畢業(yè)設計---直流電動機無級調速.doc

摘 要摘 要本設計主要是運用調速系統(tǒng)對直流電動機進行調速，使其實現(xiàn)無級的效果。此調速系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成：主電路是采用晶閘管可控整流裝置進行調速;控制電路是采用雙閉環(huán)速度電流調節(jié)方法進行反饋。系統(tǒng)采用調壓調速的調速方法可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調速方向是基速以下，只要輸出的電壓是連續(xù)可調的，即可實現(xiàn)電動機的無級調速。雙閉環(huán)速度電流調節(jié)這種方法雖然初次頭次成本相對而言較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對生產工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動時的電流的動態(tài)過程，又保證穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定性，在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。達到穩(wěn)態(tài)后，只要轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用很好地滿足了生產需要。本設計的重點也就是對asr和acr的設計。關鍵詞：無級調速；雙閉環(huán)；asr；acr；晶閘管60abstractthis design is the use of speed control system for dc motor speed control to achieve the effect of class. this speed control system from the main circuit and control circuit composed of two parts: the main circuit is controlled rectifier thyristor speed control device; control circuit in a dual method of closed-loop speed feedback current regulator.system speed regulator with the motor speed control methods available to parallel the inherent mechanical properties of artificial mechanical properties, speed is below the base speed, as long as the output voltage is continuously adjustable, and can achieve the level of non-motor transfer speed. two-speed closed-loop current regulation this way the first time although the initial cost is relatively high, but it ensures that the performance of the system to ensure that the production process to meet requirements, take into account not only the start of the current dynamic process, while ensuring that the stability of steady-state velocity in the main phase of starting the process, only the current negative feedback, no negative feedback speed. after reaching steady state, as long as the speed of negative feedback, negative feedback from the current good to play a major role to meet the production needs. the focus of this design is also the design of asr and acr.key words: stepless speed regulation；double-loop； asr；acr；scr目 錄目錄第1章 緒 論11.1問題提出的意義11.2國產直流電機簡介11.3直流電動機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2第2章 直流電動機的概述42.1直流電動機的基本知識42.1.1直流電動機的基本結構42.1.2直流電動機的工作原理52.1.3直流電動機的組成及分類62.2直流電動機運行原理82.2.1直流電動機的勵磁方式82.2.2直流電動機的基本方程92.2.3直流電動機的機械特性10第3章 設計任務與要求143.1設計任務143.2設計要求與性能指標14第4章 方案比較論證與選擇164.1調速指標簡介164.2 總體方案論證184.3單元電路方案論證224.3.1主電路方案論證224.3.2控制電路方案論證25第5章 電路設計285.1主電路設計285.1.1電機參數(shù)計算和晶閘管容量參數(shù)計算285.1.2整流電路的選擇305.1.3整流器件的選擇315.1.4 觸發(fā)電路的選擇315.1.5穩(wěn)壓電源的選擇335.1.6主電路保護器件選擇345.2控制電路設計345.2.