工程设计方法在串级调速系统中的应用

2014-12-01詹庄春

安徽电气工程职业技术学院学报 2014年3期

詹庄春

(华南农业大学珠江学院，广东广州 510900)

对调节器参数的整定，过去用得较多的是经典动态校正方法，它需要设计者具有扎实的理论基础、丰富的实际经验和熟练的设计技巧，初学者不易掌握这些。目前，关于串级调速方面的研究，较多在于探索硬件的新结构和控制的新方法，其均有效果体现，但是，或使系统结构变得复杂了［1］，或对控制理论要求较高［2］;其次，更有大量的单纯经验调节法，体现出设计工作繁琐低效。而工程设计方法的介入，很好地解决了以上问题。

1 工程设计方法简介

工程设计方法突出主要矛盾。它通过对传递函数作近似处理，再配以适当的调节器，就可将控制对象化为典型Ⅰ型系统或Ⅱ型系统［3］，其传递函数为:

首先，对于典型Ⅰ型系统，根据系统动态跟随性能指标，其参数设置可查表1。

当有阶跃干扰信号作用时，针对在典型Ⅰ型系统环境下的调速系统，分析扰动作用点如图1所示的一种情况，取KT=0.5，根据系统抗扰性能指标，其参数设置可查表2。

表1 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标与参数的关系

图1 典型Ⅰ系统在一种扰动作用下的动态结构图

表2 典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

其次，对于典型Ⅱ型系统，令h=τ/T，根据系统动态跟随性能指标，其参数可查表3。

表3 典型Ⅱ型系统动态跟随性能指标与参数的关系

当有阶跃干扰信号作用时，针对在典型Ⅱ型系统环境下的调速系统，分析扰动作用点如图2所示的一种情况，根据系统动态抗扰性能指标，其参数设置可查表4。

图2 典型Ⅱ系统在扰动作用下的动态结构图

表4 典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

最后，由表1可知，一般取:KT=0.5，ζ=0.707;由表2可知，控制对象的两个时间常数比值越大，则动态降落越小，但恢复时间较长;由表3可知，在h=5时达到最短;由表4可知，一般取h=5。在跟随性能方面，经表1与表3对比可知，典型Ⅰ型系统的超调量较小;在抗扰性能方面，经表2与表4对比可知，典型Ⅱ型系统的恢复时间较短。

2 异步电动机双闭环控制的串级调速系统

串级调速系统主要由转速调节器、电流调节器、“交—直—交”电力电子装置以及电动机等组成，通过电流互感器、测速机，形成电流负反馈和速度负反馈的双闭环结构，如图3所示为系统框图［4］。

图3 串级调速系统框图

图中异步电动机以某种转差速运行，其转子电动势经不控整流器输出直流电压，此电压与晶闸管有源逆变电压一起构成了转子直流回路。于是，通过控制晶闸管逆变角，来改变转子直流回路中的电流，就可以实现对电机转速的调节。

在转子直流回路中，设转差率为s，转子静止时开路电压(即理想空载整流输出电压)为Ud0，逆变器输出的空载电压为Ui0，转子直流回路总电感和电阻分别为LΣ、RΣ，电流为Id，转子转速为n，空载转速为n0，可得转子直流回路的传递函数，即(2)式。

对于异步电动机，设同步角转速为Ω0，在s=1时折算到转子侧每相漏抗为XD0，考虑换相重叠对整流电路的影响，负载电流为IL，电机飞轮惯量为GD2，忽略线路损耗，可得异步电动机的传递函数，即(3)式。

对晶闸管逆变器，设触发电路的控制电压为Uct，放大系数为Ks，失控时间为Ts。另外，设电流互感器反馈系数为fi，测速机反馈系数为fn，速度给定电压为U*n，转速调节器为ASR，电流调节器为ACR，则可将系统框图转化成系统动态结构图，见图4。

图4 串级调速系统动态结构图

3 工程设计方法在串级调速系统中的应用举例

设双闭环控制的串级调速系统，采用三相桥式整流装置和逆变器调速，电源频率50Hz。异步电动机的基本数据为:Pnom=120kW，定子线电压Unom=380V，nnom=1370r/min，转子开路相电压E20=60V，转子额定电流 I2nom=25.2A，XD0=0.934Ω，飞轮惯量 GD2=3.85N·m2。转子直流回路:LΣ=88.3mH，RΣ=1.214Ω。逆变器Ts=0.0017s，试对系统进行动态参数设计。

第一步，被控装置的参数计算。设最小逆变角βmin=30°，根据式(2)～(3)，得:

第二步，电流调节器设计。为抑制电流波动造成的高频干扰，需增加电流低通滤波，又为了平衡滤波环节带来的延滞，同时需增加给定滤波环节，两者时间常数均为Toi(取2ms)。不考虑负载扰动，忽略转差电压扰动对电流环的影响。整个电流调节系统的动态结构图如图5(a)所示，通过简化得到图5(b)。电流环近似处理的条件为TsTois2＜＜1。

图5 电流环的动态结构图及其简化处理

电流环的调节对象由一个小惯性环节和一个大惯性环节组成，由于TLr＜h(Ts+Toi)，故电流环按典型Ⅰ型系统设计，设fi=1，ACR选择PI调节器，得(5)式。校验电流环近似条件，均满足。

第三步，转速调节器设计。令 TΣi=Ts+Toi，电流闭环传递函数可降阶及其近似处理条件为＜＜1。经电流闭环等效后，转速环的调节对象由一个小惯性环节和一个积分环节组成。为抑制转速纹波造成的高频干扰，需增加转速低通滤波，又为了平衡滤波环节带来的延滞，同时需增加给定滤波环节，两者时间常数均为Ton(取10ms)。整个转速调节系统的动态结构图如图6(a)所示，不考虑负载扰动时，通过简化得到图6(b)，简化条件为2TΣiTons2＜＜1。

图6 转速环的动态结构图及其简化处理

为增强抗扰性能，转速环按典型Ⅱ型系统设计，故ASR也选择PI调节器。令转速开环增益为KN，fn=1，得(6)式。校验转速环近似处理条件，均满足。

4 串级调速系统的仿真测试及其输出波形效果图的比较

在Matlab的Simulink环境下，建立串级调速系统模型。主电路由三相对称交流电压源、二极管转子整流器、晶闸管逆变器、绕线式交流异步电动机、脉冲信号分配器以及电流表、传输器等部分组成［5］，如图7所示。

图7 串级调速系统主电路模型

各模块参数均按应用举例数据来设置，有部分电机参数可通过等效电路换算获得。

然后，将主电路建立为一个子系统，按照串级调速系统动态结构图，构建系统的双闭环控制电路模型。该模型包括主电路子系统、给定环节、电流调节器、速度调节器、电机多功能检测仪、限幅器、滤波器以及反相器、示波器等［6］，如图8所示。

图8 双闭环控制的串级调速系统仿真图

比例积分调节器参数的设置有两种方法:一是经验调试方法，二是工程设计方法。据经验调整控制器参数，从而获得输出波形如图9所示。据工程设计方法调整控制器参数(Ki=1.6、τi=72.73ms、Kn=15.674、τn=0.087s)，获得输出波形如图10所示。比较两者可知，运用工程设计方法的调速系统达到了相当高的静动态性能，且在此基础上，还能作进一步微调，使系统性能更佳。