同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著電力行業(yè)不斷發(fā)展和機組單機容量的增大，對機組的要求是越來越高，不僅僅是機組的可用率、運行效率和安全性，對機組的可靠性與經(jīng)濟性也提出了更高的要求。勵磁系統(tǒng)作為發(fā)電機的核心控制系統(tǒng)，它的運行狀態(tài)直接影響發(fā)電機運行可靠性與經(jīng)濟性。因此，保證勵磁系統(tǒng)安全、可靠的工作是十分重要的。對勵磁系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測與診斷不僅能夠提高設(shè)備維護的經(jīng)濟性，還能顯著提高系統(tǒng)的可靠性。在本論文中，通過分析了同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的工作原理，運用飛升曲線法建立了勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，運用工程設(shè)計法設(shè)計出閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。組建了同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)，完成系統(tǒng)調(diào)試。實驗結(jié)果表明該

2、數(shù)學(xué)模型和控制算法是合理的。然后分析了同步發(fā)電機自勵勵磁系統(tǒng)的不足,提出一種新型斬波控制勵磁系統(tǒng)。分析了這種系統(tǒng)的工作原理,建立了各個環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型,利用工程設(shè)計法設(shè)計出相應(yīng)的調(diào)節(jié)器,根據(jù)反饋控制原理組建了自勵自動控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了本文提出控制方案的可行性,為勵磁改造和優(yōu)化提供了一定的理論指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機；飛升曲線法；工程設(shè)計法Design of automatic control system for synchronous generator excitationAbstractWith the power industry will continue to develo

3、pment and unit capacity increasing, the requirement of the unit is more and more high. Not only is the unit availability, operation efficiency and safety of, also put forward higher requirements on the unit reliability and economy. As the core control system of generator, the operation state of the

4、excitation system directly influences the reliability and the economy of generator.Therefore, it is very important to guarantee the safety and reliability of the excitation system. The state monitoring and diagnosis of excitation system can not only improve the economic performance of the maintenanc

5、e, but also improve the reliability of the system.In this paper, through the analysis of the working principle of the excitation system of synchronous generator, using upwards curve method to establish the dynamic mathematical model of excitation control system, a closed loop control system of the r

6、egulator using the engineering design method is adopted to design. The automatic control system of generator excitation is established, and the system is debugged.Experimental results show that the model and control algorithm are reasonable.And then analyzes the lack of self excitation of synchronou

7、s generator excitation system, puts forward a new type of chopper control excitation system. Analysis of the working principle of this system, all aspects of the mathematical model are established, and the engineering design method design corresponding regulator, according to the feedback control pr

8、inciple of formation of the automatic control system of self. The experimental results prove the feasibility of the proposed control scheme, and provide some theoretical guidance for the excitation and optimization.Key words:synchronous generator; soaring curve; engineering design目錄摘要IAbstractII1 緒論

9、11.1 勵磁系統(tǒng)概述21.2 勵磁系統(tǒng)的分類21.2.1 直流勵磁機系統(tǒng)21.2.2 他勵交流勵磁機系統(tǒng)21.2.3 靜止并勵勵磁系統(tǒng)21.3 勵磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測發(fā)展前景32 勵磁系統(tǒng)的建模分析42.1 建模方法簡介42.2 飛升曲線法簡介52.3 本次實驗的方法及數(shù)據(jù)處理73 控制器的設(shè)計103.1 PID勵磁控制103.2 勵磁調(diào)節(jié)器的 PID 算法103.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法113.3.1 工程設(shè)計方法的基本思路123.3.2 典型型系統(tǒng)123.3.3 典型型系統(tǒng)143.4 勵磁控制系統(tǒng)的設(shè)計163.4.1 PID電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)整定164 開關(guān)式自并勵勵磁系統(tǒng)的硬件設(shè)計184.1 同

10、步發(fā)電機勵磁自動控制策略184.2控制器的設(shè)計與應(yīng)用184.2.1 PWM調(diào)制器184.2.2 驅(qū)動電路224.3 機械功率輸出部分的設(shè)計與應(yīng)用234.4 開關(guān)式并勵勵磁系統(tǒng)功率主回路的設(shè)計與應(yīng)用254.4.1 降壓斬波電路簡介254.4.2 功率回路分析274.5 檢測控制單元285 勵磁自動控制系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析295.1 動態(tài)特性試驗295.2 直流電源起勵方式295.2.1 起勵流程305.2.2 國家相關(guān)標準305.2.4 MATLAB仿真圖315.3 抗擾動特性試驗31結(jié) 論33致 謝34參考文獻351 緒論現(xiàn)實生活中，越來越多的同步發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)用于像電站、工廠、艦船等獨立供電系

