直流電力拖動系統(tǒng)設計

1、江西理工大學應用科學學院課程設計前言直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。近年來，高性能交流調(diào)速技術發(fā)展很快，交流調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而，直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。第一章 設計任務分析1.1課題的內(nèi)容與要求某型銑床采用鑲齒鋸片銑刀，

2、驅(qū)動電機采用直流電動機，銑刀最大直徑500mm，最小直徑100mm，銑刀允許最大切削速率20m/s，最高切削速度下最大許用切削力500N，銑刀最大許用切削力矩500N*M，銑刀卡盤、聯(lián)動軸和銑刀飛輪矩為75N*m2。試設計此拖動系統(tǒng)，要求切削速率1-20m/s無級可調(diào)，設定速度后空載到最大吃刀深度速度波動小于10%。銑床工作現(xiàn)場有三相四線制380V交流電源，100A空開保護，最大電壓波動，通風良好，環(huán)境干燥，無粉塵，現(xiàn)場無防爆要求。1.2系統(tǒng)的概述與分析根據(jù)課題的要求該系統(tǒng)對電機的轉(zhuǎn)速控制采用無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)進行控制。無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速負反饋、電壓負反饋、電流正反饋、附加電流正反

3、饋的電壓負反饋等幾種直流調(diào)速系統(tǒng)。無 靜差直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1.1所示： 圖1.1 采用比例積分調(diào)節(jié)器以實現(xiàn)無靜差，采用電流截止負反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號Ui。當電流超過截止電流Idcl時，Ui高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體管VBT導通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓U d急劇下降，達到限流的目的。當電動機電流低于其截止值時，系統(tǒng)結構框圖如圖1.2所示：圖1.2 第二章 電力拖動系統(tǒng)的性能指標分析電力拖動系統(tǒng)拖動的工藝設備總是對電力拖動系統(tǒng)提出一定的性能指標要求，包括技術性指標、可靠性指標、經(jīng)濟性指標

4、等方面的指標。技術性指標作為電力拖動系統(tǒng)設計的主要遵循指標，主要包括了電力拖動系統(tǒng)的機械特性、轉(zhuǎn)速指標及調(diào)速性能等方面。這些指標是設計電力拖動系統(tǒng)必須首先予以明確的。2.1機械特性對于拖動生產(chǎn)設備的電力拖動系統(tǒng)，只有當電動機與負載的機械特性配合適當，系統(tǒng)才能正常的運行。所以電力拖動系統(tǒng)的機械特性必須根據(jù)負載的轉(zhuǎn)矩特性加以選定、設計，于是我們必須首先明確拖動對象的轉(zhuǎn)矩特性。負載的轉(zhuǎn)矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。根據(jù)統(tǒng)計分類一般分類為三類：（1）恒轉(zhuǎn)矩負載特性（2）恒功率負載特性（3）泵與風機類負載特性以上三類負載機械特性是從各種實際負載中概括出來的典型化的負載機械特性，實際負載機械特

5、性可能是以某種典型特性為主的幾種典型特性的組合。如果拖動對象的負載特性沒有給出，則需要通過分析、實驗等方法求取，具體方法可查閱相關文獻。當拖動對象的負載特性確定后，電力拖動系統(tǒng)能夠工藝設備正常工作的必要條件和充分條件是：1.必要條件: 電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性有交點,即存在=2.充分條件: 在交點處滿足 <?；蛘哒f，在交點的轉(zhuǎn)速以上存在<,在交點的轉(zhuǎn)速以下存在> 。 由此，我們可大致解算出電力拖動系統(tǒng)需要具有的基本參數(shù)，包括選用電動機應該具有的輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率、最大轉(zhuǎn)速和拖動系統(tǒng)的人為機械特性。2.2調(diào)速特性任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要

6、求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運行變到反轉(zhuǎn)運行的時間間隔，突加或突減負載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運行時停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標我們給出調(diào)速范圍和靜差率的定義，這是

