率的可變電阻器就可以很方便的對勵磁電流進行調節(jié)。因此在一些勵 磁電流較小、控制要求不高的場合，這種方法至今仍在使用。但是當我們需 要較大的勵磁電流時，這種方法就帶來了很大的不方便。首先，由于勵磁電 流較大，我們必須使用功率較大的電阻箱，而這些電阻箱的體積也會很大， 要占用相當大的安裝空間，這在一些安裝空間受限制的地方尤為不方便。其 次由于電流較大，電源提供的能量有很大一部分都浪費在調節(jié)電阻上了，尤 其在弱磁調速的情況下，這時電阻箱的散熱也是一個難以處理的問題。第三 在大電流下，電阻箱電阻的平滑調節(jié)也不好實現(xiàn)。由于種種的不方便，現(xiàn)在 的勵磁調節(jié)系統(tǒng)中已經很難見得到這種方式了，只是在某種特殊情況下，仍 把這種方式作為一種緊急備用。 1 9 5 8 年，美國通用電氣公司研制成功第一個工業(yè)用的普通晶閘管，自此 拉開了半導體變流技術的序幕。這時候的勵磁技術及時采用了電力電子技術 領域的新成就，將晶閘管變流技術用于勵磁調節(jié)中，用單結晶體管和脈沖變 壓器來實現(xiàn)對晶閘管的控制，同時用晶體三極管構成的放大電路來實現(xiàn)反饋 控制思想，初步實現(xiàn)了勵磁調節(jié)的自動化。但由于晶體管的特性參數(shù)分散， 靜態(tài)工作點整定麻煩，因此造成整個裝置調試很麻煩，也不利于實現(xiàn)好的控 制思想，同時也使得整個裝置的可靠性很差。隨后出現(xiàn)的集成運算放大器使 這種情況有了很大程度的改觀，集成運算放大器有很高的開環(huán)放大倍數(shù)，輸 哈爾濱工程大學碩士學位論文 入阻抗很大而輸出阻抗很小，只需配合很少的電阻電容元器件就可以構成各 種不同的控制器，而且調試非常簡單。運用集成運算放大器可以很容易構成 p i 和p i d 調節(jié)器，而這兩種調節(jié)器是工程領域用得最廣泛的兩種控制方式， 因此集成運算放大器一出現(xiàn)就被廣泛的用于各種控制場合。采用運算放大器 構成的p i 調節(jié)器來控制勵磁也成了當時最普遍的做法，這時的勵磁調節(jié)器的 性能有了很大的改善，可靠性也得到了極大的提高。與此同時，觸發(fā)電路也 有了進一步的發(fā)展，用單結晶體管來生成觸發(fā)脈沖時，脈沖的占空比及頻率 控制比較閑難。于是出現(xiàn)了用集成電路來產生觸發(fā)脈沖的方法，其中5 5 5 定 時器是使用非常廣泛的一種。利用5 5 5 定時器外加少量的元器件便可構成多 諧振蕩器，振蕩器的頻率調整非常容易，而且輸出脈沖的占空比可以由外加 電壓來控制，從而使得晶閘管的控制更為方便。 在采用了運算放大器和改進了觸發(fā)電路后，晶閘管的控制比以前方便了 很多，勵磁調節(jié)器的性能也很穩(wěn)定了。但是由于晶閘管導通后不能夠在觸發(fā) 極控制其關斷，當將它用于直流斬波電路中時，必須在主回路中采用強迫換 流電路，使用起來還是很不方便。于是人們又開發(fā)出全控式的電力電子器件， 如g t o 、g t r 以及近年來得到普遍應用的i g b t 。這些全控型電力電子器件 的出現(xiàn)使得變流控制更容易實現(xiàn)，簡化了勵磁調節(jié)器主回路的設計。同期還 出現(xiàn)了許多集成的p w m 控制芯片，如l m 4 9 4 和s g 3 5 2 4 ，使用這些芯片可 以更方便地獲得p w m 信號。使用了這些新的器件后，斬波器的頻率和占空 比的控制變得更容易，從而使設計人員可以把更多的精力放在對控制算法的 優(yōu)化上。 近二十年來，數(shù)字技術有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了很多性能優(yōu)越而價格卻 很便宜的單片機，越來越多的工程技術人員將數(shù)字技術用于工程設計中。借 助于數(shù)字技術，人們不但可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的p i d 控制，還可以將模糊控制技術、 神經網絡技術、參數(shù)辨識技術等應用于工程控制中，設計出智能的控制器。 而近年來方興末艾的網絡技術更是給控制領域帶來了全新的概念，網絡技術 的應用將以前孤立工作的控制器連成了一體。連接于網絡上的控制器不再只 完成指定的控制任務，而是可以根據(jù)網絡上主機傳來的命令執(zhí)行不同的任務， 同時將各種運行參數(shù)傳回主機顯示或與其它控制器交換數(shù)據(jù)。設備控制者不 必親到現(xiàn)場，而只需通過中央控室的上位計算機就可以掌握所有設備的工作 狀態(tài)，控制設備的工作方式?？梢韵胂螅S著網絡技術進一步的發(fā)展，設備 控制者甚至不必走進中央控制室，而只需通過一臺連接于網絡的p c 機，就 可以在任何地方監(jiān)視和控制設備的運行。 