11、統(tǒng)之中。對于系統(tǒng)的建模、計算、仿真受到了許多學(xué)者和專家的關(guān)注。由于同步電機數(shù)學(xué)模型建立的抽象性以及計算求解過程的復(fù)雜性，給人們的分析研究帶來了一定的困難。隨著新技術(shù)，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，發(fā)電機的勵磁方式逐漸發(fā)展并得以完善。在研究自動調(diào)節(jié)勵磁裝置方面，還不斷研制并且推廣使用了許多新型的調(diào)節(jié)裝置。采用微機計算機用軟件實現(xiàn)的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置已經(jīng)成為主流趨勢，并且有其顯著優(yōu)點。目前很多國家都在研制和試驗用微型機計算機輔以相應(yīng)的外部硬件設(shè)備構(gòu)成完善的數(shù)字自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，使其達到實現(xiàn)自適應(yīng)最佳調(diào)節(jié)的目的。同步發(fā)電機能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換為交流電能。老式的自備電站油機發(fā)電機組內(nèi)，同步發(fā)電機的勵磁廣泛采用

12、直流發(fā)電機提供勵磁電流來發(fā)電。這種傳統(tǒng)的勵磁方式，是通過整流子進行交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程，并且向勵磁繞組提供勵磁電流只能通過整流子的銅環(huán)和炭刷。因此，對維護和保障安全運行方面都帶來了諸多問題。為了改進這種勵磁方式，過去主要發(fā)展了帶靜止硅整流器的自勵恒壓的同步發(fā)電機，但這種發(fā)電機依然存在炭刷和滑環(huán)，并且產(chǎn)生無線電磁干擾，仍需要經(jīng)常維護，沒能從根本上解決存在的問題?，F(xiàn)代的同步發(fā)電機，通過改進和發(fā)展，廣泛采用同軸交流無刷勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器的無刷同步發(fā)電機，避免了碳刷使用造成的弊端。日常所述的勵磁系統(tǒng)都是對大型發(fā)電機組而言的。對于小機組來講，特別是本設(shè)計所針對的單臺未并網(wǎng)運行的小型同步發(fā)電機，僅用于對

13、發(fā)電機機端電壓恒定的研究。因此，本設(shè)計所用的系統(tǒng)采用勵磁電流閉環(huán)控制，即在當負載發(fā)生變化時，通過斬控電路調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，確保機端電壓的恒定。此外，因為并未使發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電，因此本文所設(shè)計的系統(tǒng)未加功率因數(shù)和無功功率調(diào)節(jié)功能。本系統(tǒng)在設(shè)計之初，考慮到可實現(xiàn)性及可靠性，控制策略采用PID控制，功率器件采用全控型器件IGBT，主電路為電網(wǎng)經(jīng)自耦器和三相不控整流橋及IGBT給發(fā)電機勵磁繞組供電。系統(tǒng)控制部分由SG3525搭建的模擬控制器和M57962搭建的驅(qū)動電路組成。1.1 勵磁系統(tǒng)概述 同步發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是勵磁功率單元，它向同步發(fā)電機勵磁繞組提供可調(diào)的直流勵磁電流；

14、另一部分是勵磁調(diào)節(jié)器，它根據(jù)系統(tǒng)的運行情況及性能要求，自動調(diào)節(jié)勵磁電流。1.2 勵磁系統(tǒng)的分類從20世紀50年代至今，勵磁系統(tǒng)可大致分為以下三類。1.2.1 直流勵磁機系統(tǒng)在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，一般由同步發(fā)電機同軸的直流發(fā)電機提供勵磁電流，即所謂的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。隨著發(fā)電機容量的不斷增加，所需的勵磁電流也相應(yīng)增大，直流機的機械整流子在換流方面遇到了困難，限制了它的容量和轉(zhuǎn)速（極限容量和轉(zhuǎn)速的乘積有一上限值，超過這一數(shù)值，直流電機的設(shè)計與制造就會極度困難）。1.2.2 他勵交流勵磁機系統(tǒng)隨著大功率半導(dǎo)體器件制造工藝的成熟與完善，勵磁功率單元可采用交流發(fā)電機和半導(dǎo)體整流元件組成新的交流勵磁系統(tǒng)。

15、由于勵磁電源取自與同步發(fā)電機同軸的交流勵磁機，故稱之為他勵。整流器件可根據(jù)不同需求采用二極管或可控硅，整流器既可旋轉(zhuǎn)也可靜止。1.2.3 靜止并勵勵磁系統(tǒng)靜止自并勵勵磁系統(tǒng)是由接在機端或電網(wǎng)的勵磁變壓器經(jīng)過整流器直接給勵磁繞組提供電能的。與其他勵磁方式相比，靜止勵磁系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如勵磁系統(tǒng)接線較為容易、設(shè)備構(gòu)成較為簡單、無轉(zhuǎn)動部分、維護費用小、可縮短發(fā)電機主軸長度、可靠性高。從控制角度上講，用晶閘管整流器控制轉(zhuǎn)子電壓，可獲得較快的響應(yīng)速度。靜止自并勵勵磁系統(tǒng)尤其適用于系統(tǒng)內(nèi)有升壓變壓器的單元中，主電路的接線方式是將勵磁變壓器接在發(fā)電機的出口端，由于發(fā)電機引出線是封閉總線。因此,在勵磁調(diào)節(jié)器控

