課程設(shè)計(jì)——單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) (1)

1、- 1 -單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄第一章中文摘要- 1 -第二章英文摘要- 1 -第三章課程設(shè)計(jì)的目的和意義- 2 -1電力拖動(dòng)簡介- 2 -2.課程設(shè)計(jì)的目的和意義- 3 -第四章課程設(shè)計(jì)內(nèi)容- 3 -第五章方案確定- 4 -5.1方案比較的論證- 4 -5.1.1總體方案的論證比較- 4 -5.1.2主電路方案的論證比較- 6 -5.1.3控制電路方案的論證比較- 7 -第六章主電路設(shè)計(jì)- 8 -6.1主電路工作設(shè)備選擇- 8 -第七章控制電路設(shè)計(jì)- 9 -第八章結(jié)論- 12 -第九章參考文獻(xiàn)- 12 - 11 -第一章中文摘要摘要：為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，通常采用閉

2、環(huán)控制系統(tǒng)（主要包括單閉環(huán)、雙閉環(huán)）。而在對調(diào)速指標(biāo)要求不高的場合，采用單閉環(huán)即可。閉環(huán)系統(tǒng)較之開環(huán)系統(tǒng)能自動(dòng)偵測把輸出信號(hào)的一部分拉回到輸入端，與輸入信號(hào)相比較，其差值作為實(shí)際的輸入信號(hào)；能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入量，能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在對調(diào)速系統(tǒng)性能有較高要求的領(lǐng)域常利用直流電動(dòng)機(jī)，但直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性不能夠滿足要求，可利用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)靜差，可采用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。課程設(shè)計(jì)是我們在校期間的一次綜合訓(xùn)練，它將從思方法、理論知識(shí)以及動(dòng)手能力方面給予我們嚴(yán)格的要求。使我們綜合能力有一個(gè)整體的提高。它不但使我們鞏固了本專業(yè)所學(xué)

3、的知識(shí)，還使我們了解、熟悉了國家能源開發(fā)策略和有關(guān)的技術(shù)規(guī)程、規(guī)范以及各種設(shè)備的圖形、符號(hào)等。它將為我們以后的學(xué)習(xí)、工作打下良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)主要介紹了單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的方案比較及其確定，主電路設(shè)計(jì)控制電路等。設(shè)計(jì)的內(nèi)容符合國家有關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策，包括可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面。該設(shè)計(jì)為單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=3KW, nN=1500rpm, UN=220V, IN=17.5A, Ra=1.25。主回路總電阻R=2.5，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.017s, 機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.075s。 三相橋式整流電路，Ks=40。測速反饋系數(shù) =0.07。調(diào)速指標(biāo)：D=30，S=10%。

4、本次設(shè)計(jì)中進(jìn)行了計(jì)算，主要設(shè)備調(diào)試，關(guān)于主電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)部分，對晶閘管和電機(jī)的調(diào)試是非常重要的部分。計(jì)算書部分通過數(shù)據(jù)的形式對設(shè)計(jì)的要求和需要的參考價(jià)值等以直觀的描述。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能 ；穩(wěn)定性；開環(huán)；閉環(huán)負(fù)反饋；靜差第三章課程設(shè)計(jì)的目的和意義1電力拖動(dòng)簡介電力拖動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)使之運(yùn)轉(zhuǎn)的一種方法。由于各種生產(chǎn)機(jī)械的工作性質(zhì)和加工工藝不同，對電動(dòng)機(jī)的控制要求也不同。要使電動(dòng)機(jī)按照生產(chǎn)機(jī)械的要求正常、安全、高效、節(jié)能地運(yùn)轉(zhuǎn)，必須配備由一定的電器組成的控制線路。電力拖動(dòng)控制線路課程特點(diǎn)是：（1）理論系統(tǒng)性強(qiáng)，前后連貫緊密，教學(xué)目標(biāo)明確；（2）實(shí)踐性強(qiáng)，技能訓(xùn)練與生

