直流電機(jī)不可逆單閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).doc

湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱(chēng) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 課題名稱(chēng) 直流電機(jī)不可逆單閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)專(zhuān) 業(yè) 自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2013年 9 月 13 日湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 課程名稱(chēng)： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)題目：直流電機(jī)不可逆單閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師： 審 批： 任務(wù)書(shū)下達(dá)日期 2013年 9月 2日設(shè)計(jì)完成日期 2013年 9月 13日 設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求一、設(shè)計(jì)內(nèi)容：1 電路功能：1） 用晶閘管整流實(shí)現(xiàn)直流調(diào)壓，控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器構(gòu)成單閉環(huán)控制系統(tǒng)。2） 電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：整流電路及保護(hù)電路?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：觸發(fā)電路、電壓電流檢測(cè)單元、調(diào)節(jié)器電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與故障保護(hù)電路。3） 主電路電力電子開(kāi)關(guān)器件采用晶閘管。4） 系統(tǒng)具有完善的保護(hù)2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設(shè)計(jì)與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計(jì)算及選型4. 控制電路設(shè)計(jì)與分析1） 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)2） 功能單元電路設(shè)計(jì)3） 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)4） 調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)要求：1設(shè)計(jì)思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)框圖；2. 單元電路設(shè)計(jì)，給出具體設(shè)計(jì)思路和電路；3. 分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析。4. 繪制總電路圖5. 寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告； 主要設(shè)計(jì)條件1 設(shè)計(jì)依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入輸出電壓：三相（ac）220（1+15%）、2） 最大輸出電壓dc300v、電流根據(jù)電機(jī)功率予以選擇3） 要求電機(jī)能實(shí)現(xiàn)單向無(wú)級(jí)調(diào)速，穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)d=10,靜差率s5%。4） 電機(jī)型號(hào)電機(jī)型號(hào)z2-71 ,功率10kw,額定電壓為220v,額定電流為55a,額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，飛輪力矩為1.0kg*m2,效率為=83%，電樞電阻ra=0.5。 2. 可提供實(shí)驗(yàn)與仿真條件 說(shuō)明書(shū)格式1 課程設(shè)計(jì)封面；2 任務(wù)書(shū)；3 說(shuō)明書(shū)目錄；4 設(shè)計(jì)總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設(shè)計(jì)（各單元電路圖）；6 實(shí)驗(yàn)調(diào)試或仿真、實(shí)驗(yàn)波形記錄及分析等。7 總結(jié)與體會(huì)；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻(xiàn)；10、課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分表 進(jìn) 度 安 排 第一周 星期二:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期三:總體電路方案確定 星期四:主電路設(shè)計(jì)星期五:控制電路設(shè)計(jì) 星期六:控制電路設(shè)計(jì)；第二周 星期一: 控制電路設(shè)計(jì)星期二：電路原理及波形分析、實(shí)驗(yàn)調(diào)試及仿真等星期四五:寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙； 星期五下午:答辯及資料整理參 考 文 獻(xiàn)1陳伯時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社，2008 2王兆安 黃俊電力電子技術(shù)（第4版）機(jī)械工業(yè)出版社，20003莫正康電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）機(jī)械工業(yè)出版社，20004鄭瓊林 耿學(xué)文電力電子電路精選機(jī)械工業(yè)出版社，19965劉定建 朱丹霞實(shí)用晶閘管電路大全機(jī)械工業(yè)出版社，19966劉祖潤(rùn) 胡俊達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，19957劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)校內(nèi)，19998. 劉星平. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，校內(nèi)，2009目錄摘要6第1章 控制系統(tǒng)的概述71.1轉(zhuǎn)速控制調(diào)速指標(biāo)與要求71.2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)81.3電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)91.4 vm晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)10第2章 總體方案的論證比較122.1 總體方案的設(shè)計(jì)122.2 主電路方案的論證比較142.2.1 pwm調(diào)壓調(diào)速方案142.2.2 使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速15第3章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程 18第4章主電路設(shè)計(jì) 194.1主電路工作設(shè)備選擇 19第5章控制電路設(shè)計(jì) 21第6章 調(diào)試 24總結(jié)與體會(huì) 26參考文獻(xiàn) 27附 錄28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，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（主要包括單閉環(huán)、雙閉環(huán)）。而在對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)即可。閉環(huán)系統(tǒng)較之開(kāi)環(huán)系統(tǒng)能自動(dòng)偵測(cè)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(duì)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性不能夠滿(mǎn)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。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(duì)晶閘管和電機(jī)的調(diào)試是非常重要的部分。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能 ；穩(wěn)定性；開(kāi)環(huán)；閉環(huán)負(fù)反饋；靜差第1章 控制系統(tǒng)概述1.1 轉(zhuǎn)速控制調(diào)速指標(biāo)與要求直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以應(yīng)該首先掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做 “調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個(gè)指標(biāo)合成調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nn作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為nn，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即s=nnn0min=nnnmin+nn，于是，最低轉(zhuǎn)速為nmin=(1-s)nns，而調(diào)速范圍為d=nnnmin，將上式的nmin式代入，得d=nnsnn(1-s)，表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所滿(mǎn)足的關(guān)系。晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓uc就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求，例如龍門(mén)刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時(shí)負(fù)載大校場(chǎng)有波動(dòng)，但是，為了保證共建的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過(guò)程中的速度卻必須穩(wěn)定，也就是說(shuō)，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍d=2030，靜差率s5%。