16、制發(fā)電機端電壓恒定輸出的條件下，機端電壓引出線故障的可能性極小，勵磁電源的可靠性顯著提高。但在電動機組起動時機端存在殘壓，故會產(chǎn)生起勵問題。勵磁變壓器亦可接在電網(wǎng)上，則無需考慮起勵時的殘壓，因為機組起動時整流橋和勵磁調(diào)節(jié)器已能正常供電。本文采用勵磁變壓器接至電網(wǎng)的靜止自并勵勵磁方式，如圖1.1所示。 圖1.1 靜止自并勵勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3 勵磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測發(fā)展前景隨著勵磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測研究工作的深入，勵磁監(jiān)測與分析系統(tǒng)應(yīng)具有如下前景和特點：（1)對勵磁系統(tǒng)工況試驗的特征量進行實時監(jiān)測，得出其性能指標，看是否滿足國家的相關(guān)標準，以此來判斷勵磁系統(tǒng)的部分功能是否正常，為勵磁系統(tǒng)的正常工作提供基礎(chǔ)。

17、（2）狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不僅要求對勵磁系統(tǒng)進行實時的監(jiān)測，判斷其穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運行情況，還要能能預(yù)測故障并對可能出現(xiàn)的故障進行精確的定位。（3）勵磁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有高可靠的監(jiān)測與診斷能力，并具有一定的容錯能力。（4）勵磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不僅要考慮自身的原因，還應(yīng)結(jié)合機組的其他部件統(tǒng)一對機組可能出現(xiàn)的問題進行分析。2 勵磁系統(tǒng)的建模分析2.1 建模方法簡介對于被控對象而言，建立其數(shù)學(xué)模型的方法有機理法建模1和實驗法建模1兩大類。機理法建模又稱數(shù)學(xué)分析法建模，通過研究過程的運動規(guī)律，經(jīng)過分析研究，建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式(數(shù)學(xué)模型)。機理法建模就是把研究過程視為一個白匣子，這個白匣子必然存在一個固有的傳遞

18、函數(shù)，因此根據(jù)設(shè)備參數(shù)進行機理分析得到輸入量與輸出量之間的動態(tài)關(guān)系就能使人們對整個過程有一個相對感性的認識。在設(shè)計白匣子階段就可以建立數(shù)學(xué)模型，這對新系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)具有重要意義，也是機理建模法的優(yōu)勢之一。建立數(shù)學(xué)模型時，首先要確定數(shù)學(xué)模型的種類，然后建立相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達式。對于一些簡單的生產(chǎn)過程（系統(tǒng)）或?qū)ο?，通過對其工作機理的分析，應(yīng)用一些已知的定律、原理，如能量守恒定律、基爾霍夫定律、材料力學(xué)原理等，經(jīng)過推演和簡化建立起能夠描述過程動態(tài)性的基本方程式，從而確定過程（系統(tǒng)）輸出量、輸入量和其他變量（參數(shù)）間的關(guān)系。但是，對于許多復(fù)雜的過程和抽象的對象，由于對有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理了解得還

19、不夠徹底，不可能準確地表示出各變量之間的關(guān)系。一般情況下，機理推導(dǎo)出的代數(shù)、微分方程往往比較復(fù)雜，此時就要作一些假設(shè)和簡化以獲得實用的數(shù)學(xué)模型。機理建模通常按以下步驟實施：（1）確定模型類型，根據(jù)使用目的確定系統(tǒng)的輸出量和輸入量；（2）通過對過程結(jié)構(gòu)和內(nèi)部機理的研究，在不影響模型動、穩(wěn)態(tài)性能的前提下，進行必要的假設(shè)和簡化；（3）在符合生產(chǎn)工藝和現(xiàn)實條件的基礎(chǔ)上，列出動態(tài)方程；（4）通過一定的數(shù)學(xué)計算、推演，消去中間變量，得到只包括輸入量和輸出量的傳遞函數(shù)。（5）在滿足控制理論的前提下，對模型進行檢驗，必要時還需對模型進行線性化表示。 實驗建模是根據(jù)系統(tǒng)的實測傳遞函數(shù)，避開系統(tǒng)的內(nèi)在機理，根據(jù)發(fā)