5、產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，是理論教學(xué)直觀有效的反饋評價(jià)途徑。2.課程設(shè)計(jì)的目的和意義1）了解單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，組成及其各主要單元部件的原理。2）掌握晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的一般調(diào)速過程。3）認(rèn)識(shí)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的基本特性。4）掌握交、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理、運(yùn)行特性。5）掌握交、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的基本理論和計(jì)算方法。6）了解選擇電動(dòng)機(jī)的原則和方法。7）學(xué)習(xí)低壓電器基礎(chǔ)知識(shí)，具備使用有關(guān)手冊，圖表資料的初步能力。8）學(xué)會(huì)分析電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，各種運(yùn)行狀態(tài)及控制特性，掌握它們的基本原理和相應(yīng)計(jì)算方法。9）掌握電力拖動(dòng)控制理論和線路分析方法，具備排

6、除一般故障的能力。10）通過實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)，深化專業(yè)理論，增強(qiáng)動(dòng)手能力，具備初步的電力拖動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試能力。第四章課程設(shè)計(jì)內(nèi)容電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=3KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路總電阻R=2.5 ，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.017s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.075s。三相橋式整流電路，Ks=40。測速反饋系數(shù) =0.07。調(diào)速指標(biāo)：D=30，S=10%。其主要內(nèi)容包括：方案確定；主電路設(shè)計(jì)；控制電路設(shè)計(jì)；繪制原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖；調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；繪制校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。第五章方案確定5.1方案比較的論證5.1.1總體方案的論證比較對于直流

7、電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有很多，而其各有它自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。各種調(diào)速方法可大致歸納如下：（）弱磁調(diào)速 通過改變勵(lì)磁線圈中的電壓Uf，使磁通量改變（Uf增大，磁通量增大；Uf增小，磁通量增小）。特點(diǎn)：保持電源電壓為恒定的額定值，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電流大小，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法屬于基速以上的恒功率調(diào)速的方法。在電流較小的勵(lì)磁回路內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此控制起來比較方便，功率損耗小，用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁的電阻器功率小，控制方便且容易實(shí)現(xiàn)，而其更重要的是此方法可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但由于電動(dòng)機(jī)的換向有限以及機(jī)械強(qiáng)度的限制，速度不能調(diào)節(jié)得太高，從而電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍也就受到了限制。（）串聯(lián)電阻調(diào)速 即在電樞

8、回路中串入一個(gè)電阻，其阻值的大小根據(jù)實(shí)際需要而定，使電動(dòng)機(jī)特性變軟，特點(diǎn)：在保持電源電壓和氣隙磁通為額定值，在電樞回路中串入不同阻值的電阻時(shí)，可以得到不同的人為機(jī)械特性曲線，由于機(jī)械特性的軟硬度，即曲線斜率的不同，在同一負(fù)載下改變不同的電樞電阻可以得到不同的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)速的目的，屬于基速以下的調(diào)速方法。這種方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，而其成本較低，單外串電阻只能是分段調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而其電阻在一定程度上要消耗能量，功率損耗大，低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差，只能適應(yīng)對調(diào)速要求不高的中小功率型電動(dòng)機(jī)。（）調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 電機(jī)降壓起動(dòng)是為了避免高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流峰值,減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的加速轉(zhuǎn)矩和

9、沖擊電流對工作機(jī)械、供電系統(tǒng)的影響。特點(diǎn)：在保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值的情況下，電樞回路不串入電阻的值時(shí)視兩端的電壓，即電源電壓降低為不同的值時(shí)，可以獲得與電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性相互平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速 方向是基速以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級平滑調(diào)速，而且低速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性基本保持不變。所以得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很高，而且能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。但對于可調(diào)的直流電源成本投資相對其他方法較高。又由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種的直流調(diào)壓方法，可分為如下兩種：1）使用晶閘管可控整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)；2）使用脈寬調(diào)制的晶體管功率放大器調(diào)速系統(tǒng)?；谝陨系?/p>