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍d=310時(shí)，保證靜差率s0.2%0.5%。在這些情況下，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足要求。任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)消速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載使得允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：1）調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地或平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。2）穩(wěn)速。以一定的精度再說(shuō)需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。3）加、減速。自動(dòng)設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)效率，不易經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。1.2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)tg，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓un，與給定電壓un*相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓un，經(jīng)過(guò)放大器a，產(chǎn)生電力電子變換器upe所需的控制電壓uc，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。晶閘管裝置常用于特大容量系統(tǒng)。其原理框圖如圖1所示。圖1 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被挑梁出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的裝束偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。1.3電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)被調(diào)量的負(fù)反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本反饋形式，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是要用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。但是，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，例如前述的測(cè)速發(fā)電機(jī)，以及數(shù)字測(cè)速用的光電編碼盤(pán)、電磁脈沖測(cè)速器等等，其安裝和維護(hù)都比較麻煩，常常是系統(tǒng)裝置中可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，因此，對(duì)于調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以用更方便的電壓反饋形式來(lái)代替測(cè)速反饋。電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能比帶同樣放大器的轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)要差些。在實(shí)際系統(tǒng)中，為了盡量減小靜態(tài)速降，電壓負(fù)反饋信號(hào)的引出線應(yīng)盡量靠近電動(dòng)機(jī)電樞兩端。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不很低時(shí)，電樞電阻壓降比電樞端電壓要小得多，因此可以認(rèn)為，直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與端電壓近似相等，或者說(shuō)，電機(jī)轉(zhuǎn)速語(yǔ)段電壓成正比。在這種情況下，采用電壓負(fù)反饋就能基本上代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用了，而監(jiān)測(cè)電壓顯然要比檢測(cè)轉(zhuǎn)速方便得多。原理框圖見(jiàn)圖2。圖中作為反饋檢測(cè)元件的只是一個(gè)起分壓作用的電位器，電壓反饋信號(hào)為uu=ud，圖3所示是比例控制的電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，電壓負(fù)反饋取自電樞端電壓ud，為了在結(jié)構(gòu)圖上把ud顯示出來(lái)，須把電樞總電阻r分成兩個(gè)部分，即r=rpe+ra。式中rpe為電力電子變換器內(nèi)阻，ra為電動(dòng)機(jī)電樞電阻。圖2 電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.4 vm晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)常用的調(diào)速方式，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱(chēng)g-m系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱(chēng)v-m系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dv/dt與di/dt 都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件；由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。 v-m系統(tǒng)價(jià)格低廉，在對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的情況下，性能能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，所以本次系統(tǒng)選用v-m系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖3。圖3 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中vt是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門(mén)極電流可以直接用電子控制，不再像直流發(fā)電機(jī)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(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。v-m系統(tǒng)本質(zhì)上是帶r、l、e負(fù)載的晶閘管可控整流電路，結(jié)合分析和設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)的需要，v-m系統(tǒng)的主要問(wèn)題可歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：觸發(fā)脈沖相位控制；電流脈沖及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；抑制電流脈動(dòng)的措施；v-m系統(tǒng)的機(jī)械特性；晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。第2章 總體方案的論證比較2.1 總體方案的設(shè)計(jì)對(duì)于直流電動(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(guò)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?。?。特點(diǎn)：保持電源電壓為恒定的額定值，通過(guò)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(lái)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(wú)級(jí)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(jiǎn)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(wú)級(jí)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(duì)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(guò)程的加速轉(zhuǎn)矩和沖擊電流對(duì)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，將電視兩端的電壓，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(wú)級(jí)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(duì)于可調(diào)的直流電源成本投資相對(duì)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)。基于以上的特點(diǎn)，當(dāng)前有3種方法可供選擇。方案一：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(wú)級(jí)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(duì)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)。方案二：串聯(lián)電阻調(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(jiǎn)單，控制電路簡(jiǎn)單可靠，操作簡(jiǎn)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(duì)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(wú)級(jí)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。方案三：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(wú)級(jí)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(duì)各種調(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(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。2.2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(duì)象，所以就對(duì)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。