20、電機勵磁系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理后，建立一個從外部特性上來描述其動態(tài)性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。此類數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)沒有現(xiàn)實的物理意義，但是它能很精確地表示出系統(tǒng)的動態(tài)性質(zhì)。實驗建模通常比機理建模簡單，精度高，通用性強，對于控制復(fù)雜的對象（生產(chǎn)工藝過程）具有較大的優(yōu)勢。用實驗法測定被控對象的動態(tài)性能，在被控對象上施加不同形式的擾動信號，再以時域、頻域和相關(guān)分析法進行進一步地分析整理。其中以時域法效果最為直接，適用范圍廣泛，其主要內(nèi)容是：給對象施加一個參數(shù)確定的擾動信號，記錄其動態(tài)響應(yīng)曲線，然后根據(jù)該曲線分析其各項參數(shù)并求出其傳遞函數(shù)。為了獲得數(shù)學(xué)模型，可輸入階躍、脈沖、斜坡等信號，測試系統(tǒng)的響應(yīng)

21、，得到相關(guān)信號的響應(yīng)圖像，進行合理的數(shù)據(jù)處理，獲得準確的模型。2.2 飛升曲線法簡介給被控對象施加一個階躍信號，然后記錄其輸入/輸出的實驗曲線，得到的響應(yīng)曲線即飛升曲線2。飛升曲線能直觀地描述出系統(tǒng)的動態(tài)性能，因此可參照響應(yīng)曲線經(jīng)過數(shù)學(xué)計算整合成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。階躍實驗的操作過程很簡單，即系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過人為方式使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一次階躍擾動。與此同時，記錄下輸入/輸出變量的動態(tài)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)該曲線求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。根據(jù)響應(yīng)曲線來建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，首先要通過曲線的圖像來確定模型的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)系統(tǒng)的動態(tài)性是不振蕩的，具有一定的自平衡能力。所以可將動態(tài)過程近似為一階/一階滯后、二階/二階滯后這

22、樣的環(huán)節(jié)加以分析處理，對于高階系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)學(xué)推論近似成二階加滯后來分析。即 （2.1） （2.2） （2.3） （2.4） 對于少數(shù)無自平衡能力的系統(tǒng)，可用以下環(huán)節(jié)來近似描述。即 （2.5） （2.6） （2.7） （2.8） 由此可知，只需確定系統(tǒng)的放大系數(shù)、時間常數(shù)和滯后時間，就能得到被控對象的傳遞函數(shù)。 如圖2.1所示，當階躍響應(yīng)曲線產(chǎn)生階躍的瞬間，即時，其曲線斜率為最大，然后逐漸減少，直至達到穩(wěn)態(tài)值，則響應(yīng)曲線可以用式（2.1）的一階慣性環(huán)節(jié)來描述，因而只需確定、即可。 圖2.1 階躍響應(yīng)曲線 圖2.1 相對階躍響應(yīng)曲線 設(shè)過程輸入階躍信號的幅值為，由圖2-1的階躍響應(yīng)曲線可定出其穩(wěn)

23、態(tài)值，則、可以按如下步驟求得。1） 放大系數(shù) 階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍信號幅值之比，即 (2.9) 2）時間常數(shù) 先求相對階躍響應(yīng)曲線值，即階躍響應(yīng)曲線值除以穩(wěn)態(tài)值為所求 (2.10) 根據(jù)一階系統(tǒng)的特征可知 (2.11) 將式（2.11）移項整理，可得 (2.12)為了簡化計算，在該曲線上選擇，三點點，按上式計算 (2.13) (2.14) (2.15)在相對曲線上找0.632，0.865，0.950所對應(yīng)的時間，既得時間常數(shù)，。根據(jù)典型一階系統(tǒng)參數(shù)特性可知，故得出經(jīng)驗公式： （5%誤差帶） (2.16) （2%誤差帶） (2.17)2.3 本次實驗的方法及數(shù)據(jù)處理 在本次實驗中，我們采用

24、了實驗建模法對勵磁控制系統(tǒng)進行了分析，系統(tǒng)原理圖如圖2.2所示：圖2.2 勵磁控制系統(tǒng)原理圖 采用飛升曲線法進行實驗建模的具體做法為，在系統(tǒng)未加勵磁的穩(wěn)定狀態(tài)下突加勵磁給定觀察系統(tǒng)的動態(tài)曲線,得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線為圖2.3： 圖2.3 勵磁控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線飛升曲線法的實驗結(jié)果為：，,過渡時間常數(shù)為。將勵磁控制系統(tǒng)簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，為。根據(jù)同步發(fā)電機的額定參數(shù)：額定功率-；額定勵磁電流3.54；額定電壓-； 額定勵磁電壓50；額定電流-3.61； 額定頻率-50。 在實驗過程中突加的給定勵磁電壓為額定值，所以根據(jù)式2-8得出，勵磁控制系統(tǒng)的放大系數(shù)，根據(jù)過度時間為35倍的，現(xiàn)選4倍的則得