7、電力拖動系統(tǒng)的主要穩(wěn)態(tài)特性指標：調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 (2-1)其中和一般都是指在電動機額定負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如，精密磨床，也可以用實際負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。靜差率：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉(zhuǎn)速降落 ，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即(2-2)顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小， 轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調(diào)速工程中，若額定速

8、降相同，則轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設計要求，則高速時的靜差率就更滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。 2.2.2 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。1、跟隨指標 常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。（1）上升時間 表

9、示動態(tài)響應的快速性。（2）超調(diào)量 反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)越小，相對穩(wěn)定性越好。（3）調(diào)整時間 它衡量整個輸出量調(diào)節(jié)過程的快慢，反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。2、抗擾動指標 控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加一個使輸出量降低的擾動量以后，輸出量由降低到恢復的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時間。（1）動態(tài)降落：調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落。最大動態(tài)速降nmax反映了系統(tǒng)抗干擾的能力和穩(wěn)定性。（2）恢復時間：反映系統(tǒng)的抗擾能力?？傊话銇碚f，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。擾動的來源可能包括以下方面，所有這些

10、因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。（1）負載變化的擾動（使Id變化）；（2）交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；（3）電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce 變化 ）；（4）放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；（5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；（6）檢測誤差的擾動（使a變化） 。 以上這些動、穩(wěn)態(tài)指標為設計電力拖動系統(tǒng)的結構方案、控制方案、調(diào)節(jié)器形式及調(diào)節(jié)器參數(shù)校正提供了依據(jù)，為系統(tǒng)的調(diào)試、評價提供了標準。第3章 電動機的選擇3.1 電動機種類的選用電力拖動系統(tǒng)是應用電動機來拖動生產(chǎn)機械工作的，由于生產(chǎn)機械種類繁多，工藝要求不一，因而作為驅(qū)動用電動機的種類也很多。按電流種類分，有直流電動機

11、和交流電動機，交流電動機又有異步電動機和同步電動機兩種。電動機的主要種類可表示為表1。表1 電動機的分類為了合理選用電動機種類，應同時考慮兩個方面的問題：一是電動機的性能，例如機械特性、起動性能和調(diào)速性能等；二是要知道生產(chǎn)工藝的特點，要使所選電動機的性能滿足生產(chǎn)機械的工藝要求，具體可從下列幾方面考慮。3.1.1 電動機的機械特性電動機的機械特性，是指電動機的轉(zhuǎn)速 n 與轉(zhuǎn)矩 T 的關系，即 n = f（T），其中，轉(zhuǎn)矩 T 是指電磁轉(zhuǎn)矩。電動機的機械特性決定其穩(wěn)定運行、起動、制動和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的工作情況。電動機的機械特性的一個重要指標是機械特性的硬度，它表示轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩改變而變化的程度，通常用硬度系

12、數(shù)表示。特性曲線上任一點的硬度系數(shù)的定義是該點的轉(zhuǎn)矩變化百分數(shù)與轉(zhuǎn)速變化百分數(shù)之比，即 （3-1） 按機械特性的硬度，可把電動機的機械特性分為三類如圖3.1所示：圖3.1（1）絕對硬的機械特性。當轉(zhuǎn)矩改變時，轉(zhuǎn)速不變，如圖3.1中的曲線 1所示。同步電動機即具有這種特性，它的2硬度系數(shù)= 。（2）硬的機械特性。轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩而變化，但改變程度不大，如圖 3.1中的曲線 2所示。直流他勵電動機和異步電動機正常工作部分的特性均屬于此類，其值為 10 40，硬度系數(shù)在直線的機械特性上為一常數(shù)，在曲線的機械特性上為一變數(shù)。（3）軟的機械特性。轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化而有較大的改變，如圖3.1中的曲線 3所示。串勵

