PI调节器控制的双闭环串级调速系统的设计要点

目录第一章概述 (2)第二章、双闭环控制串级调速系统的设计 (3)1.1双闭环串级调速系统的组成 (3)1.2 转子整流电路工作状态的选择 (4)1.3系统的动态数学模型的建立 (6)1.4 异步电动机和转子直流回路参数传递函数计算 (9)1.5调节器参数的计算与设计 (10)第三章、串级调速系统的SIMULINK仿真与分析 (13)总结 (15)附录 (15)参考文献 (16)第一章概述现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。

在这一系统中可对生产机械进行自动控制。

随着近代电力电了技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。

以达到高速、优质、高效率地生产。

在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。

另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。

特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。

自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。

串级调速源于英语“cascade control”，意为“级联控制”，系指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。

绕线异步电动机在转子回路中串接一个与转子电动势同频率的附加电动通过改变值大小和相位可实现调速。

这样，电动机在低速运行时，转子中的转差率只有小部分被转子绕组本身电阻所消耗，而其余大部分被附加电动势所吸收，利用产生E 的装置可以把这部分转差功率回馈到电网，使电动机在低速运行时仍具有较高的效率。

这种在绕线转子异步电动机转子回路串接附加电动势的调速方法称为串级调速。

串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。

它属于变转差率来实现串级调速的。

与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。

串级调速能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬，它完全克服了转子串电阻调速的缺点，具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点,是一种经济、高效的调速方法。

本次设计给定对象为某双闭环串级调速系统电机，设计时要对各环节参数计算和PI控制器的设计。

电流环按I型、转速环按Ⅱ进行整定，并对PI控制器控制的串级调速系统进行仿真。

串级调速就是在异步电机转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。

首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。

根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。

首先进行，串级调速系统的动态数学模型建立。

其次求出，转子直流回路的传递函数、异步电动机的传递函数。

最后，进行转速调节器和电流调节器的设计。

将异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再考虑转速调节器和电流调节器的给定滤波和反馈滤波环节就可直接画出双闭环串级调速系统的动态结构框图。

根据动态结构框图，在MATLAB软件中，将出双闭环串级调速系统的动态结构框图中的每一个模块用SIMULINK作出，根据求出的参数进行参数值的修改，START SIMULATION，双击示波器即可观察调速时波形的变化。

通过对转速变化的分析，可以对调速系统性能进行分析。

第二章、双闭环串级调速系统的设计2 .1双闭环控制串级调速系统的组成图2.1双闭环控制的串级调速系统结构图图2.1中，晶闸管异步电动机串级调速系统的主电路主要由晶闸管三相全控桥式有源逆变器UI、三相桥式二极管转子整流器UR、三相绕线式异步电动机M、逆变变压器TI、平波电抗器Ld等组成。

绕线转子异步电机，其转子相电动势经三相不可控整流器 UR 整流，输出直流电压dU。

三相有源逆变器 UI 除提供可调的直流电压Ui以作为所需的附加直流电动势外，还可将经 UR整流后输出的异步电机转差功率回馈到电网，从而实现高效、节能、无级的调速效果。

图2.2 串级调速系统原理图(a）主电路 ( b）等效电路2.2 串级调速时转子整流电路工作状态的选择1．转子整流电路：（如图2.3）从图2-1中可以看出，异步电动机相当 于转子整流器的供电电源。

如果把电动 机定子看成是整流变压器的一次侧，则 转子绕组相当于二次侧，与带整流变压 器的整流电路非常相似，因而可以引用 电力电子技术中分析整流电路的一些结 论来研究串级调速时的转子整流电路。

图2.3 转子整流电路但是，两者之间还存在着一些显著的差异，主要是：整流电路的不同点: （1）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化；（2）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关；（3）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。

2. 电路分析： 假设条件：（1）整流器件具有理想的整流特性， 管压降及漏电流均可忽略；（2）转子直流回路中平波电抗器的 电感为无穷大，直流电流波形平直； （3）忽略电动机励磁阻抗的影响。