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成365.2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的啟動過程分析385.2.4轉速和電流兩個調節(jié)器的作用405.2.5acr與asr的設計415.3調速系統(tǒng)主、控電路圖455.4調試過程45總結47參考文獻48致謝49附錄1 外文資料原文2 外文資料譯文第1章 緒 論第1章 緒 論1.1問題提出的意義 隨著科學技術的迅猛發(fā)展，電氣設備發(fā)展日新月異。尤其以計算機、信息技術為代表的高新技術的發(fā)展，使制造技術的內涵和外延發(fā)生了革命性的變化，傳統(tǒng)的電氣設備設計、制造技術不斷吸收信息控制、材料、能量及管理等領域的現(xiàn)代成果，綜合應用于產品設計、制造、檢測、生產管理和售后服務。在生產技術和生產模式等方面，許多新的思想和概念不斷涌現(xiàn)，而且，不同科學之間相互滲透、交叉融合，迅速改變著傳統(tǒng)電氣設備制造業(yè)的面貌，從而使得產品頻繁的更新?lián)Q代，這就使得電機成為社會生產和生活中必不可少的工具。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人類社會的不斷進步，人們對生活產品的需求要不斷趨向多樣化，這就要求生產設備必須具有良好的動態(tài)性能，在不同的時候進行不同的操作，完成不同的任務。為了使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能必須對系統(tǒng)進行設計。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產行業(yè)，為達到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調速范圍等要求，又由于交流調速在當時尚未解決好調速控制問題，調速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標不滿足生產工藝的要求，所以當時大量使用的是直流電動機調速系統(tǒng)，尤其是直流無級調速系統(tǒng)，它具有調速性能好，范圍寬，動態(tài)性能好等優(yōu)點，特別是設計簡單方便，雖然隨著控制技術以及電力電子技術的的發(fā)展，制造工藝技術的提高，大量出現(xiàn)交流調速的傳動系統(tǒng)，但直流傳動所具有的優(yōu)點特征，至今仍大量廣泛地使用直流調速。因此實現(xiàn)直流無級調速對我們社會生產和生活有著重大的意義。1.2國產直流電機簡介為了滿足各行業(yè)按不同運行條件對電動機提出的要求，將直流電機制造成不同型號的系列。所謂系列就是指結構形狀基本相似，而容量按一定比例遞增的一系列電機。它們的電壓、轉速、機座型號和鐵心長度都是一定的等級?，F(xiàn)將我國目前生產的幾個主要系列直流電機簡要的介紹如下。z2系列為普通用途的中、小型電機。它的容量從400w到200kw，電動機的額定電壓有200v和110v兩種，額定轉速有3000、1500、1000、750及600r/min五個等級。z2系列普通用途的中型直流電動機，容量從40kw到370kw。zjd系列為大型直流電動機，容量從150kw到6500kw，主要用于驅動大型軋鋼機及卷揚機。1.3直流電動機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢隨著電力半導體交流技術的日益發(fā)展成熟，直流電機在許多領域已被整流裝置代替，但直流電動機具有良好的啟動、調速和正反轉特性，能滿足生產過程中的各種特殊要求，因而在需要寬廣調速的場合及特殊要求的自動化控制系統(tǒng)中占有一定得應用地位。目前，我國電機有一定生產規(guī)模的企業(yè)有500多家，生產的電機產品有500多個系列，近1500個品種。1997年我國電機產量約為55288mw，1998年約為72505mw，1999年約為62000mw。電動機出口量約為12000mw?？梢钥闯?998年較1997年電機產量有較大的提高，到1999年電機產量略有下降，企業(yè)負債持續(xù)攀升，效益不斷下滑，行業(yè)整體形勢有所下降。745918但隨著改革開放的深入，國家宏觀政策的調整以及市場需求的推動，我國電機產品由勞動密集型、資源密集型向高附加值和高技術含量的產品轉移，出口產品結構也逐步趨向于市場化和合理化。我國500多個電機企業(yè)大多集中在沿海地區(qū)，西部地區(qū)的企業(yè)寥寥無幾，在國家開發(fā)西部的大好機遇里，對電機行業(yè)的發(fā)展提供了一個發(fā)展的機會。另外，我國加入wto后，可將國內一部分富裕的電機生產能力轉移到國外去，也是發(fā)展的一條出路。在國際市場上，電機是機電產品的重要組成部分之一，每年的貿易額約35億美元。電機行業(yè)單機出口產品主要為交流電動機、交流發(fā)電機及直流電動機。由上述可以看到電機的發(fā)展還是有很大發(fā)展空間的。為了發(fā)展電機產品，滿足客戶需求，擴大國內、國際市場，電機產品必須向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效、節(jié)能方向發(fā)展。