25、出勵磁控制系統(tǒng)的時間常數(shù)為0.0625。本文將同步發(fā)電機近似為一階慣性環(huán)節(jié)，所以傳遞函數(shù)的結(jié)果為 （2.19）對執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型建立，我們將執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型近似為一階慣性環(huán)節(jié)如式2.20 （2.20）根據(jù)整流電源電壓為50V以及執(zhí)行機構(gòu)時間常數(shù)的特點得出其傳遞函數(shù)為： （2.21）3 控制器的設(shè)計3.1 PID勵磁控制PID勵磁控制原理3如圖3.1所示，該系統(tǒng)輸入信號為發(fā)電機端電壓的偏差值。PID勵磁控制器各環(huán)節(jié)的工作過程大致為：比例環(huán)節(jié)放大機端電壓的偏差值，偏差量一旦產(chǎn)生，控制器立即進行控制，使偏差穩(wěn)定至零，以保持機端電壓的恒定。但比例環(huán)節(jié)不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差主要與放大系數(shù)有關(guān)，放

26、大系數(shù)越大，偏差越?。煌ǔＯ€(wěn)態(tài)誤差主要在系統(tǒng)內(nèi)添加積分環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的無差度只要系統(tǒng)存在積分環(huán)節(jié)，誤差調(diào)節(jié)就不斷的進行，直至輸出量消除誤差。但是積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，通常選取一個比較合適的積分時間常數(shù)來進行調(diào)節(jié)。微分環(huán)節(jié)根據(jù)機端電壓偏差的變化速度，來進行控制動作，具有超前調(diào)節(jié)作用，可以減少電壓調(diào)節(jié)中的動態(tài)偏差，能夠縮短調(diào)節(jié)時間。PID勵磁控制原理圖如圖3.1。 圖3.1 PID勵磁控制原理圖3.2 勵磁調(diào)節(jié)器的 PID 算法比例積分微分（PID）控制是依據(jù)經(jīng)典控制理論頻域法進行設(shè)計的一種校正方法，該方法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，可改善系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。PID 控制規(guī)律4可用下列微分方程表

27、示： （3.1）式中 PID調(diào)節(jié)器比例環(huán)節(jié)的放大系數(shù) PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù) PID調(diào)節(jié)器的微分時間常數(shù)PID調(diào)節(jié)器的輸出電壓U由比例積分微分環(huán)節(jié)疊加而成。PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ： （3.2） 式中，為比例系數(shù)，與比例帶成反比例關(guān)系，即；為控制輸出， 為積分時間常數(shù)。 PID調(diào)節(jié)器各參數(shù)與控制性能之間的關(guān)系：（1）比例調(diào)節(jié)系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：加大比例控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只減小誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。對動態(tài)特性的影響：比例控制加大，會使系統(tǒng)的動作靈敏、響應(yīng)速度快。偏大，振蕩次數(shù)變多，調(diào)節(jié)時間加長，當太大時，系統(tǒng)會趨于

28、不穩(wěn)定。若太小，又會使系統(tǒng)的響應(yīng)緩慢。（2）積分時間常數(shù)對控制性能的影響。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：積分控制能對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進行有效的抑制，提高系統(tǒng)的控制精度。若太大，積分作用太弱，對穩(wěn)態(tài)誤差不起作用。對動態(tài)特性的影響：積分時間常數(shù)偏小，積分作用較強，振蕩次數(shù)較多，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故選取合適的時間常數(shù)十分關(guān)鍵。 (3)微分時間常數(shù)對控制性能的影響。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：引入微分環(huán)節(jié)，能在誤差產(chǎn)生的瞬間，按誤差的變化趨勢進行一個超前的校正，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對動態(tài)性能的影響：微分時間常數(shù)的增加，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，如：減少超調(diào)量，縮短上升時間等。但微分環(huán)節(jié)會放大系統(tǒng)噪聲，對系統(tǒng)的抗干擾能力

29、造成影響。3.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 在工程設(shè)計中調(diào)節(jié)器的設(shè)計須滿足生產(chǎn)過程的要求。針對單環(huán)系統(tǒng)通常借助伯德圖設(shè)計校正裝置。設(shè)計之前，都應(yīng)先求出該閉環(huán)系統(tǒng)的初始開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)實際要求的性能指標確定校正后系統(tǒng)的頻率特性 ，經(jīng)過反復(fù)試湊，才能確定其結(jié)構(gòu)并計算各項參數(shù)。為了解決系統(tǒng)的穩(wěn)、準、快和抗干擾等方面矛盾，通常經(jīng)過反復(fù)試湊，這需要熟練的設(shè)計技巧，體現(xiàn)出建立簡便實用工程設(shè)計法的重要性。 現(xiàn)代的電力拖動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部都是由慣性很小的電子設(shè)備構(gòu)成的（電機除外）。如果經(jīng)過適當?shù)暮喕?，近似假設(shè)處理，那么整個系統(tǒng)可大致近似為低階系統(tǒng)，通過運算放大器或微型處理器可以實現(xiàn)比例、積分、微分等控制