實現(xiàn)這一美好夢想的一個重要環(huán)節(jié)是現(xiàn)場總線技術的應用，國外生產的 哈爾濱工程大學碩士學位論文 大部分控制器都已經配有現(xiàn)場總線接口，國內許多科研單位也在進行這方面 的研究，但國內生產的帶現(xiàn)場總線接口的設備仍不是很多?？梢钥隙ǖ氖?， 將數(shù)字技術和現(xiàn)場總線的概念用于勵磁調節(jié)器的設計也必將是大勢所趨。 1 2 勵磁調節(jié)技術的國內外現(xiàn)狀 隨著電力電子技術、計算機技術和控制技術的發(fā)展，國外的交直流電機 調速產品已經全部都數(shù)字化了，組成系統(tǒng)的各部分功能被做成了通用化和標 準化的模塊，可以根據(jù)不同的使用要求任意組合。勵磁調節(jié)器也不再作為一 個單獨的產品出現(xiàn)，而是電機調速產品的一個有機組成部分。這些產品在國 內的電機調速系統(tǒng)中被廣泛地使用，并取得了良好的運行效果。 我國9 0 年代設計的某新型消磁船就采用了西門子公司的6 r a 2 4 型直流 調速裝置進行勵磁調節(jié)。該船的推進系統(tǒng)由兩臺直流電機構成，直流電動機 的供電由兩套直流柴電機組完成。系統(tǒng)使用了四套6 r a 2 4 進行勵磁調節(jié)，其 中兩套6 r a 2 4 用于控制發(fā)電機的輸出電流，以保證直流電動機的電樞電流恒 定；另兩套6 r a 2 4 用于控制電動機的勵磁電流，通過調節(jié)勵磁電流就能實現(xiàn) 對電動機輸出轉速的控制。四套6 r a 2 4 的工作由上位的p l c 統(tǒng)一協(xié)調控制。 6 r a 2 4 使用的另一個例子是淄博礦務局許礦廠煤礦主井提升機的電控系 統(tǒng)。這套系統(tǒng)中提升電動機的額定功率為1 0 0 0 k w ，電機額定電壓為6 6 0 v ， 額定電流為1 8 3 0 a ；勵磁電壓1 1 0 v ，勵磁電流1 6 7 a ；電機額定轉速為3 8 r p m 。 系統(tǒng)采用串聯(lián)1 2 脈動晶閘管供電，電樞可逆，恒定勵磁。電樞回路采用了兩 套6 r a 2 4 進行控制，每套6 r a 2 4 控制一個整流柜。兩套6 r a 2 4 按主從關系 連接仟何個整流柜發(fā)生故障時，由上位的p l c 將整流柜和相應的6 r a 2 4 從系統(tǒng)中切除，使系統(tǒng)降到半壓下運行，另外用一套6 r a 2 4 控制電機的磁場 恒定。整個系統(tǒng)也是由上位的p l c 進行統(tǒng)一協(xié)調控制，但該系統(tǒng)在p l c 之 上另加了一個工控機進行監(jiān)控顯示。這套系統(tǒng)從1 9 9 8 年正式投入運行后一直 都工作可靠、性能穩(wěn)定。 在6 r a 2 4 之后，西門子公司又于1 9 9 9 年推出新一代的直流驅動產品 6 r a 7 0 。與6 r a 2 4 相比，6 r a 7 0 從機械結構到軟件特點都有重大突破。該系 統(tǒng)的機械結構更加緊湊，模板可自由配置，安裝更為方便。裝置的單機電流 達2 0 0 0 a ，擴展電流可達1 2 0 0 0 a ，可以實現(xiàn)單象限和四象限運行，供電電壓 等級從4 0 0 v 8 3 0 v ，電樞電流范圍1 5 a 2 0 0 a ，勵磁電流范圍3 a 4 0 a ， 過載能力可達1 5 0 。6 r a 7 0 采用了b i c o 技術，系統(tǒng)所有的功能模塊均可 哈爾濱工程大學碩士學位論文 通過參數(shù)來連接。該系統(tǒng)采用了雙c p u 來控制電樞和勵磁回路，并在系統(tǒng)中 采用了f l a s h e p r o m ，使得軟件的升級更為方便。6 r a 7 0 裝置的硬件可 以以模板化的方式來擴展，擴展模板包括模擬量i o 板，開關量i o 板，裝 置并聯(lián)擴展板，針對p r o f i b u s d p 通訊協(xié)議的通訊板，針對s i m o l i n k 通 訊協(xié)議的通訊板，以及工藝控制板。裝置可以在p c 機上通過s i m o v i s 軟件 來調試。 2 0 0 0 年1 0 月，酒泉鋼鐵公司在對2 拌高爐的上料、布料、探尺系統(tǒng)的改 造中便選用了這套調速系統(tǒng)。其中上料系統(tǒng)選用了兩臺2 5 0 k w 、8 4 0 a 、3 3 0 v 、 4 0 0 1 0 0 r p m 的直流電機，用兩套6 r a 7 0 進行控制，使電機能在四象限運行。 探尺系統(tǒng)選用了兩臺4 k w 、2 4 5 a 、2 2 0 v 、1 0 0 0 r p m 的直流電機，采用三套 6 r a 7 0 進行控制，一備兩用。布料系統(tǒng)的角控制選用了一臺8 k w 、4 3 a 、 2 2 0 v 、1 3 5 0 r p m 的直流機，b 角控制選用了一臺1 7 k w 、9 2 ，2 a 、2 2 0 v 、1 1 7 0 r p m 的直流電機，每臺電機各用兩套6 r a 7 0 進行控制，一備一用。 