2.2.1 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4 用pwm波代替正弦波圖5 pwm調(diào)壓電路2.2.2使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速通過(guò)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6 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(duì)igbt而言，比較大，電動(dòng)機(jī)的容量就可以做的相對(duì)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(duì)象電機(jī)的容量是3kw，可以很好地滿(mǎn)足容量的要求，再次，觸發(fā)電路也比較簡(jiǎn)單，有現(xiàn)成的集成觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。不過(guò)由于也存在正反兩組的問(wèn)題，所以也要考慮邏輯控制問(wèn)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)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。控制電路方案的論證比較：對(duì)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(jiǎn)單。但是此方法又有其缺點(diǎn)，在啟動(dòng)過(guò)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(guò)程，不能簡(jiǎn)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(guò)程。由于直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)或過(guò)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電流，這樣大的電流會(huì)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(guò)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(guò)電流情況下起電流負(fù)反饋?zhàn)饔?。為此，可以通過(guò)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(guò)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(duì)較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝要求的滿(mǎn)足，它既兼顧了啟動(dòng)時(shí)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程，又保證了穩(wěn)態(tài)后的穩(wěn)定性，在起動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)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(mǎn)足生產(chǎn)需要。第3章單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程突加給定電壓后，經(jīng)過(guò)調(diào)解器的跟隨作用，、和都跟隨著上升，但是在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)以后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而電勢(shì)反饋環(huán)節(jié)的偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到，。此時(shí)，電勢(shì)反饋不起作用，電流恒定，系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長(zhǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，電壓反饋的偏差可能減小到零，但放大環(huán)節(jié)的滯后使得電動(dòng)機(jī)仍在加速，使時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)。此時(shí)，電壓反饋偏差變負(fù)，但直到，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速n才達(dá)到峰值。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定。當(dāng)然，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的不夠好，將會(huì)有一段震蕩過(guò)程。需要注意的是，電動(dòng)勢(shì)反饋調(diào)速只能保證較好的啟動(dòng)性能。在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車(chē)。這即是調(diào)速系統(tǒng)的不可逆性。第4章主電路設(shè)計(jì)4.1主電路工作設(shè)備選擇電動(dòng)機(jī)參數(shù)：pn=10kw, nn=1000rpm,un=220v,in=55a,ra=0.5 。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(cè)速反饋系數(shù) =0.07。調(diào)速指標(biāo)：d=10，s=5%。變壓器的副邊電壓的確定：因?yàn)閡n=220v，整定的范圍在30150之間，所以由三相全控整流公式：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55a，即最大電流為：imax=55a.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%。則電樞需要串入的電樞電抗大小可以算為： （其中l(wèi)a為電樞的固有電抗值）第5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(kāi)環(huán)系統(tǒng)獲得更硬的機(jī)械特性，而且靜差率比開(kāi)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(lài)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變換器的最大輸出電壓udm。對(duì)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(mǎn)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(kāi)環(huán)放大系數(shù) 先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 則開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降為 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)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(kāi)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=9。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=920=180k。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)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(wú)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)該按典型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖可以明顯地看出，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中 kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)；這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為令n=htn，h=5，n=htn=50.515=2.573 s則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為第6章 調(diào) 試1移相觸發(fā)電路的調(diào)試（主電路未通電）（a）用示波器觀察mcl33（或mcl53，以下同）的雙脈沖觀察孔，應(yīng)有雙脈沖，且間隔均勻，幅值相同；觀察每個(gè)晶閘管的控制極、陰極電壓波形，應(yīng)有幅值為1v2v的雙脈沖。（b）觸發(fā)電路輸出脈沖應(yīng)在3090范圍內(nèi)可調(diào)。可通過(guò)對(duì)偏移電壓調(diào)節(jié)單位器及asr輸出電壓的調(diào)整實(shí)現(xiàn)。例如：使asr輸出為0v，調(diào)節(jié)偏移電壓，實(shí)現(xiàn)=90；再保持偏移電壓不變，調(diào)節(jié)asr的限幅電位器rp1，使=30。2求取調(diào)速系統(tǒng)在無(wú)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋時(shí)的開(kāi)環(huán)工作機(jī)械特性。a斷開(kāi)asr的“3”至uct的連接線，g（給定）直接加至uct，且ug調(diào)至零，直流電機(jī)勵(lì)磁電源開(kāi)關(guān)閉合。b合上主控制屏的綠色按鈕開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使uuv、uvw、uwu=200v。注：如您選購(gòu)的產(chǎn)品為mcl、，無(wú)三相調(diào)壓器，直接合上主電源。以下均同。c調(diào)節(jié)給定電壓ug，使直流電機(jī)空載轉(zhuǎn)速n0=1500轉(zhuǎn)/分，調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)加載旋鈕（或直流發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻），在空載至額定負(fù)載的范圍內(nèi)測(cè)取78點(diǎn)，讀取整流裝置輸出電壓ud，輸出電流id以及被測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。id（a）0.1620.420.430.450.50.50.50.6ud（v）222185186185185184183182n（r/min）150011001100110011001100110010503帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差工作的系統(tǒng)靜特性a斷開(kāi)g（給定）和uct的連接線，asr的輸出接至uct，把a(bǔ)sr的“5”、“6”點(diǎn)短接。b合上主控制屏的綠色按鈕開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)uuv，uvw，uwu為200伏。c調(diào)節(jié)給定電壓ug