30、環(huán)節(jié)的要求，于是控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)就成為了可能。如果對典型系統(tǒng)有了充分的認識，運用它們的頻率特性進行合理化判斷，掌握它們的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)，總結(jié)成公式或圖表，則在設(shè)計時，只要參照實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)來校正或簡化成為典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算。這樣，設(shè)計過程就變得更加輕松了，為建立工程設(shè)計法提供了可能性。 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計法5應(yīng)遵循的原則是：設(shè)計概念清晰、易懂，給出簡明的計算公式，指出參數(shù)調(diào)整的范圍，考慮到飽和非線性控制的情況，必要時也需給出計算公式。從而使調(diào)節(jié)器適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果對動態(tài)性能的精度比較高，可參考“模型系統(tǒng)法”。對于

31、復(fù)雜的不可能簡化成典型系統(tǒng)的情況，可采用高階系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)的輔助分析和設(shè)計。3.3.1 工程設(shè)計方法的基本思路工程設(shè)計法通常把復(fù)雜問題簡單化，簡化的基本思路需使調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程滿足兩個條件：（1）在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，明確調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計要求的穩(wěn)態(tài)精度。（2）確定調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)，以滿足系統(tǒng)動態(tài)性能指標。在選擇調(diào)節(jié)器時，通常采用近似的典型系統(tǒng)，由于典型系統(tǒng)各項參數(shù)指標都已事先找到，選擇參數(shù)時只須套用現(xiàn)成的公式和數(shù)據(jù)就可以達到設(shè)計目的，提升了設(shè)計工作的效率。3.3.2 典型型系統(tǒng)1典型型系統(tǒng)的基本概念 典型型系統(tǒng)的開環(huán)轉(zhuǎn)遞函數(shù)通常為 （3.3） （3.4） 式中 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù) 系

32、統(tǒng)的開環(huán)增益2方塊圖和伯德圖(a) 閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖 (b) 伯德圖圖3.2 典型型系統(tǒng) 典型型系統(tǒng)的閉環(huán)方塊圖如圖a所示，而圖b表示它的伯德圖。選擇它作為典型的I型系統(tǒng)是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且波特圖的中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。顯然，要做到這一點，應(yīng)在選擇參數(shù)時保證。3.典型型系統(tǒng)的性能指標和參數(shù)之間的關(guān)系 由于本文主要討論的是直流調(diào)速,因此對于自動控制中的復(fù)雜推導(dǎo)過程限于篇幅不詳細推導(dǎo),這里只給出推導(dǎo)出的結(jié)論,能用于實際工程中設(shè)計。對于幾個值的計算結(jié)果列于表3.1中，兼顧快速性與穩(wěn)定性要求可取，將此時系統(tǒng)稱為二階最佳系

33、統(tǒng)。表3.1 典型型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系表KT0.250.3090.390.50.691.0阻尼比1.00.90.80.7070.60.5超調(diào)量00.15%1.5%4.3%9.5%16.5%截止頻率0.243/T0.296/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T相角裕量76.3°73.6°69.9°65.6°59.2°51.8° 典型型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系只考慮擾動信號，令輸入作用等于零，由自動控制基本理論可得抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系如表3.2所示。表3.2 典型型系統(tǒng)抗干擾指標與參數(shù)關(guān)系()M1/51/101

34、/201/30Cmax / Z69.4%82.9%92.7%96.7%2.83.43.84.0163161913.3.3 典型型系統(tǒng)1基本概念 在各種型系統(tǒng)中,選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型型系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù)為： （3.5） 2方塊圖和伯德圖(a)閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖 (b)伯德圖圖3.3 典型型系統(tǒng) 典型型系統(tǒng)的閉環(huán)方塊圖如圖a所示，而圖b表示它的伯德圖,其中頻段也是以的斜率穿越線。由于分母中項對應(yīng)的相頻特性是，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)（這往往也是實際系統(tǒng)中必定有的），如果不在分子上添加一個比例微分環(huán)節(jié)，就無法把相頻特性抬到線以上，也就不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。因此要實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，顯然應(yīng)保證

35、。 3典型型系統(tǒng)的性能指標和參數(shù)之間的關(guān)系直接給出結(jié)論，分別如表 3.3 和表3.4所示；表3.3 典型型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.6%23.3%2.42.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111 典型型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系表3.3中h是斜率為-20dB/dec的中頻段的寬度，稱中頻寬。以T為時間基準，對不同的h值，可以獲得典型型系統(tǒng)的超調(diào)量%、上升時間、調(diào)節(jié)時間、振蕩次數(shù)。 表3.4 典型型系統(tǒng)抗擾指標與參數(shù)關(guān)系