在推出6 r a 7 0 直流控制器的同時，西門子公司還推出了一種被稱之為 s i m a d y nd 的全數(shù)字控制器。該控制器沿用了西門子公司一貫所采用的硬 件模板和軟件模塊可自由配置的設計思想，并對用參數(shù)連接軟件功能模塊的 方式做了改進。在這套系統(tǒng)中，西門子公司提供了圖形化的編程方式，系統(tǒng) 中所有的功能模塊都可以用圖形編程的方式進行連接。使用者在配置系統(tǒng)時 所面對的不再是枯燥難記的系統(tǒng)參數(shù)，而是意義清晰明了的圖形符號，系統(tǒng) 配置因此變得更加輕松容易。該系統(tǒng)采用了多c p u 結構，因而系統(tǒng)精度和動 態(tài)性能較以往的控制器有了很大的提高。該系統(tǒng)不但可用于直流控制，還可 用于交流變頻器的控制。我國水口升船機的主拖動系統(tǒng)就使用了這套系統(tǒng)， 升船機由四臺直流電動機進行拖動，四臺電動機通過剛性軸連接在一起，每 臺電動機由一套s i m a d y n d 控制器進行控制，整個系統(tǒng)由上位的p l c 和工 控機來統(tǒng)一協(xié)調。 與國外的成熟產品比起來，國內的直流調速產品還有著相當大的差距， 雖然囪了部分數(shù)字化的產品，但控制器的性能仍難以和國外產品相比。近 年來比較常見的做法是：用進口的數(shù)字控制器來配國產的功率裝置。 在我國水下艦船的電力推進系統(tǒng)中，所使用的電機調速產品幾乎全部是 模擬控制方式。功率器件方面有的采用逆導可控硅，有的采用g t r ，最近也 有人用i g b t ，但控制回路幾乎全部采用運算放大器來構成。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 1 3 課題的研究意義 在當今技術的發(fā)展中，數(shù)字控制技術由于其算法編制的靈活性、控制方 式的多樣性，正以前所未有的速度普及到控制系統(tǒng)的各個領域。同時正是由 于控制器采用了數(shù)字控制技術，才使得網絡技術得以運用到控制系統(tǒng)中，使 得系統(tǒng)的每個控制器不再工作于孤立的環(huán)境中，而是能夠相互交換信息，從 而實現(xiàn)了系統(tǒng)的統(tǒng)一調度與安排，甚至可以進行遠距離的遙控，整個系統(tǒng)更 加完整，更加成為一個整體?？梢灶A言，現(xiàn)在開發(fā)的調速產品如果不是以數(shù) 字方式進行控制，如果不帶上網絡接口，那么它必定是一個沒有生命力的、 沒有市場的產品。而對老一代的模擬控制器進行數(shù)字化改造則是當務之急， 通過對老一代的模擬控制器進行改造，我們可以為以后設計通用型的控制器 打下基礎，積累經驗。 我國現(xiàn)有的水下艦船電力推進系統(tǒng)中，還在使用著大量的模擬控制器。 及早設計出數(shù)字控制器對目前使用的模擬控制器進行更新?lián)Q代，并在數(shù)字控 制的基礎上對整個電力推進系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，提高整個推進系統(tǒng)的控制性 能，使系統(tǒng)的智能化程度更高，方便操作者的使用，是我們目前面臨的一個 現(xiàn)實問題。而數(shù)字化的可逆勵磁調節(jié)器正是本著這樣一種思想來設計的，希 望通過對這樣一個課題的深入研究，領悟數(shù)字化的控制思想，掌握數(shù)字控制 器件的開發(fā)使用方法，熟悉數(shù)字控制器的設計方法，從而為今后全面地對推 進系統(tǒng)數(shù)字化打下基礎。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第2 章直流電機的勵磁及調速 直流電機是歷史上最早出現(xiàn)的電機，在1 9 世紀8 0 年代以前，直流傳動 是唯一的電氣傳動方式。1 9 世紀末葉，出現(xiàn)了交流電機，并制成了經濟實用 的籠式電機，從而交流電機在工業(yè)中逐步得到廣泛應用。但在很長一段時間 里，交流電機都是不能調速的。因此工業(yè)應用領域長期以來的格局是：在需 要調速的地方使用直流電機，在不需要調速的地方使用交流電機。近年來， 隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代電機控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多交 流調速器，而且性能越來越好。但直流電機由于啟動轉矩大、調速性能好， 在精加工、冶金、交通等方面仍有著廣泛的應用。因此將現(xiàn)代應用科技的成 就應用于直流電機，研究出新一代數(shù)字式的勵磁調速裝置仍有其實際意義。 2 1 直流電機的勵磁方式 在直流電機中，由磁極的勵磁磁通單獨建立的磁場是電機的主磁場，也 稱為勵磁磁場。勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產生勵磁磁通勢而建立 主磁場的問題。