要開拓市場、擴大出口，今后電機行業(yè)的發(fā)展必須向以下幾方面努力：1電機的多用途、多品種隨著電機行業(yè)的不斷發(fā)展，電機產品的外延和內涵也不斷拓展，電機產品也廣泛應用于能源、交通、石油、化工、建筑等各個領域，并且電機的通用性逐漸向專用性方向發(fā)展，打破了過去同一類電機分別用于不同性質、場合的局面。電機正向專用性、特殊性、個性化方向發(fā)展，充分發(fā)揮電機的效率，這也是國外電機發(fā)展的最新觀點。2可靠性高、壽命長、噪聲低、重量輕、外形美觀改革的不斷深入，市場的全面開放，市場競爭的日漸激烈，用戶對產品高性能的要求，使得產品的生產者為了適應市場及用戶的需求，不斷地改進工藝，提高技術水平，采用新材料，設計出符合市場需求的電機產品。3高效、節(jié)能為了提高電機效率，實現(xiàn)節(jié)能的目的，我們采用了許多辦法，如采用降低起動轉矩、電容補償、阻尼槽等，但這都是在頻率不變的條件下實現(xiàn)的。自從有了逆變器之后，電源的變頻變壓變得更加容易，從而可以調節(jié)異步電機在最佳工作點上運行，保證出力不變的情況下，可用最大效率和高功率因數(shù)代替額定效率和額定功率因數(shù)，減小了電機尺寸，減輕其重量和降低成本。4機電一體化、智能化隨著科學技術的發(fā)展，高新技術對電機產品注入了新的活力，計算機輔助設計的運用、國家政策的鼓勵、各企業(yè)對科技的重視使新產品開發(fā)的周期逐漸縮短，機電一體化、智能化電機，應運而生，并且不斷推陳出新，在高新技術產品上我國電機的技術水平與發(fā)達國家相比，已水平相當。但我國的電機產品要擴大國內、國際市場份額除了要滿足以上的要求外，我們還要強化市場競爭意識、市場服務意識，在未來的電機行業(yè)大發(fā)展中獨占鰲。第2章 直流電動機的概述 第2章 直流電動機的概述2.1直流電動機的基本知識第2章 直流電動機的概述2.1.1直流電動機的基本結構直流電機的結構是多種多樣的，但任何直流電機都包括定子部分和轉子部分，這兩部分間存在著一定大小的氣隙，使電機中電路和磁場發(fā)生相對運動。直流電機定子部分主要由主磁極、電刷裝置和換向極等組成，轉子部分主要由電樞繞組、換向器和轉軸等構成。結構圖如圖2-1。 圖2-1直流電機結構圖1-電刷；2-磁軛；3-永久磁鋼；4-極靴；5-電樞繞組；6-內磁軛1定子部分（1）主磁極: 其作用是產生磁場。通常用厚1-1.5mm的低碳鋼片疊裝而成。在磁極鐵心上繞有勵磁繞組，整個磁極利用螺桿固定在磁軛上。（2）換向極: 其作用是改善換向，使電機運行時電刷下不產生有害的火花。換向極也是由鐵心及繞組組成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。（3）機座: 機座分磁軛和底腳兩部分。磁軛的作用是固定主磁極和換向極，是磁路的一部分。底腳起支撐和固定整臺電機的作用。機座一般式用鑄鋼鐵制造或鋼板焊接而成。2轉子部分（1）電樞鐵心:電樞鐵心是磁路的一部分，表面開槽以嵌放電樞繞組，為減少鐵耗，采用0.35-0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，固定在轉子支架或轉軸上。（2）電樞繞組:電樞繞組由許多按一定規(guī)則連接起來的線圈組成，是通過電流和產生電動勢的關鍵性部件。線圈用帶絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成。嵌放在電樞鐵心表面的槽內直流電機采用雙層繞組，每槽內的線圈邊分上、下兩層，上下層之間及線圈于鐵心之間都是要可靠絕緣。槽口用槽契壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶扎緊，大型電機中，繞組伸出槽外的端接部分應扎緊在支架上。2.1.2直流電動機的工作原理電動機是一種把電能轉變?yōu)闄C械能的機械。它的基本原理是利用帶電導體和磁場間的相互作用而把電能變?yōu)闄C械能。電動機結構主要包括兩部分：轉子和定子。轉子為電動機的旋轉部分，由轉軸座組成，導體繞組的排列方式?jīng)Q定電動機的類型及其特性。絕大多數(shù)的電動機都須作連續(xù)的轉運動的電磁力形成一種方向不變的轉矩，才能構成電動機。兩磁極間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈。當線圈中通入直流電流時，線圈邊上受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向。若電樞轉動，線圈兩邊的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產生的電磁轉矩的方向卻變?yōu)轫槙r針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉矩。這種交變的電磁轉矩只能使電樞來回搖擺，而不能使電樞連續(xù)轉動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，關鍵在于，當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換，即進行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質換向片構成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉。換向器又與兩個固定不動的由石墨制成的電刷a、b相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產生電磁轉矩，電樞在電磁轉矩的作用下就旋轉起來。