36、h345678910Cmax / Z72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.72.853.03.153.253.33.413.610.458.812.9516.8519.8022.825.85 典型型系統(tǒng)抗擾指標與參數(shù)關(guān)系表3.4中h是中頻寬，T為對象固有時間常數(shù)，、分別為擾動點前后的增益，F(xiàn)為階躍擾動。以T為時間基準，動態(tài)降落以=為基準，對不同的值，可以獲得典型型系統(tǒng)的最大動態(tài)降落Cmax / Z及其產(chǎn)生時刻，恢復(fù)時間。3.4 勵磁控制系統(tǒng)的設(shè)計將調(diào)節(jié)器與校正對象串聯(lián)，可將系統(tǒng)校正成以上典型型或型系統(tǒng)。 圖3.4 勵磁反饋控制結(jié)構(gòu)圖3.4.

37、1 PID電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)整定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式3.6所示 （3.6）由于系統(tǒng)的被控對象已求出為 （3.7） 根據(jù)調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法參照式3.2對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進行整定 （3.8） 其中，。 對式3.8進行進一步的處理分析得到式3.9 （3.9） 此時本系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就已經(jīng)整定成型系統(tǒng)故只需確定PID的參數(shù)即可 根據(jù)式3.9可確定，為了滿足系統(tǒng)的性能指標取，經(jīng)過推導(dǎo)得，故可以得出PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下: （3.10） 4 開關(guān)式自并勵勵磁系統(tǒng)的硬件設(shè)計如前文所示，系統(tǒng)采用機端電壓閉環(huán)控制，在機端電壓和控制電流之間可以建立數(shù)學(xué)模型，通過對勵磁電流的控制實現(xiàn)機端電壓的恒定。當機端電壓小于給定時，增

38、大勵磁電流提高電壓，反之減小勵磁電流。根據(jù)負反饋控制理論，要保持哪一個量不變，就要引入此物理量的負反饋。因此，自動勵磁調(diào)節(jié)裝置的輸入信號是在線檢測的電壓互感器和電流互感器的數(shù)值，輸出的信號是相應(yīng)的占空比脈沖信號。其調(diào)節(jié)規(guī)律依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，按照工程設(shè)計法進行設(shè)計反饋裝置。4.1 同步發(fā)電機勵磁自動控制策略 圖4.1 勵磁控制系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖4.2控制器的設(shè)計與應(yīng)用 為了實勵磁控制系統(tǒng)的斬波閉環(huán)控制，本文采用PWM專用生成芯片SG3525和功率驅(qū)動芯片M57962來搭建控制回路。4.2.1 PWM調(diào)制器SG3525是用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。該產(chǎn)品在生產(chǎn)實踐中被廣泛運用。下面我們對S

39、G3525各項參數(shù)、工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行介紹。 SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。（1）SG3525芯片簡介6 SG3525PWM控制器采用新型模數(shù)混合集成電路，性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠，無需過多的輔助元件它的主要特點是:輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0-50%可調(diào).每一

40、通道的驅(qū)動電流最大值可達200mA,電流峰值可達500mA。可直接驅(qū)動功率管，工作頻率高達400kHz，具有欠壓鎖定、過壓保護和軟啟動等功能。該電路由基準電壓源、震蕩器、誤差放大器、PWM比較器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅(qū)動級，軟啟動及關(guān)斷電路等組成，可正常工作的溫度范圍是0-700攝氏度?；鶞孰妷簽?.1 V士1%，工作電壓范圍很寬，為8V到35 V。 其管腳如圖4.2所示： 圖4.2 SG3525管腳圖管腳說明：1. Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。 2. Noninv.

41、input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。 3. Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號實現(xiàn)與外電路同步。 4. OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。 5. (引腳5)：振蕩器定時電容接入端。 6. （引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。 7. Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接放電電阻，構(gòu)成放電回路。 8. (引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。 9

42、. Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。 10. Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。 11. Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。 12. Ground(引腳12)：信號地。 13. Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。 14. Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。 15. Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。 16

43、. Vref(引腳16)：基準電源輸出端。該端可輸出穩(wěn)定性極好的基準電壓。 （2）SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖4.3所示為SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖4.3 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 SG3525 （3）SG3525工作原理 SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設(shè)計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。 SG3525的軟

44、啟動接入端（引腳8）上通常接一個軟啟動電容。通電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時，PWM鎖存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，SG3525才開始工作。由于實際中，基準電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM鎖存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出

45、晶體管的導(dǎo)通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，PWM鎖存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。 欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時，軟啟動電容將開始放電。 此外，SG3525還具有以下功能，即無論