按勵磁方式不同，直流電機可分為： 1 他勵直流電機 他勵直流電機是一種勵磁繞組與電樞繞組無連接關系，而由其他電源對 勵磁繞組供電的直流電動機，如圖2 1 a 所示。 。寓目窗窩 圖2 1 a ) 他勵 2 并勵直流電機 直流電機按勵磁方式分類 b ) 薺勵c ) 串勵d ) 復勵 并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖2 1 b 所示。這種勵磁繞 哈爾濱工程大學碩士學位論文 組所加的電壓就是電樞電路兩端的電壓。 3 串勵直流電機 串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖2 1 c 所示。這種電機的 勵磁電流就是電樞電流，若有調節(jié)電阻與勵磁繞組并聯(lián)，則為電樞電流的一 部分。 4 復勵直流電機 這種直流電機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞電路并聯(lián)( 稱 為并勵繞組) ，然后再和另一個勵磁繞組串聯(lián)( 稱為串勵繞組) ，如圖2 1 d 。 也可以一個勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再和另一個勵磁繞組并聯(lián)。若串勵 繞組產生的磁通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向相同則稱為和復勵。若兩個 磁通勢方向相反，則稱為差復勵。 直流電機的運行特性隨著勵磁方式的不同而有很大差別。電動機的勵磁 方式前述四種均可采用。直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和復 勵式。 2 2 直流電機的調速指標 為了使生產機械以最合理的高速進行工作，從而提高生產效率和保證產 品有較高品質。大量的生產機械要求在不同的情況下以不同的速度工作，這 就要求我們采用一定的方法來改變生產機械的工作速度，以滿足生產的需要， 這種方法通常稱為調速。 調速可用機械方法、電氣方法或機械電氣配合的方法。在用機械方法調 速的設備上，速度的調節(jié)是用改變傳動機構的傳動比來實現(xiàn)的，但機械變速 機構較復雜；用電氣方法調速，電動機在一定負載情況下可獲得多種轉速， 電動機可與工作機構同軸，或其間用一套變速機構，機械上較簡單，但電氣 上可能較復雜；在機械電氣配合的調速設備上，用電動機獲得幾種轉速，配 合用幾套機械變速機構來調速。究竟用何種方案，以及機械電氣如何配合， 要對各種方案的技術經濟指標進行比較后才能決定。 由電樞電壓平衡方程可得 u 。= id + c 凈n ( 2 1 ) 如果忽略電阻壓降，則式( 2 1 ) 可寫成 n 。旦( 2 2 ) g 中 哈爾濱工程人學碩士學位論文 由式( 2 2 ) 可知，欲改變電動機的轉速，可以改變電樞端電壓u 或改 變勵磁磁通中。 由于提高電動機的電樞端電壓受到繞組絕緣耐壓的限制，根據(jù)規(guī)定，只 允許比額定電壓提高3 0 ，因此提高璣的可能范圍不大，實際上改變乩應 用在降壓方向，從額定轉速向下調。 至于改變勵磁磁通，增加的可能性不大，因為一般電動機的額定磁通已 設計得使鐵心接近飽和。因此改變一般應用在減弱的方向，稱之為弱磁調速， 使轉速從額定值向上調節(jié)。 在調速范圍要求較寬的情況下，可以結合應用上述兩種方法。即在額定 轉速以下降壓，而在額定轉速以上弱磁。 選擇調速方法，必須考慮技術指標及經濟指標。 ( 一一) 調速的技術指標 ( 1 1調速范圍調速范圍代表機械可能運行的最大轉速h m “與最小 轉速n 。i 。之比，即 d ：塑( 2 3 ) nr a i n 由d 的表達式可見：要擴大調速范圍，必須設法盡可能地提高珂與降 低n 。電動機的n m 馭受機械強度換向方向的限制，一般在額定轉速以上， 轉速提高的范圍是不大的。降低一。受到運行相對穩(wěn)定性的限制，所謂穩(wěn)定 性是指負載轉矩變化下轉速的變化程度，轉速變化愈小。相對穩(wěn)定性愈好， 能得到的 愈小，d 也就愈高。 ( 2 )靜差率相對穩(wěn)定性的程度用靜差率6 表示。其定義為：在 一條機械特性上運行時，電機由理想空載加到額定負載，所出現(xiàn)的轉速降落 a n 。與理想空載轉速之比。用百分數(shù)表示為 6 ：盟1 0 0 ：竺二魚1 0 0 ( 2 - 4 ) 以0n 0 顯然，電動機的機械特性愈硬，則靜差率愈小，相對穩(wěn)定性愈高。靜差 率與調速范圍是互有聯(lián)系的兩項指標，系統(tǒng)可能達到的最低轉速”m m 決定于 低速特性的靜差率。因此，調速范圍d 顯然也受低速特性的靜差率6 的制 約。 f 3 )平滑性在一定的調速范圍內，調速的級數(shù)越多則認為調速愈平 滑。