電樞一經(jīng)轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈邊只要處于n極下，其中通過電流的方向總是由電刷a流入的方向，而在s極下時，總是從電刷b流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣的結構，就可使電動機能連續(xù)地旋轉。這就是直流電機的工作原理。2.1.3直流電動機的組成及分類直流電動機的種類有很多，但一般將其分為電磁式直流電動機、永磁式直流電動機、無刷式直流電動機，三種。1電磁式直流電動機： 電磁式直流電動機由定子磁極、轉子(電樞)、換向器(俗稱整流子)、電刷、機殼、軸承等構成。電磁式直流電動機的定子磁極(主磁極)由鐵心和勵磁繞組構成。根據(jù)其勵磁(舊標準稱為激磁)方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。因勵磁方式不同，定子磁極磁通(由定子磁極的勵磁線圈通電后產生)的變化規(guī)律也不同。串勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大，轉矩近似與電樞電流的平方成正比，轉速隨轉矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉矩可達額定轉矩的5倍以上，短時間過載轉矩可達額定轉矩的4倍以上，轉速變化率較大，空載轉速甚高(一般不允許其在空載下運行)?？赏ㄟ^用外用電阻器與串勵繞組串聯(lián)(或并聯(lián))、或將串勵繞組并聯(lián)換接來實現(xiàn)調速。并勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動轉矩與電樞電流成正比，起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉速則隨電流及轉矩的增大而略有下降，短時過載轉矩為額定轉矩的1.5倍。轉速變化率較小，為5-15?？赏ㄟ^削弱磁場的恒功率來調速。他勵直流電動機的勵磁繞組接到獨立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動轉矩與電樞電流成正比。轉速變化也為5-15?？梢酝ㄟ^削弱磁場恒功率來提高轉速或通過降低轉子繞組的電壓來使轉速降低。復勵直流電動機的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉子繞組串聯(lián)的串勵繞組(其匝數(shù)較少)。串聯(lián)繞組產生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同，起動轉矩約為額定轉矩的4倍左右，短時間過載轉矩為額定轉矩的3.5倍左右。轉速變化率為2530(與串聯(lián)繞組有關)。轉速可通過削弱磁場強度宋調整。換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強度塑料模壓成。電刷與換向器滑動接觸，為轉子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動機的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。 轉子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成，一般為12槽，內嵌12組電樞繞組，各繞組間串聯(lián)連接后，再分別與12片換向片連接。2永磁式直流電動機： 永磁式直流電動機也由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成。 定子磁極采用永磁體(永久磁鋼)，有鐵氧體、鋁鎳鉆、釹鐵硼等材料。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電動機多數(shù)為圓筒型磁體，而電動工具及汽車用電器中使用的電動機多數(shù)采用瓦塊型磁體。 轉子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機轉子的槽數(shù)少。錄放機中使用的小功率電動機多數(shù)為3槽，較高檔的為5槽或7槽。漆色線在轉子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個繞組)，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。 電刷是連接電源與轉子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。錄放機中使用的永磁式直流電動機，采用電子穩(wěn)速電路或離心式穩(wěn)速裝置。3無刷直流電動機： 無刷直流電動機是采用半導體永磁體轉子 多極繞組定子 位置傳感器定子開關器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。 無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產生位置傳感信號，經(jīng)信號轉換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉子旋轉時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇產生脈沖信號。