10、特點(diǎn)，當(dāng)前有3種方法可供選擇。方案 弱磁調(diào)速系統(tǒng)采用弱磁調(diào)速。由于弱磁調(diào)速方法的特點(diǎn)可以看出：功率損耗小，特別是用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁的電阻器功率小，控制方便而其容易實(shí)現(xiàn)，更重要的是可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，為生產(chǎn)節(jié)約了生產(chǎn)成本。這是它的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)要注意到弱磁調(diào)速方法難以實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行，以及可逆運(yùn)行。只能在基速以上運(yùn)行，且電動(dòng)機(jī)的換向能力以及機(jī)械強(qiáng)度的限制，速度不能調(diào)得太高，這就限制了它的調(diào)速范圍的要求，針對我們要設(shè)計(jì)的目標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)，速度要求在1500r/min，很明顯這種調(diào)速方法難以做到，必須要配合其他的控制方法才能實(shí)現(xiàn)，這樣成本將會(huì)升高，而且控制將會(huì)變得復(fù)雜，失去了弱磁調(diào)速本身所具有的優(yōu)點(diǎn)。方案 串聯(lián)電

11、阻調(diào)速系統(tǒng)采用串聯(lián)電阻調(diào)速。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)原理簡單，控制電路簡單可靠，操作簡便。這種調(diào)速屬于基速以下的調(diào)速方法，可以達(dá)到生產(chǎn)工藝對速度的要求。但它外串電阻只能是分段調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗比較大，低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生張力不平穩(wěn)，難以控制。方案 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)電樞電壓的調(diào)速方法。這種可以獲得與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性相平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速方向是基速以下只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級平滑調(diào)速，而且低速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性基本上保持不變所以得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很寬，而且可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。鑒于以上對各

12、種調(diào)速可行性方案的論述本，本系統(tǒng)將采用調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速方法以滿足生產(chǎn)工藝的要求。5.1.2主電路方案的論證比較主電路主要是指電源裝置和執(zhí)行裝置（直流電動(dòng)機(jī)），由于電動(dòng)機(jī)是我們的控制對象，所以就對電源裝置進(jìn)行可行性和優(yōu)越性的比較論證。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有兩種，具體為：1）使用脈沖寬度調(diào)制晶體管功率放大器，即采用PWM的調(diào)壓調(diào)速控制；2）使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速。一、PWM調(diào)壓調(diào)速方案電源裝置采用PWM調(diào)壓，其基本思想是：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(shí)，其效果相同。即慣性環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)是相同的。SPWM波形脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，可表示如下。圖1

13、用PWM波代替正弦波圖2 PWM調(diào)壓電路二、使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速通過晶閘管的導(dǎo)通角的移相，改變觸發(fā)角，從而改變電壓的導(dǎo)通時(shí)間，改變電壓的平均值。電路如下：圖3 晶閘管可控整流裝置電路電路特點(diǎn)：電路直接由交流轉(zhuǎn)換為直流，所以效率比較高。其次，整流裝置時(shí)SRC，容量相對IGBT而言，比較大，電動(dòng)機(jī)的容量就可以做的相對較大，可靠性也比較高，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的對象電機(jī)的容量是3KW，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(shè)計(jì)起來相對簡單。不過由于也存在正反兩組的問題，所以也要考慮邏輯控制問題，以免發(fā)生環(huán)路導(dǎo)通短路事故。綜上所述，綜合考慮比較兩者的優(yōu)點(diǎn)，可調(diào)

14、電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調(diào)壓調(diào)速。5.1.3控制電路方案的論證比較對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制調(diào)節(jié)方法有幾種控制方法：（1）才用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋的方法；（2）采用雙閉環(huán)的速度、電流反饋控制調(diào)節(jié)方法。方案論證：1) 采用才用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋的方法，能實(shí)現(xiàn)比較方便，快捷，成本低，而且系統(tǒng)調(diào)試等簡單。但是此方法又有其缺點(diǎn)，在啟動(dòng)過程總系統(tǒng)是非線性的，而且是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，不能簡單地將最大負(fù)荷時(shí)的電流值定為電流截止負(fù)反饋的限制值，這將影響電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，而且難以把握電流的動(dòng)態(tài)過程。由于直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)或過載時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電流，這樣大的電流會(huì)