平滑程度用平滑系數(shù)母來衡量，它是相鄰兩極( 如f 與i l 極) 轉速之比， 即 哈爾濱工程大學碩士學位論文 幣：旦 ( 2 5 ) n j - 1 ( p 值愈接近于1 ，則平滑系數(shù)愈好。( p = 1 時稱為無極調速，即轉速連續(xù) 可調，級數(shù)接近于無窮多，此時平滑性最好。電動機的調速方式不同，可能 得到級數(shù)的多少與平滑性的程度也是不同的。 ( 4 )調速時的容許輸出( 或調速時的功率與轉矩)容許輸出是指電 動機在得到充分利用的情況下，在調速過程中軸上所能輸出的功率和轉矩， 對于不同類型的電動機采用不同的調速方法時，容許輸出的功率與轉矩轉速 變化的規(guī)律是不同的。另外電動機穩(wěn)定運行時實際輸出功率與轉矩是由負載 的需要來決定的，不同負載需要的功率r 與轉矩l 也是不同的，應該使調速 方法適應負載的要求。 ( 二) 調速的經濟指標 調速的經濟指標決定于調速系統(tǒng)的設備投資及運行費用，而運行費用又 決定于調速過程的損耗。它可用設備的效率1 1 來說明。 n = 志 ( 2 6 ) 式中，p 廠一電動機的軸上功率： 卜調速時的損耗功率： 各種調速方法的經濟指標極為不同，例如，它勵直流電動機電樞串電阻 的調速方法經濟指標低，因電樞電流較大，串接電阻的體積大，所需投資多， 運行時產生大量損耗，效率低。而弱磁調速方法則經濟得多，因為勵磁電流 較小，勵磁電路的功率僅為電樞電路功率的1 5 。 總之，在滿足一定的技術指標下，確定調速方案時，應力求設備投資少。 電能損耗小，而且維修方便。 2 3 電樞電壓的調節(jié)方法 一般來說對電樞電壓的改變總是往減少的方向進行調節(jié)，而減小電樞 電壓可以有兩種方法來實現(xiàn)。 ( 一) 電樞串聯(lián)電阻 電樞串聯(lián)電阻后，在電阻中流過電樞電流產生壓降，電樞端電壓隨之減 低。電樞端電壓的數(shù)值受負載影響很大，由圖2 2 可見，轉速受負載的影響 也很大，在空載時幾乎沒有調速的作用。在負載轉矩t 下，電樞串聯(lián)不同電 哈爾浜工程大學碩士學位論文 阻可得到不同的轉速，圖2 2 中n l h 2 h 4 現(xiàn)以轉速由_ 降為九：說明系統(tǒng)的調速過程。當電樞電阻由兄突增至r 。 時，”及乜一開始不能突變，l 及r 減小，在圖2 2 中，運行點即在相同的 轉速下由a 點過渡到b 點，轉速由r 下降為丁7 ，t = t r ，( d r g d t ) 為負， 系統(tǒng)減速。隨著以及e 的下降，。及t 不斷增高( 。= p e 。) r ) ，( t t ) 仍為負，系統(tǒng)繼續(xù)減速，但減速度在不斷減小( 因i t t i 在減小) ，直到門 降到n ：時，r 增至t ，轉矩新的平衡又建立，系統(tǒng)以較低的轉速療：穩(wěn)定運行， 調速過程終了。 圖2 2電樞串聯(lián)電阻調速 這種方法的調速指標不高，調速范圍不大( 低速時機械特性較軟，不能 滿足一般生產機械對靜差率的要求) ，調速的平滑性不高，并且是有極調速。 現(xiàn)在分析一下串接電阻調速的經濟性： 電動機由電網吸取功率b 為 丑= 呱= e 。+ ：胄( 2 - 7 ) 式中，r 電樞電路的總電阻。 損耗p 為 哈爾濱工程大學碩士學位論文 廿= e r = u i o - e a l 。= 呱( t 一號) = e ( 一器h 警) 效率n 為 q = 半小n o f - ni n ( 2 8 ) ( 2 9 ) 如電機帶額定恒轉矩負載，i a = i 。、e = 只。= u 。n 。為定值，隨著n 的降低，損耗增大，效率降低。如當行= o 2 時，由式( 2 - 8 ) 及式( 2 9 ) 可 見，a p = 8 2 ，r l = 0 5 ，即轉速僅調到行= m 2 時，由電網吸取功率的一半 消耗在電樞總電阻上，效率僅為5 0 。 可見，這種調速是方法很不經濟的。優(yōu)點是方法較簡單，控制設備不復 雜。一般用于串勵或復勵直流拖動的電動車、煉鋼車間的澆鑄吊車等生產機 械上。 有時為了提高機械特性的硬度，在串接電阻的同時，再在電樞兩端并 聯(lián)電阻r 。，見圖2 3 a ?，F(xiàn)用等效電源法求出等效電路2 3 b ，等效電源電壓是 電樞兩端的開路電壓 如忸。+ r b ) 】u ，等效串聯(lián)電阻是電源短路時從電樞兩 端看進去的電阻，即如與如并聯(lián)，為r 。( r 。+ 如) 。從等效電路可得機 械方程式為 墨里 尼+ 墨曼墨丑 n ：犋一二7 竽?。涸?；一l y t ( 2 - l o ) c 。mc c ，巾 ” 按式( 2 1 0 ) 可畫出機械特性如圖2 4 中實線所示，為了便于比較，在 該圖上用虛線畫出固有特性及電樞不并聯(lián)電阻r 。有串接電阻如時的人為特 一陛。 與只串r 。的特性比較：當只串r 。時，療。= u ( c 。) ，則”； ；斜率 p = ( r 。4 - 如) c 。c r 0 2 ，即p p ，由此可見，串聯(lián)電阻使特性的理想空載轉 速降低，而硬度則提高了。