采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關、lc諧振電路等)，當永磁體轉子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。2.2直流電動機運行原理2.2.1直流電動機的勵磁方式直流電動機的主極磁場由勵磁繞組通以直流勵磁電流產生。勵磁電流的獲得方式稱為勵磁方式。主勵磁場的極性由勵磁電流方向決定，場強由勵磁電流大小決定。一般直流電動機的勵磁電流均可在一定范圍內調節(jié)。勵磁方式一般有，他勵、并勵、串勵、復勵，四種。下面就簡單介紹一下這四種方式的電動機。1他勵電動機此類電動機的勵磁繞組f和電樞繞組s由兩個不同的直流電源供電，勵磁回路與電樞回路相對獨立，采用永久磁鐵作為主極的永磁直流電動機亦屬于此類。2并勵電動機 勵磁繞組f和電樞繞組s并聯(lián)，有同一個直流電源供電，勵磁電流通常只有額定電流的1%-5%，這是直流電動機最為常見的勵磁方式。3串勵電動機 勵磁繞組c和電樞繞組s串聯(lián)，其勵磁電流與電樞電流相等與負載大小有關。4復勵電動機 勵磁繞組由并勵繞組f與串勵繞組c兩部分組成，并套在同一個主極鐵心上，通常復勵電動機以并勵為主，并勵磁動勢占磁極總勵磁磁動勢的70%以上。若串勵磁場對并勵磁場助磁，稱之為積復勵；串磁磁場對并勵磁場去磁時，則稱之為差復勵。復勵電動機的運行特性介并勵于串勵之間。 勵磁繞組存在電阻，電動機在工作時勵磁回路要消耗一定的功率，稱之為勵磁損耗，這就使得直流電動機的效率相對其他電動機要低。勵磁損耗一般不超過額定功率的1%-3%。2.2.2直流電動機的基本方程1電動勢平衡方程式：根據(jù)基爾霍夫第二定律，對任一有源的閉合回路，所有電動勢之和等于所有壓降和，有： （2-1） （2-2） 2轉矩平衡方程式：直流發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，電機的轉速為n,作用在電樞上的轉矩共有三個：一個是原動機輸入給發(fā)電機轉軸上的驅動轉矩；一個是電磁轉矩t；還有一個是電機的機械摩擦、風阻以及鐵損耗引起的轉矩，叫空載轉矩，用表示,空載轉矩是一個制動性轉矩,永遠與轉速n的方向相反。 （2-3） 2.2.3直流電動機的機械特性1機械特性的表達式：定義：在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值條件下，電機的轉速與電磁轉矩之間的關系：。由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式： （2-4） 通常稱b大的機械特性為軟特性，b小的機械特性為硬特性。2固有機械特性和人為機械特性：電動機的機械特性可分為固有機械特性和人為機械特性(1)固有機械特性：固有機械特性是指當電動機的電樞工作電壓和勵磁磁通均為額定值、電樞回路中沒有串入附加電阻時的機械特性，其方程式為： （2-5） 固有機械特性曲線如圖所示，由于較小，則也較小，所以直流電動機的固有機械特性是比較“硬”的。 圖2-2固有機械特性曲線人為機械特性是指人為地改變電動機電路中的某個參數(shù)或電動機的電樞電壓值，而得到的機械特性，即改變式中的機械特性方程中的某些參數(shù)所獲得的機械特性： (2-6) 我們來研究只改變電樞電壓、磁通或附加電阻的一個參數(shù)，求出直流電動機有下列三種人為機械特性：1）電樞串電阻時的人為特性：當電動機的時，其人為機械特性的方程式為： (2-7) 圖2-3電樞串電阻時特性曲線與固有特性相比，a.理想空載轉速不變，b.b 增大，轉速降增大，附加電阻越大，也越大，特性越“軟”，如圖2-3中曲線1、2所示。這類人為機械特性是一組通過,而不同斜率的直線。可見，當負載轉矩不變時，只改變電阻的大小，可以改變電動機的轉速，因此，電樞回路串電阻的方法，可用于直流電動機調速。 2）降低電樞電壓時的人為特性：當電動機的時，改變電樞電壓的人為機械特性的方程式為： (2-8) 圖2-4降低電樞電壓時特性曲線 與固有特性相比較，a. 機械特性曲線的斜率b 不變，b.理想的空載轉速隨電壓減小成正比減小，改變電壓時的人為特性是一組與固有機械特性平行的直線，如圖所示。由于受到絕緣強度的限制，電動機的額定電壓是工作電壓的上限，因此改變電壓時，只能在低于額定電壓的范圍內變化?？梢?，當負載轉矩不變時，改變電壓的大小，可以改變電動機的轉速，因此，改變電樞電壓的方法，也可用于直流電動機調速。 3）減弱勵磁磁通時的人為特性： 可以在勵磁回路中串接上電阻，或降低勵磁電壓來減弱磁通，保持時，減弱磁通的人為特性方程式為： (2-9) 圖2-5減弱勵磁磁通時特性曲線由于磁通f 的減少，使得理想空載轉速和機械特性斜率b 都增大，其特性曲線如圖所示。電機的磁通設計在磁化曲線的膝點，接近飽和點，因此一般采用減弱磁通方法，可見，當負載轉矩不變時，減弱磁通方法也可用于直流電動機調速。第3章 設計任務與要求第3章 設計任務與要求3.1設計任務隨著科學技術的不斷發(fā)展，人類社會的不斷進步，人們對生活產品的需求要不斷趨向多樣化，這就要求生產設備必須具有良好的動態(tài)性能，在不同的進行不同的操作，完成不同的任務。為了使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能必須對系統(tǒng)進行設計。