13、直流電動機即屬于此類，其<10。生產(chǎn)機械具有不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關系，要求電動機的機械特性與其相適應。例如，對于負載變化時，要求轉(zhuǎn)速恒定不變的生產(chǎn)機械，就應選擇同步電動機；對于要求起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強及特性軟的生產(chǎn)機械，例如電車、電氣機車等電力牽引生產(chǎn)機械，就應選擇串勵或復勵直流電動機。對于拖動功率大（例如大容量空氣壓縮機、各種泵等），需要補償電網(wǎng)功率因數(shù)時，宜采用交流同步電動機。3.1.2 電動機的起動性能電動機的起動性能主要是指起動轉(zhuǎn)矩的大小。一些起動轉(zhuǎn)矩要求不高的，例如機床、小容量水泵、通風機等，可以選用普通三相籠型異步電動機；但起動和制動頻繁而且起動和制動轉(zhuǎn)矩要求比較大的生產(chǎn)機械（例

14、如起重機、礦井提升機、不可逆軋鋼機、大容量水泵、壓縮機、帶式輸送機、紡織機等），就要選用三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。3.1.3 電動機的調(diào)速性能電動機的調(diào)速性能包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性（設備成本、運行效率等）各方面，都應滿足生產(chǎn)機械的要求。例如，調(diào)速性能要求不高的各種機床、通風機、船用錨機、船用起貨機等多選用普通三相籠型異步電動機；功率不大、有級調(diào)速的電梯或某些機床可選用多速電動機；而調(diào)速范圍較大、調(diào)速要求平滑的龍門刨床、高精度車床、造紙機、可逆軋鋼機等多選用調(diào)速性能優(yōu)越的他勵直流電動機和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。隨著交流調(diào)速技術的迅速發(fā)展，例如交流變頻調(diào)速器的使用，交流電動機的應用

15、必將更加廣泛。3.1.4 電動機的電源交流電源比較方便，隨處可得，而直流電源則需要有整流設備。由于居民住宅中只有單相電源，所以，家用電器都選用單相異步電動機。采用交流電動機時還應注意，異步電動機要從電網(wǎng)吸收滯后性無功功率使電網(wǎng)功率因數(shù)下降，而同步電動機處于過勵狀態(tài)時可從電網(wǎng)吸收超前無功功率。因此，在要求改善工廠功率因數(shù)的情況下，對大功率的電動機可選用同步電動機。3.1.5 電動機的經(jīng)濟性滿足了生產(chǎn)機械對于電動機起動、調(diào)速、各種運行性能等方面要求的前提下，優(yōu)先選用結構簡單、價格便宜、運行可靠、維護方便的電動機。能同時滿足以上條件的電動機可能不是一種類型，還應綜合考慮其他情況，例如節(jié)能、貨源、技術

16、狀況等。3.2電動機電壓等級的選用電動機電壓等級要與工廠企業(yè)或車間的供電電壓一致。一般中、小型交流電動機額定電壓為 220/380V或 380/660V，大型交流電動機的額定電壓是3000V、6000V 及 10000V。直流電動機額定電壓一般為 110V、220V 和 440V。大功率直流電動機可提高到 600 800V。當電動機由晶閘管整流裝置直接供電時，為配合不同的整流電路聯(lián)結形式，新改型直流電動機還增設了 160V（配合單相全波整流）及 440V（配合三相橋式整流）等新的電壓等級。3.3 電動機額定轉(zhuǎn)速的選用額定功率相同的電動機，額定轉(zhuǎn)速越高，電動機的體積越小，造價越低，一般來說電動機