但此時仍不能平滑調速，低速的電能損耗仍然較 大。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 圖2 3 電機串并聯(lián)電阻調速 a ) 電樞電路 b ) 等效電路 圖2 4 電機串并聯(lián)電阻的機械特性 ( 二) 降低電源電壓 調節(jié)電動機的電樞電壓有以下幾種手段： 1 ) 旋轉變流機組 圖2 5 中給出了旋轉變流機組和由它供電的直流調速系統(tǒng)原理圖。由交 流電動機( 異步電動機或同步電動機) 拖動直流發(fā)電機g 實現(xiàn)變流。由發(fā)電 機給需要調速的直流電動機m 供電，調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流i ，即可改變其輸 出電壓u ，從而調節(jié)電動機的轉速珂。這樣的調速系統(tǒng)簡稱為g m 系統(tǒng)，在 國際上通稱w a r d l e o n a r d 系統(tǒng)。為了供給直流發(fā)電機和電動機的勵磁，通常 專門設置一臺直流勵磁發(fā)電機g e ，可裝在變流機組同軸上，也可另外單用 哈爾濱工程大學碩士學位論文 一臺交流電動機拖動。 對系統(tǒng)的調速性能要求不高時，f ，可直接由勵磁電源供電，要求較高的 閉環(huán)調速系統(tǒng)一般都通過放大裝置進行控制。g m 系統(tǒng)的放大裝置多采用電 機型放大器( 如交磁放大機) 和磁放大器，需要進一步提高放大系數(shù)時還可 增設電子放大器作為前級放大。如果改變f ，的方向，則u 的極性和片的轉向 都跟著改變，所以g m 系統(tǒng)可逆運行是很容易實現(xiàn)的。圖2 6 繪出了采用變 流機組供電時電動機可逆運行的機械特性。由圖可見，無論正轉減速還是反 轉減速時都能實現(xiàn)回饋制動。因此g - m 系統(tǒng)是可以在允許轉矩范圍內四象限 運行的系統(tǒng)。 圖2 5旋轉變流機組供電的直流調速系統(tǒng)( g m 系統(tǒng)) 圖2 6g m 系統(tǒng)的機械特性 機組供電的直流調速系統(tǒng)在5 0 年代曾廣泛地使用著，至今在某些地方仍 沿用這種系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)需旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容 哈爾濱工程大學碩士學位論文 量相當?shù)男D電動機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因而設備多、體積大、費用高、 效率低、安裝須打地基、運行有噪聲、維護不方便。因而逐步被更為經濟可 靠的晶閘管整流器所代替。 2 ) 靜止可控整流器 晶閘管的出現(xiàn)使變流技術發(fā)生了根本性的變革。今天，晶閘管電動 機調速系統(tǒng)( 簡稱v m 系統(tǒng)) 已成為直流調速系統(tǒng)的主要形式。圖2 7 是 v m 系統(tǒng)的簡單原理圖，圖中v 是晶閘管可控糇流器，它可以是單相、三相 或更多相數(shù)。半波、全波、半控、全控等類型，通過調節(jié)觸發(fā)裝置g t 的控 制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓虬，從而實現(xiàn)平滑調速。 和旋轉變流機組相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大的 提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流裝置的功 率放大倍數(shù)在1 0 4 以上，其門極電流可以直接用晶體三極管來控制，不再象 直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流 機組是秒級，而晶閘管整流裝置是毫秒級，這將會大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 圖2 7 晶閘管可控整流供電的直流調速系統(tǒng) 品閘管整流器也有它的缺點。首先，由于晶閘管的單向導電性，它不允 許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。由半控整流電路構成的v m 系統(tǒng) 只允許單象限運行。全控整流電路可以實現(xiàn)有源逆變，允許電機工作在反轉 制動狀態(tài)，因而能夠獲得兩象限運行。必須實現(xiàn)四象限運行時，只好用正、 反兩組整流電路，所用的交流設備要多一倍。 晶閘管的另一個缺點是：元件對過電壓、過電流以及過高的d u d t 和d i d t 都十分敏感，其中任何一項指標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件， 1 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時應留 有足夠的余量。 