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產行業(yè)，為達到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調速范圍等要求，又由于交流調速在當時尚未解決好調速控制問題，調速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標不滿足生產工藝的要求，所以當時大量使用的是直流電動機調速系統(tǒng)，尤其是直流無級調速系統(tǒng)，它具有調速性能好，范圍寬，動態(tài)性能好等優(yōu)點，特別是設計簡單方便，雖然隨著控制技術以及電力電子技術的的發(fā)展，制造工藝技術的提高，大量出現(xiàn)交流調速的傳動系統(tǒng)，但直流傳動所具有的優(yōu)點特征，至今仍大量廣泛地使用直流調速。我們本次的設計任務就是直流電動機無級調速的設計，使其能更好的為我們的生產和生活服務。3.2設計要求與性能指標要求設計要使得電動機轉速可以由零平滑調至額定轉速，能實現(xiàn)高速起動，具有較高的調速精度。1穩(wěn)態(tài)指標：無靜差2 動態(tài)指標：電流超調量i=5, 空載啟動至額定轉速時的轉速超調量n=10 ，且啟動時盡量避免電流的過大沖擊。3電機有關參數(shù)： ，電樞回路總電阻 ，電流過載倍數(shù)=1.5第4章 方案比較論證與選擇第4章 方案比較論證與選擇第4章 方案比較論證與選擇4.1調速指標簡介為了評價各種調速方法的優(yōu)缺點，對調速方法提出了一定的技術經(jīng)濟指標，通常稱為調速指標。下面先對調速指標做一簡要說明。 1靜態(tài)指標(1)調速范圍：生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母d表示，即 (3-1)(2)靜差率：負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率，即 (3-2)調壓調速系統(tǒng)的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統(tǒng)，值一定，如果對靜差率要求越嚴，即要求值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。因此一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速以上的小范圍內升速。(3)調速的平滑性：調速的平滑性是指相鄰兩級轉速的接近程度，用平滑系數(shù)y 表示，即 (3-3) 平滑系數(shù)y 越接近1，說明調速的平滑性越好。如果轉速連續(xù)可調，其級數(shù)趨于無窮多，稱為無級調速，其平滑性最好；調速不連續(xù)，級數(shù)有限，稱為有級調速。 2動態(tài)指標（1）給定輸入的跟隨性能指標一般說來，如果控制系統(tǒng)的給定信號變化方式不同，則其輸出的響應也不同。通常以輸出量的初始值為零，給定信號為單位階躍信號變化下的瞬態(tài)過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應又稱階躍響應。具體的跟隨性能指標如下：1）上升時間tr 。輸出量從零第一次上升到穩(wěn)態(tài)值c所經(jīng)過的時間，它表示動態(tài)響應的快速性。2）峰值或最大值時間tm。輸出量達到最大值c的時間。3）調節(jié)時間tmax 。又稱為瞬態(tài)過程時間，他衡量系統(tǒng)整個調節(jié)過程的快慢。從給定量階躍變化起到輸出量開始進入允許誤差帶的時間。一般取c（t）穩(wěn)態(tài)值的5%（或2%）的范圍作為允許誤差帶。4）超調量a%。輸出相應曲線的最大偏離與穩(wěn)態(tài)值得比值。超調量反應系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調量越小則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)。但同時會引起調節(jié)時間的加長。所以在一般電動機自動控制系統(tǒng)中，快速性和穩(wěn)態(tài)性往往是互相矛盾的，設計系統(tǒng)時要綜合考慮。 （2）擾動輸入的抗干擾性能指標控制系統(tǒng)在穩(wěn)定系統(tǒng)運行過程中，如果受到一個突加的擾動，使得輸出的階躍響應曲線發(fā)生變化?？垢蓴_性能指標定義如下：1）最大動態(tài)降落cmax%。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加負擾動信號后的瞬態(tài)過程中所引起的輸出量最大降落值c，稱為最大動態(tài)降落。2）回復時間tv 。從擾動作用瞬間開始，到輸出量恢復到允許范圍內（一般為距新的穩(wěn)態(tài)值5%或2%）所經(jīng)歷的時間。最大動態(tài)降落和恢復時間越小，表示抗干擾能力越強。實際控制系統(tǒng)對于動態(tài)指標的要求可能不盡相同。一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗干擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。3調速的經(jīng)濟性經(jīng)濟性包含兩方面的內容，一是指調速所需的設備投資和調速過程中的能量損耗，另一方面是指電動機調速時能否得到充分利用。一臺電動機當采用不同的調速方法時，電動機容許輸出的功率和轉矩隨轉速變化的規(guī)律是不同的，但電動機實際輸出的功率和轉矩是由負載需要所決定的，而不同的負載，其所需要的功率和轉矩隨轉速變化的規(guī)律也是不同的，因此在選擇調速方法時，既要滿足負載要求，又要盡可能使電動機得到充分利用。經(jīng)分析可知，電樞回路串電阻調速以及降低電樞電壓調速適用于恒轉矩負載的調速，而弱磁調速適用于恒功率負載的調速。