双闭环直流调速系统工作原理

双闭环直流调速系统设计

内容摘要

电机自动控制系统广泛应用于各行业，尤其是工业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电. 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。有效地控制电机，提高其运行性能，具有很好的现实意义。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理以及介绍变频调速技术的发展概况，变频调速技术的发展趋势 关键词：双闭环控制系统 ， 转速控制环，系统现状，发展趋势

英文翻译： Electrical automatic control system widely used in various industries, especially in industry. Most of the production machinery used in these industries motor as a prime mover. Effectively control electricity. Dc motor has a good start, braking performance, adaptable to smooth speed regulation in large scale, in many need to speed or fast forward and reverse has been widely used in the area of electric drive. Effectively control motor, improve its operation performance, has the very good practical significance. I ntroduced in this paper, based on the engineering design to the design of dc speed regulating system, the working principle of the double closed loop control system of dc speed regulating and also I ntroduce the development general situation and the development trend

Key words: double closed loop control system, speed control loop, th e status quo， the development of trend

一：引言

矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之

一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。

近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、

高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。

二：现在主要研究方向

1. 采用新型电力电子器

2. 应用现代控制理论

3. 采用总线技术

4. 内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域

根据本文的实际情况，宜从以下俩个方面入手分析：

1．直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型

2．双闭环直流调速的工程设计

三．发展现状

1. 国内发展现状

目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机，主要采用直流传动系统，有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器-直流电动机系统; 这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点，如效率不高，维修工作量较大等。对于中、小型提升机，则多采用交流电气传动系统，如采用交流绕线式电动机，使用电机转子切换电阻调速，这种电气传动系统虽然设备简单，但它是有级调速，调速性能差，效率低，大量的电能消耗在电动机转子电阻上，而且可靠性也差。

将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。我国已有几台大型矿井提升机采用交-交变频调速系统，取得了很好的效果，但其缺点是功率因数不高，谐波大，需加谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。例如国外已有矿山将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上，据介绍，采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交-交变频调速系统的缺点，是提升机电气传动的发展方向。

2. 国外发展现状

国外从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，其应用主要体现在以下几方面:

（1）提升工艺过程微机控制

在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。

（2）提升行程控制

提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前的控制误差小于2cm 。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、滚筒及钢丝绳磨损等。将信号进行处理，可计算出容器准确的位置而施以控制和保护。在箕斗提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如SIEMENS,ABB,AEG 等公司己采用32位微机来构成行程给定器。除此之外还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而提高了系统的可靠性。

（3）提升过程监视

由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：a 、提升过程中各工况参数(如速度、电流) 监视；b 、各主要设备运行状态监视；c 、各传感器(如井筒同步校正开关、停车开关) 信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，应用于矿井监测系统中。

四：直流双闭环系统的原理 ASR （速度调节器）根据速度指令Un *和速度反馈Un 的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号U i *（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电

磁转矩，相应的可以调速）。

ACR(电流调节器) 根据U i *和电流反馈U i 的偏差进行调节，其输出是U PE （功

率变换器件的）的控制信号Uc 。进而调节U PE 的输出，即电机的电枢电压，由于

转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te 与TL 不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。 其启动过程和控制结构如图：

图一

I d

理想启动过程 电流截止负反馈系统的启动

电流转速双闭环反馈控制系统结构

五：电流环与转速环的设计

在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节[3]。由于典型Ⅰ型系统的跟随性能由于典型Ⅱ型系统，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能优于典型Ⅰ型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型Ⅰ型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型Ⅱ型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型Ⅰ系统和典型Ⅱ系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：

1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。

2根据具体情况选定预期特性，即典型Ⅰ系统或典型Ⅱ系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。

3根据要求的性能指标，确定调节器的有关P 、I 、D 参数。

4校正

六 发展趋势

在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从硅变换为碳化硅使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT 技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展

（1）网络智能化智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。

（2）专门化和一体化

变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便

（3）适应新能源

现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应

这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代 控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的 进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多 功能化，结构的小型化一些方面。

七 本文研究的目的和意义

随着经济的高速发展，我国对能源、矿产资源的需求量与日俱增，然而在开采过程中，运输设备的运输能力是影响产量的一个极其重要环节。在我国现阶段，矿用运输设备大多数是直流牵引架线式机车和蓄电池式机车，一般采用电阻降压方式调速，调速器结构复杂，在触头开关状态下频繁动作，从而造成触头接触不良、噪声大、器件使用寿命短、维修量大，且由于调速是带电阻运行，造成电能的极大浪费，其高昂的运输成本和严重的安全隐患已成为进一步提高产量的瓶颈。针对这一行业难题，本课题研究的目的和意义在于，依托电力电子、微电子

技术、计算机技术的强大支持，采用变频调速技术对架线式电机车进行技术改造，以彻底解决直流电动机损坏率高、触头式调速器维修量大、降压调速电，阻耗能高等问题，从而进一步提高电机车的运行质量。方法是将三相交流传动技术应用在电机车领域，使交流电动电气控制系统通过直流接触网供电，经由一台牵引变频器将直流电变成频率电压可调的三相交流电，控制驱动两台牵引电动机，从而牵引电机车的运行，其变频调速在技术上具有效率高、调速范围广、调节精度高等优点，是窄轨电机车理想的调速方法，同时在其运行中又具备粘着性好、牵引力大、可靠性高、维护费用少等优点，因此交流传动电气控制技术的应用前景广阔，特别适用于地铁建设、采掘产业、煤炭工业、有色金属业和隧道工程等行业的轨道运输及井下巷道等窄轨铁路的运输牵引。本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数子化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性。

八：总结

双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR 在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI 调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR 的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR 的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。

九：个人体会

通过这次实验使我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理, 也使我知道了一些它在工业中的一些应用, 以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。理论和实际互相结合使得我对运动控制系统这门课有了进一步的认识。在作业之初，我不知道该如何来完成这次的的课程设计，但经过努力终于还是完成了。

十：参考文献：

1. 王兆安．电力电子技术．第4版．北京：机械工业出版社，2000

2. 胡贞, 魏丽娜, 宋正勋. 直流电动机双闭环调速系统仿真研究. 长春光学精密机械学院学报. 2000, 23(2): 37-39

3. 胡寿松．自动控制原理：第4版．北京：国防工业出版社

4. 冯培悌 有源电网调节器技术的发展

5. 《变频器原理及应用指南》 吴忠智 吴加林 中国电力出版社

6. 《变频调速系统设计与应用》 王树 机械工业出版社