换相重叠现象：设电动机在某一转差率下稳定运行，转子三相的感应电动势为ra E 、rb E 、rc E 当各整流器件依次导通时，必有器件间的换相过程，这时处于换相中的两相电动势同时起作用，产生换相重叠压降，如图2.4所示。

u didωt O ωt O γi ci ai bi ci aI du au bu cα换相重叠压降换相重叠角图2.4换相重叠波形根据《电力电子技术》中介绍的理论，换相重叠角为:000022arccos 1arccos 166D d D d sX I X I sE E γ⎡⎤⎡⎤=-=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ (2-1)其中:0D X :1s =时折算到转子侧的电动机定子和转子每相漏抗。

由式2.1可知，换相重叠角随着整流电流d I 的增大而增加。

当d I 较小，γ在00060之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。

当电流d I 增大到γ角大于060时，器件在自然换相点处未能结束换流，从而迫使本该在自然换相点换流的器件推迟换流，出现了强迫延迟换相现象，所延迟的角度称作强迫延时换相角p α。

由此可见，串级调速时的异步电动机转子整流电路有两种正常工作状态。

转子整流电路的工作状态（1）第一种工作状态的特征是:00060γ≤≤,0p α= (2-2) 此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。

（2）第二种工作状态的特征是:060γ=，00030p α<< (2-3)这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态，p α角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。

由于整流电路的不可控整流状态是可控整流状态当控制角为零时的特殊情况，所以可以直接引用可控整流电路的有关分析式来表示串级调速时转子整流电路的电流和电压。

整流电流：整流电压：[]4)-(2 )6πsin(26)cos(cos 26p 0D 0r p p D0r0d +=+-=αγααX E X E I d D p p 0r d 22)cos(cos 34.2I R sE U -++=γαα5)-(2 23cos 34.2d D d 0D p 0r I R I X sE --=αγ在0°~ 60°之间时，整流电路中各整流器件都在对应相电压波形的自然换相点处换流，整流波形正常。

本次设计采用二极管整流，为不可控整流。

所以，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，即转子整流电路工作在第一工作区p α= 0，γ= 0 ~ 60 °。

2.3串级调速系统的动态数学模型在图2.1所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构框图均与直流调速系统中相同。

在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。

(1)转子直流回路的传递函数根据图2.2的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路的动态 电压平衡方程式：00dd i d dI sU U LRI dt-=+ (2-6) 式中:0d U :当1s =时转子整流器输出的空载电压, p r d E U αcos 34.200=0i U :逆变器直流侧的空载电压,0i U = 2.342T U cos βD L :折算到转子侧的异步电动机每相漏感，112D D D X X L f ωπ==T L :折算到二次侧的逆变变压器每相漏感， 112TTT X X L f ωπ==L L :平波电抗器电感,L :转子直流回路总电感，L=2D L +2T L +L LR :转差率为s 时转子直流回路等效电阻:3322D TD T L X X R S R R R ππ=++++于是式(2.6)可改写成:0000d D d i d dI nU U U L RI n dt--=+ (2-7) 将式(2.7)两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数: 000()1()0d Lr d Ls d i I s KUT U n s U n =+-- (2-8)式中：T Lr :转子直流回路的时间常数:T Lr =RL Lr K :转子直流回路的放大系数:1Lr K R=转子直流回路的动态结构框图如图2.4所示。

需要指出，串级调速系统转子直流回路传递函数中的时间常数Ls T 和放大系数Lr K 都是转速n 的函数，它们是非定常数。

图2.4转子直流回路动态结构框图(2) 异步电动机的传递函数异步电动机的电磁转矩为: 00031()D e d d dM d X T U I I C I π=-=Ω (2-9) 电力拖动系统的运动方程式为:2375e L GD dnT T dt-= (2-10)或写成:()2375M d L GD dnC I I dt-=(2.11) 式中:L T :负载转矩,L I :所对应的等效直流电流,由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为:2/()()()375E d L E M E MR C n s R GD R I s I s C T ssC C ==- (2.12)其中2375M E M GD RT C C =为机电时间常数，M T 与R 、E C 、M C 都有关系，所以也不是常数，而是d I 和n 的函数。