4.2 總體方案論證對于直流電動機調速的方法有很多，而且各有它自己的優(yōu)點和不足。各種調速方法大致如下：1弱磁調速保持他勵直流電動機電樞電源電壓不變，電樞回路也不串接電阻，在電動機拖動負載轉矩不很大（小于額定轉矩）時，減少直流電動機的勵磁磁通，可使電動機轉速升高。他勵直流電動機帶恒轉矩負載時弱磁調速，如圖4-1所示。 從圖中可以看出，當勵磁磁通為額定值時，電動機和負載的機械特性的交點為a，轉速為n；勵磁磁通減少為時，理想空載轉速增大，同時機械特性斜率也變大，交點為，轉速為；勵磁磁通減少為時，交點為,轉速為 。弱磁調速的范圍是在額定轉速與電動機所允許最高轉速之間進行調節(jié)，至于電動機所允許最高轉速值是受換向與機械強度所限制，一般約為1.2左右，特殊設計的調速電動機，可達3或更高。單獨使用弱磁調速方法，調速的范圍不會很大。 弱磁調速的優(yōu)點是設備簡單，調節(jié)方便，運行效率也較高，適用于恒功率負載，缺點是勵磁過弱時，機械特性的斜率大，轉速穩(wěn)定性差，拖動恒轉矩負載時，可能會使電樞電流過大。 圖4-1減小磁通時特性曲線在實際電力拖動系統(tǒng)中，可以將幾種調速方法結合起來，這樣，可以得到較寬的調速范圍，電動機可以在調速范圍之內的任何轉速上運行，而且調速時損耗較小，運行效率較高，能很好地滿足各種生產機械對調速的要求。2電樞回路串電阻調速：直流電動機拖動負載運行時，保持電源電壓及勵磁電流為額定值不變，在電樞回路中串入不同值的電阻，電動機將運行于不同的轉速，如圖4-2所示，圖中的負載為恒轉矩負載。 從圖中可以看到，當電樞回路串入電阻r時，電動機的機械特性的斜率 將增大，電動機和負載的機械特性的交點將下移，即電動機穩(wěn)定運行轉速降低。 如圖4-2中串入的電阻值，交點的轉速低于交點的轉速，它們都比原來沒有外串電阻的交點a的轉速n低。電樞回路串接電阻調速方法的優(yōu)點是設備簡單，調節(jié)方便，缺點是調速范圍小，電樞回路串入電阻后電動機的機械特性變“軟”，使負載變動時電動機產生較大的轉速變化，即轉速穩(wěn)定性差，而且調速效率較低。圖4-2電樞串電阻時特性曲線3降低電樞電壓調速直流電動機的電樞回路不串接電阻，由一可調節(jié)的直流電源向電樞供電，最高電壓不應超過額定電壓。勵磁繞組由另一電源供電，一般保持勵磁磁通為額定值。電樞電源電壓不同時，電動機拖動負載將運行于不同的轉速上，如圖所示，圖中的負載為恒轉矩負載。 從圖中可以看出，當電樞電源電壓為額定值時，電動機和負載的機械特性的交點為a，轉速為n；電壓降到后，交點為，轉速為；電壓為，交點為，轉速為；電壓為，交點為，轉速為；電樞電源電壓越低，轉速也越低。同樣，改變電樞電源電壓調速方法的調速范圍也只能在額定轉速與零轉速之間調節(jié)。改變電樞電源電壓調速時，電動機機械特性的“硬度”不變，因此，即使電動機在低速運行時，轉速隨負載變動而變化的幅度較小，即轉速穩(wěn)定性好。當電樞電源電壓連續(xù)調節(jié)時，轉速變化也是連續(xù)的，所以這種調速稱為無級調速。改變電樞電源電壓調速方法的優(yōu)點是調速平滑性好，即可實現(xiàn)無級調速，調速效率高，轉速穩(wěn)定性好，缺點是所需的可調壓電源設備投資較高。這種調速方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛應用。 圖4-3降低電樞電壓時特性曲線又由于電力電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了各種的直流調壓方法，大概有以下兩種：1）使用晶閘管可控整流裝置調速 2）使用脈寬調制晶體管功率放大器基于以上特點，我們當前有3種方法可供選擇。方案1 弱磁調速 系統(tǒng)采用弱磁調速。由弱磁調速方法的特點可以看出：功率損耗小，特別是用于調節(jié)勵磁的電阻器功率小，控制方便且容易實現(xiàn)，而且更重要是可以實現(xiàn)無級調速，為生產節(jié)約了生產成本。這是它的優(yōu)點。但同時要注意到弱磁調速方法難以實現(xiàn)低速運行，以及可逆運行。只能在基速以上運行，且電動機的換向能力以及機械強度的限制，速度不能調得太高，這就限制了它的調速的范圍要求，針對我們要設計的目標調速系統(tǒng)，速度要求大約在 750r/min,很明顯這種調速方法難以做到這一點，必須要配合其他的控制方法才能實現(xiàn)，這樣成本將會升高，而且控制將會變得復雜，失去了弱磁調速本身所具有的優(yōu)點。方案2 串阻調速 系統(tǒng)采用串阻調速。這種方法最大的優(yōu)點就是實現(xiàn)原理簡單，控制電路簡單可靠，操作簡便。這種調速屬于基速以下的調速方法，可以達到生產工藝對速度的要求。但它外串電阻只能是分段調節(jié)，不能實現(xiàn)無級調速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗大，低速運行時轉速穩(wěn)定性差，容易產生張力不平穩(wěn)，難以控制，造成經(jīng)常斷帶，嚴重影響輪胎生產的效率和質量。方案3 調壓調速系統(tǒng)采用調壓調速的調速方法。這種可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調速方向是基速以下，只要輸出的電壓是連續(xù)可調的，即可實現(xiàn)電動機的無級調速，而且低速運行時的機械特性基本保持不變，所以 得到的調速范圍可以達到很寬，而且實現(xiàn)可逆運行。鑒于以上對各種調速可行性方案和調速指標的論述，本系統(tǒng)將采用調壓調速的調速方法以滿足生產工藝的要求。