17、的飛輪力矩也就越小，因此選用高速電動機較為經(jīng)濟。但由于生產(chǎn)機械速度一定，電動機的轉(zhuǎn)速越高，拖動系統(tǒng)傳動機構的速比也越大，機構越復雜。另外，電動機的和轉(zhuǎn)速影響到電動機過渡過程持續(xù)的時間及過渡過程中能量的損耗。電動機的, 值越小，過渡過程越快，能量損耗越小。因此，電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇需要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況，綜合考慮上面各個因素來確定。一般可分為下列三種情況：（1）電動機連續(xù)工作，很少起動、制動或反轉(zhuǎn)。這時，可從設備的初期投資、占地面積和維護費用等方面考慮，對幾個不同的額定轉(zhuǎn)速進行全面比較，最后確定電動機的額定轉(zhuǎn)速。（2）電動機經(jīng)常起動、制動及反轉(zhuǎn)，但過渡過程的持續(xù)時間對生產(chǎn)率影響不大（例如高爐

18、裝料機械的工作情況）。此時除考慮初期投資外，主要根據(jù)過渡過程能量損耗為最小的條件來選擇電動機的額定轉(zhuǎn)速。（3）電動機經(jīng)常起動、制動及反轉(zhuǎn)，過渡過程的持續(xù)時間對生產(chǎn)率影響較大（例如龍門刨床工作臺的工作情況）。這時，主要根據(jù)過渡過程持續(xù)時間為最短的條件來選擇電動機的額定轉(zhuǎn)速。3.4電動機額定功率的選用額定功率的選用必須考慮電動機的發(fā)熱、過載能力及起動能力三個方面。電動機額定功率的選擇一般可分為三步：（1）計算負載功率。這是決定電動機額定功率的依據(jù)。（2）根據(jù)負載功率，預選電動機的額定功率，盡量接近。（3）校核預選電動機。一般先校核發(fā)熱溫升，再校核過載能力，必要時校核起動能力。若通過，預選的電動機就

19、確定了；如果通不過，從第二步開始重新進行，直到通過為止。校核過載能力是指，異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩 Tm 是否比負載可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩大，而且需要考慮電網(wǎng)可能出現(xiàn)電壓向下波動，按向下波動 10% 計算。直流電動機電樞電流的最大允許值 Imax是否比可能出現(xiàn)的最大負載電流大。校核起動能力主要是指籠型異步電動機是否能可靠起動。校核發(fā)熱溫升是最重要的，工作量有時相當大。在滿足生產(chǎn)機械要求的前提下，所選電動機的額定功率越小越經(jīng)濟。3.5 電機容量的原則（1）電動機在工作過程中，其額定功率應得到充分利用。要求溫升接近但不超過規(guī)定的允許數(shù)值。（2）電動機應滿足生產(chǎn)機械需要的有關機械特性的要求。保證一定負載下的

20、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有一定的調(diào)速范圍及具有良好的起動和制動性能。（3）電動機的結構型式應滿足設計提出的安裝要求和適應周圍的工作環(huán)境。例如防止灰塵進入電動機內(nèi)部，或者防止繞組絕緣受有害氣體腐蝕等。電動機技術數(shù)據(jù)如表2所示：表2切削線速度=2*主軸轉(zhuǎn)速*刀具直徑/1000 ， n=32r/s=1920r/minr/min銑床的切削功率 PN=額定電壓 380V由電機的選型手冊可以看出我們即將選用的電機型號是90SZ64型。nN=1000r/min,PN =54w, GD2=0.25Kg.m2, UN=380V ,=510N/m, IN=0.62A 3.6電機電氣線路圖3.2第四章 控制系統(tǒng)設計4.1 雙閉環(huán)

21、動態(tài)抗擾性能單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對于被包在反饋環(huán)內(nèi)的一切擾動量都有抑制作用。這些擾動量最終要反映到被調(diào)量，由測出被調(diào)量的偏差進行調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，擾動才會被抑制，。但還存在不能及時調(diào)節(jié)的問題。從圖4.1可知，負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾動作用。因此，在突加負載時，必然會引起動態(tài)速升，為了減少動態(tài)速升，必須在設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR時，要求系統(tǒng)具有良好的抗擾動指標。對于雙閉環(huán)系統(tǒng)，擾動對系統(tǒng)的影響與擾動的作用點有關，擾動作用域內(nèi)環(huán)的主通道中，將不會明顯的影響轉(zhuǎn)速，圖4.1其中轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用：1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n

