双闭环直流可逆调速系统建模与仿真

武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书

坏，因此应该予以抑制或消除。

在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，如果让正组VF 和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如：采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。

为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是

Ud0r ?－Ud0f

由于， Ud0f?Ud0max cosaf， Ud0r ?Ud0max cosar，其中 ?f和?r分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压 Ud0max是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有

cosar ??cosaf或ar ?af ? 1800

如果反组的控制用逆变角?r表示，则

?f ??r

由此可见，按上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作 ??? 配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用?f ??r

2.3调速系统原理

2.3.1调速系统组成

直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。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，则可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器作为内环的调节器，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；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；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；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

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复正常；这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

*

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim

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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

如图2-4所示：

电流检测Ui给定电压Un*+-ΔUnUn速度调节器Ui*-+电流调节器Uc三相集成触发器三相全控桥Ud直流电动机n转速检测

图2-4 直流双闭环调速系统

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。

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响

2.3.2 启动环节原理分析

由前面分析可知，设置转速电流双闭环控制系统的重要目的是实现快速的起动过程。在当系统土家给定电压Un*由静止状态起动过程中，转速调节器ASR经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，把起动过程分为三个阶段，如图2-5所示

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图2-5 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

（1）第I阶段电流上升的阶段（0—t1）

当突加给定电压Un*后，Id 上升，调节器的跟随作用使各参数上升，当Id 小于负载电流Idl 时，电机还不能转动。当Id ? Idl 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim*，强迫电流Id 迅速上升。直到Id = Idm，Ui = Uim* 电流调节器很快就压制Id 的增长。在此过程中ASR很快进入并保持饱和状态，ACR一般不饱和。 （2）第 II 阶段恒流升速阶段（t1—t2）

在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流Uim* 给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统产生一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc 也须按线性增长，才能保持Id 恒定。ACR采用PI调节器，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，即Id应略低于Idm。 （3）第III阶段转速调节阶段（ t2 以后）

当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui* 和Id很快下降。只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。直到Id =Idl时，转速n才到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下

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减速，Id< Idl，直到稳定。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，ACR则力图使 Id尽快地跟随其给定值Ui*，电流内环是一个电流随动子系统。

综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

2.4系统原理框图

为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90°，即当控制电压

Uc?0时，使? f ??r? 90?，此时 Ud0f?Ud0r?0，电机处于停止状态。增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。这样的触发控制电路图如图2-6。

图2-6 ? = ? 配合控制可逆V-M系统原理框图

主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中：正组晶闸管VF，由GTF控制触发，正转时，VF整流；反转时，VF逆变。反组晶闸管VR，由GTR控制触发，反转时，VR整流；正转时，VR逆变。控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角?min与最小逆变角 ?min。

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