4.3單元電路方案論證4.3.1主電路方案論證：主電路主要是指電源裝置和執(zhí)行機構（直流電動機），由于電動機是我們的控制對象，所以在此就電源裝置進行可行性和優(yōu)越性比較論證。直流電動機的調壓調速方法有兩種，具體是：1使用脈寬調制晶體管功率放大器，即 pwm調壓調速控制。2使用晶閘管可控整流裝置調速。方案比較：（1）. pwm調壓調速電源裝置采用pwm調壓，利用的基本思想是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載到具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果相同。即慣性環(huán)節(jié)的輸出響應相同。pwm調壓調速電路中，正反組分別對電動機供電，實現(xiàn)電動機的正反轉運行。首先它需要先將交流轉換為直流，再通過h橋式電路直流斬波，調節(jié)輸出電壓的平均值。這里同樣需要邏輯控制正反組ibgt的導通與關斷，以免發(fā)生直流直通短路。這種方法雖然可以實現(xiàn)，但實現(xiàn)相對復雜，而且制動控制較為復雜，關鍵是igbt容量相對晶閘管容量小，限制了電動機的容量不能做的很大。圖4-4直流pwm調速系統(tǒng)的基本構架和電壓波形 如圖4-4，vt用開關符號表示任何一種電力電子開關器件，vd表示續(xù)流二極管，通過控制vt的導通時間來控制直流電動機的電樞的平均電壓，從而控制電動機轉速n。直流pwm調速系統(tǒng)的基本構架簡單，但電機不能反轉和制動，電流也不連續(xù)。現(xiàn)在最常用的是橋式（亦稱h性）pwm調速系統(tǒng)，其可使電動機在四個象限運行；保持電樞電流的連續(xù)性。pwm系統(tǒng)的優(yōu)點：1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高；70年代以來研制了多種“全控式”電力電子器件，如快速晶閘管、gto、mosfet、gtr、igbt，并具有開關速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅動電路簡單、驅動功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點。它們不斷完善給pwm控制技術提供了強大的物質基礎。另外，微處理器（尤其是單片機）進入直流電動機的調速系統(tǒng)，起控制器的作用。使的直流pwm調速系統(tǒng)作為一種新技術，迅速發(fā)展，日益廣泛的應用。（2） 使用晶閘管可控整流裝置調壓調速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統(tǒng)是最早應用靜止式變流裝置供電的直流電動機調速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）。如圖4-5，vt是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）代替旋轉變流機組直流電動機調速系統(tǒng)（g-m系統(tǒng)），得到了廣泛的應用。晶閘管對過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置?，F(xiàn)代的晶閘管應用技術已經(jīng)成熟，只要器件質量過關，裝置設計合理，保護電路齊備，晶閘管裝置的運行時十分可靠的。圖4-5晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）通過晶閘管的導通角的移相，改變觸發(fā)角，從而改變電壓的導通時間，改變電壓的平均值。電路特點：電路直接由交流轉換為直流，所以效率比較高。其次，整流裝置是src，容量相對igbt而言，比較大，電動機的容量就可以做的相對較大，可靠性也比較高，技術成熟等優(yōu)點。設計的對象電機系統(tǒng)的容量是125kw，可以很好地滿足容量的要求，再次，觸發(fā)電路也比較簡單，有現(xiàn)成的集成觸發(fā)電路，設計起來相對簡單。不過由于也存在正反組問題，所以也要考慮邏輯控制問題，以免發(fā)生環(huán)路導通短路事故。綜上所述，綜合考慮比較兩者的優(yōu)缺點，可調電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調壓調速。4.3.2控制電路方案論證：對電動機轉速的控制調節(jié)方法有幾種控制策略方法：1采用單環(huán)的速度反饋調節(jié)加上截止負反饋的方法2采用雙閉環(huán)速度電流調節(jié)方法方案論證：（1）采用單環(huán)的速度反饋調節(jié)加上電流截止負反饋方法，實現(xiàn)比較方便，快捷，成本低，而且系統(tǒng)調試等很簡單。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小，它就難以滿足要求。單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但是它只能在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動電流和轉速波形如圖4-6a所示，起動電流突破以后，受電流負反饋的作用，電流只能再高一點，經(jīng)過某一最大值后，就降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。（2）采用雙閉環(huán)速度電流調節(jié)方法，這種方法雖然初次頭次成本相對而言較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對生產工藝要求