15、燒壞晶閘管元件和電機(jī)，因而要加以限制。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入哪個(gè)物理量的負(fù)反饋。系統(tǒng)中若引入電流負(fù)反饋，雖然電流不會(huì)過大，但是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中如果存在電流負(fù)反饋，將會(huì)使靜特性變軟，影響調(diào)速精度，而這又是我們希望避免的。如果能做到電流負(fù)反饋在正常運(yùn)行時(shí)不起作用，而在過電流情況下起電流負(fù)反饋?zhàn)饔?。為此，可以通過一個(gè)電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過某個(gè)允許值時(shí)才起作用，這就是電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2）采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法，這種方法雖然成本相對較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對生產(chǎn)工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動(dòng)時(shí)電流的

16、動(dòng)態(tài)過程，又保證了穩(wěn)態(tài)后的穩(wěn)定性，在起動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，能很好的滿足生產(chǎn)需要。第六章主電路設(shè)計(jì)6.1主電路工作設(shè)備選擇電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=3KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路總電阻R=2.5 ，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.017s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.075s。三相橋式整流電路，Ks=40。測速反饋系數(shù) =0.07。調(diào)速指標(biāo)：D=30，S=10%。變壓器的副邊電壓的確定：因?yàn)閁N=220V，整定的范圍在30°150°之間，所以油三相全控整流公

17、式：UD=2.34U2cos,當(dāng)在30°時(shí)又最大值，算出U2=108.5V，所以可以選擇U2=120V。晶閘管參數(shù)的計(jì)算：由于電動(dòng)機(jī)電流的大小為17.5A，即最大電流為：Imax=17.5A.又由整流輸出的電壓Ud=UN=220V，進(jìn)線的線電壓是120V。由電路分析可知，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器的二次線電壓的電壓峰值。即有晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即考慮安全性裕量，選擇電壓裕量為2倍的關(guān)系，電流裕量選為1.5倍的關(guān)系，所以工作的晶閘管的額定電壓容量的參數(shù)可選擇為：電樞回路的平波電抗器的計(jì)算：電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)保證電流連續(xù)，取此時(shí)的電流為額定電流的5%10%。則電樞需

18、要串入的電樞電抗大小可以算為： （其中La為電樞的固有電抗值）第七章控制電路設(shè)計(jì)控制電路采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制，采用閉環(huán)系統(tǒng)可以比開環(huán)系統(tǒng)獲得更硬的機(jī)械特性，而且靜差率比開環(huán)是小得多，并且在靜差率一定時(shí)，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。但在閉環(huán)式必選設(shè)置放大器。如果只采用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍然是有靜差的，這樣的系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)，它依賴于被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制，而反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定，但反饋控制系統(tǒng)所能抑制的知識(shí)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)。調(diào)節(jié)器的輸出限幅值的確定：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定電流給定電壓的最大值，其輸出決定了電力電子

19、變換器的最大輸出電壓Udm。對于本系統(tǒng)：設(shè)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定時(shí)的給定電壓為+7.5V，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出最大限幅值為±5V，Ks=40。1> 為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為2> 求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù) 先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢系數(shù) 則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為3> 計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K41.22，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)為實(shí)取Kp=2。運(yùn)算放大器的參數(shù)選取為：根據(jù)所用運(yùn)算放大器的型號(hào)取R0=20K，則R1=KpR0=2×20=40K。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，從圖可以看出，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)以后，已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，故從靜態(tài)無差考慮需要型系統(tǒng)。從動(dòng)態(tài)性能上看，考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能是一致的，而典型型系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。所以，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該