最后，系統(tǒng)低速運行時，晶閘管的導通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很 低，必須增設無功補償和諧波濾波裝置。 3 )直流斬波器和脈寬調制變換器 在由直流電源供電的場合下，常采用晶閘管構成的直流斬波器來控制電 樞電壓。 “崮； i 嘲 圖2 8 斬波器電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 a ) 原理圖b ) 電壓波形 采用晶閘管的直流斬波起基本原理示于圖2 8 a 中。與整流電路不同的是， 在這里晶閘管v t 不是受相位控制，而是工作在開關狀態(tài)。當v t 被觸發(fā)導 通時，電源電壓u 。加到電動機上，當v t 關斷時，直流電源與電動機斷開， 電動機經過二極管v d 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，得電樞電壓波 形“= ( f ) 如圖2 8 b 所示，好象是電源電壓u 在一段時間( r t o ) 內被斬斷 后形成的。這樣，電動機得到的平均電壓為 r = 等u = p 璣( 2 - 1 0 ) 式中，卜晶閘管的開關周期： 。_ v t 開通時間： p = 乙。r = f 。f 占空比； 廣一開關頻率。 晶閘管一旦導通，就不能再用門極觸發(fā)信號來使它關斷，若要關斷，必 哈爾濱工程大學碩士學位論文 須在陽、陰極間施加反壓，這就需要一種附加的強迫關斷電路。受晶閘管關 斷時間的限制，由普通晶閘管構成的斬波器的開關頻率只能是1 0 0 2 0 0 h z 。 為了縮小裝置的體積，可用逆導可控硅代替普通晶閘管和反向二極管，同時 開關頻率也可適當提高。 由晶閘管構成的斬波器開關頻率不高，因而輸出電流脈動較大。調速范 圍有限。此外，附加的強迫關斷電路增加了裝置的體積和復雜性。因此人們 又研究了許多既能控制導通又能控制關斷的全控式電力電子器件，如g t o 、 g t r 、電力m o s f e t ，1 g b t 和m c t 等。全控式器件的關斷時間短，因而由 它們構成的斬波器其工作頻率可以提高到1 4 k h z ，甚至達到2 0 k h z 。采用 全控器件進行開關控制時，多采用脈沖寬度調制的方式，形成近年來應用日 益廣泛的p w m 裝置電動機系統(tǒng)，簡稱p w m 調速系統(tǒng)。 與v m 系統(tǒng)相比，p w m 調速有以下優(yōu)點： 1 ) 開關頻率高，僅靠電樞電感濾波作用就可獲得脈動很小的直流電流， 電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)低速運行平穩(wěn)，調速范圍較寬，可達1 ：1 0 0 0 0 左右。 由于電流波形比v m 系統(tǒng)好，相同輸出轉矩下，電動機的損耗和發(fā)熱都較小。 2 ) 同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得 很寬的頻帶，因此快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強。 3 1 由于電力電子器件只工作于開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率 較高。 2 4 弱磁調速 減弱磁通，小容量系統(tǒng)可在勵磁電路中串接可調電阻餳來實現(xiàn)，容量大 時則用單獨的晶閘管整流裝置或直流斬波器向電動機的勵磁回路供電，如圖 2 9 所示。 1 6 哈爾濱工程大學碩士學位論文 圖2 9 弱磁調速系統(tǒng)示意圖 a ) 小容量系統(tǒng)b ) 較大容量系統(tǒng) 弱磁調速時，機械特性方程為 療：黑一害丁 ( 2 - 1 1 ) e me c r 中2 、 。 當中減弱時，理想空載轉速n = u 缸m ) 將升高，特性的斜率 p = r 。( c 。c ，中2 ) 將增大。但比p r 增加得快，因此一般情況下，o 的減弱 使轉速”升高，即從額定轉速向上調速。 弱磁調速范圍對于普通電動機來說最多為d _ 2 ；對于特殊設計的額定轉 速較低的調磁電動機d = 3 4 。主要原因是弱磁調速在額定轉速以上調節(jié)，電 動機的n 。不可能太高，它受電動機的機械強度及換向的限制。另外，為了 保證在”。時有一定的轉矩輸出，調磁電動機的電樞繞組必須按較大韻電流 設計( 因為療。時中小，一定時，l 必須較大) 。 在低速時，中較大，為了使電動機的磁路不致飽和，電動機的體積及耗 費的材料又需大為增多，顯得不經濟。 弱磁調速的優(yōu)點是，在功率較小的勵磁電路中進行調節(jié)，控制方便，能 量耗損小，調速的平滑性較高。由于調速范圍不大，常和額定轉速以下的降 壓調速配合應用，以擴大調速范圍。 