22、很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2.電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)工程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)工程。（4）當電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。4.2模擬式速度隨動系統(tǒng)典型的模擬式位置隨動系統(tǒng)如圖所示，一般是在調(diào)速系統(tǒng)基礎上再外加一個位置環(huán)組成，工作原理如圖4.2所示：圖4.2 工作原理圖系

23、統(tǒng)的工作原理和靜特性：由系統(tǒng)的控制原理圖我們可以看出，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是按給定量和反饋量的偏差進行調(diào)節(jié)，其偏差大小，該信號經(jīng)過放大器放大后，去控制觸發(fā)脈沖的移相角，調(diào)節(jié)整流電壓和電動機的轉(zhuǎn)速變化，只要系統(tǒng)的被調(diào)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用，也起到了穩(wěn)速的作用。通過定性的分析我們知道，開環(huán)系統(tǒng)中，當負載增大的時候，電樞壓降也增大，通過比較和放大，轉(zhuǎn)速只能老老實實降低下來，閉環(huán)系統(tǒng)裝置有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺出來了。通過比較和放大，提高晶閘管整流輸出的電壓，使系統(tǒng)工作在新的機械特性下，因而轉(zhuǎn)速又有所回升，這就是轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的基本機理。要實現(xiàn)這轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的各個參數(shù)，要有放大

24、器，而且放大器的倍數(shù)要足夠大，才能保證一定的性能指標。因此在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉(zhuǎn)速反饋電壓后，若要轉(zhuǎn)速偏差小，就必須壓的很低。所以設置放大器，才能獲得足夠的電壓。此系統(tǒng)必須要求采用二極管限幅電路，限幅電路。電路如圖4.3所示：圖4.3轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)參數(shù)計算：（1）確定時間常數(shù)，電流環(huán)的等效時間常數(shù)為，=0.0074s（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)根據(jù)所用測速發(fā)電機的紋波情況，取=0.01s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)按時間常數(shù)近似處理，取=+=0.0174s2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結構按典型二型系統(tǒng)設計轉(zhuǎn)速環(huán)，故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： (4-1) 式中：Ka:調(diào)節(jié)器的比例參數(shù):轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)4.3

25、閉環(huán)系統(tǒng)分析及參數(shù)計算在設計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾的情況，這時，必須設計合適的動態(tài)的校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標兩方面的要求。 動態(tài)校正的方法很多，而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正任務。 PID調(diào)節(jié)器中有比例微分、比例積分和比例積分微分三種類型。由PD調(diào)節(jié)器構成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足

26、夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定度的；用PID調(diào)節(jié)器則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PD或PID調(diào)節(jié)器。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電動機，晶閘管的整流裝置，觸發(fā)裝置都可以按負載的工藝要求來選擇和設計，根據(jù)生產(chǎn)機械和工業(yè)的要提出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標。而系統(tǒng)的固有部分往往不能滿足性能指標要求，所以需要設計合適的修正環(huán)節(jié)來達到。電動機：=380V =1000r/min =54

27、w =0.62A主回路：=0.3 =0.2H全控橋式整流： m=3負載及電動機: =0.25·固有參數(shù)計算電動勢系數(shù);Ce= =0.279V·min/r轉(zhuǎn)矩系數(shù): =0.272kg·m/A電磁時間常數(shù) =0.67s機電時間常數(shù) =0.00066s晶閘管整流器滯后時間常數(shù)取ASR限幅值: 取轉(zhuǎn)速給定的最大值 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù): 4.4直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控整流裝置此次設計用的是V-M方式，步驟如下:(1) 根據(jù)電動機的額定電壓不同，確定整流變壓器的輸出電壓和可控整流電流的結構形式，一般情況，當控制角a為0時，整流輸出電壓的有效值U應約等于1.1倍的電動機額定電壓UN,運算