46、因為什么原因造成PWM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM鎖存器才被復(fù)位。（4）PWM控制的斬波器的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)工作原理，當控制電壓改變時，PWM變換器輸出電壓要到下一個周期才能發(fā)生改變，因此可以把其等效成為一個慣性環(huán)節(jié)，輸入量是脈沖電壓，輸出量是PWM變換器輸出電壓，當整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截止頻率滿足時（T為開關(guān)周期時間），將滯后環(huán)節(jié)近似成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： (4.1)為脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)4.2.2 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路就是將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的驅(qū)動信號。 開關(guān)型功率器件的驅(qū)動分為兩種形式：一是電流型驅(qū)動

47、,如GTR ；二是電壓型驅(qū)動，如功率MOSFET、IGBT。無論是哪種驅(qū)動電路，在設(shè)計時都必須考慮以下兩點：最優(yōu)化驅(qū)動特性和自動快速保護。所謂最優(yōu)化特性就是以理想的控制極驅(qū)動電流(或電壓、或兩者兼有) 去控制功率器件的開關(guān)過程，以提高開關(guān)速度、減小開關(guān)損耗；自動快速保護則是在驅(qū)動電路故障狀態(tài)下快速自動地切斷控制極信號，避免功率管遭到損壞，在主回路故障狀態(tài)時能及時自動切斷與主回路的聯(lián)系的能力。本文使用的驅(qū)動芯片為M57962，其管腳圖如圖4.4所示： 勵磁控制系統(tǒng)硬件電路圖如圖4.5：圖4.5 勵磁控制系統(tǒng)硬件電路圖4.3 機械功率輸出部分的設(shè)計與應(yīng)用 作為該勵磁控制系統(tǒng)的機

48、械功率輸出部分，筆者選用與同步發(fā)電機同軸的直流電動機作為該勵磁控制系統(tǒng)的原動機。該直流電動機的技術(shù)參數(shù)具體如下 額定功率-； 額定電壓-220； 額定電流-12.4； 額定轉(zhuǎn)速-1500； 額定勵磁電流0.41。直流電動機電樞回路的電壓平衡方程式為： （4.2） 電樞反電勢為： （4.3） 由以上兩式得轉(zhuǎn)速特性方程如下： （4.4） 由式（4.3）可知直流電動機的調(diào)速方式為電樞回路串電阻、減弱電機勵磁磁通、改變電動機端電壓調(diào)速等三種。 在該勵磁控制系統(tǒng)實驗中，筆者用電樞回路串電阻的方法對直流電動機進行調(diào)速控制。 由式（4.3）可知隨著總電阻R的增大，機械特性曲線斜率越大，機械特性越軟.若負載轉(zhuǎn)

49、矩對應(yīng)所需的電樞電流為則負載大小不變時總電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。由于電阻耗能大，機械特性軟，調(diào)速范圍窄，不能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場合。由于在該次實驗中運用了變電阻調(diào)速的方式且直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，因此同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不能得到有效的控制，勵磁控制系統(tǒng)所發(fā)出交流電的頻率不能得到保證，對頻率的控制也沒有作為本次實驗的目標。其串電阻調(diào)速的作用只是保證了直流電機的安全啟動。 直流電動機的調(diào)速電路如圖4.7： 圖4.7 直流電動機調(diào)速控制電路圖4.4 開關(guān)式并勵勵磁系統(tǒng)功率主回路的設(shè)計與應(yīng)用4.4.1 降壓斬波電路簡介 降壓斬波電路8（Buck Chopper）的工作原理和波形，如

50、圖4.8所示。電路中是全控器件，圖中續(xù)流二極管是在關(guān)斷時，給負載續(xù)流的通道。 由圖4-8 b中Q的柵射電壓波形可知，在時刻處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源給負載提供電壓，負載電流呈凸曲線上升。 當時，開關(guān)斷開，負載電流通過二極管給電路續(xù)流，負載電壓幾乎為零，負載電流呈凹曲線衰減。為了避免負載電流斷續(xù)，通常串接L值較大的電感。 一個周期T結(jié)束之后，再讓導(dǎo)通，重復(fù)上個周期的步驟。當電路穩(wěn)定工作時，在每個周期內(nèi)負載電流平均值相等，如圖2.1(c)所示。由此知電壓平均值為： (4.5)式中，為Q處于通態(tài)的時間；為Q處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通時間與周期時間之比，簡稱占空比。由此可知，輸出到負載的電壓平均值最大值為，若減小占空比，則隨之減小。因此稱為降壓斬波電路（也稱BUCK變換器） 負載電流平均值： (4.6) 若負載中L值較小，則在關(guān)斷后，到了時刻，如圖4.8c所示，負載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。 根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：1）保持開關(guān)周期T不變調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間，稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫PWM）或脈沖調(diào)寬型。2）保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3）和T都可調(diào)，使占空比改變，