應該注意的是，如果它勵電動機在運行過程中勵磁電路突然斷開，中變 成很小的剩磁，此時不僅使電樞電流大大增加，而且由于嚴重弱磁，轉速將 哈爾濱工程大學碩士學位論文 上升到危險的飛逸轉速，甚至可以把整個電樞破壞，必須有相應的保護措施。 從功率和轉矩的角度來看，電樞電壓調速方案適用于恒轉矩的場合。弱 磁調速方案適用于恒功率場合。在選擇系統(tǒng)的調速方案時，要注意這一點。 2 5 本章小結 本章首先對直流電機的四種勵磁方式作了一個簡單的介紹，然后給出了 選擇調速方案時所要考慮的技術指標和經濟指標，接著討論了電樞電壓調速 的方法，最后對弱磁調速的特點作了一個簡要的說明。 墮璽遺三墨盔堂堡主堂堡堡塞 第3 章系統(tǒng)的數(shù)學模型和調節(jié)器計算 設計一個控制系統(tǒng)時，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。控制系統(tǒng)的數(shù)學模 型是描述系統(tǒng)內部物理量之間關系的數(shù)學表達式，在靜態(tài)條件下，描述變量 之間關系的代數(shù)方程叫靜態(tài)數(shù)學模型；而描述變量各階導數(shù)之間的關系的微 分方程叫動態(tài)數(shù)學模型。有了微分方程，就能對系統(tǒng)輸出進行量化分析，從 而獲得系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。因此，建立系統(tǒng)微分方程是設計控制系統(tǒng)的首 要任務。 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型有分析法和實驗法兩種方法。分析法是對系統(tǒng)各部 分的運動機理進行分析，根據(jù)它們所依據(jù)的物理規(guī)律或化學規(guī)律分別列出相 應的運動方程。實驗法是人為地給系統(tǒng)施加某種測試信號，記錄其輸出響應， 并用適當?shù)臄?shù)學模型去逼近，這種方法稱之為系統(tǒng)辯識。由于直流電機的運 動規(guī)律已經很清楚，所以本文采用第一種方法建立數(shù)學模型。 3 1 控制對象的參數(shù) 要對系統(tǒng)進行量化分析，首先要獲得控制對象的特性參數(shù)。本系統(tǒng)的控 制對象為直流電機，電機為雙勵磁雙電樞結構，電機參數(shù)如下： 勵磁繞組電阻：r 。= 7 0 9 q ( 7 5 時) 勵磁繞組電感：l m = 3 3 9 4 h ( i ，= 1 9 5 4 a 時) 勵磁繞組電壓：u 。= 6 4 0 v 電樞回路電壓：u a = 7 7 0 v 8 4 0 v 電樞額定電流：i a _ 3 0 7 9 a 電機的轉速范圍：2 2 r m i n 2 1 6 r m i n 電機軸飛輪力矩：g d 2 = 1 8 6 9 0 k g m 2 3 2 直流電機的數(shù)學模型 本系統(tǒng)控制的直流電機為專門設計的電機。雖說使用的是調磁通的方式 來調節(jié)電機轉速，但由于負載為螺旋漿，而螺旋槳產生的阻力與其轉速的平 方成正比，因此電機減弱磁通時，輸出功率不但不恒定，相反還要成倍增加。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 實際上電機在設計時，其額定功率下的磁通選得較低，調速時，電機磁通實 際上是從額定磁通向上調節(jié)，速度是從額定轉速往下調，這一點與普通弱磁 調速的概念是非常不同的。 3 2 1 勵磁回路的傳遞函數(shù) + 圖3 1 勵磁回路的等效電路 勵磁回路實際上就是一個感性負載，由圖3 1 可列出微分方程如下 = m r m + 厶魯 對式( 3 - 1 ) 進行拉氏變換后整理得 盟：j 整 u 。( s ) 1 + s 式中， 如勵磁回路電阻； l ，勵磁回路電感： 瓦= 三。r ，勵磁回路的電磁時間常數(shù)。 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 哈爾濱工程大學碩士學位論文 3 2 2 勵磁電流對輸出轉速的傳遞函數(shù) 直流電機電樞回路的等效電路如圖3 2 所示 圖3 2 直流電機電樞回路的等效電路 1 )首先計算電磁轉矩與勵磁電流的關系 電樞回路的感應電動勢按下式計算 e = t 中n = e 厶i 。n 式中， c 。電動勢常數(shù)； l 勵磁回路電感 ，。勵磁回路電流： 中電動機勵磁磁通； r t 電動機轉速。 令q = c , l 。，則上式可寫成 e = c i r o n 電樞回路的電壓平衡方程為： u a - i 凡地+ e 式中，虬電樞端電壓： 2 l ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 哈爾濱工程大學碩士學位論文 j 。電樞電流； l 電樞電感； r 。電樞回路總電阻。 在弱磁調速時，由于勵磁電流l 的變化相對于電樞電流的變化是比較慢 的，因此