28、關系如下表3。表3 可控直流電源運算關系(2) 電路結構確定后既要進行晶閘管的型號選擇，一般取晶閘管的額定電壓的1.5倍2倍的，額定電流大于2倍的電動機額定電流。原理圖如4.4所示： 圖4.4 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源原理圖（3）觸發(fā)電路設計，一般采用KC或KJ系列的集成觸發(fā)器，觸發(fā)電路需要三個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，即構成完整的三相全控橋觸發(fā)電路，如圖4.5所示：圖4.5 觸發(fā)電路設計電路圖第五章 系統(tǒng)校正與參數(shù)整定用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要有扎實的理

29、論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗，不易掌握，于是有必要建立實用的設計方法，即工程設計方法，步驟如下：1、選擇調(diào)節(jié)器結構,使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。2、設計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。自動控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選澤將系統(tǒng)校正為I型和II型系統(tǒng)。5.1 拖動對象的參數(shù)計算在選定電動機型號及供電電源結構、元器件及運行方式后，可以進行拖動對象的參數(shù)計算如下：= (5-1) = （5-2）= (5-3) = （5-4） （5-5）5.2 預制參數(shù)設置在獲得以上數(shù)據(jù)后，應當對調(diào)節(jié)器限幅值、給定值取值范圍做出預制參

30、數(shù)范圍，并由此確定各反饋量的反饋系數(shù)。并計算變流環(huán)節(jié)的開環(huán)增益。1、調(diào)節(jié)器輸出限幅值、給定值取值范圍根據(jù)控制電路供電情況選定，一般要求小于10V?？刂齐娐饭╇娍刹捎瞄_關電源模塊或者儀用線性電源模塊，一般應包含有15V輸出以供電運放。2、電流、電壓反饋系數(shù)確定： (5-6) (5-7)3、變流環(huán)節(jié)開環(huán)增益： (5-8)4、確定反饋量的濾波電路時間常數(shù)。5.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)計算1、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算一般電流環(huán)校正為典I系統(tǒng),取電流調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，則其時間常數(shù)和開環(huán)增益應為：=0.03s電流濾波時間常數(shù)： =0.002s電流環(huán)開環(huán)增益，要求時，應該取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為2、速度調(diào)節(jié)器參數(shù)

31、計算一般速度環(huán)節(jié)校正為典II系統(tǒng)，要求系統(tǒng)無靜差時為PI調(diào)節(jié)器,選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù):按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5則ASR的超前時間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù): =0.01s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：ASR的比例系數(shù)為： 5.4 調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)及器件選擇對于模擬控制，調(diào)節(jié)器由運放及外圍器件組成。調(diào)節(jié)器形式、參數(shù)確定后，要確定運放型號和外圍器件參數(shù)。1、電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)：電流調(diào)節(jié)器電路原理圖如圖5.1所示：圖 5.1電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)計算公式：取40K，則 取40 取0.75 取0.2另外還有考慮供電情況以選擇電阻的功率值、電容的耐壓值以確定其型號。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)：模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如圖5.2所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算公式：圖 5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取40K，則=468 取470 =0.185 取0.2 取1另外還有考慮供電情況以選擇電阻的功率值、電容的耐壓值以確定其型號。5.5 檢測電路參數(shù)設置各反饋量的反饋系數(shù)應當由對調(diào)節(jié)器限幅值、給定值取值范圍做出預制參數(shù)范圍確定。1、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和電路參數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)為： （5-9）而： = （5-10）其中Cetg為測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)，為其輸出電位器的分壓系數(shù)。在根據(jù)連接方式和電動機最大轉(zhuǎn)速確定了測速發(fā)電機